냉각수 활용 히트펌프 설치 위치에 따른 광교 열병합발전소의 성능 특성 예측 Prediction of Performance Characteristics with Various Location of Waste Heat Recovery Heat Pump in a Gwang-gyo Cogeneration Plant원문보기
히트펌프는 연소를 동반하지 않기 때문에 화석연료의 연소과정에서 발생하는 이산화탄소($CO_2$)의 배출을 억제함과 동시에 산업체 폐수, 배증기, 냉각수, 지하수, 하수 등 이미 존재하는 다양한 열을 회수할 수 있다는 장점이 있다. 한국지역 난방공사에는 파주, 고양삼송, 광교 열병합발전소에 폐열회수 조건 및 경제성 등을 고려하여 기기 냉각수 폐열을 열원으로 활용하는 히트펌프를 설치하여 운영하고 있다. 본 논문은 최근 건설된 150 MW급 광교 열병합발전소를 대상으로 상용 프로그램인 THERMOFLEX를 활용하여 기기 냉각수 폐열을 이용한 5 Gcal/h 용량의 히트펌프 설치 위치가 발전소 성능에 미치는 영향에 대해 연구하였다. 총 3가지 경우에 대해 히트펌프의 위치에 따른 성능의 영향을 살펴보았는데, 그 결과 지역 난방수 가열기 전단에 히트펌프를 설치한 경우가 전기출력 감소에도 불구하고 열출력 증가량이 커서 발전소 총효율에서 가장 유리한 것으로 확인되었다.
히트펌프는 연소를 동반하지 않기 때문에 화석연료의 연소과정에서 발생하는 이산화탄소($CO_2$)의 배출을 억제함과 동시에 산업체 폐수, 배증기, 냉각수, 지하수, 하수 등 이미 존재하는 다양한 열을 회수할 수 있다는 장점이 있다. 한국지역 난방공사에는 파주, 고양삼송, 광교 열병합발전소에 폐열회수 조건 및 경제성 등을 고려하여 기기 냉각수 폐열을 열원으로 활용하는 히트펌프를 설치하여 운영하고 있다. 본 논문은 최근 건설된 150 MW급 광교 열병합발전소를 대상으로 상용 프로그램인 THERMOFLEX를 활용하여 기기 냉각수 폐열을 이용한 5 Gcal/h 용량의 히트펌프 설치 위치가 발전소 성능에 미치는 영향에 대해 연구하였다. 총 3가지 경우에 대해 히트펌프의 위치에 따른 성능의 영향을 살펴보았는데, 그 결과 지역 난방수 가열기 전단에 히트펌프를 설치한 경우가 전기출력 감소에도 불구하고 열출력 증가량이 커서 발전소 총효율에서 가장 유리한 것으로 확인되었다.
Recently, it is considered that environment and energy are critical issues all over the world. In power generation sector in Korea, almost power stations are constructed and operated as cogeneration plants in conformity with this trend. KDHC(Korea District Heating Corporation) goes one step further ...
Recently, it is considered that environment and energy are critical issues all over the world. In power generation sector in Korea, almost power stations are constructed and operated as cogeneration plants in conformity with this trend. KDHC(Korea District Heating Corporation) goes one step further adopting renewable energy technology like heat pump using wasted heat for energy-saving and environment improvement. This study investigates the performance characteristics by the location of waste heat recovery heat pumps of 5 Gcal/h capacity in 150 MW-class Gwang-gyo cogeneration plant using commercial software 'THERMOFLEX'. Prior to analysis, the simulations are performed with actual operation data, and then the validation of simulations is verified by checking the error within 2%. After verification, the simulations are carried out with 3 locations and the effect on electrical power output and heat output is analyzed. As a result, overall efficiency of cogeneration plant is the highest in the case of heat pump located before DH(District Heating) Heater because of the largest increase of heat output despite of decrease of electrical power output.
