본 연구에서는 가스터빈과 증기터빈, 열회수증기 발생 장치와 지역난방 열교환기로 열병합 발전 시스템을 구성하여 복수기가 없이 증기 터빈 중압단에서 추기된 증기와 배기 증기를 지역난방 열교환기의 열원으로 사용하는 추기 배압식을 적용하였다. 구성된 시스템에 대하여 필요로 하는 열부하량과 발전 출력 조건을 만족 시키기 위한 최적 설계 성능 해석을 하였으며, 이와 함께 겨울철 외기 온도 조건의 변화에 대한 시스템의 부분부하 해석을 하였다. 해석을 위해 상용 프로그램인 Thermoflex를 사용하였다. 시스템의 해석 결과, 기준 조건에서 수요처의 요구를 만족 시키는 최적 설계를 기준으로 각 외기 온도 변화에 대한 부분부하 성능 해석의 결과를 얻을 수 있었다. 그 결과 열부하량이 고정된 상태에서, 가스터빈과 전체 시스템의 출력은 외기온도가 감소함에 따라서 증가하였지만, 열원인 배기가스의 온도 감소로 인하여 증기터빈의 출력은 이와 반대로 감소하는 경향을 나타내었다. 그러나 전체 시스템에서 가스터빈의 차지하는 비중이 크기 때문에 전체 시스템의 출력의 경향은 가스터빈과 동일한 결과를 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 가스터빈과 증기터빈, 열회수증기 발생 장치와 지역난방 열교환기로 열병합 발전 시스템을 구성하여 복수기가 없이 증기 터빈 중압단에서 추기된 증기와 배기 증기를 지역난방 열교환기의 열원으로 사용하는 추기 배압식을 적용하였다. 구성된 시스템에 대하여 필요로 하는 열부하량과 발전 출력 조건을 만족 시키기 위한 최적 설계 성능 해석을 하였으며, 이와 함께 겨울철 외기 온도 조건의 변화에 대한 시스템의 부분부하 해석을 하였다. 해석을 위해 상용 프로그램인 Thermoflex를 사용하였다. 시스템의 해석 결과, 기준 조건에서 수요처의 요구를 만족 시키는 최적 설계를 기준으로 각 외기 온도 변화에 대한 부분부하 성능 해석의 결과를 얻을 수 있었다. 그 결과 열부하량이 고정된 상태에서, 가스터빈과 전체 시스템의 출력은 외기온도가 감소함에 따라서 증가하였지만, 열원인 배기가스의 온도 감소로 인하여 증기터빈의 출력은 이와 반대로 감소하는 경향을 나타내었다. 그러나 전체 시스템에서 가스터빈의 차지하는 비중이 크기 때문에 전체 시스템의 출력의 경향은 가스터빈과 동일한 결과를 얻을 수 있었다.
The co-generation system consisted of gas a turbine, a steam turbine, heat recovery steam generator and a heat exchangers for district heating was investigated in the present study. A back-pressure steam turbine (non-condensing type) was used. A partial load analysis according to the outdoor tempera...
The co-generation system consisted of gas a turbine, a steam turbine, heat recovery steam generator and a heat exchangers for district heating was investigated in the present study. A back-pressure steam turbine (non-condensing type) was used. A partial load analysis according to the outdoor temperature in winter was conducted and optimal thermal load and power conditions was examined using the commercial computing software Thermoflex. As a result, under a constant thermal load, the power outputs of gas turbine and overall system increased as an outdoor temperature decreased. On the other hand, the reduction in exhaust gas temperature led to the decrease in output of steam turbine. Considering the portion of gas turbine in overall system in terms of the power output, it can be known that the tendency in power output of overall system was similar to that of the gas turbine.
The co-generation system consisted of gas a turbine, a steam turbine, heat recovery steam generator and a heat exchangers for district heating was investigated in the present study. A back-pressure steam turbine (non-condensing type) was used. A partial load analysis according to the outdoor temperature in winter was conducted and optimal thermal load and power conditions was examined using the commercial computing software Thermoflex. As a result, under a constant thermal load, the power outputs of gas turbine and overall system increased as an outdoor temperature decreased. On the other hand, the reduction in exhaust gas temperature led to the decrease in output of steam turbine. Considering the portion of gas turbine in overall system in terms of the power output, it can be known that the tendency in power output of overall system was similar to that of the gas turbine.
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문제 정의
표 1에 나타난 바와 같이 설치 지역의 난방 특성을 고려하여, 겨울철을 기준으로 시스템을 설계하였으며, 열원은 130℃로 공급되고, 70℃로 회수되며, 전체 열량은 116 MW이다. 본 시스템은 발전 출력 추종이 아닌 열부하 추종 운전 방식으로서, 발전 출력이 아닌 열원의 공급 조건이 그 설계 기준이다. 또한 전체 시스템의 효율은 85% 이상이 되어야 하며, 공급 열원에 대한 생산 전력의 비인 전열비는 95% 이상이 되어야 한다.
