[논문]이중 콘형 부분 예혼합 GT 노즐의 연료 분사구 형상 변화에 대한 연소특성

김한석; 조주형; 김민국; 황정재; 이원준

doi:10.7842/kigas.2020.24.4.25

이중 콘형 부분 예혼합 GT 노즐의 연료 분사구 형상 변화에 대한 연소특성
Combustion Characteristics of a Double-cone Partial Premixed Nozzle with Various Fuel hole Patterns 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.24 no.4, 2020년, pp.25 - 31

김한석 (한국기계연구원) , 조주형 (한국기계연구원) , 김민국 (한국기계연구원) , 황정재 (한국기계연구원) , 이원준 (한국기계연구원)

초록
AI-Helper

산업용 혹은 발전용 가스터빈에 사용되는 이중 콘형 예혼합 연소기의 연소 특성을 이해하기 위하여 실험적 연구를 수행하였다. 노즐의 여러 연료 분사 방식에 대하여 NOx와 CO의 배출 특성, 화염 안정성 및 연소실 온도 분포에 대한 연소특성을 비교하였다. 주 연구 결과로는 연료홀 개수가 동일하고 연료 홀 직경이 감소하는 경우와 연료 홀면적이 동일하고 연료 홀 수가 감소되는 경우 연료의 연소용 공기층 침투가 커지기 때문에 NOx의 배출은 감소하지만 화염 안정성은 감소하게 된다. 그리고 동일 연료 홀 면적을 이용하는 분사방식에 있어서 연료 홀을 교차 변경하는 경우 연료의 평균 침투거리 증가로 NOx의 배출이 감소되며 연료 침투거리가 적은 연료가 화염을 안정화시키는 역할을 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Experimental investigations were conducted to examine the combustion characteristics of a swirl-stabilized double cone premixed burner nozzle used for industrial gas turbines for power generation. Several variants with different fuel injection patterns are tested to compare the combustion characteristics such as NOx and CO emissions, stability, and wall temperature distributions. Main results show that NOx emissions and stability are decreased either when the fuel hole diameter is decreased with the same number of fuel holes, or when the number of fuel holes is reduced with the same total area of fuel holes, both of which are due to a higher penetration of fuel into the air stream. Not only is NOx reduced but also stability is enhanced when the fuel hole diameter varies in an alternating manner with the same total area of fuel holes, showing that NOx reduction is due to a higher penetration of mean fuel injection path while stability enhancement is due to a lowered penetration of minimum fuel injection path.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Schematic of double cone premixed burner nozzle.
그림 Fig. 2. Fuel injection hole patterns of nozzle.
그림 Fig. 3. Fuel penetration estimation.
표 Table 1. Fuel injection patterns
그림 Fig. 4. Schematic of combustion test system.
그림 Fig. 5. Liner temperature distributions (cases 1 to 5).
그림 Fig. 6. The dependence of NO and CO emissions on the exhaust O₂ (cases 1 to 5).
그림 Fig. 7. Liner temperature distributions (cases 3, 6, 7).
그림 Fig. 8. The dependence of NO and CO emissions on the exhaust O2 (cases 3, 6, 7).
그림 Fig. 9. Flame stability characteristics (cases 1 to 7)

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구는 발전용 가스터빈 연소기에 사용되고 있는 이중 콘형(Double cone-type) 부분 예혼합 희박 연소노즐의 성능 개선을 목표로 하였다. 기존 연소 노즐의 외형 수정 없이 연료 분사패턴 변화에 대한 연소특성 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 발전용 가스터빈에 사용되는 이중 콘형의 예혼합 희박 연소방식의 저 NOx 가스터빈 연소기노즐의 성능개선을 위하여 공기 슬롯 경사면에서 일렬로 분사되는 연료 분사 방식을 변경하여 연소특성을 예상하였다. 본 실험 범위에서의 결과를 요약하면 다음과 같다.

