이중 희박 예혼합 가스터빈 연소기의 NOx 발생 특성 연구 = A Study on NOx Emission Characteristics of Duel Lean Premixed Gasturbine Combustor

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Understanding flame structure and NOx formation characteristics of dual lean premixed combustor is critically important in combustor design and NOx emission performance data analysis, but is poorly understood. In recent dissertation, this problem is addressed via the study of NOx formation in actual gas turbine combustors operating on dual lean premixed natural gas/air. OH-chemiluminescence(308nm band filtered) methodology, direct flame temperature measurement by C-type thermocouple and two dimensional NOx measurement by gas analyzer was adopted for investigating flame structure and NOx formation characteristics. The parameters, pilot fuel mass fraction (fPF)and pilot air mass fraction(fPA),were developed to analyze the relations of each burner. These experiments focus on the effects of pilot fuel mass fraction(0~0.7), overall equivalence ratio(0.4~0.6), inlet temperature(573~653K) and residence time(0.43~5.22ms).
NOx formation has the lowest value when the pilot fuel mass fraction is equal to pilot air mass fraction. When the pilot fuel mass fraction increases from the point, NOx also increases by increment of the adiabatic pilot flame temperature, the traditional thermal NOx formation effect. On the contrary, when the pilot fuel mass fraction reduces, NOx increases by increment of main flame adiabatic temperature.
Flames in each burner form and progress in the separated area; pilot flame forms in the pilot burner and has strong sharp edge, main flame forms from downstream of main fuel/air mixture jet due to relatively lower reaction rate than pilot flame and spreads out to fill the whole combustor chamber, even outer recirculation zone (ORZ).
This experimental data clearly shows that the amount of NOx formed in a lean, homogeneous combustion system depends on the post-combustion temperature and is rarely affected by residence time.
The NOx prediction model was experimentally achieved by comparing each pilot and main adiabatic flame temperature with NOx measured from combustor exit. This model only bases on thermal NOx formation mechanism, but shows under 5ppmv error with every test result. Through verification of NOx prediction model with another actual gas turbine combustor, VTI’s 50kW class dual premixed type combustor(200K higher inlet temperature than studied combustor), the predicted result shows similar NOx trends, the lowest NOx formation point, and flame extinction point at lower air excess ration conditions.

국문 초록 (Abstract)

최근 거듭 강화되고 있는 가스터빈엔진에 대한 친환경규제들에 대응하기 위하여 실제 운용되고 있는 이중 희박 예혼합 연소부를 갖는 연소기에 대한 연소특성을 분석하였으며 NOx 생성량을 예측하는 모델을 개발하였다.
파일럿과 메인 예혼합 연소부로 구성된 실제의 연소기에 대한 분석을 수행하기 위하여 파일럿 연료 질량분율을 도입하였으며 형상 변화에 따른 NOx 발생 특성을 고찰하기 위하여 파일럿 공기 질량분율 개념을 정의하여 분석에 사용하였다.
이중 희박 예혼합 연소부를 갖는 연소기의 화염구조 파악하기 위하여 OH-Chemiluminescence 기법을 이용하였으며 파일럿 연료 질량분율이 파일럿 공기비와 같은 지점을 기준으로 파일럿 연료 질량분율이 증가하면서 파일럿 버너의 화염강도가 강해지고 있으며 파일럿 연료 질량분율이 감소하면 메인 노즐의 가장자리에 위치하고 있는 외부 재순환 영역에서 화염이 발달하며 전체적으로 화염강도는 떨어지고 화염 영역이 커지는 것을 확인하였다.
수치해석과 2차원 온도측정을 통한 연소장 분석결과, 파일럿 연료 질량분율이 감소할수록 파일럿 연소부의 온도가 내려가고 메인 연소부의 온도는 상승하는 결과를 얻었다. 이러한 현상들은 2차원 NOx 분포를 동일한 평면에서 온도장을 측정하고 비교함으로써 이중 예혼합 버너의 NOx생성이 각각의 버너부의 연소온도의 증가에 의한 Thermal NOx에 의한 영향임을 알 수 있었다.
실제 연소기의 후류에서 NOx발생량을 계측하여 당량비와 단열화염 온도를 분석하였으며, NOx의 발생은 파일럿 연료 질량분율에 대하여 메인버너의 영향이 큰 구역과 파일럿 버너의 영향이 큰 구역으로 구분할 수 있었으며 상호 교란에 의한 NOx의 발생이 증가하는 것이 아닌 두 버너가 독립적인 성격을 가지면서 NOx 생성에 기인하고 있음을 밝혔다.
이러한 시험결과를 바탕으로 각 버너별 단열화염온도를 이용한 이중 예혼합 화염에서 NOx가 발생하는 모델을 개발하였다. 시험결과와 비교한 결과, 공기 속도의 변화, 파일럿 연료 질량분율의 변화, 연소기 유입 공기온도의 변화, 당량비의 변화에 대하여 개발된 모델이 매우 근사한 값을 예측하고 있었으며 연구에 사용된 연소기 외에 다른 연소기에 대하여 적용한 결과에서도 NOx의 발생 경향과 최저의 NOx가 발생하는 조건들을 정확하게 예측하였다. 개발된 NOx의 예측 모델과 분석방법은 희박예혼합 연소기의 설계, 시험결과의 분석, 유사 연소시스템 적용 등 다양한 분야에서 널리 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• I. 서론 1
• 1.1 연구배경 및 목적 1
• 1.2 가스터빈 저공해 연소기 5
• 1.3 선행 연구 22
• 1.4 연구 내용 26
• II. 실험 장치 및 실험조건 28
• 2.1 이중 희박 예혼합 연소기 28
• 2.2 시험장치 및 시험방법 32
• 2.3 시험조건 41
• III. 연소기 수치해석 46
• 3.1 유동장 특성 해석결과 48
• 3.2 연소장 해석결과 53
• IV. 연소기 버너헤드 연소장 계측 65
• 4.1 연소장 가시화 시험 65
• 4.2 연소장 내부 온도장 측정 결과 71
• 4.3 NOx 농도분포 측정결과 74
• 4.4 수치해석 및 연소장 시험 결과 요약 77
• V. 연소기 버너헤드 NOx 배출특성 시험 79
• VI. NOx 배출특성 분석 및 예측 85
• 6.1 단열화염온도에 의한 분석 85
• 6.2 NOx 예측 모델링 91
• 6.3 분석 모델의 검증 105
• VII. 결론 108
• 참고문헌 110
• Abstract 114