Double cone 버너를 장착한 스월 예혼합 연소기에 대한 유동 및 연소 특성을 분석하여 swirler 모델을 이용한 수치적 모델링 방법을 제시하였다. 버너 출구에서 형성되는 내부 재순환 영역을 근사적으로 구현하도록 swiler의 내 외경을 각각 56 mm, 152 mm로 결정하였으며 이를 토대로 유량, 반경 반향 속도를 결정하였다. 접선 방향 속도의 설정을 위해 swirl 각도와 재순환 각도를 도입하였으며 40 m/s인 경우 유사한 내부 재순환 영역이 형성되었다. 라이너 출구에서 온도와 속도의 오차는 각각 2.8%, 0%로 작았지만, NOx의 경우 67% 가량 감소한 결과를 보였다. Swirler 모델은 EV 버너의 유동 및 연소 특성을 근사적으로 모사하는 모델의 하나로서 정량적 평가 인자에서 오차를 보이지만, 유동 및 화염, NOx 형성 영역의 경향성이 유사하므로 swirler 모델을 채택하여 복잡한 형상의 발전용 가스터빈 연소기의 효율적인 수치해석이 타당할 것으로 판단된다.
Double cone 버너를 장착한 스월 예혼합 연소기에 대한 유동 및 연소 특성을 분석하여 swirler 모델을 이용한 수치적 모델링 방법을 제시하였다. 버너 출구에서 형성되는 내부 재순환 영역을 근사적으로 구현하도록 swiler의 내 외경을 각각 56 mm, 152 mm로 결정하였으며 이를 토대로 유량, 반경 반향 속도를 결정하였다. 접선 방향 속도의 설정을 위해 swirl 각도와 재순환 각도를 도입하였으며 40 m/s인 경우 유사한 내부 재순환 영역이 형성되었다. 라이너 출구에서 온도와 속도의 오차는 각각 2.8%, 0%로 작았지만, NOx의 경우 67% 가량 감소한 결과를 보였다. Swirler 모델은 EV 버너의 유동 및 연소 특성을 근사적으로 모사하는 모델의 하나로서 정량적 평가 인자에서 오차를 보이지만, 유동 및 화염, NOx 형성 영역의 경향성이 유사하므로 swirler 모델을 채택하여 복잡한 형상의 발전용 가스터빈 연소기의 효율적인 수치해석이 타당할 것으로 판단된다.
The flow and combustion characteristics in a premixed swirl combustor with a double cone burner are numerically analyzed to adopt a swirler model. The internal recirculation zone formed at the burner exit can be realized by a swirler with inner and outer diameters of 56 and 152 mm, respectively, and...
The flow and combustion characteristics in a premixed swirl combustor with a double cone burner are numerically analyzed to adopt a swirler model. The internal recirculation zone formed at the burner exit can be realized by a swirler with inner and outer diameters of 56 and 152 mm, respectively, and accordingly, the flow rate and radial velocity were determined. To select the tangential velocity, swirl and recirculation angles are introduced. A tangential velocity of 40 m/s produces an internal recirculation zone similar to that in a combustor. At the liner exit, the errors in temperature and velocity are 2.8% and 0%, respectively, and they are negligibly small. However, NOx emissions are underestimated by 67% in the numerical results obtained using the swirler model. Although considerable quantitative errors are induced by the swirler model, it can be useful numerical model for the EV burner because it can approximately simulate the essential flow and combustion characteristics in a premixed swirl combustor with a double cone burner and it is expected to make combustion analysis efficient in a gas turbine combustor with complex geometries.
The flow and combustion characteristics in a premixed swirl combustor with a double cone burner are numerically analyzed to adopt a swirler model. The internal recirculation zone formed at the burner exit can be realized by a swirler with inner and outer diameters of 56 and 152 mm, respectively, and accordingly, the flow rate and radial velocity were determined. To select the tangential velocity, swirl and recirculation angles are introduced. A tangential velocity of 40 m/s produces an internal recirculation zone similar to that in a combustor. At the liner exit, the errors in temperature and velocity are 2.8% and 0%, respectively, and they are negligibly small. However, NOx emissions are underestimated by 67% in the numerical results obtained using the swirler model. Although considerable quantitative errors are induced by the swirler model, it can be useful numerical model for the EV burner because it can approximately simulate the essential flow and combustion characteristics in a premixed swirl combustor with a double cone burner and it is expected to make combustion analysis efficient in a gas turbine combustor with complex geometries.