제안 방법

1에서와 같이 연료의 분사구 직경과 유속은 공기 유로내의 연료 침투 거리에 영향을 주게 되어 연소노즐내의 공기/연료의 예혼합 특성에 영향을 준다.[1, 10] 본 연구에서는 Fig. 1의 경사면 공기 슬롯에서 연료 분사구 패턴을 변화시킨 노즐을 Fig. 2와 같이 7종을 제작하였고 세부 사항을 Table 1에 정리하였으며 침투거리에 대한 예상은 Fig. 3과 같은 실험식을 이용하였다.[10] Table 1에서 Area는 case 1에 대한 총 분사 면적의 비이며, Penetration (L, S) 는 case 6과 7의큰 분사구와 작은 분사구의 case 1에 대한 침투거리 비이고, Average Penetration은각 분사구의 침투 거리에 각 분사구 면적비를 곱한 값을 case 1에 대한 비율로 나타내었다.
5 kg/s)를 이용하였고 공기온도는 370℃로 하여 가스터빈 플랜트의 연소기 입구 공기온도와 유사하게 하였으며 연료량을 변화시켜 연소실험을 수행하였다.[1] 연소기의 점화를 위하여 연소실 상류 측면부에 설치한 메탄용 Pilot buner를 사용하였으며 실험의 안정성을 확보하기 위하여 pilot 화염을 유지한 상태에서 연소 실험을 수행하였으며 주연소 화염에 미치는 영향을 최소화하기 위하여 pilot 화염의 연료량은 주연소 연료량의 1% 이하로 공급하였다. 화염안정성 실험은 기존 제품인 Table 1의 case 1을기준으로 하여 각 case에 대하여 상대 비교를 위하여 수행하였으며 상압의 연소용 공기(0.
본 연구는 발전용 가스터빈 연소기에 사용되고 있는 이중 콘형(Double cone-type) 부분 예혼합 희박 연소노즐의 성능 개선을 목표로 하였다. 기존 연소 노즐의 외형 수정 없이 연료 분사패턴 변화에 대한 연소특성 연구를 수행하였다. 본 연구를 위하여 발전 플랜트에 사용되는 연소노즐의 연료 분사구를 보완하여 이용하였으며 연소용 공기온도는 플랜트의 연소조건을 고려하여 370℃로 하여 0.
Case 5는 case 2와 동일 분사직경과 분사구수를 갖지만 상류 첫 분사구를 축방향 하류로 8mm 이동시켰고 분사구 간의 간격을 감소시켰다. 발전 플랜트는 연료 공급을 공급 압력을 기준으로 운전되기 때문에 case 6과 case 7은 case 3에 대하여 총 분사면적을 유지(면적비 차이 1%)하여 분사압력 변화를 최소화하였고 경사면 방향으로 분사구 크기를 교차변경하여 동일 노즐 내에서 각 분사구의 연료 침투 거리를 다르게 하였다.
화염대의 온도분포는 연소실 벽면에 K-type 열전대를 용착하여 이용하였다. 배가스 농도 측정을 위하여 포집관을 연소실 출구에 설치하였으며 포집된 가스는 급랭시킨 후 수분을 제거하여 표준가스로 보정된 가스 분석기(Green Line MK2)를 이용하여 NOx, 와 O₂ 그리고 CO 농도를 측정하였다.[1, 10-11]
기존 연소 노즐의 외형 수정 없이 연료 분사패턴 변화에 대한 연소특성 연구를 수행하였다. 본 연구를 위하여 발전 플랜트에 사용되는 연소노즐의 연료 분사구를 보완하여 이용하였으며 연소용 공기온도는 플랜트의 연소조건을 고려하여 370℃로 하여 0.5 kg/s의 상압 공기를 이용하였다.
연소 실험은 발전편람을 참고로 하여 실플랜트 가스터빈 연소기의 단일 연소노즐을 기준으로 체적유량을 고려하여 상압의 연소용 공기 (0.5 kg/s)를 이용하였고 공기온도는 370℃로 하여 가스터빈 플랜트의 연소기 입구 공기온도와 유사하게 하였으며 연료량을 변화시켜 연소실험을 수행하였다.[1] 연소기의 점화를 위하여 연소실 상류 측면부에 설치한 메탄용 Pilot buner를 사용하였으며 실험의 안정성을 확보하기 위하여 pilot 화염을 유지한 상태에서 연소 실험을 수행하였으며 주연소 화염에 미치는 영향을 최소화하기 위하여 pilot 화염의 연료량은 주연소 연료량의 1% 이하로 공급하였다.
연소실의 내부 직경은 355mm, 길이는 1600mm이며 연소용 공기는 케이싱과 연소실 사이를 연소실 유동과반대로 흐른 후 연소노즐 입구의 윈드박스에 공급되는 구조로 하여 연소 노즐 입구 연소용 공기의 유동을 균일화하였다. 연소노즐에 공급되는 공기 온도 측정은 윈드박스 내의 K-type의 열전대를 이용하였으며 외부 온도의 영향을 최소한으로 하고 실험의 안전을 위하여 케이싱 외벽을 100mm의 두께로 단열하였다. 화염대의 온도분포는 연소실 벽면에 K-type 열전대를 용착하여 이용하였다.
[1] 연소기의 점화를 위하여 연소실 상류 측면부에 설치한 메탄용 Pilot buner를 사용하였으며 실험의 안정성을 확보하기 위하여 pilot 화염을 유지한 상태에서 연소 실험을 수행하였으며 주연소 화염에 미치는 영향을 최소화하기 위하여 pilot 화염의 연료량은 주연소 연료량의 1% 이하로 공급하였다. 화염안정성 실험은 기존 제품인 Table 1의 case 1을기준으로 하여 각 case에 대하여 상대 비교를 위하여 수행하였으며 상압의 연소용 공기(0.5 kg/s, 37 0℃)를 이용하여 연료량을 감소시켜 소염되는 공연 비를 기준으로 연소 안정성을 평가하였다.

