KR20220139158A - A Method For Designing A Swirling Flow Dust Collector - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 무동력으로 선회유동을 유도하여 오염물을 집진하는 집진장치를 설치하기 위한 설계방법에 관한 것이다.The present invention relates to a design method for installing a dust collector for collecting contaminants by inducing a swirling flow without power.
배열회수 보일러(Heat Recovery Steam Generator,HRSG)는 가스터빈 후단에 설치되어 열교환기를 통해 배출되는 배열을 이용하여 에너지 효율을 증가시키는 시스템이다. 이러한 장점 덕분에 많은 선진국들이 에너지 효율을 향상시키기 위해서 발전시스템에 포함시키는 필수 구성 요소이다. 그러나 이러한 HRSG는 주기적으로 전 부하 정지 후 계획 예방 정비를 실행하게 되는데 정비후 첫 기동 시 오염물질이 기존 정상 운전시보다 200배 이상 배출 된다. 이들 오염물질 중에는 가스터빈 연소 배출 가스뿐만 아니라 열 교환을 위한 보일러 내부 구조물 표면의 산화물, 부식물 및 계획 예방 정비시 생성된 각종 잔재물들이 배출되어 주변 지역에 피해를 일으킨다.A Heat Recovery Steam Generator (HRSG) is a system installed at the rear end of a gas turbine to increase energy efficiency by using the heat discharged through a heat exchanger. Thanks to these advantages, it is an essential component that many developed countries include in their power generation systems to improve energy efficiency. However, these HRSGs periodically perform planned preventive maintenance after the full load is stopped. When the HRSG is started for the first time after maintenance, pollutants are emitted 200 times more than during normal operation. Among these pollutants, not only gas turbine combustion exhaust gas, but also oxides, corrosives, and various residues generated during planned preventive maintenance on the surface of the internal structure of the boiler for heat exchange are discharged, causing damage to the surrounding area.
배열회수 보일러에서 발생되는 입자상 물질 및 산화철을 제거하기 위해서는 HRSG 후단에 집진장치가 필요하지만, 추가 동력을 사용하는 집진장치의 경우 스택의 구조적 안전상 설치가 권장되지 않는다는 문제가 있다. In order to remove particulate matter and iron oxide generated from the heat recovery boiler, a dust collector is required at the rear end of the HRSG.
이에, 본 발명은 배열회수 보일러에서 입자 오염물을 포집하기 위해 무동력 선회유동을 유도하는 집진장치를 제작할 수 있도록 열-유동을 연계한 설계 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a design method linking heat-flow so that a dust collector that induces a non-powered swirl flow to collect particle contaminants in a heat recovery boiler can be manufactured.
상기 목적을 달성하기 위해, (S1) 배열회수 보일러의 압력 강하량에 따른 열병합 발전 효율 저감 정도를 평가하여 집진장치 설치에 따른 목표 압력 강하량을 정하는 단계; (S2) 배열회수 보일러를 모델링하고, 내부 유동을 시뮬레이션하여 배열회수 보일러를 통과하며 발생한 압력강하 데이터와 실제 배열회수 보일러에서 실측된 압력강하 데이터를 비교하고, 상기 시뮬레이션의 타당성을 검증하는 단계; 및 (S3) 목표 압력 강하량을 기준으로 배열회수 보일러에 설치되는 가이드 베인의 베인 각도, 베인 끝단 폭 및 베인 개수를 정하는 단계;를 포함하는 선회유동 집진장치 설계방법을 제공한다.In order to achieve the above object, (S1) determining the target pressure drop according to the installation of the dust collector by evaluating the degree of reduction in the cogeneration efficiency according to the pressure drop of the heat recovery boiler; (S2) modeling the heat recovery boiler, simulating the internal flow, comparing the pressure drop data generated while passing through the heat recovery boiler with the pressure drop data actually measured in the heat recovery boiler, and verifying the validity of the simulation; and (S3) determining the vane angle, the end width of the vane, and the number of vanes installed in the heat recovery boiler based on the target pressure drop.
또한, 상기 (S2) 단계에서는 내부 유동 속도의 균일화되는 위치를 고려하여 상기 집진장치의 위치를 정할 수 있는 배열회수 보일러의 선회유동 집진장치 설계방법을 제공한다.In addition, in the step (S2), a method for designing a swirling flow dust collector for a heat recovery boiler is provided, in which the location of the dust collector can be determined in consideration of the position at which the internal flow velocity is equalized.
