[논문]터빈 블레이드 온도 변화를 고려한 증기분사 가스터빈 열병합발전 시스템의 성능해석

강수영; 김정호; 김동섭

doi:10.5293/kfma.2012.15.6.018

터빈 블레이드 온도 변화를 고려한 증기분사 가스터빈 열병합발전 시스템의 성능해석
Performance Analysis of a Steam Injected Gas Turbine Combined Heat and Power System Considering Turbine Blade Temperature Change 원문보기

유체기계저널 = Journal of fluid machinery, v.15 no.6 = no.75, 2012년, pp.18 - 24

강수영 (인하대학교 대학원) , 김정호 (인하대학교 대학원) , 김동섭 (인하대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

This study simulated the operation of a steam injected gas turbine combined heat and power (CHP) system. A full off-design analysis was carried out to examine the change in the turbine blade temperature caused by steam injection. The prediction of turbine blade temperature was performed for the operating modes suggested in the previous study where the limitation of compressor surge margin reduction was analyzed in the steam injected gas turbine. It was found that both the fully injected and partially injected operations suggested in the previous study would cause the blade temperature to exceed that of the pure CHP operation and the under-firing operation would provide too low blade temperature. An optimal operation was proposed where both the turbine inlet temperature and the injection amount were modulated to keep both the reference turbine blade temperature and the minimum compressor surge margin. The modulation was intended to maintain a stable compressor operation and turbine life. It was shown that the optimal operation would provide a larger power output than the under-firing operation and a higher efficiency than the original partially injected operation.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

에서는 증기분사 운전시 압축기의 서지마진 감소에 초점을 맞춰 열병합운전(CHP)과 전량분사운전(FSTIG)에서 서지마진을 분석한 뒤, 10%의 안정적인 서지마진을 유지하는 운전들(UF, PSTIG)을 제시하였다. 본 연구에서는 기존 연구에서 제시된 운전 모드들에 대해서 블레이드 온도를 예측하고 서지마진과 블레이드 온도의 제한 조건을 동시에 고려한 최적의 증기분사 운전 조건을 도출하고자 하였다.
설계 온도보다 높게 장시간 운전되면 블레이드 재료의 수명이 상당히 영향을 받을 것이므로 가급적 회피되어야 할 것이다. 본 연구에서는 증기분사가 없는 운전과 비교하여 여러 가지 증기분사 운전들에 있어서 블레이드 온도의 변화를 분석하고 이 결과와 기존 연구⁽⁷⁾에서 수행한 압축기 서지마진의 한계를 고려한 성능 분석 결과를 바탕으로 하여 서지마진과 블레이드 온도의 제한 조건을 함께 고려한 최적의 운전 조건을 제시하고자 한다.

가설 설정

HRSG의 각 구성부에서의 고온부(가스)측의 열전달 계수는 저온부(물, 증기)측의 열전달 계수에 비하여 작다. 따라서 탈설계 해석 시 총괄 열전달 계수는 고온부 가스 유량에 주로 영향을 받는 것으로 가정하여 다음 식으로 모사하였다⁽¹⁷⁾.

제안 방법

1) 증기분사 운전 시 터빈에 발생할 수 있는 문제점인 블레이드 온도를 열역학적 모델로 분석하였다. 첫 단 노즐의 블레이드 온도에 초점을 맞추어 기존 연구에서 제시된 운전들의 블레이드 온도를 분석하였다.
2) PSTIG 운전에서 분사되는 증기의 양을 늘리고 터빈 입구 온도를 감소시켜 10%의 서지마진을 유지시킴과 동시에 터빈의 첫 단 노즐 블레이드 온도를 CHP 운전과 동일하게 유지시키는 최적 운전을 모사하였다. 최적 운전은 UF 운전에 비해 높은 출력과 PSTIG 운전에 비해 높은 효율을 나타내었다.
가스터빈은 일반적으로 많이 알려진 상용 가스터빈의 스펙을 사용하여 모델링하였으며^(10,11), 해당 가스터빈을 이용하여 열병합 발전을 구성하였다. 구성된 전체 발전 시스템의 개략도와 설계 변수 및 성능을 Fig.
증기분사가 터빈 블레이드 온도에 미치는 영향을 보기 위하여 다음의 냉각 모델을 사용하였다. 가장 열부하가 큰 첫 단의 노즐의 블레이드 온도만 예측하였다. 이 때 사용된 냉각성능과 cooling 모델⁽¹⁴⁾은 다음과 같다.
그러나 UF 운전에서는 높은 외기온도 시에 압축기 서지마진을 확보하기 위해 터빈입구온도를 조절하였기 때문에 시스템의 효율이 최적화 되지 못하였고, 이에 따라 블레이드 온도가 너무 많이 감소하였기 때문에 운전 조건에 보완이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 앞서 분석된 터빈의 안정적인 운전(설계 블레이드 운전 유지)과 기존 연구에서 제시된 증기분사 운전 시 압축기의 안정적인 운전(최소 서지마진 확보)을 모두 만족하는 최적의 운전을 넒은 외기온도 조건에서 분석하였다.
배열회수 보일러(Heat Recovery Steam Generator,이하 HRSG)는 단압(single pressure)으로 설계되었으며, 절탄기, 증발기, 과열기 섹션으로 구성되었다. 물 공급 온도는 15°C, 증기압력은 3MPa 로 설정하였다.
따라서 가스터빈의 변하는 작동점을 예측할 수 있는 탈설계 해석이 필요하다. 본 연구에서는 탈설계 해석을 위하여 압축기에서는 압축기 성능선도를 사용하였고, 터빈에서는 초킹 조건을 사용하여 가스터빈의 매칭을 고려하였다.
1) 증기분사 운전 시 터빈에 발생할 수 있는 문제점인 블레이드 온도를 열역학적 모델로 분석하였다. 첫 단 노즐의 블레이드 온도에 초점을 맞추어 기존 연구에서 제시된 운전들의 블레이드 온도를 분석하였다. FSTIG 운전과 PSTIG 운전에서는 분사가 없는 기준 운전 상태인 CHP 운전에 비하여 블레이드 온도를 초과하는 것으로 분석되었으며, 터빈 입구온도를 조절한 UF 운전만이 안정적인 블레이드 온도를 나타내었다.
5로 설정하였다. 총 냉각공기의 양은 참고문헌^(10,11)의 성능(출력, 효율)에 근접한 성능을 얻도록 하는 과정을 통해서 압축기 입구 공기 유량의 19.8%로 설정하였다.
탈설계 시에 필요한 압축기 성능선도는 제작사로부터 자료가 공개 되지 않기 때문에 일반적인 압축기 성능선도를 사용하였으며, 이를 Fig. 2에 나타내었다.⁽¹²⁾ 이 성능선도에 따르면 논문에서 설정한 가스터빈은 설계점에서 약 20%의 서지마진을 가지게 된다.

