[논문]200kW급 마이크로 가스터빈 시스템의 설계 변수 민감도 해석

신현동; 강도원; 김동섭; 최문경; 박필제

doi:10.5293/kfma.2012.15.6.039

200kW급 마이크로 가스터빈 시스템의 설계 변수 민감도 해석
Design Parameter Sensitivity Analysis of a 200kW Class Micro Gas Turbine System 원문보기

유체기계저널 = Journal of fluid machinery, v.15 no.6 = no.75, 2012년, pp.39 - 45

신현동 (인하대학교 대학원) , 강도원 (인하대학교 기계공학부) , 김동섭 (인하대학교 기계공학부) , 최문경 (STX 종합기술원 가스터빈팀) , 박필제 (STX메탈(주), 기술연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper describes the outcome of the design of a 200 kW class micro gas turbine and the sensitivity of its performance (efficiency and power) to the variations in major design parameters. The reference design parameters were set up based on the best available component technologies. The resulting net electricity generation efficiency of the micro gas turbine package was found to be competitive to those of other systems in the market. The sensitivities of power and efficiency to the variations in compressor and turbine efficiencies, pressure ratio, turbine inlet temperature, recuperator effectiveness, secondary air ratio, pressure loss ratios of both the cold and hot sides of the recuperator were estimated. Based on the sensitivity data, a simplified method to predict the variation in system performance responding to the combinations of small changes in all design parameters were set up and validated.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

즉, 앞 절에서 살핀 바와 같이 모든 파라미터가 소량 변할 때는 민감도가 거의 선형적으로 변화하므로 선형 변화라는 가정 하에 식 (8), (9)와 같이 선형 식으로 다수 파라미터 변화에 의한 출력 및 효율 변화 민감도를 예상할 수 있다. 본 절에서는 이러한 간편법의 타당성을 검증하고자 한다.

가설 설정

하첨자 g는 주유동 가스를 sa는 2차 공기를 의미한다. 2차 공기가 출력에 기여하는 비율(f)은 50%로 가정하였다. 재생기의 효율은 다음과 같이 정의하였다.
축에는 공기베어링(air bearing)이 사용되는데, 문헌을 참고하여 베어링의 기계적 손실은 시스템 출력의 약 5%로 보수적으로 가정하였다.(11) 발전기도 공기로 냉각되는데 위의 레이아웃에서는 고속 발전기용 냉각 공기를 별도의 공기를 공급하여 냉각하는 방식을 보였다.

