[논문]증기연계 공정을 가지는 석탄가스화 복합발전플랜트의 성능해석

이찬

doi:10.5293/kfma.2009.12.1.043

증기연계 공정을 가지는 석탄가스화 복합발전플랜트의 성능해석
Performance Analysis of the Integrated Gasification Combined Cycle Power Plant with Steam Integration 원문보기

유체기계저널 = Journal of fluid machinery, v.12 no.1 = no.52, 2009년, pp.43 - 50

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Waste heat recovery process designs and performance analyses are conducted on the IGCC(Integrated Gasification Combined Cycle) power plants integrated with two different coal gasification and gas cleanup processes by Shell and GE/Texaco. Through the analysis results, the present study provides the steam integration concept between the HRSG and the chemical processes of IGCC power plant, and investigates the effect of steam integration on the power generation of IGCC power plant. The present simulation results show less steam power output and higher overall IGCC efficiency of the Shell-based power plant than the GE/Texaco.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러므로 본 연구는 서로 다른 2가지 석탄가스화 공정과 2가지 가스정제 공정의 조합에 대해 HRSG와 화학 공정들간의 증기연계 설계를 수행하였고, 증기연계설계 조건이 복합발전플랜트 성능에 어떻게 영향을 미치는지를 검토하였다.
연소기의 모델링은 압축기로부터 유입되는 공기, 석탄 가스화 및 가스정제 공정을 거친 합성가스 연료 및 ASU에서 재순환되는 질소에 대한 에너지 방정식으로 출구조건을 구하였다. 본 연구는 천연가스와 석탄 합성가스의 동등한 비교를 위해, 연소기로 유입되는 합성가스의 입열량(=연료유량x발열량)이 천연가스 입열량과 동일하게 합성가스 연료량을 설정하였다.
석탄 IGCC 플랜트의 공정 설계 및 모사 기법을 제안하였고, 증기연계 설계가 플랜트 성능에 미치는 영향을 검토하였다. 상용 GE/Texaco 및 Shell 가스화-가스정제 공정을 바탕으로 증기 연계를 가지는 증기사이클을 설계하였다.

