가스터빈 성능해석 프로그램의 개발 및 저 발열량 연료를 사용하는 가스터빈에의 적용 = Development of a performance analysis program for gas turbines and its applications to gas turbines using low calorific value fuel

국문 초록 (Abstract)

최근 발전 시장에서 가스터빈이 차지하는 위치는 상대적으로 높은 효율과, 공해물질 배출이 적은 장점 때문에 매우 높다. 이러한 가스터빈의 특성 때문에 현재 화력 발전 시스템으로 가장 많이 사용되고 있다. 한편, 가스터빈의 또 다른 장점인 광범위한 연료에 대한 탁월한 대응성능 때문에, 점차 매장량이 감소하는 석유나 가스와 같은 화석연료의 사용에서 다른 연료를 가스터빈에 적용하고자 하는 시도가 다양하게 이루어지고 있다. 대표적인 예로써 석탄을 이용하여 syngas를 생산하고, 이것을 가스터빈에서 연소하는 IGCC plant에 적용하여 이산화탄소 저감이 용이한 연소 전 탄소 포집 기술(pre combustion carbon capture system)을 적용하여 저공해 발전 시스템으로 사용하기 위한 연구가 전 세계적으로 진행되고 있다. 이러한 가스터빈의 대부분의 작동 상태는 부분부하 상태에서 이루어지며, 가스터빈 부분부하 시에는 각 구성부의 효율 저하 등의 원인으로 가스터빈 전체 시스템의 성능이 변화하게 된다. 또한 가스터빈을 장시간 운전함에 따라, 가스터빈 구성부에 성능저하가 발생하게 되며, 이에 따른 성능 변화 또한 발생하게 된다. 이러한 성능저하에 따른 가스터빈 성능변화는 큰 손해를 불러오기 때문에, 가스터빈의 성능상태를 파악하고 성능저하가 발생한 구성부를 찾아내는 것은 매우 중요한 일이다. 그러나 실제로 현장에서 가스터빈이 작동되는 경우, 구성부 성능저하에 의한 성능변화와, 외기온도 변화 등 부분부하에서 작동되는 경우의 성능변화는 출력, 효율 등과 같은 파라미터만으로 구분하기 어려우며, 성능저하를 확실하게 감지하기 위해서는 정확한 성능해석 tool이 필수적이다.
이에 본 논문에서는 가스터빈 발전시스템의 성능을 좀 더 정확하게 해석하고, 다양한 성능진단 기법에 적용하기 위하여, 수치적으로 가스터빈 성능변화를 모사하였다. 각 구성부의 성능을 정확하게 모사하기 위하여, 신뢰도 높은 물성치 모사 모듈을 이용하였다. 또한 단축적법을 사용하여 좀 더 정확한 압축기 성능 해석을 수행하였으며, 압축기 각 단의 성능 파라미터(performance parameter)를 예측하였다. 각 구성부별로, 질량 보존식과 에너지 보존식을 만족하도록 해석을 수행하였다. 또한 압축기 성능선도, 터빈 쵸킹 식 등을 이용하여, 탈설계 해석을 수행할 수 있도록 모사하였다.
이와 같이 개발한 프로그램은 상용 프로그램에 비하여 사용자의 접근성이 다소 떨어지는 단점을 지니고 있다. 이러한 단점을 극복하고, 사용자에게 좀 더 접근하기 쉬운 프로그램을 개발하기 위한 목적으로 그래픽 유저 인터페이스(GUI)화를 진행하여 사용자들이 좀 더 간편하게 사용할 수 있는 프로그램을 개발하였다. 기 개발된 프로그램의 검증을 위하여 GE사의 7FA, Simens사의 V64.3, Capstone사의 C30 모델, Solar사의 Mercury 50 등의 엔진을 모사하여 설계 및 탈설계 해석을 수행하였다. 해석에 사용된 데이터는 제작사에서 제공한 설계 데이터를 사용하였으며, 검증을 위하여, GE7FA와 V64.3, Solar사의 Mercury 50 등은 제작사에서 제공하는 외기온도 변화에 따른 성능 선도와 부분부하 성능 데이터를, Capstone C30 엔진의 경우에는 본 연구진이 보유하고 있는 실험 데이터를 이용하여 검증을 수행하였다.
또한 저 발열량 연료를 적용하는 가스터빈의 해석을 위하여 두 가지 연료를 상정하고, 가스터빈에 적용하였다. 첫 번째로는 가스터빈이 석탄가스화 복합 화력발전(Integrated Gasification combined cycle, IGCC)에 사용되는 경우 가스터빈의 성능 해석을 수행하였다. 이때 고려한 변수는 IGCC의 설계변수로 사용될 수 있는 결합도(Integration Degree, ID)와 질소 재순환율(N2 dilution level)을 고려하였다. 또한 석탄가스의 성분이 바뀌는 경우, 즉 서로 다른 가스화기기를 사용하는 경우 플랜트에 사용된 가스터빈의 성능 변화를 해석하였다. 한편 석탄가스의 적용에 따른 터빈 첫 단 노즐 금속 온도(Turbine first vane metal temperature)의 변화를 적절한 가정을 사용하여 모사하고, 가스터빈이 안정적인 범위에서 작동할 수 있는 방법을 모색하였다. 두 번째 저 발열량 연료는 최근 이슈가 되고 있는 바이오매스 연료를 Mercury 50에 적용하는 경우 가스터빈의 작동 특성을 파악하고, 이때의 가스터빈 작동 안정성에 영향을 주는 요소를 파악하였다. 바이오매스의 적용이 터빈 첫 단 노즐 금속 온도와 압축기의 서지 마진에 어떤 영향을 미치는지를 확인하고, 해결 방안을 검토하였다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1 개요 1
• 1.2 가스터빈 개요 9
• 1.3 저 발열량 연료(low calorific value fuel) 개요 22
• 1.4 연구 목적 및 내용 33
• 2. 시스템 모델링 36
• 2.1 개요 36
• 2.3 시스템 물성치 모사 42
• 2.4 구성부 설계 모사 43
• 2.5 구성부 탈설계 모사 57
• 3. 성능해석 프로그램의 Graphic User Interface화 76
• 3.1 개요 76
• 3.2 Graphic User Interface(GUI) 77
• 3.3 프로그램의 구조 81
• 4. 프로그램의 검증 86
• 4.1 개요 86
• 4.2 GE7FA 87
• 4.3 V64.3 95
• 4.4 C30 100
• 4.5 Mercury 50 105
• 5. 석탄가스화 복합화력 발전에의 적용 109
• 5.1 개요 109
• 5.2 석탄가스화 복합 화력의 설계 및 가스터빈 성능 특성 110
• 5.3 결합도 변화에 따른 성능해석 117
• 5.4 질소 재순환율 변화에 따른 성능해석 123
• 5.5 석탄가스 성분 변화에 따른 성능 해석 129
• 5.5 가스터빈의 작동 안전성을 고려한 IGCC의 운용 133
• 6. 바이오매스를 적용한 재생사이클의 성능분석 144
• 6.1 개요 144
• 6.2 터빈 입구온도 제어를 통한 바이오매스 적용 시스템의 작동 안정성 확보 148
• 7. 결론 151
• 참고문헌 153
• 부록 A 프로그램 구조 167
• 부록 B 가스의 열물성치 계산 170