[논문]전치 가이드 베인 설치에 따른 열회수 보일러 입구 온도 최적화

이수윤; 안준; 신승원

문제 정의

발전용량이 3배가 증가됨에 따라 기존의 300 kW급 소형 열병합발전 시스템을 그대로 확장 적용시키기는 어렵기 때문에 1 MW급 용량에 맞는 시스템 디자인이 이루어져야 한다. 따라서 본 논문에서는 1 MW급 가스엔진 열병합발전 시스템 개발에 있어서 중요하게 연구되어야 할 부분인 열회수 보일러(HRSG, Heat Recovery Steam Generator)의 성능 향상을 위한 설계점을 찾는 데 주안점을 두었다. 열회수 보일러는 폐열을 회수하여 증기를 발생시키는 장치인데 일반적으로 Fig.
본 논문에서는 유체유동 해석도구인 FLUENT를 이용하여 1 MW급 열병합 발전 시스템에서 열회수 보일러의 입구를 통과하게 되는 작동 유체인 배기가스의 온도 균일성을 향상시키기 위하여 덕트의 길이 및 가이드 베인의 형상을 다르게 하여 전치 가이드 베인 설치의 최적화된 설계점을 찾아보도록 하였다.
본 연구에서는 1 MW급 열병합 발전 시스템에서 선형 확장 유로를 가지는 덕트의 출구를 통과하는 유체의 온도 균일성을 향상시키기 위해 기존의 300 kW급 열병합 발전 시스템에 사용되었던 디자인을 변경한 새로운 전치 가이드 베인의 설치에 대하여 최적화된 설계점을 찾아보았다. 기존의 300 kw급 열병합 발전용 덕트 설계는 고용량 발전시스템을 그대로 수용한 결과 연소기 출구가 지면과 접하도록 설계되었다.

가설 설정

85 m/s로 설정하였으며, 각 케이스 별 수치해석 모델이 충분한 출구영역을 갖고 있으므로 출구 조건은 Open condition으로 설정하였다. 열 흡수원의 역할을 수행할 Fin-tube의 경우에는 실제 시스템에서 튜브 내부로 5기압의 물이 증발할 때의 온도인 423.15 K으로 공급되며, 상변화를 일으키지만, 본 논문에서는 덕트 내부에서 배기가스의 유동에 대하여 주로 관심을 가지기 때문에 상변화 과정을 튜브 벽면의 온도가 상변화 할 때의 온도인 423.15 K으로 일정하다고 가정하여 경계조건을 주었다. 전반적인 Processing 과정은 FLUENT를 사용하였으며, 난류모델로는 비압축성, Standard k-ε Model을 적용하였다.

