Combustor Model Development and AI-Driven Optimization for Hydrogen Combustion in Gas Turbines = 가스터빈 수소 연소를 위한 연소기 형상 개발 및 AI 기반 최적화

국문 초록 (Abstract)

화석연료 연소에 따른 환경오염과 지구온난화 문제가 심화되면서 지속 가능한 청정 에너지원에 대한 필요성이 더욱 커지고 있다. 다양한 대체연료 중 수소는 재생에너지 기반 생산 가능성, 무탄소 연소 특성, 높은 질량당 에너지 밀도를 갖는다는 점에서 유망한 차세대 연료로 평가되고 있다. 이러한 특성으로 인해 수소는 발전, 항공 추진, 수송 분야를 포함한 다양한 산업 및 연구 분야에서 활발히 검토되고 있다. 특히 가스터빈 시스템에 적용할 경우, 온실가스 배출 저감과 열역학적 효율 향상을 동시에 기대할 수 있어 청정 연소 연료로서 높은 활용 가능성을 가진다. 그러나 수소는 기존 탄화수소계 연료와 구별되는 고유한 연소 특성을 지니고 있어 기존 연소 시스템에 직접 적용할 경우 연소 불안정성이 발생하거나 열적 NOx 생성이 증가할 수 있다. 따라서 수소 연소를 가스터빈 시스템에 안정적으로 적용하기 위해서는 연료 분사 조건의 정밀한 제어와 더불어, 저 NOx 연소를 구현할 수 있는 새로운 연소기 모델의 설계 및 최적화가 요구된다.
본 박사학위논문에서는 화석연료 의존도 저감을 목표로 수소 첨가 연소의 적용 가능성을 검토하고 기존 가스터빈 연소기에서 연료 분사 제어가 연소 거동 및 배출 특성에 미치는 영향을 분석하였다. 나아가 수소 혼소 조건에서 안정적인 연소와 낮은 NOx 배출을 구현하기 위해 마이크로 연소기 모델을 개발하였으며, CFD–ANN–NSGA-II 통합 프레임워크를 기반으로 연소기 형상 최적화를 수행하였다.
본 연구에서는 Can-type 가스터빈 연소기를 대상으로 수소 첨가율이 연소 특성에 미치는 영향을 분석하였다. 연료 내 수소 혼합 비율을 0–100 vol.% 범위에서 변화시키며 수소 첨가율에 따른 유동장, 혼합비, 온도장 및 연소 거동 변화를 분석하였다. 해석 결과, 동일한 총 연료 질량유량 조건에서 수소 체적분율이 증가할수록 연료 반응성이 향상되고 화염 구조가 변화함에 따라 전체 온도장이 상승하였다. 또한 수소 첨가는 연소기 출구 온도 균일도를 개선하였으며, 최대 49.64%의 향상 효과를 보였다. 수소 혼소 조건에서는 연료 내 탄소 함량이 감소함에 따라 CO 및 CO2 배출량이 저감되었다. 또한 수소 첨가율과 당량비 변화가 연소 거동 및 배출 특성에 미치는 복합적인 영향도 함께 분석하였다. 그 결과, 수소 첨가율과 당량비는 화염 구조, 연소 온도 및 배출 특성을 지배하는 주요 인자로 나타났다. 수소 체적분율이 증가함에 따라 연료 반응성이 향상되어 화염 온도가 상승하고 가연 범위가 확대되었다. 낮은 당량비와 높은 수소 첨가율 조건에서는 연료 내 탄소 함량 감소로 인해 CO와 CO2 배출량이 각각 최대 87.48%와 96.63% 감소하였다. 반면, 수소 첨가율과 당량비가 증가할수록 화염 온도 상승에 의해 열적 NOx 배출량은 증가하였다. 기존 연소기에서는 ER = 0.2 및 50 vol.% H₂ 조건에서 출구 온도와 온도 균일도가 각각 61.66%와 30.16% 개선되었으며, NOx 배출량은 74.14 ppm 수준으로 나타났다.
