1. 서 론

최근 전 세계적으로 기후 변화 대응과 온실가스 감축을 위한 탄소중립(Net-Zero) 실현이 핵심 목표로 부상하고 있다. 특히, 2015년 파리협정 이후 각국은 산업 및 발전 부문의 이산화탄소(CO₂) 배출량 감축을 위해 적극적인 정책을 도입하고 있으며, 에너지 생산 분야에서도 화석연료 의존도를 줄이고 친환경 에너지로의 전환을 추진하고 있다. 이러한 상황에서 수소는 탄소 배출이 없는 청정 에너지원으로 주목받고 있으며, 다양한 산업 분야에 적용 가능성이 검토되고 있다. 국내에서는 2050 탄소중립 목표 달성을 공표하였고, 2050 탄소중립 시나리오에 따르면 무탄소 가스터빈이 재생에너지와 원자력과 함께 3대 전원 믹스를 형성할 것으로 예측되고 있다[1].

수소는 연소 과정에서 탄소 배출이 없고, 단위질량당 에너지 밀도가 높기 때문에 전력 및 열 공급을 위한 가스터빈 발전 시스템에서 차세대 대체 연료로서 높은 잠재력을 가지므로 가스터빈 연소기 적용에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다[2,3]. 그러나 수소의 특성상 기존 가스터빈 시스템에 바로 적용하기에는 여러 도전 과제가 존재한다. 수소는 메탄에 비해 약 6~8배나 높은 화염 전파 속도와 낮은 점화 에너지로 인해 연소 불안정성 및 flashback(역화) 현상이 발생할 가능성이 크며, 같은 화염온도 조건이라 하더라도 화염이 상류에서 안정화 될 경우 혼합도가 나빠지면서 국부적으로 높은 화염온도로 인한 질소산화물(NOx) 배출이 증가하는 문제가 있다[4,5]. 그러므로 수소 가스터빈 연소기 개발 시 연소진동 및 화염 역화에 강인한 설계에 초점을 맞추는 것이 중요하다.

GT24는 알스톰(Alstom)에서 개발한 60 Hz용 고효율 가스터빈으로, 시퀀셜(sequential) 연소 기술을 통해 높은 열효율과 낮은 배출가스를 동시에 달성한 모델이다. 이 가스터빈은 재열사이클(reheat cycle)을 적용한 모델로, 고압터빈과 저압터빈의 2단으로 구성되어 있고, 1단 연소기인 EV(EnVironmental) 버너에서 생성된 가스를 다시 2단 연소기인 SEV(Sequential EV) 버너로 보내 연소를 지속함으로써, 연소 온도를 제어하고 효율을 극대화한다[6,7]. GT24는 기존 천연가스를 연료로 사용하지만, 수소 혼소 적용 가능성이 큰 시스템으로 평가되고 있고, 최근 여러 연구에서 수소 혼소 적용 시 연소 안정성과 질소산화물 배출 특성을 최적화하기 위한 다양한 설계 기법이 논의되고 있다. Hwang 등[8]은 기존의 천연가스용 EV 단일 버너에 대해 수소 혼소율에 따른 NOx 배출 특성을 평가하였고, 이를 통해 설계 방향을 제시하였다.

본 논문에서는 이전 연구[8]에 이어서 50% 수소 혼소에 최적화된 연료홀 설계를 수행하고, 제작하여 기계연구원의 단일버너 연소성능 시험리그를 활용하여 수소 혼소율에 따른 연소 특성을 평가하였다. 후면의 사진 촬영을 통한 화염구조의 특성, 버너 출구 근처에서의 OH^* 자발광 측정을 통한 화염 선단 위치 특성 및 NOx 배출 특성 비교를 통해 50% 수소 혼소 최적화 설계에 대한 평가를 수행하였다. 기존의 천연가스용 EV 버너와 50% 수소 혼소용으로 재설계된 EV 버너에 대해 성능시험을 수행하여 비교하였다.