또한, 상기 (S3) 단계에서 가이드 베인의 베인 각도, 베인 끝단 폭 및 베인 날개 개수는 하기의 수학식으로 연산되는 평균 선회수(Average swirl number)를 고려하여 설정하는 배열회수 보일러의 선회유동 집진장치 설계방법을 제공한다.In addition, in step (S3), the vane angle of the guide vane, the width of the end of the vane, and the number of vane blades are set in consideration of the average swirl number calculated by the following equation. design method is provided.
평균 선회수=
(v : 속도, w : 각속도, r : 반지름)(v: velocity, w: angular velocity, r: radius)
또한, 상기 베인 날개 개수는 배열회수 보일러에 집진장치를 모델링하여 베인 개수가 증가함에 따라 상기 목표 압력 강하량 및 평균 선회수의 최대값을 고려하여 정할 수 있는 배열회수 보일러의 선회유동 집진장치 설계방법을 제공한다.In addition, the number of vane blades can be determined by modeling a dust collector in a heat recovery boiler to consider the maximum value of the target pressure drop and the average number of revolutions as the number of vanes increases. to provide.
또한, 상기 베인 각도는 베인 각도가 증가함에 따라 상기 목표 압력 강하량에 근접한 정도 및 평균 선회수의 최대값을 고려하여 일정한 범위의 베인 각도를 정할 수 있는 배열회수 보일러의 선회유동 집진장치 설계방법을 제공한다.In addition, as the vane angle increases as the vane angle increases, it is possible to determine a vane angle within a certain range in consideration of the degree of proximity to the target pressure drop and the maximum value of the average number of revolutions. do.
또한, 상기 베인 끝단 폭은 베인 끝단 폭이 증가함에 따라 상기 목표 압력 강하량에 근접한 정도 및 평균 선회수의 최대값을 고려하여 일정한 범위의 베인 끝단 폭을 정할 수 있는 배열회수 보일러의 선회유동 집진장치 설계방법을 제공한다.In addition, as the vane tip width increases, the vortex flow dust collector design of the exhaust heat recovery boiler can determine the vane tip width within a certain range in consideration of the degree close to the target pressure drop and the maximum value of the average number of turns. provide a way
또한, 라틴 하이퍼큐브 샘플링(Latin hypercube sampling, LHS)을 통해 베인 각도 또는 베인 끝단 폭의 표본을 추출하고, 다중 목적함수 유전자 알고리즘(Multi-Objective Genetic Algorithm, MOGA)를 통해 최적화된 베인 각도 또는 베인 끝단 폭을 도출하는 배열회수 보일러의 선회유동 집진장치 설계방법을 제공한다.In addition, a sample of the vane angle or vane end width is extracted through Latin hypercube sampling (LHS), and the vane angle or vane end width is optimized through the Multi-Objective Genetic Algorithm (MOGA). A method for designing a swirl flow dust collector for a heat recovery boiler from which the width is derived is provided.
본 발명에 따른 선회유동 집진장치 설계방법은 배기가스의 운동에너지를 이용하여 무동력으로 배기가스의 선회유동을 유도하고 이를 통해 오염물질을 집진할 수 있는 집진장치를 설계할 수 있다.The method for designing a swirling flow dust collector according to the present invention can design a dust collector capable of inducing a swirling flow of exhaust gas without power using kinetic energy of exhaust gas and collecting pollutants through this.
도 1은 본 발명에 따른 선회유동 집진장치 설계방법을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2은 배열회수 보일러의 구조 및 실측 데이터를 측정하는 방법을 나타낸 것이다.
도 3은 배열회수 보일러 출구에서 배기가스에 포함된 오염물질 농도 측정 방법을 나타낸 것이다.
도 4는 배열회수 보일러 운전 시각에 따라 오염물질 농도를 측정한 그래프를 나타낸 것이다.
도 5는 배열회수 보일러 전단에 연결된 가스터빈을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 6은 배열회수 보일러 후단에서 발생한 압력 강하량에 따라 가스터빈의 발전 효율 저감을 그래프로 나타낸 것이다.
