1. 서 론

가스터빈 연소기에 이산화탄소(CO₂)를 배출하는 기존의 메탄(CH₄)과 같은 화석연료를 대체하여 이산화탄소를 저감할 수 있는 친환경 발전 방법으로 메탄과 수소(H₂)를 함께 사용하는 수소 혼소가 연구되고 있다. 동시에 질소산화물(NOx)을 저감하기 위한 방법으로 희박 예혼합 연소가 사용되고 있다[1,2]. 수소 혼소 희박 예혼합 연소의 경우, 배기 배출물을 줄일 수 있다는 장점이 있으나, 수소는 메탄과 비교하여 약 6배 정도 높은 연소속도(burning velocity)와 높은 단열 화염온도를 가진다[3]. 이러한 특성은 역화(flashback) 그리고 희박 화염 날림(lean blow-off)과 같은 비주기적인(non-periodic) 가스터빈 운용상의 문제점을 초래할 수 있다. 역화는 화염이 설계된 연소실 내 위치에서 벗어나 의도하지 않게 노즐의 상류로 전파되는 현상으로 고온을 상정하지 않은 가스터빈 영역에 심각한 손상을 일으킬 수 있다. 희박 화염 날림은 화염이 낮은 당량비(equivalence ratio) 조건에서 노즐에서 떨어져 연소실 하류로 밀려나 실화되는 경우를 말한다[4,5]. 또한, 수소 혼소 희박 예혼합 연소의 경우 연소불안정에 취약하다는 단점이 존재한다. 연소불안정은 연소실에서 발생하는 하나 이상의 음향모드(acoustic mode)에 대한 강한 압력 섭동을 말하며, 열, 압력 그리고 유량 섭동의 양성 피드백(positive feedback)에 따라 발생한다. 이러한 연소불안정은 가스터빈의 안정적인 운용을 방해하고 연소실의 노즐, 터빈 블레이드 등의 구성요소를 강한 압력 섭동으로 손상시킬 수 있다. 따라서, 안정적인 수소 혼소 가스터빈을 위해서는 이러한 역화, 희박 화염 날림 및 연소불안정과 같은 운용상의 문제점을 억제하고 운용 환경을 확장할 수 있는 연소기 노즐 설계가 필요하다[6,7,8].

안정적인 가스터빈 운용을 위해서 수소 혼소 희박 예혼합 연소 특성을 고려한 연소기의 설계가 중요하다. 이에 DFDS(Dual Fuel Dual Swirl)[9] 그리고 low swirl[10] 노즐 등과 같이 노즐의 형상 변경을 통해 연소 특성의 변화를 야기할 수 있다는 연구들이 이루어진 바 있다. 이에 메탄 연소에 최적화된 기존 연소기의 노즐 형상 변화를 통해 앞선 문제점들을 완화하려는 여러 연구가 진행되고 있다. 특히, 화염 안정화(flame stabilization)나 파일럿 화염(pilot flame) 용도로 사용되던 중심 유로를 사용하여, 중심 유로를 통해 공기를 분사하는 경우, 연소 동특성에 영향을 줄 수 있다는 결과들이 선행 연구를 통해 보고되어 왔다. Sato 등[11]은 노즐 중앙의 유로를 통해 공기 또는 연료 분사 시 압력 섭동과 질소산화물(NOx) 배출을 감소시킬 수 있음을 보였다. Han 등[12]은 이중 노즐 연소기에서 주 유로와 중심 유로 간의 성층화된 화염(stratified flame)에서 발생한 불안정 주파수가 중심 유로 화염의 불안정 주파수와 유사함을 보여 두 유로에서 화염과 유동의 상호작용을 통해 연소불안정에 영향을 줄 수 있음을 확인하였다. 그러나 앞선 선행 연구에도 불구하고 수소 혼소 희박 예혼합 조건에서 노즐 중심 유로의 적용과 중심 유로에서 공기 분사를 통한 연소 동특성 변화와 그 원인에 대한 화염 구조적 분석에 관한 체계적인 연구는 부족한 실정이다. 메탄 연료 연소기 노즐의 중심 유로 공기 분사를 통해 수소 적용 시 발생할 수 있는 운용상의 문제점들을 억제하는 것은 기존 연소기들의 전반적인 재설계 없이, 노즐 교체를 통해서만 수소 혼소 저탄소 발전을 가능케 할 수 있는 방안에 대한 기초 특성으로 활용할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 수소와 메탄 희박 예혼합 연소에서 중심 유로의 공기 분사에 따른 연소 동특성의 변화에 대한 실험적 연구를 수행하였다. 중심 유로가 있는 노즐과 없는 노즐의 비교 실험을 통하여 중심 유로의 공기 분사에 따른 연소 동특성 영향을 비교 분석하였으며, 화염 이미지 분석을 통해 화염 구조 변화가 연소 동특성에 미치는 영향을 확인하였다. 화염 안정화 지도(flame stability map)를 통해 실험 조건에 따른 두 노즐 간의 운용 영역의 차이를 규명하였다.

