KR101606310B1 - 가스 터빈 연소기의 퍼지 방법 및 퍼지 장치 - Google Patents

가스 터빈 연소기의 퍼지 방법 및 퍼지 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 듀얼식의 가스 터빈 연소기를 이용하는 경우에 있어서 배기 가스 환경 규제값의 관리 범위로부터의 일탈을 효과적으로 방지할 수 있는 가스 터빈 연소기의 퍼지 방법 및 퍼지 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 가스 터빈 연소기는, 오일 연료가 흐르는 오일 연료 라인 및 가스 연료가 흐르는 가스 연료 라인에 연통하며, 상기 오일 연료와 상기 가스 연료와의 사이에서 분사 연료를 전환 가능한 노즐(A, B)을 구비하고 있다. 가스 터빈 연소기의 퍼지 방법은, 상기 오일 연료로부터 상기 가스 연료로의 분사 연료의 전환(t1) 직후에, 적어도 물을 이용하여 상기 오일 연료 라인의 퍼지를 실행하는 제 1 퍼지 단계와, 상기 가스 연료로부터 상기 오일 연료로의 분사 연료의 전환(t7) 직전에, 적어도 물을 이용하여 상기 오일 연료 라인의 퍼지를 실행하는 제 2 퍼지 단계를 구비한다.

Description

가스 터빈 연소기의 퍼지 방법 및 퍼지 장치{PURGE METHOD AND PURGE DEVICE FOR GAS TURBINE COMBUSTOR}
본 발명은 오일 연료와 가스 연료와의 사이에서 분사 연료를 전환 가능한 노즐을 구비한 듀얼식의 가스 터빈 연소기의 퍼지 방법 및 퍼지 장치에 관한 것이다.
종래부터, 경유, 중유 등의 액상의 오일 연료나, 천연 가스, 석탄 가스, 액화 석유 가스(LPG) 등의 가스 연료를 포함한 다양한 연료에 대응하도록, 오일 연료와 가스 연료와의 사이에 사용 연료를 전환 가능하게 한 듀얼 방식의 가스 터빈 연소기가 알려져 있다.
듀얼 방식의 가스 터빈 연소기에서는, 통상 오일 연료로부터 가스 연료에 사용 연료를 전환한 후, 노즐에 오일 연료를 인도하기 위한 유로(오일 연료 라인) 내에 오일 연료가 불가피적으로 잔류한다. 이 잔류 오일은, 가스 연료의 연소에 기인한 고온 환경하에 노출되어 코킹(coking)이 일어나, 노즐의 폐색의 원인이 된다. 또한, 노즐의 폐색에 이르지 않는다고 하여도, 노즐로부터의 연료 분사량이 요구값에서 벗어나는 사상이 일어나, 연소 진동의 발생이나 배기 가스 환경 규제값(NOx량이나 CO량)의 관리 범위로부터의 일탈 등의 원인이 된다. 이와 같은 노즐의 폐색이나 연료 분사량의 요구값에서 벗어나는 등의 문제점이 일단 발생하면, 상기 문제점이 생긴 노즐을 분리하여 세정해야 할 필요가 생겨, 일시적인 가스 터빈의 운전 정지를 피할 수 없게 되는 일이 있어서, 발전 기회를 잃어 버리게 된다.
그래서, 오일 연료에서 가스 연료로 사용 연료를 전환한 직후에, 메인 오일 연료 계통 및 파일럿 오일 연료 계통에 대하여 물 또는 기체를 이용한 퍼지를 시분할로 실행하는 것에 의해, 각 계통에 잔류하는 오일을 배출하는 퍼지 기술이 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).
이 퍼지 기술에 의해서, 오일 연소에서의 운전으로부터 가스 연소에서의 운전으로 전환한 직후에 퍼지를 실행하는 것에 의해, 오일 연료 계통 내에 잔류한 액상의 오일 연료(코킹이 일어나기 전의 잔류 오일)를 퍼지에 의해 강제적으로 배출하여, 잔류 오일의 코킹에 기인한 상기 문제점(노즐 폐색이나 연료 분사량의 요구값으로부터 벗어남)을 방지할 수 있다고 고려되고 있었다.
일본 특허 제 4317628 호 공보
그런데, 최근, 환경 규제가 엄격해지는 경향이 있으며, 듀얼식의 가스 터빈 연소기를 이용하는 경우에 있어서, 배기 가스 환경 규제값의 관리 범위로부터의 일탈이라고 하는 문제가 표면화되고 있다.
본 발명자는, 듀얼식의 가스 터빈 연소기를 구비한 가스 터빈에 있어서 가끔 발생하는 배기 가스 환경 규제값의 관리 범위로부터의 일탈의 원인을 구명하기 위해서 검토를 거듭한 결과, 종래의 인식에 반하여, 특허문헌 1에 기재된 퍼지 기술을 실시하여도, 오일 연료 라인으로부터 잔류 오일이 완전하게 제거되어 있지 않은 경우가 있다고 하는 지견을 얻었다. 이와 같이, 특허문헌 1에 기재의 퍼지 기술을 따라서 오일 연소로의 운전으로부터 가스 연소로의 운전으로 전환한 직후에 물 또는 공기에 의한 퍼지를 실행하여도, 오일 연료 라인에 잔류한 오일 연료를 완전하게 제거할 수 없는 것은 다음과 같은 이유에 의한다고 고려된다.
즉, 오일 연소로의 운전으로부터 가스 연소에서의 운전으로 전환한 직후의 퍼지에 의해서 대부분의 액상 오일 연료를 오일 연료 라인으로부터 배출할 수 있었다고 하여도, 오일 연료 라인(오일 고임부도 포함) 중 흐름의 정체 부분에는 액상의 오일 연료가 적지 않게 잔류한다. 그리고, 유로 내에 약간 잔류된 연료 오일이 존재하면, 가스 연소에서의 운전 시의 고온 환경하에 노출되고, 가스 연소로의 운전으로 전환한 직후부터 잔류 오일이 고점도 물질(예를 들면 산화, 열화, 중합, 건조, 탄화 등이 진행하여 겔 형상으로 된 물질)로 변화한다. 이 고점도 물질은 점성이 높기 때문에, 만일 오일 연소로의 운전으로부터 가스 연소로의 운전으로 전환한 직후에 물 또는 기체를 이용한 퍼지를 반복하여도 오일 연료 라인으로부터 고점도 물질을 완전하게 제거하는 것은 곤란하다. 그리고, 이 상태에서 가스 연소 운전이 실행되면, 고온 환경하에 장시간 노출된 고점도 물질이 건조되어 고화물(또는 반고화물)이 되고, 오일 연소로의 운전으로 다시 전환되었을 때, 노즐로부터의 연료 분사의 문제점이 발생하여, 배기 가스 환경 규제값의 관리 범위로부터의 일탈의 원인이 된다.
본 발명은 상술의 사정에 감안하여 이루어진 것이며, 듀얼식의 가스 터빈 연소기를 이용하는 경우에 있어서 배기 가스 환경 규제값의 관리 범위로부터의 일탈을 효과적으로 방지할 수 있는 가스 터빈 연소기의 퍼지 방법 및 퍼지 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 가스 터빈 연소기의 퍼지 방법은, 오일 연료가 흐르는 오일 연료 라인 및 가스 연료가 흐르는 가스 연료 라인에 연통하며, 상기 오일 연료와 상기 가스 연료와의 사이에서 분사 연료를 전환 가능한 노즐을 구비한 가스 터빈 연소기의 퍼지 방법으로서, 상기 오일 연료로부터 상기 가스 연료로의 분사 연료의 전환 직후에, 적어도 물을 이용하여 상기 오일 연료 라인의 퍼지를 실행하는 제 1 퍼지 단계와, 상기 가스 연료로부터 상기 오일 연료로의 분사 연료의 전환 직전에, 적어도 물을 이용하여 상기 오일 연료 라인의 퍼지를 실행하는 제 2 퍼지 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다.
이 가스 터빈 연소기의 퍼지 방법에 의하면, 오일 연료로부터 가스 연료로의 분사 연료의 전환 직후에 제 1 퍼지 단계를 실행하는 것에 의해, 오일 연료 라인에 잔류한 액상의 오일 연료의 대부분이 제거된다. 그렇다고는 하여도, 제 1 퍼지 단계만으로 모든 오일 연료를 제거하는 것은 실제상 곤란하며, 예를 들면 오일 연료 라인 중 흐름의 정체 부분에 적지 않은 오일 연료가 잔류하여 버린다. 게다가, 제 1 퍼지 단계에 의해 제거하지 못하여 약간 오일 연료 라인에 잔류한 오일 연료는, 가스 연소 운전으로의 전환 직후에서 고온 환경하에 노출되어 소량의 고점도 물질로 변화되어 있으며, 이 상태에서 퍼지(제 1 퍼지 단계)를 반복하여도 고점도 물질을 제거하는 것은 어렵다.