제안 방법

1) 설계된 마이크로 가스터빈 시스템은 상용화되어 있는 시스템 대비 동등 수준 이상의 성능을 확보하도록 설계하였다. 특히, 효율 33% 이상을 목표로 설계 파라미터들을 설정하였다.
다음으로 무작위로 파라미터들을 변화시킨 후 간편식으로 예측되는 성능 값과 사이클 해석에 의해 예측된 값을 비교하여 보았다. 변화된 파라미터 값은 압축기효율 2%증가, 압력비 1%증가, 재생기효율 2%감소, 터빈입구온도 1%감소이며, 두 가지 방법으로 계산된 시스템 성능변화를 Table 3에 비교하여 나타내었다.
본 연구에서는 경쟁력 있는 200kW급 엔진의 개발을 위한 설계 성능을 도출하고, 이를 기반으로 하여 압축기효율, 터빈효율, 압력비, 터빈입구온도, 재생기효율, 2차 공기 유량, 재생기 압력 손실 등 주요 설계변수가 성능에 미치는 영향이 분석되었고, 이를 바탕으로 하여 설계 변수 민감도 분석이 이루어졌다. 또한 발전기 냉각방식이 성능에 미치는 영향도 분석하였다. 해석을 위해서 상용프로그램인 Gatecycle 6.
먼저, 사이클 시뮬레이션을 통해 주요설계변수 8개가 단독으로 변할 때의 민감도 분석을 수행 하였다. 해당 파라미터는 1.
5%, 비출력은 141kJ/kg 이다. 목표 출력인 200kW를 상회하기 위해서 압축기입구 공기유량을 1.45kg/s로 설정하여 순 출력 206kW가 가능하도록 하였다.
하첨자 ml은 베어링의 손실(기계적 손실)을 의미한다. 발전기(gen)와 DPC에서의 손실은 효율로서 고려하였다.
각 구성부 사이의 유로(덕트)에서의 압력 손실도 고려되었다. 발전기의 냉각도 베어링 냉각과 유사하게 냉각 공기가 손실을 열로 회수하는 것으로 계산하였다. MGT 시스템의 순출력과 효율은 다음 식들로 계산하였다.
압축기, 터빈 및 발전기는 동일 축에 설치되어 있으며 (단축 설계) 고속으로 회전한다. 본 시스템에서는 최근 기술 추세를 반영하여 감속기어 없이 엔진 축과 직결된 발전기 (high speed motor/generator)를 사용하여 고주파 전기를 생산하고, 전력조절장치 (digital power controller, DPC)에서 고속 교류 전기를 교류-직류-교류의 전환을 통해 저속 교류 전기(60Hz)로 변환하여 외부로 공급하는 형태로 설계되었다.
본 연구에서는 경쟁력 있는 200kW급 엔진의 개발을 위한 설계 성능을 도출하고, 이를 기반으로 하여 압축기효율, 터빈효율, 압력비, 터빈입구온도, 재생기효율, 2차 공기 유량, 재생기 압력 손실 등 주요 설계변수가 성능에 미치는 영향이 분석되었고, 이를 바탕으로 하여 설계 변수 민감도 분석이 이루어졌다. 또한 발전기 냉각방식이 성능에 미치는 영향도 분석하였다.
본 연구에서는 분리형을 기본 방식으로 채용하였고, 다음 3절의 민감도 해석에서도 분리형을 사용한 시스템을 대상으로 하였다.
(11) 발전기도 공기로 냉각되는데 위의 레이아웃에서는 고속 발전기용 냉각 공기를 별도의 공기를 공급하여 냉각하는 방식을 보였다. 이 방식을 기본으로 하여 설계 성능을 예측하되, 2.4절에서 압축기로 공급되는 공기가 먼저 발전기를 냉각하고 압축기로 들어가도록 설계하는 방식에 대해서도 성능을 예측하여 비교가 가능하도록 하였다.
1) 설계된 마이크로 가스터빈 시스템은 상용화되어 있는 시스템 대비 동등 수준 이상의 성능을 확보하도록 설계하였다. 특히, 효율 33% 이상을 목표로 설계 파라미터들을 설정하였다.

대상 데이터

본 연구에서 구상하는 MGT 시스템의 개략도는 Fig. 1과 같으며, 200kW 급 순출력을 목표로 한다. 공기는 압축기에서 가압되고 이중 일부는 베어링 냉각을 위한 2차 공기로 사용되며 나머지 공기는 재생기 저온부에서 터빈 배가스와 열교환을 하여 온도가 상승되어 연소기로 공급된다.
5 이며, 효율은 33∼34%로 예상되었다. 본 연구에서는 기본 설계 값으로서 터빈입구온도 980℃, 압력비 4.2를 선정하였으며, 이 때 효율은 33.5%, 비출력은 141kJ/kg 이다. 목표 출력인 200kW를 상회하기 위해서 압축기입구 공기유량을 1.