도 7은 압력강하에 따른 가스터빈의 발전효율 변화를 나타낸 것이다.
도 8은 실제 배열회수 보일러 내부의 각 전열관에서의 압력강하량과 모델링한 배열회수 보일러 내부의 각 전열관에서의 압력강하량을 비교한 것이다.
도 9은 배열회수 보일러의 출구의 높이에 따른 유동 분포를 나타낸 것이다.
도 10는 선회유동 집진장치의 형태를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 11은 평균 선회수 및 압력강하를 고려하여 베인 날개 개수를 구하는 방법을 나타낸 것이다.
도 12는 베인 각도 및 베인 끝단 폭을 설명하기 위해 그림으로 나타낸 것이다.
도 13 및 도 14는 베인 각도 및 베인 끝단 폭을 1차적으로 설계하는 방법을 나타낸 것이다.
도 15a 및 도 15b는 베인 끝단 폭의 범위 0.4 내지 0.8, 베인 각도의 범위 40°내지 50°에서 라틴 하이퍼큐브 샘플링을 통해 15개의 해석점을 도출한 것을 나타낸 것이다.
도 16는 다중 목적함수 유전자 알고리즘을 통해 특정한 최적점을 도출한 것을 나타낸 것이다.1 schematically shows a method for designing a swirl flow dust collector according to the present invention.
2 is a view showing the structure of the heat recovery boiler and a method of measuring the measured data.
3 shows a method of measuring the concentration of pollutants contained in exhaust gas at the outlet of the heat recovery boiler.
4 is a graph showing the measurement of the pollutant concentration according to the operation time of the heat recovery boiler.
5 schematically shows a gas turbine connected to the front end of the heat recovery boiler.
6 is a graph showing the reduction in power generation efficiency of the gas turbine according to the amount of pressure drop generated at the rear end of the heat recovery boiler.
7 shows a change in power generation efficiency of a gas turbine according to a pressure drop.
8 is a comparison of the pressure drop in each heat transfer tube inside the actual heat recovery boiler with the pressure drop in each heat transfer tube inside the modeled heat recovery boiler.
9 shows the flow distribution according to the height of the outlet of the heat recovery boiler.
10 schematically shows the shape of the orbiting flow dust collector.
11 shows a method of calculating the number of vanes in consideration of the average number of turns and pressure drop.
12 is a pictorial view to explain the vane angle and the vane tip width.
13 and 14 show a method of primarily designing a vane angle and a vane tip width.
15A and 15B show that 15 analysis points were derived through Latin hypercube sampling in the range of 0.4 to 0.8 of the vane tip width and the range of 40° to 50° of the vane angle.
16 shows that a specific optimal point is derived through a multi-objective genetic algorithm.
이하 설명하는 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 이하 설명하는 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이하 설명하는 기술의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The invention to be described below can be made various changes and can have various embodiments, and specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail. However, this is not intended to limit the invention described below to specific embodiments, and should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the technology described below.
도 1 내지 도 16에는 본 발명의 선회유동 집진장치 설계방법에 관하여 설명하기 위한 자료들이 나타나 있다. 이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 첨부된 상기 도면들을 참고하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위해 제공되는 것일 뿐, 하기 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.1 to 16 show data for explaining the design method of the swirl flow dust collector of the present invention. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings to help the understanding of the present invention. However, the following examples are only provided for easier understanding of the present invention, and the contents of the present invention are not limited by the following examples.
도 1은 본 발명에 따른 선회유동 집진장치 설계방법을 개략적으로 나타낸 것이다. 도 1을 참조하여 설명하면, 설계방법은 크게 폐열회수 보일러 실측 운전 데이터 수집단계, 목표하는 압력 강하량을 설정하는 단계, 폐열회수 보일러를 모델링하여 상기 실측 운전 데이터와 비교하는 단계, 수치해석 방법을 사용하여 선회유동 집진장치를 설계하고, 최적화된 값을 도출하는 단계로 나눌 수 있다.1 schematically shows a method for designing a swirl flow dust collector according to the present invention. 1, the design method is largely a waste heat recovery boiler actual measurement operation data collection step, setting a target pressure drop, modeling a waste heat recovery boiler and comparing it with the actual measurement operation data, a numerical analysis method is used Therefore, it can be divided into the steps of designing a swirling flow dust collector and deriving an optimized value.
