초록

본 1차년 연구에서는 MGT-ORC 하이브리드 열병합발전 시스템 개발과 관련하여 유기냉매 발전 사이클 및 고속 터빈 설계 제작 연구를 수행하였다.

Abstract ▼

In this study design and manufacturing technology of ORC system and high speed radial turbine is developed. The ORC system which uses R245fa as a working fluid is designed and manufactured. The high speed and high efficiency radial turbine for application to the ORC system is designed and manufactur

In this study design and manufacturing technology of ORC system and high speed radial turbine is developed. The ORC system which uses R245fa as a working fluid is designed and manufactured. The high speed and high efficiency radial turbine for application to the ORC system is designed and manufactured also. The experiment for operating the ORC and developed radial turbine is conducted.

목차 Contents

• 제 1 장 서론 ...15
• 제 1 절 연구배경 ...15
• 제 2 절 연구개요 ...16
• 제 3 절 연구목표 ...18
• 1. 최종목표 ...18
• 2. 년차별 목표 및 내용 ...18
• 제 4 절 연구 필요성 ...19
• 1. 기술적 측면 ...19
• 2. 경제.산업적 측면 ...19
• 3. 정책적 측면 ...19
• 4. 기존 연구사업과의 차별성 ...19
• 제 5 절 국내외 기술개발 현황 ...20
• 1. 해외 기술개발 현황 ...20
• 2. 국내 기술개발 현황 ...21
• 제 2 장 ORC 시스템 설계 제작 ...22
• 제 1 절 열원선정 및 특성 분석 ...22
• 제 2 절 작동유체 선정 ...24
• 제 3 절 ORC 사이클 설계 및 제작 ...35
• 1. 사이클 해석 ...35
• 2. 사이클 제작 ...38
• 제 4 절 터빈 설계 및 제작 ...44
• 1. 터빈 1차원 설계 ...44
• 2. 블레이드 3차원 공력설계 ...52
• 3. 터빈 제작 ...66
• 제 5 절 실험 및 결과 ...100
• 제 3 장 고효율 열교환시스템 설계 ...102
• 제 1 절 소결 코팅 파이프의 열전달 성능에 관한 연구 ...102
• 1. 실험장치 및 방법 ...103
• 2. 결과 및 고찰 ...106
• 3. Shell-and-Tube 열교환기의 열전달 성능 해석 방법 ...109
• 제 4 장 전력변환 시스템 설계 ...116
• 제 1 절 전력변환장치 토폴로지 효율분석 ...119
• 1. 다이오드 정류기 ...120
• 2. 부스트 컨버터 ...121
• 3. PWM 정류기와 인버터 ...121
• 4. 시뮬레이션 결과 ...122
• 제 2 절 ORC-MTG 시스템 모델 및 운전 특성 ...123
• 제 3 절 영구자석 동기 발전기의 모델링 ...126
• 1. 영구자석 동기 발전기의 동적 모델 ...126
• 2. 고정자의 철손(Core loss)을 고려한 발전기 모델 ...128
• 3. 영구자석 동기 발전기의 정상상태 모델 ...129
• 제 4 절 영구자석 동기 발전기의 토오크 각 ...131
• 제 5 절 영구자석 동기 발전기의 벡터제어 알고리즘 ...133
• 1. 최대 토오크/전류 제어 ...133
• 2. 최대 역률 제어 ...138
• 3. 발전기의 최대 효율 제어 ...142
• 제 6 절 영구자석 동기 발전기의 전류제어 ...145
• 제 7 절 벡터제어 알고리즘 시뮬레이션 ...146
• 1. 시스템 구성 ...146
• 2. 시뮬레이션 ...147
• 제 8 절 실험 시스템의 구현 ...154
• 1. Space Vector PWM 구현 ...155
• 2. 공간 벡터 인가 시간 계산 ...155
• 3. 각 상의 게이팅 인가 시간 ...158
• 4. Event Manager (EV) 설정 ...161
• 5. 실험 결과 ...162
• 제 9 절 결론 ...167
• 제 5 장 결론 ...169
• 참고문헌 ...171
• [그림 1-1] MGT-ORC 하이브리드 시스템 개요도 ...16