한편, 제 2 퍼지 단계가 실행되는 시점(즉, 가스 연료로부터 오일 연료로의 분사 연료의 전환 직전)에서는, 상기 소량의 고점도 물질은 더욱 가스 연소 운전에 의한 고온 환경하에 장시간 노출되어 건조가 진행되어 고화물(또는 반고화물)로 되어 있다. 또한, 이 시점에서는, 오일 연료 라인은, 가스 연소 운전으로의 전환 후로부터 오일 연료 라인이 보유하는 열을 빼앗는 오일 연료가 오랫동안 흐르고 있지 않기 때문에, 물이 비점 이상의 고온이 되어 있다. 이 상태에서 제 2 퍼지 단계가 개시되면, 제 2 퍼지 단계의 초기 단계에 있어서, 고온의 오일 연료 라인에 도입된 퍼지용의 물의 일부가 증발하여 수증기가 발생한다. 이 수증기에 의해서, 고화물(또는 반고화물)이 된 소량의 고점도 물질이 오일 연료 라인의 유로 내벽면으로부터 부상하여 박리되며, 그 후에 도입되는 퍼지용의 물과 함께 오일 연료 라인으로부터 배출된다. 이 때, 오일 연료 라인이 보유하는 열을 받아 고온이 된 퍼지용의 물(또는 수증기)이, 고화물(또는 반고화물)로 변화되어 있는 고점도 물질과 접촉하여 고화물(또는 반고화물)의 가수 분해가 일어나, 고화물(또는 반고화물)의 오일 연료 라인으로부터의 박리 및 배출이 촉진되는 것으로 고려된다.
이와 같이, 퍼지 메커니즘이 상이한 2종류의 제 1 퍼지 단계와 제 2 퍼지 단계를 조합함으로써, 오일 연료 라인으로부터의 잔류 오일의 제거를 확실히 실행하여, 배기 가스 환경 규제값의 관리 범위로부터의 일탈을 효과적으로 방지할 수 있다.
또한, 제 1 퍼지 단계가 실행되는 시점(즉, 오일 연료로부터 가스 연료로의 분사 연료의 전환 직후)에서는, 오일 연료 라인에는 오일 연료가 직전까지 유통하고 있으며 오일 연료 라인으로부터 오일 연료로의 전열이 일어나고 있었기 때문에, 오일 연료 라인은 그만큼 고온으로 되어 있지 않다. 그 때문에, 제 1 퍼지 단계에서는, 제 2 퍼지 단계와는 달리, 상술한 퍼지용의 물에서의 수증기의 발생이나 고온의 물 또는 수증기와의 접촉에 의한 고화물(또는 반고화물)의 가수 분해는 대부분 일어나지 않는 것으로 고려된다.
상기 제 2 퍼지 단계는, 상기 가스 연료로부터 상기 오일 연료로의 분사 연료의 전환의 준비 신호에 응답하며, 상기 가스 연료로부터 상기 오일 연료로의 분사 연료의 전환 전에 실행하여도 좋다.
이것에 의해, 가스 연료로부터 오일 연료로의 분사 연료의 전환 직전의 적절한 타이밍에 제 2 퍼지 단계를 실행하여서, 오일 연료 라인의 잔류 오일(고화물 또는 반고화물)을 제거한 뒤에 오일 연소 운전을 개시할 수 있다. 따라서, 배기 가스 환경 규제값의 관리 범위로부터의 일탈을 효과적으로 방지할 수 있다.
상기 가스 터빈 연소기의 퍼지 방법에 있어서, 상기 제 2 퍼지 단계에서는, 상기 오일 연료 라인에 물을 흘리는 물 퍼지를 실행한 후, 상기 오일 연료 라인에 기체를 흘리는 기체 퍼지를 실행하는 동시에, 상기 물 퍼지 및 상기 기체 퍼지는 상기 가스 연료로부터 상기 오일 연료로의 분사 연료의 전환 전에 완료시켜도 좋다.
이와 같이 제 2 퍼지 단계에 있어서 물 퍼지, 기체 퍼지의 순서로 실행함으로써, 물 퍼지에 의해서 오일 연료 라인 내의 잔류 오일(고화물 또는 반고화물)을 제거한 후, 오일 연료 라인에 잔존하는 물(잔류 오일의 퍼지에 이용되어 잔류 오일로 오염된 물)을 기체 퍼지에 의해서 배출할 수 있다. 게다가, 가스 연료로부터 오일 연료로의 분사 연료의 전환 전에 물 퍼지 및 기체 퍼지를 완료시킴으로써, 오일 연료 라인에 퍼지용의 물이 잔류하고 있지 않은 상태에서 오일 연소 운전을 개시할 수 있다. 따라서, 오일 연소 운전의 초기 단계에 오일 연료 라인에 저류되어 있던 물(잔류 오일의 퍼지에 이용된 물)이 한꺼번에 분사되어 안정적인 연소가 저해되는 사태를 방지할 수 있다.
상기 가스 터빈 연소기의 퍼지 방법에 있어서, 상기 노즐은, 파일럿 오일 연료 라인 및 파일럿 가스 연료 라인에 연통하며, 상기 오일 연료와 상기 가스 연료와의 사이에서 분사 연료가 전환 가능한 1개의 파일럿 노즐과, 상기 파일럿 노즐을 둘러싸도록 마련되며, 메인 오일 연료 라인 및 메인 가스 연료 라인에 연통하며, 상기 오일 연료와 상기 가스 연료와의 사이에서 분사 연료가 전환 가능한 복수개의 메인 노즐을 포함하며, 상기 제 1 퍼지 단계 및 상기 제 2 퍼지 단계에 있어서 상기 적어도 물을 이용한 퍼지가 실행되는 상기 오일 연료 라인은 각 메인 노즐과 연통하는 상기 메인 오일 연료 라인이며, 상기 제 2 퍼지 단계에서는, 상기 메인 오일 연료 라인에 물을 흘리는 물 퍼지를 실행한 후, 상기 메인 오일 연료 라인에 기체를 흘리는 기체 퍼지를 실행하는 동시에, 상기 파일럿 오일 연료 라인은, 상기 분사 연료로서 상기 가스 연료가 선택되어 있을 때, 연속적으로 기체를 흘리는 기체 퍼지만을 실행해도 좋다.
파일럿 노즐은, 주위가 복수개의 메인 노즐로 둘러싸여 있기 때문에 메인 노즐보다 고온이 되는 경향이 있으며, 특히 잔류 오일의 코킹이 일어나기 쉽다. 그래서, 파일럿 노즐에 대해서는, 가스 연소 운전 중, 기체 퍼지를 연속적으로 실행함으로써 잔류 오일의 코킹이 방지된다. 물론, 연속적으로 기체 퍼지를 실행하면, 퍼지를 실행하기 위해서 필요한 기체 공급량이 증가되지만, 파일럿 노즐은 1개뿐이므로, 기체 공급 양의 증가는 허용할 수 있는 정도이다. 한편, 메인 노즐은 복수개 마련되어 있으므로, 만일 메인 노즐에 대해서도 연속적인 기체 퍼지를 실행하면, 필요한 기체 공급량은 막대해지며, 퍼지용의 기체를 공급하기 위한 컴프레서의 소비 에너지가 증대할 뿐만 아니라, 경우에 따라서는 퍼지 전용의 컴프레서를 설치할 필요가 생긴다. 그래서, 상술한 바와 같이, 파일럿 노즐에 비해 저온으로 코킹이 일어나기 어려운 메인 노즐에 대해서는 연속적인 기체 퍼지를 실행하지 않고, 제 1 퍼지 단계 및 제 2 퍼지 단계에 의한 간헐적인 퍼지를 실행함으로써, 기체 공급량의 증가를 억제하면서 파일럿 노즐 및 메인 노즐의 퍼지를 효과적으로 실행할 수 있다.
또한, 상기 메인 노즐은 복수의 그룹으로 분류되어 있으며, 상기 제 2 퍼지 단계에 있어서의 상기 물 퍼지는, 각 그룹에 속하는 메인 노즐에 연통하는 메인 오일 연료 라인에 대하여, 그룹마다 상이한 타이밍에 개시되어도 좋다.
퍼지용의 물은 적지 않게 연소 안정성에 영향을 미친다. 특히, 메인 오일 연료 라인을 거친 메인 노즐로부터의 퍼지용의 물의 분사가 갑자기 시작되는 물 퍼지 개시 직후는 안정적인 연소가 저해되기 쉽다. 그래서, 상술한 바와 같이, 제 2 퍼지 단계에 있어서의 물 퍼지를 모든 메인 오일 연료 라인에 대하여 일제히 개시하는 것이 아니라, 메인 노즐의 그룹마다 물 퍼지의 개시 타이밍을 상이하게 하는 것에 의해서, 연소 안정성을 유지하기 쉬워진다.
또한, 상기 제 2 퍼지 단계에 있어서의 상기 물 퍼지의 개시시, 각 그룹에 속하는 메인 노즐에 연통하는 메인 오일 연료 라인에 대하여, 상기 물 퍼지의 수량을 단계적으로 증대시켜도 좋다.
이와 같이, 제 2 퍼지 단계에 있어서의 물 퍼지의 개시시, 메인 오일 연료 라인에 대하여 물 퍼지의 수량을 단계적으로 증대시키는 것에 의해, 물 퍼지 개시 직후에 있어서의 안정적인 연소를 한층 더 유지하기 쉬워진다.
또한, 상기 제 1 퍼지 단계 및 상기 제 2 퍼지 단계에 있어서 상기 퍼지를 위해서 상기 오일 연료 라인에 물을 흘리고 있는 동안, 상기 파일럿 노즐로부터 분사되는 연료 유량의 전체 연료 유량에 대한 비인 파일럿 비를 일시적으로 증대시켜도 좋다.
