선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 성능시험의 목적은 보증 성능과 최초 설치 후 10,000시간 경과 후 성능시험을 실시하여 성능을 비교함으로써 성능변화 정도 및 성능저하 원인, 기기의 상태 등을 분석할 수 있다.
제안 방법
- Cho et al.(10)은 가스터빈 열병합발전 시스템을 모델링하고 최적 운전조건을 모색하는 방법과 실례를 제시하였으며 발전 시스템을 구성하고 있는 구성부의 성능을 변수로 하여 전체 시스템의 연료 소모량을 계산하는 등 성능 모델링을 통하여 예측하였다. Song(11)은 열병합발전 시스템의 모델링을 구축하여 여러 가지 운전모드에서 운전특성을 고려하여 최적 운전모드를 결정하여 열과 전력 생산량을 결정하였다.
- (5) 이러한 열병합발전 시스템의 운전특성에 따른 성능과 관련된 연구동향에서 Lee et al.(5)은 열병합발전의 여열을 이용한 가스터빈 발전시스템의 성능향상을 위한 연구로 외기온도변화에 따른 증기분사 가스터빈 방법과 흡수식 칠러 냉각 시스템을 결합한 가스터빈 열병합발전 시스템의 성능해석을 하였다. Kim(8)은 복합열병합발전 플랜트에 대하여 설계/해석 프로그램을 사용하여 운전 시뮬레이션을 실시하고 성능 계산을 수행하였다.
- 기기별 전기출력 성능비교에서 #2 G/T의 출력이 낮은 원인을 분석하기 위하여 가스터빈 공기압축기의 효율을 분석하여 비교하여야 한다. 공기압축기 효율분석은 뒤에 가스 터빈 성능분석에서 나타내어 확인한다.
- 데이터 모니터링 용도인 노트북에 통합 데이터관리시스템(Integrated data management system)을 설치하였으며 열병합발전소 중앙제어실에 있는 분산제어시스템(DCS：Distributed control system) 데이터를 노트북에 연결하여 전송하였다.
- 따라서 본 연구에서는 열병합발전소의 일정시간 경과(가동시간 기준 10,000시간) 후 성능시험을 각종 시험 장치 설치 및 ASME PTC 46(15)에 준한 성능시험으로 실시하였고 발전소 전체의 종합출력과 효율에 대한 성능뿐만 아니라 보정을 통한 주요 보정계수 산정 및 보정계수 적용시의 성능에 대하여서도 분석하였다. 이러한 성능시험 실시자료를 기초로 보증 성능과 시험성능을 비교하여 성능변화 값을 확인하며 성능저하 원인을 연구하였다.
- 또한, 계통 밖으로 유출될 수 있는 모든 유출 유량을 차단하고, 보일러수의 블로우 다운(Blow Down)을 금지하였으며 예비시험 및 본 시험을 실시하였다.
- 또한, 시험장치 설치 후 예비시험 전 설비운전 안정화는 2시간 동안 실시하여 Table 2의 운전 안정화 조건에 적합한지 확인하여 정확한 성능시험을 하고자 반드시 운전안정화 조건에 적합한 경우에만 예비시험을 실시하였다.
- 또한, 정확한 성능시험을 하고자 성능시험을 3회 실시하였으며 보증 성능과 일정시간 경과후의 성능을 비교하고자 기동시간이 10,000시간인 시점에서 성능시험을 하였다.
- 본 시험 완료 후 결과분석은 보정 전 출력, 온도 보정 후 출력, 경년열화 보정 후 출력으로 분석하며 세부적인 내용은 시험결과 및 분석에서 나타낸다.
- 설치된 계측장치의 입력 정보의 발생장소와 중앙컴퓨터와의 거리가 멀어 효율적인 정보 수집을 위해 DAS 데이터 수집 시스템을 제작하여 중앙컴퓨터에 직접 데이터를 전달하고자 터빈 층에 설치하여 커넥터 케이블로 연결한 후 10초 간격으로 데이터를 취득하였다. 열병합발전소의 성능시험에서 가장 중요한 자료인 열 생산 출력 및 전기 생산 출력 데이터 및 발전소 각종 운전데이터는 중앙제어실의 DCS의 데이터를 사용하였다.
- 시험 당시의 외기온도가 24~28℃이였으므로 Table 1 보증 성능 조건인 운전 Mode Ⅲ 32℃ 기준으로 모든 성능시험을 실시하는 것으로 하였으며, Guaranteed Heat Balance Diagram을 성능시험 자료로 참조하였다.(8)
- 열병합발전소의 성능시험을 위해서 시험장치를 Fig.1의 성능시험 장치 설치도와 같이 각종 계측장비를 가스 터빈 공기 흡입 여과기(Gas turbine air intake filter house) 입구에 온도계, 습도계, 대기압계를 설치하고 터빈 층에 데이터 수집 시스템(DAS：Data acquisition system)을 설치하여 각종 계측장비와 DAS를 케이블로 연결하였다.