성능/효과

2) 고속 발전기의 냉각방식에 있어서 발전기 냉각용 팬의 소모동력이 크지 않다면 입구공기를 통한 냉각방식보다 냉각용 공기를 별도로 순환시키는 것이 시스템 성능을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.
3) 각 구성부 파라미터의 변화가 효율과 출력에 미치는 영향을 살폈으며, 상대적인 변화량이 같다면 터빈 효율이 가장 큰 영향을 미치는 것으로 분석되었다.
1, 2번의 압축기, 터빈 효율은 앞에서 살핀 바와 같다. 3번 압력비의 변화에 대한 성능 변화는 출력 0.50%, 효율 0.01%, 4번 터빈입구온도는 출력 1.77%, 효율 0.73%, 5번 재생기효율은 출력-0.04%, 효율 1.17%, 6번 2차 공기 비율은 출력-1.50%, 효율-1.28%, 7번 저온부 압력손실 비율은 출력-1.52%, 효율-1.01%, 8번 재생기의 고온부 압력손실 비율은 출력-1.50%, 효율-0.99%의 변화를 가져오는 것으로 예상되었다.
4) 변화량이 크지 않다면 구성부 파라미터가 엔진 성능에 미치는 영향은 거의 선형적이며, 실제 사이클 계산 없이도 선형 근사적 식을 이용하여 파라미터들 변화에 따른 성능 변화를 쉽게 예측할 수 있음을 보였다.
6에 압축기 효율의 영향을 보였다. 기준효율 83%에서 1%를 증감한 83.83%와 82.17%를 적용하여 계산할 경우 최종 출력 값은 208.8kW, 203.9kW이며 시스템의 효율은 33.9%, 33.1%이다. 1%의 작은 변화에 대해서 시스템 성능은 거의 선형적으로 변함을 알 수 있으며, 식 (6), (7)로 정의 되는 민감도는 출력, 효율에 대해서 각각 1.
간편법과 사이클 해석에 의한 결과가 이번에도 거의 일치한다. 이상의 결과는 주요 설계 파라미터의 변화가 크지 않은 범위에서 다양한 파라미터 변화에 의한 성능 변화를 예측하고자 할 때 단위 파라미터의 민감도를 구하여 선형 간편법을 활용하는 것이 매우 유용함을 보여준다.
터빈효율이 성능에 미치는 민감도가 월등히 큰것을 알 수 있다. 이외에도 나머지 6개의 파라미터에 대한 민감도 해석을 수행하였고 모두 거의 선형적인 변화를 보임을 확인하였다. 이를 바탕으로 전체 8개의 파라미터에 대한 출력과 효율 변화 민감도를 Fig.
5에 비교하였다. 통합형 냉각 방식을 채용한 마이크로 가스터빈 시스템의 순출력은 198kW로서 분리형을 채용한 시스템의 순 출력 206kW에 비하여 3.8% 작을 것으로 예측되었다. 효율 역시 33.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	마이크로 가스터빈의 장점은 무엇인가?	최근 들어 분산발전(distributed generation)시스템에 대한 관심이 높아지면서 중대형 발전시스템에 사용되는 것들보다 소형이면서도 운전성능과 신뢰성이 우수한 전력 생산장치에 대한 관심이 높아지고 있다. 마이크로 가스터빈(micro gas turbine, MGT)은 수백 kW 이내의 소형 가스터빈으로서 일반적인 가스터빈의 설계 특성이 대부분 반영되어 운전 신뢰성 (reliability)과 유지보수성(maintenability)이 좋기 때문에 분산발전시스템용으로 주목받고 있다.(1) 그러나, 현재의 기술 수준 및 경제성을 고려한다면 마이크로 가스터빈에서는 중대형 가스터빈에 사용하고 있는 고온부 냉각기술을 사용하기 힘들기 때문에 터빈입구온도가 상대적으로 낮게 설계된다.
	마이크로 가스터빈의 터빈입구온도는 어떻게 설계되는가?	마이크로 가스터빈(micro gas turbine, MGT)은 수백 kW 이내의 소형 가스터빈으로서 일반적인 가스터빈의 설계 특성이 대부분 반영되어 운전 신뢰성 (reliability)과 유지보수성(maintenability)이 좋기 때문에 분산발전시스템용으로 주목받고 있다.(1) 그러나, 현재의 기술 수준 및 경제성을 고려한다면 마이크로 가스터빈에서는 중대형 가스터빈에 사용하고 있는 고온부 냉각기술을 사용하기 힘들기 때문에 터빈입구온도가 상대적으로 낮게 설계된다. 또한 단순 사이클로는 얻을 수 있는 열효율이 낮기 때문에 재생 사이클로 설계되며, 재생효과를 충분히 얻도록 낮은 압력비로 설계된다.
	마이크로 가스터빈은 어떤 사이클로 설계되는가?	(1) 그러나, 현재의 기술 수준 및 경제성을 고려한다면 마이크로 가스터빈에서는 중대형 가스터빈에 사용하고 있는 고온부 냉각기술을 사용하기 힘들기 때문에 터빈입구온도가 상대적으로 낮게 설계된다. 또한 단순 사이클로는 얻을 수 있는 열효율이 낮기 때문에 재생 사이클로 설계되며, 재생효과를 충분히 얻도록 낮은 압력비로 설계된다. 일반적인 MGT들은 압력비 3∼5정도 이고, 효율은 25∼30%이다.

