SwRI, 가스 터빈용 더 안전하고 효과적인 수소 주입기를 설계

Jun 11, 2023

Southwest Research Institute(SwRI)는 발전에 사용되는 가스 터빈용 혁신적인 수소 연소 시스템을 설계하고 있습니다. 이 설계는 연소기의 불꽃이 노즐로 이동하여 장비가 손상될 수 있는 수소 연료 연소 시스템의 일반적인 문제인 역화를 방지합니다.

수소 연료는 연소 과정에서 탄소 배출이 없다는 사실을 포함하여 많은 이점을 가지고 있습니다. 그러나 특히 어려운 점 중 하나는 반응성이 매우 높아서 일반적으로 가스 터빈이 작동하는 천연 가스나 액체 연료보다 작업하기가 더 어렵다는 것입니다.

사우스웨스트 연구소(Southwest Research Institute)는 발전에 사용되는 가스 터빈용 수소 연료의 활용을 연구하고 있습니다. 디자인에는 공기(이미지의 진한 파란색)와 연료(이미지의 노란색)를 빠르게 혼합하는 노즐이 포함됩니다. 이 설계는 연소기의 불꽃이 노즐로 이동하여 장비에 위험하고 손상을 줄 수 있는 수소 연료 발전의 일반적인 문제인 역화를 방지할 수 있습니다.

순수 수소 연료를 사용하는 기존의 저배출 설계는 플래시백이라는 손상 현상에 매우 취약합니다. 이는 연소기의 화염이 노즐로 다시 번쩍일 때 발생하며, 이는 장비에 손상을 줄 수 있습니다.

이 문제를 해결하기 위해 SwRI는 역화를 방지하면서 노즐 내에서 공기와 수소를 혼합하는 새로운 방법을 모색하고 있습니다. 매우 낮은 질소산화물(NOx) 배출을 목표로 하는 이 설계는 산업용 가스 터빈을 위한 100% 수소 연료 연소 시스템 개발을 지원하는 프로젝트의 일환으로 생성되었습니다.

수소가 매력적인 대체 연료인 이유 중 하나는 이산화탄소를 배출하지 않지만 NOx를 배출한다는 것입니다. 그러나 노즐에서 공기와 수소가 효율적으로 혼합되면 NOx 배출량이 현저히 낮아집니다.

노즐은 작은 수직 경로를 통해 공기와 수소 연료를 혼합하여 작동합니다. 이러한 설계를 통해 공기와 수소는 역화를 방지하는 유속으로 노즐 밖으로 밀려나 연소기로 들어가기 전에 빠르게 혼합될 수 있습니다.

적정량의 공기와 수소가 매우 잘 혼합되면 NOx 배출량이 매우 적습니다. 또한 공기와 수소가 노즐 밖으로 너무 빨리 빠져나가므로 연소기의 화염이 뒤로 이동할 수 없습니다.

노즐의 설계 및 분석은 SwRI의 기계 엔지니어링 및 파워트레인 엔지니어링 부서 직원의 광범위한 경험을 활용하여 수행되었습니다. 학제간 팀의 구성원은 전산 유체 역학과 기계 학습 도구를 사용하여 노즐 설계를 생성, 분석 및 최적화했습니다.

이 문제를 해결하기 위해 우리는 연구소의 계산 및 분석 도구를 활용하여 이 기술을 설계하고 모델링했습니다. 우리가 수행해 온 실제 시뮬레이션은 계산 집약적이어서 이러한 컴퓨팅 문제를 해결하려면 고성능 컴퓨팅 클러스터의 전체 섹션이 며칠 동안 필요합니다. 이를 통해 우리 엔지니어들은 몇 가지 독특한 아이디어를 가져와 이 과제에 적용할 수 있었습니다.

2023년 5월 5일에 게시됨: 엔진, 수소, 시장 배경 | 고유링크 | 댓글 (0)