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문제 정의
- 본 연구에서는 당사가 전략적으로 독자 개발 중에 있는 20kW 급 마이크로터빈용 저공해 연소기의 고온고압 연소특성을 파악하기 위하여 엔진 구동 초기조건에서 연소기 전체 영역에서 실험연구와 연소기 주연소 영역에 대한 배기가스 성능 특성 연구를 병행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 원래는 터빈에서 유출된 배기가스가 recuperator 를 거쳐 압축공기와 열교환을 하지만, 본 실험에서는 저공해연소기의 배기 가스 특징을 살펴 보기 위해 공기 예열 연소기를 설치하여 실험하였다. 본 연구에서는 예혼합 희박연소기의 희석영역을 포함한 당량비별 점화특성, 공기온도별 연소특성, 압력별 연소 특성, 연소부하 등에 대한 특징을 살펴보았고, 주연소영역에 대한 압력별 연소특성 등에 대한 실험을 수행하였다.
- 한다. 아울러 고출력에서의 희박연소를 위한 공기배분이 저출력에서 blowout을 유발할 가능성이 존재하므로 열회수기 (recuperator)와 같은 특수장치를 사용하여 희석영역을 포함한 연소기 전체 영역에 걸친 연소특성을 파악하고자 성능시험을 수행하였다.
제안 방법
- '주연소 영역의 배기가스 특성을 알아보기 위해 입구온도 600K 로 유지시키고 0.3bar 와 0.5bar에서 각각 45.79kg/h, 52.84kg/h로 체류 시간을 일정하게 유지하여 준 상태에서 당량비를 변화시키 면서 실험을 수행하였다. Fig.
- 공기유량 측정은 자체 설계한 차압식 벤츄리미터(venturi meter)를 이용하였으며 최대 30kPa의 차압(differential pressure)을 가지고 설계하였다. 연소기 입구로의 안정된 공기유량이 공급되는지 확인하기 위해 pitot tube 를 이용한 벤츄리미터의 유량을 보정하였다.
- 4bar 를 기준으로 연소특성을 살펴보았다. 그리고 예혼합실의 부하에 따른 배기특성을 알아 보기 위해 연소기 입구압력 0.3bar, 공기온도 550K를 기준으로 공기량 137.07kg/h, 182.76kg/h, 228.27kg/h 로 고정시키고 연료량을 조절하여 당량비를 변화시켜 가면서 실험을 수행하였다.
- 측정하였다. 동일한 당량비와 체류시간을 유지시켜 주기 위해 연소기 입구 공기온도를 500K 550K, 600K 일때 공기량은 25L08kg/h, 228.25kg/h, 209.23kg/h 를 각각 공급하였다. 모든 조건은 동일하게 0.
- 그러나 저 NOx 연소기의 경우 이미 개발된 연소기에 대한 설계 데이터가 부족하여 많은 어려움이 따른다. 따라서, 본 연구에서는 1차 및 2 차영역의 주연소영역에서 희박연소에 의한 연소부하가 커질 것을 감안하여 연소부하를 276J/m3/s/Pa 로 하고 전영역에 걸쳐 166J/m3/s/Pa 의 연소부하로 하여 연소기단면적 등을 결정하였으며, 체류시간 및 공기부하 등에 대해서도 개발이 용이한 범위에서 설계를 실시하였다.
- 또한 압력에 따른 연소기 출구의 배기가스 특성을 알아보기 위해 입구온도 550K 일 때, 0.2bar와 0.4bar 를 기준으로 연소특성을 살펴보았다. 그리고 예혼합실의 부하에 따른 배기특성을 알아 보기 위해 연소기 입구압력 0.
