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문제 정의
- 본 연구에서는 대용량 발전용 보일러에서 가장 많이 채택되고 있는 접선연소식 미분탄 보일러를 대상으로 실제 운전 조건하에서의 보일러 내부의 열유동 및 미분탄 연소과정을 삼차원으로 전산해석하고 그 결과를 실제 운전데이터 및 설계 데이터와 비교하고 모델의 건전성을 검증하였다. 본 해석에서는 보일러 연소로, 버너 및 각종 연소용 공기공급 노즐을 실제와 동일하게 모사하였으며 과열기, 재열기, 절탄기 등의 여러 전열관군들을 모두 고려하였다.
- 본 해석에서는 보일러 연소로, 버너 및 각종 연소용 공기공급 노즐을 실제와 동일하게 모사하였으며 과열기, 재열기, 절탄기 등의 여러 전열관군들을 모두 고려하였다. 본 연구에서는 보일러 내부의 속도, 가스 온도, 주요 농도, 미분탄 char의 입자 궤적 및 NO 분포, 그리고 최종 과열기 전단에서의 가스온도 분포를 살펴보고자 한다. 본 해석에서 얻어진 잔류 선회유동과 연소가스의 불균일한 온도 분포에 대한 정보는 최종 과열기 튜브의 파열에 대한 원인을 분석할 수 있는 기본 자료로 쓰여 질 것이다.
제안 방법
- 8은 yz 평면인 Q1, Q2 단면에서의 온도분포를 보여준다. 각 단면에서의 온도 차이를 명확히 구분하기 위하여 각 단면에서의 최고, 최저 온도를 기준으로 온도분포를 나타내었다. P1 단면에서는 미분탄-공기 혼합물의 연소가 진행됨에 따라 연소로 중심부에 Fire Ball이 형성됨을 볼 수 있으며 연소구역을 지난 P2에서도 이러한 Fire Ball의 영향이 아직까지 남아 있음을 볼 수 있다.
- 4에서와 같이 각종 전열관군을 다공체(Porous Media)의 체적(Volume)으로 처리하여 연소가스가 가진 열을 흡수하는 Heat Sink와 가스상의 Momentum Sink가 발생하는 것으로 모사하였다. 각전열관군에서의 열흡수량과 압력강하는 실측 운전데이터와 열성능 계산에 의하여 얻어진 값을 사용하였다.
- 국내 A화력발전소의 보일러를 대상으로 보일러의 외부 형상, 버너와 각종 연소용 공기공급 노즐, 전열관군들을 모델링하고 실제 사용 중인 탄종과 운전조건을 기준으로 보일러 내부의 연소 및 열유동과정을 전산해석하였다. 실제의 연소 및 운전조건을 가급적 실제와 가깝게 모사하였으며 해석 결과를 실측 및 설계 데이터와 비교하여 모델의 건전성을 확인하였다.
- 1∼3) 특히, Yin 등4,5)은 609 MW급 접선연소식 보일러의 후단부 형상을 실제 보일러 형상과 근접하게 모사하고 해석 결과를 설계 데이터와 비교하였다. 또한 연소로 출구 부분에서의 반시계방향의 잔류 선회 유동을 확인하였으며 보일러의 여러 단면에서 속도 및 가스온도 분포를 서로 비교, 분석한 바 있다.
- 각종 전열관군, 즉 과열기, 재열기 및 절탄기 등은 수많은 튜브로 이루어진 관군으로서 이를 실제와 동일하게 모사하기는 불가능하다. 본 연구에서는 Fig. 4에서와 같이 각종 전열관군을 다공체(Porous Media)의 체적(Volume)으로 처리하여 연소가스가 가진 열을 흡수하는 Heat Sink와 가스상의 Momentum Sink가 발생하는 것으로 모사하였다. 각전열관군에서의 열흡수량과 압력강하는 실측 운전데이터와 열성능 계산에 의하여 얻어진 값을 사용하였다.
- 난류 유동장내에 존재하는 입자상 물질, 즉 미분탄이 보일러 내부에서 연소반응이 진행되어 주변의 기체와 물질 및 열전달이 일어나게 되므로 유동장에 커다란 영향을 미치게 된다. 본 연구에서는 미분탄의 연소반응을 탈휘발화 반응과 탈휘발화 잔류물인 char의 산화반응으로 구분하였다. 탈휘발화 반응은 일차 탈휘발화모델인 Badzioch와 Hawsksley12)의 속도상수를 사용하였으며 char 반응은 Field의 모델13)을 사용하였다.
