[논문]복합사이클 발전플랜트 폐열회수 보일러의 구성요소 크기비의 최적화

인종수; 이상용

doi:10.3795/ksme-b.2009.33.6.403

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This paper proposes a new approach to find the optimum ratios between sizes of the heat exchangers of the heat recovery steam generator (HRSG) system with limited size to maximize the efficiency of the steam turbine (bottom) cycle of combined cycle power plants (CCPP), but without performing the bot...

This paper proposes a new approach to find the optimum ratios between sizes of the heat exchangers of the heat recovery steam generator (HRSG) system with limited size to maximize the efficiency of the steam turbine (bottom) cycle of combined cycle power plants (CCPP), but without performing the bottom cycle analysis. This could be achieved by minimizing the unavailable exergy (the sum of the destroyed and the lost exergies) resulted from the heat transfer process of the HRSG system. The present approach is relatively simple and straightforward because the process of the trial-and-error method, typical in performing the bottom cycle analysis for the system optimization, could be avoided. To demonstrate the usefulness of the present method, a single-stage HRSG system was chosen and the optimum evaporation temperature was obtained corresponding to the condition of the maximum useful work. The results show that the optimum evaporation temperature based on the present exergy analysis appears similar to that based on the bottom cycle analysis. Also shown is the dependency of size (NTU) ratios between the heat exchangers on the inlet gas temperature, which is another important factor in determining the optimum condition once overall size of the heat recovery steam generator is given. The present approach turned out to be a useful tool for optimization of the singlestage HRSG systems and can easily be extended to multi-stage systems.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그런데 본 연구에서는 전체 전달단위수( NTU )가 한정되고 (즉, 폐열회수 보일러 크기가 한정되고), Δp / po , To , Tw,in , Ts,out , Tsat 및 Tg,in 가 주어졌을 경우 폐열회수 보일러에서 비유용엑서지가 최소가 되는 각 전열면적 구성 요소( NTUsu , NTUev 및 NTUec ) 간의 최적 비율을 찾는 것이다.
In 과 Lee⁽¹³⁾는 엑서지 분석을 통한 폐열회수 보일러에서 최대 유용일을 생산하기 위한 설계조건 및 전열면적에 대한 증발온도의 영향을 연구하였다. 본 논문에서는 이 연구의 연장선상에서 폐열회수 보일러의 전체 전열면적이 한정된 경우, 파괴엑서지 및 유실엑서지 모두의 감소를 통해 유용일을 최대로 하는 각 전열기 구성 요소(절탄기, 증발기 및 과열기) 간의 적정 크기 비를 찾는 새로운 방법을 제안하고자 한다.
이 논문에서는 폐열회수 보일러 시스템에서 전체 크기가 한정된 경우, 파괴엑서지 및 유실엑서지 모두를 포함하는 비유용 엑서지의 최소화를 위한 각 구성 요소의 크기(전열 면적) 비율을 찾는 방법을 제안하였다. 이 접근방법은 하부사이클의 해석을 수행하지 않고 최적의 조건을 찾을 수 있기 때문에 상대적으로 단순하고 해석적이며, 구체적인 결론은 다음과 같다.

가설 설정

(1) 최대 유용 엑서지를 생산하는 최적의 증발온도는 하부사이클 해석을 통해 얻어진 결과와 거의 같다. 이는 하부사이클효율 최대화 조건은 단지 폐열회수 보일러 시스템의 비유용 엑서지를 최소화함에 의해 신뢰할 수 있을 정도의 정확도를 갖고 얻어질 수 있음을 의미한다.
27, Δpt = 56 K)과 기본적으로 동일하다. 다만, 어프로치 포인트 온도 차는 Foster-Pegg⁽¹⁾의 논문에 주어져 있지 않으므로 본 계산에서는 10 K 로 가정하였다. (이 가정에 앞서서 Δap =5 – 20 K 의 범위에서 Δap 의 변화에 따른 유용 엑서지 효율의 변화는 거의 무시될 수 있음을 Fig.

제안 방법

이 경우, 하부사이클 성능을 최대로 하기 위하여 폐열회수 보일러 전열면적 구성 요소의 크기 비율을 최적화하는 것이 현장에서는 중대한 관심사이다. 따라서 본 연구에서는 폐열회수 보일러 전열면적 구성요소(과열기, 증발기, 절탄기)의 전달단위수비율에 따른 비유용 엑서지를 계산하였다. Fig.
) 간의 최적 비율을 찾는 것이다. 먼저 증발기 전달단위수 비율( NTU_ev / NTU )에 따른 비유용엑서지를 계산하여 그 값이 최소가 되는 NTU_ev / NTU 을 찾는다. 그리고 NTU_ec/ NTU 및 NTU_su / NTU 의 비율도 식(3)~(10) 및 식(18)을 이용하여 계산할 수 있다.
본 연구에서의 엑서지 해석의 접근방법의 타당성을 검증하기 위하여, 유용 엑서지 효율이 최대가 되는 (즉, N_un 가 최소로 되는) 증발온도와 Foster-Pegg⁽¹⁾에 의한 하부사이클 효율이 최대가 되는 증발 온도를 Fig. 3 에 비교하였다.⁽¹³⁾ 여기서, 유용 엑서지 효율은 다음과 같이 표현된다.
본 접근 방법의 유용성을 검토하기 위하여, 우선 각 전열기의 전달단위수( NTUsu , NTUev , NTUec ) 가 주어진 상태에서 계산을 수행하였으며, 이 내용은 기본적으로 In 과 Lee(13)에 상술되어 있다.

