[논문]전치 가이드 베인 설치에 따른 열회수 보일러 입구 온도 최적화

이수윤; 안준; 신승원

문제 정의

3에서 확인할 수 있다. 가이드 베인은 그림에서 확인할 수 있듯이 원형 덕트 입구의 정면에서 바라볼 때 마름모 형상을 띄고 있으며, 이번 해석에서는 유동방향 조절 및 질유량의 적절한 분배를 목적으로 하였기에 수치해석 상에서 두께를 고려하지 않았다. Fig.
본 논문에서는 유체유동 해석도구인 FLUENT를 이용하여 보일러 입구에서 균일한 온도분포를 얻는 상태에서 연결 덕트의 길이를 최소화 할 수 있는 좀 더 효과적인 전치 가이드 베인 설계를 도출하고자 한다. 본 연구의 대상 원동기[6]는 발전 용량 1 MW급의 가스엔진(Waukesha 16V150LTD)으로 열 병합 발전시스템에서 엔진에서 배출되는 배기가스의 온도는 430^oC, 유량은 6,098 kg/hr, 보유에너지는 약 0.
본 연구에서는 1 MW급 가스엔진 소형 열병합 발전시스템에서 사용될 HRSG와 원동기 출구 사이의 연결덕트와 덕트 내부에 설치될 전치 가이드 베인에 대한 최적화된 설계점을 찾아보았다. 기존의 연결 덕트의 설계는 대형 HRSG를 위한 설계를 그대로 수용하여 원동기 출구가 지면과 접하도록 설계되었다.
따라서 목표를 달성하기 위해서는 1~5 MW급의 가스엔진 열병합발전 시스템이나 5~10 MW급의 가스터빈 소형 열병합발전 시스템이 적극적으로 보급되어야 한다. 본 연구에서는 1 MW급의 가스엔진을 바탕으로 열병합발 전 시스템을 구성하는 데 가장 핵심이 되는 기술인 배열회수 기술을 개발하고자 한다.
7 MW이다. 이 와 같은 조건에서 HRSG의 입구를 통과하게 되는 작동유체인 배기가스의 온도 균일성을 향상시키기 위하여 덕트의 길이 및 가이드 베인의 형상을 변화시키며 전치 가이드 베인 설치의 최적화된 설계점을 얻고자 한다.

가설 설정

85 m/s 로 설정하였으며, 각 케이스 별 수치해석 모델이 충분한 출구 영역을 갖고 있으므로 출구조건은 Open condition으로 설정하였다. 실제 HRSG 내부의 증발관의 역할(즉, 열흡수원의 역할)을 수행할 Fin-tube의 경우에는 실제 시스템에서는 증발관 입구로 5 기압의 물이 증발할 때의 온도인 150^oC(423.15 K)로 공급되며 내부에서 상변화를 일으키지만, 본 논문에서는덕트 내부에서의 배기가스 유동에 대하여 주로 관심을 가지기 때 문에 상변화 과정을 튜브 벽면의 온도가 상변화 할 때의 온도인 150^oC으로 일정하다고 가정하여 경계조건을 설정하였다. 전반적인 수치해석 과정은 FLUENT 6.

