과열저감기, attemperator, deaerator, 탈기기

POWER PLANT

상변화물질 저장장치 시뮬레이션 (PCM simulation using Flownex)

전 세계적으로 신재생에너지 전력 공급량은 증가 추세이며, 최근 정부는 신재생의 설비 용량을 2034년 40.9%로 확대하는 9차 전력수급계획을 발표하였다. 그러나 신재생에너지는 자연조건에 따라 전력공급량이 불안정하다는 단점을 가지고 있어 기저발전부하를 담당하는 기존 발전소의 신속한 부하변동이 요구된다. 이를 위해 발전소의 기동시간(Start-up time), 부하변화율(Ramp rate), 최소부하(Minimum load)등으로 대표되는 발전소의 유연성(Flexibility) 향상에 대한 연구 개발이 진행 중이다.

이와 관련하여, 본 연구에서는 증기사이클 화력발전소의 기동시간을 단축하고, 부하변화율을 증대시키기 위해, CFD 해석 및 1차원 과도(transient) 열유체시스템 해석을 통해 증기사이클에 적용 가능한 상변화물질(PCM, phase change material) 열저장장치의 설계, 설치 및 운전 가이드라인 제공을 위한 기초연구를 진행하고자 한다.

본 연구에서 제안하는 상변화물질 열에너지 저장장치를 활용하여 기존 화력 발전소의 유연성을 증대하게 되면 갑작스런 신재생 발전량 변화에도 신속하게 대응할 수 있는 능력을 갖추게 된다. 뿐만 아니라 발전소 효율 개선을 통해 연료비 절감과 온실가스, 미세먼지 배출량 저감효과도 기대 할 수 있다.

또한, 동일한 기술이 복합화력 발전에도 적용 가능하다. 복합화력발전에서는 가스터빈과 함께, 배열회수보일러(HRSG, heat recovery steam generator)를 이용하여 가스터빈에서 배출되는 열에너지를 회수하여 증기터빈을 가동하여 높은 열효율을 얻는데, 가스터빈의 기동시간은 15분 내외이지만, 증기터빈은 열간기동(hot start-up)시에도 60분 이상의 기동시간이 소요되는 단점이 있다. 따라서 이번 연구를 통해 얻은 결과물을 복합화력발전소에 적용할 경우 향상된 유연성과 높은 열효율을 동시에 얻을 수 있을 것으로 기대된다. 참고로, 9차 전력수급기본계획에 의하면 22-24년도에 여주복합, 통영복합, 울산GPS복합 등의 완공이 계획되어 복합화력의 비중도 꾸준히 증가할 예정이다.

목질계 바이오매스 당화반응 해석 CFD (Simulation of glycolysis reaction of woody biomass)

전 세계의 에너지 문제로 인해 대체 에너지 개발에 대한 요구가 증대됨에 따라 동·식물과 같은 유기체를 주 에너지원으로 하는 바이오매스에 대한 연구가 활발히 진행 중이다. 바이오매스로부터 글루코스와 같은 당을 추출, 발효시켜 생성되는 바이오에탄올은 수송용 연료를 대체할 수 있다. 당질 및 전분질계 바이오매스는 인류의 식량자원이라는 점 때문에 한계가 명확하고, 대안으로 목질계 바이오매스의 연구가 활발히 진행 중이다.

이를 위해서는 당화 공정이 필요하며, 대표적인 당화 공정방법으로는 산가수분해법과 효소분해법 등이 존재하지만, 독성, 비용, 당화 반응시간 등의 단점으로 초임계수를 이용하여 목질계 바이오매스를 당화하는 공정이 주목받고 있다. 여기에서 투입된 목재입자의 당화 반응 수율을 증대하기 위해서는 투입되는 초임계수 온도에 근사한 온도까지 상승되는 목재 입자의 비율을 증대하는 것이 필요하며, 이는 혼합되는 지역의 유동장에 영향을 받는다. 따라서 초임계수 당화반응 장치의 수율 최대화, 소요에너지 절감을 위해서 혼합되는 Y자관에 유동장을 분석하고, 이를 통해 목재입자의 최대상승온도 분포도를 획득하는 것이 필요하다.

본 연구에서는 상용 CFD 소프트웨어인 ANSYS Fluent를 이용하여, Y관 내에서의 유동온도장, 유동속도장, 입자유적선를 구하고, 입자 데이터로부터 Matlab code를 사용하여 목재입자 최대상승온도 분포도를 구하였다. 여기에서 유동혼합양상에 지대한 영향을 미치는 Large Eddy를 모사하기 위해 LES (Large Eddy Simulation)모델을 사용하였고, 목재입자의 체적분율이 2% 내외임을 고려하여 목재 입자의 유동은 DPM(Discrete Phase Model)을 이용하여 계산하였다.

과열저감기 해석 (Attemperator analysis using CFD)

화력발전소의 보일러 시스템은 비선형 특성을 지니는 여러 장치들이 연관되어 동작하는 복잡한 계통이다. 보일러는 연료의 연소열을 이용하여 발전기가 연결된 터빈을 회전시키기 위한 고온의 증기를 발생시킨다. 터빈으로 유입되는 과열증기의 온도는 일차적으로 보일러의 연료로 인가한 석탄의 연소 및 보일러 급수유량에 의해 제어된다. 잘 알려져 있듯이, 과열증기 온도가 표준설계온도보다 높을 경우 발전소의 효율은 증가하나 과열기, 터빈 재질의 열응력 발생으로 인한 손상으로 수명이 단축될 수 있으며, 반대로 정격온도 이하로 운전 할 경우 효율 감소뿐만 아니라 증기의 질 저하로 인하여 터빈 회전날개의 침식 유발 등의 문제가 발생할 수 있다. 발전부하가 일정하게 유지되는 정상상태 운전조건에서도, 연료로 공급되는 석탄의 불균일한 연소 인한 열전달량 변화로 과열기 출구 증기온도를 적정 값 이상으로 유지하고, 대신 과열기 사이의 주증기 배관에 급수가열기(Feedwater Heater)로부터 공급된 저온의 스프레이를 분사, 증발시켜 주증기 배관의 과열증기의 온도를 적정 값으로 유지한다. 이러한 장치를 과열저감기 (attemperator or desuperheater)라고 하며, 최근 기저발전부하에서 중간발전부하 또는 발전부하 변화에 따른 출력의 빠른 증/감발, 야간 및 주말 정지 및 기동 등 제어 특성 향상에 대한 필요성과 함께 과열저감기의 중요성 또한 커지고 있다. 이와 관련하여 본 연구실에서는 아래의 연구를 수행하고 있다.

발전소 운전 제어로직 해석/개선 및 과열저감기 운전 가이드라인 제공
스프레이 미립화, 열전달 모델링, 시뮬레이션
3차원 과열저감기 상용 CFD 해석
스프레이 시각화 실험