[논문]마이크로 가스터빈 설계 및 운전 성능 분석 : 제2부 - 압축기와 터빈 성능저하에 의한 엔진 운전 및 성능변화

김정호; 김민재; 김동섭

doi:10.5293/kfma.2015.18.4.030

마이크로 가스터빈 설계 및 운전 성능 분석 : 제2부 - 압축기와 터빈 성능저하에 의한 엔진 운전 및 성능변화
Analysis of Design and Operation Performance of Micro Gas Turbine : Part 2 - Variations in Engine's Operation and Performance Caused by Performance Degradation of Compressor and Turbine 원문보기

한국유체기계학회 논문집 = The KSFM journal of fluid machinery, v.18 no.4, 2015년, pp.30 - 35

김정호 (인하대학교 대학원) , 김민재 (인하대학교 대학원) , 김동섭 (인대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This study analyzed the variations in the performance and operation of a 200 kW class micro gas turbine according to performance degradation of compressor and turbine. An in-house code, developed by the present authors and presented in the first part of these series of papers, were used for the analysis. The degradation of compressor and turbine were simulated by modifications in the their performance maps: mass flow rate, pressure ratio and efficiency were decreased from the reference values. Firstly, the variations in the operating conditions (air flow rate, pressure ratio) were predicted for the full load condition. Then, the same analysis were performed for a wide partial load operating range. The change in engine's performance (power output and efficiency) due to the component degradation was predicted. In addition, the change in the compressor surge margin, which is an important indicator for safe engine operation, was evaluated.

주제어

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문제 정의

반면에 마이크로 가스터빈을 대상으로 압축기 파울링 현상과 터빈 침식현상으로 인한 가스터빈의 성능저하에 관한 연구는 많지 않다. 따라서 본 연구에서는 마이크로 가스터빈을 대상으로 압축기의 파울링 및 터빈의 침식문제가 발생 시 마이크로 가스터빈 성능에 어떠한 영향을 미치는지 연구를 수행하였다. 본 연구결과는 마이크로 가스터빈의 성능진단 및 예측에 기초자료로서 활용 가능하다.

가설 설정

마이크로 가스터빈의 경우 압축기와 터빈이 각각 1단이므로 모든 단에서 파울링이 일정하다고 가정하였다. 따라서 유량, 압력비 및 효율의 변화량이 각각 1%로 동일하게 감소하였다고 가정 후 엔진의 성능변화 분석 수행하였다.
마이크로 가스터빈의 경우 압축기와 터빈이 각각 1단이므로 모든 단에서 파울링이 일정하다고 가정하였다. 따라서 유량, 압력비 및 효율의 변화량이 각각 1%로 동일하게 감소하였다고 가정 후 엔진의 성능변화 분석 수행하였다.

제안 방법

마이크로 가스터빈의 부분부하 운전은 터빈출구온도 제어방법을 사용하였다. Table 2에 나타나 있듯이 각 Case의 터빈 출구온도가 다르기 때문에 각 Case의 터빈 출구온도를 기준(Table 2에서의 터빈 출구온도)으로 100% RPM에서 70%RPM까지 부분부하 운전성능 해석을 수행하였다.
따라서 본 연구에서는 압축기와 터빈의 성능선도(Performance map)를 이동(Shifting)하는 방법을 사용하여 파울링과 침식현상으로 인한 압축기와 터빈의 성능저하를 모사하여, 전부하부터 부분부하 운전상태까지 마이크로 가스터빈의 성능변화 분석과 압축기에서 중요한 파라미터인 서지마진(Surge margin, SM)의 변화를 분석하였다. 성능변화 분석과 서지마진 해석 결과를 통하여 부분부하 운전 시 성능 변화를 예측 할 수 있고 가스터빈 성능에 지배적인 영향을 미치는 파라미터를 파악할 수 있다.
마이크로 가스터빈에서 압축기 파울링 현상 및 터빈의 침식현상이 발생하여 압축기 및 터빈의 성능이 저하됐을 경우, 설계점 및 부분부하 운전 성능에 미치는 영향을 성능변화의 분석과 서지마진 변화를 분석하였다.
부분부하 운전상태에서 각 Case에 따른 출력, 효율, 유량, 압력비 및 서지마진 변화에 대하여 분석을 수행하였다. Case A와 Case C의 경우 회전수가 감소함에 따라(100% RPM~ 70% RPM) 출력과 효율의 변화량이 증가하지만 설계점에서의 변화량과 거의 유사한 값을 갖는다.
압축기 및 터빈의 성능저하로 인하여 성능선도의 형상이 변하였을 때 마이크로 가스터빈의 성능이 얼마나 변하는지 예측하기 위하여 성능변화를 다음과 같은 식으로 계산 하였다.
압축기 성능선도에서 주어지지 않은 70% RPM이하의 무차원 회전수는 외삽법(Extrapolation)을 사용하여 계산할 수 있으나 무차원 회전수가 낮아질수록 외삽법으로 해석한 결과의 정확성이 떨어지는 한계가 있기 때문에 70% RPM까지 해석을 수행하였다.
압축기와 터빈의 성능저하로 인한 마이크로 가스터빈의 성능변화 분석을 압축기의 성능저하로 인하여 압축기 성능선도가 이동한 경우(Case A), 터빈의 성능저하로 인하여 터빈 성능선도가 이동한 경우(Case B), 압축기와 터빈 모두 성능저하가 발생한 경우(Case C)로 나누어 수행하였다.
마이크로 가스터빈에서 압축기 파울링 현상 및 터빈의 침식현상이 발생하여 압축기 및 터빈의 성능이 저하됐을 경우, 설계점 및 부분부하 운전 성능에 미치는 영향을 성능변화의 분석과 서지마진 변화를 분석하였다. 압축기의 성능저하가 발생하였을 경우(Case A), 터빈의 성능저하가 발생하였을 경우(Case B), 압축기와 터빈 모두 성능저하가 발생하였을 경우(Case C) 총 세 가지의 경우로 분석하였다.
압축기와 터빈의 성능이 저하되면 성능선도가 변하게 된다. 이때 마이크로 가스터빈의 성능과 서지마진의 변화를 분석하기 위하여 유량, 압력비 및 효율을 각각 1% 감소시켜 성능선도를 이동한 후 해석을 수행하였다. 압축기의 파울링 현상과 터빈의 침식현상을 해석하기 위하여 이동된 압축기와 터빈의 성능선도는 Fig.
전부하에서 성능변화 분석을 하기 위하여, 마이크로 가스터빈 설계조건에서의 터빈입구온도인 980^oC에서 성능해석을 수행하였다. 압축기와 터빈의 매칭 과정에 의하여 압축기와 터빈의 성능선도에서의 작동점이 터빈 입구온도가 980℃가 되는 위치로 이동하게 된다.