제안 방법

Case A(Fig. 2(a))는 일반적인 대형 HRSG의 경우에서 중력을 고려하여 원동기 출구가 지표면에 닿을 수 있도록 설치하였고, 덕트의 길이를 2 m로 설정하였으며 전치 가이드 베인은 설치하지 않은 조건으로 계산을 수행하였다. Case B는 Case A와 동일한 덕트 디자인에서에서 3 MW급 가스터빈 소형 열병합발전에 사용된 가이드 베인을 장착하여 모델을 구성하였다.
Fig. 3(a)에서 확인할 수 있듯이 마름모 형상의 가이드 베인이 설치되어야 하는 덕트 부분의 경우 전체 덕트 길이의 1/10 만큼의 공간에 해당되며, 가이드 베인 끝부분의 위치는 가이드 베인이 설치될 덕트 내부공간과 끝부분이 만나는 지점을 조절하여 정하였다. 먼저 윗방향 가이드 베인(Upward guide vane)의 경우(Fig.
4(c)이다. 덕트 원형입구에 설치된 가이드 베인으로 나누어진 입구영역에 각각 동일한 질량유량이 공급될 수 있도록 설치지점을 계산하여 수치해석 모델에 적용하였다.
실제 소형 열병합발전 시스템에 사용될 HRSG를 설계함에 있어서 덕트의 크기를 줄이는 것은 공간적으로나 경제적으로나 매우 유리한 이점을 가질 수 있다. 따라서 Case D의 경우 Case C의 설계 디자인을 그대로 유지하는 한편 덕트의 길이를 1/2로 줄이는 경우에 대해서 수치해석을 하였다. 덕트의 길이를 1/2로 줄이게 됨에 따라서 이전의 Case C에 비해서 덕트의 선형 확장유로를 가지는 면의 기울기가 (0.
각 케이스 별 격자의 개수와 경계조건에 대한 설정 내용은 Table 1에 나타내었다. 먼저 입구 조건은 균일 속도 조건으로 실제 원동기 출구에서 배출되는 배기가스전체질량유량이 6,098 kg/hr일 경우의 속도인 26.85 m/s 로 설정하였으며, 각 케이스 별 수치해석 모델이 충분한 출구 영역을 갖고 있으므로 출구조건은 Open condition으로 설정하였다. 실제 HRSG 내부의 증발관의 역할(즉, 열흡수원의 역할)을 수행할 Fin-tube의 경우에는 실제 시스템에서는 증발관 입구로 5 기압의 물이 증발할 때의 온도인 150^oC(423.
본 논문은 연결유로(Duct)에 대한 수치해석이 주목적이므로 수치계산의 효율성을 위해서 열 흡수원의 역할을 하는 HRSG의 증발관은 그 첫째 열만을 수치해석의 계산영역에 포함하였다.
2(a))은 중력방향으로 시행오차 방법을 통하여 결정된 특정한 각도로 설치되었다. 본 연구 의 Case E에 설치할 가이드 베인은 기존에 설치하던 방법과는 달리 가이드 베인에 의하여 나누어지는 원동기 출구영역 즉 덕트 입구영역에 각각 동일한 유량의 배기가스가 나누어 질 수 있도록 시작부분의 위치를 정하여 설계하였다. Case E에 적용된 가이드 베인에 대한 전체적인 설치 개요도와 각 가이드 베인의 형상 및 제원을 Fig.
소형 열병합발전 시스템의 원동기 출구에서 HRSG 입구로의 배기가스 유동을 해석하기 위한 수치해석 모델을 구성함에 있어서 전체적으로 배기가스가 공급될 원동기 출구, 면적이 확장될 수 있는 선형 확장유로를 가지는 덕트, 보일러 입구에서 열 흡수원의 역할을 할 HRSG의 증발관, 그리고 전치 가이드 베인과 상호작용이 발생하지 않을 정도의 충분한 입구영역과 Backflow가 발생하지 않을 정도의 충분히 긴 출구영역을 고려하였다. 본 논문은 연결유로(Duct)에 대한 수치해석이 주목적이므로 수치계산의 효율성을 위해서 열 흡수원의 역할을 하는 HRSG의 증발관은 그 첫째 열만을 수치해석의 계산영역에 포함하였다.
해석해야 할 각 케이스 별 덕트 유동 시스템의 형상 구성, 격자생성, 경계조건 설정 등의 수치해석 이전 과정은 GAMBIT 2.4를 사용하였으며, 전체 케이스에 대해서 대칭조건 (Symmetric condition)을 적용하여 더 효과적인 해석을 유도하였다(Case A, B의 경우에는 형상의 1/2, Case C, D, E의 경우에는 형상의 1/4을 해석). 각 케이스 별 격자의 개수와 경계조건에 대한 설정 내용은 Table 1에 나타내었다.

