가스터빈의 규모별 성능차이를 고려한 고체산화물 연료전지/가스터빈 하이브리드 시스템의 성능해석

명노성(No Sung Myung),박성구(Sung Ku Park),김동섭(Tong Seop Kim) 대한기계학회 2011 大韓機械學會論文集B Vol.35 No.4

고체산화물 연료전지(SOFC)와 가스터빈을 결합한 하이브리드 발전시스템에서 가스터빈의 규모별 성능차이가 시스템의 성능에 미치는 영향에 대하여 해석하였다. 이를 위해 ㎾급, ㎿ 이하급, 수 ㎿급 등 서로 다른 세 가지 가스터빈을 선정하여 사용하였다. 가스터빈이 순 출력을 거의 내지 못하는 ㎾급 시스템에서도 연료전지 단독 시스템과 비교해 효율이 증가하였으며, 가스터빈의 출력이 커질수록(즉, 성능이 좋아질수록) 하이브리드 시스템에서 가스터빈이 차지하는 비중이 커지고 시스템의 효율이 높아짐을 확인하였다. 가스터빈의 압력비 증가에 따른 성능 변화를 살펴본 결과 세 가지 하이브리드 시스템에서 모두 출력은 증가하지만, 효율의 변화는 크지 않음을 확인하였다. This study analyzes the performance of hybrid power systems combining a solid oxide fuel cell (SOFC) and a gas turbine (GT). Research focus is given to the influence of the size-dependent gas turbine performance on hybrid system performance. Three hybrid systems adopting different gas turbines (㎾, sub-㎿, multi-㎿ classes) are designed. As the gas turbine power increases (i.e. as the gas turbine performance enhances), the gas turbine power portion increases and the hybrid system efficiency increases. The hybrid system shows efficiency improvement over the SOFC only system even in the case where the gas turbine net power is nearly zero. The increase of gas turbine pressure ratio contributes to the net hybrid system power output in all of the three cases, while system efficiency is almost independent on the pressure ratio.

폴리트로픽 지수 기반의 재열 가스터빈 입구온도 산출 알고리즘 개발

한영복(Young-Bok Han),김성호(Sung-Ho Kim),김변곤(Byon-Gon Kim) 한국전자통신학회 2023 한국전자통신학회 논문지 Vol.18 No.3

최근 가스터빈 발전기는 전력계통의 주파수 조절용으로 널리 사용되고 있다. 가스터빈의 입구온도는 기기의 성능과 수명에 관련된 핵심요소이지만 터빈구조 및 운전환경 등의 이유로 입구온도를 직접 측정하지 않고 가스터빈 배기가스 온도 측정값을 이용하여 입구온도의 추정 값을 구해 이를 연소제어에 사용하고 있다. 특히 재열 가스터빈의 입구온도는 안정적 운전관리에 있어서 매우 중요하지만 제작사가 산출 식에 대한 정보를 제공하지 않고 있어 현장 실무자들은 많은 어려움을 겪고 있다. 이에 본 연구에서는 폴리트로픽 과정식의 기반 위에 머신러닝 기반의 선형회귀 분석기법을 사용하여 가스터빈의 입구온도를 추정할 수 있는 방법을 제시하고자 한다. 또한 선형회귀분석을 통해 얻어진 입구온도 산출 모델식의 유용성 분석과 검증을 통해 입구온도 산출 알고리즘을 제안함으로서 재열 가스터빈 연소튜닝 기술수준 향상에 도움이 되고자 한다. Recently, gas turbine generators are widely used for frequency control of power systems. Although the inlet temperature of a gas turbine is a key factor related to the performance and lifespan of the device, the inlet temperature is not measured directly for reasons such as the turbine structure and operating environment. In particular, the inlet temperature of the reheating gas turbine is very important for stable operation management, but field workers are experiencing a lot of difficulties because the manufacturer does not provide information on the calculation formula. Therefore, in this study, we propose a method for estimating the inlet temperature of a gas turbine using a machine learning-based linear regression analysis method based on a polytropic process equation. In addition, by proposing an inlet temperature calculation algorithm through the usefulness analysis and verification of the inlet temperature calculation model obtained through linear regression analysis, it is intended to help to improve the level of reheat gas turbine combustion tuning technology.

