국내 미분탄 보일러의 로내 공기량 공급에 따른 연소특성 분석을 위한 3차원 전산해석 연구를 수행하였다. 보일러 연소해석 해석 결과의 건전성 검증을 위하여 보일러 출구, 즉 절탄기 후단에서의 가스 온도,$O_2$, NO, SOx 농도를 발전소의 실제 운전데이터와 비교하였다. 검증된 해석 결과를 기준조건으로 SOFA(Separated Over Fire Air)와 CCOFA(Closed Coupled Over Fire Air)에서의 연소 공기량을 변화시킨 경우 보일러내 NOx와 가스 온도 분포를 중심으로 각각의 경우를 비교하였다. 본 연구를 통하여 CCOFA보다는 SOFA 공기량의 변화에 따라 NOx 농도의 민감도가 더 큰 것을 알 수 있었으며 대류 전열부의 전열관군에서의 온도 분포가 다르게 나타나고 있어 가스온도 편차 방지를 위한 연소조정이 필요함을 알 수 있었다.
국내 미분탄 보일러의 로내 공기량 공급에 따른 연소특성 분석을 위한 3차원 전산해석 연구를 수행하였다. 보일러 연소해석 해석 결과의 건전성 검증을 위하여 보일러 출구, 즉 절탄기 후단에서의 가스 온도,$O_2$, NO, SOx 농도를 발전소의 실제 운전데이터와 비교하였다. 검증된 해석 결과를 기준조건으로 SOFA(Separated Over Fire Air)와 CCOFA(Closed Coupled Over Fire Air)에서의 연소 공기량을 변화시킨 경우 보일러내 NOx와 가스 온도 분포를 중심으로 각각의 경우를 비교하였다. 본 연구를 통하여 CCOFA보다는 SOFA 공기량의 변화에 따라 NOx 농도의 민감도가 더 큰 것을 알 수 있었으며 대류 전열부의 전열관군에서의 온도 분포가 다르게 나타나고 있어 가스온도 편차 방지를 위한 연소조정이 필요함을 알 수 있었다.
3-D CFD(Computational Fluid Dynamics) work were carried out to investigate the combustion characteristics in a boiler depending on the variations in air supply condition. For the gas temperature, $O_2$, NO, SOx at the outlet of economizer, the predicted values were been compared with the ...
3-D CFD(Computational Fluid Dynamics) work were carried out to investigate the combustion characteristics in a boiler depending on the variations in air supply condition. For the gas temperature, $O_2$, NO, SOx at the outlet of economizer, the predicted values were been compared with the measured data. With the verified CFD model, the effects of air flow rates through SOFA(Separated Over Fire Air) and CCOFA(Closed Coupled Over Fire Air) on the combustion behavior in a boiler were simulated, and the distributions of NOx and gas temperature were mainly compared each other. The change in SOFA air flow rate gave the more sensitive effect on NOx than that in CCOFA. The distributions of gas temperature at convection path are differed with the changes in SOFA and CCOFA flow rate, so the combustion modification such as yaw anlge adjustment are required to get an enhanced gas temperature distribution.
3-D CFD(Computational Fluid Dynamics) work were carried out to investigate the combustion characteristics in a boiler depending on the variations in air supply condition. For the gas temperature, $O_2$, NO, SOx at the outlet of economizer, the predicted values were been compared with the measured data. With the verified CFD model, the effects of air flow rates through SOFA(Separated Over Fire Air) and CCOFA(Closed Coupled Over Fire Air) on the combustion behavior in a boiler were simulated, and the distributions of NOx and gas temperature were mainly compared each other. The change in SOFA air flow rate gave the more sensitive effect on NOx than that in CCOFA. The distributions of gas temperature at convection path are differed with the changes in SOFA and CCOFA flow rate, so the combustion modification such as yaw anlge adjustment are required to get an enhanced gas temperature distribution.
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문제 정의
본 연구에서는 A화력발전소의 보일러를 대상으로 실제 운전조건하에서 보일러내의 연소, 열유동해석을 수행하고 그 결과를 실제 운전데이터와 비교하여 해석의 신뢰성을 검증하였다. 검증된 해석 결과를 기준 조건으로 SOFA와 CCOFA에서의 연소 공기량을 변화시킨 경우 보일러내 NOx와 가스온도 분포를 중심으로 해석 결과를 서로 비교, 분석하였다.
제안 방법
본 연구에서는 A화력발전소의 보일러를 대상으로 실제 운전조건하에서 보일러내의 연소, 열유동해석을 수행하고 그 결과를 실제 운전데이터와 비교하여 해석의 신뢰성을 검증하였다. 검증된 해석 결과를 기준 조건으로 SOFA와 CCOFA에서의 연소 공기량을 변화시킨 경우 보일러내 NOx와 가스온도 분포를 중심으로 해석 결과를 서로 비교, 분석하였다. 본 연구는 기존의 운영중인 특정 보일러를 대상으로 연소방식 변경에 따른 화로내 연소 및 열유동 거동특성 해석한 것으로 향후의 설비 개선이나 보일러 최적 운영을 위한 기본 자료로 활용할 수 있을 것이다.