도 2는 배열회수 보일러의 구조 및 실측 데이터를 측정하는 방법을 나타낸 것이다. 도 2를 참조하면, 배열회수 보일러에는 6개의 전열관 군을 포함하고 있고, 각 전열관 군에서는 열교환이 발생한다. 실측 데이터는 배열회수 보일러의 입구, 배기가스의 유동방향에 대해 각 전열관의 후단에 온도 및 압력 센서를 설치하여 배기가스의 유량, 온도, 유동 속도 및 압력을 측정할 수 있다.2 is a view showing the structure of the heat recovery boiler and a method of measuring actual data. Referring to FIG. 2 , the heat recovery boiler includes six heat transfer tube groups, and heat exchange occurs in each heat transfer tube group. As for the actual measurement data, the flow rate, temperature, flow rate and pressure of exhaust gas can be measured by installing temperature and pressure sensors at the rear end of each heat pipe for the inlet of the heat recovery boiler and the flow direction of exhaust gas.
도 3은 배열회수 보일러 출구에서 배기가스에 포함된 오염물질 농도 측정 방법을 나타낸 것이고, 도 4는 배열회수 보일러 운전 시각에 따라 오염물질 농도를 측정한 그래프를 나타낸 것이다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 배열회수 보일러 출구를 통과하는 오염물은 배열회수 보일러의 가동을 시작한 후 3시간 내지 4시간내의 운전 초기에 주로 발생하는 것을 알 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 배열회수 보일러의 선회유동 집진장치 설계방법 상기 배열회수 보일러의 운전 초기에 발생하는 오염물을 집진하기 위한 집진장치 설계방법에 관한 것일 수 있다.FIG. 3 shows a method for measuring the concentration of pollutants included in exhaust gas at the outlet of the heat recovery boiler, and FIG. 4 shows a graph of measuring the concentration of pollutants according to the operating time of the heat recovery boiler. Referring to FIGS. 3 and 4 , it can be seen that contaminants passing through the outlet of the heat recovery boiler are mainly generated at the initial stage of operation within 3 to 4 hours after starting the operation of the heat recovery boiler. Accordingly, the method for designing a swirl flow dust collector for a heat recovery boiler according to the present invention may relate to a design method for a dust collector for collecting contaminants generated at the initial stage of operation of the heat recovery boiler.
본 발명에 따른 설계방법의 (S1) 단계는 목표하는 압력 강하량을 정하는 단계일 수 있다. 배열회수 보일러의 후단에 집진장치를 설계하는 경우 배기가스와 집진장치의 충돌로 인한 배기가스 압력강하는 불가피하다. 따라서 적절한 압력 강하량을 설정하는 것이 중요하다. 도 5는 배열회수 보일러 전단에 연결된 가스터빈을 개략적으로 나타낸 것이고, 도 6은 배열회수 보일러 후단에서 발생한 압력 강하량에 따라 가스터빈의 발전 효율 저감을 그래프로 나타낸 것이다. 도 5 및 도 6을 참조하여 설명하면, 배열회수 보일러 후단에서 압력강하가 발생하면 이는 가스터빈에 추가적인 부하로 작용하여 가스터빈의 발전효율에 저감이 발생된다. 따라서 가스터빈의 발전효율 저감을 고려하여 적절하게 목표 압력 강하량을 설정할 수 있다. Step (S1) of the design method according to the present invention may be a step of determining a target amount of pressure drop. When the dust collector is designed at the rear end of the heat recovery boiler, the pressure drop of the exhaust gas due to the collision between the exhaust gas and the dust collector is unavoidable. Therefore, it is important to set an appropriate amount of pressure drop. 5 schematically shows a gas turbine connected to the front end of the heat recovery boiler, and FIG. 6 is a graph showing the reduction in power generation efficiency of the gas turbine according to the pressure drop generated at the rear end of the heat recovery boiler. 5 and 6, when a pressure drop occurs at the rear end of the heat recovery boiler, it acts as an additional load on the gas turbine, thereby reducing the power generation efficiency of the gas turbine. Therefore, it is possible to appropriately set the target pressure drop in consideration of the reduction in the power generation efficiency of the gas turbine.