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문제 정의
이를 해결하기 위하여 여러 가지 방법이 제안되었고, 가장 대표적인 것이 개별 구성품을 단순화된 모델로 모사하는 방법이다. 본 연구에서는 EV 버너의 유동 및 연소 특성을 근사적으로 구현하는 swirl 모델을 수립하여 제시하였다.
이러한 방법을 적용하기 위해서는 단일 버너를 다른 단순화된 모델로 대체하는 작업이 필요하다. 본 연구에서는 EV 버너의 유동 및 연소 특성을 근사적으로 구현하는 swirler 모델을 수립하고 검증하였다. 이를 통해 수치 해석의 제약을 최소화하고 다양한 운전 조건하에서 연소 성능 및 오염 물질 저감을 파악하기 위한 효율적인 계산을 가능하게 하고자 한다.
(11) 1단계 반응은 연소장을 상세하게 모사하기 위해 사용되기보다는 평균적인 유동 장의 특성을 거시적으로 파악하기 위한 용도로 사용된다. 본 연구에서는 swirler 모델을 수립하고 연소장 예측에의 적용성을 조사하는 것을 목적으로 하기 때문에 단순한 반응 모델을 선택하였다. 즉, 반응 모델과 swirler 모델은 서로 독립적인 것으로 간주할 수 있으며, swirler 모델이 적용가능하다면 이후 상세 화학반응 모델을 적용하는 것도 가능할 것이다.
본 연구에서는 EV 버너의 유동 및 연소 특성을 근사적으로 구현하는 swirler 모델을 수립하고 검증하였다. 이를 통해 수치 해석의 제약을 최소화하고 다양한 운전 조건하에서 연소 성능 및 오염 물질 저감을 파악하기 위한 효율적인 계산을 가능하게 하고자 한다.
다수의 버너를 채택한 수치해석의 경우, 격자수의 증가로 상당한 계산 시간이 소요되는 문제가 있다. 이에 대한 대안으로 버너를 swirler로 대체하고자 한다. 이러한 swirler 모델은 공급된 공기가 air slit으로 나누어지는 wind box와 공기와 연료가 혼합되는 double cone버너를 형상 모델링에서 제외하고(즉, swirler로 대체하고) 연소가 발생하는 liner 부분을 형상 모델링에서 고려하다.
가설 설정
NO의 경우 NO 발생으로 인한 열 발생을 무시할 수 있고 유동 결과에 영향이 없다는 가정하에 후처리로 계산이 가능하다. 따라서 연소 해석 결과로부터 thermal NO의 발생률을 다음의 식으로 계산하였다.
44에 해당) 상당히 희박한 조건에서 연소가 일어난다. Swirler 모델의 경우 동일한 공연비로 예혼합된 혼합가스를 연료로 가정하였으며 공기와 연료의 평형온도를 계산하여 예혼합 가스의 온도로 결정 하였다.
메탄(CH4)을 연료로 가정하였으며 연소 반응으로 메탄의 1단계 화학 반응(1-step global reaction) 을 채택하였다.(11) 1단계 반응은 연소장을 상세하게 모사하기 위해 사용되기보다는 평균적인 유동 장의 특성을 거시적으로 파악하기 위한 용도로 사용된다.
제안 방법
버너 출구로부터 Z= 500 mm에 걸쳐 재순환 영역이 형성되며 재순환을 형성하는 재순환 각은 약 62°이다. Swirler 모델을 이용한 계산에서 접선 방향 속도의 변화에 따른 재순환각의 변화를 계산하여 적절한 접선 방향 속도를 결정하였다. Swirler 모델에서의 접선 방향 속도, Vt의 변화에 따른 선회수와 선회각 및 재순환각을 Fig.
Swirler 모델을 적용한 계산은 출구 속도 및 온도를 3% 이하의 오차율로 비교적 정확하게 예측하였으나, NOX 발생량에 있어서는 약 60% 가량 과소 예측하였다. 따라서, Swirler 모델은 NOX 발생량의 총량을 정확하게 예측하기 위한 모델링이 아닌 EV 버너의 전체적인 유동 특성 및 연소 특성을 모사하기 위한 모델로써 사용되어야 할 것이다.
