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문제 정의
- 본 연구에서는 운전 부하 100%, 총 당량비 0.41, 공기 온도 391℃ 등 운전 변수들은 동일하고 P/T 비만 0, 0.27, 0.5 로 다른 A, B, C 를 비교함으로써 실험에서 측정하기 어려웠던 가스터빈 내부 유동을 파악하고자 하였다.
제안 방법
- 파일럿 버너는 부하가 낮은 조건에서 비교적 높은 당량비로 연소해 연소기 전체 화염을 안정화하는 역할을 한다. 파일럿과 메인 버너의 성능이 화염 안정화와 저공해 특성을 결정하는 핵심 부분이기 때문에 전력연구원은 화염 가시화를 위한 상압 연소 시험설비를 구축하여 부하 별, 대기 온도 별로 운전 조건을 정하여 연소 성능 시험을 수행하였다.(4)
- 본 연구에서는 상용 프로그램인 STAR-CCM+(ver 4.02)를 사용하여 파일럿과 메인 버너의 연료 분배율, 운전 부하, 입구 공기 온도에 따른 연소의 변화를 해석하고 전력연구원의 실험 결과와 비교하였다. 또한 CFD 연소해석 결과를 이용해서 연소실 체적을 PSR(Perfectly Stirred Reactor), PFR(Plug Flow Reactor) 및 MIX 와 같은 이상 화학 반응기 요소로 나타내는 영역으로 나누고 가스 유동에 따라 화학반응기 네트워크(CRN)를 구성하여 모델을 개발하고, 운전조건에 따른 NOx 배출을 예측하여 실험치와 비교 분석하였다.
- 02)를 사용하여 파일럿과 메인 버너의 연료 분배율, 운전 부하, 입구 공기 온도에 따른 연소의 변화를 해석하고 전력연구원의 실험 결과와 비교하였다. 또한 CFD 연소해석 결과를 이용해서 연소실 체적을 PSR(Perfectly Stirred Reactor), PFR(Plug Flow Reactor) 및 MIX 와 같은 이상 화학 반응기 요소로 나타내는 영역으로 나누고 가스 유동에 따라 화학반응기 네트워크(CRN)를 구성하여 모델을 개발하고, 운전조건에 따른 NOx 배출을 예측하여 실험치와 비교 분석하였다.
- 전력연구원에서는 DGT-5 가스터빈의 연료 입구, 공기 입구, 노즐을 포함하는 전단부의 성능을 보다 상세히 분석하고자 기존 DGT-5 가스터빈의 전단부를 이용한 모사 연소기를 제작하였다. 모사 연소기는 DGT-5 의 전단부를 원통 모양의 투명한 석영관 라이너에 연결해 노즐 부근의 화염을 육안으로 관찰할 수 있도록 하였다. 모사 연소기의 구조는 Fig.
- 스월러에 의한 회전 유동과 연소기의 복잡한 형상을 고려하여 리얼라이저블(realizable) k-ε 모델과 두 계층 벽처리(two-layer wall treatment) 모델(5)로 난류 유동을 모델링하였다.
- 전력연구원은 상압연소시험을 수행하기 위해 1 atm 하에서 DGT-5 의 운전 조건과 동일한 공기와 연료의 체적유량과 온도를 가지도록 운전 조건을 정하였다. 그리고 표준 상태 대기, 100% 부하 조건에 대해서 다양한 파일럿 연료 비(pilot/total, 이하 P/T 비)를 적용시킨 추가 실험을 수행했다. 전력연구원의 실험 조건 중 본 연구에서 분석한 케이스를 Table 1 에 정리하였다.
- 전력연구원의 실험 조건 중 본 연구에서 분석한 케이스를 Table 1 에 정리하였다. 실험에서는 공기의 온도, 운전 부하, P/T 비에 의한 연소 민감도를 조사하였다. 공기는 수분이 제거된 상태에서 전기히터로 예열되어 연소기로 공급되었고 연료로는 상온의 메탄이 쓰였다.
