저온 지열발전의 출력 극대화를 위한 흡수식 동력 사이클의 시뮬레이션 Simulation of an Absorption Power Cycle for Maximizing the Power Output of Low-Temperature Geothermal Power Generation원문보기
본 연구에서는 지열발전 등과 같은 저온 열원을 에너지원으로 하는 발전에 응용될 수 있는 흡수식 동력 사이클의 출력 최적화를 수행하였다. 이를 위해 정상상태 사이클 시뮬레이션을 수행하여 사이클의 성능을 고찰하였다. 시뮬레이션은 열원과 열침의 입구온도 및 유량을 고정한 상태에서 수행하였으며, 일반적인 발전소의 열원-열침 유량비를 고려하였다. 사이클의 성능은 두 개의 독립변수를 이용하여 나타내었는데, 이는 분리기 입구 암모니아 농도와 터빈 입구 압력이다. 시뮬레이션 결과, $100^{\circ}C$의 지열수와 $20^{\circ}C$의 냉각수(지열수 유량의 5배) 조건에서, 흡수식 동력 사이클을 이용하면 지열수 유량 1 kg/s 당 최대 약 14 kW의 출력을 얻을 수 있음을 보였다.
본 연구에서는 지열발전 등과 같은 저온 열원을 에너지원으로 하는 발전에 응용될 수 있는 흡수식 동력 사이클의 출력 최적화를 수행하였다. 이를 위해 정상상태 사이클 시뮬레이션을 수행하여 사이클의 성능을 고찰하였다. 시뮬레이션은 열원과 열침의 입구온도 및 유량을 고정한 상태에서 수행하였으며, 일반적인 발전소의 열원-열침 유량비를 고려하였다. 사이클의 성능은 두 개의 독립변수를 이용하여 나타내었는데, 이는 분리기 입구 암모니아 농도와 터빈 입구 압력이다. 시뮬레이션 결과, $100^{\circ}C$의 지열수와 $20^{\circ}C$의 냉각수(지열수 유량의 5배) 조건에서, 흡수식 동력 사이클을 이용하면 지열수 유량 1 kg/s 당 최대 약 14 kW의 출력을 얻을 수 있음을 보였다.
In this study, an absorption power cycle, which can be used for a low-temperature heat source driven power cycle such as geothermal power generation, was investigated and optimized in terms of power by the simulation method. A steady-state simulation model was adopted to analyze and optimize its per...
In this study, an absorption power cycle, which can be used for a low-temperature heat source driven power cycle such as geothermal power generation, was investigated and optimized in terms of power by the simulation method. A steady-state simulation model was adopted to analyze and optimize its performance. Simulations were carried out for the given heat source and sink inlet temperatures, and the given flow rates were based on the typical power plant thermal-capacitance-rate ratio. The cycle performance was evaluated for two independent variables: the ammonia fraction at the separator inlet and the maximum cycle pressure. Results showed that the absorption power cycle can generate electricity up to about 14 kW per 1 kg/s of heat source when the heat source temperature, heat sink temperature, and thermal-capacitance-rate ratio are $100^{\circ}C$, $20^{\circ}C$, and 5, respectively.
In this study, an absorption power cycle, which can be used for a low-temperature heat source driven power cycle such as geothermal power generation, was investigated and optimized in terms of power by the simulation method. A steady-state simulation model was adopted to analyze and optimize its performance. Simulations were carried out for the given heat source and sink inlet temperatures, and the given flow rates were based on the typical power plant thermal-capacitance-rate ratio. The cycle performance was evaluated for two independent variables: the ammonia fraction at the separator inlet and the maximum cycle pressure. Results showed that the absorption power cycle can generate electricity up to about 14 kW per 1 kg/s of heat source when the heat source temperature, heat sink temperature, and thermal-capacitance-rate ratio are $100^{\circ}C$, $20^{\circ}C$, and 5, respectively.
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문제 정의
본 연구에서는 국내 실정에 맞는 저온 지열발전 시스템의 개발을 위한 기초 연구로서, 암모니아-물 흡수식 동력 사이클을 해석하고, 주어진 조건하에서 두 설계 인자 값을 변화시켜가며 사이클의 성능 변화를 살폈으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
이와 관련하여 국내 실정에 맞는 저온 지열발전 시스템의 개발을 위한 기초 연구로서, 본 연구에서는 열원 및 열침의 입구온도가 각각 100℃ 및 20℃로 주어진 경우에 대하여, 흡수식 동력 사이클의 설계인자 값을 변화시켜가며 사이클의 출력 변화를 살핀 후, 단위 열원 유량(kg/s)당 얻을 수 있는 최대 출력(kW) 값을 제시하였다.