대상 데이터

공기 압축기에서 공급된 연소용 공기는 코리올리스 유량계와 밸브로 유량제어 후 열교환기를 통하여 가열되어 연소기에 공급되게 구성하였다.[1] 연소용 연료는 도시가스 배관에 공급되는 NG를 펌프로 가압하여 사용하였다.
본 연구의 대상인 발전용 가스터빈용 예혼합 이중 콘형(Double cone-type) 연소노즐은 노즐 내부에 공기와 연료의 예혼합 영역이 존재하는 구조로 되어 있다.[1] 종래의 연구자들은 본 노즐에 대하여 공기와/연료의 예혼합도와 NOx 발생의 상관관계 그리고 화염의 거동에 대하여 연구를 수행하였으며 연소노즐 내부의 예혼합 영역에서 혼합도가 저하되면 NOx의 배출이 크게 증가함을 예상하였다.
실험 대상 연소노즐은 Fig. 1과 같이 발전용 가스터빈에 사용되는 NG용 저 NOx 연소노즐로 콘절반이 엇갈려 있는 2중원추형으로 연소용 공기는 두 개의 엇갈린 공기 슬롯(slot)을 통하여 접선방향으로 외부에서 연소노즐 안으로 공급되는 구조로 선회수 (S, Swirl Number)는 0.78이며 노즐 축 중심 부는 선회유동에 의한 재순환 유동이 발생되어 연소 중에는 연소생성 가스가 노즐 중심 축 입구로 일부 역류되어 연소영역을 외곽으로 이동시키고 화염을 안정화시키는 역할을 한다.[1] 연료는 두개의 공기 슬롯 경사면에서 연소용 공기 흐름에 수직 (Jet in cross type)방향의 일렬로 구성된 다공의 분사구를 통하여 공급된다.
실험장치는 Fig. 4와 같이 연소노즐, 공기 및 가스연료 공급장치, 측정장치로 구성되어 있다. 공기 압축기에서 공급된 연소용 공기는 코리올리스 유량계와 밸브로 유량제어 후 열교환기를 통하여 가열되어 연소기에 공급되게 구성하였다.

