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문제 정의
- 본 연구에서는 하수처리장 소화조에서 발생되는 바이오가스를 이용하여 엔진으로 발전을 하고 발전 배기열을 이용한 ORC 발전시스템을 하부 사이클로 구성할 경우 출력과 효율을 분석하여 성능을 예측하고자 한다.
- 열원 온도 증가에 따른 각종 변화량을 살펴보았다. 열원 온도가 증가할수록 작동유체 유량이 증가하였으며 이에 비례하여 입열량이 증가하여 출력이 증가하는 것으로 분석되었다.
제안 방법
- 작동유체계통(Working fluid system)은 터빈, 재생기, 응축기, 작동 유체이송펌프, 증발기로 구성되고, 터빈에서 배기되는 작동유체의 열을 회수하기 위해 재생기를 설치하고, 팽창터빈의 입구 압력과 배압의 변화에 따라서 성능의 변화를 분석하였다. 냉각계통(Cooling water system)은 수냉각 방식으로 하고, 기타 사이클을 구성하는 냉각수펌프, 작동유체이송펌프, 열매체유 이송펌프 등으로 시스템을 구성하여 성능해석을 수행하였다.
- 소화조에서의 바이오가스 생산량은 일일 최대 44,000 N㎥을 생산하고 있으며 혐기성 소화조에서 발생된 소화가스의 메탄농도는 약 60%로 구성되어 있다. 발생된 소화가스 중에 포함된 수분, 황산, 실록산 등을 제거하여 가스엔진 발전기용 연료로 공급하기 위하여 소화가스 탱크 후단에 제습설비, 탈황설비, 실록산 제거설비 등으로 전처리 설비가 구성되었다.
- 열원계통(Heat source system)은 바이오가스 배기가스 열원을 기준으로 실제 운전 Data를 기준으로 하였다. 배기열원과 작동유체와의 열교환은 설비 안전성, 부하제어 및 안정적인 운전을 위하여 통상 사용하는 열매체유를 활용한 간접열교환방식으로 시스템을 구성하였으며, 열 매체유는 운전온도가 -40℃에서 399℃로 광범위한 SYLTHERM 800 LIQUID로 선정하였다. 작동유체계통(Working fluid system)은 터빈, 재생기, 응축기, 작동 유체이송펌프, 증발기로 구성되고, 터빈에서 배기되는 작동유체의 열을 회수하기 위해 재생기를 설치하고, 팽창터빈의 입구 압력과 배압의 변화에 따라서 성능의 변화를 분석하였다.
- 본 연구에서는 하수처리장에서 운전 중인 용량 1,500 kW 바이오가스엔진 배기열원으로 유기랭킨사이클 발전 시스템을 구성하여 배기열원 온도 460℃, 유량 2.7 kg/s, 터빈 입구압력 20 bar 및 재생기 설치 등의 기준 조건하에서 작동유체 R-601a, R-123 및 R-245fa를 성능해석한 결과 R-601a가 가장 우수한 성능특성을 보였으며, 재생기 유무, 열원 온도, 유량, 터빈 입구압력 변화 등의 조건 변화에 따른 성능특성 영향에 대하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 열원계통(Heat source system)은 바이오가스 배기가스 열원을 기준으로 실제 운전 Data를 기준으로 하였다. 배기열원과 작동유체와의 열교환은 설비 안전성, 부하제어 및 안정적인 운전을 위하여 통상 사용하는 열매체유를 활용한 간접열교환방식으로 시스템을 구성하였으며, 열 매체유는 운전온도가 -40℃에서 399℃로 광범위한 SYLTHERM 800 LIQUID로 선정하였다.
- 용량 1,500 kW의 바이오가스엔진 기준사이클 성능해석 조건인 460℃ 온도와 유량 2.7 kg/s의 배기열로 유기 랭킨사이클을 구성하여 배기열원의 온도를 300℃에서 500℃까지 변화시켰을 때의 성능특성을 알아보았다.
- 용량 1,500 kW의 바이오가스엔진에서 기준사이클 성능해석 조건에서 터빈 입구압력을 10 bar에서 30 bar까지 변화시켰을 때 성능변화를 분석하였다.
- 유기랭킨사이클 기준조건에서 배기열원의 유량이 1 kg/s에서 5 kg/s 사이의 변화에 따른 성능해석을 수행하였으며, Fig. 7은 ORC 발전시스템의 기준조건에서 열원 유량 변화에 따른 작동유체 종류별 출력과 효율을 나타내고 있다.
