[논문]와류 발생기를 장착한 가스터빈 연소기에서 연료/공기 혼합 및 NOx 배출 특성에 관한 수치적 연구

김구; 이영덕; 손채훈

doi:10.15231/jksc.2013.18.3.068

와류 발생기를 장착한 가스터빈 연소기에서 연료/공기 혼합 및 NOx 배출 특성에 관한 수치적 연구
A Numerical Study on Mixing of Fuel/Air Mixture and NOx Emission in a Gas Turbine Burner with a Vortex Generator 원문보기

한국연소학회지 = Journal of the Korean Society of Combustion, v.18 no.3, 2013년, pp.68 - 74

김구 (세종대학교 기계공학과) , 이영덕 (한국기계연구원) , 손채훈 (세종대학교 기계공학과)

초록
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가스터빈용 희박 예혼합 연소기 내부에 와류 발생기(vortex generator)를 장착하여 그에 따른 연료/공기혼합 및 NOx 배출 특성 변화를 조사하였다. 이를 위해 수치해석적 방법을 채택하여 연소기내 유동특성, 연료/공기 혼합도, 배기가스(NOx), 화염형상을 분석하였다. 와류 발생기를 장착한 경우, 연소기 내부에서 와류 발생기에 의한 나사산 형상으로 인해 와류가 형성되며 이는 연소기 전면부까지 유지되었다. 또한 연소기 내부 면적 차로 인해 압력섭동이 발생하였다. 이와 더불어 연소기 전면부 기준 상류지역의 연료와 공기의 혼합도가 증가됨으로서 연료 과농지역이 감소하게 되며 이로 인해 전반적인 NOx 발생량의 감소 효과를 볼 수 있었다. 화염 형상의 변화로부터 와류 발생기의 영향으로 선회수는 다소 감소할 것으로 예상되며, 이는 와류 발생기로 인한 유속의 반복적 증감에 의한 결과라고 판단된다.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 동일한 목적으로 연소기내에 와류 발생기(vortex generator)를 장착시켰다. 와류 발생기는 유동 제어를 위해 다양한 분야에서 유용하게 쓰이고 있다[5].
본 연구에서는 버너 중심부에 와류 발생기를 장착한 가스터빈 연소기의 유동 및 연소 특성을 조사하였다. 수치해석 결과를 통해 파악한 와류 발생기의 효과를 요약하면 다음과 같다.

가설 설정

LNG가스의 주성분인 메탄(CH₄)을 연료로 가정하였기 때문에 연소반응은 공기-메탄 혼합기의 2단계 반응(2-step global reaction)을 채택하였다. 이는 대기압 조건에서, 당량비 0.
첫 번째 반응은 메탄의 산화반응이고 두 번째 반응은 CO의 산화반응이다. 두 번째 반응은 정반응과 역반응을 포함하고 역반응율은 평형을 가정하여 구하였다.

제안 방법

연소해석 결과로 얻은 NOx 발생량을 분석하였다. 각 단면별 라이너 중심으로부터 라이너 벽면까지 총 세 개의 반경방향 선(Fig. 4에 표기한 line 1~3을 의미함)을 따라 NOx 발생량을 추출하였다. 그리고, line 1에서의 NOx 배출량의 임의의 값 (0.
이로부터 와류 발생기의 장착에 의해 선회 강도가 다소 약해질 것으로 예상된다. 그 원인을 연소기 내부 유동장을 통하여 파악하였다. 결국, 선회 강도 약화는 와류 발생기에 의한 유속의 반복적 증감에 의한 결과로 판단된다.
와류 생성 모사를 위해 스월 강도(swirling strength)를 부여하였으며 이는 속도 성분 텐서의 eigenvalue 값의 허수부에 해당한다[10]. 또한 강도 수준(level)으로 일반화되어 표기되므로 각 case에서 동일한 수준에 대해 상대비교 하였다. Fig.
와류 발생기의 적용 가능성에도 불구하고, 그동안 연소기 내부에 와류 발생기를 적용하여 그 효과를 이용하고자 수행된 연구는 거의 진행된 바 없다. 본 연구에서는, 연료와 공기 혼합도 증가를 위해 radial type 선회기 중심부(hub)에 와류 발생기의 원리를 적용한 나사산 형상을 장착시켰다. 수치해석적 방법을 이용하여 난류유동 특성과 혼합도, 유해물질(NOx)의 분포를 조사하였다.
본 연구에서는, 연료와 공기 혼합도 증가를 위해 radial type 선회기 중심부(hub)에 와류 발생기의 원리를 적용한 나사산 형상을 장착시켰다. 수치해석적 방법을 이용하여 난류유동 특성과 혼합도, 유해물질(NOx)의 분포를 조사하였다.
이것의 격자 의존성을 검토하기 위해 총 세 가지(격자 1:362619개의 cell, 격자 2: 413563개의 cell, 격자 3:472358개의 cell)의 격자를 비교해 보았다. 연소기 출구에서 라이너 배출구 까지 균일한 간격으로 NOx 계산 값을 추출하여 격자 의존성을 검토하였다. 격자 3과 격자 1간의 오차는 9%, 격자 2와의 오차는 4.
연소해석 결과로 얻은 NOx 발생량을 분석하였다. 각 단면별 라이너 중심으로부터 라이너 벽면까지 총 세 개의 반경방향 선(Fig.
격자계는 liner와 burner의 두 부분으로 구성되며 모두 다면체(polyhedral) 격자계를 사용하였다. 이것의 격자 의존성을 검토하기 위해 총 세 가지(격자 1:362619개의 cell, 격자 2: 413563개의 cell, 격자 3:472358개의 cell)의 격자를 비교해 보았다. 연소기 출구에서 라이너 배출구 까지 균일한 간격으로 NOx 계산 값을 추출하여 격자 의존성을 검토하였다.