대상 데이터

본 논문에서는 유체유동 해석도구인 FLUENT를 이용하여 보일러 입구에서 균일한 온도분포를 얻는 상태에서 연결 덕트의 길이를 최소화 할 수 있는 좀 더 효과적인 전치 가이드 베인 설계를 도출하고자 한다. 본 연구의 대상 원동기[6]는 발전 용량 1 MW급의 가스엔진(Waukesha 16V150LTD)으로 열 병합 발전시스템에서 엔진에서 배출되는 배기가스의 온도는 430^oC, 유량은 6,098 kg/hr, 보유에너지는 약 0.7 MW이다. 이 와 같은 조건에서 HRSG의 입구를 통과하게 되는 작동유체인 배기가스의 온도 균일성을 향상시키기 위하여 덕트의 길이 및 가이드 베인의 형상을 변화시키며 전치 가이드 베인 설치의 최적화된 설계점을 얻고자 한다.
2(b))는 Case A와 동일한 덕트의 길이를 가지면서 지표면에 닿게 설계되었던 원동기 출구 의 위치를 보일러 입구의 위치를 고려하여 각각의 중앙부분이 서로 일직선을 유지할 수 있도록 높게 설치하였다. 실제 본 연구의 대상인 1 MW급 가스엔진의 경우 원동기 출구가 엔진상단에 위치하고 있고, 기존의 대형 HRSG에 비하여 규모가 작기 때문에 중력에 대한 영향이 크게 미치지 않을 것으로 예상되어 출구의 위치를 높여 덕트의 형상을 작동 유체의 유동방향에 대하여 수직단면이 일정한 비율로 커지는 축 대칭 디퓨저(Diffuser) 형태로 모델을 구성하였다. Case D(Fig.

데이터처리

본 논문은 연결유로(Duct)에 대한 수치해석이 주목적이므로 수치계산의 효율성을 위해서 열 흡수원의 역할을 하는 HRSG의 증발관은 그 첫째 열만을 수치해석의 계산영역에 포함하였다. 기존에 시도되었던 3 MW급 가스터 빈 소형 열병합발전 시스템에서 사용된 HRSG의 덕트 디자인을 그대로 적용하는 것을 시작점으로 하여 최적화된 설계점을 찾아가기 위하여 총 5개의 경우에 대하여 수치해석을 수행하였고, 결과를 비교, 분석하였다(Fig. 2).

이론/모형

전반적인 수치해석 과정은 FLUENT 6.3을 이용하여 비압축성 유동해석을 수행하였고 난류 모델로는 표준 k-ε Model을 적용하였다.

성능/효과

본 연구에서 사용한 원동기의 경우 출구의 위치를 높일 수 있는 것을 확인하였고 (1)출구를 보일러 입구와 같은 중심에 놓는 것만으로도 온도 및 유동 균일성이 크게 향상되는 결과를 얻을 수 있었다. (2)추가적인 가이드 베인의 설치로 덕트의 길이를 1/2로 줄이면서도 동일 한 수준의 온도균일성을 얻을 수 있었다. 하지만 가장자리에 서 발생할 것으로 예상되는 정체와류에 대하여 주로 고려하였기 때문에 중앙 부분에서 발생하는 순환되는 와류영역이 확인되었고, 다른 케이스들에 비하여 압력 손실이 다소 높다는 점 등을 고려하여 볼 때 가이드 베인의 개수 및 길이의 조절 등의 방법을 통하여 이를 보완할 더 향상된 가이드 베인 설계점에 대한 추가적인 연구를 수행할 것이다
Fig. 9(e)를 확인하여 보면 Case D의 경우에 선형 확장유로를 가지는 덕트의 윗면과 아랫면을 따라서 배기가스의 유동이 유도되고, 박리점이 형성되어 정체와류가 형성되지만, Case E의 경우에는 입구로부터 배기가스가 유입되지 않는 부분에 유동을 전체적으로 혼합하여 주는 순환하는 와류가 형성되는 것을 알 수 있다. 특히 보일러 입구 평면의 온도장 (Fig.
덕트 중앙면과 보일러 입구면의 온도 및 속도분포를 확인하여 보면 가이드 베인이 설치됨에 따라 온도 및 유동의 균일성이 향상된 것을 알 수 있다.
이는 덕트 내부에서 비대칭 유동을 유발하여 온도의 균일성을 파괴하게 되므로 이를 보완하기 위해 설치된 기존의 가이드 베인은 한 방향의 유동 균일성을 고려하였기 때문에 그 결과를 1 MW급 HRSG에 적용하였을 때 만족스러운 성능을 발휘하지 못하였다. 본 연구에서 사용한 원동기의 경우 출구의 위치를 높일 수 있는 것을 확인하였고 (1)출구를 보일러 입구와 같은 중심에 놓는 것만으로도 온도 및 유동 균일성이 크게 향상되는 결과를 얻을 수 있었다. (2)추가적인 가이드 베인의 설치로 덕트의 길이를 1/2로 줄이면서도 동일 한 수준의 온도균일성을 얻을 수 있었다.
수치해석 결과로부터 각 케이스에 대한 덕트 내부 유동의 균일성을 판단하기 위해서 Fig. 5와 Fig. 6에 덕트 중앙면(Fig. 2에서 z=0 평면, duct center plane)에 대한 온도 및 유동방향 속도분포를 나타내었고, Fig. 7에 보일러 입구 평면(즉, 덕트 출구 평면)의 온도장 및 속도장 크기를 나타내었다. 보일러 입구 평면의 온도 균일성을 정량적으로 파악하고자 Fig.
이 실험을 통하여 보일러 입구에 서의 온도분포가 A지점과 B지점에서 크게 다른 것이 확인되 었으며, 배기가스가 B지점의 좁은영역에 대하여 집중적으로 유입되어 온도 균일성이 확보되지 못하여 실제 증발량이 열 설계 값에 크게 미치지 못하는 현상을 경험하였다.
254) / 1로 2배 증가하게 되고, 동시에 덕트에서 면적이 확장되는 비율이 더 높은 값을 가지게 된다. 이로 인하여 Case D의 보일러 입구 평면에서 측정된 온도의 평균값, 표준편차값 그리고 속도의 표준편차값(Fig. 8)들을 판단하여 볼 때, 모든 케이스 중에서 가장 낮은 온도 균일성이 확보되는 것을 알 수 있다. Fig.