참고문헌 (13)

Rodgers, C. and Watts, J. and Nichols, K. and Brent, R., 2001, Microturbines, in Distributed Generation, Borbely, A.M. and Kreider, J., ed., CRC Press, pp.119-150.
Capstone Turbine Corporation, 2008, "Advanced Micro Turbine System(AMTS) Final Technical Report," U.S. Department Of Energy, DOE Project ID # DE-FC26- 00CH11058.
오종식, 이헌석, 2002, "분산발전용 75kW급 마이크로터빈의 시제개발-설계/제작 및 자력운전 시험-," 2002유체기계학회 연구개발 발표회 논문집, pp. 307-313.
Lee, J. J., Kim, T. S., 2004, "Analysis of Operation Performance of a Micro Gas Turbine Generator System," Journal of Fluid Machinery, Vol. 8, No. 5, pp. 13-21.
Lee, J. J., Yoon, J. E., and Kim, T. S.., 2006, "Operation Simulation of a Microturbine Based on Test Data", Journal of Fluid Machinery, Vol. 9, No. 6, pp. 22-28.
Lee, J. J., Yoon, J. E., Kim T. S., and Sohn, J. L., 2007, "Performance Test and Component Characteristics Evaluation of a Micro Gas Turbine," Journal of Mechanical Science and Technology, Vol. 21, No. 1, pp. 141-152.

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Lee, J. J., Jeon, M. S., Kim, T. S., 2010, "The Influence of Water and Steam Injection on the Performance of a Recuperated Cycle Microturbine for Combined Heat and Power Application", Applied Energy, Vol. 87, pp. 1307-1316.

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Lee, J. H., and Kim, T. S.., 2006, "Analysis of Design and Part Load Performance of Micro Gas Turbine/ Organic Rankine Cycle Combined Systems", Journal of Mechanical Science and Technology, Vol 20, pp. 1502-1513.

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박진형, 2011, "200kW급 마이크로 가스터빈 열병합발전 시스템 상용화", 2011 유체기계학회 연구개발 발표회 논문집, pp. 491-494.
Enter Software, Gate Cycle ver 6.0, 2006.
Bruckner, R. J., Puleo, B. J., 2008, "Compliant Foil Journal Bearing Performance at Alternate Pressures and Temperatures," ASME paper GT2008-50174.
Kim, T. S., Hwang, S. H., 2006, "Part Load Performance Analysis of Recuperated Gas Turbines Considering Engine Configuration and Operation Strategy," Energy, Vol 31, pp. 260-277.

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Kang, Y. M., and McKeirnan, R., 2003, "Annular Recuperator Development and Performance Test for 200kW Microturbine," ASME paper GT-2003-38522.

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