[논문]복합화력 발전플랜트의 근사 최적 열설계 해석

전용준; 신흥태; 이봉렬; 김동섭; 노승탁

[국내논문] 복합화력 발전플랜트의 근사 최적 열설계 해석
Approximate Optimum Thermal Design Analysis of Combined Cycle Power Plant 원문보기

전용준 (현대건설(주) 기술연구소) , 신흥태 (현대건설(주) 기술연구소) , 이봉렬 (서울대학교 대학원 기계공학부) , 김동섭 (인하대학교 기계공학과) , 노승탁 (서울대학교 기계항공공학부)

An optimum thermal design analysis of the combined cycle power plant with triple pressure heat recovery steam generator was performed by the numerical simulation. The optimum design module used in the paper is DNCONF, a function of IMSL Library, which is widly known as a method to search for the local optimum. The objective function to be minimized is the cost of total power plant including the steam turbine power enhancement premium. The result of this paper shows that the cost reduces if the design point of power plant becomes the local optimum, and many calculations at various initial conditions should be carried out to get the value near the global optimum.

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 대형 복합화력 발전시스템에서 일반적으로 채택하는 삼중압 열회수 증기 발생기 (heat recovery steam generator, HRSG)를 기본 구성요소로 하는 발전 시스템의 최적설계 해석을 시도한다.
즉 최적화할 목적함수는 HRSG 가격 및 스팀터빈 가격의 합에서 스팀터빈 동력초과분에 따른 premium 비용을 뺀 값으로 나타나며, 본 함수를 최소화시키는 조건을 찾는 것이 목표가 된다. 가스터빈 비용은 이미 정해진 값으로 두기 때문에 여기서 고려할 필요가 없다.

가설 설정

또한 비용에 민감한 변수를 찾아내어 다양한 초기값에 대한 계산을 수행하고 이를 면밀히 비교. 검토하는 것이 바람직할 것이다.

제안 방법

탈설계점에서의 성능해석이며, 이들에 관한 연구결과시기는 국내에서도 다수 발표되고 있다. 또한 최근 국내 발전플랜트의 민영화에 부응하고, 발전시스템의 효율적 운전 . 유지관리를 위하여 발전시스템의 동적 성능특성에 관심이 높아지고 있다.
함수”)를 이용하였다. 최적 함수를 비용으로 두고, 이를 최소화하도록 하였다. 정확한 비용 데이터는 .
알기가 힘들기 때문에 기본적으로고 정비용의 대부분을 차지하는 HRSG와 증기터빈의 가격을 산출하고, 여기에 효율 증가에 따른 비용삭감 효과를 포함시켰다. 전체적으로 보면 HRSG와 증기터빈으로 대표되는 열설계 모듈과 최적해석 모듈이 서로 데이터를 피드백하여 최적 설계 점을 찾도록 구성하였다.
스팀터빈의 경험식과 실제 데이터에 의존하여 만들어진 상관식으로 이루어졌으며, 스팀터빈의 섹션별로 계산한다.
본 연구 수행시 삼중압 복합화력 발전 시스템의 최적설계를 위해서 사용된 독립변수는 Table 1 과 같으며, 기본설계 조건은 국내에 운전중인 3중압 복합화력 발전시스템을 이용하였으며 그 구체적인 설계조건은 Table 2와 같다.
있다. 또한 비용에 민감한 변수를 찾아내어 다양한 초기값에 대한 계산을 수행하고 이를 면밀히 비교. 검토하는 것이 바람직할 것이다.
삼중압 복합화력 발전플랜트의 최적 열설계 해석을 수행하였다. 본 연구에서는 9개의 독립 변-수를 이용하여 비용이 최소가 되는 설계점을 찾도록 구성되었으며, 최적설계 모듈은 국소 최적값을 찾는 방법으로 널리 알려진 IMSL Library 내장함수, 즉 DNCONF를 이용하였다.
수행하였다. 본 연구에서는 9개의 독립 변-수를 이용하여 비용이 최소가 되는 설계점을 찾도록 구성되었으며, 최적설계 모듈은 국소 최적값을 찾는 방법으로 널리 알려진 IMSL Library 내장함수, 즉 DNCONF를 이용하였다.

대상 데이터

본 연구에서 적용한 대상플랜트는 520MW 급복합 화력 발전플랜트로써, 하부시스템의 개략도 및 HRSG의 온도 분포도는 Fig.l 과 Fig.2와 같다.
본 연구의 해석모듈은 크게 삼중압 HRSG 및 증기터빈 열설계 모듈, 최적해석 모듈로 나뉜다.

데이터처리

본 해석에서 얻은 최적 설계점은 국소값이기 때문에 몇몇 초기값을 사용하여 계산 및 비교함으로써 근사 최적값을 얻었다. 이 최적조건은 기존 플랜트의 설계시 비용보다 비용을 낮출 수 있음을 알 수 있었다.

이론/모형

본 연구의 최적해석 모듈은 IMSL Library 중의 DNCONF 함수”)를 이용하였다. 최적 함수를 비용으로 두고, 이를 최소화하도록 하였다.
위식에서 flFC는 강제대류 열전달계수, hNB는 핵 비등 열전달계수이며, 이들 상관식으로써 Chen의경험식向을 사용하였다.
본 연구의 최적설계 모듈은 엔지니어들이 보편적으로 많이 적용하고 있는 방법으로써, IMSL Library 내장함수인 DNCONF 를 이용하였다. DNCONF는 Schittkowski에 의해 개발된 서브루틴 NLPQL에 기초를 둔 코드로써, 일반적인 비선형문제를 풀기 위해 연속 이차 프로그래밍 방법(sequential quadratic programming method) 을 사용하였다.

성능/효과

근사 최적값을 얻었다. 이 최적조건은 기존 플랜트의 설계시 비용보다 비용을 낮출 수 있음을 알 수 있었다. 보다 최적에 가까운 값을 얻기 위해서는 보다 많은 초기값을 사용하여 계산 및 비교하여야 한다.

후속연구

본 연구에서 구한 최적값은 국소 최적값일 수 ■있으므로, 실제 최적값에 가까운 값을 찾기 위해서는 초기값을 좀더 다양하게 하여 계산할 필요가 있다. 또한 비용에 민감한 변수를 찾아내어 다양한 초기값에 대한 계산을 수행하고 이를 면밀히 비교.
종합해 보면, 각종 단가들의 변화에 따라 전체비용이 민감하게 변화하기 때문에 각종 단가에 대한 데이터를 보다 정확한 값으로 입력해야 할 필요가 있다.

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