• [그림 1-2] ORC 시스템 개요도 ...17
• [그림 2-1] 65kW급 캡스턴사 마이크로가스터빈 ...22
• [그림 2-2] 물 T-S 선도 ...27
• [그림 2-3] R245fa T-S 선도 ...27
• [그림 2-4] 작동유체 별 증발압력 ...32
• [그림 2-5] ORC 시스템 기본구조 및 설계점 ...36
• [그림 2-6] 터빈입구 온도에 따른 사이클효율 및 출력 ...37
• [그림 2-7] T-S 선도 ...37
• [그림 2-8] ORC 시스템 P&ID ...39
• [그림 2-9] ORC 시스템 실험장치 ...39
• [그림 2-10] 스크류 팽창기 및 유도발전기 ...40
• [그림 2-11] 고속 터빈 및 발전기 ...40
• [그림 2-12] 증발기 ...41
• [그림 2-13] 응축기 ...41
• [그림 2-14] 냉각수 냉각탑 ...42
• [그림 2-15] 시스템 제어판넬 ...42
• [그림 2-16] 로드뱅크 ...43
• [그림 2-17] 터빈 입출구 압력비에 따른 사이클 효율 ...44
• [그림 2-18] 반경 터빈의 내부 유동 ...45
• [그림 2-19] 반경터빈 1-D 설계 방안 흐름도 ...50
• [그림 2-20] 터빈 입출구 압력비에 따른 터빈의 크기와 회전수 변화 ...51
• [그림 2-21] 터빈 입출구 압력비에 따른 터빈 입구 마하수 ...52
• [그림 2-22] CFD Grid 형상 ...54
• [그림 2-23] CFD Grid independence ...55
• [그림 2-24] 터빈 블레이드 수에 따른 터빈 형상 ...56
• [그림 2-25] 터빈 블레이드 수에 따른 효율의 변화 ...56
• [그림 2-26] 터빈 블레이드 수에 따른 입출구 압력비 변화 ...57
• [그림 2-27] 터빈 입구 flow angle과 최적의 블레이드 수 관계 ...58
• [그림 2-28] Beta distribution ...58
• [그림 2-29] Beta distribution 에 따른 효율의 변화 ...59
• [그림 2-30] Beta distribution 변화에 따른 터빈 로터 내 유동 변화 ...60
• [그림 2-31] 모델별 beta distribution ...61
• [그림 2-32] 모델별 beta distribution ...62
• [그림 2-33] 모델별 meridional 단면 형상 ...63
• [그림 2-34] meridional 단면 형상에 따른 효율 변화 ...64
• [그림 2-35] 팁간극 및 유동 ...64
• [그림 2-36] 최종 터빈 모델 형상 ...66
• [그림 2-37] Ideal ORC T-S Diagram ...67
• [그림 2-38] Ideal ORC Pressure Ratio ...68
• [그림 2-39] Ideal ORC Performances ...69
• [그림 2-40] Radial Turbine Efficiency Chart ...70
• [그림 2-41] Main Dimensions of Model Turbine ...72
• [그림 2-42] Gas Dynamic Design of Scroll Volute ...74
• [그림 2-43] NACA A3K7 Base Profile and Camber Line ...78
• [그림 2-44] Camber Line Construction ...79
• [그림 2-45] Conformal Transformation of Vane Profile ...79
• [그림 2-46] Calibration of Nozzle Throat Diameter ...80
• [그림 2-47] 터빈 Nozzle ...80
• [그림 2-48] 터빈 로터 ...81
• [그림 2-49] Velocity Triangle at 로터 Inlet and Exit ...81
• [그림 2-50] 터빈 Performance Characteristic Maps ...83
• [그림 2-51] Gas Dynamic Design of Conical Diffuser ...84
• [그림 2-52] Free Body Diagram for Axial Load Analysis ...85
• [그림 2-53] Control Volume for Turbine Rotor Fore face ...86
• [그림 2-54] Rotor and Rotor Supports ...87
• [그림 2-55] Rotor Dynamic Analysis Model ...88
• [그림 2-56] Critical Speed Map ...89
• [그림 2-57] Mode Shapes of Critical Speeds ...90