- 공기는 수분이 제거된 상태에서 전기히터로 예열되어 연소기로 공급되었고 연료로는 상온의 메탄이 쓰였다. 연료 와 공기가 운전 조건에 따라 일정하게 유입되고 화염의 형상이 안정화된 정상 상태에서 측정을 수행하였다. 측정 항목은 석영관 라이너를 통해 관찰된 화염 형상 이미지, 온도, 배기 가스의 화학종 농도이다.
- 온도는 연소기 내부 트랜지션피스(transition piece)와 연소기 출구에서 각각 열전대를 이용해 측정하였다. 트랜지션피스(transition piece)의 굽은 형상의 안쪽 곡면과 바깥쪽 곡면 각각에 대해 유동 진행 방향을 따라 Fig.
- 온도는 연소기 내부 트랜지션피스(transition piece)와 연소기 출구에서 각각 열전대를 이용해 측정하였다. 트랜지션피스(transition piece)의 굽은 형상의 안쪽 곡면과 바깥쪽 곡면 각각에 대해 유동 진행 방향을 따라 Fig. 4(a)의 상부 5 개, 하부 7 개 위치에서 온도를 측정했다. 연소기 출구에서의 온도는 Fig.
- 4(a)의 상부 5 개, 하부 7 개 위치에서 온도를 측정했다. 연소기 출구에서의 온도는 Fig. 5(a)에 표시된 가로 5, 세로 3, 총 15 개의 열전대로 측정했다. 또한 연소기 출구에서 배기 가스를 수집하여 TESTO 360 가스분석기를 이용해 O2, CO2, CO, NO, NO2 각각의 농도를 측정하였다.
- 5(a)에 표시된 가로 5, 세로 3, 총 15 개의 열전대로 측정했다. 또한 연소기 출구에서 배기 가스를 수집하여 TESTO 360 가스분석기를 이용해 O2, CO2, CO, NO, NO2 각각의 농도를 측정하였다.
- 본 연구에서는 유동이 있는 영역을 하나의 연속체로 이루어진 CAD 파일로 제작하여 STAR-CCM+을 이용해 비정형 다면체(polyhedral) 격자를 생성하였다. 벽면에서 구배가 큰 난류 소산율(turbulent dissipation rate)을 고려해 벽면과 접촉하는 부분에는 벽면의 곡면에 대해 단위 격자들의 중심이 평행하게 배치되는 prism layer mesh 를 2 겹으로 생성하였다.
- 2 는 생성한 격자의 단면도이다. 실험과 동일한 벽면의 열전달을 모사하기 위해 연소가 일어나지 않는 연소기 전단부는 단열 조건, 상온의 냉각수 순환에 의해 냉각되는 트랜지션피스(transition piece)는 벽면 온도 28℃ 조건을 적용하였다. 실험에서 석영관 라이너는 벽면을 따라 분사되는 공기와 표면 복사로 냉각된다.
- 실험에서 석영관 라이너는 벽면을 따라 분사되는 공기와 표면 복사로 냉각된다. 본 연구에서는 복사 모델을 고려하지 않았기 때문에 열전달 경계 조건으로 석영관 라이너 벽면에 대류와 복사에 상응하는 일정한 열유속을 적용하였다. 각 케이스에 해당하는 열유속 값은 석영관 벽면의 온도 분포나 냉각 공기 속도에 대한 정보가 부족한 이유로 Fig.
- 6 으로 수정한 mCFM 으로 메탄, 에탄, 프로판의 연료에 대해 난류강도를 바꿔가며 난류화염속도를 예측한 바 있다. mCFM 으로 수치해석 한 모든 케이스에 대해 만족할만한 난류화염속도를 얻었다. Yilmaz 등(7)은 Aluri 등이 제안한 mCFM 과 CFM 으로 메탄을 연료로 한 난류 희박 예혼합 연소를 수치해석하여 반응 과정 변수에 대한 화염면적밀도를 실험 결과와 비교한 바 있다.