국내 A화력발전소의 보일러를 대상으로 전산해석 모델을 수립하고 실제 사용중인 탄종과 운전조건에 대하여 보일러 내부의 연소 전산해석을 수행하였으며 해석 결과를 실측 및 설계 데이터와 비교하여 모델의 건전성을 확인하였다. 이를 바탕으로 SOFA와 CCOFA 의 공기공급량을 변화시킨 경우에 대한 보일러 내부 연소 해석 결과 CCOFA보다는 SOFA에서의 공기공급량의 변화에 따라 NOx 농도가 더 민감하게 변화함을 알 수 있었다.
기준조건(Case 1)에서 CCOFA 공기량(443 t/h)을 감소시키고 그 감소분만큼 화로에서의 공기량을 증가 시킨 경우에 대하여 해석하였다. Case 4의 CCOFA 공기량은 252 t/h 이며 Case 5는 CCOFA에 연소용 공기가 공급되지 않는 경우이며 이에 상당하는 개도는 Table 3과 같다.
전산해석시 난류모델은 k-ε 모델을, 복사모델은 Discrete Transfer 모델 [8]을 사용하였으며, 가스상의 반응에 대해서는 Eddy Dissipation [9,10] 모델을 사용하였다. 미분탄의 연소반응을 탈휘발화 반응과 탈휘발화 잔류물인 촤(Char)의 산화반응으로 구분 하였다. 탈휘발화 반응은 일차 탈휘발화모델인 Badzioch 와 Hawsksley(1970) [11]의 속도상수를 사용하였으며촤 반응은 Field(1969)의 모델 [12]을 사용하였다.
A화력발전소 보일러에 대한 계산 격자는 프리즘 형태와 사면체 형태의 격자를 이용하여 약 150만개의 노드를 가진 600만 요소의 사면체 격자를 사용하였다. 보일러내 각종 전열관군은 다공성 매체로 처리하여 열 흡수원(Heat sink)와 운동량 흡수원(Momentum sink) 가 발생하는 것으로 모사하였다. 해석에는 상업용 전산유체해석 코드인 CFX 11.
실제 운전조건의 해석 결과인 Case 1의 SOFA 공기 공급량(590 t/h)을 감소시키고 그 감소분 만큼 화 로내 연소용 공기를 증가시킨 경우에 대하여 해석하였다. Case 2는 SOFA 공기공급량을 313 t/h로 감소 시킨 경우이며 Case 3의 경우는 126 t/h로 감소시킨 경우이다.
대상 데이터
A화력발전소 보일러에 대한 계산 격자는 프리즘 형태와 사면체 형태의 격자를 이용하여 약 150만개의 노드를 가진 600만 요소의 사면체 격자를 사용하였다. 보일러내 각종 전열관군은 다공성 매체로 처리하여 열 흡수원(Heat sink)와 운동량 흡수원(Momentum sink) 가 발생하는 것으로 모사하였다.
보일러는 높이가 약 71 m, 가로, 세로가 각각 19.5 m로서, 초임계압, 관류형 보일러로서 화로(Furnace)의 6층의 버너에서 연소된 미분탄 연소 가스는 화로 상부의 각종 전열관군, 즉 복사과열기(Division & Platen Super-heater), 최종재열기(Final Reheater), 최종 과열기(Final Superheater), 재열기(Reheater), 절탄기(Economizer)를 거치며 열교환이 이루어진다.
A화력 보일러의 2008년 11월 실제 운전 조건을 기준으로 전산해석을 수행하였다. 사용된 석탄은 DBCT 탄으로서 그 성상은 Table 1과 같으며 보일러에 공급된 공기량 및 미분탄 공급량, 미분탄 노즐 및 SOFA 의 수직 분사각(Tilt angle)과 수평 분사각(Yaw angle) 등을 간략히 나타내었다.
데이터처리
A화력 보일러의 2008년 11월 실제 운전 조건을 기준으로 전산해석을 수행하였다. 사용된 석탄은 DBCT 탄으로서 그 성상은 Table 1과 같으며 보일러에 공급된 공기량 및 미분탄 공급량, 미분탄 노즐 및 SOFA 의 수직 분사각(Tilt angle)과 수평 분사각(Yaw angle) 등을 간략히 나타내었다.
해석 모델의 건전성 검증을 위하여 A화력의 2008년 11월의 어느 하루에 대한 운전조건에 대하여 전산 해석을 수행하였고 그 결과(Case 1)를 운전 및 설계 데이터와 서로 비교, 검증하였다. Table 2는 계산 결과를 실제 운전 데이터와 비교한 것이며 화로출구 가스온도(FEGT : Furnace Exit Gas Temperature)의경우 설계 데이터와 비교하였다.
