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가스터빈의 성능향상을 위한 기술개발은 지속적으로 이루어지고 있으며, 특히 고온에서 견딜 수 있는 재질의 개발과 냉각기술의 연구는 매우 중요한 부분이 되고 있다. 고온부품에 대한 다각적 기술개발의 성과는 신규 제품뿐 아니라 기존 가스터빈의 업그레이드로 반영되는 추세이다.
국내 500MW급 가스터빈에 대하여 고온부품 업그레이드가 이루어졌고 결과적으로 냉각손실이 감소되어 연소공기의 증가에 따른 출력과 효율의 개선이 이루어졌다. 향후 고온부품에 대한 업그레이드의 반영은 지속될 것으로 전망되는 가운데 추가적인 성능향상을 목적으로, 기존 ...

가스터빈의 성능향상을 위한 기술개발은 지속적으로 이루어지고 있으며, 특히 고온에서 견딜 수 있는 재질의 개발과 냉각기술의 연구는 매우 중요한 부분이 되고 있다. 고온부품에 대한 다각적 기술개발의 성과는 신규 제품뿐 아니라 기존 가스터빈의 업그레이드로 반영되는 추세이다.
국내 500MW급 가스터빈에 대하여 고온부품 업그레이드가 이루어졌고 결과적으로 냉각손실이 감소되어 연소공기의 증가에 따른 출력과 효율의 개선이 이루어졌다. 향후 고온부품에 대한 업그레이드의 반영은 지속될 것으로 전망되는 가운데 추가적인 성능향상을 목적으로, 기존 터빈 냉각공기 시스템 변경이 대두되고 있다. 대두되는 냉각공기 시스템의 변경내용은 안정적 터빈 운전 범위 내에서 Rotor와 Blade에 공급하는 냉각 공기 온도를 상향시키는 것으로서, 냉각방식이 fan을 이용한 공랭식 cooler인 경우에 인버터 fan을 적용하고자 함이 주요내용이다. 냉각공기 온도가 상향되어 냉각범위가 감소됨에 따라적정부하를 추종할 수 있도록 인버터 fan을 적용함이 경제성 확보 등 유리할 것으로 예상되기 때문이다.
이에 따라 본 연구에서는 기존 설비변경운영에 대한 타당성 및 운영건전성을 분석하고자 한다. 냉각공기 온도 상승에 대한 가스터빈의 영향을 도출하기 위해 고온부품이 개선된 열병합발전소의 가스터빈을 대상으로 하였으며, 해당 가스터빈의 Turbine cooling air cooler(TCAC)를 범위로 하여 상용프로그램인 GateCycle을 이용하여 모델링을 구현하였다.
냉각공기를 공급하는 TCAC는 하부의 Fan을 통하여 연료의 예열과 압축기로부터의 압축공기를 냉각시키는 설비의 구성을 가지고 있다. 정확한 특성의 모델링을 위해 운전조건에 따른 알고리즘을 구성하였고, 이를 GateCycle에 연계하였다. 냉각공기를 일정하다는 가정에서, 모델링한 결과 냉각공기 온도의 상승에 따른 fan의 운전부하의 감소를 확인할 수 있었다. TCAC의 모델링을 기반으로 가스터빈에 연계하여 모델링을 구현하였다. 냉각공기는 외기온도에 영향을 받으므로, 외기온도에 대한 냉각공기 온도의 조건별 case study를 수행하였다. 또한, Case study에 TCAC unit의 효과를 모사하기 위해 조합된 연료예열설비(Fuel gas heater)의 연료공급 바이패스 구조를 반영하였다. Power block의 TCAC unit에 대해 하절기, 춘추절기, 동절기로 외기온도, 냉각공기 온도, 연료바이패스 비율을 통한 영향을 분석하였다.
Rotor 및 blade에 공급하는 냉각공기 온도 상승에 따라, 효율과 출력에 긍정적인 영향을 준다. 효율의 상승은 외기온도에 비례하며, 연료예열의 효과에도 영향을 받는다. 연료예열 및 냉각공기 온도상승에 따른 효율향상은 최대 0.4% 범위로, RCA Temp가 높을수록 그 상승범위는 매우 감소되었다.
Turbine Cooling Air Cooler의 운전부하는 외기온도에 비례하며, 외기온도 감소에 따른 cooler fan의 유량감소 폭은 춘추절기 대비하여, RCA Temp 상승 범위마다 약 1.5%씩 감소되고 전체적으로 약 34% 감소되었다.
외기온도 감소에 따라 cooler fan의 부하감소로 전체적인 연료예열 효율이 감소되어, RCA Temp에 대한 영향이 상대적으로 증가된다. 그러므로 적정 연료 공급온도에 대해서 RCA Temp의 범위가 고려되어야 한다. 냉각공기 온도 상승에 따른 효율 및 출력 향상이 확인되었고, 냉각부하 감소(34%)에 따른 인버터 fan의 적용도 타당할 것으로 보인다.