Swirler 모델의 적용을 위해 위에 언급한 여러 인자들을 결정해야 하며, 이를 위해 먼저 3.1절에서 설명한 바와 같은 수치해석을 수행하였다. Fig.
Swirler의 내·외경의 사이에 있는 유동장 형성 면적을 이용하여 EV 버너와 동일한 유량을 같도록 축 방향 유속을 결정하였다.
Swirler의 내경의 안쪽에서는 유동이 일어나지 않으므로 이를 고려하여 재순환이 발생하는 내부재순환 영역의 직경인 56 mm를 swirler의 내경으로 결정하였다. Double cone은 최대 직경 176 mm, 최소 직경 134 mm로 이루어져 있는 타원과 유사한 형상임을 고려하여, swirler의 외경은 double cone을 원형으로 가정할 경우에 해당하는 직경인 152 mm로 결정하였다.
EV 버너의 화염 특성을 살펴보면, 기본적으로 예혼합 화염의 형태를 보이나 연료와 공기가 각각 분사되므로 연료와 공기 혼합기의 공간적인 불균일 영역이 존재한다. 따라서 예혼합 화염 해석을 위해 반응진행상수(reaction progress variable)를 도입하였으며 공간적인 혼합기의 불균일을 고려하기 위하여 혼합 분율(mixture fraction)에 관한 방정식을 추가로 고려하였다. 화학 반응에 대한 난류 효과를 고려하기 위해 혼합 분율 및 반응진행상수에 대한 2차원 PDF(Probability Density Function)를 이용하였으며 각 PDF는 변수의 평균 값과 분산(variance)에 의해 결정된다.
반경 방향 속도는 swirler의 내·외경 사이 영역에서의 평균 속도인 25 m/s로 결정하였으며, swirl 강도에 중요한 영향을 미치는 접선 방향 속도를 결정하기 위해서는 다음의 두 가지를 고려하였다.
버너 출구에서 형성된 swirl이 연소기 벽면과 충돌하여 형성되는 선회각만으로는 재순환 영역의 특성을 구현하지 못하므로 이를 보완하기 위하여 재순환 영역의 크기와 형상으로부터 정의되는 재순환각(recirculation angle)을 추가적으로 도입하였다(Fig. 7(b) 참고).
7(b) 참고). 본 계산해서 채택한 유량 조건에서 EV 버너의 수치해석을 통해서 다음을 파악하였다. 버너 출구로부터 Z= 500 mm에 걸쳐 재순환 영역이 형성되며 재순환을 형성하는 재순환 각은 약 62°이다.
본 연구에서는 연속 방정식, 운동량 방정식, 에너지 방정식과 화학종 방정식, 상태방정식의 풀이를 통해 반응 유동장을 모사하였다.(9)
앞절에서 수립한 swirler 모델을 채택하여 연소 해석을 수행하여 3.1절의 EV 버너 계산 결과와 비교하였다. 이를 통해 제시한 모델의 타당성을 검토하였다.
1절의 EV 버너 계산 결과와 비교하였다. 이를 통해 제시한 모델의 타당성을 검토하였다. NOX 모델로서 EV 버너 계산에서와 동일한 thermal NOX와 Prompt NOX를 고려하였다.
정상 상태 해석을 수행하였으며, RNG - ε 난류모델을 사용하였고, 공기의 공급 온도는 657 K, 연료의 공급 온도는 300 K이며 유량은 각각 0.5kg/s, 0.0129 kg/s로서 공기 연료비(A/F ratio)는 38.7(당량비 0.44에 해당함)로 설정하였고, 대기압 조건에서 외부로의 열 손실을 고려하지 않은 단열 조건으로 계산하였다.
화학 반응에 대한 난류 효과를 고려하기 위해 혼합 분율 및 반응진행상수에 대한 2차원 PDF(Probability Density Function)를 이용하였으며 각 PDF는 변수의 평균 값과 분산(variance)에 의해 결정된다. 혼합 분율 및 반응 진행 상수를 정의하기 위하여 혼합 분율에 대한 평균 및 분산에 대한 이송 방정식과 반응진행상수의 분산에 대한 이송 방정식을 고려하였다.(10)
대상 데이터
이를 통해 제시한 모델의 타당성을 검토하였다. NOX 모델로서 EV 버너 계산에서와 동일한 thermal NOX와 Prompt NOX를 고려하였다. EV 버너와 swirler 모델의 계산 결과를 비교하여 각각 Figs.