일 예로, 배열회수 보일러 후단에서의 압력 강하량을 500Pa로 설정하게 되면 가스터빈의 기본 부하 대비 순 발전효율의 비율은 압력강하 전후 1에서 0.997로 낮아지게 된다. 도 7을 참조하면, 가스터빈은 500Pa의 압력강하가 발생되어 발전효율이 감소하였음을 알 수 있다. 가스터빈의 성능 분석은 gate cycle 프로그램을 활용할 수 있고, gate cycle 프로그램은 배열회수 보일러 후단의 집진장치 설치에 따른 가스터빈, 배열회수 보일러의 부하 변동 여부를 평가할 수 있다.For example, if the pressure drop at the rear end of the heat recovery boiler is set to 500 Pa, the ratio of the net power generation efficiency to the basic load of the gas turbine is lowered from 1 before and after the pressure drop to 0.997. Referring to FIG. 7 , it can be seen that a pressure drop of 500 Pa is generated in the gas turbine, thereby reducing power generation efficiency. A gate cycle program can be used to analyze the performance of a gas turbine, and the gate cycle program can evaluate whether the load of a gas turbine or a heat recovery boiler is changed due to the installation of a dust collector at the rear of the heat recovery boiler.
(S2) 단계는 배열회수 보일러를 실제 배열회수 보일러와 동일하게 모델링하고, 배기가스의 유동을 시뮬레이션하여 배열회수 보일러의 실측 운전 데이터와 유사한 값을 나타내는지 비교하는 단계이다. 상기 (S2) 단계는 실제 배열회수 보일러를 건설하지 않고도 해석프로그램을 통한 배열회수 보일러 모델링만으로 실제 배열회수 보일러 내부의 배기가스 유동을 유추할 수 있다. Step (S2) is a step of modeling the heat recovery boiler in the same way as the actual heat recovery boiler, and comparing whether the exhaust gas flow is simulated to show a similar value to the actual measured operation data of the heat recovery boiler. In step (S2), the exhaust gas flow inside the actual heat recovery boiler can be inferred only by modeling the heat recovery boiler through an analysis program without actually constructing the heat recovery boiler.
도 8은 실제 배열회수 보일러 내부의 각 전열관에서의 압력강하량과 모델링한 배열회수 보일러 내부의 각 전열관에서의 압력강하량을 비교한 것이다. 도 8을 참조하면, 실제 배열회수 보일러 내부의 유동과 모델링한 배열회수 보일러 내부의 유동은 데이터 값이 유사하므로 모델링한 배열회수 보일러를 통해 내부 유동을 시뮬레이션하여 얻은 값은 타당성을 인정할 수 있다.8 is a comparison of the pressure drop in each heat transfer tube inside the actual heat recovery boiler with the pressure drop in each heat transfer tube inside the modeled heat recovery boiler. Referring to FIG. 8 , since the data values of the actual flow inside the heat recovery boiler and the flow inside the modeled heat recovery boiler are similar, the value obtained by simulating the internal flow through the modeled heat recovery boiler can be validated.
(S2) 단계에서는 모델링한 배열회수 보일러의 출구의 높이가 높아짐에 따라 배기가스 유동 속도가 균일화된 지점을 집진장치 설치 위치로 정할 수 있다. 도 9를 참조하면, 일 예로, 높이 23m 지점은 배기가스의 유동 속도가 균일화된 점에서 집진장치를 설치 위치가 될 수 있다.In step (S2), as the height of the outlet of the modeled exhaust heat recovery boiler increases, the point where the exhaust gas flow velocity becomes uniform may be determined as the installation location of the dust collector. Referring to FIG. 9 , as an example, a point at a height of 23 m may be a location for installing a dust collector at a point where the flow velocity of exhaust gas is uniform.