2. 실 험

2.1 EV 버너

본 연구에서는 실스케일의 EV 버너에 대하여 연소성능 시험을 수행하였으며 형상에 대한 자세한 정보는 Fig. 1에 나타나 있다. 원뿔(cone) 형상의 노즐을 반으로 절단한 후 각각의 중심을 이격시킨 이중 원뿔(double cone)의 형태를 가지며, 이격된 틈(air slit)을 통해 공기가 유입되면서 버너 내부에 선회유동이 형성되는 구조를 갖는다. 이때 공기 유입 슬릿 안쪽에 축방향으로 다수의 연료 분사홀이 배치되어 있어 jet-in-crossflow(JICF) 타입의 연료 공기 혼합[9] 과정이 진행된다. 상세한 형상 정보는 이전 논문에 자세하게 기술되어 있다[10].

Fig. 1.

Schematics of EV burner with fuel injection and air flow directions (arrows).

2.2 연소 시험 리그 및 계측

연소성능 시험을 위한 연소용 공기는 터보압축기(KAESER 社, DSDX 305)를 통해 압축한 후 10 m³의 리시버 탱크를 거쳐 공급하였으며, 코리올리 유량계(Emerson 社, CMF100)와 유량 조절 밸브를 통해 시험 조건의 유량을 제어한 후, 전기식 열교환기를 거치면서 승온하여 연소 시험리그에 공급되었다. 연료(천연가스, 수소)는 코리올리 유량계(Emerson 社, CMF010)와 유량 조절 밸브를 거친 후 혼합기(static mixer)를 통해 시험리그로 공급하였다.

연소성능 시험 리그의 단면 개략도가 Fig. 2에 나타나 있다. 연소용 공기는 EV 버너 상류에서 공급되어 플레넘(plenum)을 지난 후, 공기와 연료가 혼합되는 버너 어셈블리(burner assembly) 영역을 지나 연소기 라이너에서 연소가 일어나고 후류로 배출되는 구조를 갖는다. 버너 어셈블리는 Fig. 3에 나타난 바와 같이 실제 버너를 리그에 장착되도록 인터페이스를 제작하여 장착하였다. 버너 출구면에서 NOx 계측용 샘플링 프로브까지의 거리는 실제 가스터빈의 연소실 내 체류시간과 동일한 체류시간을 구현할 수 있는 위치를 고려하여 결정하였다. 배기가스 농도는 샘플링 프루브를 통해 유입된 가스에서 수분을 제거한 후 가스분석기(ABB 社, AO2000)를 통해 연속적으로 측정하였으며, 동시에 계측한 O₂ 농도를 활용하여 15% O₂ 조건으로 환산한 값을 사용하였다. Fig. 4에 나타난 바와 같이 화염의 구조를 파악하기 위해 후면에서 캠코더를 촬영하였고, 화염안정화 지점을 파악하기 위해 ICCD 카메라와 필터를 이용하여 측면에서 OH^* 자발광을 측정하였다. 본 연구에서는 실제 가스터빈 운전조건에서 수소 혼소 성능을 비교하기 위해 Table 1과 같이 다양한 공기입구온도, 공기유량 그리고 수소혼소율에 대하여 실험적 연구를 수행하였다. 각 조건은 실제 GT24 가스터빈 운전시 정격조건인 134 MW_e 조건과, 부분부하 조건인 50 MW_e 조건을 1.3 barA 조건으로 상사한 실험 조건이다.

Fig. 2.

Schematics of test rig in KIMM.

Fig. 3.

GT combustion test rig in KIMM (left) and EV burner (right).

Fig. 4.

Configuration of GT combustion test rig.

3. 실험 결과

3.1 EV 버너 연료홀 재설계

EV 버너는 앞서 언급한 바와 같이 공기 슬릿으로 유입되는 공기 유동에 연료가 연료홀을 통해 수직으로 분사되면서 혼합이 되는 구조이다. 이러한 JICF에서 제트의 프로파일은 홀의 직경, 주유동의 모멘텀 및 수직분사 제트의 모멘텀에 의해 결정되고 이러한 제트의 프로파일은 공기와 연료의 혼합도를 결정하는 요소이다. 기존의 천연가스용 EV 버너는 천연가스 연료의 모멘텀에 최적화 된 연료홀 설계라고 할 수 있으므로, 50% 수소 혼소로 연소를 할 경우 증가된 연료의 속도 및 감소된 연료의 밀도를 고려하였을 때 제트의 모멘텀은 증가한다. 그러므로 기존의 EV 버너에 50% 수소 혼소 조건으로 연료를 분사할 경우 연료의 침투거리는 커지므로 원뿔 형태의 버너 가운데 축의 연료 농도가 높아질 수 있다. 이를 기존 EV 버너의 천연가스 침투거리 수준으로 낮추기 위해서 연료홀의 재설계를 수행하였다. Lefevre 등[6]에 따르면 JICF의 제트 궤도 함수는 아래와 같다.

