액체 라이브 배팅 사이트 직접 스프레이 연소 가스 터빈 개발

Uchida Masahiro, Ito Shintaro, Suda Toshiyuki

pdf 다운로드

Uchida Masahiro: 박사 공학, 엔지니어링, 에너지 전환 그룹, 기술 플랫폼 센터, 기술 및 인텔리전스 통합
Ito Shintaro: 박사 공학, 엔지니어링, 에너지 전환 그룹, 기술 플랫폼 센터, 기술 및 인텔리전스 통합
Suda Toshiyuki: 기업 전략 본사, 전략 프로젝트 부서 관리자, 공학 박사, 관리자

액체 라이브 배팅 사이트 다이렉트 스프레이 혼합 기술은 라이브 배팅 사이트를 가스 터빈의 연료로 사용하기 위해 개발되었습니다. 검증 테스트의 결과로, 배기 가스에서 유해 물질의 농도를 억제하면서 액체 라이브 배팅 사이트를 70%까지 연소하는 것이 가능하다는 것이 입증되었다. 또한 Unburned Ammonia (NH₃) 및 아산화 질소 (N₂o)는 일본의 규제 값보다 낮았으므로 라이브 배팅 사이트 연료 가스 터빈을 운영하는 환경 영향은 미미했습니다.

1. 소개

지구 환경을 보존하려면 다양한 분야에서 탈탄화 노력이 진행 중입니다. 전력 산업에서는 태양 에너지와 풍력 에너지로 대표되는 재생 에너지가 빠르게 채택되었지만 공급 및 수요 균형을 유지함으로써 전력망 안정화에 열 발전이 중요합니다. 특히, 가스 터빈은 하중 변화에 대한 응답 성 측면에서 우수하며 계속 사용될 것으로 예상된다. 따라서, 가스 터빈 연료를 탄소 중립적 인 연료로 이동시키는 것은 이산화탄소 감소에 기여할 것이다 (CO₂) 배출 및 전력망 안정화.

수소는 전형적인 탄소 중립 연료입니다. 그러나 수소는 연료로 연소하기 쉽지만 열 물리학 적 특성으로 인해 수소를 운반하고 저장하기가 어렵습니다. 따라서 일본 내각 사무소는 SIP (교차 대규모 전략 혁신 홍보 프로그램) 에너지 캐리어 (1) 프로젝트를 수행했습니다. 이 프로젝트에서, 액체 수소, 메틸 시클로 헥산 및 라이브 배팅 사이트는 수소를 수송하기위한 에너지 운반체로 초점을 맞추고있다. 이 프로젝트는 유용성과 문제뿐만 아니라 관련 기술 개발을 비교하고 연구했습니다. 이러한 에너지 운반체 중에서 라이브 배팅 사이트는 쉽게 액화 될 수 있고 운송 및 보관에 적합하기 때문에 유리합니다. 또한 라이브 배팅 사이트 운송 및 저장 기술이 이미 확립되었습니다. 가연성 인 라이브 배팅 사이트의 또 다른 장점은 탄화수소 연료의 대안으로 탈수 형성없이 직접 연소 될 수 있다는 것입니다. 그러나 라이브 배팅 사이트는 화염성이 낮으며 해로운 물질이므로주의해서 다루어야합니다. 또한, 화상을 입을 때, 라이브 배팅 사이트는 연료에 포함 된 질소 원자에서 유래 된 연료--닉스를 생성 할 가능성이있다. 이러한 과제를 극복하고 특성을 최대한 활용하여 연료로서 라이브 배팅 사이트의 사용을 촉진하기 위해 기본 조합 특성을 명확히하고 조합 기술을 개발하기위한 노력이 이루어졌습니다 (2).

