[논문]천연가스 폐압발전 활성화의 당위성에 대한 열역학적 분석

하종만; 홍성호; 김경천

doi:10.7842/kigas.2012.16.6.136

천연가스 폐압발전 활성화의 당위성에 대한 열역학적 분석
Thermodynamic Analysis on the Feasibility of Turbo Expander Power Generation Using Natural Gas Waste Pressure 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.16 no.6, 2012년, pp.136 - 142

하종만 (한국가스공사) , 홍성호 (한국가스공사) , 김경천 (부산대학교)

초록
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터보팽창기를 이용한 폐압발전에서 전력생산량과 온도의 산출식의 열역학적 유도과정을 제시하였고, 전력생산량은 압력차가 아니라 압력비가 주요변수임을 밝혔다. 천연가스 폐압발전 인입부의 고압가스는 전기에너지(비용) 투입이 거의 없이 무상으로 얻어지는 에너지라는 사실을 보임으로써, 폐압이 지금까지는 별로 주목받지 못하였지만 새로운 청정에너지원 중의 하나임을 밝혔다. 공급가스 온도 보상을 위한 방법으로 팽창 후의 heating 방식을 택한다면, 전력생산과 더불어 냉열을 이용할 수 있고, 냉열이용량 만큼 heating 에너지를 줄일 수 있으므로 경제성을 배가시킬 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

Thermodynamic equations for the electric power and temperature in a turbo expander generator (TEG) using pressure energy in a natural gas line are derived. From the equations, it was shown that dominant factor is not the pressure difference but the pressure ratio. The high energy level in the inlet of TEG can be made from nearly no expense of electric energy input, which means TEG can be treated as one of newly available clean energy source. If a post heating method is chosen to heat up expanded natural gas, the usage of cold energy is possible without a refrigeration cycle. The combined TEG and refrigeration system enhances economic benefit much more.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

더욱이 폐압발전의 경제성이 전기나 가스의 정책적 가격결정에 의한 거래구조의 인위성에서 발생하는 것은 더더욱 아니다. TEG 발전이 근본적으로 경제성 있을 수 밖에 없는 근거를 공학적측면에서 세 가지로 고찰해보고저 한다.
본 논문에서는 선행논문[5]의 후속으로, 폐압발전 전력생산량과 전후단 온도에 관한 계산식의 열역학적 유도과정을 제시하고, 폐압발전이 단순히 미활용에너지 이용의 차원을 넘어서는 의미가 있음을 밝혀보고자 한다. 폐압발전이 경제성이 있을 수 밖에 없는 근본적인 이유를 세 가지 관점에서 고찰하여 경제성의 이론적 근거를 제시하고, 폐압이 신재생에너지로써의 자격을 가지고 있음도 살펴본다.
본 논문에서는 선행논문[5]의 후속으로, 폐압발전 전력생산량과 전후단 온도에 관한 계산식의 열역학적 유도과정을 제시하고, 폐압발전이 단순히 미활용에너지 이용의 차원을 넘어서는 의미가 있음을 밝혀보고자 한다. 폐압발전이 경제성이 있을 수 밖에 없는 근본적인 이유를 세 가지 관점에서 고찰하여 경제성의 이론적 근거를 제시하고, 폐압이 신재생에너지로써의 자격을 가지고 있음도 살펴본다.

가설 설정

③ TE유동을 가역과정으로 이상화한다.
가정④는 TE의 외부와의 접촉면적이 적고, 유체유동이 빠르므로 단열과정으로 취급한다. 이상의 가정은 유동의 특성을 손상시키지 않으면서 식으로 표현하기 위한 근사화의 전제조건이다[7,8].

제안 방법

한구가스공사(KOGAS)에서는 터보팽창기를 이용한 전력생산 (turbo expander generation, 이하 TEG)에 관한 타당성 연구를 수행하였고[4], 그 결과의 일부를 발표하였다[5]. 시간별 유량 변화가 심한 수급패턴에서 전력생산량을 예측하는 algorithm을 제시하였고, 가스 공사 관할의 어느 한 정압기지에 대한 case study를 통하여 TEG 폐압발전의 규모와 경제성평가 결과를 보여주었다. 현재 TEG 폐압발전의 실증운영이 150 kW 규모로 추진 중에 있다[6].
2. 와 같이 기존에 설치되어 있던 정압기 한 열을 TEG로 대체하여, TEG와 정압기를 병렬로 연결하여 구성한다. TEG 의 설정압력을 정압기 압력보다 약간 높게 setting 함으로써, 가스가 TEG를 먼저 흐르게 되고, TEG의 용량을 넘어서는 유량은 정압기 쪽으로 넘어가게 된다.
이 공정에 대하여 액체상태의 천연가스를 승압할 때와 기체상태의 천연가스를 승압할 때의 각 경우에 대하여 투입되는 에너지(또는 비용)을 비교해 본다.
천연가스 배관망의 감압공정에서 터보팽창기를 이용한 폐압발전에 대하여, 그 전력생산량과 온도의 산출식 유도과정을 제시하였다. 그리고, 전력생산량은 압력차가 아니라 압력비가 변수임을 밝혔다.
천연가스 폐압발전이 경제성이 있을 수 밖에 없는 이유를 3가지의 공학적 근거로 밝혔다.

