Circulating fluidized bed (CFB) boiler has become popular, especially in the electric power-generation market, due to its advantages, such as fuel flexibility, high combustion efficiency and low emissions. Since a coal-fired power plant is a heavy consumer of primary energy, many researchers have paid attention to boiler performance, in order to reduce energy consumption. Performance analysis should be conducted throughout the actual operating range for efficient operation of a CFB boiler. Varying operating conditions lead to change characteristics of performance parameters with increasing complexity to predict performance of the boiler. We need to reduce complexity with steady-state performance model for a CFB boiler by using necessary simplification.
In this study, a simplified model for a CFB boiler has been proposed to describe and to predict the performance of a CFB boiler under various operating conditions. The proposed model follows the system approach, in which the entire CFB boiler is divided into a finite number of heat exchanger blocks; thereby the approach is called as ‘heat exchangers block simulation’. Each block covers the gas-solid side and the water-steam side. In order to extend throughout the actual operating range, a correlation between the solid flux and the superficial velocity was drawn. Heat transfer coefficients were obtained through calculation, based on the solids suspension concentration and the cross-linked water-steam side.
The model has been validated against the data from a pilot-scale 2 MWe CFB boiler and a commercial scale 300 MWe CFB boiler. Performance parameters were predicted and were analyzed by changing some important operational parameters, which have a significant effect on boiler efficiency, such as coal feed rate, steam pressure and feedwater temperature. Finally, we have discussed to maintain proper operating conditions at off-design points by estimation of deviation of furnace temperature and heat transfer calculations. The simulation model has shown to provide useful data to predict performance at different operating conditions.
순환유동층 보일러는 연소로 내 입자의 유동 및 순환을 통해 주입된 입자상태의 고체연료를 연소시키고 연소열을 이용하는 기술로, 유동물질의 순환으로 연소로 내의 온도가 거의 균일하게 유지되며, 유동매체의 높은 열용량은 발열량으로 인해 아역청탄, 갈탄을 포함한 다양한 등급의 석탄과 바이오매스 등, 넓은 범위의 연료를 무난하게 처리하는 최적 기술로 인정받고 있다. 현재 600MWe 규모까지 대형화가 이루어졌다. 대형화에 따른 보다 안정적이고 경제적인 운전이 기대되나, 대형 설비에 대한 설계 및 운전에 대한 검증이 제대로 이루어지지 않았으며, 실제 운전의 경우에 설계된 운전조건과는 다르게 운전 되기 때문에 전 운전 영역에서의 보일러 성능 해석이 요구된다.
대부분의 순환유동층 보일러 모델은 연소실에 대한 고체 수력학적 특성과 연소에 대한 연구를 수행하고 있었기 때문에, 전열관부를 포함한 전체 보일러 모델을 거의 다루지 않았고 증기계통에 대한 연구도 거의 이루어지지 않았었다. 효율적인 운전을 위한 보일러 성능 예측의 관점에서는 연소실, 대류전열관부 그리고 증기 계통을 포함한 전체 시스템 접근 방법이 적절할 것으로 사료된다. 또한 실제 보일러에서는 전력 요구량에 따라 변하는 운전부하에 따라 성능 인자와 증기 사이클의 성능 인자의 변화가 일어나기 때문에 보일러 성능 예측을 더욱 복잡하게 만든다. 게다가 대형 보일러의 경우 추가적인 전열면이 각 증기 계통과 연계될 경우 시스템 접근 방법에서의 복잡성은 매우 증가하게 된다. 따라서 현실적으로 또는 유연하게 적용할 수 있는 접근 방법으로는 일부 단순화 작업을 포함하여 모델의 복잡성을 낮추어야 한다.
본 연구에서는 시스템을 수 개의 하부 블록(block)으로 나누고 각 블록에서의 계산을 수행한 후, 각 블록을 조합하여 시스템 해석을 수행하였다. 하부 블록의 결합을 통해 다양한 보일러의 표현이 가능하며, 다양한 시스템에 적용 가능하였다. 복잡성을 낮추기 위해서 일부 측정 자료 및 설계 자료 분석을 통한 상관식을 도출하였고 이를 기반에 둔 계산식을 구성하였다. 물-증기 계통을 가스-고체 계통과 연결하여 블록 계산에서의 열전달 계수의 예측에 신뢰성을 확보하고자 하였다. 이론적인 근거와 경험식을 구성하여 순환유동층 보일러에 적용 가능한 시스템 해석 방법을 마련하였다. 하지만 순환유동층 보일러는 전열면에 가열된 고체 입자에 의한 열전달을 고려해야 하기 때문에 열전달 계수에 대한 보다 깊은 고민이 필요하였고, 고체 입자군으로 형성된 cluster가 벽면에 부착되었다가 떨어지는 메커니즘을 포함한 cluster-renewal 모델을 이용하여 접근하였다.
다양한 크기의 보일러에 대한 모델의 적용성을 확인하기 위해서 실제로 전력 생산을 수행하고 있는 2MWe 급의 파일럿 규모의 순환유동층 보일러와 현재 국내 최대 용량인 340MWe 급의 여수화력 보일러를 대상으로 하였다. 대상 설비의 의미는 단순 랜킨사이클의 증기사이클을 가지는 소형 보일러에서부터 날개벽(wing wall)을 포함한 연소실 내부 추가 열전달 면적이 있는 재열 증기사이클을 가지는 대형 보일러까지 단순히 크기뿐만 아니라 설계 상에서 고려해야 할 부분에서 많은 차이를 보이는 설비를 대상으로 모델의 적용 가능성을 검증하고자 하였다. 운전 및 설계 자료를 통해 프로그램의 적절성을 확인하고, 운전 자료를 통해 프로그램의 적절성은 물론 비정상 운전 위치 파악, 운전 가이드라인에 대한 기초 자료를 제공할 수 있음을 보였다. 순환유동층 보일러의 각 부분별 연소 가스 온도 이력과 증기 온도 등의 실제 운전 데이터를 바탕으로 시스템 모델을 검증하였다. 시뮬레이션을 통해 이용하여 측정이 이루어지지 않는 구간에 대한 온도 정보 및 내부변수를 제공할 수 있었고, 최종적으로는 온도, 유량, 열부하, 열전달 계수 그리고 보일러 효율에 대한 각 운전 변화에 따른 유용한 정보를 제공할 수 있었다.
운전변수 등의 변화에 대해서 성능 인자의 특성을 파악하였으며, 설계점과 탈설계점에서의 보일러 성능 예측을 수행하였다. 실제 보일러에서 보일러 효율에 영향이 큰 연료량, 주증기 압력 그리고 급수 온도를 운전 변화 인자로 선정하여, 양으로 5%, 음으로 5%씩 변화시키면서 성능 인자의 특성을 파악하고자 하였다. 변화에 따른 성능 인자의 변화율을 확인해본 결과 성능 인자는 운전 변화에 민감한 성능인자, 덜 민감한 성능인자 그리고 다른 원인에 의해 간접적인 영향을 받는 성능 인자로 크게 세 가지로 분류할 수 있었으며, 각 운전 인자에 따른 선형적인 변화를 보이거나 비선형적인 변화를 가지는 영향 인자를 확인 할 수 있었다.
