가스터빈 연소기 스트레이너 형상에 따른 압력강하 특성에 관한 연구

Abstract

가스터빈 연소기는 고온부품으로서 연료노즐 내부에 설치되는 스트레이너의 압력강하를 측정하는 설비가 없어, 실제 가스터빈 유 동에서의 스트레이너 형상별 압력강하 특성을 파악하기 위한 이론적, 실험적 연구를 수행하였다. 스트레이너를 통과하는 유동은 관성력의 영향으로 인해 속도에 대한 압력강하가 비선형적인 관계를 보이는 Non-Darcy 유동이며, 측정된 압력강하 데이터와 Forchheimer 이론 식을 통해 스트레이너 고유의 투과율과 관성저항인 Ergun 상수를 도 출하였다 서울복합발전소 가스터빈 M501GAC 기종의 매쉬타입과 포러스 타입의 연소기 스트레이너를 설치하여 기본상태, 철가루 5, 10, 20 g이 투입된 조건에서 유입되는 공기의 압력과 유량을 변화시키면 서 실험을 진행하였으며, 각 경우에 대해 스트레이너 고유의 투과 율과 관성저항인 Ergun 상수를 나타내었다. 또한 실험을 통해 도 출한 스트레이너 형상계수를 180 MW 정격출력 실제 가스터빈 유 동에 적용하여 Forchheimer식을 통해 압력강하를 예측하였으며, 기본상태 기준 매쉬타입은 0.74 bar, 포러스타입은 1.06 bar의 압력 강하가 형성된다는 것을 확인하였다. 실제 서울복합발전소 1, 2호기의 스트레이너 형상을 달리하여 운전 후 연소실 노즐 평균압력을 비교하여 약 0.3 bar의 압력강하 차이가 나는 것을 확인하였다. 또한 스트레이너의 압력강하에 따 른 발전출력 변화량과 가스터빈 효율을 확인하였으며, 180 MW 출력 기준에서 매쉬타입을 설치한 가스터빈이 포러스타입을 설치 한 가스터빈보다 발전출력은 약 2.2 % 높은 것을 확인하였다.

Since the gas turbine combustor is a high-temperature component and there is no facility to measure the pressure drop of the strainer installed inside the fuel nozzle, theoretical and experimental studies were performed to understand the pressure drop characteristics of each strainer shape in the actual gas turbine flow. The flow through the strainer is a Non-Darcy flow in which the pressure drop with respect to velocity has a non-linear relationship due to the influence of inertial force, and the Ergun coefficient which is the intrinsic transmittance and inertia resistance of the strainer, is derived through the measured pressure drop data and Forchheimer's theory. By installing a mesh type and porous type combustor strainer of the Seoul Combined Cycle Power Plant gas turbine M501GAC model, the experiment was conducted while varying the pressure and flow rate of the incoming air under the condition that 5, 10, 20 g of iron powder was added. The strainer's intrinsic transmittance and inertia resistance, Ergun's coefficient, are shown. In addition, the pressure drop was predicted through the Forchheimer equation by applying the strainer shape factor derived through the experiment to the actual flow of the 180 MW rated output gas turbine. It was confirmed that a pressure drop of 0.74 bar for the mesh type and 1.06 bar for the porous type was formed based on the basic condition. In fact, by comparing the average pressure of the combustion chamber nozzles after operation with different strainer shapes of Seoul Combined Cycle Power Plant Units 1 and 2, it was confirmed that there was a difference in pressure drop of about 0.3 bar. In addition, the amount of change in power generation output and gas turbine efficiency according to the strainer pressure drop were confirmed. Based on 180MW power generation output, the gas turbine with the mesh type strainer had about 4MW higher power generation output than the gas turbine with the porous type strainer. The efficiency of the gas turbine with the mesh type was about 0.22% higher than that of the gas turbine with the porous type.