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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 조형희
- 발행연도
- 2023
- 저작권
- 연세대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수8
이 논문의 연구 히스토리 (2)
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전 세계적인 기후위기 심각성의 공감대 확산에 따라 이를 최소화하고자 파리기후협정이 체결되었고, 우리나라 또한 이러한 흐름에 동참하고자 2050 Net-Zero를 선언하였다. 하지만 탄소 중립을 이루는 것은 굉장히 어려운 일이다. 다양한 분야에서의 탄소 억제가 필요하고, 발전부문에서는 화석연료 제한으로 석탄화력 폐지와 함께, 천연가스를 이용하는 가스터빈을 무탄소 발전인 수소 가스터빈 또는 암모니아 연소 발전 개발 적용을 목표로 하고 있다.
본 연구에서는 수소 100% 전소 단계로 가기 전, 현재 운영 중인 보령복합 GT24 가스터빈 2차측 SEV 연소기를 Retrofit하여 부분 혼소 하기 위해 수소 혼소 비율에 따른 유동 및 열분포 분석을 수행하였고, SEV BNR Nozzle 위치를 전단 및 후단으로 조절하며 시뮬레이션 결과를 비교하여 향후 Retrofit시 최적 연소기 개발에 참고가 되고자 하였다.
수소 혼소는 일정 비율 이상에서는 전용의 가스터빈 모델이 개발 되어야 하기 때문에 혼소 비율 범위는 체적분율 기준 0에서 50%까지 10% 간격으로 설정하였다. GT24 2차측 연소기인 SEV BNR의 시뮬레이션을 위해 연구하고자 하는 범위인 유동 및 열분포 해석을 위한 모델링을 수행하였다. 향후 Retrofit시 노즐 배치 고려를 위해 Case 4개로 나누어 현재 위치 노즐 기준과, Inlet측인 노즐 전단으로 각각 20mm, 40mm 이동 배치, Outlet측인 노즐 후단으로 12mm 배치하여 4가지 Case 배치에 따른 혼소비율 특성을 비교 분석하였다.
해석은 전산유체역학 프로그램인 Ansys 17.2의 CFX를 활용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 경계조건으로는 실제 운전중인 보령복합 3호기의 수치들을 참고하여 연구범위에 필요한 부분에서의 전제조건과 함께 설정하였다. 수소 혼소량은 체적분율을 질량분율로 변환하고, 메탄 전소시의 열량을 기준으로 계산한 값을 입력하였다.
연구결과 4가지 중 현재 사용중인 Case 1 노즐 위치가 수소 혼소시 유동 및 CO2/NOx 배출에서 유리한 것으로 나타났다. Case 1번 기준 연소기는 터빈 성능을 결정하는 중요한 요소인 연소기 출구 온도가, Case 4번 연소기와 거의 동일하면서 가장 높았다. 특히, 수소연소의 가장 중요한 부분인 CO2 감소와 NOx 증가량 억제 또한 Case 1과 Case 4 경우의 경우 가장 우수하였는데 계산상 발생하는 소수점 오차를 고려하면 두가지 Case가 거의 동일하다고 볼 수 있다. 두가지 Case에서 CO2는 50%혼소시 약 8.77%가 감소되었고, NOx는 약 12.5% 증가하였다. 하지만 Case 4의 경우, 유동 흐름이 다른 Case와 비교하여 불안정했다. 노즐에서 빠른 속도의 수소 혼소 가스가 연소되며 유동의 폭이 그만큼 넓어지며 BNR에 흐름이 생성되지 못한 상태에서 바로 환형의 Liner로 들어가 연소가스 충돌이 일어나며 유동이 불안정한 모습이 나타났다. Case 2, 3은 CO2/NOx 생성에 불리하므로 4개 중 Case 1 노즐 위치가 적당하다고 보았다.
이 결과가 Case 1이 혼소에 가장 유리한 노즐이라는 의미는 아니고 실제 Retrofit을 위해서는 고려해야 할 부분이 많다. 실제 시험 통한 수소 연소특성, 연소 및 유동에 따른 진동, 연소 불안정 주파수, 온도 상승에 따른 연소기와 터빈 재질 및 Cooling, NOx 억제 등 각계에서 많은 연구개발과 노력을 통해 수소발전의 진전을 이루고, 나아가 대한민국이 수소 선도국가가 되기를 바라본다.
본 연구에서는 수소 100% 전소 단계로 가기 전, 현재 운영 중인 보령복합 GT24 가스터빈 2차측 SEV 연소기를 Retrofit하여 부분 혼소 하기 위해 수소 혼소 비율에 따른 유동 및 열분포 분석을 수행하였고, SEV BNR Nozzle 위치를 전단 및 후단으로 조절하며 시뮬레이션 결과를 비교하여 향후 Retrofit시 최적 연소기 개발에 참고가 되고자 하였다.
