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문제 정의
- 본 연구에서는 EV축소버너의 구조적인 한계를 극복하기 위하여 GT11N 가스터빈모델에 적용되는 실스케일의 EV 버너를 이용하여 실제 가스터빈 연소기의 연소특성을 분석하였으며 가스터빈 성능에 중요한 인자로 작용하는 버너 차압특성도 분석하고자 한다.
제안 방법
- 공기공급온도범위는 계절별 대기온도의 변화에 따른 압축기 후단 온도범위에 해당하며 성능실험 시 공급공기온도 유지를 위해 공기량을 각 부하별로 일정하게 유지한 후 연료량을 조절하여 다양한 공연비(A/F) 범위에서 실험을 수행하였다. 이 때 가스분석기로 측정된 유해물질 배가스(CO, NOx) 농도는 각 부하와 공연비에 따라 O2 15% 기준으로 환산하였다.
- 장치구성은 예혼합기, 연료 및 공기 공급 장치, 공기 예열기, 배가스 측정 장치로 구성되어 있다. 공기와 연료는 Coriolis 유량계(Micro-motion)를 사용하여 공급하였다. 연료는 LNG를 사용하였고 공기는 Air compressor로 나온 건공기(dry air : 79% N2, 21% O2)를 공기예열기로 가열한 후 연소실 내부에 공급해 주었다.
- 이 때 가스분석기로 측정된 유해물질 배가스(CO, NOx) 농도는 각 부하와 공연비에 따라 O2 15% 기준으로 환산하였다. 또한 공기공급온도 370℃, Load 1.0에서의 라이너 온도, 버너 전면부, 버너 내부의 온도분포를 측정하였다.
- 실스케일 EV double cone 버너의 연소특성을 파악하기 위해 공기공급온도와 Load에 따른 배가스(NOx, CO) 특성, 화염 안정 특성, 버너 및 연소실의 온도 및 차압 특성을 살펴보았으며 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 포집된 가스는 삼중 수냉식포집관으로 급냉시킨 후 연속측정이 가능한 가스분석기(Greenline MK2)를 이용하여 측정하였다. 연소 시 화염위치의 예측을 위해 cone 내부, 버너 전면부, 라이너 내부의 온도 분포를 측정하였으며 이 때 사용된 열전대 위치를 Fig. 3에 나타내었다. 이는 모두 K-type 열전대를 사용하였다.
- 운전조건에 따른 연소특성실험을 수행하기 위하여 GT11N 가스터빈모델에 대한 Cycle 해석을 통하여 상압 연소 실험 조건을 도출하였으며 이를 Table 1에 정리하였다.
- 연료는 LNG를 사용하였고 공기는 Air compressor로 나온 건공기(dry air : 79% N2, 21% O2)를 공기예열기로 가열한 후 연소실 내부에 공급해 주었다. 파일럿 버너를 이용한 초기 점화 이 후 배가스의 농도측정을 위해 삼중관구조의 수냉식포집관(water-cooled sampling probe)을 연소실 출구에 설치하였다. 포집된 가스는 삼중 수냉식포집관으로 급냉시킨 후 연속측정이 가능한 가스분석기(Greenline MK2)를 이용하여 측정하였다.
- 파일럿 버너를 이용한 초기 점화 이 후 배가스의 농도측정을 위해 삼중관구조의 수냉식포집관(water-cooled sampling probe)을 연소실 출구에 설치하였다. 포집된 가스는 삼중 수냉식포집관으로 급냉시킨 후 연속측정이 가능한 가스분석기(Greenline MK2)를 이용하여 측정하였다. 연소 시 화염위치의 예측을 위해 cone 내부, 버너 전면부, 라이너 내부의 온도 분포를 측정하였으며 이 때 사용된 열전대 위치를 Fig.
대상 데이터
- 실험대상인 실스케일 EV 버너형상을 Fig. 1에 나타내었다. double cone 형태로 설계되어 있으며 좌우 air slit을 통하여 예열된 공기가 유입된다.
- 공기와 연료는 Coriolis 유량계(Micro-motion)를 사용하여 공급하였다. 연료는 LNG를 사용하였고 공기는 Air compressor로 나온 건공기(dry air : 79% N2, 21% O2)를 공기예열기로 가열한 후 연소실 내부에 공급해 주었다. 파일럿 버너를 이용한 초기 점화 이 후 배가스의 농도측정을 위해 삼중관구조의 수냉식포집관(water-cooled sampling probe)을 연소실 출구에 설치하였다.
성능/효과
- 1) 공기공급온도 370℃에서 단열화염온도 상승에 의해 NOx 배출량이 증가하며 CO 배출량은 공기공급온도 변화 시 공연비에 따라 CO 배출특성이 상반되는데 이는 화염위치에 따라 CO 배출에 영향을 미치는 인자가 다르기 때문인 것으로 사료된다.
- 2) 중간부하 Load 0.8에서 NOx 발생량이 가장 감소되며 Load 1.0에서는 연소 부하 대비 열손실 감소로 NOx의 발생량이 증가된다. 반면 Load 0.
- 3) 버너 전면부 및 측면내부, 라이너 벽면의 온도 분포를 이용하여 연소반응으로 인한 연소기 내부의 화염위치를 예측할 수 있었다. 특히 A/F 38.
- 4) 공기공급온도 증가 시 가연한계가 증가함을 확인할 수 있었다.
- 8과 비교하여 혼합특성 저하 및 체류시간 증가로 NOx 생성량이 증가하였다. CO배출량은 산화반응과 Load 별 유속변화에 따른 체류시간에 의해 Load 0.6에서 CO 배출량이 가장 적음을 확인할 수 있었다.
- 12에 나타내었으며 공기공급온도 증가 시 화염 가연 한계공연 비(A/F)가 증가함을 알 수 있다. 각 온도의 한계공연 비에 해당하는 단열화염온도를 계산해 보면 공기공급온도 40℃ 상승 시 단열화염온도는 약 20℃ 감소함을 알 수 있다. 즉 공기공급온도 증가 시 가연한계가 증가하며 이는 유속의 증가로 재순환특성이 향상되어 화염 안정성이 증가하기 때문인 것으로 사료된다.
- 3에 도시된 바와 같이 버너의 공기유로인 Air slit을 기준으로 전단부(Wind box부, PH)와 후단부(Liner부, PL)의 압력 차이이며 버너 차압에 의한 압력 손실은 터빈 출력에 영향을 미치는 중요한 변수이다. 이에 공기량을 Load 1.0로 유지한 상태에서 연료량에 의한 공연비를 조절한 경우의 차압 특성을 보여주는데, Air slit 차압을 보면 공연비가 증가할수록 감소 추세를 보인다.
- 3) 버너 전면부 및 측면내부, 라이너 벽면의 온도 분포를 이용하여 연소반응으로 인한 연소기 내부의 화염위치를 예측할 수 있었다. 특히 A/F 38.7에서 버너출구의 하류로 화염이 넓게 발달함을 알 수 있었는데 이는 버너 차압 특성 결과에서도 확인할 수 있었다.
후속연구
- 특히 A/F 38 이상에서는 Air slit 차압의 급감이 관찰되는데 이 조건에서는 화염이 버너 출구부의 하류 쪽으로 이동하여 넓게 퍼지면서 압력 손실이 급감하는 것으로 예측된다. 이러한 연소실 차압특성은 실제 가스터빈에서 그룹별 버너의 공연비 및 연소특성을 보다 정확하게 예측하는데 활용될 수 있을 것으로 예상된다. Fig.
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