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유동해석을 이용한 고압증기터빈 단효율 변화 예측

Rediction of Stage Efficiency Variation of a USC High Pressure Steam Turbine by Computational Fluid Dynamics

한국유체기계학회 논문집 = The KSFM journal of fluid machinery, v.20 no.2, 2017년, pp.17 - 25  

강수영 (인하대학교 대학원) ,  장혁준 (인하대학교 대학원) ,  이정진 (인하대학교 대학원) ,  김동섭 (인하대학교 기계공학과) ,  박성진 ((주)두산중공업) ,  홍기원 ((주)두산중공업)

Abstract AI-Helper

Prediction of performance and operating characteristics of a state-of-the-art ultra-supercritical (USC) steam turbine is an important issue in many ways. Theoretical and empirical correlation equations, developed a few decades ago, have been widely used in commercial programs for a prediction of per...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 3) 본 연구의 의의는 선행연구에서 개발된 USC 증기터빈의 1-D 성능분석 프로그램의 넓은 운전 범위에서의 효율 예측 정확도를 향상하기 위해서 CFD를 유동해석을 통해 효율 상관식을 도출한 것이다. 도출된 효율 상관식의 경우, 성능 시험 데이터 등을 통한 계수의 수정 등으로 형상이 다른 USC 조건의 증기터빈의 탈설계 효율 예측에 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
  • (12) 그러나 이 프로그램 개발에 사용된 효율 상관식이 수십 년 전에 작성되었으며, USC 조건에서는 오차가 발생할 수 있다고 판단되었다. 따라서 구동특성, 특히 효율의 변화를 보다 현실적이고 정확하게 모사할 수 있도록 단별 효율 상관식을 만드는 것이 본 연구의 주 목적이다.
  • 8과 9에 도시하였다. 비정상적인 운전 범위를 제외하고 파라 메트릭 연구의 경계조건에서 압력비와 체적유량을 변화하여 경계조건을 설정함으로서 도출된 상관식을 만들기 위해 사용한 데이터만이 아닌 임의의 경계조건에서 유동해석 결과를 잘 재현할 수 있는지에 대해 검증하는 것이 목적이다. 무작위 경계조건에서의 유동해석 결과가 1단 효율 상관식과 1% 미만의 오차로 잘 수렴하였으며, 무작위 경계조건에서의 효율 보정값 또한 적은 오차로 수렴하였다.

가설 설정

  • 따라서 이에 따라 출력이 증가하게 된다. 대게의 경우, 정격출력의 105% 정도까지 과부하 밸브를 개방하며, 본 연구에서는 선행 연구(12)에서 제시된 운전범위를 고려하여 과부하 밸브로 공급되는 최대 유량을 제어 밸브 공급유량의 20%로 가정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
증기터빈의 성능예측 및 분석을 위한 상용 프로그램개발이 중요한 이유는 무엇인가? 따라서 임의의 다른 발전 플랜트에 적용하려면 추가적인 비용이 발생하는 것이 일반적이다. 이러한 프로그램들은 증기터빈 발전 플랜트에서 보수유지 및, 안정적인 운전 등에 중요한 역할을 하기 때문에 자체적인 증기터빈 시뮬레이션 프로그램을 개발하는 것은 발전소의 운영 등의 측면에서 중요한 의미를 가진다.
초초임계압 증기터빈은 어떤 증기로 구동되는가? 지난 수십 년간 증기터빈의 성능 향상을 위해 증기의 온도, 압력이 증가하고 있다. 이에 따라 최근 약 27 MPa, 610°C의증기로 구동하는 초초임계압(ultra-supercritical, USC) 증기터빈이 개발되어 설치되고 있다. USC 증기터빈은 약 600~1000 MW의 출력과 약 45~49%의 효율을 가지며, 향후 advanced USC (A-USC) 증기터빈을 통해 증기의 온도, 압력을 더 증가시켜 50%의 효율을 달성함과 동시에 이산화탄소 및 기타 유해물질 배출을 25% 줄이는 것을 목표로 연구가 진행되고 있다.
USC 증기터빈의 특징 및 목표는 무엇인가? 이에 따라 최근 약 27 MPa, 610°C의증기로 구동하는 초초임계압(ultra-supercritical, USC) 증기터빈이 개발되어 설치되고 있다. USC 증기터빈은 약 600~1000 MW의 출력과 약 45~49%의 효율을 가지며, 향후 advanced USC (A-USC) 증기터빈을 통해 증기의 온도, 압력을 더 증가시켜 50%의 효율을 달성함과 동시에 이산화탄소 및 기타 유해물질 배출을 25% 줄이는 것을 목표로 연구가 진행되고 있다.(1,2) 국내에도 USC 증기터빈 발전소가 이미 건설되었으며, 상용 운전이 예정 중이다.
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참고문헌 (21)

  1. Deidewig, F. and Wechsung, M., 2006, "Thermodynamic Aspects of Designing the New Siemens High Pressure Steam Turbine with Overload Valve for Supercritical Applications," ASME Paper. POWER2006-88020. 