- 7bar 로 고정하고 공기량을 증가시켜 최소 점화한계 당량비 (equivalence ratio)를 실험하였다. 또한 연소기 전영역에 대한 연소특성을 파악하기 위해 연소기 입구온도를 500K, 550K, 600K로 변화시켜 가면서 연소기 출구에서의 배기가스 성분, 온도 및 화염형상 등을 관찰하였다. 이때 각각의 온도에서의 공기량은 연소기 내에서 동일한 속도를 가지도록 연소용 공기의 체적유량을 일정하게 하였으며 연료량을 조절하여 당량비를 변화시켜 가면서 실험하였다.
- 부분 부하 또는 시동시의 연료 스케줄에 따른 점화 및 연소 특성에 대한 요구조건은 가스터빈 엔진의 운영조건을 고려하여 설계되어야 하나, 본 연구에서는 연소기의 성능실험을 통하여 연소 가능한 전체영역에서 운전 및 시동특성을 살펴보고 최적의 설계점을 선정하였다.
- 점화조건은 온도 320K 이고, 대기압 상태에서 연료를 분사하여 실험하였다. 사용된 연료노즐은 1.35UsgaLTi의 유량으로서 토출압을 각각 4.2bar, 6.2bar, 6.7bar, 8.7bar 로 고정하고 공기량을 증가시켜 최소 점화한계 당량비 (equivalence ratio)를 실험하였다. 또한 연소기 전영역에 대한 연소특성을 파악하기 위해 연소기 입구온도를 500K, 550K, 600K로 변화시켜 가면서 연소기 출구에서의 배기가스 성분, 온도 및 화염형상 등을 관찰하였다.
- 연소기 내 공기의 체류시간을 일정하게 유지시키고 연소기 입구공기 온도를 변화시켜 주었을 때 연소기 출구의 온도 및 배기가스를 측정하였다. 동일한 당량비와 체류시간을 유지시켜 주기 위해 연소기 입구 공기온도를 500K 550K, 600K 일때 공기량은 25L08kg/h, 228.
- 연소기 입구로의 안정된 공기유량이 공급되는지 확인하기 위해 pitot tube 를 이용한 벤츄리미터의 유량을 보정하였다.
- 연소기 입구압력에 따른 연소기 전체 영역에 대한 출구 배기가스의 특성을 살펴보기 위해 연소기 내 체류시간은 일정하게 유지시키고 입구온도 550K 일 때의 CO 와 NO 의 변화추이를 살펴보았다. Fig.
- 연소기 전영역 에 대한 부하에 따른 배기특성을 알아보기 위해 연소용 공기압력 0.3bar 와 온도 550K 로 일정하게 유지시키고 공기량■ 229.25kg/h, 182.78kgZh, 137.07kg/h 로 고정시키고 연료량을 조절하여 당량비를 변화시켰다. Fig.
- 연소기 전영역에 대한 점화실험으로서 초기에 점화가능 한계를 입구공기유량과 연료량에 대한 당량비로 가연한계를 실험하였다. 점화조건은 온도 320K 이고, 대기압 상태에서 연료를 분사하여 실험하였다.
- 연소에 의해 발생된 배기가스를 측정하기 위해 연소기 후단에 자체 설계한 검출 프로브(probe)를 달고 가스분석기(Greenline MK2)에 연결하여 연속적으로 검출하였다. 이때 고온의 배기가스로부터 검출 프로브를 보호하기 위해 물 냉각을 이용하였다.
- 연소특성에 가장 큰 영향을 미치는 주연소영역에 대한 특성을 파악하기 위해 희석공기공이 없는 경우에 대하여 출구부에서 배기가스 특성 및 온도, 화염형상 등을 관찰하였다. 이때 입구 온도는 각각 600K 로 일정하게 유지시키고 압력을 0.
- 예열기인 recuperator 로 유입된다. 원래는 터빈에서 유출된 배기가스가 recuperator 를 거쳐 압축공기와 열교환을 하지만, 본 실험에서는 저공해연소기의 배기 가스 특징을 살펴 보기 위해 공기 예열 연소기를 설치하여 실험하였다. 본 연구에서는 예혼합 희박연소기의 희석영역을 포함한 당량비별 점화특성, 공기온도별 연소특성, 압력별 연소 특성, 연소부하 등에 대한 특징을 살펴보았고, 주연소영역에 대한 압력별 연소특성 등에 대한 실험을 수행하였다.