Effusion-hole 냉각은 고온 연소 환경에서 연소기 liner를 보호하고 구조적 안정성을 확보하기 위해 적용되는 대표적인 냉각 기술이다. 그러나 냉각 공기의 분사는 연소기 내부 유동과 화염 거동을 변화시킬 수 있으며, 이에 따라 연소 특성, 연소 효율 및 열적 NOx 배출에도 영향을 미친다. 본 연구에서는 이러한 영향을 평가하기 위해 effusion-hole 형상의 각도에 따른 연소과 배출 특성을 분석하였다. 그 결과, effusion hole을 통해 유입된 냉각 공기는 화염을 liner 벽면에서 연소기 중심부 방향으로 이동시켰으며, secondary zone과 dilution zone의 화염 전면에서는 quenching 현상이 관찰되었다. 이로 인해 연소 효율은 약 5.57% 감소하였다. 또한 effusion-hole 형상은 최고 온도와 평균 온도 분포를 변화시켜 출구 온도 균일도에도 영향을 미치는 것으로 나타났다. 반면, effusion cooling은 연소기 liner의 냉각 성능을 크게 향상시켰다. 특히 냉각 공기 분사를 통해 liner가 흡수하는 radiation heat flux는 77.71% 감소하였고, 이에 따라 벽온도는 47.81% 감소하였다. 그 결과 liner 냉각 효과는 약 340.28% 향상되었다. 또한 EHTA가 0°인 effusion hole 조건에서는 분사된 냉각 공기의 영향으로 열적 NOx 배출이 약 20.23% 감소하였다.
수소 연소의 flashback 방지를 위해 40개의 노즐을 갖는 micromix 연소기를 제안하였다. 본 연소기는 연료와 공기의 교차 방향으로 혼합을 유도하도록 설계되었으며, 0.1 MW 운전 조건에서 연소 성능과 배출 특성을 분석하였다. 또한 수치해석 방법의 타당성을 검증하기 위해 실험 장치를 구축하고 실험 결과와 해석 결과를 비교하였다. 해석 결과, 본 연구에서 고려한 모든 당량비 및 연료 혼합 조건에서 출구 온도 균일도가 개선되는 경향을 보였다. 또한 연소 효율은 수소 첨가율과 당량비가 증가함에 따라 향상되었으며, ER = 0.6 조건에서 최대 88.6%의 연소 효율을 나타냈다. 배출 특성의 경우, 오염물질 배출량은 당량비가 0.8까지 증가함에 따라 증가하였으나, 이후 당량비가 더 증가하면 감소하는 경향을 보였다. 따라서 수소 첨가와 낮은 당량비 조건은 탄소 함량과 OH 농도의 변화를 통해 CO, CO2 및 열적 NOx 배출 저감에 효과적인 것으로 확인되었다.
본 연구에서는 분사된 공기 유동과 수소 연료 간의 교차 유동 혼합을 활용하는 새로운 single-nozzle 마이크로믹스 연소기를 제안하였다. NOx 배출 저감을 목표로 air-guide 높이와 혼합 거리를 주요 설계 변수로 선정하였으며, 이를 기반으로 연소기 형상 최적화를 수행하였다. 최적 형상은 인공신경망（ANN）과 비지배 정렬 유전 알고리즘 II（NSGA-II）를 결합한 CFD–ANN–NSGA-II 최적화 프레임워크를 통해 도출하였다. 최적화 결과, 도출된 최적 형상은 와류 유동 구조를 강화함으로써 연료–공기 혼합을 향상시키고, 다양한 운전 조건에서 연소 성능을 개선하는 동시에 열적 NOx 배출을 효과적으로 저감하였다. 이러한 결과를 통해 본 연구에서 구축한 CFD–ANN–NSGA-II 기반 최적화 프레임워크가 수소 마이크로믹스 연소기의 형상 설계 및 최적화에 효과적으로 활용될 수 있음을 확인하였다. 본 연구는 수소 연소 안정성 확보와 NOx 저감을 위한 마이크로믹스 연소기 최적 설계에 기초 자료를 제공한다.

