석탄 표준화 보일러(500MW)의 운전 최적화를 위한 모델링 연구

김영석, 김도현

한국과학기술원 화학공학과

A Study on Modeling for Optimization of Operation of Coal-fired Standardized Boiler (500MW)

Young Suk Kim, Do Hyun Kim

Dept. of Chemical Engineering, KAIST

서론

산업의 발전과 생활 수준의 향상은 수송과 사용에 가장 편리한 에너지인 전력의 사용 및 수용을 증가시켜왔다. 최근 국내의 전력사용증가는 원자력발전, 화력발전 등 발전설비의 증설과 아울러 기존 발전설비의 효율성 증대에 대한 관심을 가중시켜왔다. 화력발전의 연료원으로는 석탄의 가격이 가장 저렴하나, 석탄은 탄종과 산지에 따라 그 특성의 변화 폭이 넓어 연소로의 운전을 표준화하고 최적화함에 있어 어려운 점이 적지 않다. 이를 해결하기 위하여는 탄종의 변화와 운전조건 변화에 따라 연소로의 성능의 변화를 예측하고 최적조건을 결정하여야 하나 실험적으로 모든 가능성을 시험해 보는 것은 거의 불가능하다. 따라서, 이론적인 방법으로 연소로를 해석하고 이해함으로써 연소로의 성능변화를 예측하고 운전조건을 최적화하는 방안을 취하게 되는데 이를 위해 최근 급격히 발전하는 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD)기법을 많이 이용한다. 저공해 및 고효율 연소를 위한 버너, 보조장치들의 최적배치, 버너의 선회방향 결정 그리고 화로형상의 결정 등을 위해서 CFD기법의 적용은 필수적이다. CFD기법은 날로 강화되는 환경규제에 대응한 저 공해 배출형 화로설계 및 개념설계된 보일러의 성능예측 및 국부적인 문제의 고찰등 많은 부문에 적용이 가능하다.

본 연구에서는 보령 3,4호기 미분탄 연소로를 모델로 하여 수행되었다. 화로내 미분탄 연소는 난류 선회유동, 가스연소, 미분탄입자의 거동, 미분탄의 휘발화, char의 비균일연소 그리고 복사열전달 등의 매우 복잡한 현상을 포함하고 있으며, 연소로의 3차원 해석을 통해 이러한 현상의 영향을 예측할 수 있다. 이를 위하여 가스상의 운동량, 엔탈피등의 보존방정식과 k-□ 난류모델식을 이용하여 미분탄 연소로를 3차원으로 모사하였다. 입자의 궤적을 예상하기 위해 Lagrangian approach를 이용하였으며 복사열의 계산은 discrete transfer method를 이용하였다.

이론

연소로의 3차원 해석을 통해 가스의 흐름, 각 성분의 농도변화, 온도, 입자의 궤적, 그리고 연소와 복사에 의한 열의 이동등을 예측할 수 있다. 가스상의 운동량, 엔탈피등의 보존방정식과 k-□ 난류모델식을 이용하여 모사하였으며 직교좌표계에서의 질량 및 운동량 보존방정식은 다음과 같다.

[eqn: {partial(rho u_i )}over partial x_i ~=~S_m]	(1)

[eqn: partial over partialx_j (rhou_i u_j ) = partial over partialx_j left( mu left(partialu_i over partialx_j + partialu_j over partialx_i right) - left(2over3 mu {partialu_1}over partialx_1 right) right) - partialp over partialx_i +rhog_i + partial over partialx_j (rho bar{u_i^' u_j^'} )]

(2)

화학종에 따른 방정식들은 다음과 같다.

[eqn: partial over partialx_i (rhou_i m_i )`=`- partial over partialx_i J_{i',j} `+`R_{i'} +S_{i'}]	(3)

[eqn: rho = P_op over {bar R T sum_i' X_i' over M_i' }]	(4)

입자의 운동량 보존식은

[eqn: m_p du_pi over dt`=`1 over 2 C_D `rho `(u_i `-`u_pi `)^2 `+`m_p `g_i `]	(4)

입자의 에너지 보존식은 다음과 같이 표현할 수 있다.

