[논문]복합화력의 냉각수 배열회수를 위한 히트펌프의 성능평가 사례 분석

이성호

doi:10.6110/kjacr.2014.26.11.541

복합화력의 냉각수 배열회수를 위한 히트펌프의 성능평가 사례 분석
Analysis of the Performance Test Results of a Heat Pump for Closed Cooling Water Heat Recovery on a Combined Thermal Power Plant 원문보기

이성호 (한전 전력연구원)

The present study was conducted to determine whether ESCO Business is success or not. ESCO Business recovers the investment costs by the energy savings resulting from complementing existing energy facilities. The guaranteed parameters are Quantity of Heat Recovery, and Generator output drop. The results of the Performance Test show that the Quantity of Heat Recovery increased by 11.52 Gcal/h, and Generator output decreased by 0.234 MW, which satisfied the guarantee value.

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문제 정의

본 연구는 Heat Pump에 대한 ESCO 사업의 성능시험 확인시험에 의해 이루어진 것임.
본 연구에서는 흡수식 히트펌프 설치 전·후 ‘A’ 발전소 전기 및 열생산량 변화 사례를 분석하여 전체적인 에너지 효율 증대 효과를 고찰하였다.
이에 따라 증기터빈에 공급되는 저압증기량이 감소하여 터빈 출력이 떨어지게 된다. 본 절에서는 터빈 출력 저하의 원인을 분석하였다. 계약서 상의 Heat Balance 기준으로 개선 전(히트펌프 설치 전), 개선 후(히트펌프 설치 후)의 터빈 출력을 계산하면 Table 10과 같다.

가설 설정

계약서 상의 Heat Balance 기준으로 개선 전(히트펌프 설치 전), 개선 후(히트펌프 설치 후)의 터빈 출력을 계산하면 Table 10과 같다. 터빈 출력은 터빈 입․출구 증기의 엔탈피차에 증기유량을 곱한 값으로 계산하였으며, 터빈입구로 공급되는 고압증기와 저압증기는 50%는 HP-DH로, 나머지 50%는 LP-DH로 배기되는 것으로 가정하였다. Table 10은 Mode-Ⅰ기준으로 작성되었다.

제안 방법

계약서 상 Stack DH에서 이루어지는 지역난방을 위한 열원은 개선 전·후 동일하다고 보고 있으므로 본 보고서에서는 Main DH Output(HP-DH, LP-DH, DH-CLR)에서 이루어지는 열교환량만 개선 후와 비교하였다.
또한 자동제어 특성에 맞추어 발전단 전기출력 기준으로 출력유지 및 부하제한(Governor Free Off) 운전방식을 채택하였으며, 히트펌프 입출구 기기냉각수, 저압 스팀, 지역난방수 관련 Data는 전력연구원 보유 계측기를 특설하여 자동 데이터 취득 시스템(DAS)을 통해 취득하였다. 계통격리는 증기 응축수 배출, 탈기, 수질감시 등을 제외한 계통외부로의 열 출입이 없도록 실시하였으며, 보조증기는 자체호기에서 공급하도록 하였고, 타 호기와의 Common 계통은 완전히 차단하였다.
시험조건은 증기터빈 전력량은 기존 전력량계에서 측정한 값을 기준, Main DH 열생산량은 기존 열량계에서 측정한 값을 기준으로 하였으며, 히트펌프 운전 전·후 발전소 운전조건 변화에 따른 영향을 최소화하기 위하여 최대한 운전지침서상의 정상운전 상태를 유지하였다. 또한 자동제어 특성에 맞추어 발전단 전기출력 기준으로 출력유지 및 부하제한(Governor Free Off) 운전방식을 채택하였으며, 히트펌프 입출구 기기냉각수, 저압 스팀, 지역난방수 관련 Data는 전력연구원 보유 계측기를 특설하여 자동 데이터 취득 시스템(DAS)을 통해 취득하였다. 계통격리는 증기 응축수 배출, 탈기, 수질감시 등을 제외한 계통외부로의 열 출입이 없도록 실시하였으며, 보조증기는 자체호기에서 공급하도록 하였고, 타 호기와의 Common 계통은 완전히 차단하였다.
히트펌트 운전 전·후 지역난방 열생산량 및 증기터빈 출력 변화를 확인하였다. 시험부하는 Mode-I 히트펌프 운전, Mode-I 히트펌프 정지에서 1시간씩 각 1회 실시하였다. 시험조건은 증기터빈 전력량은 기존 전력량계에서 측정한 값을 기준, Main DH 열생산량은 기존 열량계에서 측정한 값을 기준으로 하였으며, 히트펌프 운전 전·후 발전소 운전조건 변화에 따른 영향을 최소화하기 위하여 최대한 운전지침서상의 정상운전 상태를 유지하였다.
일차적으로 증기터빈으로 공급되는 저압증기 질량 유량 감소에 따라 터빈 출력이 감소된 것으로 판단되나, 유량 감소에 따른 터빈 출력 특성 변화에 따라 터빈 출력 저하가 높아진 것으로 추정된다. 저압증기 유량에 따른 터빈 출력 곡선이 제작사로부터 입수되지 않아, 본 논문에서는 저압증기 유량 저하에 따른 터빈 출력 저하분에 대한 계산은 수행하지 않았다. 다만 ‘A’ 발전소 증기터빈의 경우 저압증기 유량과 터빈출력이 단순 비례하지 않고, 유량 저하에 따른 출력 감소분의 기울기가 높은 수준으로 추정된다.
히트펌트 운전 전·후 지역난방 열생산량 및 증기터빈 출력 변화를 확인하였다.
히트펌프 열수회량과 관련된 주요 운전 변수는 Table 4와 같으며, 히트펌프 열회수량은 히트펌프 입출구의 지역난방수(DH WTR) 유량에 입출구의 엔탈피 차를 곱한 값으로 계산하였다.
히트펌프의 열회수량 보정은 공급사가 제시한 성능시험 절차서 상의 4가지 항목(저압증기 압력, 기기냉각수 유량, 기기냉각수 출구 온도, 지역난방수 입구 온도)에 대해 보정곡선으로 보정하였으며, 히트펌프 단독 운전 시 보정 내역은 Fig. 3과 같다.