대상 데이터

2에 나타내었다. 격자계는 liner와 burner의 두 부분으로 구성되며 모두 다면체(polyhedral) 격자계를 사용하였다. 이것의 격자 의존성을 검토하기 위해 총 세 가지(격자 1:362619개의 cell, 격자 2: 413563개의 cell, 격자 3:472358개의 cell)의 격자를 비교해 보았다.
본 연구에 적용된 공기, 연료 유량 경계조건을 Table 1에 요약하였다. 공기는 air(79% N_₂ , 21% O), 연료는 CH₄이며, 라이너 출구에는 대기압, 라이너 벽에는 단열 경계조건을 부여하였다.
5%이하임을 확인하였다. 이에 본 수치해석에서는 격자 3(약 47만개)을 사용하였다.

이론/모형

비 혼합도는 혼합 특성 향상을 판정하기 위한 식으로서, 혼합 분율, f의 섭동 값이 독립변수로 사용된다[13]. 그러나, 본 연구에서는 혼합특성 계산시 정상 상태(steady state) 해석을 수행하였기 때문에 다음의 식 (7)로 정의된, 수정된 비 혼합도(M) 식을 사용하였다[14]. 이러한 정의에 따르면, 비 혼합도 값이 작을수록 연료와 공기가 균질하게 혼합된 것을 의미한다.
난류 모델로는 realizable k-ε model을 사용하였다.
또한 수치해석 방법으로 SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations) 알고리즘[10]과 QUICK(The Quadratic Upstream Interpolation for Convective Kinetics) scheme[11]을 채택하였다. 난류 연소 모델로는 유한 화학 반응율/eddy 소산 모델을 선택하였으며, 범용 열유체 유동해석 코드인 Fluent를 solver로 사용하여 수치해석을 수행하였다[10].
본 연구에서는 난류유동 정상상태 해석을 위해 압력 기반 모델(pressure-based model)을 채택하였으며, 초기압력은 대기압으로 설정해주었다. 또한 수치해석 방법으로 SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations) 알고리즘[10]과 QUICK(The Quadratic Upstream Interpolation for Convective Kinetics) scheme[11]을 채택하였다. 난류 연소 모델로는 유한 화학 반응율/eddy 소산 모델을 선택하였으며, 범용 열유체 유동해석 코드인 Fluent를 solver로 사용하여 수치해석을 수행하였다[10].
본 연구에서는 난류유동 정상상태 해석을 위해 압력 기반 모델(pressure-based model)을 채택하였으며, 초기압력은 대기압으로 설정해주었다. 또한 수치해석 방법으로 SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations) 알고리즘[10]과 QUICK(The Quadratic Upstream Interpolation for Convective Kinetics) scheme[11]을 채택하였다.