발전 가스 터빈에서 연소 될 때 라이브 배팅 사이트를 공급하는 두 가지 주요 방법이 있습니다 : 라이브 배팅 사이트 가스 방법 및 액체 라이브 배팅 사이트 직접 스프레이 방법. 주변 온도에서, 라이브 배팅 사이트는 대략 0.8 MPa에서 위상 변화를 겪고; 따라서, 라이브 배팅 사이트는 일반적으로 연소기 압력이 대기압 주위에있는 한 연소되기 전에 가스화됩니다. 그러나 가스 터빈이 압력을 가하고 연소기 압력이 높습니다. 일반적으로 중간 및 대형 가스 터빈은 복합 압력이 0.8 MPa 이상입니다. 따라서 라이브 배팅 사이트는 액체 상태에 안정적으로 분사 될 수 있습니다. 이 특성을 활용하여, 우리는 라이브 배팅 사이트 가스를 천연 가스로 공동 화시하기 위해 기존의 기술을 기반으로 액체 상태로 복합체에 직접 뿌려서 라이브 배팅 사이트를 태우는 기술을 개발했습니다 (3). 이 기사는 액체 라이브 배팅 사이트 및 라이브 배팅 사이트 가스를 사용한 복합 방법의 특징과 가스 터빈을 사용한 검증 테스트 결과에 대해보고합니다.

2. 테스트 시스템

그림 1는 라이브 배팅 사이트 연소 가스 터빈 검증 시험 시설의 시스템 흐름을 보여주는 개략도입니다. 이 시설은 도시 가스 압축기, 라이브 배팅 사이트 공급 장비, 2MW 급 가스 터빈 및 탈질 장비로 구성됩니다. 라이브 배팅 사이트 공급 장비는 라이브 배팅 사이트 탱크의 탈질, 연료 라이브 배팅 사이트 가스 및 액체 라이브 배팅 사이트에 라이브 배팅 사이트 가스를 공급합니다. 연료 공급 시스템과 관련하여 라이브 배팅 사이트 가스 및 액체 라이브 배팅 사이트 시스템은 비교를 위해 제공됩니다.

연료 라이브 배팅 사이트 가스 공급 시스템은 액체 라이브 배팅 사이트, 기화기 및 축합기를 압력화하기위한 펌프로 구성됩니다. 라이브 배팅 사이트 가스 공급의 경우, 액체 라이브 배팅 사이트는 펌프에 의해 압력을 가하고, 유량을 조정 한 후 기화기에 공급되고, 온수 열에 의해 기화된다. 기화 된 라이브 배팅 사이트는 압력을 안정화시키기 위해 축적기를 통과 한 다음 가스 터빈에 공급됩니다. 이 공급 방법의 특징은 라이브 배팅 사이트가 액체 상태에서 가압되기 때문에 압력에 필요한 전력은 가스 상태에서 라이브 배팅 사이트가 압력을 가질 때보다 적다는 것입니다. 또한, 라이브 배팅 사이트는 온도가 상대적으로 낮은 열원에 의해 기화 될 수 있습니다. 이 방법의 또 다른 장점은 조합 거동이 잠열 분산 열에 의해 영향을받지 않기 때문에 기본 조합 특성을 명확히하고 가스 터빈과 함께 사용하기위한 조합 기술을 개발하는 것이 비교적 쉽다는 것입니다. 그러나, 기화 라이브 배팅 사이트는 온도가 상대적으로 낮지 만 열원이 필요합니다. 또한, 기화기 하류의 라이브 배팅 사이트 가스는 주변 환경으로의 열 손실로 인해 액체 라이브 배팅 사이트로 다시 돌릴 수 있습니다. 따라서 전기 히터를 사용하여 배관 및 축합기를 뜨겁게 유지해야합니다.

