EMP 차폐를 위한 비상발전기 연도의 최적 형상 결정 A Design Optimization on Coupling Joint between Exhaust Chimney of Electricity Generator and Electromagnetic Pulse (EMP) Shield원문보기
본 논문에서는 EMP차폐를 위한 WBC 배열이 설치된 대형 비상발전기 연도의 최적형상을 결정하는 것을 목표로 연구를 진행하였다. 시뮬레이션은 WBC 배열의 외부관경이 800, 850, 900, 1050mm 및 1250mm를 대상으로 하였으며 기본연도와의 접속길이를 150, 300, 450 mm, 연도의 유속은 15, 20, 25m/s로 하였다. EMP 차폐를 위한 WBC 배열을 연도에 설치하는 경우 WBC 배열의 외부관경, Main 연도와의 접속길이가 배기가스 흐름에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. WBC 배열의 외부관경이 1050, 1250mm이고 접속길이가 300, 450mm이면 도파관 배열에서 배기가스의 평균속도와 최고속도를 만족시키는 것으로 나타났다.
본 논문에서는 EMP 차폐를 위한 WBC 배열이 설치된 대형 비상발전기 연도의 최적형상을 결정하는 것을 목표로 연구를 진행하였다. 시뮬레이션은 WBC 배열의 외부관경이 800, 850, 900, 1050mm 및 1250mm를 대상으로 하였으며 기본연도와의 접속길이를 150, 300, 450 mm, 연도의 유속은 15, 20, 25m/s로 하였다. EMP 차폐를 위한 WBC 배열을 연도에 설치하는 경우 WBC 배열의 외부관경, Main 연도와의 접속길이가 배기가스 흐름에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. WBC 배열의 외부관경이 1050, 1250mm이고 접속길이가 300, 450mm이면 도파관 배열에서 배기가스의 평균속도와 최고속도를 만족시키는 것으로 나타났다.
The article presents a parametric study on geometrical design optimization for coupling the joint between a large exhaust air chimney and electromagnetic pulse (EMP) shield for gas turbine electricity generator. We conducted computational fluid dynamics (CFD) simulations on hydraulic diameters of wa...
The article presents a parametric study on geometrical design optimization for coupling the joint between a large exhaust air chimney and electromagnetic pulse (EMP) shield for gas turbine electricity generator. We conducted computational fluid dynamics (CFD) simulations on hydraulic diameters of waveguide below cutoff(WBC) ranges 800mm~1025mm, the connection distance ranges 150~450mm, and exhaust gas flow velocities at 15, 20, and 25m/s. The results show that the diameter of main chimney, connection distance, and exhaust gas velocity had impacts on flow stream at the EMP shield. To provide a fully developed stream line at three different flow velocity cases, the WBC diameter and distance of connection should be larger than 1050mm and longer than 300mm, respectively.
The article presents a parametric study on geometrical design optimization for coupling the joint between a large exhaust air chimney and electromagnetic pulse (EMP) shield for gas turbine electricity generator. We conducted computational fluid dynamics (CFD) simulations on hydraulic diameters of waveguide below cutoff(WBC) ranges 800mm~1025mm, the connection distance ranges 150~450mm, and exhaust gas flow velocities at 15, 20, and 25m/s. The results show that the diameter of main chimney, connection distance, and exhaust gas velocity had impacts on flow stream at the EMP shield. To provide a fully developed stream line at three different flow velocity cases, the WBC diameter and distance of connection should be larger than 1050mm and longer than 300mm, respectively.
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문제 정의
따라서 본 논문에서는 WBC Array(도파관 배열)가 설치된 비상발전기 연도의 배기가스 배출특성을 고려하여 최적형상을 결정하는 것을 목표로 연구를 진행한다.
본 논문에서는 EMP 차폐를 위한 도파관 배열이 설치된 대형 비상발전기 연도의 최적형상을 결정하는 것을 목표로 연구를 진행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
가설 설정
핵무기 또는 EMP 무기에 의해서 외부에서 공급되는 전원이 차단되는 경우를 대비해서 EMP 차폐시설에는 비상발전기를 설치한다. 비상발전기는 보일러와는 달리 상시 운전이 되지 않으며 EMP 차폐시설의 비상발전기는 상시운전보다는 간헐운전으로 가정하여야 한다. 상시 운전하는 보일러는 자연배기식을 사용하기 때문에 연도내부의 배기속도는 3∼5m/s 정도이며, 비상발전기는 강제배기식을 사용하고 배기가스의 속도는 20∼25m/s로 속도를 설정한다.