이와 같이, 연소 안정성에 영향을 미칠 가능성이 있는 물 퍼지를 실행하고 있는 동안, 연료를 확산 연소시키는 파일럿 노즐로부터의 연료 분사량의 전체 연료 유량에 차지하는 비율(파일럿 비)을 일시적으로 증대시킴으로써, 물 퍼지 실시 중의 연소 안정성을 유지하기 쉬워진다.
또한, 상기 가스 터빈 연소기의 퍼지 방법에서는, 상기 제 1 퍼지 단계 및 상기 제 2 퍼지 단계에 있어서, 상기 퍼지를 위해서 상기 오일 연료 라인에 흘리는 수량은, 가스 터빈의 출력에 따라 실화(失火) 한계값 이하로 결정되어도 좋다.
물 퍼지로 흘리는 수량에는, 실화를 초래하는 일이 없이 안정 연소를 유지할 수 있는 실화 한계값이 존재하며, 이 실화 한계값은 가스 터빈의 출력에 의존한다. 그래서, 가스 터빈의 출력에 따라서, 물 퍼지로 흘리는 수량을 실화 한계값 이하로 설정함으로써, 안정 연소를 저해하지 않는 범위 내에서 가스 터빈의 출력에 따라 적절한 물 퍼지의 수량을 선택하여, 오일 연료 라인으로부터의 잔류 오일의 제거를 보다 확실히 실행할 수 있다. 물 퍼지로 흘리는 수량은, 안정 연소의 유지와 잔류 오일의 제거를 양립하는 관점에서, 예를 들면 실화 한계값을 Fth로 했을 때 0.5 Fth 이상 0.98 Fth 이하(바람직하게는 0.8 Fth 이상 0.95 Fth 이하)의 범위 내에서 설정하여도 좋다.
본 발명에 따른 가스 터빈 연소기의 퍼지 장치는, 오일 연료가 흐르는 오일 연료 라인 및 가스 연료가 흐르는 가스 연료 라인에 연통하며, 상기 오일 연료와 상기 가스 연료와의 사이에서 분사 연료를 전환 가능한 노즐을 구비한 가스 터빈 연소기의 퍼지 장치로서, 퍼지용의 물이 저장된 물 탱크와, 상기 물 탱크를 상기 오일 연료 라인에 연통시키는 퍼지 물 공급로와, 상기 퍼지 물 공급로에 마련된 퍼지 물 공급 밸브와, 상기 퍼지 물 공급 밸브를 개폐 제어하는 컨트롤러를 구비하며, 상기 컨트롤러는, 상기 오일 연료로부터 상기 가스 연료로의 분사 연료의 전환 신호에 응답하여, 상기 가스 연료로의 분사 연료의 전환 직후에 상기 오일 연료 라인의 제 1 퍼지가 실행되도록, 상기 퍼지 물 공급 밸브를 개방하여 상기 오일 연료 라인에 상기 물 탱크로부터 물을 흘리는 동시에, 상기 가스 연료로부터 상기 오일 연료로의 분사 연료의 전환의 준비 신호에 응답하여, 상기 가스 연료로부터 상기 오일 연료로의 분사 연료의 전환 직전에, 상기 퍼지 물 공급 밸브를 개방하고 상기 오일 연료 라인에 상기 물 탱크로부터 물을 흘려 제 2 퍼지를 실행하는 것을 특징으로 한다.
이 가스 터빈 연소기의 퍼지 장치에 의하면, 오일 연료로부터 가스 연료로의 분사 연료의 전환 신호에 응답하여 가스 연료로의 연료 전환 직후에 제 1 퍼지를 실행함으로써, 오일 연료 라인에 잔류한 액상의 오일 연료의 대부분이 제거된다. 또한, 가스 연료로부터 오일 연료로의 분사 연료의 전환의 준비 신호에 응답하여 제 2 퍼지를 오일 연료로의 연료 전환 직전에 실행함으로써, 제 1 퍼지를 실행하여도 제거하지 못하고 약간 잔류한 오일 연료가 가스 연소 운전에 의한 고온 환경하에 장시간 노출되어 생긴 고화물(또는 반고화물)을 배출할 수 있다. 이 때, 오일 연료 라인이 보유하는 열을 받아 고온이 된 퍼지용의 물(또는 수증기)이, 고화물(또는 반고화물)로 변화하고 있는 고점도 물질과 접촉하여 고화물(또는 반고화물)의 가수 분해가 일어나, 고화물(또는 반고화물)의 오일 연료 라인으로부터의 박리 및 배출이 촉진되는 것으로 고려된다.
이와 같이, 퍼지 메커니즘이 상이한 2종류의 제 1 퍼지와 제 2 퍼지를 조합합으로써, 오일 연료 라인으로부터의 잔류 오일의 제거를 확실히 실행하여, 배기 가스 환경 규제값의 관리 범위로부터의 일탈을 효과적으로 방지할 수 있다.
본 발명에 의하면, 가스 연료로의 연료 전환 직후에 실행하는 제 1 퍼지 단계와, 오일 연료로의 연료 전환 직전에 실행하는 제 2 퍼지 단계를 조합함으로써, 오일 연료 라인으로부터의 잔류 오일의 제거를 확실히 실행하여, 배기 가스 환경 규제값의 관리 범위로부터의 일탈을 효과적으로 방지할 수 있다.
도 1은 듀얼식의 가스 터빈 연소기의 구성 예를 도시하는 도면이다.
도 2는 듀얼식의 가스 터빈 연소기의 퍼지 장치의 전체 구성 예를 도시하는 도면이다.
도 3은 퍼지 장치에 의한 물 퍼지 및 공기 퍼지의 타이밍 차트의 일 예를 도시하는 도면이다.
도 4는 가스 터빈 출력과 퍼지 수량의 실화 한계값과의 상관의 일 예를 나타내는 그래프이다.
도 5는 가스 터빈 연소기의 퍼지 방법의 수순의 일 예를 나타내는 흐름도이다.
도 6은 실시예 및 비교예 1 및 비교예 2에 관한 배기 가스 CO 농도의 분석 결과를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부 도면에 따라서 본 발명의 실시형태에 대하여 설명한다. 단, 이러한 실시형태에 기재되어 있는 구성 부품의 치수, 재질, 형상, 그 상대적 배치 등은 특정적인 기재가 없는 한 본 발명의 범위를 이것에 한정하는 취지가 아니며, 단순한 설명 예에 지나지 않는다.
이하에서는, 우선 본 발명의 실시형태에 따른 퍼지 장치 및 퍼지 방법의 적용 대상인 가스 터빈 연소기의 구성에 대하여 설명한 후, 본 실시형태에 따른 퍼지 장치 및 퍼지 방법에 대하여 설명한다.
도 1은 듀얼식의 가스 터빈 연소기의 구성 예를 도시하는 도면이다. 도 1에 도시하는 바와 같이, 가스 터빈 연소기(1)(이하, 단순히 "연소기(1)"라고 함)는, 1개의 파일럿 노즐(2)을 중심으로 하여, 그 주위에 복수개(예를 들면 8개)의 메인 노즐(4)이 배치된 구성을 갖는다. 또한, 연소기(1)는 각 가스 터빈에 대하여 복수개(예를 들면 20개) 마련되는 다관형이어도 좋고, 각 가스 터빈에 대하여 1개만 마련되는 단관형이어도 좋다.
파일럿 노즐(2)의 선단에는, 파일럿 오일 연료 라인(14) 및 파일럿 가스 연료 라인(16)을 거쳐서, 파일럿 오일 연료(10) 및 파일럿 가스 연료(12) 중 한쪽이 선택적으로 공급되도록 되어 있다. (또한, 여기서 말하는 파일럿 오일 연료 라인(14) 및 파일럿 가스 연료 라인(16)은, 파일럿 노즐(2)의 외부에 마련되며 연료 공급 장치에 연통하는 외부 유로와, 파일럿 노즐(2)의 내부에 마련되며 분사구(3A, 3B)에 도달하기까지의 내부 유로(연료 분배 유로)를 포함한 연료 공급 유로 전체를 가리킨다.) 파일럿 오일 연료(10)는, 파일럿 오일 연료 라인(14)을 통과하여, 파일럿 노즐(2)의 선단에 마련된 분사구(3A)로부터 분사된다. 한편, 파일럿 가스 연료(12)는, 파일럿 오일 연료 라인(14)의 주위에 마련된 파일럿 가스 연료 라인(16)을 통하여, 파일럿 노즐(2)의 선단에 마련된 분사구(3B)로부터 분사된다.
파일럿 노즐(2)의 분사구(3A, 3B)로부터 분사된 파일럿 오일 연료(10) 또는 파일럿 가스 연료(12)는, 연소용 공기를 이용하여 연소되어 분사구(3A, 3B)의 하류측에 확산 화염을 형성한다. 그리고, 이 확산 화염으로부터의 고온 연소 가스는 후술의 메인 노즐(4)에 의한 예혼합 화염의 보염점으로서의 역할을 수행한다. 이와 같이, 파일럿 노즐(2)은 예혼합 화염의 안정성 향상에 기여하므로, 파일럿 노즐(2)로부터의 분사 연료의 전체 연료 유량에 대한 비(파일럿 비)를 크게 하면, 연소기(1) 전체적으로의 연소 안정성이 향상된다.