대상 데이터

1과 같다. 1단 원심 압축기와 1단 원심 터빈, 발전기는 단축으로 설계되었으며 가스는 천연가스를 사용하였다.
본 연구의 해석 대상인 마이크로 가스터빈의 설계사양은 ISO조건에서 압력비(Pressure ratio, PR) 4.2, 순 출력(Net power)은 약 220.2 kW, 효율(Thermal efficiency)은 약 35.12%이며 선행연구(제1부 - 성능해석 프로그램)⁽¹²⁾의 설계 조건과 동일하다. Table 1에 성능과 파라미터들을 요약하였다.

이론/모형

마이크로 가스터빈의 부분부하 운전은 터빈출구온도 제어방법을 사용하였다. Table 2에 나타나 있듯이 각 Case의 터빈 출구온도가 다르기 때문에 각 Case의 터빈 출구온도를 기준(Table 2에서의 터빈 출구온도)으로 100% RPM에서 70%RPM까지 부분부하 운전성능 해석을 수행하였다.
압축기와 터빈에서의 작동점은 매칭(Matching) 과정을 통하여 결정된다. 선행연구 결과^{(10, 13)}를 참조하여 마이크로 가스터빈의 출력을 조절하기 위해서 열회수 사이클에서 부분부하 효율이 높은 가변회전수 운전 방법을 사용하였으며 터빈 출구온도를 일정하게 유지하는 터빈 출구온도 제어(Turbine exhaust temperature control, TET control) 방법으로 해석하였다⁽¹²⁾.
성능변화 분석과 서지마진 해석 결과를 통하여 부분부하 운전 시 성능 변화를 예측 할 수 있고 가스터빈 성능에 지배적인 영향을 미치는 파라미터를 파악할 수 있다. 설계점 및 부분부하 운전 성능해석을 수행하기 위하여 선행연구(제1부 - 성능 해석 프로그램)⁽¹²⁾에 의해 개발된 발전용 가스터빈의 정상상태 해석 프로그램(In-house code)을 사용하였다.
탈설계 해석에서 중요한 압축기와 터빈의 성능선도는 선행연구(제1부 - 성능해석 프로그램)⁽¹²⁾의 Fig. 3과 Fig. 4를 사용하였다. 압축기와 터빈에서의 작동점은 매칭(Matching) 과정을 통하여 결정된다.

