In this thesis, both a numerical simulation and an experimental study were conducted in order to analyze the flow characteristic and therefrom find out appropriate measure to be uniform it in the inlet duct of the vertical type HRSG prototype power plant. To achieve this, 3-D wind tunnel model test was carried out to measure velocity and evaluate the flow uniformity. As the effort to modify the prototype, a swirler was set up at inlet part of the model and a bundle of round rod and perforated plates whose pressure coefficient was similarly calculated from that of the prototype tube banks were attached to inside of model for simplification. Velocity distribution at test sections was measured by using pitot tubes and a manometer so that the uniformity of the flow was estimated by calculating RMS deviation which was used as a evaluation factor. The other flow modeling test was conducted for flow visualization, so water table model was made for that. Obviously, there are certain limitations to build 2-D modeling for fully turbulent 3-D flow in the ducts. However, it could be utilized to generate basic ideas for the next modeling test because it is simple to build and easy to change the test conditions. Also, the test was carried out to compare the flow patterns by changing the shape of inlet duct which is one of alternatives to render the flow of exhaust gas more spatially uniform. Furthermore, numerical simulation was done using the commercial CFD code, Fluent, to compensate the defect of model tests and consider more ideas for making the flow of exhaust gas more spatially uniform and evaluating them with evaluation factor. The total volume from the exit side of gas turbine to the outlet of the HRSG was divided into about 3 millions elements. The grid pattern was selected in such a manner that the grid spacing was sufficiently fine for the region near the entrance of the tube zone. The RNG k-ε turbulence model was chosen to simulate the case. To simulate the tube zone, porous media was adopted to calculate the pressure drop and heat transfer in the tube zone. Fan swirl velocity modeling employed to express the swirl flow from the gas turbine. This numerical result was verified with experimental result and it showed good agreement with experimental data. Finally, the best alternative from numerical study was verified by experimental way.
The other main objective of this thesis was to evaluate the thermal stress arising on HRSG casing during operation and find the root causes of damages as well. Many Combined Cycle Power Plants are installed for managing peak and cyclical loads, so the daily start and stop operation is often chosen. For that reason, the wall temperature of HRSG changes frequently and this is one cause of casing damage. For analysis, wall temperature was recorded during start up from real plant and operation data was collected. Also, unrecorded wall temperatures were calculated. Stress analysis was conducted using commercial finite element software, Ansys workbench. To consider effect of flow state on casing, the result of fluent interpolated to ansys workbench and calculated. On the evidence of result, some limited ideas represented to prevent damages.
이 논문은 복합사이클 발전플랜트의 배열회수 보일러 내부의 유동 균일화 방안 및 Casing 파손과 관련한 구조해석에 대하여 연구하였다. 시스템의 안정적인 출력 및 전열관의 파손을 예방하는 관점에서 배열회수 보일러 내부유동의 균일도를 향상시키는 것을 목표로 두 가지의 모형실험 및 전산해석이 진행되었다. 고려하였던 여러 방안 중 하나의 방안을 대안으로 제시하고, 그의 성능을 전산해석 및 모형실험으로 검증하였다. 또한 기동정지를 반복하는 운전특성에 따라 발생하는 응력의 집중을 최소화 시키고, 파손을 예방할 수 있는 케이싱의 구조 및 설계상의 고민이 필요한바, 실제 운행되는 플랜트를 대상으로 현장측정을 실시하여 운행 중 벽면에서 발생하는 온도를 파악하고, 구조해석을 진행하여 파손의 원인을 예측하였다. 이와 관련하여 구체적으로 진행된 사항 및 결과들은 아래와 같다.
HRSG 내부유동 특성연구
가스터빈 배기가스는 강한 선회를 동반한 유동으로 그에 따른 불균일한 유동분포로 인하여 전체 시스템에서 성능의 저하 및 관련 부위 파손가능성의 증가 등 부정적인 영향을 미치므로, 내부 유동 특성에 관한 분석 및 그 균일도를 향상시키는 방안에 대하여 수치적, 실험적 연구가 진행되었다.
1) Wind tunnel model test
유동의 불균일도를 정량적으로 파악하기 위하여 wind tunnel model test를 진행하였다. 1/20 scale의 냉간 유동 모형을 제작하였고, 선회유동을 모사하기 위한 swirler와 tube zone에서 발생하는 압력강하를 고려하여 round rod 및 perforated plate로 내부를 채우고 pitot tube를 이용하여 유속을 측정하였다. 유속의 분포로 내부 유동에 영향을 주는 큰 인자로 선회각 및 입구 덕트 형상을 확인하였고, 입구부터 보일러 stack까지 유동이 진행하며 평가인자로 고려된 RMS deviation이 증가하는 경향을 보였다.
