[논문]유동해석기법(CFD)을 이용한 송풍기 및 덕트 성능개선

박민수

문제 정의

그러나 지금까지 발전소 현장에서 유체에 의한 진동이 발생할 경우 그 원인과 대책을 수립하기란 그리 쉬운 일은 아니었다. 따라서 본 문에서는 송풍기 및 덕트내부의 유체거동 및 압력변동을 유동해석기술을 통해 평가하고 개선방안 도출과 타당성을 검증하고자 한다.
현장점검과 진동측정 Data를 분석한 결과 내부 유체의압력변동 주파수성분과 진동 주파수 성분이 일치함을알 수 있었으며 입구측의 미약한 압력변동이 팬 및 주변 구조물을 통과하면서 진동이 증폭됨을 알 수 있었다. 따라서 유인송풍기 및 덕트 내부를 유동해석을 통해 평가하고 이에 대한 개선방안과 타당성 검증하고자 다음과 같은 업무를 수행하였다.

제안 방법

유동해석의 대상으로 고진동 문제가 발생되는 Inlet Damper 전단에서부터 연돌까지를 해석구간으로 설정하고 3차원 형상 Modelings 수행하였다. [그림 2]는유인송풍기 및 덕트의 3차원 형상 Model이다.
형식이다. 해석을 위해 유인송풍기의 임펠러 모델은 회전체 전용 Mesh To이인 TurboGrid를 이용하여 Meshing을하였으며 전체모델은 CFX 의 Pre Mesh Tool을 이용하<6 Meshing을 한 후 서로 조합하는 방식으루 수행하였다. 따라서 격자는 임펠러, 임펠러 전단의 흡입덕트, 임펠러 후단의 케이싱, 그리고 댐퍼와 가이드 베인를 포함하는 전후단의 직선형 덕트로 각각 분리 하여격자를 생성한 후 다시 조합하였다.
해석을 위해 유인송풍기의 임펠러 모델은 회전체 전용 Mesh To이인 TurboGrid를 이용하여 Meshing을하였으며 전체모델은 CFX 의 Pre Mesh Tool을 이용하<6 Meshing을 한 후 서로 조합하는 방식으루 수행하였다. 따라서 격자는 임펠러, 임펠러 전단의 흡입덕트, 임펠러 후단의 케이싱, 그리고 댐퍼와 가이드 베인를 포함하는 전후단의 직선형 덕트로 각각 분리 하여격자를 생성한 후 다시 조합하였다. 이는 운전조건에 따른 임펠러의 회전을 구현하기 위한 Rotating Frame 을 적용하기 위한 격자 형태로 이를 통해 실제와 동일한 팬의 거동을 구현하였다.
유인송풍기 및 덕트 해석 조건은 회전수 890 [rpm]으로 회전하는 임펠러의 효과를 모사하기 위해 Rotating Frame을 적용하였으며, 회전하는 영역인 Rotating Frame과 정지되어 있는 영역인 Stationary Frame 사이의 절대속도와 상대속도의변환과 Mixing 효과를 고려하기 위해 Stage Interface를 적용하였다.
Stationary 영역으로 설정된 부분 중 Impeller의 Shroud 가 포함된 벽면에는 Rotating 陶11 조건을 적용하여 회전효과를 고려하였다. Inlet 조건으로는 운전조건별 각종모니터링 값과 설계 값을 토대로 [표 1]과 같은 조건에의해 입구유속을 결정하였으며, 출구는 대기에 개방되어 있으므로 대기압에 해당하는 압력조건을 적용하였다. 측정된 결과에 의하면 진동현상은 출력 50%이하에서 진동이 크게 나타났다.
[표 2]는 발전소 출력 20%일 때를 기준으로 현재상태인 Case 1과 4가지의 개선(안)에 대한 상대적인평가를 위해 Case Study를 수행하였다. Case 2 는팬의 전후단을 바이패스 배관으로 연결하는 방법이다.

대상 데이터

해석대상인 송풍기는 원심식 유인송풍기로서 고정속도 전동기에 의해서 구동되며 풍량조절은 Inlet Damper와 Outlet Damper 방식을 채용하고 있으며보일러 1 호기당 유인송풍기 1개가 설치되어 있다. 현장점검과 진동측정 Data를 분석한 결과 내부 유체의압력변동 주파수성분과 진동 주파수 성분이 일치함을알 수 있었으며 입구측의 미약한 압력변동이 팬 및 주변 구조물을 통과하면서 진동이 증폭됨을 알 수 있었다.
[그림 2] 유인송풍기 및 덕트 해석모델

해석대상 유인송풍기는 원심팬이며 양흡입 방식으로 [그림 3] 와 같이 두 개의 임펠러가 붙어있는 형식이다. 해석을 위해 유인송풍기의 임펠러 모델은 회전체 전용 Mesh To이인 TurboGrid를 이용하여 Meshing을하였으며 전체모델은 CFX 의 Pre Mesh Tool을 이용하<6 Meshing을 한 후 서로 조합하는 방식으루 수행하였다.