본 연구에서는 실제 현장에서 요구하는 전력 및 난방열원 공급 조건을 기반으로 성능 보증조건하에서 최적 시스템을 설계하고, 겨울철 외기 조건(온도, 습도) 변화 시의 수용가에서 필요로 하는 전력 및 열원 공급 조건을 만족하는 최적 조건을 찾기 위하여 성능보증조건하에서 시스템 설계 후 Off Disign(탈설계)하여 겨울철 외기 온도 및 습도변화에 따른 부분부하 성능 해석을 하였다.
제안 방법
가스터빈과 증기터빈, 배열회수보일러가 결합되어 전력과 열을 생산하는 열병합 발전 시스템의 설계 성능해석과 겨울철 외기 조건 변화에 대한 시스템의 성능을 해석하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
또한 전체 시스템의 효율은 85% 이상이 되어야 하며, 공급 열원에 대한 생산 전력의 비인 전열비는 95% 이상이 되어야 한다. 가스터빈은 GE사의 모델을 적용하였으며, 가스터빈의 배기열을 회수하여 증기를 발생시키는 배열회수보일러는 증발기가 1개인 단압식을 적용하였고, 가스터빈의 모델이 제한되어 있는 상황에서 성능보증조건에서의 외기조건보다 더 낮은 조건에서 안정적인 증기 생산을 위해 가스터빈의 배기가스를 추가적으로 연소시키는 덕트버너를 배열회수보일러 입구에 적용하여 구성하였다.
겨울철 외기조건 변화 시의 시스템 성능 해석은 앞 절에서 수행한 설계 조건을 기준으로 하여 프로그램 상의 부분부하 해석 모드에서 장치를 고정하였으며, 가스터빈 및 증기터빈, 배열회수 증기발생 장치 의 부분 부하 해석은 각 외기 온도 조건에 대한 업체의 성능 자료를 사용하여 입력하였다. 이러한 부분부하 모델링을 바탕으로 #1～#4(-20, -15, -10, -5℃)의 외기조건에 대하여 부분 부하 성능을 해석하였다.
열병합발전 시스템의 총합 열효율은 투입된 열량에 대한 발전 출력과 공급된 열량의 비율로 표현되며, 열병합 발전 시스템에서 일반적으로 발전출력에 대한 공급열량의 비율을 열전비로 표현하지만, 본 연구에서는 공급열량에 대한 발전출력의 비인 전열비로 발전 출력과 공급열량의 비율을 표현하며, 총합 열효율과 전열비는 아래와 같이 표현된다.
겨울철 외기조건 변화 시의 시스템 성능 해석은 앞 절에서 수행한 설계 조건을 기준으로 하여 프로그램 상의 부분부하 해석 모드에서 장치를 고정하였으며, 가스터빈 및 증기터빈, 배열회수 증기발생 장치 의 부분 부하 해석은 각 외기 온도 조건에 대한 업체의 성능 자료를 사용하여 입력하였다. 이러한 부분부하 모델링을 바탕으로 #1～#4(-20, -15, -10, -5℃)의 외기조건에 대하여 부분 부하 성능을 해석하였다.
열병합발전시스템은 가스터빈에서 1차적으로 전력을 생산하고, 그 배기열을 이용하여 하부 사이클의 증기터빈에서 추가적인 전력과 난방을 위한 열원을 생산하는 시스템이다. 이러한 열병합 발전시스템은 설치 및 수요 조건에 따라서 다양한 하부 시스템의 구성이 가능한데, 본 연구에서 적용된 열병합 발전 시스템의 하부 사이클은 복수기가 없는 추기 배압 형식을 적용하여 구성하였다. 추기 배압 형식으로 구성되는 열병합 발전 시스템은 난방의 열원 공급을 주목적으로 하며 구성이 간단하고, 부하의 변동 폭이 크지 않는 경우에 적합하다.
표 1은 본 연구에서 적용한 현장에서 요구한 설계조건으로 성능보증조건 하에서 열부하 및 효율 등에 대한 성능조건을 만족한 시스템을 설계 후 이 시스템에서 표 1의 #1～#4에 해당하는 외기조건인 경우 열부하, 효율, 전열비 등의 설계조건을 만족해야 한다. 표 1에 나타난 바와 같이 설치 지역의 난방 특성을 고려하여, 겨울철을 기준으로 시스템을 설계하였으며, 열원은 130℃로 공급되고, 70℃로 회수되며, 전체 열량은 116 MW이다. 본 시스템은 발전 출력 추종이 아닌 열부하 추종 운전 방식으로서, 발전 출력이 아닌 열원의 공급 조건이 그 설계 기준이다.
대상 데이터
외기 조건은 표 1에 명기된 바와 같이 1.77℃, 상대습도 85.6 %이며, 가스터빈은 GE 사의 6111FA 모델을 사용하였으며, 출력 주파수는 50Hz 이다. 배열회수보일러의 핀치점 온도는 6.