비선형 PID 제어기를 이용한 선박용 가스터빈 엔진의 속도 제어

이윤형,소명옥 한국항해항만학회 2015 한국항해항만학회지 Vol.39 No.6

가스터빈 기관은 우주항공, 발전 플랜트뿐만 아니라 해상운송 분야에 사용되는 원동기로서 매우 중요한 역할을 하고 있다. 그러나 그 구조가 복잡하고 연소과정에서 시간지연 요소가 포함되어 있어 가스터빈 기관을 잘 제어할려면 정교한 수학적 모델링이 필요하다. 본 논문 에서는 가스터빈 기관의 주요 구성품인 가스발생기, PLA 액추에이터, 미터링 밸브에 대한 모델링 기법을 설명한다. 또한, 가스터빈 기관의 시 운전 데이터를 기초로 몇 가지 정상상태 때의 동작점에서 서브모델을 구하고, 각 서브모델에 대해 비선형 비례적분미분 제어기를 설계하여 기 관의 속도를 제어하는 방법을 제안한다. 제안하는 비선형 제어기는 비선형 함수로 구현되는 3가지 이득을 사용한다. 비선형 제어기의 파라미터 는 제어시스템의 목적함수를 최소화하는 관점에서 실수코딩 유전자알고리즘으로 동조한다. 제안한 방법은 가스터빈 기관에 적용하고 시뮬레이 션을 실시하여 그 유효성을 확인한다. A gas turbine engine plays an important role as a prime mover that is used in the marine transportation field as well as the space/aviation and power plant fields. However, it has a complicated structure and there is a time delay element in the combustion process. Therefore, an elaborate mathematical model needs to be developed to control a gas turbine engine. In this study, a modeling technique for a gas generator, a PLA actuator, and a metering valve, which are major components of a gas turbine engine, is explained. In addition, sub-models are obtained at several operating points in a steady state based on the trial running data of a gas turbine engine, and a method for controlling the engine speed is proposed by designing an NPID controller for each sub-model. The proposed NPID controller uses three kinds of gains that are implemented with a nonlinear function. The parameters of the NPID controller are tuned using real-coded genetic algorithms in terms of minimizing the objective function. The validity of the proposed method is examined by applying to a gas turbine engine and by conducting a simulation.

터빈 매니폴드 모사장치를 이용한 액체로켓엔진 가스발생기 연소시험

임병직(Byoungjik Lim),김문기(Munki Kim),김종규(Jonggyu Kim),최환석(Hwan-Seok Choi) 한국추진공학회 2015 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2015 No.5

개방형 사이클의 액체로켓엔진에서는 추진제 중 일부를 연소시켜 터빈 구동용 가스를 생성시키는 가스발생기가 사용되며, 개방형 사이클 액체로켓엔진의 주요 구성품으로서 가스발생기 자체의 연소성능 및 특성을 파악하기 위한 연소시험이 요구된다. 하지만, 가스발생기에서 생성된 연소가스는 터빈 매니폴드의 터빈 노즐에서 질식이 이루어지기 때문에 가스발생기뿐만 아니라 터빈 매니폴드 내부 부피를 고려해야만 가스발생기의 연소 성능 및 특성, 그리고 음향 특성을 정확히 파악할 수 있다. 따라서, 본 논문에서는 터빈 매니폴드 모사장치를 이용한 가스발생기 연소시험 결과를 기술하고 가스발생기 단독연소시험 결과를 이용한 특성 예측을 설명한다. A Gas generator which generates turbine driving gas by burning a part of propellants is used in an open cycle liquid rocket engine and as a main component of an open cycle liquid rocket engine autonomous hot firing tests are required to investigate the combustion performance and characteristics of the gas generator. However, since the combustion gas generated by a gas generator is choked at the turbine nozzle in the turbine manifold, it is necessary to consider the internal volume of turbine manifold as well as a that of the gas generator for correct investigation of the combustion performance, characteristics, and acoustic characteristics of the gas generator. Therefore, in the paper hot firing test results of a gas generator with a turbine manifold simulator are described and characteristic prediction using the autonomous test of a gas generator is explained.