해석에 사용된 격자는 비정렬격자(unstructured grid)이며 연소 해석을 위해 CFD– ACE(14)를 solver로 사용하였다.
먼저, 버너를 형상 모델링하여 수행한 일반적인 수치해석 결과를 설명한다. 해석에 사용된 통상의 격자 개수 분포를 살펴보면, 공급된 공기가 air slit으로 배분되는 wind box 내부에 약 100만개, 공기와 연료가 혼합되는 double cone 내부에 약 80만 개, 그리고 연소가 일어나는 liner에 약 140만개로 총 320만개의 격자로 구성되었다. 정상 상태 해석을 수행하였으며, RNG - ε 난류모델을 사용하였고, 공기의 공급 온도는 657 K, 연료의 공급 온도는 300 K이며 유량은 각각 0.
데이터처리
Swirler 모델을 적용하지 않은 경우에는 thermal NOX 생성 반응 기구로서 단순 Zeldovich 메커니즘대신, 확장 Zeldovich 메커니즘을 사용하였다. 여러 작동 조건에 대해 계산한 결과, 단순 Zeldovich 메커니즘의 경우 NOX 발생량을 약 40% 과소 예측하였고, 이 점에 유의하여 계산 결과를 분석하였다.
이론/모형
이는 공기와 연료의 불균일 혼합으로 높은 당량비에서 연소가 발생하여 화염 온도가 상승, 다량의 thermal NOX 가 발생한 것으로 판단된다. Swirler 모델을 적용하지 않은 경우에는 thermal NOX 생성 반응 기구로서 단순 Zeldovich 메커니즘대신, 확장 Zeldovich 메커니즘을 사용하였다. 여러 작동 조건에 대해 계산한 결과, 단순 Zeldovich 메커니즘의 경우 NOX 발생량을 약 40% 과소 예측하였고, 이 점에 유의하여 계산 결과를 분석하였다.
Thermal NOX는 공기 중의 질소 성분이 연소 중 산화하여 발생되는 것으로 다음과 같은 단순 Zeldovich 메커니즘을 통하여 생성된다.(12)
따라서 예혼합 화염 해석을 위해 반응진행상수(reaction progress variable)를 도입하였으며 공간적인 혼합기의 불균일을 고려하기 위하여 혼합 분율(mixture fraction)에 관한 방정식을 추가로 고려하였다. 화학 반응에 대한 난류 효과를 고려하기 위해 혼합 분율 및 반응진행상수에 대한 2차원 PDF(Probability Density Function)를 이용하였으며 각 PDF는 변수의 평균 값과 분산(variance)에 의해 결정된다. 혼합 분율 및 반응 진행 상수를 정의하기 위하여 혼합 분율에 대한 평균 및 분산에 대한 이송 방정식과 반응진행상수의 분산에 대한 이송 방정식을 고려하였다.
성능/효과
12에 나타내었다. NOX의 단면 평균 값의 경우 버너 출구 코너 재순환 영역에서 고온 영역이 형성되어 다량의 thermal NOX가 발생하는 full 모델링된 버너에 비해 swirler 모델 적용 해석의 경우 고온의 연소 영역이 존재하지 않으며, NOX 발생량이 상대적으로 작게 예측되었다. 이는 연료와 공기의 공간적인 불균일 혼합으로 인한 연료 과농 영역에서 고온이 형성되어 다량의 thermal NOX가 발생하는 실제 현상과는 달리 예 혼합된 가스를 사용하는 swirler 모델 계산에서는 연료 과농 영역이 형성 되지 않아 상대적으로 적은 NOX가 생성되는 것으로 판단된다.
Swirler의 내·외경의 사이에 있는 유동장 형성 면적을 이용하여 EV 버너와 동일한 유량을 같도록 축 방향 유속을 결정하였다. 결과적으로, swirler의 연료/ 공기 혼합가스의 유속은 약 61 m/s로 결정하였다.