- 국내 A화력발전소의 보일러를 대상으로 보일러의 외부 형상, 버너와 각종 연소용 공기공급 노즐, 전열관군들을 모델링하고 실제 사용 중인 탄종과 운전조건을 기준으로 보일러 내부의 연소 및 열유동과정을 전산해석하였다. 실제의 연소 및 운전조건을 가급적 실제와 가깝게 모사하였으며 해석 결과를 실측 및 설계 데이터와 비교하여 모델의 건전성을 확인하였다. 본 연구 결과 연소로내의 연소 가스는 선회하면서 노즈 부분을 통과한 후 대류 전열부로의 이동시에 잔류 선회유동이 발생되었다.
대상 데이터
- 본 연구 대상인 A화력발전소 보일러는 높이가 약 71 m, 가로, 세로가 각각 19.5 m로 개략적인 보일러의 전체 구조를 Fig. 1에 보여주고 있다. 보일러는 초임계압, 관류형 보일러로서 연소로(Furnace) 내의 6개 버너에서 연소된 미분탄 연소 가스는 연소로 상부의 각종 전열 관군, 즉 복사 과열기(Division & Platen Superheater), 최종재열기(Final Reheater), 최종 과열기(Final Superheater), 재열기(Reheater), 절탄기(Economizer)와 열교환을 하면서 연돌로 흐르게 된다.
- 본 연구에서는 대용량 발전용 보일러에서 가장 많이 채택되고 있는 접선연소식 미분탄 보일러를 대상으로 실제 운전 조건하에서의 보일러 내부의 열유동 및 미분탄 연소과정을 삼차원으로 전산해석하고 그 결과를 실제 운전데이터 및 설계 데이터와 비교하고 모델의 건전성을 검증하였다. 본 해석에서는 보일러 연소로, 버너 및 각종 연소용 공기공급 노즐을 실제와 동일하게 모사하였으며 과열기, 재열기, 절탄기 등의 여러 전열관군들을 모두 고려하였다. 본 연구에서는 보일러 내부의 속도, 가스 온도, 주요 농도, 미분탄 char의 입자 궤적 및 NO 분포, 그리고 최종 과열기 전단에서의 가스온도 분포를 살펴보고자 한다.
- A화력 보일러의 실제 운전 조건을 기준으로 전산해석을 수행하였다. 사용된 석탄은 호주에서 수입한 역청탄으로서 그 성상은 Table 1과 같으며 보일러에 공급된 공기량 및 미분탄 공급량, 미분탄 노즐 및 SOFA의 수직 분사각(Tilt Angle)과 수평 분사각(Yaw), 그리고 고압터빈으로 들어가는 주증기(Main Steam)의 온도, 압력, 유량, 그리고 미분탄 분쇄기(Mill)의 운전댓수도 함께 주어져 있다.
- 해석 대상 보일러의 계산격자는 CFX Mesh Generation Code를 사용하였으며, 약 150만개의 노드(Node)를 가진 600만 요소의 사면체(Tetrahedral Element)의 격자가 사용되었다. 해석에는 상업용 전산유체해석 코드인 CFX 11.
데이터처리
- A화력 보일러의 실제 운전 조건을 기준으로 전산해석을 수행하였다. 사용된 석탄은 호주에서 수입한 역청탄으로서 그 성상은 Table 1과 같으며 보일러에 공급된 공기량 및 미분탄 공급량, 미분탄 노즐 및 SOFA의 수직 분사각(Tilt Angle)과 수평 분사각(Yaw), 그리고 고압터빈으로 들어가는 주증기(Main Steam)의 온도, 압력, 유량, 그리고 미분탄 분쇄기(Mill)의 운전댓수도 함께 주어져 있다.
- 해석 모델의 건전성 검증을 위하여 A화력의 2007년 10월 11일 운전조건과 동일한 조건에 대하여 해석하였으며 그 계산 결과를 발전소의 운전데이터 및 설계 데이터와서로 비교하였다. 보일러 연소로내의 온도는 고온이며 그 체적이 매우 크므로 연소로내의 온도, 속도, 화학종에 대한 분포를 정확히 측정하지 못한다.
이론/모형
- 본 전산해석에 사용한 지배방정식은 먼저 미분탄으로부터 생성되는 탈휘발화(Devolatilization) 가스의 혼합 및 난류반응을 다루는 기상상태와 석탄입자의 거동을 나타내는 입자상 지배방정식으로 구분된다. 기상상태의 지배방정식은 공간에 고정된 검사체적 내에서의 열 및 물질전달을 고려하는 Eulerian 법을 사용하였으며, 미분탄 입자의 거동해석을 위해서는 입자의 궤적을 추적하는 Lagrangian 법을 사용하였다.