Recently, it is considered that environment and energy are critical issues all over the world. In power generation sector in Korea, almost power stations are constructed and operated as cogeneration plants in conformity with this trend. KDHC(Korea District Heating Corporation) goes one step further adopting renewable energy technology like heat pump using wasted heat for energy-saving and environment improvement. This study investigates the performance characteristics by the location of waste heat recovery heat pumps of 5 Gcal/h capacity in 150 MW-class Gwang-gyo cogeneration plant using commercial software 'THERMOFLEX'. Prior to analysis, the simulations are performed with actual operation data, and then the validation of simulations is verified by checking the error within 2%. After verification, the simulations are carried out with 3 locations and the effect on electrical power output and heat output is analyzed. As a result, overall efficiency of cogeneration plant is the highest in the case of heat pump located before DH(District Heating) Heater because of the largest increase of heat output despite of decrease of electrical power output.
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문제 정의
따라서 히트펌프 설치위치가 열병합발전소 성능에 미치는 영향을 분석하기 위해 우선 본 성능해석 프로그램으로 광교 열병합발전소 모델링을 수행하였다. 정확한 모델링을 위해 발전소 설계 데이터에 대한 분석을 하였고 실제 성능과 가까운 결과 값을 얻을 수 있도록 실제 운전 데이터와 비교하였으며, 모델링 한 결과와 성능이 다르게 나올 경우에는 원인을 분석하여 성능에 영향을 미치는 설계요소를 계속적으로 조정해가면서 발전소를 모델링하였다.
본 논문에서는 최근 건설된 광교 열병합발전소에 대하여 해당 발전소에 기 설치된 히트펌프 용량을 기준으로 히트펌프 설치위치가 발전소 출력에 미치는 영향을 분석함으로써, 향후 열병합발전소 건설에 유용한 자료로 활용하고자 한다.
본 연구는 상용 성능해석 프로그램인 미국 THERMOFLOW사가 만든 프로그램을 사용하였다. 본 프로그램은 발전소 및 다양한 산업 공정을 설계하고 성능을 진단하는 시뮬레이터이다. 기력, 복합, 열병합 등 다양하고 광범위한 열시스템에 대한 성능모사가 가능하고, 정격부하를 포함해 다양한 운전부하에서 성능분석이 가능하여 국내 및 국외에서 발전플랜트 설계 및 성능진단용으로 주로 사용되고 있다.
폐열회수 이용 극대화를 모색하기 위해 히트펌프 총용량은 일정하게 유지하고 가열기와 예열기 전단에 히트펌프 용량을 나누어 분산 설치함으로써 가열기 전단에 히트펌프를 설치하였을 경우보다 전기출력 감소량을 줄이고 예열기 전단에 설치하였을 경우보다는 폐열회수 이용 효과를 높이는 방안에 대해 검토해 보았다.
제안 방법
광교 열병합발전소는 전기 150 MW, 열 120 Gcal/h의 규모로 전기를 생산하는 가스터빈과 증기 터빈 각 1기, 가스터빈의 배기가스를 이용하여 증기를 생산하는 배열회수보일러(HRSG: Heat Recovery Steam Generator), 지역난방수를 가열하는 가열기, 예열기 등으로 구성된다. 가스터빈과 증기터빈은 초기 투자비가 적고 정격부하 시 높은 열효율과 유지보수 및 시공의 용이성 등을 고려하여 다축형이 적용되었으며, 기기의 조합은 인근 지사와의 적극적 연계운전에 따른 높은 이용률을 감안하여 열효율과 투자비와 운영성, 설비배치 등에서 가장 유리한 1+1+1(가스터빈과 배열회수 보일러, 증기터빈을 각 1기씩 설치) 방식을 채택하였다. 배열회수보일러는 고가의 LNG 연료를 사용하는 광교 열병합발전소의 특성을 고려하여 용량증대보다는 효율 향상을 위한 비조연 방식을 적용하였으며, 증기터빈에서 유효하게 전력생산에 기여하지 못하는 저온의 배기가스 여열을 회수하기 위해서 지역난방수 예열기도 설치하였다.