성능/효과

Case B의 경우 출력과 효율의 변화량이 설계점에서의 변화량과 유사한 경향을 보인다. 따라서 터빈의 성능저하로 인한 출력 및 효율의 감소는 100% 회전수에서 70% 회전수까지 일정하게 적용된다는 것을 알수 있다.
설계조건인 터빈 입구온도를 980℃ 기준으로 성능분석을 수행 한 결과, Case A의 경우 출력이 2.29%, Case B의 경우2.24%, Case C의 경우 출력이 4.40% 감소하였다. 압축기와 터빈의 성능저하로 인하여 압축기로 유입되는 공기유량이 가장 적은 Case C의 경우에 출력변화가 가장 크다.
따라서 본 연구에서는 압축기와 터빈의 성능선도(Performance map)를 이동(Shifting)하는 방법을 사용하여 파울링과 침식현상으로 인한 압축기와 터빈의 성능저하를 모사하여, 전부하부터 부분부하 운전상태까지 마이크로 가스터빈의 성능변화 분석과 압축기에서 중요한 파라미터인 서지마진(Surge margin, SM)의 변화를 분석하였다. 성능변화 분석과 서지마진 해석 결과를 통하여 부분부하 운전 시 성능 변화를 예측 할 수 있고 가스터빈 성능에 지배적인 영향을 미치는 파라미터를 파악할 수 있다. 설계점 및 부분부하 운전 성능해석을 수행하기 위하여 선행연구(제1부 - 성능 해석 프로그램)⁽¹²⁾에 의해 개발된 발전용 가스터빈의 정상상태 해석 프로그램(In-house code)을 사용하였다.
Case B와 Case C의 서 지마진의 경우 기존의 성능선도의 서지마진보다 약 1%p 감소하였다. 압축기 성능저하의 영향보다 터빈의 성능저하가 서지마진 감소에 영향을 미친다는 것을 알 수 있다.
위에서 설명하였듯이, Case B의 경우에 유량이 감소하고 압력비가 증가하면 작동점이 서지라인 방향으로 이동하기 때문에 서지마진이 감소하게 된다. 즉, 서지마진의 감소는 압축기에서의 유량 감소하는 경우보다 터빈에서의 초킹 유량 감소에 더 영향을 받는다는 것을 알 수 있다.
터빈 입구온도가 980℃로 동일한 조건에서 유량과 압력비, 효율이 1% 감소하면 압축기 성능선도가 이동한 경우(Case A)의 출력이 2.29%, 터빈 성능선도가 이동한 경우 (Case B)의 출력이 2.24% 감소하였다. 압축기와 터빈의 성능선도가 이동한 경우(Case C)에 4.
압축기와 터빈의 성능저하로 인하여 압축기로 유입되는 공기유량이 가장 적은 Case C의 경우에 출력변화가 가장 크다. 터빈의 성능저하가 발생하였을 때(Case B, C) 서지마진이 감소하는 것을 알 수 있었다. 즉, 서지마진은 압축기 성능저하보다 터빈의 성능저하에 영향을 많이 받는다.
Case B의 경우 출력과 효율의 변화량 모두 설계점에서의 변화량과 거의 유사하여 설계점에서의 성능 변화량으로 부분부하 운전상태의 성능변화를 예측 가능하다. 회전수 변화에 따른 유량과 압력비의 변화량은 총 세 가지 Case 모두 설계점에서의 변화량과 유사함을 확인하였다. 서지마진의 경우 터빈의 성능저하가 발생하였을 때(Case B, Case C) 서지마진이 감소하였으며 회전수가 감소함에 따라 전체적으로 약 1%p 감소한다.

후속연구

따라서 본 연구에서는 마이크로 가스터빈을 대상으로 압축기의 파울링 및 터빈의 침식문제가 발생 시 마이크로 가스터빈 성능에 어떠한 영향을 미치는지 연구를 수행하였다. 본 연구결과는 마이크로 가스터빈의 성능진단 및 예측에 기초자료로서 활용 가능하다. 기저부하용 발전설비로 사용되는 산업용 대형 가스터빈과는 달리 분산발전으로 사용되는 마이크로 가스터빈은 장시간 동안 전부하(Full load) 운전이 아닌 부분부하(Part load) 상태로 운전하기 때문에 전부하의 성능 해석뿐만 아니라 부분부하 운전상태에서의 성능해석도 중요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가스터빈을 이용한 발전설비는 무엇인가?	가스터빈을 이용한 발전설비는 압축기, 연소기, 터빈을 이용하여 압축, 연소 및 팽창과정으로 발전을 하는 시스템이다. 압축기로 유입되는 대기의 공기에 먼지, 습기 혹은 다양한 오염물질 등이 포함되어 있다.
	터빈의 성능저하가 발생하였을 때(Case B, C) 서지마진이 감소하는 것을 통해 알 수 있는 사실은?	터빈의 성능저하가 발생하였을 때(Case B, C) 서지마진이 감소하는 것을 알 수 있었다. 즉, 서지마진은 압축기 성능저하보다 터빈의 성능저하에 영향을 많이 받는다.
	압축기로 유입되는 대기의 공기에는 무엇이 포함되어 있는가?	가스터빈을 이용한 발전설비는 압축기, 연소기, 터빈을 이용하여 압축, 연소 및 팽창과정으로 발전을 하는 시스템이다. 압축기로 유입되는 대기의 공기에 먼지, 습기 혹은 다양한 오염물질 등이 포함되어 있다. 먼지 등이 압축기 입구로 유입되는 것을 방지하기 위하여 압축기 입구 덕트에 필터를 설치한다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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