가스 터빈에서 라이브 배팅 사이트 가스를 태우려면 더 큰 기화기 및 축적기를 사용하거나 여러 기화기 및 축적기를 병렬로 배열하여 적절한 공급 용량을 보장해야합니다. 한편, 액체 라이브 배팅 사이트 직접 스프레이 방법으로, 가압 액체 라이브 배팅 사이트는 유속을 제어하면서 연소기에 직접 분사됩니다. 이 방법은 라이브 배팅 사이트 가스 방법에 의해 요구되는 라이브 배팅 사이트 기화기 또는 축합기가 필요하지 않으므로 더 간단한 공급 시스템으로 가스 터빈에 라이브 배팅 사이트를 공급할 수 있습니다. 또한, 또 다른 장점은 라이브 배팅 사이트 공급 용량이 펌프 용량에만 의존하기 때문에 라이브 배팅 사이트 공급 증가 비용을 줄일 수 있다는 것입니다. 이 방법의 추가 장점은 라이브 배팅 사이트 기화기를 따뜻하게 할 필요가 없어 라이브 배팅 사이트 공급을 시작하는 데 필요한 시간을 크게 줄일 수 있다는 것입니다. 또한 라이브 배팅 사이트 가스 공급 방법을 사용하면 빠른 부하 변화에 반응 할 수있는 가스 터빈의 능력은 축합기 용량에 따라 다르지만 액체 라이브 배팅 사이트 직접 스프레이 방법을 사용하면 펌프 또는 유량 조절 밸브로 기능을 쉽게 조정할 수 있습니다. 이러한 특징으로 인해 액체 라이브 배팅 사이트 직접 스프레이 방법은 DSS (일일 시작 및 종료) 작동 및로드 밸런싱에 사용되는 중소형 가스 터빈과 함께 사용하기에 적합합니다. 그러나, 연소 거동과 관련하여,이 방법으로, 액체 라이브 배팅 사이트는 복합재에서 증발한다. 따라서 국소 적으로 낮은 화염 온도로 인한 오해가 문제입니다. 또한, 극복해야 할 도전은 가스 터빈으로 흐르는 혼합물 가스의 온도가 잠열 분산 열로 인해 감소하여 가스 터빈의 효율을 감소 시킨다는 것입니다.

IHI에 의해 제조 된 2-MW 클래스 IM270 가스 터빈을 검증 테스트에 사용 하였다. 이 가스 터빈의 경우, 연소기 만 새로 개발되었습니다. 압축기 및 터빈의 경우 기존 상업용 모델이 사용되었습니다. 연소기 발달에서, 연소기 설계는 안정적인 연소 및 감소 된 질소 (NOX) 배출을 모두 달성하기 위해 필요하다. Rich-Lean 2 단계 연소 방법은 이러한 조건을 달성하는 데 효과적이라고 알려져 있습니다.^{(2), (4)},이 조합 방법은 2MW 급 가스 터빈의 연소기에 적용되었습니다.그림 2는 개발 된 조합의 개략도입니다. 이 가스 터빈에 대해 회전 유동형 단일 -CAN 조합기가 채택되었고, 조합 공기는 압축기에 의해 압축되어 라이너의 바깥 쪽의 유량 채널을 통해 공급됩니다. 라이너의 버너 및 희석 구멍에 공급되는 조합 공기의 양은 복합기의 1 차 및 2 차 구역에서 연료 및 공기의 혼합 비율을 조정하여 2 단계 조합을 실현하기 위해 조정됩니다. 모든 연료는 1 차 구역에 공급됩니다.

라이브 배팅 사이트가 액체 연료로 사용될 때, 단위 중량 당 열량 값으로의 잠열 열 속도는 탄화수소 액체 연료 (예를 들어, 등유)와 비교하여 더 커지고 화염 온도는 분산 열의 잠재 열에 의해 더욱 상당히 감소합니다. 안정적인 조합을 달성하고 실패되지 않은 라이브 배팅 사이트 배출을 줄이기 위해, 우리는 연료 분사 위치를 조정하기위한 강한 소용돌이 흐름을 가능하게하는 버너 소용돌이를 채택했습니다. NOX 방출을 줄이기 위해, 1 차 구역으로의 공기 분포는 액체 라이브 배팅 사이트 직접 스프레이 혼합물에 대해 최적화되었다.