그래서 가열기 전단에 4 Gcal/h 및 예열기 전단에 1 Gcal/h 설치(Location 4), 가열기 전단에 3 Gcal/h 및 예열기 전단에 2 Gcal/h 설치(Location 5), 가열기 전단에 2 Gcal/h 및 예열기 전단에 3 Gcal/h 설치(Location 6), 가열기 전단에 1 Gcal/h 및 예열기 전단에 4 Gcal/h 설치(Location 7)하는 총 4가지 경우에 대해 순차적으로 성능을 해석하였다.
이 프로그램에서는 성능분석에 필요한 계산 모듈과 단위기기들의 특성에 대한 정보를 내장하고 있어 사용자가 직접 개별기기들의 모델을 구축하고 구축한 모델들을 연계 ∙ 통합함으로써 개별기기의 성능변화가 전체 발전소에 미치는 영향을 분석할 수 있다. 따라서 우선 광교 열병합발전소의 정확한 모델링을 위해 광교 발전소를 구성하고 있는 단위기기 및 전체 계통을 이해하고 발전소 설계 데이터를 분석하여 프로그램 내 발전소 모델링을 하였고, 광교 발전소 운영 관계자로부터 실제 운전 성능 데이터를 입수하여 실제 성능과 차이를 비교하여 예측프로그램의 타당성을 확립하였다. 이후 히트펌프의 위치를 회수펌프 후단, 가열기 전단, 예열기 전단으로 다양하게 모델링하여 열평형도 해석을 수행하였으며, 예측 결과 분석을 통해 히트펌프 설치 위치가 발전소 성능에 미치는 영향을 고찰하였다.
정확한 모델링을 위해 발전소 설계 데이터에 대한 분석을 하였고 실제 성능과 가까운 결과 값을 얻을 수 있도록 실제 운전 데이터와 비교하였으며, 모델링 한 결과와 성능이 다르게 나올 경우에는 원인을 분석하여 성능에 영향을 미치는 설계요소를 계속적으로 조정해가면서 발전소를 모델링하였다. 또한 본 프로그램 내에 내장되어 있지 않은 기기에 대해서는 대안을 찾아 입력 및 해석하였는데, 예를 들어 프로그램 내에는 냉동기가 있으나 히트펌프는 내장되어 있지 않았는데 냉동기와 히트펌프가 동일한 사이클임을 착안, 냉동기를 히트펌프 대신 입력 후 성능계수 등 냉동기와 계산방법이 다른 설계 값 입력에 유의하며 모델링하였다. 발전소 모델링 후 해석의 타당성을 검증하였는데, 회수펌프 후단에 설치된 히트펌프를 운전한 경우와 운전하지 않은 경우의 실제 광교 열병합발전소 운전 데이터를 해석 모델링에 입력하여 얻어진 결과 값을 실측 값과 비교하였다.
가스터빈과 증기터빈은 초기 투자비가 적고 정격부하 시 높은 열효율과 유지보수 및 시공의 용이성 등을 고려하여 다축형이 적용되었으며, 기기의 조합은 인근 지사와의 적극적 연계운전에 따른 높은 이용률을 감안하여 열효율과 투자비와 운영성, 설비배치 등에서 가장 유리한 1+1+1(가스터빈과 배열회수 보일러, 증기터빈을 각 1기씩 설치) 방식을 채택하였다. 배열회수보일러는 고가의 LNG 연료를 사용하는 광교 열병합발전소의 특성을 고려하여 용량증대보다는 효율 향상을 위한 비조연 방식을 적용하였으며, 증기터빈에서 유효하게 전력생산에 기여하지 못하는 저온의 배기가스 여열을 회수하기 위해서 지역난방수 예열기도 설치하였다.
2의 광교 열병합발전소 계통도에서 지역난방수가가열되는 각종 설비들 사이의 여러 곳에 설치가 가능하다. 본 논문에서는 히트펌프의 설치위치를 회수펌프 후단, 가열기 전단, 예열기 전단의 3가지 경우로 구분하여 해석을 수행하였다. 히트펌프의 용량은 5 Gcal/h로 하였는데 이는 현재 광교 열병합발전소에서 설치하여 운영하고 있는 히트펌프를 기준으로 한 것이다.
