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논문 기본 정보

자료유형
학위논문
저자정보

이재홍 (인하대학교, 인하대학교 대학원)

지도교수
김동섭
발행연도
2021
저작권
인하대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수3

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이 논문의 연구 히스토리 (3)

초록· 키워드

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발전용 가스터빈은 운전이 지속됨에 따라 성능이 저하된다. 성능저하는 가스터빈의 출력 및 효율을 저하시킬 뿐만 아니라 운전 경제성을 저하시킨다. 가스터빈에 발생하는 성능저하의 70% 이상은 압축기 파울링에 의하여 발생하며, 압축기 세정을 통하여 일정량 회복이 가능하다. 즉, 정확한 성능진단과 적절한 시기의 보수는 가스터빈의 출력 및 효율을 일정 수준으로 유지함으로써 운전 경제성 향상에 기여할 수 있다.
본 연구의 최종 목표는 운전 특성을 고려한 발전용 가스터빈의 성능진단 로직의 개발이다. 넓은 영역의 운전 조건 하에서 운전되는 발전용 가스터빈의 운전 특성을 고려한 성능진단 로직의 개발에는 다음과 같은 세부 연구가 필요하다: (1) 성능 해석 및 진단 프로그램의 개발, (2) 전부하 운전 시 발생하는 터빈입구온도의 증가를 고려한 성능진단 로직 개발, (3) 부분부하 운전 시 입구안내깃의 각도 변화가 압축기 특성 변수에 미치는 영향의 정량화, (4) 전부하 및 부분부하 진단 로직의 통합 및 활용. 본 저자가 발전용 가스터빈의 성능진단 로직 개발을 위하여 수행한 연구 내용은 다음과 같다.
첫 번째로 가스터빈의 성능 해석 및 진단이 가능한 프로그램을 개발하였다. 가스터빈의 각 단위기기를 객체지향 프로그래밍 기법을 통하여 모듈화하였다. 프로그램을 이용하여 성능진단을 위한 변수들을 도출할 수 있도록 설계점 해석 및 탈설계 성능 해석 기능이 구현되었다. 대상 가스터빈의 제작사 성능자료와의 결과 비교 및 상용 소프트웨어 패키지와의 결과 비교 등을 통하여 프로그램 내의 기능들을 검증하고, 해석의 신뢰성을 높였다.
두 번째로 가스터빈의 전부하 운전 시에 적용이 가능한 성능진단 로직을 개발하였다. 개발한 성능진단 로직의 핵심은 압축기에 파울링이 발생하였을 때 가스터빈의 제어로직으로 인하여 발생하는 터빈 입구온도의 증가가 가스터빈의 출력에 미치는 영향을 제거하고 성능진단의 정확성을 높이는 것이다. 개발된 로직의 합리성은 가상의 운전자료를 이용하여 검증되었다.
세 번째로 부분부하 운전 시에 입구안내깃의 각도 변화에 따른 가스터빈의 운전특성을 분석하고 정량화하는 방법을 제시하였다. 입구안내깃의 각도 변화가 압축기 특성변수에 미치는 영향은 압축기 파울링에 의한 영향과 정성적으로 동일하다. 부분부하 운전 시에 적용 가능한 성능진단 로직의 핵심은 입구안내깃 각도 변화에 의한 압축기 특성변수의 변화와 압축기 파울링에 의한 특성변수의 저하를 구분하고 정량적으로 분석하는 것이다. 제시된 방법은 1. 전부하 운전자료에 포함되어 있는 압축기 파울링에 의한 특성변수의 저하를 분석하기 위한 과정과 2. 부분부하 운전자료를 이용하여 입구안내깃 각도 변화에 의한 압축기 특성변수의 변화를 분석하기 위한 과정으로 구분된다. 개발된 방법을 이용하여 입구안내깃 각도에 따른 특성변수의 변화량을 다항식으로 나타낼 수 있다. 여러 기간에 측정된 실제 운전자료를 활용한 해석을 통하여 개발된 방법의 신뢰성을 검증하였다.
마지막으로 전체 부하 영역에서 적용이 가능한 성능진단 모델을 구축하였다. 성능진단 모델은 1. 터빈 입구온도 증가의 영향을 고려한 성능진단 로직과 2. 부분부하 운전 시 가스터빈의 운전특성 분석 방법을 통합하여 개발되었다. 실제 발전소에서 측정된 1년간의 운전자료를 이용하여 성능진단을 수행하였으며, 그 결과를 통하여 개발된 성능진단 모델의 신뢰성 및 현장 적용 가능성을 입증하였다.

목차

CHAPTER 1 INTRODUCTION 1
1.1. Research background 1
1.2. Research purpose and contribution 9
CHAPTER 2 ANALYSIS PROGRAM 12
2.1. Overview 12
2.2. Physical model of gas turbines 14
2.2.1. Properties 14
2.2.2. Pressure drop 17
2.2.3. Compressor 17
2.2.4. Combustor 20
2.2.5. Turbine 22
2.2.6. Net performance 23
2.3. Functions of analysis program 24
2.3.1. Design analysis 25
2.3.2. Analysis of measured performance 27
2.3.3. Analysis of expected performance 29
2.3.4. Turbine inlet temperature modification 30
2.4. Validation 35
2.5. Summary and conclusion 40
CHAPTER 3 PERFORMANCE DIAGNOSTICS LOGIC IN CONSIDERATION OF OVER-FIRING 42
3.1. Introduction 42
3.2. Performance diagnostics 47
3.3. Analysis 51
3.4. Results and discussion 55
3.4.1. Analysis of measured, expected and corrected performance 55
3.4.2. Turbine inlet temperature modification 62
3.5. Summary and conclusion 65
CHAPTER 4 ANALYSIS OF OPERATING CHARACTERISTICS OF GAS TURBINE ACCORDING TO CHANGE IN IGV ANGLE 67
4.1. Introduction 67
4.2. System modeling 73
4.2.1. Overview 73
4.2.2. Compressor performance map 73
4.3. Analysis method 76
4.3.1. Outline 76
4.3.2. Procedure of analysis method 77
4.3.2.1 Step 1: Analysis of SFfouling using full load data 79
4.3.2.2 Step 2: Analysis of SFIGV using partial load data 81
4.3.3. Data selection 83
4.4. Results and discussion 84
4.4.1. Step 1 : Variations in SFfouling during full load operation 84
4.4.2. Step 2 : Variations in SFIGV according to IGV angle 88
4.5. Summary and conclusions 91
CHAPTER 5 APPLICATION OF PERFORMANCE DIAGNOSTICS LOGIC TO LONG-TERM OPERATING DATA 94
5.1. Overview 94
5.2. Analysis 94
5.2.1. Performance diagnostics procedure 94
5.2.2. Operating data selection 98
5.3. Results and discussion 101
5.4. Summary and conclusion 103
CHAPTER 6 CONCLUSION 105
6.1. Summary 105
6.2. Concluding remark 107
6.3. Future work 107
REFERENCE 109

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