실험데이터 기반 마이크로 가스터빈엔진 탈 설계점 성능해석

김승재,최성만,이동호 한국추진공학회 2018 한국추진공학회지 Vol.22 No.6

가스터빈엔진의 탈설계점 운전 성능해석을 수행하기 위해서는 구성품의 성능 특성을 파악하는 것이 필수적이다. 본 연구에서는 가스터빈의 성능특성을 이해하기 위하여 마이크로 가스터빈엔진 성능시험장치를 구축하였다. 구축된 마이크로 가스터빈 시험 장치를 이용하여 엔진의 회전수에 따른 유동장내의 온도와 압력 데이터를 수집하였으며, 수집된 실험 데이터를 이용하여 압축기 성능선도를 구성하였다. 터빈 출구부에서 배기가스를 포집하여 연소효율을 계산하였다. 구성된 압축기 성능선도와 연소효율을 GasTurb 성능해석 소프트웨어에 적용하여 지상 정지시의 탈설계점 성능해석을 수행하였고, 측정된 엔진성능데이터와 비교분석을 수행하였다. It is essential to understand the characteristics of gas turbine components in order to carry out an off-design analysis of a gas turbine engine. In this study, a micro gas turbine engine test system was constructed to understand the performance characteristics of gas turbines. The temperature and pressure in the flow path of the micro gas turbine was collected by measuring the engine spool speed, and a compressor map was constructed by using the experimental data. The exhaust gas was collected at the turbine outlet and the combustion efficiency was calculated. An off-design performance analysis at ground static was performed using GasTurb software by applying the compressor map and combustion efficiency obtained from the experimental data. Futhermore, we compared and evaluated the analysis results with engine operating data.

합성천연가스의 수소함량 변화에 따른 가스터빈 연소특성 평가

박세익,김의식,정재화,홍진표,김성철,차동진 한국수소및신에너지학회 2012 한국수소 및 신에너지학회논문집 Vol.23 No.4

Increasing demand for natural gas and higher natural gas prices in the recent decades have led many people to pursue unconventional methods of natural gas production. POSCO-Gwangyang synthetic natural gas (SNG) project was launched in 2010. As the market price of natural gas goes up, the increase of its price gets more sensitive due to the high cost of transportation and liquefaction. This project can make the SNG economically viable. In parallel with this project, KEPCO (Korea Electric Power Corporation) joined in launching the SNG Quality Standard Bureau along with KOGAS (Korea Gas Corporation), POSCO and so on. KEPCO Research Institute is in charge of SNG fueled gas turbine combustion test. In this research, several combustion tests were conducted to find out the effect of hydrogen contents in SNG on gas turbine combustion. The hydrogen in synthetic natural gas did not affect on gas turbine combustion characteristics which are turbine inlet temperature including pattern factor and emission performance. However, flame stable region in Φ-Air flow rate map was shifted to the lean condition due to autocatalytic effect of hydrogen.