2. 연구 방법

2.1 실험 장치

Fig. 1은 본 연구에 사용된 수소 혼소 가스터빈 단일 노즐 장치를 나타낸다. 수소와 메탄 혼합물은 상온 및 상압 조건에서 노즐 상류에서 완전 예혼합(fully premixed) 조건에서 주 유로(main flow channel)에서 스월 수(swirl number) 0.6의 스월러를 통해 연소실로 공급된다. 중심 유로(center air channel)의 경우 노즐의 중심에 위치하여, 공기를 연소실 방향으로 분사할 수 있도록 하였다. 연소실 측면은 석영창(quartz window)으로 화염 자발광(chemiluminescence) 이미지 계측이 가능하도록 설계되었다. 연소실 후단에는 플러그 노즐(plug nozzle)이 위치한다. 플러그 노즐을 통하여 연소실의 길이를 700-1500 mm까지 조절할 수 있으며, 음향학적인 닫힘-닫힘 경계를 형성한다. 연소실 동압 계측을 위해 동압 센서(PCB 102A05)가 사용되었으며, 화염 구조 가시화를 위한 OH^* 이미지 계측을 위해 OH^* 영역의 필터를 적용한 초고속 카메라가 사용되었다.

Fig. 1.

Configuration of fully premixed gas turbine single-nozzle combustor test rig.

Fig. 2는 실험에 사용된 두 가지 노즐의 형상을 나타낸 것이다. Closed 노즐은 중심에 bluff-body가 위치한 형상의 노즐이며, Open 노즐의 경우 중심의 bluff-body를 통해 중심 유로가 연소실과 연결되어 있으며, 이 중심 유로를 이용해 공기를 연소실로 분사하게 된다. 이러한 형상 차이를 통하여 중심 유로 적용에 따른 연소 동특성의 영향을 확인하고자 하였다. 연구에서는 주 유로로 공급되는 연료와 공기 혼합물과 중심 유로로 공급되는 공기의 유량을 조절하였으며, 이를 중심 유량비(Q_a/Q_m)로 정의하였다. 중심 유량비의 정의는 식 (1)과 같다.

Fig. 2.

Single-nozzle combustor detailed structure (a) Closed nozzle, (b) Open nozzle.

Q_a는 중심 유로로 공급되는 공기의 유량이며, Q_m은 주 유로에 공급되는 연료와 공기의 혼합물 유량을 나타낸다. 이 중심 유량비를 통해 중심 유로 공기 유량의 차이를 나타내었다.

2.2 실험 조건

본 연구에서는 중심 유로에 공급되는 공기 유량의 차이를 통해 공기 분사가 연소 특성에 미치는 영향을 분석하고, 노즐 형상 차이에 따른 수소 혼소 적용의 적합성을 확인하였다. Table 1은 실험 조건을 정리한 것이다. 실험은 상온 상압 조건에서 연료는 수소와 메탄의 혼합물을 사용하였다. 수소 혼소율(H₂ composition)을 0%부터 70%까지 단계적으로 변화시켜 수소 혼소에 따른 영향을 확인하였으며, 유속(u)과 당량비(Φ)를 조절하여 수소 혼소율과 함께 노즐에 따른 운용 영역을 확인하였다. 당량비는 중심 유로 공기 유량에 따른 당량비 영향을 배제하기 위해 중심 유로 공기 유량과 주 유로의 연료와 공기 혼합물 유량을 더한 전체 유량의 당량비를 주 유로 당량비(Φ_m)로 정의하였다. 중심 유량비 Q_a/Q_m을 0%에서 7.5%까지 조절하며 중심 유로로 분사되는 공기 유량이 연소 특성에 미치는 영향을 분석하였다.

