Design Optimization of HRSG Inlet Duct Geometry for Improving Flow Uniformity using Meta-Heuristic Algorithm and Experimental Verification

Abstract

오늘날 복합화력발전의 핵심 설비로 자리잡은 배열회수보일러는 복합화력발전의 에너지효율과 성능에 지대한 영향을 미친다. 이 중 수평 형 배열회수보일러의 경우 현대에 들어 환경적 요인과 건설부지 제약으로 인해 열교환군을 추가하여 부지 면적을넓히는 대신 열교환군의 길이를 증가시키는 방식을 채택하고 있다. 배열회수보일러의 높이를 증가시키면 입구 확관의 꺾임각이 급격하게 증가하게 되고 불가피하게 상하 속도편차가 증가하게 된다. 배열회수보일러의 상하 속도편차로 인해 발생하는 유속의 불균일은 온도의 불균일 또한 야기하며, 열응력 집중으로 인한 내구성 저하 및 열효율 감소 등 전체적인 배열회수보일러의 성능에 악영향을 미친다. 따라서 입구 확관에서 최대의 유속균일도를 확보하기 위한 확관의 형상 최적화는 배열회수보일러의 성능과 내구성 향상을 위해 반드시 필요하다. 따라서 본 논문에서는 시대적 요구에 따라 입구 확관에서의 유속 균일도 향상을 위한 배열회수보일러의 내부 유체 거동과 각 열교환군의 열교환량에 대한 수치해석과 입구 확관의 형상 최적화를 수행하였으며, 실험을 통해 축소 형상에서 유속 균일도와 온도 균일도, 내부 유체거동을 측정하고, 수치해석 결과와 비교, 검증했다. 수치해석 과정에서는 우선 유전 알고리즘을 이용한 최적설계를 통해 유속균일도가 향상된 새로운 입구 확관의 형상을 제시하였으며, 기존 및 최적 형상의 유동특성을 비교 및 분석했다. 보다 정확한 수치해석을 위해, 현재 사용중인 D-top 모델 배열회수보일러의 작동조건을 적용했으며, 해석과정에서 확관 효율과 압력회복 계수를 고려하였다. 실험에서는 형상학적 상사과정을 통해 1/12 축소형상을 제작하고, 역학적 상사과정에서는 오일러 수와 스월 수를 기반으로 입구 확관의 선회유동과 배열회수보일러 본체의 압력강하 현상을 모사했다. 또한 확관 끝 단에서의 유속균일도를 측정하여 수치해석 결과와 비교 및 분석하였다. 본 연구를 통해 기존 형상 대비 최적 형상에서 유속균일도가 3.4%, 온도균일도가 4.5% 상승하였으며 확관의 효율은 1.16% 줄어들었다. 분석결과, 기존 형상에서 확관 하단 중앙에 재순환영역이 생성되어 하단에 고속유동이 집중되던 것에 반해, 최적 형상에서는 확관 상단 벽에 재순환영역이 형성되어 하단에 집중되던 고속유동을 분산시키고 상승운동을 촉진시키는 것으로 나타났다. 이는 각 설계변수들의 상관관계를 고려하지 않은 기존 형상과 비교했을 때, 선정된 비선형적 설계변수들 간의 유기적인 상관관계를 고려한 최적 값이다. 기존 형상에 비해 본 연구를 통해 제안한 확관의 최적 형상에서는 열응력의 분산을 통해 배열회수보일러의 내구성을 향상시킬 뿐만 아니라 배열회수보일러의 열효율 또한 향상시킬 수 있다.; In contemporary HRSG, that extensively affect the overall performance of CCPPs, almost horizontal type HRSG has been adopting the distinctive technique, which is a method of raising the length of the heat exchange tubes rather than increasing the number of the heat exchange tubes for managing the construction site limitation. As the heat exchange tube lengths increase, the height of the HRSG necessarily increases. Enlarged velocity deviation between top and bottom side of HRSG is the main cause of degradation of overall performance and thermal durability of HRSG. Thus, the inlet duct geometry of an HRSG is the most essential part for determining heat exchange in the main body and thermal durability, in terms of flow uniformity. In the present study, numerical analysis of the HRSG flow characteristics and design optimization of inlet duct geometry for improving flow uniformity at the front section of the main body were performed to meet the requirements of the distinctive technique. In addition, cold-flow test of HRSG was performed with 1/12 scale-down model for verifying the flow uniformity of optimized design based on the numerical analysis output. In numerical approach, a new inlet duct geometry, which has maximum flow uniformity, was proposed through design optimization procedures using a genetic algorithm and Kriging method. Specifically, the actual operating condition of the D-top model HRSG was applied and the pressure recovery coefficient and diffuser efficiency were considered. In the optimized design, a recirculating flow area was formed at the top internal wall of the second-expansion stage. In experimental approach, pressure drop and swirl flow characteristic were modeled based on Euler similitude and swirl number similitude. In addition, flow uniformity was evaluated at the rear section of reduction model inlet duct in comparison with numerical results. Numerical and experimental results indicate that the forming of the recirculating flow area improves flow uniformity by rotating movement and spreading the concentration points of high-speed flow. In optimized design, the diffuser efficiency reduced by 1.16%, however, the flow uniformity and the temperature uniformity were enhanced up to 3.4%, 4.5%, respectively, in comparison with the conventional design, which does not consider the systematic correlation of nonlinear design parameters. It is expected that the improvement of the flow uniformity is able to contribute to the exterior design of HRSG, which has an intention of the performance enhancement, in the industrial field.