PEST-SWOT-AHP 방법론을 적용한한국형 가스터빈 개발 및 보급 확대 추진전략 도출

이충순,김연태,박형준 기술경영경제학회 2024 Journal of Technology Innovation Vol.32 No.1

세계 각국은 온실가스 배출을 줄이기 위하여 활발한 노력을 하고 있다. 한국도 노후화된 석탄발전을 폐지하고 LNG 발전으로 전환하는 정책을 추진하고 있다. 그러나, 한국은 가스터빈 제작 기술이 국산화되지 않아서 해외 제작사로부터 전량 수입하여 설치하고 있다. 따라서, 본 논고에서는 가스터빈 발전산업에 대한 국내·외 환경을 살펴보고, 이를 기반으로 PEST-SWOT-AHP 방법론을 적용하여 한국형 가스터빈 기술개발 및 보급 확대 추진전략을 제안하였다. 연구결과, 한국형 가스터빈 기술개발과 보급 확대 전략은 1) 가스터빈 기술개발 및 사업화 촉진을 위한 발전공기업의 역할 강화, 2) 온실가스 감축을 위한 LNG 발전 비중 확대, 3) 정부의 적극적인 가스터빈 산업 생태계 조성 노력, 4) LNG 발전소 건설에 대한 국민 공감대 형성 등으로 요약할 수 있다. Countries around the world are making active efforts to reduce greenhouse gas emissions. Korea is also pursuing a policy of abolishing aging coal power and converting it to LNG power generation. However, in Korea, gas turbine manufacturing technology has not been localized, so all of it is imported and installed from overseas manufacturers. Therefore, this paper examines the domestic and foreign environment of the gas turbine power generation industry and proposes a strategy to develop and expand the supply of Korean gas turbine technology by applying the PEST-SWOT-AHP methodology. As a result of the research, the strategy to develop and expand the supply of Korean gas turbine technology can be summarized as 1) strengthening the role of power generation public enterprises to develop and promote commercialization of gas turbine technology, 2) expanding the proportion of LNG power generation to reduce greenhouse gases, 3) the government's active efforts to create an ecosystem for the gas turbine industry, and 4) forming a public consensus on the construction of LNG power plants.

랜덤 포레스트 기반 머신러닝 모델을 이용한 가스터빈 압축기 성능저하 분석

방명환(Myeonghwan Bang),강해수(Haesu Kang),이규헌(Kyuheon Lee),오찬수(Chansu Oh),최우성(Woosung Choi),박규상(Gyusang Park),김두수(Doosoo Kim) 대한기계학회 2021 大韓機械學會論文集B Vol.45 No.11

발전용 가스터빈을 장시간 운전하면 공기중 이물질이 압축기 블레이드에 점착되어 블레이드 표면이 오염된다. 압축기 오염이 발생하면 압축기와 가스터빈의 성능이 저하되고, 압축기 서지 마진이 감소한다. 이러한 문제를 방지하기 위해 가스터빈 운영자는 주기적으로 압축기를 수세정하여 압축기 블레이드에 점착된 오염 입자를 제거하고 가스터빈 성능을 유지한다. 하지만 현재 성능 모니터링 시스템에서는 압축기의 오염과 성능저하를 평가할 수 있는 방법이 없기 때문에 경험적인 기준으로 압축기 성능저하를 예상해 압축기 세정주기를 결정했다. 따라서 본 연구에서는 실제 가스터빈 발전소의 운전데이터를 이용해 압축기 성능을 예측할 수 있는 머신러닝 모델을 개발하여 압축기 오염에 의한 압축기 성능저하를 분석하였다. When a gas turbine for power generation is operated for a long time, foreign particles in the air adhere to the compressor blade and the blade surface becomes contaminated. Compressor contamination degrades the performance of the compressor and the gas turbine, and the compressor surge margin is reduced. To prevent this problem, the gas turbine operator periodically performs compressor water washing to remove contaminant particles adhering to the compressor blades to maintain gas turbine performance. However, there is no precise method to evaluate the contamination and deterioration of the compressor in the current performance monitoring system. Consequently, the compressor washing cycle is determined empirically by anticipating the degradation of compressor performance. Therefore, in this study, a machine learning model predicting compressor performance was developed by using real gas turbine plant operating data and compressor performance degradation resulting from compressor contamination was analyzed.