- 예비시험 완료 후 본 시험에서 최대출력 성능테스트를 1시간 실시하였고 필요한 DCS 데이터를 사용하였으며 모든 임의 조작을 금지하여 정확한 시험을 실시하였고 보다 정확한 데이터를 확보하고자 위와 같이 성능시험을 3회 실시하여 시험 데이터로 사용하였다.
- 예비시험 전 설비부하 안정화 조건에 맞추고 운전모드에 따라서 각종 조작 밸브 개방과 닫힘 테스트를 실시하였고, 운전모드에 따른 작동 기기류 등의 동작 상태를 확인하고 부하 안정화를 위해 노력하였다.
- 에 준한 성능시험으로 실시하였고 발전소 전체의 종합출력과 효율에 대한 성능뿐만 아니라 보정을 통한 주요 보정계수 산정 및 보정계수 적용시의 성능에 대하여서도 분석하였다. 이러한 성능시험 실시자료를 기초로 보증 성능과 시험성능을 비교하여 성능변화 값을 확인하며 성능저하 원인을 연구하였다.
- 이에 본 연구에서는 열병합발전소의 성능시험을 실시 후 성능분석을 하여 다음의 결론을 얻었다.
대상 데이터
- 설치된 계측장치의 입력 정보의 발생장소와 중앙컴퓨터와의 거리가 멀어 효율적인 정보 수집을 위해 DAS 데이터 수집 시스템을 제작하여 중앙컴퓨터에 직접 데이터를 전달하고자 터빈 층에 설치하여 커넥터 케이블로 연결한 후 10초 간격으로 데이터를 취득하였다. 열병합발전소의 성능시험에서 가장 중요한 자료인 열 생산 출력 및 전기 생산 출력 데이터 및 발전소 각종 운전데이터는 중앙제어실의 DCS의 데이터를 사용하였다.
데이터처리
- 성능변화 정도를 알기 위해 종합 전기출력 및 효율 결과를 Table 8에서와 같이 나타내며 그래프로 정리하면 Fig. 2와 같고 시험치는 3회 성능 시험한 평균값을 적용하여 분석하였다.
성능/효과
- (1) 성능시험의 불확실도를 최소화하기 위하여 성능시험시 성능보증 기준온도(32℃)에 근접한 온도(24.6~27.6℃)에서 성능시험을 실시하였으며 온도에 대한 보정을 제작사(Siemens)에서 제공한 Correction Curve를 이용하여 선형회귀분석으로 보정계수를 산정하였고 대기온도에 대한 출력과 효율을 보정하여 시험 1~3의 종합전기출력 차이를 비교한 결과통상 발전소 성능시험의 불확실도인 2.5%보다 낮은 2.4%로 성능시험이 매우 양호하게 실시되었다.
- (2) 열병합발전소 성능시험 결과 전체 종합전기 출력은 보증성능 대비 7.27%(8,380 kW) 저하되었고, 종합전기 효율은 보증성능 대비 4.41% 저하되었다. 보정 후 결과에서 효율은 경년열화 정도 저하되었으나 출력은 그 이상(추가 3.
- (3) 열병합발전소의 기기별 전기출력 성능시험 결과 열병합발전소는 #2 G/T가 #1 G/T에 비하여 약 300kW 출력이 낮은 것으로 확인 되었고, #2 G/T가 #1G/T에 비하여 공기압축기 Blade의 막오염(fouling)이 심하여 압축기 효율이 낮아졌기 때문이다.
- (4) 가스터빈의 성능저하 원인은 성능분석 결과 첫째, 최초 설치 후 기동시간이 10,000시간이 경과됨에 따라 이에 따른 경년열화로 보증성능 대비 1.5% 성능저하가 되었고, 둘째, 공기압축기 블레이드의 막 오염으로 인한 압축기 효율의 저하(0.64~1.29%)에 따른 성능이 1.5% 저하되었다.
- (5) 대기 온도가 상승하면 공기 밀도가 감소되어 가스터빈 공기압축기로 유입되는 공기의 단위 체적당 질량이 감소하여 가스터빈의 출력이 저하된다. 이에 따라 대기온도에 대한 전기출력 성능시험 결과 Gas Turbine #1, #2는 대기온도가 높을수록 전기출력이 감소됨을 확인할 수 있으며 온도 1℃ 상승할 때 마다 출력은 약 0.
