[논문]냉각공기의 예냉각이 가스터빈 복합발전 성능에 미치는 영향

권익환; 강도원; 강수영; 김동섭

doi:10.3795/ksme-b.2012.36.2.171

냉각공기의 예냉각이 가스터빈 복합발전 성능에 미치는 영향
Influence of Precooling Cooling Air on the Performance of a Gas Turbine Combined Cycle 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.36 no.2 = no.317, 2012년, pp.171 - 179

권익환 (인하대학교 대학원) , 강도원 (인하대학교 대학원) , 강수영 (인하대학교 대학원) , 김동섭 (인하대학교 기계공학과)

초록
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고온부에 해당하는 터빈 노즐과 로터의 냉각은 가스터빈의 성능에 큰 영향을 미친다. 본 연구에서는 냉각 공기의 예냉각이 가스터빈과 복합화력 발전 성능에 미치는 영향을 알아보았다. 계산에 사용된 모델은 F-Class 가스 터빈이며 냉각을 고려한 터빈의 구성요소를 사용해 냉각공기의 변화에 대해 보다 정확한 모사를 구사하였다. 냉각공기의 예냉각에 따른 가스터빈의 성능변화를 나타내기 위해 탈설계 해석이 수행되었다. 노즐 및 로터의 냉각에 따른 성능 변화를 보다 정확하게 나타내기 위해 열역학적 냉각모델과 속도삼각형을 고려한 모델이 고려되었다. 또한 복합발전의 경우 냉각공기에서 추출된 열을 하부사이클에서 회수하여 스팀터빈을 구동하는데 추가적인 열을 공급하는 시스템이 구성되었다. 복합발전 시스템의 모든 냉각공기의 온도를 200K 예냉각하는 경우에 주유동가스의 유량증가로 인해 약 1.78%의 출력 증가를 나타내었으며 동일한 터빈 입구온도 유지를 위한 연료소모의 증가로 효율은 0.70% 포인트 감소하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Cooling of hot sections, especially the turbine nozzle and rotor blades, has a significant impact on gas turbine performance. In this study, the influence of precooling of the cooling air on the performance of gas turbines and their combined cycle plants was investigated. A state-of-the-art F-class gas turbine was selected, and its design performance was deliberately simulated using detailed component models including turbine blade cooling. Off-design analysis was used to simulate changes in the operating conditions and performance of the gas turbines due to precooling of the cooling air. Thermodynamic and aerodynamic models were used to simulate the performance of the cooled nozzle and rotor blade. In the combined cycle plant, the heat rejected from the cooling air was recovered at the bottoming steam cycle to optimize the overall plant performance. With a 200K decrease of all cooling air stream, an almost 1.78% power upgrade due to increase in main gas flow and a 0.70 percent point efficiency decrease due to the fuel flow increase to maintain design turbine inlet temperature were predicted.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

⁽⁸⁾ 냉각공기의 유량 및 온도는 가스터빈의 성능에 많은 영향을 미치는 변수 중 하나이다. 따라서 본 연구에서는 현재 가동되고 있는 다양한 F-Class 가스터빈 중 하나를 선정하여 기 설계된 가스터빈에 예냉각을 적용하였을 경우 냉각유량의 변화에 의한 출력 및 효율 변화를 살펴보았다.

가설 설정

(2) 주 유동가스의 증가한 양에 의해 터빈 입구에서의 압력상승을 동반한다. 이는 압축기와의 매칭에 의해 압축기에서 압력과 소모동력을 증가를 가져온다.
를 결정하면 나머지 항은 가스터빈의 모델링으로부터 모두 알아낼 수 있다. 1단 노즐 및 로터 블레이드와 2단 노즐의 경우 표면 온도는 냉각을 통해 1143.2K(870 ℃)로 일정하게 유지된다고 가정하였고, 2단 로터는 1083.2K(810 ℃), 3단의 노즐은 1023.2K(750 ℃)를 유지한다고 가정하였다. 이 온도는 블레이드의 최대 표면온도로 블래이드의 온도분포 중 가장 높은 온도로 생각할 수 있다.
탈설계 운전 조건에서는 노즐 출구에서의 유동 각도(α2)가 설계점과 일정하게 유지된다고 가정하였으며, 터빈으로 유입되는 주 유동의 질량유량이 변화할 때 터빈으로 유입되는 속도인 Ca 가 변화하며 이때 선속도인 U는 일정하게 유지되므로 터빈으로 유입되는 상대 속도 성분인 W2가 변화하는 것을 모사할 수 있다.