이론/모형

1과 Table 2에 나타내었다. 시스템 모델링에는 상용 프로그램인 GateCycle⁽¹²⁾을 사용하였다. 시스템의 구성과 기준 설계 성능은 기존 연구⁽⁷⁾와 동일하다.

성능/효과

FSTIG운전 시 일정 온도이상의 외기온에서는 서지마진이 너무 작아져서 전량분사 운전이 불가능했다.⁽⁷⁾ UF 운전을 제외한 운전에서는 설계 터빈 입구온도가 유지된다. 모든 운전에서 압축기의 작동조건에 따라 냉각유량이 변화한다.
Table 2에 나타낸 성능은 알려진 엔진의 성능 자료를 잘 재현하고 있다.⁽⁷⁾ 본 절에서 설명되는 기본적인 성능 계산 모델링은 기존 연구⁽⁷⁾와 동일하며, 터빈 블레이드 온도 변화 효과 등을 고찰하기 위해서 터빈냉각 모델링이 추가되었다.
첫 단 노즐의 블레이드 온도에 초점을 맞추어 기존 연구에서 제시된 운전들의 블레이드 온도를 분석하였다. FSTIG 운전과 PSTIG 운전에서는 분사가 없는 기준 운전 상태인 CHP 운전에 비하여 블레이드 온도를 초과하는 것으로 분석되었으며, 터빈 입구온도를 조절한 UF 운전만이 안정적인 블레이드 온도를 나타내었다.
UF 운전은 생성되는 증기를 전량 분사하고 터빈입구온도(TIT)를 조절하여 서지마진을 10%로 유지하는 운전이며, PSTIG 운전은 터빈입구온도를 설계값으로 유지하고 분사되는 증기량을 조절하여 안정적인 서지마진을 유지하는 운전이다. Under-firing 운전은 출력 상승에, 부분분사 운전은 효율 상승에 이점을 가지는 것으로 나타났다.
냉각효율은 FSTIG 운전, UF 운전, PSTIG 운전 그리고 CHP 운전의 순으로 높아지는데 이는 압축기의 작동조건에 의한 냉각공기의 온도 및 유량과 터빈 주 유동 가스의 유량에 따른 결과, 즉 Fig. 3∼5의 내용이 종합적으로 반영된 결과이다.
분석 결과 전량분사운전은 외기온도 15°C 이상에서는 서지마진의 값이 0이 되어 더 이상 운전이 불가능하였다.
에서 제시된 운전 중 UF 운전과 PSTIG 운전이 서지마진을 10%로 유지하여 압축기의 안정적인 운전에 중점을 둔 운전이었다. 앞 절의 분석에서 두 운전에 대한 블레이드 온도의 분석결과, UF 운전으로 CHP 운전에서의 블레이드 온도를 넘지 않는 것이 가능하다는 결과를 얻을 수 있었다. 그러나 UF 운전에서는 높은 외기온도 시에 압축기 서지마진을 확보하기 위해 터빈입구온도를 조절하였기 때문에 시스템의 효율이 최적화 되지 못하였고, 이에 따라 블레이드 온도가 너무 많이 감소하였기 때문에 운전 조건에 보완이 필요하다.
최적 운전은 UF 운전에 비해 높은 출력과 PSTIG 운전에 비해 높은 효율을 나타내었다. 이는 증기분사 운전 시 나타날 수 있는 압축기 서지마진의 과도한 감소와 터빈 수명 단축 문제를 극복할 수 있는 운전이며, CHP 운전에 비해 충분히 높은 출력과 효율을 나타내는 것으로 분석되었다.
분석 결과 전량분사운전은 외기온도 15°C 이상에서는 서지마진의 값이 0이 되어 더 이상 운전이 불가능하였다. 제조사에서 허용하는 최소 서지마진을 따르는 것이 가장 안전할 것이지만 특별한 정보가 없는 상황에서 기존 연구와 본 연구에서는 10% 서지마진을 유지하는 운전을 안정적인 압축기 운전으로 설정하였다. 이를 통해서 Table 1과 같은 압축기 서지마진이 안정적인 범위로 확보되는 운전을 제시하였다.
물론 가장 높은 효율의 운전을 원하는 경우, 특히 높은 외기온도를 나타내는 계절에는 UF 운전으로 전환하는 방법 또한 활용할 수 있으나 일반적으로 높은 외기온도를 나타내는 계절에는 피크부하가 높아지는 것을 생각하면 출력에 이득을 볼 수 있는 최적 운전이 적합하다고 할 수 있다. 추가로 최적 운전은 PSTIG 운전에 비해 분사되는 증기량이 증가하기 때문에 열회수량 또한 그에 따라 감소한 것을 확인할 수 있다.