본 연구에서는 최근 건설된 광교 열병합발전소에 대해 기기 냉각수 폐열을 활용하는 히트펌프가 설치되었을 경우 다양한 운전조건에서의 증기터빈 출력, 열교환기 열 출력, 전체 발전소 효율변화를 해석하고 예측하는 상용 프로그램인 THERMOFLEX를 활용하여 분석하였다. 이 프로그램에서는 성능분석에 필요한 계산 모듈과 단위기기들의 특성에 대한 정보를 내장하고 있어 사용자가 직접 개별기기들의 모델을 구축하고 구축한 모델들을 연계 ∙ 통합함으로써 개별기기의 성능변화가 전체 발전소에 미치는 영향을 분석할 수 있다.
본 연구에서는 최근 건설된 한국지역난방공사 150 MW급 광교 열병합발전소를 대상으로 기기 냉각수 폐열을 이용한 5 Gcal/h 용량 히트펌프의 설치 위치가 발전소 성능에 미치는 영향을 발전소 성능해석용 상용 프로그램을 활용하여 3가지 조건에서 분석하였다. 분석에 앞서 프로그램의 타당성을 검증하여 양호한 결과를 얻은 후 히트펌프 위치별 성능해석을 수행한 결과 아래와 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 최근 건설된 광교 열병합발전소에 대해 기기 냉각수 폐열을 활용하는 히트펌프가 설치되었을 경우 다양한 운전조건에서의 증기터빈 출력, 열교환기 열 출력, 전체 발전소 효율변화를 해석하고 예측하는 상용 프로그램인 THERMOFLEX를 활용하여 분석하였다. 이 프로그램에서는 성능분석에 필요한 계산 모듈과 단위기기들의 특성에 대한 정보를 내장하고 있어 사용자가 직접 개별기기들의 모델을 구축하고 구축한 모델들을 연계 ∙ 통합함으로써 개별기기의 성능변화가 전체 발전소에 미치는 영향을 분석할 수 있다. 따라서 우선 광교 열병합발전소의 정확한 모델링을 위해 광교 발전소를 구성하고 있는 단위기기 및 전체 계통을 이해하고 발전소 설계 데이터를 분석하여 프로그램 내 발전소 모델링을 하였고, 광교 발전소 운영 관계자로부터 실제 운전 성능 데이터를 입수하여 실제 성능과 차이를 비교하여 예측프로그램의 타당성을 확립하였다.
따라서 우선 광교 열병합발전소의 정확한 모델링을 위해 광교 발전소를 구성하고 있는 단위기기 및 전체 계통을 이해하고 발전소 설계 데이터를 분석하여 프로그램 내 발전소 모델링을 하였고, 광교 발전소 운영 관계자로부터 실제 운전 성능 데이터를 입수하여 실제 성능과 차이를 비교하여 예측프로그램의 타당성을 확립하였다. 이후 히트펌프의 위치를 회수펌프 후단, 가열기 전단, 예열기 전단으로 다양하게 모델링하여 열평형도 해석을 수행하였으며, 예측 결과 분석을 통해 히트펌프 설치 위치가 발전소 성능에 미치는 영향을 고찰하였다.
따라서 히트펌프 설치위치가 열병합발전소 성능에 미치는 영향을 분석하기 위해 우선 본 성능해석 프로그램으로 광교 열병합발전소 모델링을 수행하였다. 정확한 모델링을 위해 발전소 설계 데이터에 대한 분석을 하였고 실제 성능과 가까운 결과 값을 얻을 수 있도록 실제 운전 데이터와 비교하였으며, 모델링 한 결과와 성능이 다르게 나올 경우에는 원인을 분석하여 성능에 영향을 미치는 설계요소를 계속적으로 조정해가면서 발전소를 모델링하였다. 또한 본 프로그램 내에 내장되어 있지 않은 기기에 대해서는 대안을 찾아 입력 및 해석하였는데, 예를 들어 프로그램 내에는 냉동기가 있으나 히트펌프는 내장되어 있지 않았는데 냉동기와 히트펌프가 동일한 사이클임을 착안, 냉동기를 히트펌프 대신 입력 후 성능계수 등 냉동기와 계산방법이 다른 설계 값 입력에 유의하며 모델링하였다.