연소장 계산 시간 관점에서, swirler 모델을 채택한 계산은 약 60% 가량 계산 시간을 단축하였다. 계산 결과에서 다소 정량적 차이를 보이나 다중 버너(multi-burners)를 채택한 가스터빈 연소기 해석에 있어서 swirler 모델은 효율적이면서 물리적으로 타당한 계산 결과를 제공할 것으로 판단된다.
축 방향 유속에 비해 접선 방향 속도가 너무 작을 경우 swirl 강도가 약하며 작은 재순환을 형성하는 특성을 보이며, 접선 방향 속도가 너무 클 경우 swirl 강도가 과도하게 증가하여 반경 방향 유동이 증가하여 재순환 영역이 연소기 출구에 넓게 형성되는 특성을 보인다.
후속연구
1절에서 논하였다. Swirler 모델 적용 계산에서 확장 Zeldovich 메커니즘을 적용하기 위한 시도는 추후의 연구로서 고려될 사항이다. swirler 모델을 적용한 결과와 적용하지 않은 full 모델의 경우 Z=0 mm 위치에서 정성적인 값의 차이를 보인다.
발생량에 있어서는 약 60% 가량 과소 예측하였다. 따라서, Swirler 모델은 NOX 발생량의 총량을 정확하게 예측하기 위한 모델링이 아닌 EV 버너의 전체적인 유동 특성 및 연소 특성을 모사하기 위한 모델로써 사용되어야 할 것이다. 타당하게 설정된 swirler 모델은, EV 버너의 그룹으로 이루어진 발전용 가스터빈 해석에 적용되어 운전 조건에 따른 유동 및 연소 특성 예측과 오염 물질 예측에 적용하여 유용하게 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
역시 버너 출구 근처(Z=0 부근)에서는 오차를 보이지만, 하류로 갈수로 동일한 결과를 나타내었다. 이러한 swirler 모델의 한계를 고려하여 swirler 모델 계산 결과를 분석해야 의미있는 결과를 얻을 수 있을 것이다. 버너 출구에서 어느 정도 벗어나면두 결과가 서로 정성적/정량적으로 유사함을 알수 있다.
본 연구에서는 swirler 모델을 수립하고 연소장 예측에의 적용성을 조사하는 것을 목적으로 하기 때문에 단순한 반응 모델을 선택하였다. 즉, 반응 모델과 swirler 모델은 서로 독립적인 것으로 간주할 수 있으며, swirler 모델이 적용가능하다면 이후 상세 화학반응 모델을 적용하는 것도 가능할 것이다. 화학 반응률은 식 (6)에 의해 계산되며 사용된 상수 값을 Table 2에 나타내었다.
따라서, Swirler 모델은 NOX 발생량의 총량을 정확하게 예측하기 위한 모델링이 아닌 EV 버너의 전체적인 유동 특성 및 연소 특성을 모사하기 위한 모델로써 사용되어야 할 것이다. 타당하게 설정된 swirler 모델은, EV 버너의 그룹으로 이루어진 발전용 가스터빈 해석에 적용되어 운전 조건에 따른 유동 및 연소 특성 예측과 오염 물질 예측에 적용하여 유용하게 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
천연가스가 주목받는 연료인 이유는 무엇인가?
천연가스는 점차 강화되는 환경 규제를 만족시킬 수 있는 고효율 에너지원의 하나로서 주목받고 있는 연료이다. 천연가스로 작동하는 실용 연소기는 배기가스 발생량이 적으며 출력당 가장 적은 이산화탄소를 배출한다.
천연가스로 작동하는 실용 연소기의 단점은 무엇인가?
천연가스로 작동하는 실용 연소기는 배기가스 발생량이 적으며 출력당 가장 적은 이산화탄소를 배출한다. 그러나 높은 온도로 인해 다량의 질소 산화물 (NOX)이 발생하며, 이는 광화학 스모그, 산성비의 원인이 되는 것으로 알려져 있다.
예혼합 화염의 장점은 무엇인가?
가스터빈 및 버너 등 대부분의 실용 연소기에 희박 예혼합 연소방식의 적용이 활발히 시도되고 있으며, (2~5) 일반적으로 예혼합 화염은 비예혼합 화염에 비해 화염길이가 짧고 당량비를 조절할수 있으므로 낮은 화염온도를 형성하여 NOX 및 CO 배출지수(Emission index)를 낮출 수 있다는 장점을 가지고 있다.(6)
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