- 또한 연소기 전영역에 대한 연소특성을 파악하기 위해 연소기 입구온도를 500K, 550K, 600K로 변화시켜 가면서 연소기 출구에서의 배기가스 성분, 온도 및 화염형상 등을 관찰하였다. 이때 각각의 온도에서의 공기량은 연소기 내에서 동일한 속도를 가지도록 연소용 공기의 체적유량을 일정하게 하였으며 연료량을 조절하여 당량비를 변화시켜 가면서 실험하였다.
- 화염형상 등을 관찰하였다. 이때 입구 온도는 각각 600K 로 일정하게 유지시키고 압력을 0.3bar, 0.5bar, 0.7bar 로 중가시켜 가면서 배기가스특성 등을 평가하였다.
- 이러한 연소기 운영조건과 함께 연소기 설계목표가 되는 연소효율, pattern factor, 전압손실계수, 배기가스 배출량 등에 대한 설계 요구사항이 주어지는데, 배기가스 배출량을 제외한 다른 사양에 대해서는 기존에 개발된 비슷한 형태로 연소기를 적용하였다. Table 2 는 이러한 연소기의 설계 요구사항을 정리한 것이다.
- combustion) 등을 들 수 있으'", . 현재 기술수준으로 볼 때, 기술습득이 용이한 LPP 연소방식을 채택하도록 하였다. 이것은 약 1800K의 고온에서 발생하는 NOx 량을 최소화하기 위하여 화염안정 연소영역(flame stability region)의 한계치(weak extinction equivalence ratio)에서 연소를 발생시키는 방법으로서, 과잉공기가 연소기로 유입되기 때문에 화염온도가 낮아지고 카본 형성이 거의 없다.
대상 데이터
- 본 실험에 사용된 노즐은 경유용 압력식 중공형노즐로서 분사각이 30° 이다. 연소기의 점화는 불꽃 점화방식(spark ignition)을 채용하여 점화하였다.
- 4 는 본 연구에서 사용된 연소기와 예 혼합기를 나타낸 것이며, (a)은 예혼합 희박 연소기술을 이용한 저 NOx 연소기로서 연소기 성능평가를 위해 설계 및 제작된 것이다. 실험에 사용된 연소기는 라이너 내경 60mm, 길이 210mm 이고 케이싱내경이 80mm 인 단관식 캔형 연소기로서 유로는 직류형으로 설계되었다. (b)는 연료와 공기를 연소상태에 이르기 전에 예혼합시켜 주는 일종의 swirler 로서 그림은 double cone 형 의 premix burner를 나타낸 것이다.
- 연료는 경유(diesel)를 사용하였고 연료유량은 컬럼 (column)을 이용한 유량 및 압력곡선을 구하여 사용하였다. 연소용 공기는 건조공기를 사용하기 위해 압축기 출구에 수분분리기(water separator)를 설치하였다.
- 연소기 입구온도는 K-type 열전대(thermocouple)를 사용하였고, 출구온도는 고온의 연소가스로 인해 R-type 열전대를 사용하였다. 열전대로부터 측정된 고온가스의 온도값에 대한 복사(radiation) 열손실 및 전도(conduction)에 의한 오차는 보정하지 않았다.
이론/모형
- 이때 고온의 배기가스로부터 검출 프로브를 보호하기 위해 물 냉각을 이용하였다. 연소기 및 유량계 등 각각의 구성품에 대한 온도 및 압력 검출은 당사에서 자체 개발한 KTM-DAS-1000 을 이용하여 측정하였다 (Fig.3 참조).
- 분사각이 30° 이다. 연소기의 점화는 불꽃 점화방식(spark ignition)을 채용하여 점화하였다.
