서 론

최근 변동성 재생에너지 발전원(태양광, 풍력 등)의 보급 확대와 미세먼지 배출 저감에 대한 사회적 요구로 인해 기존 기저부하 발전원의 운전 영역 변경이 필요할 것으로 전망되고, 특히 대용량 화력발전 보일러의 저부하 및 부하추종 운전 시 안정적인 운전 및 높은 효율의 달성을 위한 최적 운전 제어의 중요성이 증대되고 있다.

하지만 화로 내부의 가혹한 조건(고온, 분진 등)으로 인해 실제 연소 상태의 실시간 계측 및 감시가 매우 어려워 발전소 현장에서의 최적 운전 조건 설정은 주로 관군에서의 금속 온도 및 주/재열증기 온도와 화로 출구에서 측정된 일부 가스농도(O2, NOx 등)를 바탕으로 운전원의 경험에 의존하여 이루어지고 있으며, 주로 배기가스 중의 산소농도를 계측하여 과잉공기비를 조절하는 고전적인 산소농도 제어(Oxygen trim control)가 적용된다.

사용 탄종의 다변화와 혼소가 일반화됨에 따라 운전조건 설정 시 화로 출구의 산소농도만을 고려할 경우, 최적 운전 영역인지를 판단할 수 없으며, 연소 조정을 위한 배기가스 중의 산소농도 계측 센서는 접촉식 점(Point) 측정 방식인 지르코니아(Zirconia, ZrO2) 센서를 이용하고 있어 측정치의 대표성이 낮고, 측정부의 오염에 취약한 문제점을 갖는다. 이러한 한계를 극복하기 위해 가변파장형 레이저 흡수 분광법(TDLAS : Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)을 이용한 온도/가스농도 계측 기술이 제안되었다.

본고에서는 TDLAS에 기반한 화로 내부 온도/농도 계측 시스템의 개발과 파일럿급 연소로에서 고분진의 미분탄 화염에 대해 센서의 정확성과 유효성을 검증한 내용에 대해 소개한다.

 본 론

(1) TDLAS 기반 온도/농도 계측 원리

그림 1은 TDLAS에 기반한 온도/농도 센서의 계측 원리를 보여준다. Beer-Lambert 법칙에 따라 각 기체의 흡광도와 특정 물질의 농도 간 관계를 규정할 수 있으며, 어느 특정 가스가 분포되어 있는 공간 안에 레이저 신호를 투과하면, 투과 전 레이저 강도(I0)와 투과 후 레이저 강도(I)는 아래 수식과 같이 표현할 수 있다.

이때, P는 압력, Xabs는 특정 가스의 몰분율, S(T)는 특정 온도에 대한 선강도(Line strength),Φ는 선형함수(Line shape function), α는 흡광도이다.

선형함수 Φ를 규격화하면 1과 같고, 아래 수식과 같이 흡광도 면적 A를 구할 수 있다.

기체 온도는 서로 다른 두 파장 영역에서의 흡광도 면적비로 결정할 수가 있으며, 수식으로 나타내면 다음과 같다.

이때 h는 플랑크 상수, c는 광속, k는 볼츠만 상수, E는 낮은 상태 에너지(Lower-state energy)이다. 위 식을 온도에 대해 정리하면 아래와 같다.

기체의 농도는 단일 파장에서의 흡광도 면적을 통해 구할 수 있으며, 수식으로 나타내면 아래와 같다.

(2) TDLAS 계측 시스템 구성
TDLAS 계측 시스템은 그림 2, 3과 같이 측정 위치에 설치되는 센서 헤드와 이를 제어하고 취득된 신호를 처리하는 제어장치로 구성된다. 센서 헤드는 발진부와 수광부 및 신호정렬장치로 구성되어 있고, 근적외선(Near-IR) 영역의 레이저가 화로 내부를 통과하며, 감쇄되는 신호의 양을 검출하여 제어장치로 송신한다. 제어 장치에서는 취득된 신호를 바탕으로 앞에서 기술한 관계식을 통해 가스의 온도와 농도를 측정한다.

센서 헤드와 제어장치를 구성하는 요소 장치는 다음과 같다.