제안 방법

F-Class 가스터빈 및 복합발전 시스템에 냉각공기 예냉각을 적용, 탈설계 해석을 수행하여 시스템의 성능 변화를 살펴보았다. 예냉각에 따른 시스템의 성능변화는 다음과 같다.
가스터빈 및 시스템 모델링은 상용 프로그램인 GateCycle⁽⁹⁾을 사용하였으며 실제 가스터빈의 성능⁽¹⁰⁾과 모델링을 통해 계산된 가스터빈의 성능비교를 Table 1에 나타내었고 이때의 압축기와 각 단의 터빈효율 등을 나타내었다. Fig. 1 에 나타낸 바와 같이 가스터빈의 터빈부는 냉각공기의 영향을 보다 자세하게 모사하기 위해 개별 단으로 나누었고 각 단은 노즐과 로터의 냉각을 구분하여 모델링 하였다. 터빈은 모두 3단으로 구성되어 있으며, 1단과 2단은 노즐과 로터의 냉각이, 3단은 노즐의 냉각만을 적용하여 모사하였다.
이를 위해 각 단별로 속도 삼각형을 구성하였고, 속도 삼각형의 형태는 터빈의 설계 시 사용되는 무차원수를 사용하여 계산하였다. 단순 가스터빈 시스템뿐만 아니라 열회수 보일러(Heat Recovery Steam Generator, HRSG)를 사용한 복합화력 발전 시스템에서의 해석도 함께 수행하였고 복합화력 발전 시스템에서 예냉각 시 열교환기에서 발생하는 열을 HRSG에서 회수되도록 하여 스팀의 발생량을 증가시킬 수 있는 시스템을 구성하고 해석하였다.
또한 예냉각이 적용된 가스터빈을 사용하여 복합화력 발전시스템을 구성하였을 때 전체 시스템의 성능변화를 나타내었으며 추가적으로 예냉각 시 발생하는 열을 하부사이클로 회수하였을 경우를 살펴보았다. 이때 예냉각에 사용되는 유체는 HRSG 내의 물을 사용하게 되며 이는 Fig.
먼저 기 제작된 가스터빈의 출력, 효율, 알려진 주요 변수들의 값을 사용하여 가스터빈 모델링을 하였다. 모델링 시 터빈과 냉각공기에 의한 영향을 보다 자세하게 나타내기 위해 터빈은 각각의 단으로 구분을 하고 단별로 노즐과 로터의 냉각을 모사하였다.
먼저 기 제작된 가스터빈의 출력, 효율, 알려진 주요 변수들의 값을 사용하여 가스터빈 모델링을 하였다. 모델링 시 터빈과 냉각공기에 의한 영향을 보다 자세하게 나타내기 위해 터빈은 각각의 단으로 구분을 하고 단별로 노즐과 로터의 냉각을 모사하였다. 완성된 모델링을 바탕으로 실제 가스터빈에 예냉각을 적용하였을 경우를 모사하기 위해 냉각공기 온도 변화에 대한 탈설계 해석을 수행하였다.
복합 발전 시스템에서 가스터빈부는 탈설계 해석을 하였지만 하부사이클인 HRSG와 스팀터빈 부분은 탈설계 해석을 하지 않고 설계점 해석을 하였다.
각 냉각유로는 1단 터빈의 노즐과 로터, 2단 터빈의 노즐과 로터, 그리고 3단의 노즐로 유입되는 3개의 유로이며 총 3개의 열교환기를 통해 예냉각 하게 된다. 예냉각의 계산은 노즐에서 사용되는 냉각공기만 예냉각하였을 경우(NZ)와, 노즐과 로터의 냉각공기 모두를 예냉각 하였을 경우(NZ + RT)로 나누었다.
모델링 시 터빈과 냉각공기에 의한 영향을 보다 자세하게 나타내기 위해 터빈은 각각의 단으로 구분을 하고 단별로 노즐과 로터의 냉각을 모사하였다. 완성된 모델링을 바탕으로 실제 가스터빈에 예냉각을 적용하였을 경우를 모사하기 위해 냉각공기 온도 변화에 대한 탈설계 해석을 수행하였다. 터빈 로터는 고속으로 회전하는 회전체이기 때문에 로터의 온도는 회전을 고려한 상대온도로서 고려해야 한다.
터빈 로터는 고속으로 회전하는 회전체이기 때문에 로터의 온도는 회전을 고려한 상대온도로서 고려해야 한다. 이를 위해 각 단별로 속도 삼각형을 구성하였고, 속도 삼각형의 형태는 터빈의 설계 시 사용되는 무차원수를 사용하여 계산하였다. 단순 가스터빈 시스템뿐만 아니라 열회수 보일러(Heat Recovery Steam Generator, HRSG)를 사용한 복합화력 발전 시스템에서의 해석도 함께 수행하였고 복합화력 발전 시스템에서 예냉각 시 열교환기에서 발생하는 열을 HRSG에서 회수되도록 하여 스팀의 발생량을 증가시킬 수 있는 시스템을 구성하고 해석하였다.
1 에 나타낸 바와 같이 가스터빈의 터빈부는 냉각공기의 영향을 보다 자세하게 모사하기 위해 개별 단으로 나누었고 각 단은 노즐과 로터의 냉각을 구분하여 모델링 하였다. 터빈은 모두 3단으로 구성되어 있으며, 1단과 2단은 노즐과 로터의 냉각이, 3단은 노즐의 냉각만을 적용하여 모사하였다. 각 터빈의 노즐 및 로터에서 사용되는 냉각공기의 유량과 온도, 블레이드 입구온도를 Table 2에 나타내었다.