Abstract ▼ AI-Helper

The development of technology to improve the performance of gas turbines is constantly being carried out, especially the development of materials that can withstand high temperatures and the study of cooling
technology is becoming a very important part. The performance of multi-purpose technolog...

The development of technology to improve the performance of gas turbines is constantly being carried out, especially the development of materials that can withstand high temperatures and the study of cooling
technology is becoming a very important part. The performance of multi-purpose technology development for high-temperature components is reflected not only in new products but also in the upgrade of existing gas turbines.
High temperature component upgrades were made for 500MW gas turbines in Korea, and consequently cooling losses were reduced, resulting in improvements in power and efficiency due to the increase in combustion air. Changes to the existing turbine cooling air system are emerging for further performance enhancement, with future upgrades to hot components expected to continue. The main contents of the change of cooling air system is to raise the temperature of the cooling air supplied to the rotors and the blades within the stable turbine operation range, and the main contents are to apply the inverter plan when the cooling method is an air-cooled cooler using pan. It is expected that the application of inverter plan to follow the enemy government as cooling air temperature is raised and cooling range is reduced will be advantageous, such as securing economic efficiency.
Accordingly, the research aims to analyze the feasibility and operational soundness of the existing facility change operation. To derive the effect of gas turbines on the increase of cooling air temperature, the gas
turbines of the cogeneration plant with improved hot components were designed to be modeled using the commercial program GateCycle (TCAC) to the extent of Turbine cooling air cooler (TCAC).
The TCAC, which supplies cooling air, has the preheating of the fuel through the fan at the bottom and the construction of a facility to cool the compressed air from the compressor. Algorithms were configured
according to the operation conditions for modeling the correct characteristics and linked to the GateCycle. Under the assumption that the cooling air is constant, modelling could confirm the reduction of the operation load of the fan due to the increase in the temperature of the cooling air.
Based on the modelling of TCAC, the modelling was implemented in conjunction with the gas turbine.
Since the cooling air is affected by the ambient air temperature, case study of the cooling air temperature for the ambient air temperature was performed. In addition, the fuel supply bypass structure of the Fuel gas heater combined to simulate the effects of the TCAC unit in the case study was reflected. The effects of the TCAC unit on the Power block were analyzed through the ambient air temperature, cooling air temperature and fuel bypass ratio during the summer, the spring and winter months.
Depending on the temperature increase of cooling air supplied to the rotors and blades, it has a positive effect on efficiency and output. The increase in efficiency is proportional to the ambient air temperature and is also affected by the effects of fuel preheating. Efficiency improvements due to fuel preheating and cooling air temperature rises were in the range of 0.4%, and the higher the RCA Temp, the lower the range.
The operation load of the Turbine Cooling Air Cooler is proportional to the ambient air temperature, and the flow rate reduction width of the cooler fan due to the reduction of the ambient air temperature is reduced by about 1.5% for each RCA Temp rise range and about 34% for the whole.
The range of RCA Temp in the proper fuel supply temperature shall be considered as the overall fuel preheating efficiency is reduced due to the reduction of the load in the cooler fan, and the effect on RCA
Temp is relatively increased.
Power improvements have been confirmed due to the rise of cooling air temperature, and application of inverter fan according to the reduction of cooling load (34%) is also likely to be reasonable.

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