• [그림 2-58] 발전기 구동 방식 비교 ...91
• [그림 2-59] Fore-Driving Turbogenerator ...91
• [그림 2-60] Rear-Driving Turbogenerator ...92
• [그림 2-61] Radial Dimensions of Synchronous Generator ...94
• [그림 2-62] Electrical Performance Characteristic Map ...94
• [그림 2-63] A-Phase Wingding Diagram ...96
• [그림 2-64] B-Phase Wingding Diagram ...97
• [그림 2-65] C-Phase Wingding Diagram ...97
• [그림 2-66] Centrifugal Stress Distribution and Magnet Retention) ...98
• [그림 2-67] Stress Distribution in Permanent Magnet ...99
• [그림 2-68] Stress Distribution in Magnet Sleeve ...100
• [그림 2-69] 터빈입구 온도에 따른 사이클 효율 실험결과 ...101
• [그림 2-70] 실험 결과 T-S 선도 ...101
• [그림 3-1] 실험장치 ...103
• [그림 3-2] 파이프 겉면 ...104
• [그림 3-3] 파이프 내면 ...104
• [그림 3-4] 열전달계수 ...105
• [그림 3-5] 열전달 특성 ...105
• [그림 3-6] 나노튜브 열전달 특성 ...107
• [그림 3-7] 나노유체 열전달 특성 ...107
• [그림 3-8] 소결 파이프 ...108
• [그림 3-9] 열교환기 계산 로직 ...109
• [그림 3-10] Tube side outlet temperature for smooth tube ...111
• [그림 3-11] Tube side outlet temperature for spiral tube ...112
• [그림 3-12] Shell side outlet temperature for smooth tube ...112
• [그림 3-13] Tube side heat transfer for shell-and-tube ...114
• [그림 3-14] Outlet temperature with variation of correction factor ...114
• [그림 4-1] 터빈/발전시스템용 계통연계형 전력변환장치 ...116
• [그림 4-2] 마이크로 터빈/PMSG의 출력특성 예 ...117
• [그림 4-3] 마이크로 터빈/PMSG의 벡터제어 블록다이어그램 ...117
• [그림 4-4] 계통연계 인버터 시스템의 제어 블록다이어그램 ...118
• [그림 4-5] ORC 터빈/발전기용 전력변환장치 토폴로지 ...119
• [그림 4-6] 다이오드의 정방향 특성 및 모델링 ...120
• [그림 4-7] 콜렉터-에미터 포화전압특성 및 모델링 ...121
• [그림 4-8] 전력변환장치의 효율곡선 ...122
• [그림 4-9] ORC-MTG 시스템의 구성도 ...123
• [그림 4-10] MTG-PMSG-Feed pump의 기계적인 연결 구조 ...124
• [그림 4-11] Mechanical Input Power vs. Revolving Speed ...125
• [그림 4-12] 영구자석 동기 발전기의 단면과 전기적인 3상 등가회로 ...126
• [그림 4-13] 영구자석 동기 발전기의 dq축 전기적 모델 ...127
• [그림 4-14] 철손을 고려한 영구자석 동기 발전기의 dq축 전기적 모델 ...129
• [그림 4-15] 영구자석 동기 발전기의 정상상태 페이저 도 ...130
• [그림 4-16] 영구자석 동기 발전기의 토오크 생성 ...131
• [그림 4-17] 토오크 각에 따른 발전기의 토오크 ($L_d) ...132
• [그림 4-18] 표면 부착형과 매입형의 토오크 각 비교 ...133
• [그림 4-19] $i_d=0$ 일 경우 페이저 도 ...134
• [그림 4-20] 영구자석 동기 발전기의 벡터제어를 위한 전류명령 발생 방법 ...136
• [그림 4-21] 여러 토오크 조건에서 $i_q$에 대한 최적의 $i_d$ ...137
• [그림 4-22] 여러 토오크 조건에서 $i_{dq}$에 대한 최적의 $i_d$ ...138
• [그림 4-23] 최대 역률 제어를 위한 페이저 도 ...139
• [그림 4-24] 터미널 전압의 위상 검출을 위한 PLL ...141
• [그림 4-25] 최대 역률 제어를 위한 시스템 구성 ...141