(S3) 단계는 선회유동 집진장치를 설계하는 단계일 수 있다. 선회유동 집진장치는 가이드 베인(guide vane)일 수 있다. 상기 선회유동 집진장치는 배열회수 보일러의 후단에 설치된 스택을 보호하기 위해 무동력 장치로써 온전히 배기가스의 유동에 의존하여 선회유동을 형성할 수 있다. 선회유동 집진장치는 배기가스의 선회유동을 유도하여 원심력에 의해 배열회수 보일러의 출구 통로의 내측벽으로 오염물질을 수집할 수 있고, 상기 내측벽에 길이 방향으로 형성된 구멍인 복수개의 슬릿을 통해 수집된 오염물질을 배출할 수 있다.Step (S3) may be a step of designing the orbiting flow dust collector. The orbital flow dust collector may be a guide vane. The swirl flow dust collector is a non-powered device to protect a stack installed at the rear end of the heat recovery boiler, and may form a swirl flow entirely depending on the flow of exhaust gas. The orbital flow dust collector induces the swirling flow of exhaust gas to collect contaminants from the inner wall of the outlet passage of the heat recovery boiler by centrifugal force, and collects it through a plurality of slits, which are holes formed in the longitudinal direction in the inner wall. pollutants may be emitted.
도 10을 참조하면, 가이드 베인은 회전 가능한 회전축과 축과 연결된 복수개의 베인 날개를 포함할 수 있다. (S3) 단계에서는 베인 날개 개수, 베인 각도 및 베인 끝단 폭을 설계할 수 있다. 설계시 하기의 수학식으로 연산되는 평균 선회수(Average swirl number) 및 압력 강하량을 고려할 수 있다. 평균 선회수는 가이드 베인의 반경에 의해 곱해지는 방위각 모멘텀(angular momentum)의 축 플럭스와 축방향 모멘텀(axial momentum)의 플럭스 사이의 비로써 정의된다.Referring to FIG. 10 , the guide vane may include a rotatable rotation shaft and a plurality of vane blades connected to the shaft. In step (S3), the number of vane blades, the vane angle, and the vane tip width can be designed. When designing, the average swirl number and pressure drop calculated by the following equation may be considered. The average number of turns is defined as the ratio between the axial flux of angular momentum multiplied by the radius of the guide vane and the flux of axial momentum.
평균 선회수=
(v : 속도, w : 각속도, r : 반지름)(v: velocity, w: angular velocity, r: radius)
베인 날개 개수는 회전축의 둘레를 따라 일정한 간격으로 결합된 베인 날개의 개수를 의미한다. 베인 날개 개수는 배열회수 보일러에 가이드 베인을 모델링한 후 베인 날개 개수가 증가함에 따라 변화하는 평균 선회수와 압력 강하량을 고려하여 정할 수 있다.The number of vane blades means the number of vane blades coupled at regular intervals along the circumference of the rotation shaft. The number of vane blades can be determined in consideration of the average number of revolutions and pressure drop that change as the number of vane blades increases after modeling the guide vanes in the heat recovery boiler.
일 예로, 도 11을 참고하여 설명하면, X축은 베인 날개 개수, Y축은 평균 선회수 및 압력강하량으로 하여 그래프로 나타내었다. 목표 압력 강하량은 500Pa 미만이며, 베인 날개 개수가 20개보다 많아진 경우 평균 선회수의 증가량이 거의 일정해졌으므로, 베인 날개 개수는 20개로 정할 수 있다. 베인 날개 개수가 20개를 초과하면 압력 강하량이 500Pa을 넘게 되어 가스 터빈의 발전 효율 저감이 더욱 커질 수 있다.As an example, referring to FIG. 11 , the X-axis is the number of vane blades, and the Y-axis is the average number of turns and the amount of pressure drop. The target pressure drop is less than 500 Pa, and when the number of vanes is greater than 20, the increase in the average number of turns is almost constant, so the number of vanes can be set to 20. When the number of vanes exceeds 20, the pressure drop exceeds 500 Pa, which may further reduce the power generation efficiency of the gas turbine.
도 12를 참조하면, 베인 각도는 회전축에 수직인 면과 베인 날개가 이루는 각도를 의미한다. 베인 각도 및 베인 끝단 폭은 1차적으로 일정한 범위를 정하고, 2차적으로 일정한 범위내에서 최적화를 통해 특정한 값을 도출할 수 있다.Referring to FIG. 12 , the vane angle refers to an angle formed by a plane perpendicular to the rotation axis and the vane blade. The vane angle and the width of the end of the vane are primarily defined within a certain range, and secondarily, a specific value can be derived through optimization within a certain range.