- 가운데 부분과 아랫 부분의 온도는 오차가 약 6%로 실험값에 근접하지만 윗부분 온도는 약 12%의 비교적 큰 오차를 나타낸다. 하지만 수치해석의 윗부분, 가운데부분, 아랫부분 온도 분포가 모두 실험 결과와 유사한 추세를 보이므로 실험에서는 냉각이 이루어지고 있는 벽면에 더 가까운 위치에서 윗부분 온도를 측정했으리라 추정된다.
- 9 과 같은 3D CFD 시뮬레이션 결과는 스월 안정화 버너의 전형적인 영역(메인과 파일럿 화염영역, 메인, 파일럿과 돔 재순환영역, 화염 후 영역)의 존재를 보여준다. 그림과 같은 CFD 해석 결과를 이용해서 온도가 650 - 1200K 인 경계온도를 따라 화염영역과 믹싱영역을 나누었다. 그림과 같이 축방향 속도가 0 인 면과 속도 벡터를 이용해서 재순환 영역을 나누었다.
- 그림과 같이 축방향 속도가 0 인 면과 속도 벡터를 이용해서 재순환 영역을 나누었다. 메인 인젝터의 혼합기의 유동은 3 개의 스트림으로 나누고, 파일럿 인젝터의 혼합기 유동은 2 개의 스트림으로 나누어 취급하였다.
- 이 네트워크는 24 개의 PSR, PFR, 그리고 MIX 요소들로 구성된다.(10) 그림에서 볼 수 있듯이 CRN 모델에 사용된 요소들 사이의 유동 분배를 정하기 위해 CFD 결과를 이용하여 각 요소의 표면을 통과하는 유량을 적분하여 구하였다.
- 발전용 희박 예혼합 가스터빈 연소기에 대한 실험을 PCFM 으로 예측하였다. 총 3 개 케이스에 대해 연소기 내 유동과 온도 분포를 분석하였다.
- 발전용 희박 예혼합 가스터빈 연소기에 대한 실험을 PCFM 으로 예측하였다. 총 3 개 케이스에 대해 연소기 내 유동과 온도 분포를 분석하였다. 낮은 당량비로 인한 화염면적밀도 과소 예측을 보정하기 위해 α =9.
- 전력연구원은 상압연소시험을 수행하기 위해 1 atm 하에서 DGT-5 의 운전 조건과 동일한 공기와 연료의 체적유량과 온도를 가지도록 운전 조건을 정하였다. 그리고 표준 상태 대기, 100% 부하 조건에 대해서 다양한 파일럿 연료 비(pilot/total, 이하 P/T 비)를 적용시킨 추가 실험을 수행했다.
대상 데이터
- 벽면에서 구배가 큰 난류 소산율(turbulent dissipation rate)을 고려해 벽면과 접촉하는 부분에는 벽면의 곡면에 대해 단위 격자들의 중심이 평행하게 배치되는 prism layer mesh 를 2 겹으로 생성하였다. 총 격자 개수는 약 390 만 개이다. Fig.
- 이 연구에서 mCFM은 CFM 보다 실험 결과를 정량적으로 더 정확히 예측하였다. 본 연구에서도 메탄을 연료로 한 희박 예혼합 연소를 대상으로 mCFM 을 적용한 PCFM 을 연소 모델로 선택하였다.
- 0 이 CRN 모델 개발 및 검증에 사용되었다. 실험에 사용된 연료는 천연가스이다. Fig.
이론/모형
- 본 연구에서는 CD Adapco 사의 STAR-CCM+4.02 버전을 이용했다. STAR-CCM+는 유한체적법을 이용해 격자 생성에서 후처리까지 하나의 프로그램으로 해석을 수행할 수 있다.
- 로 난류 유동을 모델링하였다. 부분예혼합 연소모델로서 PCFM(Partially-premixed Coherent Flame Model)을 적용했다. PCFM 은 CFM 의 화염면적밀도(flame area density)와 반응 과정 변수(mean progress variable)에 대한 각각의 전달식을 풀고 거기서 구한 반응 과정 변수를 결합변수로 이용해 혼합분율에 기초한 미연(unburned)과 기연(burned) 상태를 일차 결합하여 각 물리량에 대한 값을 얻는다.