데이터처리

본 해석평가에서는 Unstructured 격자계를 지원하고 복잡한 형상의 경우에도 비교적 용이하게 격자생성 및 해석이 가능한 ANSYS CFX Ver. 12. 1을 사용하였다.

이론/모형

1을 사용하였다. 일반적으로 난류유동에 대한 지배방정식으로 연속방정식, Reynolds averaged Navier Stokes (RANS) 방정식을 人卜용하며, ANSYS CFX 는 지배방정식의 이산화방법으로는 FEM(finite element method) based FVM(finite volume method)을 사용한다. 유한요소법에서 사용하는 형상함수의 개념을 이용하여 적분에 필요한 Integration Point의 값이나 Gradient를 보다 정확하게 구할 수 있다.

성능/효과

현장점검과 진동측정 Data를 분석한 결과 내부 유체의압력변동 주파수성분과 진동 주파수 성분이 일치함을알 수 있었으며 입구측의 미약한 압력변동이 팬 및 주변 구조물을 통과하면서 진동이 증폭됨을 알 수 있었다. 따라서 유인송풍기 및 덕트 내부를 유동해석을 통해 평가하고 이에 대한 개선방안과 타당성 검증하고자 다음과 같은 업무를 수행하였다.
기초자료 검토결과 송풍기의 설계풍량은 19, 509(m3 /min), 설계풍압 567mmAq 이며 설계풍량에 비해저풍량 상태로 서징이 발생할 가능성이 큰 것으로 나타났다. 서징은 송풍기의 토출구를 점진적으로 닫아 가면서 운전 할 때 소풍량에서 풍량 - 풍압곡선이 우측으로올라가는 특성의 풍량부분에서 지금까지 조용히 운전되던 송풍기가 풍압과 풍량이 맥동하면서 소음이 발생하고 진동을 일으켜 심한 경우에는 운전이 불가능하게 된다.
Inlet 조건으로는 운전조건별 각종모니터링 값과 설계 값을 토대로 [표 1]과 같은 조건에의해 입구유속을 결정하였으며, 출구는 대기에 개방되어 있으므로 대기압에 해당하는 압력조건을 적용하였다. 측정된 결과에 의하면 진동현상은 출력 50%이하에서 진동이 크게 나타났다.
도출하여 현재 상태와 비교하였다. 그 결과 Case 2인 경우는 유인송풍기의 후단에 (―) 압력이 발생하는것으로 나타나서 본 설비에서는 Inlet Hole을 설치하는방법이 효과가 뛰어난 것으로 판단된다. Inlet Hole의크기를 변경하는 조건인 Case 3~Case 5의 해석결고} 를 분석해 보면 Inlet Hole이 클수록 진동은 감소되는경향을 보이나 일정크기 이상일 경우 오히려 진동이 발생할 가능성이 큰 것으로 나타났다.
그 결과 Case 2인 경우는 유인송풍기의 후단에 (―) 압력이 발생하는것으로 나타나서 본 설비에서는 Inlet Hole을 설치하는방법이 효과가 뛰어난 것으로 판단된다. Inlet Hole의크기를 변경하는 조건인 Case 3~Case 5의 해석결고} 를 분석해 보면 Inlet Hole이 클수록 진동은 감소되는경향을 보이나 일정크기 이상일 경우 오히려 진동이 발생할 가능성이 큰 것으로 나타났다. [표 4]는 개선(안에따른 각각의 Case 별 해석결과이다.
출력조건 별 유동해석결과 출력조건 O~50%에서진동이 발생될 가능성이 큰 것으로 판단되며 Case Study 결과 Case 2의 Bypass Line을 설치하는 방법과 Case 3~Case 5의 Inlet Hole을 설치하는 방법을 검토한 결과 Case 3~Case 5의 Inlet Hole을설치할 경우가 진동 발생 가능성이 적을 것으로 판단된다. 또한 Inlet Hole의 크기는 1.
7m 일때 가장 진동이 적게 나타날 것으로 판단되며 이때의 유량은 약 130-200 인 것으로 평가되었다. 그러나 유동해석의 결과와 실제 현장 여건은 다소상이한 요인이 존재하므로 가변형 Inlet Hole을 2m X 0.7m로 설치하고 미세 조정을 통해 현장여건에 맞게 조정하는 것이 보다 봐람직할 것으로판단된다. 이밖에도 가변형 Inlet Hole의 운영시 저출력조건인。~ 80% 조건에는 Inlet Hole을 기!방하고 고출력조건인 80-100% 조건일 경우 Inlet Hole을 닫고 운전하는것이 바람직할 것으로 나타났다.

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