성능/효과
- 1) 희박 예혼합 연소기의 최대 장점인 CO 와 NO 를 동시에 줄일 수 있는 희박한계 영역인 당량비 0.12에서 액체연료인 경유를 사용했을 때 CO 는 약 600ppm, NO 37ppm 정도를 얻을 수 있었다. 차기 보완 실험을 통해 입구온도와 압력을 현재보다 상승시키면 혼합특성과 화염 안정화 등으로 인해 CO 는 더 줄어들 것으로 예상되지만, NO 특성은 크게 변하지 않을 것으로 예상된다.
- 2) 연소기 입구의 연소부하에 따른 공기의 체류시간 특성을 살펴본 결과 공기량이 증가할수록 CO 는 증가하고 NO는 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
- 3) 연소기 입구 압력이 증가할수록 CO와 NO 는 증가하는 경향을 보이고 있으며 그 증감을 정량적으로 예측하기는 상당히 어렵다.
- 4) 입구 공기온도의 증가는 TIT 를 상승시키고 NO 배출을 증가시키는 반면CO 는 감소하는 전형적인 배기가스 배출 특나* 성타을냈다.
- 5) 주연소 영역의 공기 가압 연소실험에서 CO 는 거의 배출되지 않았지만,NO 는 예측하기 어려운 연소특성 곡선을 나타내고 있다.
- 5 와 Fig 6 에 나타내었다.Fig 5에서 알 수 있듯이 연료량이 일정할 경우, 당량비가 감소할수록 비점화 상태에 근접하고 있는 것을 확인할 수 있었다. 이는 공기량이 증가할수록 연소기 내의 연료체류시간이 줄어들기 때문에 점화의 어려움이 발생한 것으로 사료된다.
- 여기서 연료압력이 클수록 희박조건에서의 점화는 불리함을 알 수 있다. 본 실험을 통해 적정한 점화조건은 설계 회전수의 약 10%에서 15%사이에서 점화가 양호하게 발생하였다.
- 연소용 공기는 건조공기를 사용하기 위해 압축기 출구에 수분분리기(water separator)를 설치하였다. 압축기의 토출 특성은 당사에서 자체 설계한 소닉노즐과 계측기로 측정한 결과 풍압은 최대 5kg/cm2G이고 유량은 0.1223kg/s 의 유량을 가지고 있으며, 상압에서 2.5kg/cm2까지 실험이 가능하다. 연소용 공기는 공기 예열기를 거쳐 필요한 온도까지 가열된다.
- 7bar 에서는 점화가 어 렵거나 실화되었다. 즉 안정적 점화를 위해서 화염의 속도에 대한 가스의 속도를 크게 할수록 양호한 점화특성을 나타냈다.
- 12에서 액체연료인 경유를 사용했을 때 CO 는 약 600ppm, NO 37ppm 정도를 얻을 수 있었다. 차기 보완 실험을 통해 입구온도와 압력을 현재보다 상승시키면 혼합특성과 화염 안정화 등으로 인해 CO 는 더 줄어들 것으로 예상되지만, NO 특성은 크게 변하지 않을 것으로 예상된다.
후속연구
- 6) 본 실험을 통해 얻은 연소특성을 가지고 20kW 급 마이크로터빈 엔진에 장착될 연소기는 연소시 지나친 냉각 효과의 증가와 출구온도의 불균일도 등에 대한 추가적인 개선이 필요하며, 연소기의 보완설계를 통해 엔진 시동 및 운전조건에 따른 연구가 더불어 진행될 예정이다.
- 4bar 이상 증가시킬 수 없었다. 연소기 보완 실험 시 예열부의 압력을 상승시켜 열량을 증가시키거나, 열교환기를 추가로 더 설치하여 연소기 입구 조건을 온도 700K와 압력 3bar로 설정하여 실험을 수행할 예정이다.
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