- Table 3에서 성능시험 결과를 보정 없이 보증 성능과 최초 열병합발전소 준공 후 10,000시간이 지난 시점의 3회 시험성능을 단순히 비교하면 종합 열출력은 평균 126 kW 증가되었고 종합 전기출력은 평균 3,033 kW감소되었으며, 종합 열효율은 약 0.03% 증가되었고 종합 전기효율은 평균 1.80% 감소됨을 알 수 있다.
- You(9)은 분당복합 열병합발전소의 각 운전모드별, 조건별 성능시험을 실시하여 각 운전모드별 성능특성을 파악하고 각 조건별 최적 운전방법을 도출하였다. 그 결과 ModeⅢ에서 열효율이 2.33% 저하 되었으며 통상적으로 복합발전방식에서 운전시간 경과에 따른 성능 저하치 수준 정도라고 하였다. Cho et al.
- 기기별 전기 출력 성능시험 경년열화 보정 결과를 보면 #1 G/T가 152 kW하고, 증가 #2G/T가 197 kW감소된 것을 알 수 있다. 이것은 보증치 대비 차이가 약 0.
- 대기온도 상승 시 출력저하 원인을 분석하고자 Table 4에서 온도보정 전 대기 온도에 따른 가스 터빈 전기출력을 그래프로 정리하여 Fig. 5를 보면 대기온도에 대한 전기출력 성능시험 결과에서 Gas Turbine #1, #2는 대기온도가 온도가 높을수록 전기출력이 감소됨을 확인할 수 있으며 온도 1℃ 상승할 때 마다 출력은 약 0.6%(250 kW) 감소되는 것을 확인하였다.
- 또한, 기기별 출력을 보면 전체적으로 열병합발전소는 #2 G/T가 #1 G/T에 비하여 약 300 kW 출력이 낮은 것으로 확인 되었다.
- 41% 저하되었다. 보정 후 결과에서 효율은 경년열화 정도 저하되었으나 출력은 그 이상(추가 3.26%, 3,752 kW)으로 저하되었다.
- 열병합발전소 성능시험 결과분석에서 전체 종합전기 출력은 보증성능 대비 7.27%(8,380 kW) 저하되었고, 종합전기 효율은 보증성능 대비 4.41% 저하되었다. 위에서 효율은 경년열화 정도 저하되었으나 출력은 3.
- 열병합발전소 성능시험 후 전체적인 성능저하 원인을 분석한 결과 Gas Turbine은 준공 후 10,000시간이 경과되어 성능저하가 되었으며 스팀 터빈은 준공시점(인수성능시험 시점)과 거의 변화가 없었다.
- 온도보정 결과 보증 성능 대비 종합 전기출력은 평균 8,380 kW 감소되었고 가스터빈이 3,367 kW, 증기터빈이 5,013 kW 출력이 감소되었으며 원인은 시간에 따른 경년열화, 공기압축기 효율, 기계적인 결함 등으로 판단되며 세부적인 원인은 기기별 성능저하 원인분석에서 나타낸다.
- (5) 대기 온도가 상승하면 공기 밀도가 감소되어 가스터빈 공기압축기로 유입되는 공기의 단위 체적당 질량이 감소하여 가스터빈의 출력이 저하된다. 이에 따라 대기온도에 대한 전기출력 성능시험 결과 Gas Turbine #1, #2는 대기온도가 높을수록 전기출력이 감소됨을 확인할 수 있으며 온도 1℃ 상승할 때 마다 출력은 약 0.6%(250 kW) 감소되는 것을 확인하였다.
- 대기온도에 대한 출력과 효율을 보정하여 시험 1, 시험 2, 시험 3의 오차를 비교하면 시험의 정확성을 판단할 수 있다. 통상 발전소 성능시험의 불확실도는 2.5% 정도로 본 성능시험의 보정 후 시험 1~3의 종합전기출력의 결과를 보면 오차범위는 2.4%로 성능시험이 잘 실시되었음을 알 수 있다. 오차범위의 산출은 종합전기 출력(Gross Power output)에서 보증성능(Performance Guarantee) 대비 시험 출력차이를 보면 (최대값-최소값)/최대값 = 오차범위를 나타내고 있다.
후속연구
- 또한, 하절기에 대기온도 상승에 따라 가스터빈의 성능이 저하되는 문제가 발생되었으며 이는 하절기 전력 수요가 급증하는 우리나라의 경우 더욱 더 이러한 문제점 해결을 위해 가스터빈 입구 공기 냉각기술에 대한 연구가 필요하다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.