Most of gas turbine combined cycle power plants are located in urban areas to provide peak load and district heating. However, NOx(nitrogen oxides) of exhaust gas emission from the power plants cause additional fine dust and thus it has negative impact on the urban environment. Although DLN(dry low NOx) and multi-stage combustors have been widely applied to solve this problem, they have another critical problem of damages to combustors and turbine components due to combustion dynamic pressure. In this study, the effect of different fuel ratio on NOx emission and pressure fluctuation was investigated regarding two variable conditions; combustor stages and power output on M501J gas turbine.

전 세계적으로 에너지 소비가 급속하고 늘고 있는 추세이며, 화학연료를 이용한 전기 생산은 기후변화를 야기시키므로 새로운 형태의 친환경적인 발전 시스템의 개발이 매우 중요한 현안으로 떠오르고 있다. 전력수급의 많은 부분을 원자력과 화력발전에 의존하고 있는 우리나라의 경우 증가하는 전력 수요를 가스터빈을 이용한 복합발전이나 열병합 발전이 분담을 해야 하므로 가스터빈 관련 연구 개발은 매우 중요하다고 할 수 있다. 최근에는 분산발전에 대한 관심이 고조되면서 이에 적합한 동력원으로 고려되고 있는 마이크로 터빈 및 이에 대한 응용시스템 연구개발이 국내외에서 활발히 수행되고 있다. 마이크로 가스터빈은 중대형 가스터빈에 비해 개발기간이 짧고 개발비 규모가 작아 세계시장에서도 경쟁력있는 상품이 될수 있을 것으로 판단된다. 본 연구는 60KW 출력의 마이크로 가스터빈을 대상으로 메탄/수소, 메탄/산소-수소 혼합기체를 혼합한 연료에 대한 연소 특성 및 내부 열유동을 수치해석적 연구를 통하여 검토하였다. 수소 및 산소-수소 혼합연료의 체적분율을 변화시켜 변수연구를 수행하였다. 연구 결과를 살펴보면 연료 중 수소 및 산소/수소 기체의 체적분율을 높일수록 연소기 내부의 primary zone의 화염온도가 현저히 상승하며 연소기 내부의 고온영역이 넓게 분포되는 것을 볼 수 있다.이는 수소나 산소-수소 기체로 대체했을 때 수소의 빠른 연소속도에 의해 단시간에 화염온도의 상승을 이룰수 있고 수소의 강한 반응성과 높은 열확산성으로 인하여 순신간에 가스터빈 내부의 연료와 공기의 난류혼합을 활발하게 하여 가스 터빈의 효율 향상에 일조한다는 것이다. 수소비율에 따라 가스터빈의 연소성능과 관련이 있는 primary zone의 평균온도, 출구의 평균온도, 출구에서의 온도의 편차비(pattern factor)와 같은 결과를 검토하여 의미있는 결과를 도출하였다. 향후 최적 운전을 위한 적절한 연료의 혼합비율은 가스터빈의 형상 및 규모 등 다양한 변수를 고려하여 도출하는 것이 필요할 것으로 판단된다.