대상 데이터

성능시험 대상인 복합화력발전소(이하 ‘A’ 발전소)에 저온부인 기기냉각수의 폐열을 회수하여 고온부인 지역난방수에로의 열생산을 증대시키고자 흡수식 히트펌프가 설치되었다.
히트펌프는 저온부의 열원을 고온부에 공급하여 고온부에서 열생산을 가능하게 한다. 이 중 흡수식 히트펌프는 냉매로서 물을 사용하고, 흡수제로 리튬브로마이드(LiBr)를 사용한다. 또한 재생기에서 냉매와 흡수제를 분리하기 위해서는 고온의 구동열원이 필요하게 된다.

성능/효과

히트펌프에서 회수된 CCW Heat Load에 따른 지역난방열 생산이 증대되며, 증기터빈으로 공급되는 LP STM 유량 감소에 따른 증기터빈 출력이 감소한다. HP-DH 및 LP-DH로 공급되는 HPT추기 STM 유량 저하에 따른 HP-DH 및 LP-DH의 열생산량 감소되었다. 또한 히트펌프의 CCW 냉각에 따라 ACWP 및 냉각팬 소비전력이 절감되며, 히트펌프 내부 펌프(용액순환펌프, 냉매펌프) 및 DH WTR 승압펌프 운전에 따라 소비전력이 증대된다.
38%의 손실율은 발전소에서 히트펌프로 기기냉각수, 구동증기, 지역난방수 등이 공급되면서 발생하는 손실 및 히트펌프 내부 효율에 기인한 것으로 추정된다. 개선 후 에너지 생산은 개선 전 542.10 Gcal/h 대비 1.64% 늘어난 550.98Gcal/h로 나타났다.
복합화력발전소에 흡수식 히트펌프를 설치하여 기기 냉각수 폐열을 회수할 경우 폐열의 82% 수준이 실제 에너지 생산량 증가로 나타남을 이번 성능시험에서 확인할 수 있었다. 이는 히트펌프 설치 전 사전 경제성 분석 시, 적정 수준의 폐열 회수율을 반영해야 함을 보여준다.
시험결과 히트펌프 단독 운전 시 열회수량(보정 후)은 29.17 Gcal/h로 나타났다. 단 기기냉각수 출구 온도가 기준치 40℃ 대비, 35.
시험조건은 증기터빈 전력량은 기존 전력량계에서 측정한 값을 기준, Main DH 열생산량은 기존 열량계에서 측정한 값을 기준으로 하였으며, 히트펌프 운전 전·후 발전소 운전조건 변화에 따른 영향을 최소화하기 위하여 최대한 운전지침서상의 정상운전 상태를 유지하였다.
이번 성능시험에서 전기 출력 저하는 터빈에 공급되는 증기의 유량 감소분에 단순 비례하지 않고 더 크게 나타났다. 이는 히트펌프에서 구동열원을 터빈증기로 활용할 경우 출력저하가 설계시보다 증대될 수 있음을 보여준다.
히트펌프는 증기터빈에 공급되는 증기의 일부를 구동열원으로 활용하므로 증기터빈의 출력이 저하되게 된다. 이에 따라 개선 후 증기터빈 전기생산량은 1,440 kW 저하된 것으로 나타났다. 이를 열로 환산하면 1.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

히트펌프 성적계수(효율)은 무엇인가?

히트펌프 성적계수(효율)는 지역난방수의 열회수량을 재생기에 공급되는 저압증기 열량으로 나눈 값으로 정의된다. 이에 따라 계약기준으로 계산된 성적계수는 1.

히트펌프에서 열생산을 가능하게 하는 원리는 무엇인가?

히트펌프는 저온부의 열원을 고온부에 공급하여 고온 부에서 열생산을 가능하게 한다. 이 중 흡수식 히트펌프는 냉매로서 물을 사용하고, 흡수제로 리튬브로마이드(LiBr)를 사용한다.

히트펌프에서 재생기에서 냉매와 흡수제를 분리하기 위해 필요한 것은 무엇인가?

이 중 흡수식 히트펌프는 냉매로서 물을 사용하고, 흡수제로 리튬브로마이드(LiBr)를 사용한다. 또한 재생기에서 냉매와 흡수제를 분리하기 위해서는 고온의 구동열원이 필요하게 된다.

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