- 는 기연 상태의 conserved scalar 이다. 여기서 기연 상태는 평형(equilibrium) PPDF 모델을 적용하였다. 온도, 밀도, 화학종의 농도와 같은 scalar 는 다음과 같이 반응과정 변수와 미연과 기연 상태량의 일차 결합으로 나타낼 수 있다.
- 본 연구에서는 복사 모델을 고려하지 않았기 때문에 열전달 경계 조건으로 석영관 라이너 벽면에 대류와 복사에 상응하는 일정한 열유속을 적용하였다. 각 케이스에 해당하는 열유속 값은 석영관 벽면의 온도 분포나 냉각 공기 속도에 대한 정보가 부족한 이유로 Fig. 4 와 같이 트랜지션피스(transition piece)에서의 온도 측정값과 근사한 수치해석 결과를 얻을 때까지 trial-and-error 방법으로 결정하였다.
- 전체 메탄 산화 메커니즘인 GRI MECH 3.0 이 CRN 모델 개발 및 검증에 사용되었다. 실험에 사용된 연료는 천연가스이다.
성능/효과
- Yilmaz 등(7)은 Aluri 등이 제안한 mCFM 과 CFM 으로 메탄을 연료로 한 난류 희박 예혼합 연소를 수치해석하여 반응 과정 변수에 대한 화염면적밀도를 실험 결과와 비교한 바 있다. 이 연구에서 mCFM은 CFM 보다 실험 결과를 정량적으로 더 정확히 예측하였다. 본 연구에서도 메탄을 연료로 한 희박 예혼합 연소를 대상으로 mCFM 을 적용한 PCFM 을 연소 모델로 선택하였다.
- 파일럿 컵에서의 등고선 밀도가 가장 높아 파일럿 컵에서 안정된 파일럿 화염이 형성되었고, 0 < z < 50 mm 에서 메인 노즐 부근의 등고선 밀도가 높아 그곳이 주 연소 영역임을 알 수 있다.
- 중앙 재순환 영역과 외부 재순환 영역은 P/T 비에 상관 없이 같은 위치에 형성되었으나 강도에는 차이가 있었다. P/T 비가 클수록 강한 파일럿 제트의 영향으로 중앙 재순환 영역의 유속이 작아지고 외부 재순환 영역의 유속이 커짐을 확인했다. 한편 파일럿 컵 내부에서도 재순환 영역이 형성되었지만 높은 P/T 비에서는 파일럿 컵 내부의 고속 제트 때문에 재순환 영역이 생성되지 않았다.
- 본 연구에서 CFD-CRN 접근법이 산업용 연소기의 NOx 배출을 정확히 예측할 수 있음을 보여주었다. 이 방식은 CFD 에 의해서 제공되는 유동 정보와 CRN 에 의해서 제공되는 반응 및 오염물질(NOx, CO 등) 정보를 가지고 각각의 강점을 활용할 수 있다.
후속연구
- 한편 파일럿 컵 내부에서도 재순환 영역이 형성되었지만 높은 P/T 비에서는 파일럿 컵 내부의 고속 제트 때문에 재순환 영역이 생성되지 않았다. 파일럿 컵 내부 화염의 유무는 주 연소 영역의 온도 분포에 영향을 주며 파일럿 컵에 화염을 발생시키기 위한 한계 P/T 비가 가스터빈 운전 조건을 정하는데 중요한 설계 변수가 될 것이다.
- 이 방식은 CFD 에 의해서 제공되는 유동 정보와 CRN 에 의해서 제공되는 반응 및 오염물질(NOx, CO 등) 정보를 가지고 각각의 강점을 활용할 수 있다. 본 연소기의 저 NOx 화를 위해 메인 및 파일럿 인젝터에서 분출되는 혼합기의 균일성을 높이고 저부하조건에서 파일럿 당량비를 낮출 수 있는 설계변경 혹은 운전조건의 변화를 모색하는 것이 필요하다고 판단된다.
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