제안 방법

Case D는 Case C와 동일한 덕트의 형상으로부터 실제 덕트를 제작할 경우에 덕트의 길이를 줄이는 것이 제작단가 면에서 유리하므로 Case C에서 덕트의 길이의 절반인 1 m로 둔 모델이며, Case E는 Case D에서 기존의 300 kW급에서 사용되던 가이드 베인의 형상과는 다르게 정체 와류(Stagnation vortex)가 보일러 입구 단면의 모서리 부분에서 크게 발생할 것을 예상하여 마름모 형상의 가이드 베인을 장착하여 모델을 구성하였다.
245 m, 정사각 출구(즉, 열회수 보일러의 입구) 한 변의 길이는 1 m로 두어 수치해석 모델을 구성하였다. 기존의 300 kW급 열병합 발전 시스템에서 사용된 열회수 보일러와 연결 유로인 덕트의 형상을 기본으로 하여 최적화된 설계점을 찾아가는 것이 목적이므로, 총 5개의 케이스를 두어 비교, 분석하여 보았다(Fig. 3).
기존의 300 kW급 열병합 발전 시스템의 덕트에 설치되었던 선형 가이드 베인은 중력방향으로 시행오차 방법을 통해 특정한 각도를 선택하여 설치된 것임에 비하여 이번 Case E에 설치할 가이드 베인은 기존에 설치하던 방법과 다르게 가이드 베인에 의하여 나누어지는 연소실 출구 영역 즉 덕트의 입구 영역에 각각 동일한 유량의 배기가스가 나누어 질 수 있도록 설계되었다. 마름모 형태의 가이드 베인이 적용되기 때문에 원형 파이프 입구 단면의 면적의 1/4에 해당되는 영역을 3등분하기 위하여 다음의 Fig.
4(c)이다. 덕트 원형 입구에 설치된 가이드 베인으로 나누어진 입구 영역에 각각 동일한 질량 유량이 공급될 수 있도록 설치 지점을 계산하여 수치해석 모델에 적용하였다.
연소실 출구에서 보일러 입구로의 배기가스 유동을 해석하기 위하여 배기가스가 공급될 연소실 출구, 선형 확장유로를 가지는 덕트, 보일러 입구에서 열 흡수원의 역할을 할 핀튜브(Fin tube), Backflow가 발생하지 않을 정도의 충분히 긴 출구 영역을 고려하였으며, 덕트의 원형 입구 지름은 0.245 m, 정사각 출구(즉, 열회수 보일러의 입구) 한 변의 길이는 1 m로 두어 수치해석 모델을 구성하였다. 기존의 300 kW급 열병합 발전 시스템에서 사용된 열회수 보일러와 연결 유로인 덕트의 형상을 기본으로 하여 최적화된 설계점을 찾아가는 것이 목적이므로, 총 5개의 케이스를 두어 비교, 분석하여 보았다(Fig.
이러한 문제를 해결하고자 Case E에 적용한 가이드 베인의 배치는 정체 와류가 발생할 것으로 예상되는 디퓨저 형태의 덕트 가장자리로 배기가스의 유동 방향을 유도할 수 있는 형태로 배치되었으며, 반면에 연소실 출구로부터 나오는 배기가스는 중심 부분에서 빠른 유속을 가질 것이므로 중앙 부분으로는 잘 흐르지 않도록 유동 방향을 유도할 수 있게 배치되었다. 각 케이스에 따른 배기가스의 유동 특성을 유선의 형태로 표현한 것을 Fig.
(Case A의 경우에는 형상의 1/2을 해석) 그리고 각 케이스 별 격자의 개수와 경계조건에 대한 설정 내용은 Table 1에 나타내었다. 입구 조건은 균일 속도 조건으로 실제 연소실 출구에서 배출되는 배기가스의 전체 질량유량이 6000 kg/hr일 경우의 속도인 26.85 m/s로 설정하였으며, 각 케이스 별 수치해석 모델이 충분한 출구영역을 갖고 있으므로 출구 조건은 Open condition으로 설정하였다. 열 흡수원의 역할을 수행할 Fin-tube의 경우에는 실제 시스템에서 튜브 내부로 5기압의 물이 증발할 때의 온도인 423.
8에 나타내었다. 평균온도가 높을수록 그리고 온도의 표준편차가 낮을수록 보일러 입구에서 가장 이상적인 온도의 균일성을 확보할 수 있게 되며, 속도의 표준편차 값이 낮을수록 가장 이상적인 속도의 균일성을 확보할 수 있게 되는 것이므로 이 파라미터들을 분석해서 균일성을 판단하였다.
기존의 300 kW급 열병합 발전시스템에서 연소실 출구의 위치가 지표면에 닿게 설치되었던 이유는 기존의 고출력 발전시스템의 경우 그 크기로 인해 중력에 의한 영향을 고려하여 설계되었던 것을 그대로 이용하여 설계되었기 때문이다. 하지만 소형 열병합 발전시스템에서 중력의 영향이 크게 작용하지 않을 것으로 예상되므로 연소실 출구의 위치를 높여 덕트의 형상을 작동 유체의 유동 방향에 대하여 수직 단면이 일정한 비율로 커지는 디퓨저(Diffuser)와 유사하게 모델을 구성하였다.
해석해야 할 각 케이스 별 덕트 유동 시스템의 형상 구현, Meshing, 경계조건 설정 등의 전반적인 Pre-processing 과정은 GAMBIT을 사용하였으며, 대칭 조건을 이용하여 형상의 1/4만을 해석하였다. (Case A의 경우에는 형상의 1/2을 해석) 그리고 각 케이스 별 격자의 개수와 경계조건에 대한 설정 내용은 Table 1에 나타내었다.