기력, 복합, 열병합 등 다양하고 광범위한 열시스템에 대한 성능모사가 가능하고, 정격부하를 포함해 다양한 운전부하에서 성능분석이 가능하여 국내 및 국외에서 발전플랜트 설계 및 성능진단용으로 주로 사용되고 있다. 특히, 표준화되어 있는 발전소뿐만 아니라 표준화되지 않는 특별한 형태의 발전 시스템 및 산업 공정의 성능모사를 실시할 수 있는 특징이 있으며, 오토캐드와 유사한 형식으로 사용자가 직접 해당 설비 아이콘을 끌어와 발전소에 들어가는 기기 등을 직접 배치한 후 설계 조건 데이터를 입력, 시뮬레이션을 통해 성능 분석을 시행한다. 따라서 사용자가 착안한 특별한 형태의 시스템을 직접 설계해 볼 수 있으며, 다양한 조건을 변화시켜 해당 시스템의 타당성 및 성능을 예측해 볼 수 있다.
대상 데이터
본 연구는 상용 성능해석 프로그램인 미국 THERMOFLOW사가 만든 프로그램을 사용하였다. 본 프로그램은 발전소 및 다양한 산업 공정을 설계하고 성능을 진단하는 시뮬레이터이다.
데이터처리
또한 본 프로그램 내에 내장되어 있지 않은 기기에 대해서는 대안을 찾아 입력 및 해석하였는데, 예를 들어 프로그램 내에는 냉동기가 있으나 히트펌프는 내장되어 있지 않았는데 냉동기와 히트펌프가 동일한 사이클임을 착안, 냉동기를 히트펌프 대신 입력 후 성능계수 등 냉동기와 계산방법이 다른 설계 값 입력에 유의하며 모델링하였다. 발전소 모델링 후 해석의 타당성을 검증하였는데, 회수펌프 후단에 설치된 히트펌프를 운전한 경우와 운전하지 않은 경우의 실제 광교 열병합발전소 운전 데이터를 해석 모델링에 입력하여 얻어진 결과 값을 실측 값과 비교하였다.
성능/효과
5와 같다. 발전소 전기출력은 178,810 kW이며, 열출력은 137.66 Gcal/h, 전기효율은 46.93%이며, 전체 효율은 89.03%로 나타났다. Location 1 대비 전기출력은 29 kW 감소되었으며, 열출력은 0.
가열기 전단에서는 히트펌프의 영향으로 55℃의 회수온도가 57℃로 올라갔으며, 가열기 출구측 온도를 110℃로 맞추기 위해 지역난방수 유량은 2,052 ton/h 필요하였다. 발전소 전기출력은 178,839 kW이며, 열출력은 137.30 Gcal/h, 전기 효율은 46.94%이며, 전체 효율은 88.94%로 나타났다. Fig.
6과 같다. 발전소 전기출력은 178,973 kW이며, 열출력은 135.90 Gcal/h, 전기효율은 46.98%이며, 전체 효율은 88.55%로 나타났다. Location 1 대비 전기출력은 134 kW 증가되었으며, 열출력은 1.
07 Gcal/h의 감소가 있었다. 전체 효율은 열 생산량이 많은 Location 4가 에너지이용 효율이 좋은 것으로 평가되었으나, 회수펌프 후단에 히트펌프가 설치된 경우와 성능을 비교할 때 전기 및 열출력 변화량이 히트펌프 1대를 설치한 경우보다 더 좋은 조건이 없기 때문에 히트펌프를 분산 설치하는 것은 공사비가 추가 소요될 수 있는 단점이 있어 고려대상에서 제외해도 무방한 것으로 판단된다.
42℃ 상승은 배압을 상승시키는 요인으로 작용된다. 전체적으로는 유량의 증가에 따른 배압 하락의 효과보다 가열기 입구측 온도 증가에 따른 배압 상승효과가 더 컸으며, 이에 따라 증기터빈 출력이 감소된 것으로 분석되었다. 열출력의 경우 0.