- 배기열원과 작동유체와의 열교환은 설비 안전성, 부하제어 및 안정적인 운전을 위하여 통상 사용하는 열매체유를 활용한 간접열교환방식으로 시스템을 구성하였으며, 열 매체유는 운전온도가 -40℃에서 399℃로 광범위한 SYLTHERM 800 LIQUID로 선정하였다. 작동유체계통(Working fluid system)은 터빈, 재생기, 응축기, 작동 유체이송펌프, 증발기로 구성되고, 터빈에서 배기되는 작동유체의 열을 회수하기 위해 재생기를 설치하고, 팽창터빈의 입구 압력과 배압의 변화에 따라서 성능의 변화를 분석하였다. 냉각계통(Cooling water system)은 수냉각 방식으로 하고, 기타 사이클을 구성하는 냉각수펌프, 작동유체이송펌프, 열매체유 이송펌프 등으로 시스템을 구성하여 성능해석을 수행하였다.
- 하수처리장 바이오가스엔진 배기열을 회수하기 위해 ORC 발전시스템을 바이오가스엔진 하부 사이클로 구성하고, 배기열과 작동유체 사이의 열교환방법은 직접열교환방식을 사용하지 않고 설비 안전성, 부하제어 및 설비 운영의 편리성을 위해 중간매개체로서 열매체유를 이용하는 간접열교환방식을 채택하였다.
대상 데이터
- Table 1은 본 연구에서 사용한 3가지 작동유체 종류별 특징을 나타낸다. 본 연구에서는 중온 배기열을 열원으로 사용하므로 중온 영역에서 일반적으로 많이 사용하는 R-601a, R-123 및 R-245fa를 작동유체로 선정하였다.
이론/모형
- 중온 배기열 이용 유기랭킨사이클 성능해석을 위해서 발전플랜트 설계 및 성능진단용으로 플랜트 설계사 및 건설사에서 많이 사용되는 상용프로그램인 THERMOFLEX를 사용하였다.
성능/효과
- 1 kg/s일 때 R-601a는 59.93 kW의 출력과 13.55%의 효율을, R-123은 54.94 kW의 출력과 12.02%의 효율을, R-245fa는 44.92 kW의 출력과 8.78%의 효율을 나타내고, 중간 유량인 2.5 kg/s에서는 R-601a는 151 kW의 출력과 13.65%의 효율을, R-123은 138.5 kW의 출력과 12.12%의 효율을, R-245fa는 113.5 kW의 출력과 8.87%의 효율을 나타내며, 5 kg/s에서는 R-601a는 251.8 kW의 출력과 13.68%의 효율을, R-123은 230.8 kW의 출력과 12.15%의 효율을, R-245fa는 188.2 kW의 출력과 8.9%의 효율을 나타내었다. 세 가지 종류의 작동유체 중에서도 열원 온도 상승 시와 마찬가지로 R-601a가 출력과 효율측면에서 가장 우수한 성능을 나타내고 있었다.
- 36%의 효율을 나타내었다. 20 bar인 경우에는 R601a는 163.1 kW의 출력과 13.66%의 효율을, R-123은 149.7 kW의 출력과 12.13%의 효율을, R-245fa는 122.7 kW의 출력과 8.88%의 효율을 나타내며, 30 bar인 경우에는 R-601a는 151.30 kW의 출력과 14.48%의 효율을 나타내고, R-123은 137.90 kW의 출력과 12.61%의 효율을, R-245fa는 118.60 kW의 출력과 9.43%의 효율을 나타내었다. 일반적인 랭킨사이클에서는 터빈 입구 온도와 압력이 올라가면 출력이 상승하는 것이 보통이나 ORC 발전시스템에서는 다른 특성을 보여준다.
- 그림에서와 같이 온도가 높을수록 작동유체의 유량이 증가하여 입력열량이 증가하므로 출력과 효율이 각각 상승하였다. 300℃일 때 R-601a는 8.31 kW의 출력과 13.39%의 효율을, R-123은 29.82 kW의 출력과 11.88%의 효율을, R-245fa는 34.8 kW의 출력과 8.73%의 효율을 나타내고, 중간 온도인 400℃에서는 R-601a는 111.5 kW의 출력과 13.63%의 효율을, R123은 103.8 kW의 출력과 12.1%의 효율을, R-245fa는 89.04 kW의 출력과 8.85%의 효율을 나타내며, 500℃에서는 R-601a는 198.2 kW의 출력과 13.67%의 효율을, R-123은 180.90 kW의 출력과 12.14%의 효율을, R-245fa는 145.6 kW의 출력과 8.89%의 효율을 나타내었다. 세 가지 종류의 작동유체 중에서 R-601a가 출력과 효율측면에서 가장 우수한 성능을 나타내고 있었다.