이론/모형

15 K으로 일정하다고 가정하여 경계조건을 주었다. 전반적인 Processing 과정은 FLUENT를 사용하였으며, 난류모델로는 비압축성, Standard k-ε Model을 적용하였다.

성능/효과

Fig. 7과 Fig. 8에서 나타난 각 케이스 별 온도 및 속도의 균일성에 대한 자료를 분석하면 예상한 대로 전체 케이스 중에서 Case D의 평균 온도가 가장 낮게 나타나고, 온도 및 속도의 표준편차 값이 가장 높게 나타나는 것을 확인할 수 있으며, 이 자료 만을 두고 판단할 경우에 설계를 최종 수정한 Case E에서 가장 좋은 온도 및 속도의 균일성이 확보되는 것을 알 수 있다. 하지만 Case B와 Case C 역시 Case E와 비교하여 큰 차이를 보이지 않으며 상당히 양호한 균일성을 보여주는데, 실제 위의 두 케이스는 Case E에 비하여 덕트의 길이가 2배 더 길다는 점을 고려하여 볼 때 제작단가 대비 보일러 입구에서의 온도 및 속도의 균일성 확보 능력은 Case E가 가장 우수하다고 할 수 있다.
Case D는 덕트의 길이가 짧아지면서 동시에 덕트에서 면적이 확장되는 비율이 이전의 Case C에 비하여 더 높은 값을 가지게 되므로 보일러 입구의 중앙 부분에 더 높은 속도 및 온도 분포를 보이게 되며, 반면에 가장자리에는 더 심한 정체 와류가 형성이 되는 것을 확인 할 수 있다. 마지막으로 가장자리의 정체 와류와 중앙 부분에 집중된 배기가스의 유동 특성을 수정할 수 있도록 설계된 가이드 베인이 설치된 Case E에서는 이러한 현상이 많이 완화되었으며, 실제로 Fig. 7에서 확인되는 온도의 평균값과 표준 편차값을 확인하면 Case D에 비하여 더 향상된 온도 균일성을 보이며, Case C와 비교해도 큰 차이가 보이지 않는다. 즉 Duct의 길이를 절반으로 줄인 만큼의 생성된 온도의 비균일성을 가이드 베인의 설치함으로써 상쇄한 것으로 볼 수 있다.
이를 보완하기 위해 설치된 기존의 가이드 베인은 한 방향으로 만의 유동 균일성을 고려하였기 때문에 그 결과 역시 1 MW급 용량의 경우 만족스럽지 못 하였다. 소형 발전시스템의 경우 중력의 영향은 그리 큰 고려사항이 아니기 때문에, 연소기 출구를 보일러 입구와 같은 중심에 놓는 것 만으로도 온도 및 유동 균일성이 크게 향상되었고, 추가적인 가이드 베인의 설치로 덕트의 길이를 크게 줄이면서도 동일한 온도균일성을 유지할 수 있었다. 하지만 가장자리에서 발생할 것으로 예상되는 정체 와류에 대하여 주로 고려하였기 때문에 중앙 부분에서는 약간의 역류(Backflow)가 발생하게 되었고, 다른 케이스 들에 비하여 압력 손실이 다소 높다는 점 등을 고려하여 볼 때, 이를 보완하여 좀 더 향상된 가이드 베인 설계점의 최적화가 필요하고 이에 대한 추가적인 연구가 수행 중이다.