여기서 dj는 연료홀의 직경이고, A는 0.82의 상수이며, J는 주유동과 제트의 모멘텀 비이다. 이때, J=(ρjUj2)/(ρgUg2)이고, ρj는 제트의 밀도, ρg는 주유동의 밀도, Uj는 제트의 속도, 그리고 Ug는 주유동의 속도이다. 식 (1)을 이용하여 기존 EV 버너의 NG 조건과 동일한 제트 궤도 함수를 가지는 연료홀의 직경을 계산하였고, 기존의 연료홀 직경의 1.125배로 도출되었다.

3.2 NOx 배출물 특성 비교

Fig. 5는 정격부하 조건(134 MW_e)을 1.3 barA 조건으로 상사하여 실험한 결과이고, 단열화염온도에 따른 NOx 배출 특성이 나타나 있다. 기존 EV 버너와 재설계 EV 버너에 대한 결과이고, 각 그래프는 혼소율 0, 30, 50, 60%에 대하여 나타나 있다. 혼소율 0%의 경우 재설계된 버너가 기존의 버너보다 모든 화염온도에서 NOx가 높다. 이는 재설계된 버너에서 NG 100% 연료는 침투거리가 짧아서 혼합도가 나쁘기 때문으로 생각된다. 혼소율이 증가하면 낮은 화염온도에서는 기존의 버너가 NOx 특성이 좋고, 어떤 화염온도에서 그 성능 같아지며, 그 이상에서는 재설계된 버너의 성능이 좋아진다. 이는 혼소율이 증가할수록, 또 화염온도가 증가하면서 연료의 유량이 증가할수록 연료 제트의 모멘텀이 커지게 되고 재설계된 버너의 설계 궤도에 도달하기 때문으로 생각된다. 혼소율 30%에서 60%로 갈수록 성능이 동등해지는 화염온도는 1,920 K에서 1,760 K로 낮아지게 된다.

Fig. 5.

NOx emission characteristics for Original and Modified EV burners (similarity condition of 134 MW, full load): (1) H₂/NG 0/100, (2) 30/70, (3) 50/50, and (4) 60/40.

Fig. 6은 부분부하 조건(50 MW_e)을 1.3 barA 조건으로 상사하여 실험한 결과이고, Fig. 5와 같이 단열화염온도에 따른 NOx 배출 특성이 나타나 있다. 기존 EV 버너와 재설계 EV 버너에 대한 결과이고, 각 그래프는 혼소율 0, 30, 50%에 대하여 나타나 있다. 혼소율 0%의 경우 낮은 단열화염온도에서는 기존의 버너의 NOx 성능이 우수한데, 단열화염온도가 증가할수록 그 차이는 좁혀지고 약 1,960 K에서 동일해지며 그 이상에서는 역전되는 것을 확인할 수 있다. 혼소율 30%의 경우는 정격부하 조건 모사 실험결과와 비슷한 경향을 가진다. 낮은 단열화염온도에서는 차이가 크지 않은데 약 1,910 K에서 역전되며 그 이상에서는 재설계 버너의 성능이 우수하다. 혼소율 50%의 경우도 혼소율 30%와 비슷한 경향성을 가지나 성능이 같아지는 지점은 약 1,800 K로 차이가 있으며, 단열화염온도가 높은 영역에서도 성능 차이가 상대적으로 작게 나타난다. 이러한 결과는 앞선 정격부하 조건에서의 설명과 같이 재설계가 높은 모멘텀 비에 최적화 되었기 때문이다.

Fig. 6.

NOx emission characteristics for Original and Modified EV burners (similarity condition of 50 MW, part load): (1) H₂/NG 0/100, (2) 30/70, and (3) 50/50.

부분부하 조건 모사의 경우가 정격부하 조건 모사의 경우보다 상대적으로 NOx 배출량이 높게 나타난다. 이는 Table 1에 나타난 바와 같이 부분부하 조건에서는 공기 유속이 느려 모멘텀이 줄었고, 낮은 공기 온도로 인해 연료량이 늘어 제트의 유속을 늘었으므로 모멘텀 비가 상승하여 혼합도가 나빠졌기 때문으로 사료된다.