- 21%의 효율이 상승하였다. R-245fa는 재생기 설치 시 122.7 kW의 출력과 8.88%의 효율을, 재생기가 없을 경우 108.8 kW의 출력과 7.87%의 효율로 재생기 설치 시 13.9 kW의 출력과 1.01%의 효율이 상승함을 알 수 있었다. 따라서 중온 이상의 배기열을 열원으로 사용 시는 성능향상과 투자비 측면에서 재생기 설치를 반드시 고려하여야 한다고 판단된다.
- 8은 ORC 발전시스템에서 터빈 입구 압력 변화에 따른 작동유체 종류별 출력과 효율을 나타내고 있다. 그림에서와 같이 터빈 입구 압력이 증가할수록 작동유체유량이 감소하여 입력 열량이 감소하는 것을 알 수 있었다. 터빈 출구 배압에 따라서는 응축기에서 방열 열량의 대소에 따라서 출력과 효율이 변화였으며 열원의 입력 열량은 동일하였다.
- 넷째, 배기열원의 유량 증가에 비례하여 출력이 상승하고 0.1 kg/s 증가함에 따라 출력이 약 2.86 kW�3.83 kW 상승된다.
- 다섯째, 터빈입구 압력 변화에 따라 작동유체 종류별 약 19 bar�23 bar 구간까지 출력이 증가하고 그 이상의 압력에서는 출력이 감소된다.
- 둘째, 터빈과 응축기 사이에 재생기를 설치할 경우 재생기가 없을 경우와 비교 시 약 1.01%~2.78%의 효율이 상승된다.
- 88%의 효율을 얻을 수 있었다. 세 가지 작동유체 중에서는 R-601a가 성능이 가장 우수하게 나타났으며, 이러한 시뮬레이션으로 열원 온도에 따른 최적 작동유체가 있음을 알 수 있었다.
- 89%의 효율을 나타내었다. 세 가지 종류의 작동유체 중에서 R-601a가 출력과 효율측면에서 가장 우수한 성능을 나타내고 있었다. 출력 증감비율은 열원 온도 1℃ 상승 시 R-601a는 0.
- 9%의 효율을 나타내었다. 세 가지 종류의 작동유체 중에서도 열원 온도 상승 시와 마찬가지로 R-601a가 출력과 효율측면에서 가장 우수한 성능을 나타내고 있었다. 그리고 출력 증감비율은 열원 유량이 매 초당 1 kg 상승 시 R-601a는 3.
- 셋째, 배기열원의 온도 상승에 비례하여 출력이 증가하고 1℃ 증가함에 따라 출력이 약 0.55 kW�0.84 kW 상승된다.
- 열원 온도 증가에 따른 각종 변화량을 살펴보았다. 열원 온도가 증가할수록 작동유체 유량이 증가하였으며 이에 비례하여 입열량이 증가하여 출력이 증가하는 것으로 분석되었다. 효율은 일정온도 구간까지는 입열량에 비례하여 효율이 증가하다가 일정온도 이후에는 큰 변화 없이 아주 미미하게 증가하였다.
- 그러나 효율은 압력상승에 비례하여 완만하게 증가하는 것으로 분석되었다. 이러한 분석 결과로부터 작동유체의 특성상 특정온도와 압력구간에서 최대의 출력을 얻을 수 있는 터빈입구 압력이 존재하는 것으로 분석된다.
- 4는 용량 1,500 kW 바이오가스엔진 배열을 이용한 ORC 발전시스템의 기준조건에서 작동유체 3가지 종류별 시뮬레이션 한 결과로 출력과 효율을 나타낸다. 작동 유체 종류별 성능해석에서 기준조건에서 작동유체 R601a는 163.1 kW의 출력과 13.66%의 효율을, R-123은 149.7 kW의 출력과 12.13%의 효율을, R-245fa는 122.7 kW의 출력과 8.88%의 효율을 얻을 수 있었다. 세 가지 작동유체 중에서는 R-601a가 성능이 가장 우수하게 나타났으며, 이러한 시뮬레이션으로 열원 온도에 따른 최적 작동유체가 있음을 알 수 있었다.