가설 설정
다음, 펌프 출구 상태를 계산하고, 분리기의 에너지 보존식으로부터 포화액의 질량분율을 계산한다. 용액열교환기의 에너지 보존식과 주어진 유용도로부터 보일러 입구와 감압밸브 입구 상태가 결정되며, 등엔탈피 가정으로 부터 감압밸브 출구 상태를 결정할 수 있다. 터빈 효율로부터 터빈 출구상태를 계산하고, 혼합기의 에너지 보존식으로부터 흡수-응축기 입구 상태를 계산한다.
이상과 같은 사이클을 해석하기 위하여, 정상 상태로 가정하고, 압력강하는 무시하며, 모든 열교환기는 대향류 흐름을 갖는다고 가정하였다.
제안 방법
터빈입구 압력과 분리기입구 암모니아 농도가 주어진 상황에서, 펌프입구 온도와 터빈 입구 온도를 가정하면, 분리기 입구, 터빈 입구, 분리기 포화액 출구, 펌프 입구 상태가 결정된다. 다음, 펌프 출구 상태를 계산하고, 분리기의 에너지 보존식으로부터 포화액의 질량분율을 계산한다. 용액열교환기의 에너지 보존식과 주어진 유용도로부터 보일러 입구와 감압밸브 입구 상태가 결정되며, 등엔탈피 가정으로 부터 감압밸브 출구 상태를 결정할 수 있다.
사이클의 성능은 여러 인자들에 의해 결정되는데, 본 연구에서는 사이클 최적화를 위한 설계인자로 터빈입구 압력(P6)과 분리기입구 암모니아 농도(Y5)를 택하였다. 열원의 입구온도는 사이클 성능에 가장 큰 영향을 미치는 인자인데, 일반적인 지열발전 천공 깊이가 2~3 km 임을 고려하면, 우리나라에서는 약 80~120℃의 열원을 얻을 수 있다.
시뮬레이션 수행을 위해 주어진 주요 변수는 열원입구온도(THI) 및 유량(#), 열침입구온도(TCI) 및 유량(#), 용액열교환기 유용도(εSHX), 보일러 및 흡수-응축기 핀치온도차, 터빈 및 펌프 단열효율, 터빈입구 압력(P6), 그리고 분리기입구 암모니아 농도(Y5)이다.
다음, 보일러와 흡수-응축기에서의 핀치온도차를 구한다. 이를 위해서는 열교환기 내 각 유체의 온도 프로파일을 알아야 하는데, 이를 알기 위해 본 연구에서는 보일러 및 흡수-응축기를 각각 동일한 열량을 갖도록 50등분 하였다. 즉, 보일러 및 흡수-응축기 각각에 대하여 51 개의 온도차를 구한 후 이들 중 최소값을 취하여 핀치온도차로 하였다.
관련하여 저온 지열발전 사이클의 출력 성능을 나타낼 때는 열원(지열수) 및 열침(냉각수)의 입구 온도 조건을 명시한 후, 단위 지열수 유량(kg/s)당 출력(kW) 차원, 즉, kW/(kg/s) 차원(4,8)으로 나타내는 것이 보편적 추세이다. 이와 같은 추세에 따라 본 연구에서는 오차를 피할 수 없는 LMTD 조건을 주고 수행한 기존 연구들(10,11)과는 달리 보다 직관적이고 실질적이라 할 수 있는 열원 및 열침의 유량 조건을 준 상태에서 계산을 수행하였다.
이를 위해서는 열교환기 내 각 유체의 온도 프로파일을 알아야 하는데, 이를 알기 위해 본 연구에서는 보일러 및 흡수-응축기를 각각 동일한 열량을 갖도록 50등분 하였다. 즉, 보일러 및 흡수-응축기 각각에 대하여 51 개의 온도차를 구한 후 이들 중 최소값을 취하여 핀치온도차로 하였다. 계산된 핀치온도차가 주어진 핀치온도차와 다르면 최초에 가정했던 펌프입구 온도와 터빈 입구 온도를 재가정한 후, 위의 과정을 반복하며, 이상의 과정을 Fig.
용액열교환기의 에너지 보존식과 주어진 유용도로부터 보일러 입구와 감압밸브 입구 상태가 결정되며, 등엔탈피 가정으로 부터 감압밸브 출구 상태를 결정할 수 있다. 터빈 효율로부터 터빈 출구상태를 계산하고, 혼합기의 에너지 보존식으로부터 흡수-응축기 입구 상태를 계산한다. 이제 흡수-응축기, 보일러 및 전체 사이클에서의 열평형식을 통해 열원 및 열침의 출구 온도 및 냉매유량을 구할 수 있다.