제안 방법

증기 연계설계는 증기 사이클과 연계되는 화학플랜트(석탄가스화 및 가스정제공정)로 어떠한 공정을 채택하느냐 에 따라 크게 달라질 수 있으며, 본 연구에서는, Figs. 2와 3에서 보여지는 바와 같이, GE/Texaco 플랜트에 대해서는 가스화기 물재킷과 연계된 고압 증기 연계를, Shell 플랜트에 대해서는 가스화기 물재킷, 합성가스 냉각용 열교환기 및 가스정제공정과 연계된 고압, 중압, 저압 증기 연계를 고려하였다.
IGCC 플랜트 가스터빈의 연료는 석탄의 가스화를 통해 얻어지므로, 본 연구에서는 석탄 가스화 공정으로는 상용화된 공정인 GE/Texaco 또는 Shell 공정을 고려하였고, 두 공정 모두 ASU(Air Separation Unit)에서 공급되는 순수 산소를 산화제로 사용한다.
가스터빈 압축기의 모델링은 압축기 설계제원들⁽⁸⁾을 이용하여 열역학적 해석을 수행하였으며, 탈설계점 조건에서 압축기 성능곡선으로부터 구해지는 성능특성들( 유량 vs 효율, 압력비)을 이용하여 해석을 수행하였다. MS7001FA 압축기의 성능곡선은 가스터빈 제작사가 대외비로 분류하여 공개하지 않으므로, 본 연구는 기존의 공개된 고압 압축기들로부터 유추된 일반화된 무차원화된 성능곡선^(9,10)을 사용하였다.
Sufinol-SCOT-Claus 공정은 합성가스 중의 산성 성분(H₂S)을 Sulfinol 용제를 이용하여 흡수, 분리한 후, 분리된 산성 성분은 SCOT-Claus 공정을 결합하여 탈황처리하는 것으로 모사하였다. 또한 SulFerox 공정은 냉각된 합성가스를 SulFerox 용제가 포함된 반응기에 공급하여, 이 설비로부터 합성가스 중 H₂S 가 흡수되어 chelated-ion 촉매와 반응하여 유황성분으로 환원되는 것으로 모사하였다.
Gate/Cycle 을 이용한 가스터빈 구성 요소들에 대한 모델링은 다음과 같이 이루어 졌다. 가스터빈 압축기의 모델링은 압축기 설계제원들⁽⁸⁾을 이용하여 열역학적 해석을 수행하였으며, 탈설계점 조건에서 압축기 성능곡선으로부터 구해지는 성능특성들( 유량 vs 효율, 압력비)을 이용하여 해석을 수행하였다. MS7001FA 압축기의 성능곡선은 가스터빈 제작사가 대외비로 분류하여 공개하지 않으므로, 본 연구는 기존의 공개된 고압 압축기들로부터 유추된 일반화된 무차원화된 성능곡선^(9,10)을 사용하였다.
그리고 이러한 물질흐름의 증가는, 식(10)에서 알 수 있듯이, 팽창기의 질식조건을 만족시키기 위해, 압축기 공기유량의 감소와 압력의 증가를 수반한다. 그러므로 본 연구에서는 이러한 압축기의 공기유량 및 압력 변화를 앞서 언급한 압축기의 성능곡선과 팽창기 해석과정과 연계하여 계산하였다⁽⁹⁾.
S)을 Sulfinol 용제를 이용하여 흡수, 분리한 후, 분리된 산성 성분은 SCOT-Claus 공정을 결합하여 탈황처리하는 것으로 모사하였다. 또한 SulFerox 공정은 냉각된 합성가스를 SulFerox 용제가 포함된 반응기에 공급하여, 이 설비로부터 합성가스 중 H₂S 가 흡수되어 chelated-ion 촉매와 반응하여 유황성분으로 환원되는 것으로 모사하였다. 본 연구에서 사용된 가스정제 공정에 대한 반응식들에 대한 상세한 내용은 참고문헌들^(3,6) 에 상세히 기술되어 있다.
본 연구에서 고려한 2가지 석탄가스화/가스정제공정의 구성형태를 Table 1 에 정리하였고, 중국의 대동탄을 대상탄으로 하여 2가지 화학공정에 대한 모사를 ASPEN Plus 코드를 이용하여 수행하였다. ASPEN Plus 코드는 화학공정 모사를 위한 전용 소프트웨어로서, 본 연구의 석탄 가스화 및 가스정제 공정은 ASPEN Plus 에 내장된 반응기 모형을 이용하였다⁽⁵⁾.
석탄 IGCC 플랜트의 공정 설계 및 모사 기법을 제안하였고, 증기연계 설계가 플랜트 성능에 미치는 영향을 검토하였다. 상용 GE/Texaco 및 Shell 가스화-가스정제 공정을 바탕으로 증기 연계를 가지는 증기사이클을 설계하였다. Shell 석탄가스화 공정을 사용하는 IGCC 플랜트의 경우가 GE/Texaco 의 경우에 비해 화학공정의 열손실 및 폐열 활용이 가능한 다양한 증기연계 조건을 가지나, HRSG 내의 열교환 과정의 비효율성으로 인해 증기터빈의 출력은 GE/Texaco 플랜트에 비해 다소 적고 전체 IGCC 플랜트 효율은 GE/Texaco 플랜트에 비해 다소 높음을 알 수 있었다.
연소기 후방 팽창기(expander)의 모델링은 주어진 터빈입구온도에 대해 다음과 같은 팽창기의 질식조건을 고려하여 열역학적 계산을 수행하였다.
연소기의 모델링은 압축기로부터 유입되는 공기, 석탄 가스화 및 가스정제 공정을 거친 합성가스 연료 및 ASU에서 재순환되는 질소에 대한 에너지 방정식으로 출구조건을 구하였다. 본 연구는 천연가스와 석탄 합성가스의 동등한 비교를 위해, 연소기로 유입되는 합성가스의 입열량(=연료유량x발열량)이 천연가스 입열량과 동일하게 합성가스 연료량을 설정하였다.
일반적으로 ASU 와 가스터빈의 연계방식이 IGCC 플랜트 성능 및 효율에 큰 영향을 미치는 것으로 알려져 있으나(6), 본 연구에서는, 증기연계에 의한 영향만을 고려하기 위하여, 가스터빈과 ASU 간의 연계설계는 GE/Texaco 및 Shell 플랜트에 대해 공기추출비 20∼23% 로 거의 동일하게 적용하였다.

대상 데이터

4에 도시되어 있다. 2.1절의 Table 2 에서 언급한 합성가스의 연료를 이용하는 IGCC 플랜트용 가스터빈으로는 GE 사의 MS70001FA 모델을 사용하였고, 이때 가스터빈의 설계 압력비는 14.2, 터빈입구온도는 1260 ℃( 천연가스 설계 기준 )이다⁽⁸⁾.

이론/모형

IGCC용 가스터빈-증기사이클 복합발전계통의 설계는 플랜트 전용 해석 코드인 GateCycle⁽⁷⁾을 이용하였으며, 이때 전산 모사를 위한 기본 발전계통 모델이 Fig. 4에 도시되어 있다. 2.