3. 연구결과

3.1 화염 안정화 지도

실험에 사용된 두 형태의 노즐에 대하여 주어진 실험 조건에 대한 화염 구조 변화를 확인하였다. 불안정한 형태의 화염으로 높은 당량비 영역에서 화염이 연소실 노즐에 부착되지 못하고 노즐 상류로 전파되어 노즐의 급격한 온도 상승이 관찰되는 역화, 낮은 당량비 영역에서 연소실 내에서 화염이 부착되지 못하고 연소실 하류로 부상하여 실화 되는 희박 화염 날림 그리고 화염 날림으로 진행되며 화염이 노즐에 부착되다 부상하는 현상이 반복적으로 발생하는 진동하는 화염(oscillating flame)으로 구분하였다. 안정한 형태의 화염으로는 화염이 노즐에 부착되어 안정적인 V자 형태를 가지는 화염을 분류하였다. 이러한 화염 분류를 바탕으로 노즐에 따른 운용한계를 확인하여, 화염 안정화 지도를 작성하였다. Fig. 3은 수소 혼소율, 유속 그리고 당량비에 따른 화염 안정화 지도를 노즐에 따라 나타낸 것이다. 먼저, 수소 혼소율 0%의 메탄 전소 조건의 경우 기존 메탄 전소에 사용되어 온 Closed 노즐이 저 당량비 및 저속 구간에서 Open 노즐에 비해 약 10% 낮은 희박 화염 날림 한계를 가짐이 확인되었다. 수소 혼소율 30% 및 50% 조건에서는 Fig. 4 및 Fig. 5에서 볼 수 있듯이 두 노즐 모두 실험 조건에 대하여 안정적인 운용 영역을 가지는 경향을 보였다. 수소 혼소율 0% 조건에 비하여 혼소율이 증가함에 따라 희박 화염 날림 및 진동하는 화염 영역이 크게 축소되어 수소 혼소에 따른 노즐의 운용 영역 확대 영향을 나타내었다. Fig. 6에 나타난 수소 혼소율 70% 조건의 경우, 두 노즐에서 모두 고 당량비 영역의 역화 발생을 확인하였다. 그러나 Open 노즐의 경우, Closed 노즐에 비해 역화 발생 영역이 감소하는 경향을 보인다. Open 노즐은 역화가 발생한 전 유속 구간에서 약 20% 높은 운용 당량비 영역의 확장이 나타났으며, 유속 10 m/s 이상의 영역에서는 Closed 노즐과 달리 역화가 발생하지 않아 더 넓은 운용 영역을 보여주었다. 이는 노즐의 중심 유로 적용에 따른 형상 변화 및 공기 분사가 화염 구조 및 운용 영역에 영향을 미쳤음을 보여준다. 따라서, Open 노즐의 경우 메탄 전소 시 저 당량비 영역에서 10% 정도 높은 화염 날림 한계 당량비를 가지나 수소 혼소율 70%의 상대적으로 높은 수소 혼소율을 가질 때, 20% 정도 높은 역화 한계 당량비를 가짐으로써 수소 혼소 조건에서 Open 노즐이 Closed 노즐에 비해 더 적합함을 시사한다고 할 수 있다.

Fig. 3.

Stability map and flame structures classification with (a) Closed and (b) Open nozzles at xH2 = 0%.

Fig. 4.

Stability map and flame structures classification with (a) Closed and (b) Open nozzles at xH2 = 30%.

Fig. 5.

Stability map and flame structures classification with (a) Closed and (b) Open nozzles at xH2 = 50%.

Fig. 6.