PEST-SWOT-AHP 방법론을 적용한 한국형 가스터빈 개발 및 보급 확대 추진전략 도출

이충순,김연태,박형준 기술경영경제학회 2024 ASIAN JOURNAL OF TECHNOLOGY INNOVATION Vol.32 No.1

세계 각국은 온실가스 배출을 줄이기 위하여 활발한 노력을 하고 있다. 한국도 노후화된 석탄발전을 폐지하고 LNG 발전으로 전환하는 정책을 추진하고 있다. 그러나, 한국은 가스터빈 제작 기술이 국산화되지 않아서 해외 제작사로부터 전량 수입하여 설치하고 있다. 따라서, 본 논고에서는 가스터빈 발전산업에 대한 국내·외 환경을 살펴보고, 이를 기반으로 PEST-SWOT-AHP 방법론을 적용하여 한국형 가스터빈 기술개발 및 보급 확대 추진전략을 제안하였다. 연구결과, 한국형 가스터빈 기술개발과 보급 확대 전략은 1) 가스터빈 기술개발 및 사업화 촉진을 위한 발전공기업의 역할 강화, 2) 온실가스 감축을 위한 LNG 발전 비중 확대, 3) 정부의 적극적인 가스터빈 산업 생태계 조성 노력, 4) LNG 발전소 건설에 대한 국민 공감대 형성 등으로 요약할 수 있다. Countries around the world are making active efforts to reduce greenhouse gas emissions. Korea is also pursuing a policy of abolishing aging coal power and converting it to LNG power generation. However, in Korea, gas turbine manufacturing technology has not been localized, so all of it is imported and installed from overseas manufacturers. Therefore, this paper examines the domestic and foreign environment of the gas turbine power generation industry and proposes a strategy to develop and expand the supply of Korean gas turbine technology by applying the PEST-SWOT-AHP methodology. As a result of the research, the strategy to develop and expand the supply of Korean gas turbine technology can be summarized as 1) strengthening the role of power generation public enterprises to develop and promote commercialization of gas turbine technology, 2) expanding the proportion of LNG power generation to reduce greenhouse gases, 3) the government's active efforts to create an ecosystem for the gas turbine industry, and 4) forming a public consensus on the construction of LNG power plants.

물리 모델 기반 가스터빈 압축기 입구 조건 변화에 따른 성능변화 분석에 관한 연구

박규상(Gyu Sang Park),방명환(Myeong Hwan Bang),곽유라(You Ra Gwak),강해수(Hae su Kang),장성호(Sung Ho Chang),최우성(Woo Sung Choi) 대한기계학회 2021 大韓機械學會論文集A Vol.45 No.1

가스터빈 시장은 국내 탈석탄, 탈원전 관련 환경규제 강화로 인해 친환경 LNG 연료를 사용하는 가스터빈 복합 화력발전의 운영 비율과 비중이 꾸준히 높아지고 있다. 복합 화력발전소의 가스터빈은 대기조건 변화와 운전시간 경과에 따라 성능저하가 매우 크기 때문에 성능감시와 분석을 통해 주기적인 정비가 필요하다. 특히 총생산 출력에서 50~60%의 출력을 소모하는 압축기는 가스터빈 성능에 영향을 주는 대표적인 요소이며, 압축기 오염은 가스터빈 성능저하와 직결된다. 압축기 오염은 입구부로 들어오는 부유물질들이 블레이드에 점착되어 공기의 질량유량을 감소시키고 압축비를 감소시켜 최종적으로 압축기의 성능을 저하시킨다. 본 연구에서는 상용 소프트웨어 Ebsilon을 이용하여 실 가스터빈을 모델링하고, 압축기 오염에 따른 성능저하 물리모델을 개발하여 발전소 실제 데이터와 비교 · 분석하였으며, 머신러닝 알고리즘을 사용해 가스터빈 성능저하를 예측하였다. The importance of combined-cycle power generation, in which natural gas is used, increases owing to the energy policies of the Korean government to reduce the use of coal and nuclear fuel. Monitoring and analysis of the performance changes of a gas turbine, as a key facility of combined cycle power plant, are required for a stable efficient operation. One of the factors affecting the gas turbine performance is the performance change of the compressor using 50~60% of the power output to compress the air. Contaminants (e.g., dust) in the air foul the compressor inlet and blades, which reduces the air mass flow rate and compression ratio and thus the compressor performance decreases. In this study, a gas turbine model obtained using the Ebsilon software based on a commercial gas turbine and physical model for the performance degradation are developed for an analysis and comparison to actual operation data of a power plant.