성능/효과

상용 GE/Texaco 및 Shell 가스화-가스정제 공정을 바탕으로 증기 연계를 가지는 증기사이클을 설계하였다. Shell 석탄가스화 공정을 사용하는 IGCC 플랜트의 경우가 GE/Texaco 의 경우에 비해 화학공정의 열손실 및 폐열 활용이 가능한 다양한 증기연계 조건을 가지나, HRSG 내의 열교환 과정의 비효율성으로 인해 증기터빈의 출력은 GE/Texaco 플랜트에 비해 다소 적고 전체 IGCC 플랜트 효율은 GE/Texaco 플랜트에 비해 다소 높음을 알 수 있었다.
앞서의 2가지 증기연계 IGCC 플랜트의 복합사이클에 대한 성능 평가 결과가 Table 4 에 정리되어 있다. 표의 결과에서 알 수 있듯이, 석탄합성가스를 사용하는 경우 천연가스에 비해 가스터빈의 압력과 배기가스 유량이 증가함을 알 수 있으며, 이러한 결과는 앞서 2.2절에서 설명한 바와 같이 가스터빈 팽창기의 질식조건에 따른 운전압력 상승과 더불어 ASU에서 유입되는 질소에 의한 물질 증가에 의한 것으로 판단된다. 이로 인해 가스터빈 출력의 경우 천연가스를 사용하는 경우는 158 MW 이나 IGCC 플랜트의 경우 204, 205 MW 의 월등한 출력 증가를 보이고 있다.

후속연구

1% 에 비해 큰 개선을 보여주지 못하고 있다. 즉 Shell 플랜트의 경우 GE/Texaco 플랜트에 비해 증기연계를 통한 효율향상이 좀 더 이루어질 가능성이 있으므로, 향후 HRSG 내 증기생성 과정의 열교환기 작동조건 및 배열의 최적화를 통해 추가적인 효율 개선이 가능할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	증기연계(steam integration) 설계는 무엇인가?	이러한 IGCC 발전소의 복잡한 연계과정들 중에서 석탄가스화, 가스정제 공정과 폐열회수 공정간의 열 및 물질 연계를 증기연계(steam integration) 설계라 칭하며, 증기연계 설계의 개념과 방식에 따라 발전소의 성능이 크게 좌우되는 것으로 알려져 있다(2,3).
	IGCC 용 석탄가스화 공정으로 상용화단계에 도달한 기술은 무엇이 있는가?	IGCC 용 석탄가스화 공정으로 실증 및 상용화 단계에 도달한 기술로는 GE/Texaco 사의 습식 가스화 기술과 Shell 사의 건식 가스화 기술을 꼽을 수 있으며, 가스화를 통해 얻어지는 합성 연료가스 내 황 성분 제거를 위한 저온 가스정제공정 기술은 Fig. 1에서 보여지는 바와 같이 이미 개발된 여러 가지 화공기술의 적용이 가능하다(4).
	석탄 IGCC 플랜트의 공정 설계 및 모사 기법을 제안하고 증기연계 설계가 플랜트 성능에 미치는 영향을 검토한 결과는?	석탄 IGCC 플랜트의 공정 설계 및 모사 기법을 제안하였고, 증기연계 설계가 플랜트 성능에 미치는 영향을 검토하였다. 상용 GE/Texaco 및 Shell 가스화-가스정제 공정을 바탕으로 증기 연계를 가지는 증기사이클을 설계하였다. Shell 석탄가스화 공정을 사용하는 IGCC 플랜트의 경우가 GE/Texaco 의 경우에 비해 화학공정의 열손실 및 폐열 활용이 가능한 다양한 증기연계 조건을 가지나, HRSG 내의 열교환 과정의 비효율성으로 인해 증기터빈의 출력은 GE/Texaco 플랜트에 비해 다소 적고 전체 IGCC 플랜트 효율은 GE/Texaco 플랜트에 비해 다소 높음을 알 수 있었다.

참고문헌 (11)

Smith, A.R., 1997, 'Next Generation Integration Concepts for Air Separation Units and Gas Turbines,' ASME J. of Eng. for Gas Turbine & Power, Vol. 119, pp. 298-304

상세보기
김종영, 1997, '석탄가스화 복합발전 기술개발(I),' TR92GJ11.97.26-1, 전력연구원
Phase I Study : IGCC Process Evaluation, 1995, Bechtel Corporation
이찬, 2008, '신재생에너지/ IGCC 시스템 개발 및 CFD 활용,' 18th TAESUNG Ansys User's Conference Proceedings
ASPEN User's Manual, 2006, ASPEN Plus Inc
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상세보기
GateCycle User's Manual, 2003, ENTER Software Inc
Brandt, D.E., 1991, 'MS7001FA Gas Turbine Design Evolution and Verification,' General Electric Stateof-the Art Seminar Proceedings
이찬, 윤용승, 2000, '중발열량 석탄가스를 사용하는 복합발전 사이클의 성능 및 NOx 배출 특성,' 한국에너지공학회지, 제9권 제4호, pp. 295-302

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이찬, 이진욱, 윤용승, 1999, '석탄가스화 복합발전용 가스터빈의 성능 평가,' 유체기계저널, 제2권 제 1호, pp. 7-14

원문보기 상세보기
이찬, 2007, 'IGCC 복합발전 계통의 열역학적 공정 모델링 및 성능평가 기법,' 두산중공업 연구소 세미나 자료

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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