후속연구

가이드 베인이 없는 Case A, C, D의 경우에는 비슷하고 낮은 압력손실을 보여주는 반면에 가이드 베인이 설치되어있는 Case B와 Case E에서는 높은 압력손실을 보여주는 것을 확인할 수 있다. 따라서 위에서 분석하여 본 온도 및 속도의 균일성 확보 능력에 추가하여 압력손실의 증가에 따른 소요 동력의 증가, 덕트의 길이 축소로 인한 생산 단가의 감소 등을 고려하여 좀 더 최적화된 가이드 베인의 설계점을 찾을 수 있을 것이고, 이에 대한 추가적인 연구가 계속해서 수행 중이다.
소형 발전시스템의 경우 중력의 영향은 그리 큰 고려사항이 아니기 때문에, 연소기 출구를 보일러 입구와 같은 중심에 놓는 것 만으로도 온도 및 유동 균일성이 크게 향상되었고, 추가적인 가이드 베인의 설치로 덕트의 길이를 크게 줄이면서도 동일한 온도균일성을 유지할 수 있었다. 하지만 가장자리에서 발생할 것으로 예상되는 정체 와류에 대하여 주로 고려하였기 때문에 중앙 부분에서는 약간의 역류(Backflow)가 발생하게 되었고, 다른 케이스 들에 비하여 압력 손실이 다소 높다는 점 등을 고려하여 볼 때, 이를 보완하여 좀 더 향상된 가이드 베인 설계점의 최적화가 필요하고 이에 대한 추가적인 연구가 수행 중이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	열병합발전이란 무엇인가?	그 중에서 대표적인 에너지 절약 시설은 소형 열병합발전 시스템이다. 열병합발전이란 전기생산과 열의 공급 즉 난방을 동시에 진행하여 종합적인 에너지 이용률을 높이는 발전 시스템을 말하며, 정부는 전력수급 기본계획으로 2017년까지 2,700 MW를 소형 열병합발전으로 공급할 것을 결정하였다. 이미 300 kW급 소형 열병합발전 시스템은 개발 및 성능평가가 수행되었으며, 계룡대 아파트(220 kW), 인천 만수주공(340 kW), 평택 삼성 아파트(340 kW), 덕정주공(356 kW) 등 200 ~ 500 kW 수준의 시스템 중심으로 보급이 되어 사용하고 있는 중이다.
	열회수 보일러의 입구에서 균일한 온도 분포를 얻기 위한 가이드 베인의 최적 배치가 설계에 있어서 중요한 이유는 무엇인가?	그림에서 보여지듯 열회수 보일러의 입구 중 A지점에서 측정한 온도는 편차가 심하지 않지만, B지점에서 측정한 온도는 편차가 심한 것을 알 수 있다. 그러므로 이와 같이 보일러 입구에서의 불균일한 온도 분포를 유발하는 덕트 내 급확대 유동에서의 박리현상을 최소화하여 에너지의 손실을 줄이고, 온도의 균일성을 유지하기 위해 덕트의 입구에 가이드 베인을 설치하게 되는데, 이를 전치 가이드 베인(Inlet Guide Vane)이라고 한다. 따라서 열회수 보일러의 입구에서 균일한 온도 분포를 얻기 위한 가이드 베인의 최적 배치는 설계에 있어서 중요한 설계점 중의 하나가 된다.
	열회수 보일러란 무엇인가?	따라서 본 논문에서는 1 MW급 가스엔진 열병합발전 시스템 개발에 있어서 중요하게 연구되어야 할 부분인 열회수 보일러(HRSG, Heat Recovery Steam Generator)의 성능 향상을 위한 설계점을 찾는 데 주안점을 두었다. 열회수 보일러는 폐열을 회수하여 증기를 발생시키는 장치인데 일반적으로 Fig. 1과 같은 형태로 구성되어 있으며, 성능 해석을 위한 중요 파라미터(Parameter)의 하나로 증발량(Evaporation loss)이 있다.

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