각 메인 노즐(4)의 선단에는, 메인 오일 연료 라인(24) 및 메인 가스 연료 라인(26)을 거쳐서, 메인 오일 연료(20) 및 메인 가스 연료(22) 중 한쪽이 선택적으로 공급되도록 되어 있다. (또한, 여기서 말하는 메인 오일 연료 라인(24) 및 메인 가스 연료 라인(26)은, 메인 노즐(4)의 외부에 마련되며 연료 공급 장치에 연통하는 외부 유로와, 메인 노즐(4)의 내부에 마련되며 분사구(5A, 5B)에 도달하기까지의 내부 유로(연료 분배 유로)를 포함하는 연료 공급 유로 전체를 가리킨다.) 메인 오일 연료(20)는 메인 오일 연료 라인(24)을 통과하며, 오일 저류(25)를 거쳐서, 메인 노즐(4)의 선단에 마련된 분사구(5A)로부터 분사된다. 한편, 메인 가스 연료(22)는, 가스 저류(27)를 포함하는 메인 가스 연료 라인(26)을 통과하여, 메인 노즐(4)의 선단에 마련된 분사구(5B)로부터 분사된다.
메인 노즐(4)의 분사구(5A, 5B)로부터 분사된 메인 오일 연료(20) 또는 메인 가스 연료(22)는 연소용 공기(메인 공기)와 미리 혼합되며 예혼합기가 된다. 이 예혼합기는, 파일럿 노즐(2)의 분사구(3A, 3B)의 하류측에 형성되는 확산 화염으로부터의 고온 연소 가스에 의해서 착화 연소되어, 예혼합 화염을 형성한다. 또한, 메인 노즐(4)은, 예혼합 기체를 연소시켜서 예혼합 화염을 형성하는 것이기 때문에, 국소적인 온도 상승을 억제하여 NOx를 저감할 수 있다.
도 2는 연소기(1)의 퍼지 장치의 전체 구성 예를 도시하는 도면이다.
도 2에 도시하는 바와 같이, 퍼지 장치(30)는 물 탱크(32), 퍼지 물 공급로(36(36A, 36B)), 퍼지 물 공급 밸브(37(37A, 37B)), 공기 탱크(34), 퍼지 공기 공급로(38(38P, 38A, 38B)) 퍼지 공기 공급 밸브(39(39P, 39A, 39B)) 및 컨트롤러(40)를 구비하고 있다.
또한, 여기에서는, 복수의 메인 노즐(4)은 그룹 A와 그룹 B로 분류되어 있으며, 상세한 것은 도 3을 이용하여 후술하지만, 그룹 사이에서 물 퍼지의 개시 타이밍을 상이하게 하고 있다. 그룹 A에 속하는 메인 노즐을 메인 노즐(4A)이라 칭하며, 메인 노즐(4A)에 관련하는 퍼지 물 공급로, 퍼지 물 공급 밸브, 퍼지 공기 공급로 및 퍼지 공기 공급 밸브에는, 각각 도면부호(36A, 37A, 38A, 39A)를 부여하고 있다. 마찬가지로 그룹 B에 속하는 메인 노즐을 메인 노즐(4B)이라 칭하며, 메인 노즐(4B)에 관련하는 퍼지 물 공급로, 퍼지 물 공급 밸브, 퍼지 공기 공급로 및 퍼지 공기 공급 밸브에는, 각각 도면부호(36B, 37B, 38B, 39B)를 부여하고 있다. 또한, 파일럿 노즐(2)에 관련하는 퍼지 공기 공급로 및 퍼지 공기 공급 밸브에는, 각각 도면부호(38P, 39P)를 부여하고 있다.
물 탱크(32)에는 퍼지용의 물이 저류되어 있으며, 물 탱크(32)는 퍼지 물 공급로(36(36A, 36B))를 거쳐서 각 메인 노즐(4A, 4B)의 메인 오일 연료 라인(24)에 연통하게 되어 있다. 또한, 각 메인 노즐(4A, 4B)에 대응하는 퍼지 물 공급 밸브(37A, 37B)는 각 퍼지 물 공급로(36A, 36B)에 마련되어 있다. 각 퍼지 물 공급 밸브(37A, 37B)는 컨트롤러(40)에 의해서 개폐 제어된다.
공기 탱크(34)에는 퍼지용의 공기가 저류되어 있으며, 공기 탱크(34)는 퍼지 공기 공급로(38(38P, 38A, 38B))를 거쳐서 각 노즐(2, 4A, 4B)의 오일 연료 라인(14, 24)에 연통하도록 되어 있다. 또한, 각 노즐(2, 4A, 4B)에 대응하는 퍼지 공기 공급 밸브(39P, 39A, 39B)는 각 퍼지 공기 공급로(38P, 38A, 38B)에 마련되어 있다. 각 퍼지 공기 공급 밸브(39P, 39A, 39B)는 컨트롤러(40)에 의해서 개폐 제어된다.
도 3은 퍼지 장치(30)에 의한 물 퍼지 및 공기 퍼지의 타이밍 차트이다. 도 3에 도시하는 바와 같이, 시각 t1에 있어서, 연소기(1)의 운전 상태가 오일 연소로부터 가스 연소로 전환되며, 오일 연료(10, 20)로부터 가스 연료(12, 22)로의 연료 전환을 알리는 신호 SG1이 컨트롤러(40)에 입력된다.
컨트롤러(40)는, 연료 전환 신호 SG1에 응답하여 밸브(37A, 37B, 39A, 39B)를 개폐 제어하고, 메인 가스 연료(22)로의 연료 전환 직후(시각 t1 내지 t3)에 각 메인 노즐(4A, 4B)에 대하여 제 1 퍼지를 실시한다.
여기서, 제 1 퍼지란, 적어도 물 퍼지를 포함하는 퍼지 처리를 말하며, 물 퍼지와 공기 퍼지를 조합한 것이어도 좋다. 예를 들면, 도 3에 나타내는 바와 같이, 제 1 퍼지로서 물 퍼지(50)를 복수회(도 3의 예에서는 3회) 실행한 후, 공기 퍼지(52)를 실행하여도 좋다. 이와 같이 물 퍼지(50)의 후에 공기 퍼지(52)를 실행함으로써, 퍼지 물과 잔류 오일과의 혼합액(메인 오일 연료 라인(24)의 세정을 실행한 후의 잔류 오일로 오염된 물)을 메인 오일 연료 라인(24)으로부터 배출하고, 연소기(1)의 가스 연소 운전 중에 있어서 혼합액의 수분이 증발하여 다량의 고화물이 메인 오일 연료 라인(24)에 남는 것을 방지할 수 있다.
제 1 퍼지가 물 퍼지(50) 및 공기 퍼지(52)의 조합으로 이루어지는 경우, 물 퍼지(50)의 실시 중, 컨트롤러(40)에 의한 제어 하에서 퍼지 물 공급 밸브(37A, 37B)가 개방되며, 물 탱크(32)로부터의 퍼지 물이 메인 오일 연료 라인(24)에 공급되며, 메인 오일 연료 라인(24) 내의 잔류 오일이 퍼지 물에 의해서 배출된다. 마찬가지로, 공기 퍼지(52)의 실시 중, 컨트롤러(40)에 의한 제어 하에서 퍼지 공기 공급 밸브(39A, 39B)가 개방되며, 공기 탱크(34)로부터의 퍼지 공기가 메인 오일 연료 라인(24)에 공급되며, 메인 오일 연료 라인(24) 내의 퍼지 물과 잔류 오일과의 혼합액이 퍼지 공기에 의해서 배출된다.
또한, 각 메인 연료 라인(24)에 대하여 물 퍼지(50)를 실행할 때, 연소 안정성을 유지하는 관점에서, 그룹 A, B 마다 상이한 타이밍으로 물 퍼지(50)를 개시하여도 좋다. 예를 들면, 도 3에 나타내는 바와 같이, 그룹 A에 속하는 각 메인 노즐(4A)에 연통하는 각 메인 오일 연료 라인(24)에 대한 물 퍼지(50)를 시각 t1에서 개시하고, 그룹 B에 속하는 각 메인 노즐(4B)에 연통하는 각 메인 오일 연료 라인(24)에 대한 물 퍼지(50)를 시각 t2에서 개시하여도 좋다.
이와 같이, 제 1 퍼지에 있어서의 물 퍼지(50)를 모든 메인 오일 연료 라인(24)에 대하여 일제히 개시하는 것이 아니라, 메인 노즐(4)의 그룹 A, B 마다 물 퍼지(50)의 개시 타이밍(t1, t2)을 상이하게 하는 것에 의해서, 물 퍼지(50)의 개시 직후에 있어서의 연소 안정성을 유지하기 쉬워진다.