성능/효과

(1) 연료의 평균 침투거리가 감소하는 경우 연소실 내부 표면 부의 공연비 감소로 벽면 온도가 높게 된다.
(2) 노즐에서 분사되는 연료의 침투 거리가 증가 하면 NOx의 배출은 감소하지만 화염을 안정화시 키는 고온 영역의 감소로 화염 안정성은 저하된다.
(3) 분사구 총면적을 유지하고 분사구 직경을 교차 변경시키면 분사되는 총 연료의 평균 침투거리 가 증가되어 NOx의 배출이 억제되고 침투거리가 적은 분사구 직경의 연료는 화염안정성을 개선시킨다.
Fig. 6(a)의 결과로부터 각 case에 대하여 연료량 증가로 배가스 O₂의 농도가 감소할수록 NOx의 배출 농도가 대체로 증가하는 것을 알 수 있다. 이것은 공급 연료량이 증가할수록 O₂의 농도는 감소하지만 연소 영역의 온도가 증가하여 고온영역에서 주로 발생하는 Thermal NOx의 발생량이 증가하기 때문이다.
Fig. 6 (b)의 CO 배출 농도 결과로부터 본 실험 범위에서 NOx에 비하여 CO의 배출 농도 영향은 적으며 O₂ 농도가 감소할 수록 연료로 공급되는 산화제 감소로 인하여 CO의 배출 농도가 대체로 증가하는 경향을 보인다. Case 1의 경우 분사직경이 작고 분사구수가 많지만 연료의 침투거리가 적어 연료로의 산화제의 공급이 상대적으로 작아 CO의 배출이 크며 case 4의 경우 CO의 배출이 가장 적은 것은 연료분사구의 직경 감소뿐만 아니라 연료의 침투거리 증가로 인하여 연료로의 산화제 공급이 원활하기 때문으로 판단된다.
Case 2와 case 5의 비교로부터 case 2의 경우 보다 하류에서 연료가 공급되는 case 5의 경우 화염이 상대적으로 불안정 하게 됨을 알 수 있다. 그리고 연료의 총 분사면적을 유지한 case 3과 case 6, case 7의 결과로부터 case 3에 비하여 case 6과 case 7은 평균 연료의 침투거리는 증가하지만 화염은 보다 안정된 결과를 얻을 수 있었다. 이것은 연료가 침투거리가 상대적으로 작은 직경으로 분사된 연료가 화염을 안정화시키는 역할을 하기 때문으로 판단된다.
8 (a)의 결과로부터 Table 1의 연료의 평균 침투거리가 큰 case 7의 경우 NOx 배출이 가장 낮고 case 6의 경우 CO의 배출이 가장 낮게 분포된다. 따라서 총 연료 분사면적을 동일하게 하여 연료 공급 압력을 유지하고자 하는 경우에 일정한 직경으로 구성된 연료 분사구의 직경을 교차 변경하여 연료의 평균 침투 거리를 증가시키는 것이 NOx와 CO의 배출 저감에 유리할 것으로 판단된다.
[1] 종래의 연구자들은 본 노즐에 대하여 공기와/연료의 예혼합도와 NOx 발생의 상관관계 그리고 화염의 거동에 대하여 연구를 수행하였으며 연소노즐 내부의 예혼합 영역에서 혼합도가 저하되면 NOx의 배출이 크게 증가함을 예상하였다. 또한 화염온도가 높은 경우 화염이 연소노즐 내부로 역화되고 연소진동의 변화가 증가하는 원인을 규명하였다.[12-14] 콘으로 연료를 분할 주입하는 다단 연소특성에 대해서는 콘에서 분사되는 연료량과 방향에 따라 연료/공기의 혼합도와 화염대의 위치가 이동되어 NOx와 CO의 배출이 변하게 됨을 예상하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	과농-희박 연소 방법이란?	현재 가스터빈 연소기에 주로 이용되는 NOx 저감 기술은 고온 영역을 최소화시키는 과농-희박 연소(Rich-lean Combustion)방법과 예혼합 희박연소 (Lean-premixed Combustion) 방법이 있다. 과농-희박 연소 방법은 연소영역 상류부의 당량비를 1이상으로 연료를 과농하게 연소시키고 연소실 하류에서 다량의 공기를 공급함으로서 고온 영역을 최소화시키며 연소반응을 완료하게 하는 방법이다. 이러한 과농-희박 연소 방식은 예혼합 희박 연소방식에 비하여 연소실 중간에서 다량의 공기를 공급하기 때문에 주연소영역에서 배출된 연료과농 생성 가스와 공기의 혼합이 수월하지 않아 미연가스의 배출이 증대될 우려가 있지만 부하변동에 대하여 비교적 안정된 화염을 유지할 수 있어 항공기 엔진에 주로 사용된다.
	가스터빈 연소기에 주로 이용되는 NOx 저감 기술 종류는?	현재 가스터빈 연소기에 주로 이용되는 NOx 저감 기술은 고온 영역을 최소화시키는 과농-희박 연소(Rich-lean Combustion)방법과 예혼합 희박연소 (Lean-premixed Combustion) 방법이 있다. 과농-희박 연소 방법은 연소영역 상류부의 당량비를 1이상으로 연료를 과농하게 연소시키고 연소실 하류에서 다량의 공기를 공급함으로서 고온 영역을 최소화시키며 연소반응을 완료하게 하는 방법이다.
	예혼합 희박연소 방법의 한계는?	[6,7] 예혼합 희박연소 방법은 연소 노즐의 예혼합기에서 대부분의 연소용 공기와 연료를 당량비 1이하로 희박하게 예혼합한 후 연소 실의 연소영역으로 공급하여 화염대의 고온부 발생을 억제시키는 연소방법으로 현재 발전용으로 가장 많이 사용되고 있는 저 NOx 연소기술이다. 이러한 예혼합 희박연소 화염은 확산화염(Diffusion flame) 에 비하여 국부적 고온부가 적어 NOx의 발생이 억제 되지만 예혼합기에서 연료와 공기의 예혼합도를 높인 후 혼합가스를 연소영역으로 공급해야 NOx의 배출이 억제되며 안정한 연소영역이 되지 않고 화염이 불안정하여 CO의 배출 증가와 화염부상, 연소 진동 또는 역화우려가 크기 때문에 관련하여 많은 연구가 진행되고 있다.[8-9] 예혼합기 내부에서 연료의 침투거리에 대한 영향을 예상하기 위하 연료 분사구의 수와 직경을 변화시켜 연료의 분산효과와 침투거리에 대한 연구가 수행되었으며 연료의 분산효과보다는 침투거리가 NOx의 배출에 큰 영향을 주는 것을 예상하였다.

