본 연구에서는 대형, 중대형 및 소형 가스터빈과 같은 광범위한 출력 범위의 가스터빈에 과도상태 거동 분석을 위한 시뮬레이션 프로그램을 개발하였다. 시뮬레이션 프로그램은 MATLAB에서 구현되었으며 부하추종 운전 및 정지상태에서 공회전까지의 전체 시동운전에 대한 가스터빈의 동적 거동을 정확하게 예측할 수 있다. 본 연구의 특징은 프로그램의 확장성을 향상시키기 위하여 가스터빈의 모든 구성 요소를 모듈화하였다는 것이다. 이러한 목적으로 객체 지향 프로그래밍을 사용하였다. 가스터빈의 각 구성 요소는 질량 및 에너지 평형이 적용된 단일 제어 볼륨 또는 다중 제어 볼륨으로 모델링이 되었다. 지배 방정식을 수치적으로 풀기 위하여 Multi-variable Newton Raphson 방법을 사용하였다. 압축기와 터빈은 추기와 터빈 냉각 모델을 위하여 여러 그룹으로 나누어 모델링 하였다.
연구의 궁극적인 목표는 가스터빈의 전체 시동 과정뿐만 아니라 부하추종 과도운전을 포함한 가스터빈의 전체 동적 거동을 시뮬레이션 할 수 있는 시뮬레이션 프로그램을 개발하는 것이다. 프로그램 개발의 첫 번째 단계로서 부하추종 시뮬레이션의 모델링을 구축하였다. 개발된 프로그램의 가스터빈 과도응답 시뮬레이션 결과와 상용 프로그램의 과도 응답 시뮬레이션 결과를 비교하여 프로그램에서 사용된 기본 열역학 모델링을 검증하였다. 연료 유량을 제어하고 압축기 입구 안내깃의 개도를 조절하여 로터의 회전속도 및 터빈 배기가스 온도를 동시에 제어하기 위하여 PID 제어가 사용되었다. 부하변동의 크기 및 Ramp rate의 영향을 조사했고, 매우 빠른 부하변동에도 가스터빈을 안정적으로 제어 할 수 있었다. 또한 현장 데이터를 이용하여 부하추종 운전을 시뮬레이션 하였다. 그 결과, 시뮬레이션 결과와 현장 데이터가 매우 일치함을 확인하였다.
다음 단계로서 대형 가스터빈의 시동 운전에 대한 동적 거동 시뮬레이션을 수행하였다. 개발된 프로그램은 시동기 모듈을 사용하여 시동과정의 초기 부분인 정지상태에서 점화과정까지의 크랭킹 과정을 시뮬레이션 할 수 있다. 이 과정은 상용 소프트웨어를 사용하여 시뮬레이션을 하기 어렵다. 시동과정에서 발생하는 열흡수(Heat soakage) 효과를 정확하게 고려하기 위하여 가스터빈의 주요 구성 요소에 열전달 모델을 적용하였다. 발전용 가스터빈의 전체 시동과정을 시뮬레이션 하였으며, 그 결과를 검증하기 위하여 실제 운전 데이터와 비교했다.
가스터빈은 시동운전을 하는 동안에 서브 아이들(Sub-idle) 영역에서 서지 및 실속과 같은 치명적인 상황에 직면 할 수 있다. 따라서 서브 아이들 영역에서의 시뮬레이션 결과를 이용하여 가스터빈의 운전 특성을 정확하게 예측하는 것이 중요하다. 불행하게도, 일반적으로 서브 아이들 영역에서의 구성부의 성능 맵에 대한 충분한 정보를 이용하기 어렵다. 따라서 서브 아이들 영역에서의 성능 데이터를 생성하기 위하여 외삽법을 사용한다. 하지만 외삽법은 매우 저속 영역에서 물리적으로 타당하지 않은 데이터를 생성하는 경향이 있으며, 때때로 엔진의 성능 시뮬레이션에 있어서 심각한 수치적인 문제를 유발한다. 이 문제를 개선하기 위하여 보간법을 사용하여 터빈 성능 맵의 서브 아이들 영역에서 성능 데이터를 생성하는 새로운 방법을 제안하였다. 제안된 방법의 타당성을 검증하기 위하여 공개적으로 사용이 가능한 터빈 성능 맵에 보간법을 적용하였다. 시뮬레이션 결과, 제안된 보간법이 압축기와 터빈 맵 간의 매칭을 향상 시킨다는 것을 확인하였다.
개발된 프로그램은 다양한 목적으로 사용될 것으로 예상되며, 특히 예기치 않은 부하 변동으로 인한 동적 거동을 예측하고 광범위한 출력 범위의 가스터빈에 최적의 시동 절차를 계획하는 데 사용될 수 있을 것으로 예상된다.

In this study, a program for analyzing the transient behaviors of a wide range of gas turbines, such as large, medium-large, and small gas turbines, was developed. The simulation was implemented in MATLAB and can accurately predict the transient behaviors during the load-following operation and the full start-up procedure from stationary state to idling. A distinct feature of this study is that all of the gas turbine components are modularized to enhance the expandability of the program. The simulation program was developed by using object-oriented programing for this purpose. Each component of the system was modeled as a single or multiple control volumes to which mass and energy balances were applied. The governing equations are solved numerically by the multi-variable Newton Raphson method. The compressor and turbine are divided into several groups for the bleeding and turbine-cooling model.
The research goal is to develop an in-house dynamic simulation program capable of simulating full dynamic operations including load-following transient operations as well as full start-up procedure. As a first step of this development, the modeling of the load-following simulation is carried out. The fundamental thermodynamic modeling of the program was validated by comparison of the transient response of a simulated gas turbine with that of a commercial program. PID control was adopted for simultaneous control of the rotational shaft speed and turbine exhaust temperature (TET) by the modulations of the fuel flow and the simultaneous opening of the compressor inlet guide vane (IGV). The influence of the magnitude of load change and ramp rate was analyzed, and stable control of the gas turbine was possible, even for a very rapid change of load. The load-following operation using field data was also simulated. The simulation results and field data are very similar.
In the next step, the start-up operation of the heavy-duty gas turbine is performed. The program can simulate the early part of the start-up process from zero rpm to ignition by using the starter module in the cranking process, which can be hard to simulate using commercial software. A heat transfer model was applied to each control volume of the major components to consider the heat soakage effect accurately. The full start-up process of an industrial gas turbine was simulated, and the results were compared with actual operating data for validation.
A gas turbine is likely to face a critical situation such as a compressor surge and stall in the sub-idle region. Thus, it is important to predict the operation characteristics of a gas turbine accurately by using simulations in the sub-idle region. In general, unfortunately, sufficient information of component performance maps in the sub-idle region is not available, and extrapolation methods are usually used for data generation. However, extrapolation methods tend to generate physically invalid data points in very low-speed regimes, which sometimes cause critical numerical problems in the engine performance simulation. Thus, a new method to generate performance data in the sub-idle region of the turbine performance maps through interpolation is proposed here. To verify the validity of the proposed method, it was applied to publicly available turbine performance maps. It was confirmed that the proposed method improves the numerical matching between the compressor and turbine maps.
The developed program is expected to be used for various purposes, especially for estimating transient behavior caused by unexpected load changes and scheduling optimal start-up procedures of a wide range of gas turbines.