또한, 제 2 퍼지에 있어서 물 퍼지(50)를 복수회 실시하는 경우, 연소 안정성의 저하는 최초의 물 퍼지(50)의 개시 직후에 가장 일어나기 쉬우므로, 복수회의 물 퍼지(50) 중 최초의 물 퍼지의 개시 타이밍만 각 그룹 A, B 사이에서 상이하게 하면, 연소 안정성의 유지에 기여할 수 있다. 따라서, 그 이후의 물 퍼지의 개시 타이밍은 각 그룹 A, B에 대해 동일하여도 좋다. 또는, 제어 로직의 간소화의 관점에서, 도 3에 나타내는 바와 같이 각 그룹 A, B에 대한 매회의 물 퍼지(50)의 타이밍 차트를 공통화할 수 있도록, 최초의 물 퍼지의 개시 타이밍 뿐만 아니라, 그 이후의 물 퍼지의 개시 타이밍도 각 그룹 A, B 사이에서 상이하게 하여도 좋다.
또한, 각 그룹 A, B에 대한 물 퍼지(50)의 개시시, 도 3에 나타내는 바와 같이 각 물 퍼지(50)의 수량을 단계적(도 3에 나타내는 예에서는 2단계)으로 증대시켜도 좋다. 이와 같이, 물 퍼지(50)의 개시시, 메인 오일 연료 라인(24)에 공급하는 물 퍼지의 수량을 단계적으로 증대시킴으로써, 물 퍼지(50)의 개시 직후에 있어서의 안정적인 연소를 한층 더 유지하기 쉬워진다.
또한, 제 1 퍼지에 있어서 물 퍼지(50)를 복수회 실시하는 경우, 연소 안정성의 저하는 최초의 물 퍼지(50)의 개시 직후에 가장 일어나기 쉽기 때문에, 복수회의 물 퍼지(50) 중 최초의 물 퍼지의 개시시만 단계적으로 퍼지 수량을 증대시키면, 연소 안정성의 유지에 기여할 수 있다. 따라서, 그 이후의 물 퍼지(50)의 개시시에 있어서의 퍼지 수량은 반드시 단계적으로 증대시킬 필요는 없다. 또는, 제어 로직의 간소화의 관점에서, 도 3에 나타내는 바와 같이 각 그룹 A, B에 대한 매회의 물 퍼지(50)의 타이밍 차트를 공통화할 수 있도록, 최초의 물 퍼지의 개시시 뿐만 아니라, 그 이후의 물 퍼지의 개시시에 있어도 퍼지 수량을 단계적으로 증대시켜도 좋다.
또한, 컨트롤러(40)는 파일럿 가스 연료 라인(16) 및 메인 가스 연료 라인(26)에 각각 마련된 유량 조정 밸브를 개도 제어하고, 물 퍼지(50)의 실시 중, 연료를 확산 연소시키는 파일럿 노즐(2)로부터의 연료 분사량의 전체 연료 유량에 차지하는 비율(파일럿 비)을 일시적으로 증대시켜도 좋다. 이것에 의해, 물 퍼지(50)의 실시 중에 있어서의 연소 안정성을 유지하기 쉬워진다. 예를 들면, 물 퍼지(50)의 실시 중, 물 퍼지(50)를 실시하고 있지 않은 경우에 있어서의 파일럿 비를 베이스 값으로 하여 그 1% 내지 5%를 베이스 값에 가산한 것을 파일럿 비로 하여도 좋다.
또한, 물 퍼지(50)의 실시시에 메인 오일 연료 라인(24)에 흘리는 퍼지 물의 양 Y는 가스 터빈 출력 X를 따라서 실화 한계값 Fth 이하로 결정하여도 좋다.
물 퍼지(50)로 흘리는 수량에는, 실화를 초래하는 일이 없이 안정 연소를 유지할 수 있는 실화 한계값 Fth이 존재하며, 이 실화 한계값 Fth은 가스 터빈의 출력 X에 의존한다. 즉, 도 4에 나타내는 바와 같이, 실화 한계값은 Fth=f(X)로 나타난다. 그래서, 가스 터빈의 출력 X를 따라서, 물 퍼지(50)로 흘리는 수량을 실화 한계값 Fth 이하(도 4에 있어서의 허용 구역 내)로 설정함으로써, 안정 연소를 저해하지 않는 범위 내에서 가스 터빈의 출력 X에 따라 적절한 물 퍼지(50)의 수량을 선택하여, 메인 오일 연료 라인(24)으로부터의 잔류 오일의 제거를 보다 확실히 실행할 수 있다. 또한, 물 퍼지(50)에서 흘리는 수량은, 안정 연소의 유지와 잔류 오일의 제거를 양립하는 관점에서, 예를 들면, 0.5 Fth 이상 0.98 Fth 이하(바람직하게는 0.8 Fth 이상 0.95 Fth 이하)의 범위 내에서 설정하여도 좋다.
시각 t3에 있어서 제 1 퍼지를 완료한 후, 도 3에 나타내는 바와 같이, 시각 t4에 있어서 가스 연료(12, 22)로부터 오일 연료(10, 20)로의 연료 전환의 준비 신호 SG2가 컨트롤러(40)에 입력될 때까지의 사이, 각 메인 노즐(4A, 4B)의 퍼지는 실행하지 않아도 좋다. 또는, 메인 오일 연료 라인(24)으로부터의 잔류 오일의 배출을 보다 확실히 실행하는 관점에서, 후술하는 제 2 퍼지와는 별도로, 시각 t3 내지 t4에 있어서의 임의의 타이밍에 추가적인 제 3 퍼지를 수동 또는 자동으로 실행하여도 좋다. 예를 들면, 시각 t3 내지 t4의 기간에 있어서, 소정 시간 경과할 때마다 제 1 퍼지와 동일한 내용의 제 3 퍼지를 추가적으로 실행하여도 좋다. 예를 들면, 소정 시간 경과할 때마다 컨트롤러(40)에 입력되는 신호에 응답하여 컨트롤러(40)에 의해 밸브(37A, 37B, 39A, 39B)를 개폐 제어하고, 시각 t3 내지 t4의 기간에 있어서 각 메인 노즐(4A, 4B)에 대하여 제 3 퍼지를 실시하여도 좋다.
상기 제 1 퍼지에 의해서 대부분의 오일 연료를 메인 오일 연료 라인(24)으로부터 배출할 수 있지만, 제 1 퍼지만으로 모든 오일 연료를 제거하는 것은 실제상 곤란하며, 메인 오일 연료 라인(24)에는 많은 오일 연료가 잔류해 버린다. 특히, 메인 오일 연료 라인(24) 중 메인 노즐(4) 내의 오일 연료 분배 유로(도 1 참조)나 오일 고임부(25)에는, 오일 연료가 잔류하기 쉬운 경향이 있다. 또한, 제 1 퍼지에 의해서 제거하지 못하고 약간 메인 오일 연료 라인(24)에 잔류한 오일 연료는, 가스 연소 운전으로의 전환 직후(시각 t1 이후)부터 고온 환경하에 노출되어 소량의 고점도 물질로 변화하고 있으며, 이 상태에서 제 1 퍼지를 반복하여도 고점도 물질을 제거하는 것은 어렵다.
그래서, 시각 t4에 있어서 연료 전환의 준비 신호 SG2가 컨트롤러(40)에 입력되면, 컨트롤러(40)는 신호 SG2에 응답하여 밸브(37A, 37B, 39A, 39B)를 개폐 제어하고, 메인 가스 연료(22)로부터 메인 오일 연료(20)로의 분사 연료의 전환 직전(시각 t4 내지 t6)에 각 메인 노즐(4A, 4B)에 대해 제 2 퍼지를 실시한다.
여기서, 제 2 퍼지란 적어도 물 퍼지를 포함한 퍼지 처리를 말하며, 물 퍼지와 공기 퍼지를 조합한 것이어도 좋다. 또한, 제어 로직의 간소화의 관점에서, 제 2 퍼지를 제 1 퍼지와 동일 내용으로 하여도 좋다.
예를 들면, 도 3에 나타내는 바와 같이, 제 2 퍼지로서, 물 퍼지(60)를 복수회(도 3의 예에서는 3회) 실행한 후, 공기 퍼지(62)를 실행하여도 좋다. 이와 같이 물 퍼지(60)의 후에 공기 퍼지(62)를 실행함으로써, 물 퍼지(60)에 의해서 메인 오일 연료 라인(24) 내의 잔류 오일(고화물 또는 반고화물)을 제거한 후, 메인 오일 연료 라인(24)에 잔존하는 물(잔류 오일의 퍼지에 이용된 물이며, 잔류 오일로 오염된 물)을 공기 퍼지(62)에 의해서 배출할 수 있다. 게다가, 메인 가스 연료(22)로부터 메인 오일 연료(20)로의 분사 연료의 전환 전(시각 t7 이전)에 물 퍼지(60) 및 공기 퍼지(62)를 완료시키는 것에 의해, 메인 오일 연료 라인(24)에 퍼지용의 물이 잔류하고 있지 않은 상태에서 오일 연소 운전을 개시할 수 있다. 따라서, 오일 연소 운전의 초기 단계에 메인 오일 연료 라인(24)에 저류되어 있던 물(잔류 오일의 퍼지에 이용된 물)이 한꺼번에 분사되어, 안정적인 연소가 저해되는 사태를 방지할 수 있다.