이론/모형
본 논문에 적용된 열병합발전시스템의 설계 조건은 앞 절에서 언급하였다. 표 1에서 성능보증조건은 시스템 설계 조건인 최적 설계 변수를 적용하여 열평형도를 작성하기 위해 발전플랜트 설계 및 성능진단용으로 사용되는 Thermo Flow 사의 Thermoflex[5]를 사용하였다.
성능/효과
(1) 가스터빈과 증기터빈, 배열회수보일러, 지역난방 열교환기를 조합한 열병합 발전시스템의 설계 해석을 통하여 요구 조건을 만족하는 시스템을 구성(Off Design : 탈설계)한 후 외기 조건의 변화에 따라 시스템 효율 및 전열비 변화를 알 수 있었다.수 있었다.
(2) 외기온도 감소에 대한 부분부하 시, 가스터빈의 배기가스의 온도와 유량은 증가하지만, 핀치점에서의 온도 차이가 일정하여 증기 생산량은 설계점의 증기 생산량과 큰 차이가 없다.
(3) 출력은 외기온도 감소에 따라서 가스터빈의 출력 증가와 함께 전체 시스템의 출력도 증가하지만, ST의 출력은 소폭 감소하는데, 이것은 배기가스의 온도가 감소하면서 생산되는 과열 증기 온도도 감소하기 때문이다.
(4) 시스템의 효율은 외기온도 감소에 따라서 감소하는데, 이것은 전체 시스템의 출력과 효율에 지배적인 가스터빈의 연료 사용량이 증가하여, 가스터빈의 효율이 감소하기 때문이다.
713 MW 이다. 공급 열량은 공급 온도 130℃, 회수 온도 70℃ 기준으로 유량 1646.2 t/h 일 때, 116 MW를 공급할 수 있는 것으로 나타났다. 그리고, 가스터빈의 배기 열량으로는 설계 요구 조건인 열부하 116 MW를 만족시킬 수 없기 때문에, 추가적으로 덕트 버너에서 연료를 연소시켜 열원을 공급 받는다.
1℃로 나타났다. 상기와 같은 설계 조건에서 전체 시스템 출력은 110.713MW, 열 공급량은 116.016MW 열병합발전 효율은 87.58%, 전열비은 95.43%로 나타났다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
열병합발전시스템이란 무엇인가?
열병합발전시스템은 가스터빈에서 1차적으로 전력을 생산하고, 그 배기열을 이용하여 하부 사이클의 증기터빈에서 추가적인 전력과 난방을 위한 열원을 생산하는 시스템이다. 이러한 열병합 발전시스템은 설치 및 수요 조건에 따라서 다양한 하부 시스템의 구성이 가능한데, 본 연구에서 적용된 열병합 발전 시스템의 하부 사이클은 복수기가 없는 추기 배압 형식을 적용하여 구성하였다.
열병합발전은 무엇으로 구성되는가?
열병합발전은 가스터빈의 브레이튼 사이클과 그 배기열을 열원으로 하는 랭킨 사이클의 하부 사이클로 구성된다. 가스터빈에서 전력을 생산하고 배기되는 가스는 다시 배기열을 회수하는 배열회수보일러라는 열교환기를 이용하여 증기를 생산하고, 생산된 증기를 증기 터빈을 통하여 팽창시켜 추가적인 전력을 생산한다.
열병합발전은 어떤 방법으로 전력을 생산하는가?
열병합발전은 가스터빈의 브레이튼 사이클과 그 배기열을 열원으로 하는 랭킨 사이클의 하부 사이클로 구성된다. 가스터빈에서 전력을 생산하고 배기되는 가스는 다시 배기열을 회수하는 배열회수보일러라는 열교환기를 이용하여 증기를 생산하고, 생산된 증기를 증기 터빈을 통하여 팽창시켜 추가적인 전력을 생산한다. 이러한 열병합발전소는 설치지역의 수용가의 열수요 조건에 따라 발전 부하 중심의 설계나 난방 열원 부하의 중심의 설계를 해야 하며, 수용가의 요구 조건을 충족시킬 수 있도록 적절한 시스템의 설계가 필요하다.
참고문헌 (6)
Lee, B. R., Kim, T. S., Ro, S. T., Shin, H. T., and Jeon, Y. J, "Thermal Design Analysis of Triple-Pressure Heat Recovery Steam Generator and Steam Turbine Systems", Transactions of the KSME B, Vol. 26, No 3, pp. 507-514, 2002.
Cho, Y. B., Sohn, J. L. and Ro, S. T., "A Study for the Optimal Operating Conditions of the Gas Turbine Based Combined Cycle Cogeneration Power Plant", Transactions of the KSME B, Vol. 28, No. 12, pp. 1582-1590, 2004
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