This study presents the development of dynamic models for a high-temperature gas-cooled reactor (HTGR) through direct coupling of a gas turbine analysis code with a system analysis code. For the off-design analysis, we developed an improved streamline curvature analysis code based on the Newton-Raphson numerical application (SANA), which performs a detailed two-dimensional analysis by means of throughflow calculation incorporated with industry-standard loss correlations for gas turbines. The new numerical method overcomes the weakness of the conventional throughflow calculations such as unstable and gradual convergence resulting in its limited applicability to off-design performance and the transient behavior.
To evaluate the steady-state and transient performance of HTGRs, we developed GAMMA-T by implementing the SANA in the transient system code, GAMMA, which is a multidimensional, multicomponent analysis tool for HTGRs. Direct code coupling improves the potential of the scaling and interpolation errors caused by the non-linearity in gas turbine performance maps. In the GAMMA-T, the reactor consists of a one-dimensional thermal-hydraulic model and reactor kinetics models. The heat exchangers and connecting pipes were designed with the one-dimensional thermal-hydraulic model. In addition, the reactivity control and bypass valve control system was modeled for the load transient simulations.
We investigated the thermodynamic properties of working fluid in the gas turbine. Design-point and off-design performances were evaluated by applying the SANA code to the GTHTR300 gas turbines. It was found out that the SANA is capable of predicting design-point performance within ±2.5% of deviation compared with the reference design. The off-design performance of compressor showed excellent agreement and the surge margin was also well predicted. The GAMMA-T was assessed by comparing its results with the steady-state of the GTHTR300. The code results were in good agreement, including the results of the vessel cooling bypass flow and the turbine cooling flow. On the basis of the steady-state calculations, the load reduction transient was simulated for the range of 70~100% of normal operation to assess the code capability.
The calculation results confirm that two-dimensional throughflow modeling can be successfully used to describe the gas turbine behavior and that one-dimensional modeling also can be successfully used to model the reactor and heat exchangers. It is demonstrated that the dynamic models can be utilized for the design and analysis of gas turbines and for design optimization of the PCS of plants.
현재 전세계적으로 활발히 개발 중인 고온가스로는 고유한 안전성과 함께 폐회로형 브레이튼 사이클의 고온 운전에 기인하는 높은 에너지 변환 효율을 장점으로 갖는다. 작동유체로는 헬륨과 초임계 이산화탄소 가스가 유력하게 검토되고 있으며, 이러한 유체를 사용하는 고온가스로의 축류 가스터빈은 공기를 사용하는 기존의 산업 및 항공용 가스터빈과는 운전 요구 조건 및 설계 형상에서 구별되는 특성을 가지고 있어 그 설계 및 분석이 결정적인 기술로 인식되고 있다. 본 연구에서는 고온가스로의 과도거동분석을 위하여 가스터빈 코드를 개발하고 열수력 천이해석 코드와 직접 연계함으로써 원자로 및 계통의 동역학 모델 개발을 수행하였다.
압축기와 터빈을 통칭하는 가스터빈은 고온가스로의 전체 효율과 과도거동에 가장 중요한 역할을 담당하므로 정확한 성능 산출이 필수적이다. 따라서, 2차원 축대칭 관통유동해석을 통해 구체적인 열역학 및 유체역학적 분석을 수행하는 SANA 코드를 개발하였다. 가스터빈 내의 유체속도와 형상에 대한 적용 범위가 넓은 유선곡률해석법을 채택하였고, 산업계에서 널리 사용되는 세밀한 손실 상관식을 개선하여 발생 원인에 대하여 선별 적용하였다. 작동유체로는 헬륨과 초임계 이산화탄소 가스를 다룰 수 있다. 특히, 기존 관통유동해석법의 수치 안정성 및 수렴성을 개선하기 위해 새롭게 뉴턴-랩슨 방법에 기반한 유선곡률해석법을 개발함으로써 탈설계점 성능 예측뿐만 아니라 과도거동분석의 목적에 부합하도록 안정적이며 신속한 계산능력을 구현하였다.
상기의 SANA 코드를 다차원 다성분기체 열수력 해석 코드인 GAMMA에 장착시켜 고온가스로의 정상상태 및 과도상태 성능을 산출하는 GAMMA-T를 개발하였다. 두 코드를 직접 연계함으로써, 통상적으로 가스터빈의 성능 맵을 사용할 때 효율의 비선형성으로 인해 축적 및 내삽 과정에서 발생하는 오차요인을 제거하였다. GAMMA-T를 이용하여 열교환기 및 계통 내의 파이프를 1차원 열수력 모델로 설계하였고, 원자로의 경우 1차원 열수력 모델과 함께, 점운동 방정식 및 반응도 모델에 의한 과도상태의 동특성 모델로 모사하였다. 여기에 전체 계통의 거동을 다룰 수 있도록 가스터빈의 축동력학 모델을 적용하고, 원자로 제어봉과 가스터빈의 우회 밸브의 제어 모델을 설정하였다.
헬륨 가스를 사용하는 직접 사이클인 JAEA의 GTHTR300 설계를 참조 모델로 선정하여 본 연구에서 개발된 SANA 코드 및 GAMMA-T 코드를 검증하였다. 가스터빈의 블레이드 및 내부 유로에 대해 기초 설계를 수행한 후, SANA 코드의 수치적 안정성을 평가하고 설계점 및 탈설계점에 대해 성능을 산출하였다. 뉴턴-랩슨 방법은 기존 방법에 비해 계산 속도가 약 10~30% 빠르며 수렴 안정성이 현저히 향상되었다. 참조된 압축기 및 터빈의 내부 유동 분석을 수행하였고, 성능산출 결과는 JAEA가 제공한 설계 성능 및 탈설계 성능을 약 3.5% 이내의 오차로 예측하였다. GAMMA-T를 사용하여 상기 고온가스로의 정상상태 해석을 수행한 결과도 각 계통 구성요소들의 열수력적 변수들에 전반적으로 잘 일치하였다.
부하변동운전을 상정하여 상기 고온가스로 계통의 과도거동을 시뮬레이션 하였으며, 원자로 출구온도 변화를 10°C 이내로 제어하고, 가스터빈의 우회 밸브를 제어하여 정상운전의 70~100%의 부하에 대응하는 결과를 보였다. 본 연구에서 가스터빈의 2차원 관통유동모델과 원자로 및 열교환기의 1차원 열수력 모델에 의해 정상운전시 과도거동분석을 가능하게 함으로써 고온가스로 계통 전반의 설계 최적화에 유용하게 사용될 수 있다는 결론을 도출하였다.
