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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 차동진
- 발행연도
- 2021
- 저작권
- 한밭대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수2
이 논문의 연구 히스토리 (6)
2021
2020
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최근 석탄화력 및 원자력 발전에의 의존을 단계적으로 줄이고 재생에너지 발전의 확대와 수소경제 활성화라는 에너지 전환 정책이 국가적으로 추진되고 있다. 에너지 전환 정책 중 석탄가스화복합발전(IGCC, Integrated Gasification Combined Cycle)이 큰 주목을 받고 있다. 본 발전방식은 석탄을 고온·고압 상태에서 불완전 연소시켜 수소와 일산화탄소가 주성분인 합성석탄가스를 생산한다. 합성석탄가스를 연소시켜 1차로 가스터빈을 구동하고 배기가스에서 회수된 열을 이용하여 증기를 발생시켜 2차로 증기터빈을 구동하여 발전하는 방식이다.
메탄이 주성분인 천연가스를 연료로 사용하는 기존의 발전용 가스터빈을 수정·보완한 발전용 수소 가스터빈이 가스터빈 제작사에서 출시되고 있다. 발전용 가스터빈은 발전효율을 향상시키고 질소산화물 등의 공해물질 배출을 줄이기 위해 대개 희박 연소 방식을 취하고 있다. 하지만 희박 연소 방식은 희박 가연 한계 근처에서 운전되고 있어 연소불안정에 취약하다. 연소불안정 현상이 일어나면 낮은 열효율과 가스터빈의 부품에 심각한 손상을 초래하며 발전시스템의 치명적인 파손과 같은 다양한 문제점들을 야기 한다. 석탄가스는 석탄의 종류와 가스화기의 운전 조건에 따라 연료조성이 변경되며, 따라서 이 변동이 미치는 연소불안정의 효과를 예측하는 것이 필요하다. 또한 수소 가스터빈 연소기의 설계 시 연소기 형상은 연소기의 음향특성을 지배하는 주요한 변수로 이 변화가 미치는 연소불안정의 효과도 공학적으로 주요한 관심사항이다.
본 연구에서는 석탄가스를 모사하기 위해 메탄과 수소로 구성된 합성가스를 대상으로 수소조성의 비율을 다섯 단계로 변화시켰고, 또한 부분 예혼합 연소기의 길이를 다섯 단계로 변화시키며, 이들 파라미터들이 석탄가스 부분 예혼합 화염이 연소불안정에 미치는 효과를 분석하였다. 연소불안정 예측에는 lumped network 모델인 OSCILOS(Open Source Combustion Instability Low Order Simulation) 코드를 활용하였다. 분석 과정에는 서울대에서 실험한 연소불안정 결과와 비교하여 본 연구의 시뮬레이션 결과를 검증하였다.
분석 결과, 석탄가스의 수소 조성비가 증가할수록 연소불안정의 모드가 고차 모드로 천이하는 것을 확인하였고, 연소기 길이가 증가할수록 연소불안정의 지배 주파수가 감소하는 특성을 확인하였다. 또한 연소기 길이가 변경됨에 따라 최대 성장률을 나타내는 연소불안정 모드가 다소 변동됨도 알 수 있었다.
메탄이 주성분인 천연가스를 연료로 사용하는 기존의 발전용 가스터빈을 수정·보완한 발전용 수소 가스터빈이 가스터빈 제작사에서 출시되고 있다. 발전용 가스터빈은 발전효율을 향상시키고 질소산화물 등의 공해물질 배출을 줄이기 위해 대개 희박 연소 방식을 취하고 있다. 하지만 희박 연소 방식은 희박 가연 한계 근처에서 운전되고 있어 연소불안정에 취약하다. 연소불안정 현상이 일어나면 낮은 열효율과 가스터빈의 부품에 심각한 손상을 초래하며 발전시스템의 치명적인 파손과 같은 다양한 문제점들을 야기 한다. 석탄가스는 석탄의 종류와 가스화기의 운전 조건에 따라 연료조성이 변경되며, 따라서 이 변동이 미치는 연소불안정의 효과를 예측하는 것이 필요하다. 또한 수소 가스터빈 연소기의 설계 시 연소기 형상은 연소기의 음향특성을 지배하는 주요한 변수로 이 변화가 미치는 연소불안정의 효과도 공학적으로 주요한 관심사항이다.
본 연구에서는 석탄가스를 모사하기 위해 메탄과 수소로 구성된 합성가스를 대상으로 수소조성의 비율을 다섯 단계로 변화시켰고, 또한 부분 예혼합 연소기의 길이를 다섯 단계로 변화시키며, 이들 파라미터들이 석탄가스 부분 예혼합 화염이 연소불안정에 미치는 효과를 분석하였다. 연소불안정 예측에는 lumped network 모델인 OSCILOS(Open Source Combustion Instability Low Order Simulation) 코드를 활용하였다. 분석 과정에는 서울대에서 실험한 연소불안정 결과와 비교하여 본 연구의 시뮬레이션 결과를 검증하였다.
분석 결과, 석탄가스의 수소 조성비가 증가할수록 연소불안정의 모드가 고차 모드로 천이하는 것을 확인하였고, 연소기 길이가 증가할수록 연소불안정의 지배 주파수가 감소하는 특성을 확인하였다. 또한 연소기 길이가 변경됨에 따라 최대 성장률을 나타내는 연소불안정 모드가 다소 변동됨도 알 수 있었다.
목차
표 목 차 ⅲ그 림 목 차 ⅳ기초 및 약어 설명 ⅴ국 문 요 약 ⅵ제 1 장 서 론 11.1. 연구의 배경 및 목적 11.2. 선행연구 41.3. 연구내용 11제 2 장 석탄가스 가스터빈의 연소불안정 132.1. 상압 연소불안정 실험 142.2. 석탄가스 연소불안정 예측 172.2.1. 연소기 제원 172.2.2. 열물성치 192.2.3. 화염응답모델 222.2.4. 음향경계조건 27제 3 장 연소불안정 해석 결과 및 논의 313.1. 예측결과 검증 313.2. 연료조성 효과 363.3. 연소기 길이 효과 38제 4 장 결론 42참 고 문 헌 44ABSTRACT 48
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