성능/효과

(1) 폐압발전 인입부의 고압 에너지준위는 전기에너지(비용) 투입이 거의 없이 거저 얻어지는 것이라는 사실을 보여주었다..
(2) 또한, 폐압발전 후단 온도보상을 위해 투입되는 열에너지를 화력발전의 열기관에 투입되는 열에너지로 간주한다 할지라도 화력발전 효율의 2배 이상이다.
(3) 후단온도 보상을 위한 방법으로 후열을 택한다면, 전력생산 외에 냉열을 이용할 수 있고, 냉열이용량만큼 열에너지투입을 줄일 수 있으므로, 저탄소발전에다 경제성을 배가시킬 수 있다.
4.1절에서 TEG 발전의 source인 고압은 거저 얻어지는 것과 마찬가지임을 보여주었고, 4.2절에서는 TEG 발전 시 후단 온도보상에 투입되는 연료를 발전에 소요되는 열에너지로 취급한다고 하더라도, 일반 화력발전에 비하여 2.5배의 열기관효율이 높다는 것을 논증했다. 이상의 조건 만으로도 TEG 발전이 고효율 저탄소 발전임을 충분히 인정해 줄 수 있지만, 후단 온도보정을 위한 연료를 줄일 수 있다면, 더욱 저탄소 발전에 가까워지고 경제성 또한 높아진다.
둘째, 전력생산량은 TE 입구온도 T₁에 비례하므로, T₁이 클수록 전력생산은 커진다. 그러나 전력생산을 높이기 위한 목적으로 열(비용)을 투입하여 T₁을 높이는 것은 바람직하지 않다.
셋째, 적은 공간으로 발전이 가능하고 운영과 관리가 용이하다.
5배의 열기관효율이 높다는 것을 논증했다. 이상의 조건 만으로도 TEG 발전이 고효율 저탄소 발전임을 충분히 인정해 줄 수 있지만, 후단 온도보정을 위한 연료를 줄일 수 있다면, 더욱 저탄소 발전에 가까워지고 경제성 또한 높아진다. 예를 들어, 예열의 경우 인근의 폐열 (인근 화력발전소의 폐열등)을 이용할 수 있으며, 공기열원 가스히트펌프, 지열 가스히트펌프등을 이용하면 적은 비용으로 온도보정에 필요한 열에너지를 공급할 수 있다.
첫째, 전력생산량은 압력차 P₁ - P₂가 아니라 압력비 P₂ /P₁가 변수이다. 압력차가 클수록 얻을 수 있는 일의 양은 많지만, 압력차가 아니라 압력비가 관건이다.

후속연구

폐압발전은 상기한 바와 같이 재생에너지로서의 우수성 뿐만 아니라, 본 논문 4장에서 살펴본 바와 같이 경제성이 이미 주어져있는 에너지원이다. TEG 발전의 site를 잘 선정하면, 투자비 회수기간은 보통 3년 내외이며, 가스공사와 도시가스사의 폐압잠재량을 적극적으로 개발한다면, 국가적 차원에서 상당량의 저탄소 에너지를 활용하는 것이 될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	터보 팽창기의 특징은 무엇인가?	주로 왕복동식 팽창기를 사용하였으나, 사용범위의 확대와 효율향상을 위하여 터보 팽창기(turbo expander, 이하 TE)로 많이 전환되었다. TE는 액화공정 외에도 응용범위가 다양한 데, 에너지 회수에 효과적으로 사용된다[1-3].
	우리나라 천연가스 사업은 어떤 과정을 거쳐 수행되는가?	우리나라 천연가스 사업은 액화천연가스(LNG)를 인수하여 초저온저장, 고압기화 후 전국의 주배관망으로 송출하고, 각 지역에 분포한 도시가스사에 공급하는 데, 수요처로 보내는 공급관리소에서 정압기(pressure regulator)를 통하여 천연가스의 감압이 이루어진다. 이 때 버려지는 압력에너지(이하 폐압)를 TE를 이용하면, 감압과 함께 전기를 생산하는 것이 가능하다[1,2].
	가스의 액화(liquefaction)공정에서 팽창기가 초저온을 생성하는 원리는?	가스의 액화(liquefaction)공정에서 다단의 압축팽창을 반복함으로써 초저온을 생성하는 데 있어 팽창기는 필수설비이다. 주로 왕복동식 팽창기를 사용하였으나, 사용범위의 확대와 효율향상을 위하여 터보 팽창기(turbo expander, 이하 TE)로 많이 전환되었다.

참고문헌 (12)

Turbo expander-Generators for Natural Gas Applications, GE Energy Oil & Gas, (2008)
Low Carbon Technology for a Cleaner World, CryoStar, (2007)
Frank Davis, et al., "Full Load, Full Speed Test of Turbo Expander - Compressor with Active Magnetic Bearings", Proceedings of 35 th turbomachinery Symposium, (2006)
KOGAS, "Feasibility Study on the Turbo - Expander Power Generation System for Pressure Letdown Station", (2008)
J.M. Ha et al, "Turbo Expander Power Generation Using Pressure Drop in Natural Gas Pipeline", KIGAS, Vol.16, No.3, pp.1-7, (2012)
Energy Newspapter, "Turbo Expander Power Generation in Natural Gas Pipeline", (2012.4.13)
G.J. Wylen and R.E. Sonntag, "Fundamentals of Classical Thermodynamics", Mcgraw-Hill, (1976)
M.J. Morgan and H.N. Shapiro, "Fundamentals of Engineering Thermodynamics", John Wiley & Sons, Inc. Mcgraw-Hill 4th ed., (2000)
W. F. Stoecker, "Design of Thermal Systems", 3rd ed., McGraw-Hill, (1989)
KISTI Global Trend Briefing "Wate Pressure to Electricity", (2007-06-10)
Clifford R. Howard, "Hybrid Turbo Expander and Fuel Cell System for Power Recovery at Natural Gas Pressure Reduction Stations", (2009), Master's Degree Theis, Queen's Univ., Canada
Randall F. Barron, "Cryogenic Systems", 2nd ed. Oxford University Press, (1985)

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