보일러내 각종 전열관군은 다공성 매체로 처리하여 열 흡수원(Heat sink)와 운동량 흡수원(Momentum sink) 가 발생하는 것으로 모사하였다. 해석에는 상업용 전산유체해석 코드인 CFX 11.0 프로그램 [7]을 이용하였으며 수렴조건으로 질량, 속도 및 난류장의 Residual 값이 1.0-4, 온도장과 농도장의 불평형(Imbalance) 값이 2%이하일 경우 수렴한 것으로 판정하였으며 기존의 수렴된 해를 초기조건으로 하여 대략 2~3일 소요되었다. 전산해석시 난류모델은 k-ε 모델을, 복사모델은 Discrete Transfer 모델 [8]을 사용하였으며, 가스상의 반응에 대해서는 Eddy Dissipation [9,10] 모델을 사용하였다.
이론/모형
전산해석시 난류모델은 k-ε 모델을, 복사모델은 Discrete Transfer 모델 [8]을 사용하였으며, 가스상의 반응에 대해서는 Eddy Dissipation [9,10] 모델을 사용하였다.
미분탄의 연소반응을 탈휘발화 반응과 탈휘발화 잔류물인 촤(Char)의 산화반응으로 구분 하였다. 탈휘발화 반응은 일차 탈휘발화모델인 Badzioch 와 Hawsksley(1970) [11]의 속도상수를 사용하였으며촤 반응은 Field(1969)의 모델 [12]을 사용하였다.
성능/효과
이를 바탕으로 SOFA와 CCOFA 의 공기공급량을 변화시킨 경우에 대한 보일러 내부 연소 해석 결과 CCOFA보다는 SOFA에서의 공기공급량의 변화에 따라 NOx 농도가 더 민감하게 변화함을 알 수 있었다. SOFA와 CCOFA 공기공급량이 변함에 따라 보일러내 대류 전열부의 가스온도 분포가 변하고 있으며 경우에 따라 전열관군에서의 편향된 온도분포를 완화시키기 위하여 연소조정이 필요함을알 수 있었다. 특히 최종 과열기 전단의 불균일한 연소가스의 온도 분포는 튜브의 열부하 분포에 편차를 발생시키며 이는 장기간 운전시 튜브 파열의 한 원인으로 알려져 있어 본 연구에서 살펴본 가스온도 분포에 대한 해석 결과는 열부하 편차 제거를 위한 연소 조정시의 유용한 자료가 될 것이다.
국내 A화력발전소의 보일러를 대상으로 전산해석 모델을 수립하고 실제 사용중인 탄종과 운전조건에 대하여 보일러 내부의 연소 전산해석을 수행하였으며 해석 결과를 실측 및 설계 데이터와 비교하여 모델의 건전성을 확인하였다. 이를 바탕으로 SOFA와 CCOFA 의 공기공급량을 변화시킨 경우에 대한 보일러 내부 연소 해석 결과 CCOFA보다는 SOFA에서의 공기공급량의 변화에 따라 NOx 농도가 더 민감하게 변화함을 알 수 있었다. SOFA와 CCOFA 공기공급량이 변함에 따라 보일러내 대류 전열부의 가스온도 분포가 변하고 있으며 경우에 따라 전열관군에서의 편향된 온도분포를 완화시키기 위하여 연소조정이 필요함을알 수 있었다.
후속연구
검증된 해석 결과를 기준 조건으로 SOFA와 CCOFA에서의 연소 공기량을 변화시킨 경우 보일러내 NOx와 가스온도 분포를 중심으로 해석 결과를 서로 비교, 분석하였다. 본 연구는 기존의 운영중인 특정 보일러를 대상으로 연소방식 변경에 따른 화로내 연소 및 열유동 거동특성 해석한 것으로 향후의 설비 개선이나 보일러 최적 운영을 위한 기본 자료로 활용할 수 있을 것이다.
SOFA와 CCOFA 공기공급량이 변함에 따라 보일러내 대류 전열부의 가스온도 분포가 변하고 있으며 경우에 따라 전열관군에서의 편향된 온도분포를 완화시키기 위하여 연소조정이 필요함을알 수 있었다. 특히 최종 과열기 전단의 불균일한 연소가스의 온도 분포는 튜브의 열부하 분포에 편차를 발생시키며 이는 장기간 운전시 튜브 파열의 한 원인으로 알려져 있어 본 연구에서 살펴본 가스온도 분포에 대한 해석 결과는 열부하 편차 제거를 위한 연소 조정시의 유용한 자료가 될 것이다.
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한국전력공사, 현대엔지니어링주식회사, 화력발전소 보일러 운전지침서, 2004.
한국전력공사, 현대엔지니어링주식회사, 화력발전소 보일러 보수지침서 Vol. I, 2004.
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