[eqn: d over dt (`m_p `h_p `)`=`h_p dm_p over dt `+`Q_pc `+`Q_pr `+`Q_pb `]	(5)

하나의 상이 아닌 미분탄의 연소에 있어서, 입자의 연소는 상대적으로 느리기 때문에 입자의 궤적을 정확히 모델할 필요가 있다. 10-200□의 크기를 가지는 입자가 빠른 속도와 재순환(recirculation)이 이루어지는 동안, 입자와 가스사이의 관계를 무시할 수 없기 때문이다. 입자는 이동하는 동안 가스흐름과 간섭하고, 그로 인하여 보존방정식들이 바뀌게 된다. 입자의 질량과 온도역시 연속적으로 변한다. 입자는 교란흐름에 의해 분산되므로 순간적인 가스 속도의 분포를 통해 궤적을 모델하는 것이 더 실제적이다. 제시된 모델은 입자가 임의적으로 분포된 교란 소용돌이(turbulent eddy)를 만나는 경우에 대해 Lagrangian 운동방정식을 적용했다. 석탄입자의 온도가 증발온도에 도달하면 휘발분을 방출한다. 연소반응은 방출된 휘발성분(volatile matter)과 연소공기의 비가역 단일반응으로 생성물은 [eqn: CO_2 `]와 [eqn: H_2 O`]를 포함한다. 휘발분의 방출율은 Kobayashi(1976)의 Two Competing Rates모델을 적용하였다.

[eqn: R_1 `=`A_1 exp(-E`/RT_p `)~~,~~ R_1 `=`A_1 exp(-E`/RT_p `)]	(6)

팽창계수(swelling factor)를 고려한 휘발과정중 입자의 직경변화는 다음과 같다.

[eqn: D_p `/D_po `=`1+(C_sw `-`1) { m_po -m_p }over f_vo m_po `]	(7)

수치해석

보령 3,4호기 미분탄 보일러는 화로의 높이가 52m폭이 16.5m인 대형구조물이다. 버너배치는 24개의 버너가 설치되어 있고, 이중 20개가 사용된다. 이를 위한 격자의 구성은 그림 1에 나타내었다. 사용한 격자의 수는 45×27×100=121500으로 하였고, 본 연구에서 중점적으로 다룰 부분으로서 1차연소와 2차연소가 이루어지는 부분의 격자수를 조밀하게 하여 상용코드인 Fluent4.32로 계산하였다. 압력과 속도의 연계문제는 SIMPLE알고리즘을 사용하였으며 운전 조건은 표1-3에서 나타내었다.

결과 및 토론

중심부를 단면으로 하여 연소로 전체의 온도분포 및 입자의 궤적을 그림 2와 3에 나타내었다. 버너에서 주입된 연료가 1차 연소된 후 OAP에서 2차연소가 이루어지는 것을 볼 수 있다. 모서리부분에서 유입된 연료가 다른 흐름과 부딛히며 난류가 형성되는 부분에서 높은 연소효율을 보인다. 이로 인해 중심부에 fire ball이 형성된다. 표3은 예측한 결과와 실제값을 비교한 것이다. 이를 이용해 각 조건에서의 유동장, 온도장의 변화와 조성의 변화를 예측하였으며, 이 결과는 각 조건에 따른 관계를 이용하여 최적의 조업조건을 결정하는 데에 사용될 수 있다.

참고문헌

1. Smoot L.D. and Smith P.J., "Coal Combustion and Gasification", Plenum Press, New York, 1985.

2. Smoot L.D., "Modeling of Coal Combustion Processes", Prog Energy Combust. sci., Vol.10, pp 229-272, 1984

3. Weber R., Peters A.F., Brethaupt P.P., "Mathematical Modeling of Swiring Pulverised flame: What can Combustion Engineers expect from Modeling", International Joint (ASME/EPRI) Power Generation Conferance, Oct 17-21, 1993.

4. Boyd R.K. and Kent J.H., "Three Dimensional Furnace Computer Modeling", 21st Symp. on Combustion, pp 265-274, 1986.

표1. 석탄의 조성

Description	Unit	Preformance Grade Coal
Proximate Analysis (Air Dry basis) Moisture Volatile matter Fixed Carbon Ash	%wt	5 28 52 15
Ultimate Analysis (Dry basis) Carbon Hydrogen Nitrogen Oxygen Sulfer Ash	%wt	69.0 4.3 1.4 8.7 0.8 15.8

표2. 경계조건

	버너	벽면	출구
ui	uin	0	∂ui/∂ui=0
k	1.5(uavgI)2	wall function	∂k/∂x=0
□		wall function	∂□/∂x=0
h	hin	hwall	∂h/∂x=0
mi	mO2	∂mi/∂n=0	∂mi/∂x=0

표3. 운전조건

	속도(m/s)	유량(kg/s)	온도(K)
1차공기		101.6994	355
2차공기	23	323.135	596
OAP	23	80.78389	596
Coal	23	53.60667

표4. 연소상단부에서의 결과비교

	측정치	계산치
온도(K)	1469	1630
유량(Kg/s) 유속(m/s)	567.5472 8.8	532.9 8.1

그림 . 계산격자

그림 . 온도분포

그림 .입자의궤적

그림 . 노 출구의 속도벡터

그림 . 2차연소후 온도분포