제안 방법
Main 연도의 관경은 700mm, 추가연도의 관경은 800, 850, 900, 1,050mm 및 1,250mm으로 하고 접속관의 길이를 150, 300mm와 450mm의 3가지로 하여 유속 등을 검토하였다. Table 1에 형태, Table 2에 시뮬레이션 케이스를 나타내었으며, Fig.
비상발전기 연도 중간에 EMP 차폐를 위한 도파관이 설치되면 연도의 유효단면적이 줄어들게 되어 배기가스의 흐름이 원활하지 않게 된다. WBC 배열의 크기 및 형태의 최적화를 위해 CFD를 이용하여 해석을 실시하였다.
009를 사용하였으며 이를 이용해서 도파관 배열의 입구, 중앙부 및 출구부분과 연도의 입구와 출구의 배기가스 유속을 해석하였다. 비상발전기의 연도는 발전기로부터 배기되는 부분인 Main 연도, EMP 차폐를 위한 도파관 배열이 설치되는 부분, Main 연도와 결합되는 접속부위 및 외부로 배출되는 추가연도로 나누어 4부분으로 형태를 구분하였다.
데이터처리
해석은 상용프로그램인 Star-CCM+ 10.04.009를 사용하였으며 이를 이용해서 도파관 배열의 입구, 중앙부 및 출구부분과 연도의 입구와 출구의 배기가스 유속을 해석하였다. 비상발전기의 연도는 발전기로부터 배기되는 부분인 Main 연도, EMP 차폐를 위한 도파관 배열이 설치되는 부분, Main 연도와 결합되는 접속부위 및 외부로 배출되는 추가연도로 나누어 4부분으로 형태를 구분하였다.
성능/효과
(1) EMP 차폐를 위한 도파관 배열을 연도에 설치하는 경우 도파관 배열의 외부관경, Main 연도와의 접속 길이가 배기가스 흐름 에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.
(2) 도파관 배열의 외부 관경 1,050mm, 접속 길이 150mm, 발전기의 배기속도가 15m/s 인 경우는 도파관 배열에서의 최대 배기속도와 평균값을 이용한 평가 모두 기준을 만족시키지만 비상발전기 배기속도가 20, 25m/s인 경우에는 그 기준을 만족시키지 못하는 것으로 나타났다.
(3) 도파관 배열의 외부관경이 1,050, 1,250mm 이고 접속 길이가 300, 450mm인 경우는 비상발전기의 배기속도가 15, 25m/s 및 25m/s인 경우 모든 조건을 만족시키는 것 으로 나타났다.
배기가스 유속의 최대치를 계산한 결과를 나타낸 것이다. 각 결과를 비교하면 도파관 배열을 설치한 외부 관경이 800mm인 경우는 접속 길이에 관계없이 비상발전기의 배기속도인 15m/s의 2배 이상의 값을 보이는 것을 알 수 있다. 또한 도파관 배열의 외부 관경이 850, 900mm인 경우는 20~25m/s 내외, 1,050mm인 경우는 접속 길이가 150mm인 경우를 제외하고는 20m/s 정도의 값을 보이며 1,250mm인 경우도 1,050mm인 케이스와 유사한 값을 보이고 있다.
평가결과 비상발전기의 연도가 700mm, 비상발전기의 연도와 도파관 배열과의 접속길이가 450mm이고 발전기의 배기속도가 15m/s 인 경우는 도파관 배열의 외부관경은 900mm를 사용하는 것이 가능하나 발전기의 배기속도가 20, 25m/s인 경우, 최대 배기속도를 이용하여 평가한 결과, 기준을 만족시키지 못하는 것으로 나타났다. 도파관 배열의 외부 관경 1,050mm, 접속길이 150mm, 발전기의 배기속도가 15m/s인 경우는 WBC 배열에서의 최대치와 평균값을 이용한 평가 모두 기준을 만족시키지만 비상발전기 배기속도가 20, 25m/s인 경우에는 그 기준을 만족시키지 못하는 것으로 나타났다.
