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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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