가스터빈의 주요 부품은 압축기, 연소기, 터빈으로 구성되어 있으며, 많은 산업분야에서 동력원으로 이용되고 있다. 최근의 발전산업 분야에서는 원자력발전 안전문제, Shale gas 개발, 민자 가스복합 발전사업 확대 등 영향으로 증기터빈과 조합된 가스터빈 복합발전 설비가 꾸준히 증가되어 왔다. 국내 발전설비의 전원별 구성을 보면 2015. 1월 기준으로 가스터빈 복합발전 설비가 전체 발전설비의 32.9%로 가장 많이 차지하고 있다. 그러나 정부의 장기 전력수급 기본계획 전망에 의하면 향후 원자력, 석탄화력 등 연료비가 낮은 대용량 기저 발전설비의 신규진입이 계획되어 있어 일부가스터빈 복합발전 설비의 가동률이 저하될 것으로 전망되며, 2013년을 정점으로 2014년 이후 가스복합 발전설비 가동률이 낮아지고 있다. 실제로 서인천복합발전기의 연도별 운전실적을 보면 가동률의 저하에 따른 가동정지 시간이 증가되어 가스터빈의 저온기동(Cold start) 횟수가 증가 추세에 있다. 가스터빈 연소기는 기동에서부터 정상 출력까지 연소모드가 설정되어 있는데 고온기동(Hot start)일 경우에는 저출력 영역 연소모드 시간이 짧은 반면에 저온기동일 경우에는 상대적으로 저출력 영역의 연소모드 시간이 늘어나게 된다. 기존의 연구에서는 연소기 냉각시스템의 열 설계 연구를 통해 정상출력 운전 시 연소기 내부유동 해석을 진행하였다. 이에 따라 본 연구에서는 저출력 영역 연소모드를 포함한 4개의 연소모드에서 연소기 내부의 유동, 열 분포 등 현상을 파악하여 가스터빈 고온 가스 유동경로에 미치는 영향을 알아보았다. 본 연구에서는 상용프로그램인 ANSYS 15.0 내에 있는 Fluent를 이용하여 유동 및 열전달 해석을 진행하였다. 난류 모델은 선행 논문을 참고하여 RNG k-e model을 선정하였으며, 이는 연소기 내부유동 및 열전달 해석에 적합한 것으로 알려져 있다.
내부 연소는 제일 간단한 모델인 1차 반응식을 이용하여 해석을 진행 하였으며 본 연구에서는 가스터빈 운전 시 적용되는 저출력 영역 연소모드에서 연소기 내부 유동 형성과 고온가스 유동경로에 미치는 영향을 알아보기 위하여, 총 4 가지 경우(Mode 1, Mode 3, Mode 6aq, Base mode)를 선정하여 해석을 진행하였다. 이때 각기 다른 유량 및 압력, 온도 조건은 운전조건 데이터를 참고하여 경계조건을 입력하였다. 해석을 통해 얻은 결과는 Mode 1의 경우 가운데 연료노즐에서만 유동이 분사되므로, 분사된 유동이 연소기(CL & TP) 내부로 빠르게 펼쳐지며 선회 유동을 보인다. 또한 Mode 3의 경우에는 가운데 노즐과 외곽 두 개의 연료노즐만이 유동이 분사되어 내부에 비대칭적인 유선 분포를 나타내게 된다. 이는 가운데 노즐과 외곽의 노즐의 선회방향이 다른 영향으로 인해 내부의 비대칭적인 유선분포를 보이게 된다. Mode 6aq와 Base mode의 경우에는 모든 노즐에서 연료가 분사되지만 그 절대량이 다르다. 그러므로 내부 유선분포는 거의 유사하게 나타나는 것을 알 수 있다. 해석결과를 살펴보면 Mode 3에서 연소기 외부에서 불균일한 온도분포를 보이는 것을 알 수 있다. 이는 유동의 비대칭으로 인해 연소기 내부에서 불균일한 온도 분포를 나타내는 것을 알 수 있다. 또한 Mode 6aq와 Base Mode를 비교해 보면, 절대온도가 차이를 나타내는 것을 알 수 있는데 이는 압축공기의 온도와 연료량의 차이로 인해 온도차이가 발생하는 것으로 판단된다. 이러한 결과는 가스터빈 운전조건의 변화로 인해 특히 저출력 영역인 Mode 3에서의 운전시간이 증가하였고, 정상출력에서의 연소모드와는 달리 내부 연소가스의 온도 프로파일 형태를 변화시키므로 연소기 및 가스터빈 고온가스 경로(Vane, Blade)에 영향을 미치게 된다. 본 연구에서는 가스터빈 연소기의 연소모드 변환에 따른 내부유동 및 온도분포 변화에 대하여 수치해석을 진행하였으며, 저출력 연소모드인 Mode 3의 경우 내부 유동장의 불균일한 유동 분포로 인해 내부 온도분포에 영향을 주었으며, 이는 고온가스 경로인 가스터빈 Vane과 Blade의 열부하 분포의 패턴변화와 냉각성능에 영향을 미칠 것으로 판단된다.