목차 (Table of Contents)

• Contents
• Abstract I
• Contents VI
• List of Figures X
• List of Tables XV
• CURRICULUM VITAE XVI
• Chapter I. Introduction 1
• 1. Background and motivation 1
• 2. Gas Turbine Fundamentals 5
• 2.1） Gas turbine technology developments 8
• 2.2） Fuel for gas turbines 11
• 2.3） Combustion fundamentals for gas turbines 20
• 2.4） Formation mechanism of pollutants 27
• 3. Literature review and motivation of the dissertation 34
• 3.1） Topic I. Effects of hydrogen addition and equivalence ratio on combustion and emission characteristics in a gas turbine combustor. 37
• 3.2） Topic II. Effects of effusion-hole configuration on combustion performance and NOx emission reduction in a gas turbine combustor. 46
• 3.3） Topic III. Development of micromix combustion model for hydrogen-enriched blended fuel: combustion performance and pollution emissions. 56
• 3.4） Topic IV. Optimization of hydrogen micromix combustion model using a CFD-ANN-NSGA-II framework 65
• Chapter II. Numerical simulation/experimental procedure 74
• 1. Combustion model description 74
• 1.1） Topic I. Can-type combustion model 75
• 1.2） Topic II. Effusion hole configuration on a can-type combustion model 77
• 1.3） Topic III. Micromix combustion model 81
• 1.4） Topic IV. Single nozzle micromix combustion model 84
• 2. Numerical model 89
• 2.1） Governing equations 90
• 2.2） Turbulence model 93
• 2.3） Combustion model 94
• 2.4） Radiation heat transfer model 100
• 2.5） Thermal NOx model 103
• 2.6） Performance indicators for gas turbine combustion 104
• 3. Boundary conditions 111
• 3.1） Topic I. Boundary conditions 112
• 3.2） Topic II. Boundary conditions 116
• 3.3） Topic III. Boundary conditions 118
• 3.4） Topic IV. Boundary conditions 119
• 4. Mesh generation and numerical model validation 121
• 4.1） Topic I. Grid independence verification and numerical model validation 121
• 4.2） Topic II. Grid independence verification and numerical model validation 126
• 4.3） Topic III. Grid independence verification and numerical model validation 131
• 4.4） Topic IV. Grid independence verification and numerical model validation 136
• Chapter III. Results and Discussion 149
• 1. Topic I. Results and discussion 149
• 1.1） Effects of H2 addition on flow distribution 149
• 1.2） Effects of H2 addition on mean mixture fraction 150
• 1.3） Effects of H2 addition on temperature distribution 153
• 1.4） Effects of H2 addition on emission （CO/CO2） 158
• 1.5） Temperature and emissions data evaluation at the combustion chamber outlet 161
• 1.6） Effects of H2 addition and ER variation on flow distribution 162
• 1.7） Effects of H2 addition and ER variation on mixture fraction distribution 165
• 1.8） Effects of H2 addition and ER variation on temperature distribution 169
• 1.9） Effects of H2 addition and ER variation on NOx distribution 172
• 1.10） Quantitative analysis of temperature and emissions 175
• 2. Topic II. Results and discussion 183
• 2.1） Flow distribution of combusted gas 183
• 2.2） Combustion flame temperature and efficiency 191
• 2.3） Cooling effectiveness and pattern factor 204
• 2.4） Thermal NOx distribution 208
• 3. Topic III. Results and discussion 211
• 3.1） Combusted gas flow characteristics 211
• 3.2） Flame temperature distribution 214
• 3.3） Thermal NOx emission characteristics 217
• 3.4） Quantitative analysis of thermal performance and emission characteristics 220
• 4. Topic IV. Results and discussion 230
• 4.1） ANN-prediction evaluation 230
• 4.2） ANN-NSG-II prediction and verifications 234
• 4.3） Flow characteristics of designed model 237
• 4.4） Combustion flame temperature and performance of the designed model 243
• 4.5） Evaluation of thermal NOx emissions 251
• Chapter IV. Conclusions and perspective 254
• 1. Topic I. Conclusions 254
• 2. Topic II. Conclusions 256
• 3. Topic III. Conclusions 257
• 4. Topic IV. Conclusions 258
• References 261
• 국문 초록 282