도파관배열을 구성하는 외부 관경 크기, 배기속도의 최대 및 평균값을 이용하여 비상발전기 연도의 중간에 WBC 배열을 설치하는 경우 형상의 적정성을 검증하였다. 최대 배기속도는 비상발전기에서 배기되는 속도보다 10m/s를 넘는 경우를 제외하였고 평균배기 속도는 비상발전기의 배기속도 ± 5m/s를 기준으로 하여그 범위를 넘는 케이스는 제외하는 것으로 평가를 실시하였다.
또한 도파관 배열을 구성하는 외부관경이 1,050mm, 비상발전기 연도와의 접속 길이가 300mm는 비상발전기의 배기속도가 15, 20, 25m/s일 때 최고속도에 의한 평가, 평균값에 의한 평가 모두 만족시키는 것으로 나타났다. 또한 동일한 조건에서 접속 길이가 450mm인 경우도 각 조건을 만족시키는 것으로 나타났다.
또한 배기속도±5m/s를 기준으로 하면 도파관 배열의 외부관경이 850, 900mm 및 1,050mm인 경우가 그기준을 만족하는 것으로 나타났다.
최대 배기속도는 비상발전기에서 배기되는 속도보다 10m/s를 넘는 경우를 제외하였고 평균배기 속도는 비상발전기의 배기속도 ± 5m/s를 기준으로 하여그 범위를 넘는 케이스는 제외하는 것으로 평가를 실시하였다.
최대 배기속도는 비상발전기에서 배기되는 속도보다 10m/s를 넘는 경우를 제외하였고 평균배기 속도는 비상발전기의 배기속도 ± 5m/s를 기준으로 하여그 범위를 넘는 케이스는 제외하는 것으로 평가를 실시하였다. 평가결과 비상발전기의 연도가 700mm, 비상발전기의 연도와 도파관 배열과의 접속길이가 450mm이고 발전기의 배기속도가 15m/s 인 경우는 도파관 배열의 외부관경은 900mm를 사용하는 것이 가능하나 발전기의 배기속도가 20, 25m/s인 경우, 최대 배기속도를 이용하여 평가한 결과, 기준을 만족시키지 못하는 것으로 나타났다. 도파관 배열의 외부 관경 1,050mm, 접속길이 150mm, 발전기의 배기속도가 15m/s인 경우는 WBC 배열에서의 최대치와 평균값을 이용한 평가 모두 기준을 만족시키지만 비상발전기 배기속도가 20, 25m/s인 경우에는 그 기준을 만족시키지 못하는 것으로 나타났다.
평균값은 배기속도 ±5m/s를 범위를 기준으로 하면 도파관 배열을 구성하는 외부 관경이 850, 900, 1,050mm인 케이스가 기준을 만족하는 것을 알 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
비상발전기의 특징은?
비상발전기는 사용되는 엔진의 제작사, 발전기의 형식 및 용량에 따라 각각 특징이 다르며 이에 따라 배기 연도의 관경도 달라진다.
비상발전기 연도 중간에 EMP 차폐를 위한 도파관이 설치되면 어떤 문제점이 발생하는가?
비상발전기 연도 중간에 EMP 차폐를 위한 도파관이 설치되면 연도의 유효단면적이 줄어들게 되어 배기가스의 흐름이 원활하지 않게 된다. WBC 배열의 크기 및 형태의 최적화를 위해 CFD를 이용하여 해석을 실시하였다.
참고문헌 (3)
S.K.Pang, Y.T.Chae, J.G.Yook, Ynna Kim, Sangin Kim, 2015, Air Stream around EMP Protective Device for Emergency Power System, Proceedings of the Geothermal Energy Engineers, Vol. 1, Korea Society of Geothermal Energy Engineers, Daejeon, Korea, pp.41-44.
S. J. Lee, (2014), Demand Response Controls using On-site Electricity Generator for Emergency, KOREA ENERGY ECONOMICS INSTITUTE
KOREA OCCUPATIONAL SAFETY & HEALTH AGENCY, KOSHA CODE E-84-2011, Technical Report for Design and Application of Emergency Electricity Supplier.
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