대상 데이터

각 터빈의 노즐 및 로터에서 사용되는 냉각공기의 유량과 온도, 블레이드 입구온도를 Table 2에 나타내었다. 냉각에 사용되는 유체는 압축기에서 추출되는 공기이며 압축기의 12단, 15단, 18단에서 각각 추출되어 터빈으로 공급된다. 알려진 실제 가스터빈과 모델링 결과의 출력 및 효율 등의 오차는 모두 1% 이내이다.
본 연구에서 해석에 사용된 F-Class 급의 가스터빈 모델은 GE 사의 7FA 이며 대형 복합 발전에 적합한 성능을 내도록 설계되어 있다. 가스터빈 및 시스템 모델링은 상용 프로그램인 GateCycle⁽⁹⁾을 사용하였으며 실제 가스터빈의 성능⁽¹⁰⁾과 모델링을 통해 계산된 가스터빈의 성능비교를 Table 1에 나타내었고 이때의 압축기와 각 단의 터빈효율 등을 나타내었다.
단순 가스터빈 시스템에 비해 복합발전 시스템에서의 가스터빈 출력이 낮은 것은 HRSG에서의 압력손실에 의해 가스터빈의 출구 압력이 높아지기 때문이다. 시스템 모델링에 적용된 HRSG는 F-Class 가스터빈의 배출가스를 효과적으로 활용할 수 있도록 삼중압(Triple pressure)의 설계를 채용하고 재열(Reheat)을 포함하였다.

이론/모형

본 연구에서 해석에 사용된 F-Class 급의 가스터빈 모델은 GE 사의 7FA 이며 대형 복합 발전에 적합한 성능을 내도록 설계되어 있다. 가스터빈 및 시스템 모델링은 상용 프로그램인 GateCycle⁽⁹⁾을 사용하였으며 실제 가스터빈의 성능⁽¹⁰⁾과 모델링을 통해 계산된 가스터빈의 성능비교를 Table 1에 나타내었고 이때의 압축기와 각 단의 터빈효율 등을 나타내었다. Fig.
냉각공기 예냉각을 할수록 냉각공기의 온도가 낮아지므로 이 변화는 동일한 블레이드 온도를 유지하기 위해 필요한 냉각공기의 유량을 결정하는데 주요한 인자가 된다. 본 연구에서는 선행연구⁽¹¹⁾에서 수행된 다음의 열역학적 모델을 적용하여 냉각공기의 유량을 결정하는데 사용하였다.