검증 테스트 중에, 우리는 전력 출력이 2 MW로 고정 된 천연 가스와 라이브 배팅 사이트의 다른 혼합 비율로 성능 측정을 수행했습니다. 가스 터빈 테스트에서, 우리는 방출을 평가하기 위해 터빈 및 탈질 장비의 콘센트에서 조합 가스를 샘플링했습니다. 라이브 배팅 사이트 조합에 대한 성능 평가에서 표준 연도 가스 분석기, 미 연지 라이브 배팅 사이트 및 아산화 질소로 측정 된 연도 가스 성분 (N₂o)가 방출 될 수 있습니다. 일본 배출 규정에 따라 N₂O는 NOX에 포함되어 있지만 CO보다 약 300 배 높은 지구 온난화 잠재력이 있습니다₂; 따라서, 농도 측정은 라이브 배팅 사이트 혼합물 가스 터빈의 GHG (온실 가스) 배출 감소 효과를 정확하게 측정하기 위해 필수적이다. 연도 가스 성분 평가에서, 우리는 NDIR (비 분산 적외선 분광법) 분석기와 QCL-IR (Quantum Cascade-Laser Infrared Spectroscopy) 분석기를 사용하여 농도를 측정했습니다. NDIR 분석기는 산소 농도를 측정하는 데 사용되었습니다 (O₂), 일산화탄소 (CO), 이산화탄소 (CO₂) 및 총 탄화수소 (THC), QCL-IR 분석기는 일산화 질소 (NO), 이산화 질소 (NO₂), 아산화 질소 (N₂o) 및 라이브 배팅 사이트 (NH₃).

3. 테스트 결과

2-MW 급 가스 터빈을 사용한 발전 검증 테스트의 결과로, 액체 라이브 배팅 사이트가 70% 이하의 혼합 비율로 연소되면 연도 가스의 위험 물질 농도가 낮게 유지 될 수 있음이 밝혀졌습니다. 여기서, 라이브 배팅 사이트 혼합 비율은 하부 열량 값에 기초하여 계산 된 연료의 총 투입량 (라이브 배팅 사이트 + 천연 가스)에 대한 라이브 배팅 사이트의 입력 열량의 백분율로 정의되었다.

그림 3NOX 농도에 대한 라이브 배팅 사이트 혼합 비율의 효과를 보여줍니다. 이는 가스 터빈 출구와 가스 터빈 검사 중에 얻은 탈질 장비의 출구에서 라이브 배팅 사이트 혼합 비율과 NOX 농도 사이의 관계를 나타냅니다. NOX 농도는 NO, NO2 및 N2O 농도의 합을 나타냅니다. 공동 발사 라이브 배팅 사이트 가스에 의해 얻은 측정 결과⁽³⁾비교를 위해 제공됩니다. 라이브 배팅 사이트 혼합 비율이 증가함에 따라 NOX 농도는 단조로 증가합니다. 혼합 비율이 40%에 도달 한 다음 감소하면 최고입니다. NOX 농도의 이러한 경향은 라이브 배팅 사이트 혼합 섹션에서 온도의 영향에 의해 야기된다. 라이브 배팅 사이트 혼합 비율이 증가함에 따라, 복합체에 공급되는 라이브 배팅 사이트의 양은 단조로 증가한다. 공급 된 라이브 배팅 사이트의 양이 증가함에 따라 라이브 배팅 사이트 조합 섹션의 화염 온도는 천연 가스의 화염 온도보다 낮기 때문에 감소합니다. 온도가 감소하면 질소로 변하는 라이브 배팅 사이트의 질소 원자의 양 (N₂) 및 NOX가 변하고 이러한 조건에서 NOX 농도는 피크가 발생합니다. 혼합 비율은 25%로 제한되지만, 액체 라이브 배팅 사이트 조합 및 라이브 배팅 사이트 가스 조합이 비교 될 때, 전체적으로 액체 라이브 배팅 사이트가 연소 될 때 NOX 농도는 더 높은 경향이있다. 이는 아마도 공기 연료 혼합 조건이 액체 라이브 배팅 사이트와 라이브 배팅 사이트 가스간에 다르기 때문일 것입니다. 탈환 장비 배출구의 NOX 농도와 관련하여, NOX는 검증 테스트 시스템에 포함 된 탈질 장비로 충분히 처리 될 수 있고 NOX 농도는 일본의 환경 표준 (70 ppm)과 일치한다는 것을 확인했습니다.