일 예로, 도 13 및 도 14는 베인 각도 및 베인 끝단 폭을 1차적으로 설계하는 방법을 나타낸 것이다. 도 13 및 도 14를 참조하면, 해석프로그램의 시뮬레이션을 통해 베인 각도 및 베인 끝단 폭을 증가시키면 압력 강하량 및 평균 선회수의 값이 나타날 수 있다. 목표 압력 강하량은 500Pa 미만이면서, 평균 선회수가 최대가 되는 값들의 범위를 정할 수 있다. 이 경우 베인 끝단 폭은 0.4 내지 0.8, 베인 각도는 40°내지 50°로 정할 수 있다.As an example, FIGS. 13 and 14 show a method of primarily designing a vane angle and a vane tip width. 13 and 14, if the vane angle and the vane tip width are increased through simulation of the analysis program, the value of the pressure drop and the average number of turns may appear. While the target pressure drop amount is less than 500 Pa, it is possible to define a range of values at which the average number of revolutions is maximum. In this case, the width of the end of the vane may be set to 0.4 to 0.8, and the vane angle to be 40° to 50°.
범위를 정한 베인 각도 및 베인 끝단 폭을 최적화하여 가장 최적이 되는 특정 값을 도출할 수 있다. 최적화의 1차적 단계는 베인 끝단 폭과 베인 각도의 범위에서 복수개의 해석점을 도출하는 단계일 수 있다. 해석점을 도출하는 방법은 라틴 하이퍼큐브 샘플링(Latin hypercube sampling, LHS)을 통해 도출할 수 있다. 일 예로, 도 15a 및 도 15b를 참조하면, 베인 끝단 폭의 범위 0.4 내지 0.8, 베인 각도의 범위 40°내지 50°에서 라틴 하이퍼큐브 샘플링을 통해 15개의 해석점을 도출하였다.By optimizing the ranged vane angle and vane tip width, the most optimal specific value can be derived. The primary step of optimization may be a step of deriving a plurality of analysis points in the range of the vane tip width and the vane angle. The method of deriving the analysis point can be derived through Latin hypercube sampling (LHS). As an example, referring to FIGS. 15A and 15B , 15 analysis points were derived through Latin hypercube sampling in the range of 0.4 to 0.8 of the vane tip width and 40° to 50° of the vane angle.
최적화의 2차적 단계는 다중 목적함수 유전자 알고리즘(Multi-Objective Genetic Algorithm, MOGA)을 통해 도출된 해석점에서 특정한 최적점을 도출할 수 있다. 일 예로, 도 16을 참조하면 라틴 하이퍼큐브 샘플링을 통해 도출한 15개의 해석점에서 다중 목적함수 유전자 알고리즘을 통해 특정한 최적점을 도출하였다. 최적점은 베인 각도 44°, 베인 끝단 폭 0.62m, 압력 강하량 499.9Pa, 평균 선회수 0.53으로 도출할 수 있다.In the secondary stage of optimization, a specific optimal point can be derived from the analysis points derived through the Multi-Objective Genetic Algorithm (MOGA). For example, referring to FIG. 16 , a specific optimal point was derived through a multi-objective genetic algorithm from 15 analysis points derived through Latin hypercube sampling. The optimum point can be derived from the vane angle 44°, the vane tip width 0.62m, the pressure drop 499.9Pa, and the average number of turns of 0.53.
이상 실시 예를 통해 본 기술을 설명하였으나, 본 기술은 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 실시 예는 본 기술의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 수정되거나 변경될 수 있으며, 본 기술분야의 통상의 기술자는 이러한 수정과 변경도 본 기술에 속하는 것임을 알 수 있을 것이다.Although the present technology has been described through the above embodiments, the present technology is not limited thereto. The above embodiments may be modified or changed without departing from the spirit and scope of the present technology, and those skilled in the art will recognize that such modifications and changes also belong to the present technology.