핵심 되는 말 : 가스터빈, 압축기, 연소기, 저온기동(Cold start),고온기동(Hot start), 연소모드, 유동분석, 온도분포, 속도분포

According to the safety issue of the nuclear power plant, Shale Gas production and expansion of the IPP(Independent Power Plant) Project, gas combined cycle power projects; composing of compressor, combustor, turbine; have been developed and used for main power source in various industry. In addition, Gas combined cycle power plant take highest proportion(32.9%) in the domestic power plant field as of Jan. 2015.
However, according to the domestic long-term power supply plan, additional investment of the base-load power plants using low-price resources (Nuclear power, Coal-fired power) is planned. Therefore, it is expected that the availability of gas CC plant would decline and actually the availability of the gas CC plant has declined since 2013. Reviewing the annual operation record of the Seo-Incheon CC plant, the number of the gas turbine Cold Start is in increasing trend due to the lowered availability. In case of the Hot start mode, low-load operation combustion time is short but in case of the Cold start mode, low-load combustion mode time becomes relatively longer.
Previous research processed CFD(Computational Fluid Dynamics) about the internal combustor through the study for the combustor cooling system thermal design. Accordingly, this research studied about the effect factor for the high temperature gas flow path of the gas turbine by analyzing the gas flow of the internal combustor, thermal distribution of the 4 combustion mode including low-load combustion mode. This research analyzed flow and the heat transfer by using software ‘Fluent’ from commercial software ANSYS 15.0. RNG k-e model was selected by referring to the previous report and this model is known as the suitable method for analyzing combustor internal flow and heat transfer. Internal combustion was analyzed by using 1st order equation. This research selected 4 combustion modes (Mode 1, Mode 3, Mode 6aq, Base mode) and analyzed the effect for the high temperature gas flow and combustion internal flow field by the low-temperature combustion mode. For this analysis, boundary condition for the different flow, pressure and the temperature condition were applied by using the operation condition data.
Mode 1 shows the Swirling Flow with injected flow being spreaded into the internal CL since the flow is formed from only the nozzle in the middle. Mode 3 shows the asymmetric flow distribution by the flow from the nozzle in the middle and 2 surrounding nozzles. This means that different swirling direction between nozzle in the middle and surrounding nozzle make asymmetric flow distribution in the internal. In case of the Mode 6qa and base mode, fuel is being sprayed from whole nozzles but absolute quantity is different. It means that internal flow distribution is developed similarly.
This paper also shows the temperature dispersion of the exterior of the combustor. This result shows the non-uniformal temperature dispersion is developed on the CL surface of the Mode 3. This result indicates that asymmetric flow makes non-uniformal temperature dispersion on the CL surface. In addition, comparing Mode 6qa with the base mode, it is considered that temperature gap occurs by the temperature gap between the compressor air and fuel quantity. This result shows that gas turbine operation condition change made operation time longer at the Mode3 and this affects combustor TP and gas turbine stator/rotor.
This research analyzed numerical value about the internal flow field and temperature dispersion change according to the gas turbine combustor’s combustion mode change. In case of the Mode 3, non-uniformal flow distribution of the internal flow field affected internal temperature dispersion and it also affected combustor TP and gas turbine blade. It is considered that this mechanism would have the effect of the cooling efficiency of the gas turbine.