성능/효과

1) 와류 발생기의 장착에 의해 연소기 내부유동에서 와류의 발달이 연소기 전면부까지 유지되는 것을 알 수 있었다. 또한 버너 내부의 반복적인 면적변화로 인한 압력섭동이 관찰되었다.
2) 와류 발생기를 장착한 연소기 전면부에 근접한 상류 영역에서 연료와 공기의 혼합도가 향상되었다.
3) 연소 해석 결과, 와류 발생기의 장착에 의한 혼합도 향상이 전반적인 유해물질(NOx) 발생량의 감소를 야기하는 것으로 판단된다. 이 때 화염각도는 다소 크게 형성되었다.
3을 보면 case 1(VG 장착)에서 나사산 모양으로 와류가 발달됨을 볼 수 있다. 또한 와류 발달이 case 0(VG 미 장착)에서보다 연소기 출구에 도달할 때까지 계속 유지됨을 확인할 수 있다. 즉 case 1(VG 장착)의 경우 와류생성에 더욱 유리함을 알 수 있다.
일반적으로 NOx 생성량은 주 연소 영역에서의 국부적인 고온부(국부적으로 당량비 1 근처인 영역)에 의한 thermal NOx 배출이 NOx 발생량의 대부분을 차지한다. 이를 바탕으로 Fig. 6의 결과를 살펴보면, case 1의 경우(VG 장착한 경우) 전 단면에 걸쳐 상대적으로 case 0의 경우보다 NOx 발생량이 낮게 예측됨을 알 수 있다. 이는 Table 3에 나타낸 비 혼합도 결과에서 보는 바와 같이 VG 장착에 의해 혼합도가 향상되어 NOx 발생량의 감소가 야기된 것으로 판단된다.
따라서, 단면 3에서의 결과는 혼합도 경향 파악과는 관련이 없다고 판단된다. 종합적으로 와류 발생기의 장착은 혼합도 향상에 기여한다고 판단할 수 있다.

후속연구

결국, 선회 강도 약화는 와류 발생기에 의한 유속의 반복적 증감에 의한 결과로 판단된다. 반면 비 반응 유동장 계산에서 예측된 결과(Fig. 3)와 상반되며, 향후 좀 더 엄밀한 분석이 수행될 예정이다.
와류 발생기는 질소산화물 저감에 효과적이며, 최적화 연구 진행을 통해 본 연구 결과가 와류 발생기를 장착한 버너 설계에 활용될 수 있을 것이다. 향후 본 수치해석 결과의 검증을 위해 실험 결과와의 비교가 필요하며, 그 과정에서 단열 벽면 조건이 아닌 벽면 열손실을 고려한 연구가 수행될 예정이다.
와류 발생기는 질소산화물 저감에 효과적이며, 최적화 연구 진행을 통해 본 연구 결과가 와류 발생기를 장착한 버너 설계에 활용될 수 있을 것이다. 향후 본 수치해석 결과의 검증을 위해 실험 결과와의 비교가 필요하며, 그 과정에서 단열 벽면 조건이 아닌 벽면 열손실을 고려한 연구가 수행될 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	희박 예혼합 연소기의 무엇이 안정적인 화염 형성을 용이하게 하는가?	가스터빈 연소기의 희박 예혼합 연소방식은 이에 부합되는 대책중 하나이다[1]. 이를 구현하기 위한 희박 예혼합 연소기에는 선회기가 장착되어 안정적인 화염 형성을 용이하게 한다. 이로 인해 발생되는 희박 예혼합 화염은 낮은 화염 온도를 유지하기 때문에 그로 인해 NOx 등의 유해 배출물을 저감시킬 수 있는 효과를 볼 수 있다.
	희박 예혼합 연소기에서 발생하는 화염은 어떻게 형성되는가?	이로 인해 발생되는 희박 예혼합 화염은 낮은 화염 온도를 유지하기 때문에 그로 인해 NOx 등의 유해 배출물을 저감시킬 수 있는 효과를 볼 수 있다. 이러한 희박 예혼합 화염 형성과정을 살펴보면, 선회 효과를 받은 공기/연료 혼합물의 유동은 연소기 전면부에서의 면적증가로 vortex breakdown[2]을 보이고 재순환 영역을 형성한다. 재순환 영역은 화염 기저부의 속도를 늦춰주고 화염부상을 막아 연료/공기의 체류시간 증대를 유도한다.
	희박 예혼합 화염의 장점은 무엇인가?	이를 구현하기 위한 희박 예혼합 연소기에는 선회기가 장착되어 안정적인 화염 형성을 용이하게 한다. 이로 인해 발생되는 희박 예혼합 화염은 낮은 화염 온도를 유지하기 때문에 그로 인해 NOx 등의 유해 배출물을 저감시킬 수 있는 효과를 볼 수 있다. 이러한 희박 예혼합 화염 형성과정을 살펴보면, 선회 효과를 받은 공기/연료 혼합물의 유동은 연소기 전면부에서의 면적증가로 vortex breakdown[2]을 보이고 재순환 영역을 형성한다.

참고문헌 (15)

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