제 2 퍼지가 물 퍼지(60) 및 공기 퍼지(62)의 조합으로 이루어지는 경우, 물 퍼지(60)의 실시 중, 컨트롤러(40)에 의한 제어 하에서 퍼지 물 공급 밸브(37A, 37B)가 개방되며, 물 탱크(32)로부터의 퍼지 물이 메인 오일 연료 라인(24)에 공급되며, 메인 오일 연료 라인(24) 내의 잔류 오일이 퍼지 물에 의해서 배출된다. 마찬가지로, 공기 퍼지(62)의 실시 중, 컨트롤러(40)에 의한 제어 하에서 퍼지 공기 공급 밸브(39A, 39B)가 개방되고, 공기 탱크(34)로부터의 퍼지 공기가 메인 오일 연료 라인(24)에 공급되며, 메인 오일 연료 라인(24) 내의 퍼지 물과 잔류 오일과의 혼합액이 퍼지 공기에 의해서 배출된다.
또한, 각 메인 연료 라인(24)에 대해 물 퍼지(60)를 실행할 때, 연소 안정성을 유지하는 관점에서, 그룹 A, B 마다 상이한 타이밍에 물 퍼지(60)를 개시하여도 좋다. 예를 들면, 도 3에 나타내는 바와 같이, 그룹 A에 속하는 각 메인 노즐(4A)에 연통하는 각 메인 오일 연료 라인(24)에 대한 물 퍼지(60)를 시각 t4에서 개시하고, 그룹 B에 속하는 각 메인 노즐(4B)에 연통하는 각 메인 오일 연료 라인(24)에 대한 물 퍼지(60)를 시각 t5에서 개시하여도 좋다.
이와 같이, 제 2 퍼지에 있어서의 물 퍼지(60)를 모든 메인 오일 연료 라인(24)에 대해 일제히 개시하는 것이 아니라, 메인 노즐(4)의 그룹 A, B 마다 물 퍼지(60)의 개시 타이밍(t4, t5)을 상이하게 하는 것에 의해서, 물 퍼지(60)의 개시 직후에서의 연소 안정성을 유지하기 쉬워진다.
또한, 제 2 퍼지에 있어서 물 퍼지(60)를 복수회 실시하는 경우, 연소 안정성의 저하는 최초의 물 퍼지(60)의 개시 직후에 가장 일어나기 쉽기 때문에, 복수회의 물 퍼지(60) 중 최초의 물 퍼지의 개시 타이밍만 각 그룹 A, B 사이에서 상이하게 하면, 연소 안정성의 유지에 기여할 수 있다. 따라서, 그 이후의 물 퍼지의 개시 타이밍은 각 그룹 A, B에 대해 동일하여도 좋다. 또는, 제어 로직의 간소화의 관점에서, 도 3에 나타내는 바와 같이, 각 그룹 A, B에 대한 매회의 물 퍼지(60)의 타이밍 차트를 공통화하도록, 최초의 물 퍼지의 개시 타이밍 뿐만 아니라, 그 이후의 물 퍼지의 개시 타이밍도 각 그룹 A, B 사이에서 상이하게 하여도 좋다.
또한, 각 그룹 A, B에 대한 물 퍼지(60)의 개시시, 도 3에 나타내는 바와 같이 각 물 퍼지(60)의 수량을 단계적(도 3에 나타내는 예에서는 2단계)으로 증대시켜도 좋다. 이와 같이, 물 퍼지(60)의 개시시, 메인 오일 연료 라인(24)에 공급하는 물 퍼지의 수량을 단계적으로 증대시키는 것에 의해, 물 퍼지(60)의 개시 직후에 있어서의 안정적인 연소를 한층 더 유지하기 쉬워진다.
또한, 제 1 퍼지에 있어서 물 퍼지(60)를 복수회 실시하는 경우, 연소 안정성의 저하는 최초의 물 퍼지(60)의 개시 직후에 가장 일어나기 쉬우므로, 복수회의 물 퍼지(60) 중 최초의 물 퍼지의 개시시만 단계적으로 퍼지 수량을 증대시키면, 연소 안정성의 유지에 기여할 수 있다. 따라서, 그 이후의 물 퍼지(60)의 개시시에 있어서의 퍼지 수량은 반드시 단계적으로 증대시킬 필요는 없다. 또는, 제어 로직의 간소화의 관점에서, 도 3에 나타내는 바와 같이, 각 그룹 A, B에 대한 매회의 물 퍼지(60)의 타이밍 차트를 공통화할 수 있도록, 최초의 물 퍼지의 개시시 뿐만 아니라, 그 이후의 물 퍼지의 개시시에 있어서도 퍼지 수량을 단계적으로 증대시켜도 좋다.
또한, 컨트롤러(40)는 파일럿 가스 연료 라인(16) 및 메인 가스 연료 라인(26)에 각각 마련된 유량 조정 밸브를 개도(開度) 제어하고, 물 퍼지(60)의 실시 중, 파일럿 비를 일시적으로 증대시켜도 좋다. 이것에 의해, 물 퍼지(60)의 실시 중의 연소 안정성을 유지하기 쉬워진다. 물 퍼지(60)의 실시 중, 물 퍼지(60)를 실시하고 있지 않은 경우에 있어서의 파일럿 비를 베이스 값으로 하여 그 1% 내지 5%를 베이스 값에 가산한 것을 파일럿 비로 하여도 좋다.
또한, 제 1 퍼지에 있어서의 물 퍼지(50)의 수량과 마찬가지로, 제 2 퍼지에 있어서의 물 퍼지(60)의 실시시에 메인 오일 연료 라인(24)에 흘리는 퍼지 물의 양 Y는, 가스 터빈 출력 X에 따라 실화 한계값 Fth 이하로 결정하여도 좋다. 예를 들면, 물 퍼지(60)에서 흘리는 수량은, 안정 연소의 유지와 잔류 오일의 제거를 양립하는 관점에서, 0.5 Fth 이상 0.98 Fth 이하(바람직하게는 0.8 Fth 이상 0.95 Fth 이하)의 범위 내에서 설정하여도 좋다.
상술한 바와 같이, 메인 노즐(4A, 4B)에 대해서는 제 1 퍼지 및 제 2 퍼지를 실행한다. 이것에 대해, 파일럿 노즐(2)에 대해서는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 가스 연소 운전 중(시각 t1 내지 t7), 공기 퍼지(54)를 연속적으로 실행하여도 좋다. 이것은, 파일럿 노즐(2)은, 주위가 복수개의 메인 노즐(4A, 4B)로 둘러싸여 있기 때문에 메인 노즐(4A, 4B)보다 고온이 되는 경향이 있으며, 특히 잔류 오일의 코킹이 일어나기 쉽기 때문이다. 가스 연소 운전 중, 공기 퍼지(54)를 연속적으로 실행함으로써, 파일럿 오일 연료 라인(14) 내에서의 잔류 오일의 코킹을 효과적으로 방지할 수 있다.
그리고, 시각 t7에서 가스 연료(12, 22)로부터 오일 연료(10, 20)로의 연료 전환을 알리는 신호 SG3이 컨트롤러(40)에 입력되면, 파일럿 오일 연료 라인(14)에 대한 공기 퍼지(54)는 종료된다.
도 5는 본 실시형태에 있어서의 연소기의 퍼지 방법의 수순을 나타내는 흐름도이다. 또한, 이 흐름도는, 연소기(1)가 오일 연소 운전을 실행하고 있을 때부터, 연소기(1)가 가스 연소 운전으로 전환된 후, 다시 오일 연소 운전으로 되돌아올 때까지의 사이에 있어서의 퍼지 방법의 수순을 나타내고 있다.
도 5에 도시하는 바와 같이, 연소기(1)의 오일 연소 운전으로부터 가스 연소 운전으로의 전환 신호 SG1이 컨트롤러(40)에 입력되었는지의 여부가 판정된다(단계 S2). 이 단계 S2는, 전환 신호 SG1이 컨트롤러(40)에 입력될 때까지 반복된다. 그리고, 전환 신호 SG1이 컨트롤러(40)에 입력되었을 경우(단계 S2의 YES 판정), 단계 S4로 진행되고, 컨트롤러(40)에 의한 제어 하에서 밸브(37A, 37B, 39A, 39B)를 개폐 제어하고, 메인 가스 연료(22)로의 연료 전환 직후(도 3의 예에 있어서의 시각 t1 내지 t3)에 각 메인 노즐(4A, 4B)에 대해 제 1 퍼지를 실시한다. 또한, 파일럿 오일 연료 라인(14)에 대해서는, 컨트롤러(40)에 의한 제어 하에서 밸브(39P)를 개폐 제어하여 공기 퍼지(54)를 개시한다(단계 S6).
그 후, 연소기(1)의 가스 연소 운전으로부터 오일 연소 운전으로의 전환의 준비 신호 SG2가 컨트롤러(40)에 입력되었는지의 여부가 판정된다(단계 S8). 이 단계 S8은, 준비 신호 SG2가 컨트롤러(40)에 입력될 때까지 반복된다. 그리고, 준비 신호 SG2가 컨트롤러(40)에 입력되었을 경우(단계 S8의 YES 판정), 단계 S10으로 진행되며, 컨트롤러(40)에 의한 제어 하에서 밸브(37A, 37B, 39A, 39B)를 개폐 제어하고, 메인 가스 연료(22)로부터 메인 오일 연료(20)로의 분사 연료의 전환 직전(도 3의 예에서의 시각 t4 내지 t6)에 각 메인 노즐(4A, 4B)에 대해 제 2 퍼지를 실시한다.