2) Water tabel model test
유동의 가시화를 통한 정성적인 분석을 위하여 Water table test가 진행이 되었다. 역시 1/20 scale로 제작이 되었고, 미세한 부유입자의 흐름을 카메라 촬영을 통하여 유동의 가시화를 구현하였다. Wind tunnel test에서 전열관군 입구에서 코너 측으로 미약한 유속이 측정되었는데 이는 재순환 영역으로 확인되었다. 또한 이 재순환 영역은 입구 덕트의 형상 변화로 제거가 될 수 있음을 확인하였다.
3) CFD 및 결과 검증
다음의 모형실험의 단점을 보완하고, 유동 균일화 방안에 대하여 더 많은 케이스를 다루기 위하여 전산해석이 이루어 졌다. 전산해석의 결과로 전열관군 입구부에서의 Normal velocity를 모형실험의 결과와 비교하여 전산해석을 검증하였고, 입구 덕트 형상의 변경 및 유동 균일화 장치를 고려하여 유동 균일화에 대한 그 결과를 확인하였다. 고려하였던 경우 중 Perforated plate가 가장 좋은 결과를 보였으며, 이를 다시 Wind tunnel model에 적용하여 유속의 재측정이 이루어졌다. 측정결과 RMS deviation은 43.61%로 기존의 48.45%에 비하여 약 5% 줄어들었으며 유속이 미약한 코너에 5개 유속을 제외하면 16.82%로 기존의 29.68%보다 약 13% 작게 나타나 유동 균일화에 대한 영향을 확인해 볼 수 있었다.
HRSG Casing 구조해석
배열회수 보일러 Casing 파손에 영향으로 잦은 시동과 정지에 따른 반복적인 열응력이 제시되나 이에 대하여 운전 시 발생하는 응력의 정도를 구체적으로 파악한 연구가 없었다. 따라서 응력의 발생 정도 및 발생 영역, 운전 중 변화 양상 등을 파악하기 위하여 실제 발전소를 대상으로 벽면의 온도측정 및 응력해석이 이루어졌다.
1) Field measurement
온도 측정을 위하여 입구 덕트에 7위치를 선정하여 Casing 및 Stiffener에 열전대를 부착하고 시동 시부터 Casing 최대온도까지 변화 양상을 측정하였다. 가스터빈의 부하가 최대가 되는 시점에서의 온도는 옆벽면의 경우 최대 온도와 최소온도 차이가 약 200℃를 보였고 최대값의 경우 약 462℃였다. 뒷 벽면의 경우 약 40℃정도로 측정위치 사이에 비교적 적은 차이를 보이는 것으로 측정되었으며 그 평균은 약 250℃정도였다. Casing의 최대온도가 된 시점에서의 옆 벽면은 최대 516℃까지 증가하여 배기가스의 누출을 의심해 볼 수 있었으며, 뒷 벽면에서는 역시 비교적 적은 온도 차이를 보였고, 그 평균온도는 약 390℃로 측정되었다.
2) Stress analysis
유동전산해석 모델에 적절한 벽면조건을 통하여 얻은 온도데이터 및 측정데이터, 발전소 운전데이터 등을 활용하여 응력해석이 이루어졌으며, 가스터빈이 최종부하가 되는 상태와 Casing의 온도가 최대가 되는 지점, 즉 정상운전 상태일 경우 두 가지에 대하여 해석을 진행하였다. 내부단열이 있는 부분과 없는 부분에서 시동 시 큰 온도차이가 발생하기 때문에 응력 해석 시 해당부위에 큰 응력이 발생하였으며, 실제로 절손현상이 나타난 Stiffener 끝단에서도 큰 응력이 발생하고 있음을 확인하였다. 정상 운전 시에는 옆 벽면에서 온도차이 완화에 따라 발생응력 역시 감소하였으나, Stiffener 끝단의 경우 여전히 높은 응력 분포를 보이는 것으로 계산되었다. 따라서 배열회수 보일러의 Casing 설계 시 단열의 방법 및 위치에 대한 충분한 고려가 필요하며, 벽면과 Stiffener사이의 구속조건에 대하여 Sliding 등의 구속조건을 고려할 필요가 있다.
본 연구의 결과들로 제시된 위의 사항들은 발전소의 설계 시 배경자료로 활용될 수 있을 것이다. 하지만 유동균일화와 관련하여 대안의 가능성에 대하여 논의된바, 추후 최적화에 관한 연구가 추가로 진행될 수 있겠으며, 유동 균일화 장치로서 실 플랜트에 적용을 하기위해서는 구조적인 안정성 및 성능에 대한 영향 등을 평가해보아야 할 필요가 있다. 또한 추후 구조해석과 관련하여 주기적으로 작용하는 응력에 대하여 피로해석으로 연구가 진행될 수 있을 것이다.