Claims (7)
(S2) 배열회수 보일러를 모델링하고, 내부 유동을 시뮬레이션하여 배열회수 보일러를 통과하며 발생한 압력강하 데이터와 실제 배열회수 보일러에서 실측된 압력강하 데이터를 비교하고, 상기 시뮬레이션의 타당성을 검증하는 단계; 및
(S3) 목표 압력 강하량을 기준으로 배열회수 보일러에 설치되는 가이드 베인의 베인 각도, 베인 끝단 폭 및 베인 개수를 정하는 단계;를 포함하는 선회유동 집진장치 설계방법.(S1) determining the target pressure drop according to the installation of the dust collector by evaluating the degree of reduction in the cogeneration efficiency according to the pressure drop of the heat recovery boiler;
(S2) modeling the heat recovery boiler, simulating the internal flow, comparing the pressure drop data generated while passing through the heat recovery boiler with the pressure drop data actually measured in the heat recovery boiler, and verifying the validity of the simulation; and
(S3) determining the vane angle, the end width of the vane, and the number of vanes installed in the heat recovery boiler based on the target pressure drop;
상기 (S2) 단계에서는 내부 유동 속도의 균일화되는 위치를 고려하여 상기 집진장치의 위치를 정할 수 있는 배열회수 보일러의 선회유동 집진장치 설계방법.The method of claim 1,
In the step (S2), the location of the dust collector can be determined in consideration of the position at which the internal flow velocity is equalized.
상기 (S3) 단계에서 가이드 베인의 베인 각도, 베인 끝단 폭 및 베인 날개 개수는 하기의 수학식으로 연산되는 평균 선회수(Average swirl number)를 고려하여 설정하는 배열회수 보일러의 선회유동 집진장치 설계방법.
평균 선회수=
(v : 속도, w : 각속도, r : 반지름)The method of claim 1,
In step (S3), the vane angle of the guide vane, the width of the end of the vane, and the number of vane blades are set in consideration of the average swirl number calculated by the following equation. .
Average number of turns =
(v: velocity, w: angular velocity, r: radius)
상기 베인 날개 개수는 배열회수 보일러에 집진장치를 모델링하여 베인 날개 개수가 증가함에 따라 변화하는 상기 목표 압력 강하량 및 평균 선회수의 최대값을 고려하여 정할 수 있는 배열회수 보일러의 선회유동 집진장치 설계방법.4. The method of claim 3,
The number of vane blades can be determined by modeling a dust collector in a heat recovery boiler, taking into account the maximum value of the target pressure drop and average number of revolutions that change as the number of vanes increases. .
상기 베인 각도는 베인 각도가 증가함에 따라 상기 목표 압력 강하량에 근접한 정도 및 평균 선회수의 최대값을 고려하여 일정한 범위의 베인 각도를 정할 수 있는 배열회수 보일러의 선회유동 집진장치 설계방법.4. The method of claim 3,
The vane angle is a swirl flow dust collector design method for a heat recovery boiler that can determine a vane angle within a certain range in consideration of the degree of proximity to the target pressure drop and the maximum value of the average number of revolutions as the vane angle increases.
상기 베인 끝단 폭은 베인 끝단 폭이 증가함에 따라 상기 목표 압력 강하량에 근접한 정도 및 평균 선회수의 최대값을 고려하여 일정한 범위의 베인 끝단 폭을 정할 수 있는 배열회수 보일러의 선회유동 집진장치 설계방법.4. The method of claim 3,
The vane tip width is a swirl flow dust collector design method for a heat recovery boiler that can determine a vane tip width within a certain range in consideration of the degree of proximity to the target pressure drop and the maximum value of the average number of turns as the width of the tip of the vane increases.
라틴 하이퍼큐브 샘플링(Latin hypercube sampling, LHS)을 통해 베인 각도 또는 베인 끝단 폭의 표본을 추출하고, 다중 목적함수 유전자 알고리즘(Multi-Objective Genetic Algorithm, MOGA)를 통해 최적화된 베인 각도 또는 베인 끝단 폭을 도출하는 배열회수 보일러의 선회유동 집진장치 설계방법.7. The method according to claim 5 or 6,
A sample of the vane angle or vane end width is extracted through Latin hypercube sampling (LHS), and the optimized vane angle or vane end width is obtained through the Multi-Objective Genetic Algorithm (MOGA). Design method of swirl flow dust collector of heat recovery boiler to derive.
Priority Applications (2)
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| KR1020210045447A KR20220139158A (en) | 2021-04-07 | 2021-04-07 | A Method For Designing A Swirling Flow Dust Collector |
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