이어서, 연소기(1)의 가스 연소 운전으로부터 오일 연소 운전으로의 전환 신호 SG3이 컨트롤러(40)에 입력되었는지의 여부가 판정된다(단계 S12). 이 단계 S12는, 전환 신호 SG3이 컨트롤러(40)에 입력될 때까지 반복된다. 그리고, 전환 신호 SG3이 컨트롤러(40)에 입력되었을 경우(단계 S12의 YES 판정), 단계 S6에서 개시한 파일럿 오일 연료 라인(14)에 대한 공기 퍼지(54)는 종료된다(단계 S14).
이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태에 의하면, 메인 오일 연료(20)로부터 메인 가스 연료(22)로의 분사 연료의 전환 직후(시각 t1 내지 t3)에 제 1 퍼지를 실행하는 것에 의해, 메인 오일 연료 라인(24)에 잔류한 액상의 오일 연료의 대부분이 제거된다. 그렇다고는 하여도, 제 1 퍼지만으로 모든 오일 연료를 제거하는 것은 실제상 곤란하며, 예를 들면 메인 오일 연료 라인(24) 중 흐름의 정체 부분에 적지 않게 오일 연료가 잔류해 버린다. 게다가, 제 1 퍼지에 의해서 제거하지 못하여 약간 메인 오일 연료 라인(24)에 잔류한 오일 연료는, 가스 연소 운전으로의 전환 직후부터 고온 환경하에 노출되어 소량의 고점도 물질로 변화하고 있으며, 이 상태에서 퍼지(제 1 퍼지)를 반복하여도 고점도 물질을 제거하는 것은 어렵다.
한편, 제 2 퍼지를 하는 시점(즉, 메인 가스 연료(22)로부터 메인 오일 연료(20)로의 분사 연료의 전환 직전)에서는, 상기 소량의 고점도 물질은 한층 더 가스 연소 운전에 의한 고온 환경하에 장시간(전형적으로는 수일 내지 수주간) 노출되어 건조가 진행되어 고화물(또는 반고화물)로 되어 있다. 또한, 이 시점에서는, 메인 오일 연료 라인(24)은, 가스 연소 운전으로의 전환 후로부터 메인 오일 연료 라인(24)이 보유하는 열을 빼앗는 메인 오일 연료(20)가 오랫동안 흐르고 있지 않기 때문에, 물의 비점 이상의 고온으로 되어 있다. 이 상태로 제 2 퍼지가 개시되면, 제 2 퍼지의 초기 단계(시각 t4 부근)에 있어서, 고온의 메인 오일 연료 라인(24)에 도입된 퍼지용의 물의 일부가 증발하여 수증기가 발생한다. 이 수증기에 의해서, 고화물(또는 반고화물)이 된 소량의 고점도 물질이 메인 오일 연료 라인(24)의 유로 내벽면으로부터 떠올라 박리되며, 그 후에 도입되는 퍼지용의 물과 함께 메인 오일 연료 라인(24)으로부터 배출된다. 이 때, 메인 오일 연료 라인(24)이 보유하는 열을 받아서 고온으로 된 퍼지용의 물(또는 수증기)이, 고화물(또는 반고화물)로 변화하고 있는 고점도 물질과 접촉하여 고화물(또는 반고화물)의 가수 분해가 일어나, 고화물(또는 반고화물)의 메인 오일 연료 라인(24)으로부터의 박리 및 배출이 촉진되는 것으로 고려된다.
이와 같이, 퍼지 메커니즘이 상이한 2종류의 제 1 퍼지와 제 2 퍼지를 조합함으로써, 메인 오일 연료 라인(24)으로부터의 잔류 오일의 제거를 확실히 실행하여, 배기 가스 환경 규제값의 관리 범위로부터의 일탈을 효과적으로 방지할 수 있다.
또한, 제 1 퍼지가 실행되는 시점(즉, 메인 오일 연료(20)로부터 메인 가스 연료(22)로의 분사 연료의 전환 직후)에서는, 메인 오일 연료 라인(24)에는 메인 오일 연료(20)가 직전까지 유통하고 있으며 메인 오일 연료 라인(24)으로부터 메인 오일 연료(20)로의 전열이 일어나고 있었기 때문에, 메인 오일 연료 라인(24)은 그만큼 고온으로 되어 있지 않다. 그 때문에, 제 1 퍼지에 있어서는, 제 2 퍼지와는 달리, 상술한 퍼지용의 물로부터의 수증기의 발생이나 고온의 물 또는 수증기와의 접촉에 의한 고화물(또는 반고화물)의 가수 분해는 거의 일어나지 않는 것으로 고려된다.
또한, 본 실시형태에 의하면, 잔류 오일에 기인한 노즐(4A, 4B)의 폐색이나 연료 분사량의 요구값으로부터의 벗어나는 등의 문제점을 회피할 수 있기 때문에, 노즐을 연소기(1)로부터 분리한 세정을 기본적으로는 실행하지 않아도 되게 된다. 따라서, 노즐 세정시에 있어서의 가스 터빈의 운전 정지에 기인한 발전 기회를 잃어버리는 것을 방지할 수 있다. 또한, 노즐 세정 중에 가스 터빈을 운전시키고 싶은 경우를 상정하여, 기본적으로 예비의 노즐을 준비해 둘 필요도 없어진다.
이상, 본 발명의 실시형태에 대하여 상세하게 설명했지만, 본 발명은 이것으로 한정되지 않으며, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서, 각종 개량이나 변형을 실시하여도 좋은 것은 말할 필요도 없다.
예를 들면 상술의 실시형태에서는, 각 메인 노즐(4A, 4B)에 대한 제 1 퍼지 및 제 2 퍼지의 구체적인 내용에 대해서 도 3에 나타내는 예를 들었지만, 오일 연료로부터 가스 연료로의 분사 연료의 전환 직후에 적어도 물을 이용한 제 1 퍼지와, 가스 연료로부터 오일 연료로의 분사 연료의 전환 직전에 적어도 물을 이용한 제 2 퍼지를 어느 하나의 노즐의 오일 연료 라인에 대하여 실시하는 한, 제 1 퍼지 및 제 2 퍼지의 구체적인 내용은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 퍼지에 의한 세정 효과를 최대한 받을 수 있도록, 물 퍼지(50, 60) 및 공기 퍼지(52, 62)의 퍼지 물 또는 퍼지 공기의 유량, 퍼지 물 또는 퍼지 공기의 압력, 퍼지 시간, 퍼지 회수 등을 적절히 조절하여도 좋다.
또한, 상술의 실시형태에서, 제 1 퍼지 및 제 2 퍼지가 공기 퍼지(52, 62)를 포함한 예에 대해 설명했지만, 공기 퍼지(52, 62)로 전환하여, 공기 이외의 임의의 종류의 기체(예를 들면 질소 가스나 아르곤 가스 등의 불활성 가스)를 각 메인 노즐(4A, 4B)에 흘리는 기체 퍼지를 실행하여도 좋다. 기체 퍼지의 구체적인 실시 조건은 공기 퍼지(52, 62)와 동일하여도 좋다.
또한, 상술의 실시형태에서는, 연소기(1)가 파일럿 노즐(2) 및 메인 노즐(4A, 4B)을 구비하는 예에 대하여 설명했지만, 연소기(1)의 구성은 이러한 예에 한정되지 않는다. 예를 들면, 연소기(1)는 1종류의 노즐만을 갖고 있어도 좋으며, 이러한 경우에는 그 노즐의 퍼지 처리를 실행할 때에, 오일 연료로부터 가스 연료로의 분사 연료의 전환 직후에 적어도 물을 이용한 제 1 퍼지로 가스 연료로부터 오일 연료로의 분사 연료의 전환 직전에 적어도 물을 이용한 제 2 퍼지 단계를 실행하여도 좋다.
[실시예]
상술의 실시형태에 따른 연소기의 퍼지 방법이 배기 가스 환경 규제값으로의 적합성에 부여하는 영향에 대하여 검토하기 위해서, 다음과 같은 실험을 실행했다. 즉, 듀얼식의 연소기(1)를 구비한 가스 터빈에 대하여, 실시예, 비교예 1 및 비교예 2의 3종류의 퍼지 처리를 실행하고, 배기 가스 중의 성분을 분석하여, 기준 O2 농도 15%에 있어서의 배기 가스 CO 농도[ppm]를 구했다. 각 퍼지 방법의 상세한 것은 다음과 같다. 배기 가스 CO 농도의 분석 결과에는 불균형이 존재하기 때문에, 실시예 및 비교예 1 및 비교예 2의 조건에서 퍼지 처리를 실행한 후에 배기 가스 CO 농도를 분석한다는 조작을 복수회 반복하여, 배기 가스 CO 농도의 분석 결과에 관한 데이터를 수집했다.
실시예 및 비교예 1 및 비교예 2에 있어서의 퍼지 처리의 조건은 이하와 같다.