Stabiltiy map and flame structures classification with (a) Closed and (b) Open nozzles at xH2 = 70%.

3.2 연소불안정 특성

Fig. 7은 수소 혼소율과 당량비의 변화에 따른 두 노즐에서 운용 영역에 대한 연소불안정 동압 강도와 그 주파수를 화염 안정화 지도와 같이 나타낸 것이다. 연소불안정 동압 불안정 강도는 동압 센서에서 얻어낸 측정값과 대기압 간의 비율로 표시하였다. 그 결과 운용 영역에서 불안정 강도 1% 이상의 유의미한 연소불안정이 발생하는 조건은 수소 혼소율 0%, 70% 그리고 당량비 Φ = 1.0에 가까운 영역에서 확인되었다. 수소 혼소율 0% 조건에서는 두 노즐 모두 당량비 Φ = 1.0 조건에서 1% 강도의 연소불안정이 발생했으며, 그 주파수는 약 305 Hz로 확인되었다. 수소 혼소율 70%로 증가시킨 수소 혼소 조건에서는 두 노즐에서 Φ = 1.0에 도달할 시, 강도 2%의 강한 연소불안정이 나타났으며, 약 470 Hz 주파수가 확인되어 연소불안정의 주파수와 강도가 수소 혼소에 따라 증가하는 경향을 보였다. 이러한 결과는 수소 혼소에 따른 연소불안정에 대한 취약성을 확인함과 동시에 노즐의 형상 차이가 두 노즐 간 불안정 강도 차이 외에 주파수 변화를 일으키지는 못했음을 의미한다. 연소불안정이 발생하는 당량비와 유속으로 대표되는 운용 영역은 Open과 Closed 노즐에서 차이를 보이지 않았다. 중심 유로와 공기 분사의 차이는 연소실의 물리적 경향에 기인하는 주파수와 같은 고유한 연소불안정 특성에 직접적인 영향을 미치지 못했으며, 이에 따라 불안정 강도만을 변화시킬 수 있음을 확인했다. 이는 본 연구에서 중심 유로를 통한 공기 분사가 연소불안정 발생 운용 영역이나 고유한 주파수의 변화 없이 불안정 강도에 직접적인 영향을 미치는 인자로 작용할 수 있음을 나타낸다.

Fig. 7.

Stability map results of combustion instability under varying Equivalence ratio, Hydrogen composition (a) Closed nozzle, (b) Open nozzle.

Fig. 8은 앞서 Fig. 7에서 확인한 두 노즐의 수소 혼소율에 따른 연소불안정 발생 영역에 대하여 연소실 길이(L)에 따른 불안정 강도와 주파수 특성을 나타낸 것이다. 그래프 내의 점선은 연소실 길이에 대한 연소실의 길이 방향 공진주파수를 나타낸 것이다. Open 노즐의 경우 중심 유량비 Q_a/Q_m을 0%에서 7.5%까지 조절하여 공기 분사가 연소불안정에 미치는 영향을 확인하였다. 수소 혼소율 0% 조건에서 Closed 노즐의 경우 연소실 길이에 따라 약 300 Hz 주파수의 연소불안정이 나타났으며, 이는 연소불안정이 발생한 길이 1200-1300 mm 조건에서의 1차 길이 방향 모드(longitudinal mode)의 형태임을 확인하였다. Open 노즐의 경우에도 Closed 노즐과 유사한 경향으로, 발생한 연소불안정은 길이 1200-1300 mm에 해당하는 1차 길이 방향 모드가 나타났으며, 노즐 차이에 대한 길이에 따른 불안정 모드 천이는 나타나지 않았다. 수소 혼소율 70% 조건의 경우에는 Closed 노즐과 Open 노즐 모두 연소불안정은 길이 방향 모드임은 동일하였으나, 연소실 길이에 따른 불안정 주파수의 1차 모드에서 2차 모드로의 천이가 나타났다. 이러한 결과는 두 노즐의 형태 차이에 따른 중심 유로의 공기 유동이 연소불안정의 고유 주파수 특성에는 영향을 주지 않았다고 해석할 수 있다. 수소 혼소율 70% 결과에서 확인할 수 있듯이 연소불안정 주파수는 연소실 길이의 변화에도 불구하고 모드 천이를 통해 길이 방향 공진주파수에 강하게 의존하였다. Open 노즐의 경우에도 중심 유로 공기 분사를 통한 중심 유량비 Q_a/Q_m의 변화에도 불구하고 연소불안정 주파수와 모드는 연소실의 길이 변화에만 지배적이었다. 그러나 중심 유량비의 변화에 따라, 연소불안정 강도의 증감이 확인되었으며, 이는 동일한 운용 조건에서 Open 노즐은 Closed 노즐과 대조하여 공기 분사를 통해 연소불안정의 강도만을 조절하여 상대적으로 넓은 운용 영역을 가질 수 있음을 의미한다.