후속연구

반면 앞선 두 번째 문단에서 간단히 언급한 바와 같이 증기분사를 하면서도 터빈입구온도 (즉 연소기 출구 온도)를 설계값과 동일하게 유지하여 운전하고자 하면 압축기의 서지마진 감소와 더불어 터빈 블레이드 온도 증가라는 문제점이 발생하게 된다. 블레이드 온도 상승의 원인에 대해서는 추후 본문 중에 충분히 서술될 것이다. 설계 온도보다 높게 장시간 운전되면 블레이드 재료의 수명이 상당히 영향을 받을 것이므로 가급적 회피되어야 할 것이다.
블레이드 온도 상승의 원인에 대해서는 추후 본문 중에 충분히 서술될 것이다. 설계 온도보다 높게 장시간 운전되면 블레이드 재료의 수명이 상당히 영향을 받을 것이므로 가급적 회피되어야 할 것이다. 본 연구에서는 증기분사가 없는 운전과 비교하여 여러 가지 증기분사 운전들에 있어서 블레이드 온도의 변화를 분석하고 이 결과와 기존 연구⁽⁷⁾에서 수행한 압축기 서지마진의 한계를 고려한 성능 분석 결과를 바탕으로 하여 서지마진과 블레이드 온도의 제한 조건을 함께 고려한 최적의 운전 조건을 제시하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	소형 가스터빈의 단점은 무엇인가?	또한 발전 요금이 고가인 피크부하 시간대에는 추가적인 전력 수급을 위하여 사용되기도 한다. 소형 가스터빈은 대형 가스터빈에 비하여 비교적 낮은 효율을 가지므로 이에 대한 개선을 위하여 많은 연구들이 진행되어 왔다. 개선 방법 중 가장 효과적인 것은 가습 가스터빈(humidified gas turbine)이며, 이 중에서도 증기분사 사이클이 채택되어 비교적 많은 연구가 진행 되었다.
	증기분사 없이 설계된 엔진에 증기를 분사할 때 고려해야 할 문제점은 무엇인가?	그러나 증기분사 없이 설계된 엔진에 증기를 분사할 때 고려해야 할 문제점들도 있다. 우선, 증기분사로 인해서 터빈 유량이 증가하게 되면 터빈입구온도를 이전과 동일하게 유지하여 운전할 때 압축기와 터빈의 작동 조건 매칭에 의해서 터빈입구압력, 즉 압축기 출구 압력이 높아짐으로 인해서 압축기 서지마진이 감소한다.(6,7) 또한 압축기출구 공기가 터빈 냉각용으로 사용되므로 압축기출구 압력 증가로 인한 온도의 상승은 터빈 블레이드 온도의 상승으로 이어질 수 있다. 이러한 문제는 낮은 저위 발열량 연료를 사용하는 가스터빈에서도 동일하게 발생한다.
	증기분사 사이클의 목적은 무엇인가?	개선 방법 중 가장 효과적인 것은 가습 가스터빈(humidified gas turbine)이며, 이 중에서도 증기분사 사이클이 채택되어 비교적 많은 연구가 진행 되었다. 증기분사 사이클은 배기가스의 폐열을 회수하여 증기를 생성하고 가스터빈에 분사하는 사이클로써 터빈 유량의 증가를 통하여 출력과 효율을 증대시키는 것이 목적이다. 증기분사 사이클은 성능 증가 효과뿐 아니라 NOx 감소의 효과도 가져올 수 있기 때문에 많은 연구가 진행되어 왔다(1).

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