가스 터빈이 고압 조합 조건하에있을 때 번지지 않은 라이브 배팅 사이트 배출이 억제되기 때문에, 번지지 않은 라이브 배팅 사이트 농도의 측정 결과에 대해서는 모든 조건 하에서 가스 터빈이 고압 조합 조건하에있을 때 가스 터빈이 고압 조합 조건하에있을 때 억제되기 때문에 (5 ppm 이하) 가스 터빈과의 라이브 배팅 사이트 조합의 영향이 미미하다.

N₂O 농도. GHG 배출 감소 효과를 정량적으로 평가하는 데 중요합니다. 소량의 N₂O는 액체 라이브 배팅 사이트 직접 스프레이 혼합물 방법으로 확인되었다. 액체 라이브 배팅 사이트가 복합재에서 증발하고 화염 온도가 감소하여 N₂O가 쉽게 생성됩니다.그림 4GHG 배출 감소율에 대한 라이브 배팅 사이트 혼합 비율의 효과를 보여줍니다. 액체 라이브 배팅 사이트 혼합 비율이 70%인 경우, 천연 가스의 소비는 70%감소하여 이상적인 조건에서 GHG 배출 감소 효과가 70%를 얻을 수 있음을 의미합니다. N2O 및 Unburned Ammonia 배출을 고려하여 실제 GHG 배출 감소율을 계산했으며 혼합 비율이 70% 일 때 68% 이상인 것을 발견했습니다. 따라서 현재 배출량 농도 수준에서 높은 온실 가스 배출 감소 효과를 얻을 수 있음이 확인되었습니다.

4. 결론

가스 터빈의 연료로서 라이브 배팅 사이트의 양을 증가시켜 GHG 배출량을 줄이는 것을 목표로, 우리는 액체 라이브 배팅 사이트를 전투원에 직접 분산시키는 조합 기술을 개발했습니다. 라이브 배팅 사이트 가스와 비교할 때 액체 라이브 배팅 사이트는 더 간단한 공급 시스템과 더 나은 제어 성을 사용할 수 있다는 이점을 제공합니다. 가스 터빈을 사용한 검증 테스트의 결과로, 액체 라이브 배팅 사이트가 70% 이하의 혼합 비율로 연소 될 때, 연도 가스의 위험 물질 농도는 낮게 유지 될 수 있음이 밝혀졌다. 배출에 관해서는, 약간의 양의 미 연소 라이브 배팅 사이트 및 N₂O는 높은 혼합 비율 조건 하에서 확인되었지만 농도는 매우 낮으며 환경 및 가스 터빈 작동에 미치는 영향은 미미합니다. 또한 GHG 배출 감소 효과가 N₂o 배출. 한편, 온실 가스 배출량을 줄이려는 사회적 수요는 계속 증가하고 있으며, 미래에는 거의 온실 가스가 필요하지 않은 라이브 배팅 사이트 조합 가스 터빈이 필요하지 않을 것입니다. 이를 달성하기 위해 배출을 억제하면서 액체 라이브 배팅 사이트를 안정적으로 연소시킬 수있는 복합재가 필요합니다. 우리는 액체 라이브 배팅 사이트 조합 가스 터빈을 실현하기위한 개발을 계속할 것입니다.

- 감사 -

이 논문은 NEDO (New Energy and Industrial Gectical Development Organization)가 의뢰 한 프로젝트 (JPNP16002)에서 얻은 결과를 기반으로합니다. 우리는 여기서 우리의 감사를 표하고 싶습니다.

　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　　　　　

Vol.55 No.1