3.3 화염 구조 및 화염 선단 위치 비교

Fig. 7에 연소시험 리그 후면에 장착된 쿼츠를 통해 캠코더로 촬영한 화염의 구조가 나타나 있다. 정격부하 조건(134 MW_e)을 1.3 barA 조건으로 상사하여 실험한 결과이고, 아래의 축에 나타난 단열화염온도에 대해 혼소율 0, 30, 50, 60%에서의 기존 EV 버너와 재설계 EV 버너에 대한 비교가 나타나있다. 전체적인 화염 구조를 보면 연소실 전반에 고루 분포되어 있는 화염과 가운데 부분에 강한 발광이 있는 화염으로 구분되는데, 이는 각각 버너 출구 후류에서 안정화된 화염과 버너 출구 상류에서 안정화된 화염이라 할 수 있다[5]. 혼소율 0%의 경우는 화염전파속도가 상대적으로 작아서 유속이 빠른 버너의 내부(상류)에서 안정화되지 못하고 버너 출구 후류에서 화염 안정화가 되어 Fig. 7에 나타난 바와 같이 모두 연소실에서 화염이 형성되지만, 혼소율이 증가할수록 높은 단열화염온도에서는 화염전파속도가 빠르므로 화염의 선단이 버너 내부로 들어가게 되어 내부에서부터 화염이 형성되는 구조를 확인할 수 있다. 이러한 화염 구조는 기존 EV 버너 기준으로 혼소율 50%에서 화염온도 약 2,000 K, 혼소율 60%에서는 화염온도 약 1,870~2,000 K에서 명확하게 나타난다. 즉, 혼소율이 높아질수록 더 낮은 화염온도에서도 화염전파속도가 크기 때문에 화염 선단이 버너 내부로 들어가는 것을 확인할 수 있다. 기존 EV 버너와 재설계 EV 버너의 화염 구조를 비교해 보면, 혼소율 30%의 경우 단열화염온도 약 2,000 K에서 기존 EV 버너가 재설계 EV 버너보다 화염이 좀 더 가운데에서 형성되는 것을 확인할 수 있다. 이것은 기존 버너에서 연료의 침투 증가로 인해 버너의 가운데 부분이 과농하게 되어 국부적인 화염전파속도 증가로 인해 화염이 더 내부에서 형성된 것으로 보이고, 이것은 Fig. 5에서와 같이 NOx의 증가로도 나타난다. 이와 같은 기존 EV 버너와 재설계 버너의 화염구조 차이는 혼소율 50%의 2,000 K 조건과 혼소율 60%의 1,870 K와 1,970 K 조건에서도 동일하게 나타나며 그에 따른 NOx의 차이 또한 동일하게 나타난다.

Fig. 7.

Flame structures of EV burner with adiabatic flame temperature: Original vs. fuel hole modified.

EV 버너의 경우 화염 안정화 지점에 따라 공기와 연료의 혼합 거리가 결정되고 NOx 발생량에 영향을 미치므로 본 연구에서는 화염 선단의 위치 파악을 위해 OH^* 자발광 측정을 수행하였다. Fig. 8에 ICCD 카메라로 측정한 OH^* 자발광 이미지들이 나타나 있다. 측정 위치는 상부 그림에 나타난 바와 같이 버너 출구 부근이다. 화염의 발광이 강해지면 주변의 버너도 반사되어 밝게 나타나는 현상이 발생하여 정량적인 비교는 어렵지만 화염의 선단은 파악이 가능하였고, 그림상에 점선으로 표시되어 있다. 모든 경우에 단열화염온도가 낮은 경우 화염의 선단이 노즐 출구의 하류에 존재하는 것을 볼 수 있고, 단열화염온도가 증가하면 화염의 선단이 노즐 출구에 가까워지는 것을 확인할 수 있다. 혼소율 30%의 경우 2,000 K 조건에서 기존 버너의 경우 OH^* 라디칼이 버너 상류에서부터 형성되는 것을 확인할 수 있고, 재설계 버너의 경우 버너 출구면 근처에서부터 형성되는 것을 확인할 수 있다. 이것은 Fig. 7의 화염 구조에서도 나타나며 이러한 화염 선단의 위치가 NOx에 영향을 미침을 알 수 있다. 혼소율 50%의 경우 기존 버너를 보면 1,800 K에서 버너 출구 상류에서 조금씩 형성되고 1,905 K부터는 완전히 들어가는 것을 볼 수 있으나 재설계 버너는 1,800 K에서도 버너 출구면에 걸쳐 있는 것을 볼 수 있으며 이 또한 Fig. 7의 화염 구조에서 확인할 수 있다. 혼소율 60%에서도 기존 버너의 경우 화염 선단이 1,645 K에서 이미 버너 출구에 위치하고 1,875 K에서는 내부로 들어가는데, 재설계 버너는 1,870 K에서도 버너 출구 근처에서 화염 선단이 존재하는 것을 볼 수 있다. 이를 통해서 재설계 EV 버너는 연료의 침투 거리 감소로 인하여 연료의 혼합도가 향상되어 화염 선단의 위치가 상대적으로 후류에 형성되어 혼합도가 좋아지고 NOx 감소의 결과로 이어진다고 할 수 있다.