  2. Wechsung, M., Feldmuller, A. and Lemmen, H., 2012, "Steam Turbines for Flexible Load Operation in the Future Market of Power Generation," ASME Paper. GT2012-69312. 

  3. Hwang, S. H., 2014, "중부발전 신보령 1,000 MW USC Plant 건설 현황 및 전망," Journal of Electrical World, pp. 45-51. 

  4. Chaibakhsh, A. and Ghaffari, A., 2008, "Steam Turbine Model," Simulation Modelling Practice and Theory, Vol. 16, No. 9, pp. 1145-1162. 

  5. Medina-Flores, J. M. and Picon-Nunez, M., 2010, "Modelling the Power Production of Single and Multiple Extraction Steam Turbines," Chemical Engineering Science, Vol. 65, No. 9, pp. 2811-2820. 

  6. Luo, X., Zhang, B., Chen, Y. and Mo, S., 2011, "Modeling and Optimization of a Utility System Containing Multiple Extractions Steam Turbines," Energy, Vol. 36, No. 5, pp. 3501-3512. 

  7. Bahadori, A. and Vuthaluru, H. B., 2010, "Estimation of Performance of Steam Turbines Using a Simple Predictive Tool," Applied Thermal Engineering, Vol. 30, No. 13, pp. 1832-1838. 

  8. Enter Software, GateCycle ver 6.0, 2006. 

  9. Cooke, D. H., 1983, "Modeling of Off-Design Multistage Turbine Pressures by Stodola's Ellipse," In Energy Incorporated PEPSE User's Group Meeting, Richmond, VA, Nov., pp. 2-3. 

  10. Spencer, R. C., Cotton, K. C. and Cannon, C. N. (1963). A method for predicting the performance of steam turbine-generators....: 16,500 kw and larger. Journal of Engineering for Power, Vol. 85, No. 4, pp. 249-298. 

  11. Cotton, K. C., 1998, Evaluating and improving steam turbine performance, Cotton Fact. 

  12. Kang, S. Y., Lee, J. J., Kim, T. S., Park, S. J., Hong, G. W. and Ahn, J. H., 2016, "Program development for performance analysis of a steam turbine system with the use of overload valve," Journal of Mechanical Science and Technology (accepted). 

  13. Jang, H. J., Kang, S. Y., Lee, J. J., Kim, T. S., & Park, S. J., 2015, "Performance analysis of a multistage ultra-supercritical steam turbine using computational fluid dynamics," Applied Thermal Engineering, 87, pp. 352-361. 

  14. Wechsung, M., Feldmuller, A., and Lemmen, H., 2012, Steam turbines for flexible load operation in the future market of power generation. ASME paper GT2012-69312. 

  15. ANSYS Inc, ANSYS CFX 14.0, 2011. 

  16. Abdelfattah, S. A. and Schobeiri, M. T., 2010, "Experimental and numerical investigations of aerodynamic behavior of a three-stage HP-turbine at different operating conditions," ASME paper. GT2010-23564. 

  17. Murari, S., Sathish, S., Shraman, G. and Liu, J. S., 2011, "CFD aerodynamic performance validation of a twostage high pressure turbine," ASME Paper. GT2011-45569. 

  18. Bohn, D., Ausmeier, S. and Ren, J., 2005, "Investigation of optimum clocking position in a two-stage axial turbine," Int. J. Rotating Mach. 3. pp. 202-210. 

  19. Burton, Z., Hogg, S. and Ingram, G. L., 2014, "The influence of inlet asymmetry on steam turbine exhaust hood flows," J. Eng. Gas Turbines Power 136 042602. 

  20. The International Association for the Properties of Water and Steam, Release on the IAPWS Industrial Formulation 1997 for the Thermodynamic Properties of Water and Steam, 1997. 

  21. The Mathworks, Inc, MATLAB 2016a (2016). 

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