대상 데이터
본 연구에서 고려하고 있는 흡수식 동력 사이클은 Fig. 1과 같이 보일러, 터빈, 흡수-응축기, 펌프, 분리기(separator), 감압밸브 및 혼합기(mixer) 등으로 구성되어 있으며, 작동원리는 다음과 같다.
이론/모형
암모니아-물의 물성치는 Ibrahim and Klein(13)의 식을 이용하여 구하였으며, 사이클 시뮬레이션을 수행하는 방법은 다음과 같다.
성능/효과
(1) 100℃의 지열수와 20℃의 냉각수(지열수 유량의 5배)가 이용가능하다면, 흡수식 동력 사이클을 이용하여, 지열수 유량 1 kg/s 당 최대 약 14 kW의 출력을 얻을 수 있다.
(3) 효율 측면에서의 최적 운전점은 출력 측면에서의 최적 운전점과 일치하지 않는다.
계산이 종료되면, 시뮬레이션 결과로서 터빈 출력, 펌프 동력, 사이클 효율 및 각 구성요소의 입출구 상태 등을 얻을 수 있다.
한편, 열원 유량은 1 kg/s으로 하였다. 또한, 열침의 유량이 일반적으로 열원 유량의 5~10 배로(9) 보고되고 있음을 감안하여 열침의 유량을 결정하였는데, 열침의 유량을 증가시킬수록 사이클의 출력은 증가할 것이나, 본 연구에서는 가장 보수적인 값을 취하여 5 kg/s을 열침의 유량으로 하였다. 사이클 시뮬레이션에 사용된 조건을 정리하면 다음과 같다.
후속연구
본 연구에서는 사이클 내부 설계조건 즉, 터빈 입구 압력 및 분리기입구 암모니아 농도만을 변수로 하여 최적화 연구를 수행하였으나, 향후 사이클 외부조건 변화에 따른 최적화 연구, 예를 들어 열침의 유량 증가에 따른 최적 설계점의 이동 경로 고찰 등의 연구가 필요할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
흡수식 동력 사이클의 장점은?
흡수식 동력 사이클은 혼합 작동유체의 상변화 과정을 이용함으로써, 열교환 과정에서의 비가역성을 줄일 수 있는 장점이 있는데, 이는 비공비 혼합물을 작동유체로 이용함으로써 구현이 가능하다. 특히, 암모니아-물 혼합물은 흡수식 냉동사이클의 중요한 냉매로 사용되어 왔으며, 물에 대한 암모니아의 흡수성이 좋으며, 두 성분의 증기압이 크게 달라 흡수식 동력 사이클의 작동유체로 사용된다.
암모니아-물 혼합물의 특징은?
흡수식 동력 사이클은 혼합 작동유체의 상변화 과정을 이용함으로써, 열교환 과정에서의 비가역성을 줄일 수 있는 장점이 있는데, 이는 비공비 혼합물을 작동유체로 이용함으로써 구현이 가능하다. 특히, 암모니아-물 혼합물은 흡수식 냉동사이클의 중요한 냉매로 사용되어 왔으며, 물에 대한 암모니아의 흡수성이 좋으며, 두 성분의 증기압이 크게 달라 흡수식 동력 사이클의 작동유체로 사용된다. 이 혼합물을 작동유체로 하는 흡수식 동력 사이클에 관한 연구는 Maloney and Robertson(1)에 의해 최초로 시도 되었으며, 80년대에 Kalina(2)에 의해 복합 발전용 하부 사이클의 새로운 대안으로서 주목을 받은 이후 몇몇 열원 조건에 대한 개량이 이루어져 왔다.
Kalina가 제안한 것으로 지열분야에 적용 가능한 사이클 중 KCS 34의 특징은?
KCS 34는 본 연구에서 고려하고 있는 흡수식 동력 사이클에 내부 열교환기를 추가한 형태인데, 이전의 Kalina 사이클과 달리 보일러 출구에 분리기를 도입함으로써, 보일러로 유입된 모든 유량을 증발시키지 않아도 사이클을 작동 시킬수 있도록 하여 열원의 온도가 120℃ 이하에서도 운전될 수 있도록 한 특징이 있다.(8)
참고문헌 (13)
Maloney, J. D. and R. C. Robertson, 1953, "Thermodynamic Study of Ammonia-Water Heat Power Cycles," ORNL Report CF-53-8-43, Oak Ridge, TN.
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Yoonho Song and Eunyoung Ahn, 2005, "Analysis on the Current Status of World Geothermal Energy Resources Utilization and the Future Prospect," Geosystem Engineering, Vol. 42, No. 4, pp. 287-296.
Ibrahim, O. M. and Klein, S. A., 1993, "Thermodynamic Properties of Ammonia-Water Mixtures," ASHRAE Transactions Symposia. CH-93-21-2, pp. 1495-1502.
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