성능/효과

(1) 냉각공기의 예냉각을 늘릴수록 동일한 터빈블레이드 온도를 유지하기 위한 냉각공기의 유량은 감소한다. 반면에 줄어든 냉각공기의 유량에 의해 주 유동가스의 유량은 증가한다.
(4) 복합발전 시스템에서는 단순가스터빈의 경우와 동일하게 출력은 증가하고 효율은 감소하는 경향을 나타내며, 예냉각 시 발생한 열을 하부사이클에서 회수하여 사용하였을 경우 하부 사이클의 출력 증가로 인해 시스템의 출력은 더 크게 상승하며 효율은 노즐의 냉각공기만 예냉각 하였을 경우보다 더 높은 수준을 유지한다.
추가적인 출력향상으로 노즐과 로터의 냉각공기를 모두 예냉각을 하였을 경우도 효율은 노즐 냉각공기만 예냉각 하였을 경우보다 높은 수준이고, 출력은 그보다 더 높은 증가를 나타내는 것을 알 수 있다. 노즐과 로터의 냉각공기 모두 200K 냉각시키고 하부사이클로 열을 회수하였을 때 출력은 4.68MW 증가하고 효율은 0.70 퍼센트 포인트 감소하는 것으로 나타났다.
높아진 압력비에 의해 압축기는 효율 및 유량 등이 모두 변하게 된다. 노즐과 로터의 냉각공기 온도가 예냉각에 의해 약 200K만큼 감소하였을 경우 압축기의 소모동력은 최대 5.85MW 증가하는 것으로 나타났다. 압축기의 소모동력이 증가함에도 불구하고 시스템의 순출력이 증가하는 것은 소모동력의 증가보다 주 유동가스 유량 증가에 의한 터빈출력이 상승이 더 크기 때문이며, 효율이 감소하는 것은 동일한 TIT를 유지하기 위해 연료 사용의 증가에 의한 것이라고 할 수 있다.
노즐에 사용되는 냉각공기만 냉각하였을 경우와 노즐과 로터에 사용되는 냉각공기를 모두 냉각하였을 경우를 비교하여 살펴보면 노즐의 냉각공기만 냉각하였을 경우의 출력의 상승 정도가 노즐과 로터의 냉각공기를 모두 냉각하였을 경우보다 적게 나타나지만 효율은 덜 감소하는 것으로 나타났다. 이는 냉각공기의 예냉각이 많이 이루어질수록 출력과 효율의 변화폭이 커진다는 것을 나타낸다.
하지만 이보다 터빈 입구에서 주 유동가스 유량의 증가로 인한 터빈출력 증가량이 더 크므로 순 출력은 증가하게 된다. 또한 주 유동가스의 유량증가에 의해 TIT를 일정하게 유지하기 위한 연료 소모가 증가하여 효율은 감소한다.
터빈으로 유입되는 가스의 속도는 질량유량과 가스의 밀도 등에 의해 결정되며, 로터 블레이드의 입구온도는 이러한 속도성분을 고려해야 한다. 로터에 대한 속도 성분은 Fig. 3과 같은 터빈의 속도 삼각형을 통해 알아낼 수 있으며, 속도 삼각형을 그리기 위한 반동도, 유량계수, 부하계수, 로터의 선속도 및 각 절대, 상대 각도와 속도 등은 터빈 설계 시 사용되는 적합한 범위 내에서 선택되었다.^(13,14) 또한 노즐 출구에서의 절대온도 성분은 주 유동가스와 노즐의 냉각공기가 혼합된 온도이다.
HR을 했을 경우 회수열에 의해 스팀 생성량이 증가하고 이를 통해 하부사이클에서의 출력 향상을 보여주고 있다. 추가적인 출력향상으로 노즐과 로터의 냉각공기를 모두 예냉각을 하였을 경우도 효율은 노즐 냉각공기만 예냉각 하였을 경우보다 높은 수준이고, 출력은 그보다 더 높은 증가를 나타내는 것을 알 수 있다. 노즐과 로터의 냉각공기 모두 200K 냉각시키고 하부사이클로 열을 회수하였을 때 출력은 4.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	예냉각 방식은 무엇인가?	블레이드를 고온의 가스로부터 보호하기 위해서는 냉각공기를 압축기로부터 추출해서 바로 사용하는 방법뿐만 아니라 외부 열교환기를 사용하여 냉각공기를 냉각하는 예냉각 방식 또한 적용될 수 있다. 예냉각은 가스터빈에서 필요한 냉각공기의 유량을 줄일 수 있는 방법 중 하나이며, 가스터빈의 설계에 있어서 냉각공기의 예냉각이 성능에 미치는 영향이 이전에 연구된 바 있다.
	가스터빈의 대표적인 냉각공기를 이용한 냉각기술은 무엇이 있는가?	때문에 최신의 가스터빈은 이를 방지하기 위해 블레이드 코팅과 냉각공기를 이용한 냉각기술을 적용하고 있다. 현재 가장 대표적인 냉각방법은 압축기에서 압축되는 공기를 압축기 중간과 끝에서 추출해 블레이드 내부로 공급하는 방법이다. 가스터빈의 TIT가 높아지고 출력이 증가하면서 압축기로부터 사용되는 2차 유동인 냉각공기의 양도 증가하기 때문에 터빈의 주 유동뿐만 아니라 냉각공기도 가스터빈의 성능에 많은 영향을 미치게 된다.
	발전용 대형가스터빈의 터빈 입구온도가 높을 경우 어떤 현상이 발생하는가?	현재 가장 널리 쓰이고 있는 발전용 가스터빈은 F-Class로 약 1400℃ 의 TIT를 가진다. 높은 TIT로 인해 터빈의 노즐과 로터 블레이드는 고온의 가스에 노출되며 열 손상을 입을 수 있다. 때문에 최신의 가스터빈은 이를 방지하기 위해 블레이드 코팅과 냉각공기를 이용한 냉각기술을 적용하고 있다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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