참고문헌 (15)

Kim, H. S., Cho, J. H., Kim, M. K., Hwang, J. J.M and LEE, W. J., "Characteristics of Multi staged combustion on a Double-cone Partial Premixed Nozzles", KIGAS, 24(1), 49-55, (2020)
Lefebvre, A. H., Gas Turbine Combustion., McGraw-Hill, (1983)
Mellor, A. M., Design of Modern Turbine Combustor., Academic Press, (1990).
Cohen, H., Rogers, G. F. C., Saravanamutto, H. I. H., Gas Turbine Theory(3th), Longman Scientific & Technical, (1987)
Fenimore, C. P., "Studies of fuel-nitrogen in rich flame gases.", 17th Proc. Combust. Institute, 661-670, (1979)
Feitelbery, A. S., Lacey, M. A., "The GE Rich-Quench-Lean Gas Turbine Combustor", ASME, 97-GT-127, (1997)
Peter, G., "Experimental Investigation of an Atmospheric Rectangular Rich Quench Lean Combustor Sector for Aeroengines", ASME, 97-GT-146, (1997)
Northern Research and Engineering Corporation, The Design and Development of Gas Turbine Combustors, Northern Research and Engineering Corporation, Woburn, Massachusetts, U.S.A., (1980)
Kim, H. S., Lim, A. H., Ahn, K. Y., "Study on the combustion characteristics of a lean premixed combustor." Journal of Korean Society of Combustion, 9(1), 25-31, (2004)
Kim, H. S., Arghode, V. K., and Gupta, A. K., "Combustion characteristics of a lean premixed LPG-air combustor", I. J. Hydrogen Energy, 34(2), 1045-1053, (2009)

상세보기
Cho, C. H., Baek, G. M., Sohn, C. H., Cho, J. H., Kim, H. S., "A numerical approach to reduction of NOx emission from swirl premix burner in a gas turbine combustor", Applied Thermal Engineering, 59(1-2), 454-463, (2013)

상세보기
Fernando, B., Felix, G., "Combustion dynamics linked to flame behaviour in a partially premixed swirled industrial burner", Experimental Thermal and Fluid Science, 32(7), 1344-1353, (2008)

상세보기
Fernando, B., Felix, G., "Effect of pressure and fuel-air unmixedness on NOx emissions from industrial gas turbine burners", Combustion and Flame, 151(1-2), 274-288, (2007).

상세보기
Kim, H. S., Arghode, V. K., and Gupta, A. K., "Hydrogen addition effects in a confined swirlstabilized methane-air flame", I. J. Hydrogen Energy, 34(2), 1054-1062, (2009).

상세보기
Kim, H. S., Arghode, V. K., and Gupta, A. K., "Flame characteristics of hydrogen-enriched methane-air premixed swirling flames", I. J. Hydrogen Energy, 34(2), 1063-1073, (2009).

상세보기

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증