- 4장에서 정의한 기준조건하에서 작동유체를 변경하면서 그 성능특성을 알아보았다. 작동유체별 기준압력 20 bar에 대한 포화온도가 R-601a가 가장 높고 R-123, R-245fa 순으로 포화온도가 높았으며 포화온도가 높을수록 단위 유량당 엔탈피가 커서 터빈의 열낙차가 크고, 작동유체 순환량은 줄어들어 소비동력이 작아 출력과 효율이 증가하였다. 즉 열원 온도에 적합한 작동유체가 있으며 이는 포화압력과 온도 및 유량과 상관관계가 있어 출력과 효율에 영향을 미치고 있음을 알 수 있었다.
- 재생기 유무에 따라서는 재생기로 회수하느냐 아니면 응축기에서 방열하느냐에 따라서 출력과 효율이 변화였으며 열원의 입력 열량은 동일하였다. 재생기 설치 유무에 따른 작동유체 종류별 해석에서 R-601a는 재생기 설치 시 163.1 kW의 출력과 13.66%의 효율을, 재생기가 없을 경우 129.9 kW의 출력과 10.88%의 효율로 재생기 설치 시 33.2 kW의 출력과 2.78%의 효율이 상승하였다. R-123은 재생기 설치 시 149.
- 작동유체별 기준압력 20 bar에 대한 포화온도가 R-601a가 가장 높고 R-123, R-245fa 순으로 포화온도가 높았으며 포화온도가 높을수록 단위 유량당 엔탈피가 커서 터빈의 열낙차가 크고, 작동유체 순환량은 줄어들어 소비동력이 작아 출력과 효율이 증가하였다. 즉 열원 온도에 적합한 작동유체가 있으며 이는 포화압력과 온도 및 유량과 상관관계가 있어 출력과 효율에 영향을 미치고 있음을 알 수 있었다. Fig.
- 이는 열원의 온도에 비례하여 열매체유 열교환기와 증발기에서 열교환량도 비례하여 증감하기 때문인 것으로 분석된다. 즉, 열매체유 열교환기와 증발기에서 작동유체의 출구온도는 동일하므로 열원의 입구 온도가 높을수록 열교환량이 증가하여 출력이 증가하고 열원의 온도가 낮을 경우에는 열매체유 열교환기의 열교환량이 작아져서 출력이 감소하는 것으로 분석되었다.
- 이는 열원의 온도 상승 시와 유사하게 유량 증가에 비례하여 열매체유 열교환기와 증발기에서 열교환량도 비례하여 증감하기 때문인 것으로 분석된다. 즉, 열매체유 열교환기와 증발기에서서 출구온도는 동일하므로 열원의 입구 유량이 증가할수록 열교환량이 증가하여 출력이 증가하고 열원의 유량이 작을수록 열매체유 열교환기의 열교환량도 작아져서 출력이 감소하고 있었다. 그러나 효율은 입력 열원 증감에 비례하여 출력이 증감하므로 큰 변화가 없었다.
- 첫째, 작동유체 R-601a, R-123 및 R-245fa로 성능 해석한 결과 R-601a가 163.1 kW의 발전출력과 13.66%의 효율로 가장 우수한 성능을 보였다.
- 유기랭킨사이클의 터빈입구는 작동유체의 포화 압력과 포화온도를 나타내므로 압력이 일정구간 이상 증가할 경우 포화온도도 증가하여 증발기에서 열회수량이 줄어들어 출력이 감소하는 것으로 분석된다. 터빈입구 압력 변화에 따른 출력화 효율의 변화를 분석한 결과 일정압력 이하까지는 입열량의 감소량 보다 터빈의 열낙차가 크므로 출력이 증가하다가 일정 압력 이상에서는 터빈의 열낙차의 증가량 보다 입열량의 감소가 더 커서 출력이 감소하는 것으로 분석된다. 그러나 효율은 압력상승에 비례하여 완만하게 증가하는 것으로 분석되었다.
- 열원 온도가 증가할수록 작동유체 유량이 증가하였으며 이에 비례하여 입열량이 증가하여 출력이 증가하는 것으로 분석되었다. 효율은 일정온도 구간까지는 입열량에 비례하여 효율이 증가하다가 일정온도 이후에는 큰 변화 없이 아주 미미하게 증가하였다. 이는 열원의 온도에 비례하여 열매체유 열교환기와 증발기에서 열교환량도 비례하여 증감하기 때문인 것으로 분석된다.
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