① Laser source & mount
: 광원은 앞에서 선정한 파장에 해당하는 DFB (Distributed feed-back) laser를 사용하였다. DFB laser는 각 Laser pin에 해당하는 Mount에 장착되어 Laser controller에서 보내는 전류와 온도에 의해 Laser가 동작한다.
 
② 함수발생기
: 여러 파형(Sine, Ramp 등)을 생성하는 역할이며, 설정한 파형과 주파수를 Laser controller로 송신한다.
 
③ Laser controller & 산업용 컴퓨터
: Laser source에 온도와 전류를 공급하는 역할을 하며, 광검출기에 의해 취득한 광 신호를 분석한다.
 
④ Collimation lens & fiber
: 각 파장마다 각각의 Lens와 Fiber가 존재하며, Collimation lens는 적정 크기의 평행광을 만들기 위해 사용된다. Fiber 양 끝단 Connetor는 반사되는
광 노이즈의 저감을 위해 8° 기울인 FC/APC 타입을 사용한다.

⑤ 광검출기
: 측정 가스를 투과한 광 신호를 검출하기 위해 사용한다. 가시 영역의 신호 검출을 위해 Si detector를 사용하고, 적외선 영역의 신호 검출을 위해 InGaAs detector를 사용한다.
 
⑥ Data 취득 장치
: NI(National Instruments) 사의 PCIe 형식 장치로 Detector에서 검출된 광 신호를 산업용 컴퓨터에 전달해 주는 역할을 한다. 각 가스마다 하나씩 사용한다.

(3) 시험 설비 구성 및 적용 결과
개발된 TDLAS 계측 시스템의 검증을 위해 파일럿급 연소시험 설비에 적용하였다. 그림 4에 나타난 바와 같이 시험 설비는 크게 연료 및 연소용 공기공급계통, 연소로 본체, 열교환기, 배가스 처리부 등으로 구성되며, 일반적인 역청탄의 경우 시간당 최대 100kg 가량을 연소할 수 있도록 설계되었다. 연소로 본체는 원통형으로 내부 지름은 약 1,500mm, 축방향 길이는 약 6,600mm이다. 연소로 하부에는 Bottom ash hooper가 설치되어 있으며, 연소로 벽면에는 내화벽과 수냉식 자켓이 설치되어 운전 중 일정한 온도를 유지하도록 한다. 연소로 최상부에는 일정한 유량으로 미분탄을 주입하는 Screw feeder와 버너가 설치되어 있다. 연소 후 배기가스는 연소로 출구에 설치된 열교환기(GGH : Gas-Gas Heater)를 통과하면서 1차/2차 공기 예열에 활용되고, Main gas cooler 및 환경 설비를 거쳐 대기 중으로 방출된다.
연소시험은 아역청탄인 SUEK 탄에 대하여 운전 조건(과잉공기비 등)을 다양하게 변경하면서 수행하였다. 그림 5는 TDLAS 센서를 이용한 측정 결과이다. 인접한 위치에 설치된 열전대(Thermocouple)를 이용해 측정한 결과와 비교하였고, 각 운전 조건마다 화로 내부 열유동이 정상 상태에 도달한 후 10여 분 간 측정이 진행되었다. 열전대를 이용한 측정 결과와 비교할 때 시간 평균온도는 1% 가량 차이를 보였으며, 평균온도 대비 편차는 모두 2℃ 내외로 계측되어 양호한 결과를 취득하였다.

결 론

대용량 화력발전소의 최적 보일러 제어를 달성하기 위해서는 신뢰할 수 있는 계측 결과의 획득이 매우 중요하다. 본고에서는 기존 계측 방법의 한계를 극복할 수 있는 TDLAS에 기반한 화로 내부 온도/농도 계측 원리, 계측 시스템의 구성과 이를 실 연소로에 적용한 결과를 소개하였다.

TDLAS에 기반한 온도/농도 계측 기법은 측정 장치가 화로 내부의 고온 영역에 직접적으로 노출되지 않아 높은 내구성을 가지고, 실시간으로 온도/농도 단면 분포를 획득할 수 있는 등 많은 장점을 가지며, 향후 화력발전 보일러뿐만 아니라 배열회수 보일러, 소각로 등 다양한 분야에 효과적으로 적용될 수 있을 것이라 기대된다.

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