Fig. 8.

Flame leading edge characteristics: OH^* chemiluminescence near burner exit.

3.4 연소진동 특성 비교

Fig. 9에 연소실에서 측정한 동압의 특성이 나타나 있다. 화염온도에 대한 피크 주파수를 나타내었으며 심볼의 크기는 연소진동의 크기를 나타낸다. 기존 버너와 재설계 버너 모두 전반적으로 120~150 Hz 영역의 연소진동이 가장 많이 나타나는데(Fig. 9(a), (b)의 ①영역), 이 영역에서의 화염은 선단이 버너 출구 하류에서 형성되는 경우이고 상대적으로 작은 진폭으로 나타난다. 반면, 혼소율이 높은 경우에는 약 90~100 Hz의 연소진동이 상대적으로 큰 진폭을 가지고 나타나는데(Fig. 9(a), (b)의 ②영역), 이 영역에서의 화염은 선단이 버너 출구 내부에 형성되는 경우로 상대적으로 큰 진폭으로 나타난다. 재설계 버너의 경우가 더 높은 화염온도까지 화염 선단이 버너 출구면 바깥에서 존재하므로 ②영역의 피크 주파수도 더 높은 화염온도에서 나타나기 시작하는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 9.

Combustion dynamics characteristics : (1) Original EV burner, and (2) Modified EV burner.

4. 결 론

본 연구에서는 수소 혼소 최적화 설계를 위해 기존 천연가스용 EV 버너를 50% 수소 혼소 조건에 맞게 연료홀을 재설계하였으며, 단일 버너 연소 성능 시험을 통해 재설계된 EV 버너의 연소 특성을 평가하였다. 주요 결론은 다음과 같다.

1)수소 혼소 시 기존 EV 버너의 연료 침투 거리 증가 및 혼합 특성 저하로 인한 NOx 증가를 확인하였고, 제트 궤도 함수를 기반으로 연료홀 직경 재설계를 수행하였으며, 기존 연료홀 대비 약 1.125배를 적용하여 NOx 성능을 개선하였다.

2)재설계된 EV 버너는 혼소율이 증가할수록 NOx 배출 성능이 개선되었다. 특히 정격부하 조건에서는 단열화염온도가 약 1,920 K 이상에서 기존 EV 버너와의 성능 차이가 두드러졌으며, 부분부하 조건에서도 유사한 경향이 나타났다. 이는 연료 혼합도가 개선되어 국부적인 고온 화염 영역이 감소했기 때문이다.

3)혼소율이 증가할수록 화염 전파 속도가 증가해 화염의 선단이 버너 내부로 들어가는 경향이 관찰되었다. 재설계된 EV 버너는 연료의 침투 거리를 줄여 화염 선단의 위치를 버너 출구 근처에 유지하였으며, 이는 혼합 개선과 함께 NOx 저감으로 이어졌다.

4)화염 선단이 버너 출구 후류에서 형성되는 경우 약 120~150 Hz의 영역에서 작은 진폭을 가지는 반명 버너 내부에서 형성되는 경우 90~100 Hz 대역에서 진폭이 커지는 현상이 관찰되었다. 재설계된 EV 버너는 보다 높은 화염온도 영역에서도 안정적인 연소 특성을 유지하였으며, 이는 연료 분포의 균일화와 혼합 개선에 기인한 것으로 판단된다.