Fig. 8.

Comparison of pressure fluctuations with combustor length and dominant frequency (a) Closed nozzle, (b) Open nozzle at xH2 = 0%, (c) Closed nozzle, (d) Open nozzle at xH2 = 70%.

Open 노즐의 중심 유로를 통한 공기 분사가 연소불안정 강도에 미치는 요인을 파악하기 위하여 먼저 중심 유량비 Q_a/Q_m에 따른 연소불안정 강도 변화를 비교하였다. Fig. 9는 앞서 연소불안정이 발생한 실험 조건인 수소 혼소율 0% 및 70% 조건에서 Closed 노즐과 Open 노즐의 중심 유량비에 따른 연소불안정 강도를 나타낸 것이다. 수소 혼소율 0% 조건에서 Open 노즐은 중심 유량비 Q_a/Q_m를 0%에서 7.5%까지 변화시킨 결과, 중심 유량비가 증가함에 따라 연소불안정 강도는 Closed 노즐에 비하여 최대 약 40%까지 감소하는 경향을 나타내었으며, Q_a/Q_m = 5% 이후 다시 증가하는 V자 형태의 양상을 보였다. 이와 반대로 수소 혼소율 70% 조건에서는 중심 유량비 변화에 따라 불안정 강도가 증가한 후 다시 감소하는 역 V자 형태의 양상이 나타난다. 따라서, 앞서 확인한 바와 같이 Open 노즐의 중심 유량비를 통해 연소불안정 강도를 변화시킬 수 있음을 확인하였다. 이러한 결과는 Open 노즐이 Closed 노즐에 비해 동일한 불안정 강도 발생 조건에서 중심 유로를 통한 공기 분사를 통해 연소불안정 강도 저감 효과를 가져, 수소 혼소에 있어 보다 적합함을 시사한다.

Fig. 9.

Relationship between the center and main flow rate ratio (Qa/Qm) and combustion instability amplitude at (a) xH2 = 0%, (b) xH2 = 70%.

3.3. 화염 구조 특성

연소불안정 강도 감소의 주요 인자를 확인하기 위해 화염 이미지 분석을 통한 화염 구조의 중심 유량비에 따른 영향을 확인하였다. 화염 구조 계측을 위해서는 OH^* 자발광 이미지가 사용되었다. OH^* 자발광 이미지 기법은 화염의 반응 영역에서 생성되는 OH 라디칼을 계측하여 그 분포를 통해 반응 영역과 그 강도를 파악하여 전반적인 화염 구조를 파악할 수 있다. 본 연구에서는 OH^* 자발광 이미지 계측을 통해 화염길이로 대표되는 화염 구조 변화를 확인하였다. Fig. 10(a)는 연소불안정 발생 시, 자발광 이미지 계측을 이용해 촬영한 시간에 따른 화염 구조이다. 시간에 따른 각각의 화염 섭동 이미지의 OH^* 계측 강도를 이용해 가중치를 부여하여 화염 중심을 정의하였으며, 노즐 덤프 면으로부터 화염 중심까지의 거리를 d로 나타내었다. 연소불안정의 한 섭동 주기에 따른 자발광 이미지의 시간 평균을 통해 이러한 화염 중심 거리의 평균 거리를 구하였으며, 이를 화염길이(l_f)로 정의하였다.

Fig. 10.