수소 혼소는 일정 비율 이상에서는 전용의 가스터빈 모델이 개발 되어야 하기 때문에 혼소 비율 범위는 체적분율 기준 0에서 50%까지 10% 간격으로 설정하였다. GT24 2차측 연소기인 SEV BNR의 시뮬레이션을 위해 연구하고자 하는 범위인 유동 및 열분포 해석을 위한 모델링을 수행하였다. 향후 Retrofit시 노즐 배치 고려를 위해 Case 4개로 나누어 현재 위치 노즐 기준과, Inlet측인 노즐 전단으로 각각 20mm, 40mm 이동 배치, Outlet측인 노즐 후단으로 12mm 배치하여 4가지 Case 배치에 따른 혼소비율 특성을 비교 분석하였다.
해석은 전산유체역학 프로그램인 Ansys 17.2의 CFX를 활용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 경계조건으로는 실제 운전중인 보령복합 3호기의 수치들을 참고하여 연구범위에 필요한 부분에서의 전제조건과 함께 설정하였다. 수소 혼소량은 체적분율을 질량분율로 변환하고, 메탄 전소시의 열량을 기준으로 계산한 값을 입력하였다.
연구결과 4가지 중 현재 사용중인 Case 1 노즐 위치가 수소 혼소시 유동 및 CO2/NOx 배출에서 유리한 것으로 나타났다. Case 1번 기준 연소기는 터빈 성능을 결정하는 중요한 요소인 연소기 출구 온도가, Case 4번 연소기와 거의 동일하면서 가장 높았다. 특히, 수소연소의 가장 중요한 부분인 CO2 감소와 NOx 증가량 억제 또한 Case 1과 Case 4 경우의 경우 가장 우수하였는데 계산상 발생하는 소수점 오차를 고려하면 두가지 Case가 거의 동일하다고 볼 수 있다. 두가지 Case에서 CO2는 50%혼소시 약 8.77%가 감소되었고, NOx는 약 12.5% 증가하였다. 하지만 Case 4의 경우, 유동 흐름이 다른 Case와 비교하여 불안정했다. 노즐에서 빠른 속도의 수소 혼소 가스가 연소되며 유동의 폭이 그만큼 넓어지며 BNR에 흐름이 생성되지 못한 상태에서 바로 환형의 Liner로 들어가 연소가스 충돌이 일어나며 유동이 불안정한 모습이 나타났다. Case 2, 3은 CO2/NOx 생성에 불리하므로 4개 중 Case 1 노즐 위치가 적당하다고 보았다.
이 결과가 Case 1이 혼소에 가장 유리한 노즐이라는 의미는 아니고 실제 Retrofit을 위해서는 고려해야 할 부분이 많다. 실제 시험 통한 수소 연소특성, 연소 및 유동에 따른 진동, 연소 불안정 주파수, 온도 상승에 따른 연소기와 터빈 재질 및 Cooling, NOx 억제 등 각계에서 많은 연구개발과 노력을 통해 수소발전의 진전을 이루고, 나아가 대한민국이 수소 선도국가가 되기를 바라본다.
목차
차 례 ⅰList of Figures ⅲList of Tables ⅴNomenclature ⅵ국문요약 ⅶ제 1 장 서 론 11.1 연구 배경 11.2 연구 모델 41.3 연구 내용 8제 2 장 본 론 102.1 연구 방법 102.1.1 연구 순서 102.1.2 해석 도구 112.2 시뮬레이션 수행 112.2.1 연구 모델 선정 112.2.2 Modeling 122.2.3 Meshing 142.2.4 수치해석 조건 설정 162.2.5 경계조건 설정 182.2.6 검증(Validation) 22제 3 장 결과 및 고찰 243.1 Nozzle 위치 변경 243.1.1 Case별 연소기 출구 온도 Contour 253.1.2 Case별 연소기 케이싱 및 내부 온도분포 Contour 293.1.3 Case별 연소기 전면측 유동 분포 333.1.4 Case별 연소기 3D 유동 분포 373.1.5 Case별 연소기 상부 측면 유동 분포 413.1.6 시뮬레이션 분석 453.2 수소 혼소 비율 및 케이스별 수치 비교 분석 463.2.1 출구 온도 변화 463.2.2 연소기 내부 최고온도 변화 473.2.3 출구 속도 변화 473.2.4 CO2 변화 483.2.5 NOx 변화 48제 4 장 결 론 50참고문헌 52ABSTRACT 53
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