실시예에서는, 도 3에 도시하는 제 1 퍼지 및 제 2 퍼지의 양쪽을 실시했다. 구체적으로는, 메인 오일 연료(20)로부터 메인 가스 연료(22)로의 분사 연료의 전환 직후(시각 t1 내지 t3)에 각 메인 노즐(4A, 4B)에 대하여 제 1 퍼지를 실행했다. 또한, 메인 가스 연료(22)로부터 메인 오일 연료(20)로의 분사 연료의 전환 직전(시각 t4 내지 t6)에 각 메인 노즐(4A, 4B)에 대해 제 2 퍼지를 실시했다. 또한, 제 1 퍼지 및 제 2 퍼지는, 모두, 도 3의 예에 나타내는 바와 같이, 물 퍼지(50, 60)를 3회 실행한 후, 공기 퍼지(52, 62)를 1회 실행한다고 하는 내용으로 했다. 또한, 각 물 퍼지(50, 60)는, 퍼지 수류량은 24,000lb/h이며, 물 퍼지 시간은 10분으로 했다.
비교예 1에서는, 도 3에 나타내는 제 1 퍼지만을 실시했다. 제 1 퍼지의 구체적인 내용은 실시예와 동일하다. 또한, 비교예 2에서는, 도 3에 나타내는 제 2 퍼지만을 실시했다. 제 2 퍼지의 구체적인 내용은 실시예와 동일하다.
도 6은 실시예 및 비교예 1 및 비교예 2에 관한 배기 가스 CO 농도의 분석 결과를 나타내는 그래프이다. 이 그래프로부터 명확한 바와 같이, 제 1 퍼지 및 제 2 퍼지의 양쪽을 실행한 실시예에서는 배기 가스 CO 농도가 관리 범위 상한을 초과하는 일은 한번도 없었던 것에 반하여, 제 1 퍼지와 제 2 퍼지 중 어느 한쪽만을 실행한 비교예 1 및 비교예 2에서는 배기 가스 CO 농도의 불균형이 크며, 한번도 관리 범위 내에 들어가는 일은 없었다.
이상으로부터, 상기 실시예와 같이, 가스 연료로의 연료 전환 직후에 실행하는 제 1 퍼지 단계와, 오일 연료로의 연료 전환 직전에 실행하는 제 2 퍼지 단계를 조합하는 것에 의해, 오일 연료 라인으로부터의 잔류 오일의 제거를 확실히 실행하여, 배기 가스 환경 규제값의 관리 범위로부터의 일탈을 효과적으로 방지할 수 있는 것이 확인되었다.
또한, 제 1 퍼지만을 실행한 비교예 1에서 배기 가스 CO 농도의 불균형이 크며, 한번도 관리 범위 내에 들어가지 않았던 것은, 제 1 퍼지만으로는 오일 연료 라인으로부터 잔류 오일을 완전하게 제거되어 있지 않으며, 노즐의 폐색이나 연료 분사량의 요구값으로부터의 벗어남 등의 문제점이 연소기에 발생했기 때문이라고 고려된다.
또한, 제 2 퍼지만을 실행한 비교예 2에 있어서 배기 가스 CO 농도의 편차가 크며, 한번도 관리 범위 내에 들어가지 않았던 것은, 오일 연소 운전으로부터 가스 연소 운전으로 전환시에 오일 연료 라인에 잔류한 다량의 오일 연료가 가스 연소 운전 중의 고온 환경하에 장시간 노출되어 코킹을 일으켜 오일 연료 라인의 유로 내벽면으로의 고착이 진행되고 있으며, 제 2 퍼지에서만 잔류 오일(고착 물건)을 완전하게 제거하지 못하여, 노즐의 폐색이나 연료 분사량의 요구값으로부터의 벗어남 등의 문제점이 연소기에 생겼기 때문이라고 고려된다.

Claims (9)

  1. 오일 연료가 흐르는 오일 연료 라인 및 가스 연료가 흐르는 가스 연료 라인에 연통하며, 상기 오일 연료와 상기 가스 연료와의 사이에서 분사 연료를 전환 가능한 노즐을 구비한 가스 터빈 연소기의 퍼지 방법에 있어서,
    상기 오일 연료로부터 상기 가스 연료로의 분사 연료의 전환 직후에, 적어도 물을 이용하여 상기 오일 연료 라인의 퍼지를 실행하는 제 1 퍼지 단계와,
    상기 가스 연료로부터 상기 오일 연료로의 분사 연료의 전환 직전에, 적어도 물을 이용하여 상기 오일 연료 라인의 퍼지를 실행하는 제 2 퍼지 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
    가스 터빈 연소기의 퍼지 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 퍼지 단계는, 상기 가스 연료로부터 상기 오일 연료로의 분사 연료의 전환의 준비 신호에 응답하여, 상기 가스 연료로부터 상기 오일 연료로의 분사 연료의 전환 전에 실행되는 것을 특징으로 하는
    가스 터빈 연소기의 퍼지 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 퍼지 단계에서는, 상기 오일 연료 라인에 물을 흘리는 물 퍼지를 실행한 후, 상기 오일 연료 라인에 기체를 흘리는 기체 퍼지를 실행하는 동시에,
    상기 물 퍼지 및 상기 기체 퍼지는 상기 가스 연료로부터 상기 오일 연료로의 분사 연료의 전환 전에 완료시키는 것을 특징으로 하는
    가스 터빈 연소기의 퍼지 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 노즐은, 파일럿 오일 연료 라인 및 파일럿 가스 연료 라인에 연통하며, 상기 오일 연료와 상기 가스 연료와의 사이에서 분사 연료가 전환 가능한 1개의 파일럿 노즐과, 상기 파일럿 노즐을 둘러싸도록 마련되며, 메인 오일 연료 라인 및 메인 가스 연료 라인에 연통하며, 상기 오일 연료와 상기 가스 연료와의 사이에서 분사 연료가 전환 가능한 복수개의 메인 노즐을 포함하며,
    상기 제 1 퍼지 단계 및 상기 제 2 퍼지 단계에 있어서 상기 적어도 물을 이용한 퍼지가 실행되는 상기 오일 연료 라인은 각 메인 노즐과 연통하는 상기 메인 오일 연료 라인이며,
    상기 제 2 퍼지 단계에서는, 상기 메인 오일 연료 라인에 물을 흘리는 물 퍼지를 실행한 후, 상기 메인 오일 연료 라인에 기체를 흘리는 기체 퍼지를 실행하는 동시에,
    상기 파일럿 오일 연료 라인은, 상기 분사 연료로서 상기 가스 연료가 선택되어 있을 때, 연속적으로 기체를 흘리는 기체 퍼지만이 실행되는 것을 특징으로 하는
    가스 터빈 연소기의 퍼지 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 메인 노즐은 복수의 그룹으로 분류되어 있으며,
    상기 제 2 퍼지 단계에 있어서의 상기 물 퍼지는, 각 그룹에 속하는 메인 노즐에 연통하는 메인 오일 연료 라인에 대하여, 그룹마다 상이한 타이밍에 개시되는 것을 특징으로 하는
    가스 터빈 연소기의 퍼지 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 2 퍼지 단계에 있어서의 상기 물 퍼지의 개시시, 각 그룹에 속하는 메인 노즐에 연통하는 메인 오일 연료 라인에 대하여, 상기 물 퍼지의 수량을 단계적으로 증대시키는 것을 특징으로 하는
    가스 터빈 연소기의 퍼지 방법.
  7. 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 퍼지 단계 및 상기 제 2 퍼지 단계에 있어서 상기 퍼지를 위해서 상기 오일 연료 라인에 물을 흘리고 있는 사이, 상기 파일럿 노즐로부터 분사되는 연료 유량의 전체 연료 유량에 대한 비인 파일럿 비를 일시적으로 증대시키는 것을 특징으로 하는
    가스 터빈 연소기의 퍼지 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 퍼지 단계 및 상기 제 2 퍼지 단계에 있어서, 상기 퍼지를 위해 상기 오일 연료 라인에 흘리는 수량은 가스 터빈의 출력에 따라서 실화 한계값 이하로 결정되는 것을 특징으로 하는
    가스 터빈 연소기의 퍼지 방법.
  9. 오일 연료가 흐르는 오일 연료 라인 및 가스 연료가 흐르는 가스 연료 라인에 연통하며, 상기 오일 연료와 상기 가스 연료와의 사이에서 분사 연료를 전환 가능한 노즐을 구비한 가스 터빈 연소기의 퍼지 장치에 있어서,
    퍼지용의 물이 저류된 물 탱크와,
    상기 물 탱크를 상기 오일 연료 라인에 연통시키는 퍼지 물 공급로와,
    상기 퍼지 물 공급로에 마련된 퍼지 물 공급 밸브와,
    상기 퍼지 물 공급 밸브를 개폐 제어하는 컨트롤러를 구비하며,
    상기 컨트롤러는,
    상기 오일 연료로부터 상기 가스 연료로의 분사 연료의 전환 신호에 응답하여, 상기 가스 연료로의 분사 연료의 전환 직후에 상기 오일 연료 라인의 제 1 퍼지가 실행되도록, 상기 퍼지 물 공급 밸브를 개방하여 상기 오일 연료 라인에 상기 물 탱크로부터 물을 흘리는 동시에,
    상기 가스 연료로부터 상기 오일 연료로의 분사 연료의 전환의 준비 신호에 응답하여, 상기 가스 연료로부터 상기 오일 연료로의 분사 연료의 전환 직전에, 상기 퍼지 물 공급 밸브를 개방하고 상기 오일 연료 라인에 상기 물 탱크로부터 물을 흘려 제 2 퍼지를 실행하는 것을 특징으로 하는
    가스 터빈 연소기의 퍼지 장치.
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