(a) OH* intensity weighted mean axial distance point, (b) Axial oscillation’s overall flame length.

Fig. 11은 중심 유량비에 따른 화염길이 l_f와 연소불안정 강도를 나타낸 것이다. 실험 결과, 수소 혼소율 0%의 경우, Open 노즐에서 화염길이가 증가함에 따라 불안정 강도가 감소하는 경향을 보인다. 이는 중심 유량비 Q_a/Q_m의 변화가 화염길이에 영향을 미쳤음을 보여준다. 연소불안정 강도는 Closed 노즐의 화염길이와 유사할 때 최대가 되었다. 이와 반대로 수소 혼소율 70% 조건에서는 중심 유량비 변화에 따라 Open 노즐에서 화염 길이가 감소하는 경향을 나타내었다. 불안정 강도는 Closed 노즐과 화염길이가 유사할 때 최소가 되었으며, 화염길이가 감소함에 따라 연소불안정 강도는 증가하는 경향을 보였다. 이는 중심 유량비에 따라 Open 노즐에서 화염의 길이 변화로 대표되는 구조적 변화가 발생하며, 이러한 화염 구조 변화가 연소불안정 조건에서 불안정 강도를 변화시키는 주요 인자로 작용했음을 확인할 수 있었다. 다만, 중심 유량비에 따른 화염길이 변화가 연소불안정 강도 변화와 비례되는 결과를 나타내지는 않는다. 따라서, 화염길이가 연소불안정 강도에 비례관계를 통한 지배적인 영향을 미친다고 해석하는 것에는 한계가 있다. 그러나, 화염길이 차이는 식 (2)와 같이 대류 시간 지연을 변화시킬 수 있다. 대류 시간 지연은 화염길이(l_f)와 유속(u)의 관계를 통해 나타내어지며, 선행 연구를 통해 압력 섭동과 열방출 간의 위상차를 통해 열음향학적 연소불안정의 주된 요인이라 알려져 있다[13].

Fig. 11.

Relationship between the flame length and instability amplitude at (a) xH2 = 0%, (b) xH2 = 70%.

따라서 화염길이 변화로 야기된 대류 시간 지연의 차이가 연소불안정 강도 변화에 영향을 미친 것으로 해석된다. 이러한 화염 구조 변화가 연소불안정 강도에 미치는 영향은 추가 연구를 통해 보다 정확한 화염 구조 분석으로 개선할 수 있을 것으로 기대된다.

4. 결 론

본 연구에서는 가스터빈 연소기 노즐의 중심 유로를 통한 공기 분사가 연소불안정과 같은 연소 동특성에 미치는 영향을 확인하여 중심 유로가 적용된 Open 노즐이 그렇지 않은 Closed 노즐에 비해 수소 혼소에 있어 운용 영역을 확장할 수 있음을 확인하였다.

먼저 비주기적 불안정인 역화와 희박 화염 날림 운용한계에서 화염 안정화 지도를 통해 Open 노즐이 높은 수소 혼소율이 적용되었을 때 더 높은 역화 발생 한계 당량비를 가져 더 넓은 운용 영역을 확보할 수 있음을 확인하였다. 또한, 중심 공기 유동의 적용에 있어 연소불안정 길이 방향 모드와 주파수는 노즐의 변화에 따른 중심 유량비에 영향받지 않는 것으로 나타났으며, 따라서 Open 노즐의 중심 유량비 변화를 통해 연소불안정의 감도를 저감시킬 수 있음을 확인하였다. 중심 공기 유동으로 인해 화염길이로 대표되는 구조적 변화가 나타나며 이에 따라 연소불안정 압력 섭동 강도와의 정성적 상관관계를 제시하였다. 이러한 결과를 통해 중심 유로가 적용된 Open 노즐이 연소 동특성에 미치는 결과를 제시하여, 가스터빈의 수소 혼소 적용에 있어 운용 영역 확장을 위한 기초 자료로서 활용할 수 있음을 기대한다. 향후 추가 연구를 통해 중심 공기 유동이 화염 구조 변화와 연소 동특성에 미치는 영향을 보다 구체적으로 분석할 계획이다.