후속연구

이는 전치 가이드 베인이 설치됨에 의해 배기가스의 유동에 방해 요소로 작용하게 되므로 동시에 압력손실도 상승하기 때문이다. 그러므로 위에서 분석하여 본 온도 및 속도의 균일성 확보 능력에 추가하여 압력손실의 증가에 따른 소요 동력의 증가에 대한 부분을 같이 고려하여 더 최적화된 가이드 베인의 설계점을 찾을 수 있을 것이다.
(2)추가적인 가이드 베인의 설치로 덕트의 길이를 1/2로 줄이면서도 동일 한 수준의 온도균일성을 얻을 수 있었다. 하지만 가장자리에 서 발생할 것으로 예상되는 정체와류에 대하여 주로 고려하였기 때문에 중앙 부분에서 발생하는 순환되는 와류영역이 확인되었고, 다른 케이스들에 비하여 압력 손실이 다소 높다는 점 등을 고려하여 볼 때 가이드 베인의 개수 및 길이의 조절 등의 방법을 통하여 이를 보완할 더 향상된 가이드 베인 설계점에 대한 추가적인 연구를 수행할 것이다

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	우리나라의 제2차 전력수급 기본계획은 무엇인가?	최근 친환경 경제성장을 이루는 것이 전 세계적으로 관심을 받게 되면서 에너지 이용효율을 높일 수 있는 방법인 열병합발전 시스템에 대한 보급을 확대하려는 노력이 계속하여 진행되고 있다. 우리나라는 제2차 전력수급 기본계획으로서 2017년까지 2,700 MW의 전력을 소형 열병합발전을 통해 공급할 계획을 수립하였다. 지금까지 소형 열병합발전은 주로 아파트 단지 등에 보급되어 왔고 대부분 200~500 kW의 작은 용량 수준으로 2,700 MW의 목표를 달성하기에는 한계가 있는 것이 사실이다.
	열병합발전 시스템은 무엇을 가능케하는가?	최근 친환경 경제성장을 이루는 것이 전 세계적으로 관심을 받게 되면서 에너지 이용효율을 높일 수 있는 방법인 열병합발전 시스템에 대한 보급을 확대하려는 노력이 계속하여 진행되고 있다. 우리나라는 제2차 전력수급 기본계획으로서 2017년까지 2,700 MW의 전력을 소형 열병합발전을 통해 공급할 계획을 수립하였다.
	제2차 전력수급 기본계획의 목표를 달성하기 위해서는 1~5 MW급의 가스엔진 열병합발전 시스템이나 5~10 MW급의 가스터빈 소형 열병합발전 시스템이 적극적으로 보급되어야하는 이유는?	우리나라는 제2차 전력수급 기본계획으로서 2017년까지 2,700 MW의 전력을 소형 열병합발전을 통해 공급할 계획을 수립하였다. 지금까지 소형 열병합발전은 주로 아파트 단지 등에 보급되어 왔고 대부분 200~500 kW의 작은 용량 수준으로 2,700 MW의 목표를 달성하기에는 한계가 있는 것이 사실이다. 따라서 목표를 달성하기 위해서는 1~5 MW급의 가스엔진 열병합발전 시스템이나 5~10 MW급의 가스터빈 소형 열병합발전 시스템이 적극적으로 보급되어야 한다.

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