- 난류모델은 k - ɛ 모델을, 복사모델은 Discrete Transfer 모델9)을 사용하였으며, 가스상의 반응에 대해서는 Eddy Dissipation10,11) 모델을 사용하였다. 난류 유동장내에 존재하는 입자상 물질, 즉 미분탄이 보일러 내부에서 연소반응이 진행되어 주변의 기체와 물질 및 열전달이 일어나게 되므로 유동장에 커다란 영향을 미치게 된다.
- 유체 및 에너지의 이동현상의 해석에 필요한 방정식은 질량, 운동량, 에너지 보존법칙을 미소의 체적에 적용하여 얻어진 비선형 연립 편미분방정식이다. 운동량 해석에 있어서는 3차원 Navier-Stokes 방정식을 해석하였으며, 복사열전달 및 화학반응을 위한 방정식들을 포함하여야 한다.
- 본 연구에서는 미분탄의 연소반응을 탈휘발화 반응과 탈휘발화 잔류물인 char의 산화반응으로 구분하였다. 탈휘발화 반응은 일차 탈휘발화모델인 Badzioch와 Hawsksley12)의 속도상수를 사용하였으며 char 반응은 Field의 모델13)을 사용하였다.
- 해석 대상 보일러의 계산격자는 CFX Mesh Generation Code를 사용하였으며, 약 150만개의 노드(Node)를 가진 600만 요소의 사면체(Tetrahedral Element)의 격자가 사용되었다. 해석에는 상업용 전산유체해석 코드인 CFX 11.0 프로그램8)을 이용하였다. 수렴조건은 질량, 속도 및 난류장의 Residual 값이 1.
성능/효과
- 노즈 부분을 지난 연소가스의 NO는 P4 평면에서 더 넓게 분포하며 이후 대류 전열부인 P5 평면에서 약 200∼300 ppm의 값을 보여주고 있다. P1, P2, P3, P4, P5 평면에서의 평균 NO 농도는 각각 322, 270, 294, 288, 287 ppm을 보여주고 있으며 보일러 출구에서는 285 ppm인 것으로 나타났다.
- 실제의 연소 및 운전조건을 가급적 실제와 가깝게 모사하였으며 해석 결과를 실측 및 설계 데이터와 비교하여 모델의 건전성을 확인하였다. 본 연구 결과 연소로내의 연소 가스는 선회하면서 노즈 부분을 통과한 후 대류 전열부로의 이동시에 잔류 선회유동이 발생되었다. 이러한 잔류 선회유동으로 인하여 최종과열기 전단의 연소가스 온도가 좌측벽면쪽 하단부에서 높게 나타나고 있음을 확인할 수 있었다.
- 0 프로그램8)을 이용하였다. 수렴조건은 질량, 속도 및 난류장의 Residual 값이 1.0-4, 온도장과 농도장의 Imbalance 값이 2%이하일 경우 수렴한 것으로 판정하였으며 기존에 수렴된 해를 초기조건으로 하여 대략 60시간 소요되었다.
- 본 연구 결과 연소로내의 연소 가스는 선회하면서 노즈 부분을 통과한 후 대류 전열부로의 이동시에 잔류 선회유동이 발생되었다. 이러한 잔류 선회유동으로 인하여 최종과열기 전단의 연소가스 온도가 좌측벽면쪽 하단부에서 높게 나타나고 있음을 확인할 수 있었다. 또한 버너의 수직 분사각이 -13.
후속연구
- 본 해석에서 얻어진 잔류 선회유동과 연소가스의 불균일한 온도 분포에 대한 정보는 최종 과열기 튜브의 파열에 대한 원인을 분석할 수 있는 기본 자료로 쓰여 질 것이다. 또한, 본 연구 결과는 향후 보일러의 안정적인 운전과 설비의 안정성 증대를 위한 기본 자료를 활용되어질 것으로 기대된다.
- Platen Superheater와 최종 재열기 사이의 가스온도로 정의되는 연소로출구 가스온도(FEGT : Furnace Exit Gas Temperature)는 보일러의 설계시, 혹은 운전시의 중요한 파라미터로서 현재 이를 실측하지는 못하고 있다. 본 연구의 해석 결과와 FEGT 설계 데이터와 비교함으로써 어느 정도 모델의 건전성을 평가할 수 있을 것이다.
- 본 연구에서는 보일러 내부의 속도, 가스 온도, 주요 농도, 미분탄 char의 입자 궤적 및 NO 분포, 그리고 최종 과열기 전단에서의 가스온도 분포를 살펴보고자 한다. 본 해석에서 얻어진 잔류 선회유동과 연소가스의 불균일한 온도 분포에 대한 정보는 최종 과열기 튜브의 파열에 대한 원인을 분석할 수 있는 기본 자료로 쓰여 질 것이다. 또한, 본 연구 결과는 향후 보일러의 안정적인 운전과 설비의 안정성 증대를 위한 기본 자료를 활용되어질 것으로 기대된다.
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