히트펌프를 회수펌프 후단에 설치한 기준 운전조건에서 히트펌프 위치를 변경하여 가열기 전단에 설치하였을 경우 전기출력이 감소되고 열출력은 증가하였으며, 예열기 전단에 설치하였을 경우 전기출력은 증가되고 열출력은 감소하였다. 총효율로 표현되는 발전소 성능은 히트펌프를 회수펌프 후단에 설치한 기준 운전조건에서 88.94% 총효율을 보였으나, 히트펌프 위치를 변경하여 가열기 전단에 히트펌프를 설치한 경우에는 89.03%, 예열기 전단에 히트펌프를 설치한 경우에는 88.55%로 나타났다. 가열기 전단에 히트펌프를 설치한 경우가 회수 펌프 후단에 설치한 경우보다 총효율이 더 높게 나타났는데 그 이유는 가열기 전단에 히트펌프를 설치한 경우에 전기출력 감소량보다 열출력 증가량이 더 커서 총효율 상승에 기여했기 때문이다.
해석 결과 회수펌프 후단에 히트펌프가 설치된 경우와 비교하여 Location 4는 2 kW 감소되었고 Location 5, Location 6, Location 7은 각각 28 kW, 71 kW, 97 kW의 전기가 더 생산되었다. 열출력은 Location 4부터 Location 7까지 각각 0.
히트펌프를 회수펌프 후단에 설치한 기준 운전조건에서 히트펌프 위치를 변경하여 가열기 전단에 설치하였을 경우 전기출력이 감소되고 열출력은 증가하였으며, 예열기 전단에 설치하였을 경우 전기출력은 증가되고 열출력은 감소하였다. 총효율로 표현되는 발전소 성능은 히트펌프를 회수펌프 후단에 설치한 기준 운전조건에서 88.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
열병합발전소에 히트펌프를 설치할 경우 사용 가능한 열원은?
열병합발전소에 히트펌프를 설치할 경우 사용가능한 열원으로 증기터빈의 응축기 냉각수 폐열과 기기 냉각수 폐열을 고려할 수 있는데, 한국지역난방공사에는 최근에 파주, 고양삼송, 광교 열병합발전소 건설 시 폐열회수 조건 및 경제성 등을 고려하여 기기 냉각수 폐열을 열원으로 활용하는 히트펌프를 설치하여 운영하고 있다. 지역 난방 사용자로부터 회수된 지역난방수는 지역난방수 예열기(DH Economizer)와 지역난방수 가열기(DH Heater)를 통해 다시 지역에 공급되는 온도까지 가열되며, 히트펌프에서 회수된 폐열은 지역난방수 가열의 보조열원으로 활용 가능하다.
히트펌프의 장점은?
히트펌프는 연소를 동반하지 않기 때문에 화석연료의 연소과정에서 발생하는 이산화탄소(CO2)의 배출을 억제 함과 동시에 산업체 폐수, 배증기, 냉각수, 지하수, 하수 등 이미 존재하는 다양한 열을 활용할 수 있다는 장점이 있다. 우리나라는 발전자회사와 민간발전회사를 중심으로 해수나 냉각탑을 통해 버려지는 열과 연료전지 냉각수 열, 하수처리장 온배수 열 등을 회수하는데 히트펌프가 적용되고 있다.
히트펌프가 회수할 수 있는 폐열량은 어떻게 결정되는가?
히트펌프는 기기 냉각수 냉각기와 병렬로 연결되어 냉각수 폐열을 회수하게 된다. 회수할 수 있는 폐열량은 기기 냉각수 설비가 담당하는 냉각부하에 따라 결정된다. Table 1은 광교 열병합발전소 내 냉각이 필요한 기기 및 필요 냉각수 유량 현황이며, 히트펌프는 회수되는 55℃ 의 지역난방수를 65℃로 승온시키고, 이때의 열원으로 사용되는 기기 냉각수는 40℃에서 35℃로 냉각된다.
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