• [그림 4-26] d축 전류 변화에 대한 발전기의 손실 그래프 ...144
• [그림 4-27] Synchronous PI 전류 제어기의 구조 ...145
• [그림 4-28] ORC-MTG 영구자석 동기 발전기 벡터제어 시스템 구성도 ...146
• [그림 4-29] 3상 PWM 인버터의 동작 파형 ...149
• [그림 4-30] Synchronous PI 전류제어기의 특성 ($i_q=-10A$) ...149
• [그림 4-31] 영구자석 동기 발전기 벡터제어 시뮬레이션 ($i_d=0$) ...150
• [그림 4-32] 영구자석 동기 발전기 벡터제어 시뮬레이션 ($i_d=0$) ...150
• [그림 4-33] 영구자석 동기 발전기 벡터제어 시뮬레이션 ($i_{dq}=10A$) ...151
• [그림 4-34] 영구자석 동기 발전기 벡터제어 시뮬레이션 ($i_{dq}=5A$) ...151
• [그림 4-35] 토오크 각에 따른 출력 전력의 변화 ...152
• [그림 4-36] 토오크 각의 변화에 따른 출력전력의 변화 ...153
• [그림 4-37] 실험 시스템 구성 ...154
• [그림 4-38] Space vector PWM (SVPWM) 블록도 ...155
• [그림 4-39] 스위칭 상태와 전압 벡터 ...156
• [그림 4-40] 섹터 1에서 지령 출력 전압 벡터 ...157
• [그림 4-41] 섹터 1에서 케이트 인가 신호 ...158
• [그림 4-42] 각 섹터의 게이트 인가 신호 파형 ...159
• [그림 4-43] 각 섹터의 게이트 인가 신호 파형 ...159
• [그림 4-44] 대칭 PWM 파형 생성 ...161
• [그림 4-45] SPM을 이용한 인버터 ...162
• [그림 4-46] SPM을 이용한 인버터 회로 구성 ...163
• [그림 4-47] TMS320F2812 DSK ...164
• [그림 4-48] SVPWM 방식을 이용한 각 상의 게이트 구동 신호 파형 ...164
• [그림 4-49] a상의 게이트 인가 신호 ...165
• [그림 4-50] a상 전류와 b상 전류 ...165
• [그림 4-51] 선간 전압 Vab와 a상의 전류 파형 ...166
• [그림 4-52] a상의 극전압, a상 전류, 그리고 선간 전압 $V_{ab}$ ...166
• [표 1-1] 년차별 목표 및 내용 ...18
• [표 2-1] 포화증기 곡선 및 I-factor ...28
• [표 2-2] 작동유체 물성치 ...29
• [표 2-3] R123 및 R245fa 열효율 비교 ...32
• [표 2-4] R123 물성치 ...33
• [표 2-5] R245fa 물성치 ...34
• [표 2-6] 설계점에서의 열역학 특성치 ...36
• [표 2-7] 터빈 1-D 기초형상 ...52
• [표 2-8] 터빈 1-D 경계 조건 ...53
• [표 2-9] 터빈 설계 변수 ...53
• [표 2-10] CFD 해석 조건 ...54
• [표 2-11] 터빈 1-D 설계 결과 ...65
• [표 2-12] Real Cycle Data Table ...71
• [표 2-13] 터빈모델 사양 ...71
• [표 2-14] Section Number ...73
• [표 2-15] Flow Conditions at Scroll Volute ...75
• [표 2-16] 터빈 노즐 Flow Capacity ...76
• [표 2-17] 터빈 노즐 Inlet Flow Conditions ...77
• [표 2-18] 터빈 로터 Inlet Flow Conditions ...82
• [표 2-19] 디퓨저 직경 계산 ...84
• [표 2-20] Axial Load Analysis Results ...87
• [표 2-21] Technical Specification of Bearing ...88
• [표 2-22] Rotor Property Data Table ...89
• [표 2-23] PMSG Characteristic Data at Initial Operation ($T=30^{\circ}C$) ...95
• [표 2-24] PMSG Characteristic Data at Rated Operation ($T=150^{\circ}C$) ...95
• [표 2-25] Winding Sequence ...96
• [표 2-26] Structural Design Data for Magnet Sleeve ...99
• [표 4-1] 영구자석 동기 발전기의 파라미터 ...147
• [표 4-2] 인버터의 스위칭 상태 및 출력 상전압과 전압 벡터 ...156
• [표 4-3] 섹터에 따른 각 상의 게이트 인가 신호 ...160