성능/효과

(2) 폐열회수 보일러 가스입구 측 온도, 물 측 입출구온도 및 폐열회수 보일러 전체 크기가 정해진 경우 폐열회수 보일러에서 생산되는 유용 엑서지가 최대화되기 위한 각 전열 구성 요소의 전달단위수 비율이 검토되었다. 폐열회수 보일러의 증발온도가 알려진 경우 폐열회수 보일러의 입구가스 온도가 증가할수록 증발기 전달단위수 비율은 감소하고, 절탄기 및 과열기의 전달단위수 비율은 증가한다.
그러나, 폐열회수 보일러 시스템으로부터 증기 터빈에 공급되는 유용엑서지를 극대화하기 위해서는 비가역성에 의해 파괴되는 엑서지 뿐만 아니라 시스템 출구를 통해 대기 중으로 방출(유실)되는 엑서지도 감소시켜야 한다. 즉, 효율의 최대화는 파괴엑서지와 유실엑서지의 합이 최소가 되는 최적의 설계 및 운전변수를 찾는 것으로 귀착된다. In 과 Lee⁽¹³⁾는 엑서지 분석을 통한 폐열회수 보일러에서 최대 유용일을 생산하기 위한 설계조건 및 전열면적에 대한 증발온도의 영향을 연구하였다.

후속연구

현 단계의 연구에서는 일반적인 작동 조건에서 최적조건을 계산하는 간단한 방법을 제안하고, 이를 단압 폐열회수 보일러에 적용하여 그 유용성을 보여 주었으나, 다압 폐열회수 보일러 시스템에 대하여도 적용이 가능하며, 이에 대한 추가적인 연구가 진행되어야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	복합사이클 발전플랜트의 특징은 무엇인가?	복합사이클 발전플랜트(Combined Cycle Power Plant; CCPP)는 높은 효율과 낮은 공해물질 배출로 발전용으로 채택되는 전형적인 시스템이다. Fig.
	폐열회수 보일러의 역할은 무엇인가?	폐열회수 보일러는 가스터빈에서 배출되는 배기가스로부터 열을 회수하여 하부사이클의 증기터빈을 구동하기 위한 증기를 생산한다. 이러한 과정동안 엑서지의 단지 일부분만이 증기생산에 이용되고, 나머지는 파괴되거나 대기 중에 방출된다.

참고문헌 (13)

Foster-Pegg, R. W., 1978, 'Steam Bottoming Plants for Combined Cycles,' ASME Journal of Engineering for Power, Vol.100, pp. 203-211

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Chin, W. W. and El-Masri, M. A., 1987, 'Exergy Analysis of Combined Cycle: Part2-Analysis and Optimization of Two-Pressure Steam Bottoming Cycle,' ASME Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, Vol. 109, pp. 237-243

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Huang, F. F., 1990, 'Performance Evaluation of Selected Combustion Gas Turbine Cogeneration Systems Based on First and Second-Law Analysis,' ASME Journal of Engineering for Power, Vol.112, pp. 112-117
Pasha, A. and Jolly, S., 1995, 'Combined Cycle Heat Recovery Steam Generators Optimum Capabilities and Selection Criteria,' Heat Recovery Systems & CHP, Vol. 15, No. 2, pp. 147-154

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Bejan, A., 1977, 'The Concept of Irreversibility in Heat Exchanger Design Counter-Flow Heat Exchanger for Gas to Gas Applications,' Transaction of the ASME, Vol. 99, August, pp.374-380

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Bejan, A., 1988, Advanced Engineering Thermodynamics, 1st Edition, John Wiley & Sons, New York
Aceves-Savorio, S., Ranasinghe, J. and Reistad, G. M., 1989, 'An Extension to the Irreversibility Minimization Analysis Applied to Heat Exchanger,' Journal of Heat Transfer, Vol. 111 No. 1, pp. 29-36

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Nag, P. K. and De, S., 1997, 'Design and Operation of a Heat Recovery Steam Generator with Minimum Irreversibility,' Applied Thermal Engineering, Vol.17, No. 4, pp. 385-391

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Unuvar, A and Kargici, S., 2004, 'An Approach for Optimum Design of Heat Exchangers,' International Journal of Energy Research, Vol. 28, pp. 1379-1392

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In, J. S. and Lee, S. Y., 2008, 'Optimization of Heat Recovery Steam Generator Through Exergy Analysis for Combined Cycle Gas Turbine Power Plants,' International Journal of Energy Research, Vol. 32, pp. 859-869

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