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히트펌프를 적용한 터보팽창기 천연가스 정압기지의 열역학적 분석
Thermodynamic Analysis on Hybrid Turbo Expander - Heat Pump System for Natural Gas Pressure Regulation 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.18 no.4, 2014년, pp.13 - 20  

성태홍 (부산대학교 기계공학부) ,  김경훈 (금오공과대학교 기계공학부) ,  한상조 (서울과학기술대학교 기계자동차공학과) ,  김경천 (부산대학교 기계공학부)

초록
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상업용 천연가스 배급 시스템에서 천연가스의 공급압력은 압력조절밸브를 사용하여 제어하며 이때 막대한 압력에너지가 낭비된다. 이러한 폐압에너지는 터보 팽창기와 같은 터보기계를 사용하여 회수할 수 있으나 팽창과정에서 발생하는 Joule-Thompson 효과에 따라서 큰 온도강하가 발생한다. 터보 팽창기 전단 또는 후단에 보일러를 설치하여 영하의 온도를 방지할 수 있으며 또한 보일러를 대체하여 연료전지나 가스엔진의 폐열을 이용하여 천연가스를 예열할 수도 있으나 하이브리드 시스템의 구동을 위해 운영규모에 따라 일정량을 소모해야 한다. 이 연구에서는 천연가스가 가지고 있는 압력에너지를 활용하여 천연가스의 소모 없이 터보 팽창기와 연결된 히트펌프를 구동하여 천연가스를 예열하는 시스템을 제안하고 증발온도, 응축온도 및 작동유체의 변화에 따른 시스템의 열역학적 특성을 분석하였다. R717 냉매가 예상 작동범위 내에서 가장 높은 COP와 가장 낮은 압축일을 나타내 제안된 하이브리드 시스템에 적합함을 확인하였다. 보일러시스템과의 경제성 분석을 통해 천연가스를 LNG 형태로 수입하고 있는 국내의 경우 히트펌프 하이브리드 시스템이 경쟁력 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

In natural gas distribution system, gas pressure is regulated correspond to requirement using throttle valve which is releasing huge pressure energy as useless form. The waste pressure can be recovered by using turbo machinery devices such as a turbo expander. In this process, excessive temperature ...

주제어

#pressure regulation   #waste pressure   #turbo expander   #heat pump   #refrigerants   #hybrid system   #net profit comparison  

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 본 연구에서는 터빈에서 발생하는 기계적 일을 활용하여 히트펌프 사이클의 압축기를 구동하고 터빈에서 요구되는 예열을 수행하는 하이브리드 시스템을 제안하고 하이브리드 시스템에 적합한 냉매를 선정한다. 대기온도의 변화에 따라서 증발온도가 변화할 때 시스템의 동작특성을 분석하고 보일러를 적용한 시스템과의 비교를 통해 타당성을 분석한다.
  • 본 연구에서는 해석 대상이 되는 천연가스 정압기지의 작동조건을 도시공급 천연가스 정압기지로 국한한다. 천연가스의 조성은 Table 1의 경우로 한정한다[12].

가설 설정

  • 천연가스의 조성은 Table 1의 경우로 한정한다[12]. 열원은 대기로 가정한다. 시스템에서 열손실은 무시하며 터빈과 압축기를 제외한 요소의 압력손실도 무시한다.
  • 시스템에서 열손실은 무시하며 터빈과 압축기를 제외한 요소의 압력손실도 무시한다. 터빈과 압축기의 등엔트로피 효율은 일정하다고 가정한다.
  • 히트펌프 시스템의 냉매 질량 유량은 천연가스의 예열량과 응축기의 열교환량을 같다고 가정하여 계산한다. 마찬가지로 히트펌프 시스템의 냉각공기 질량 유량도 냉각공기와 증발기의 열교환량에 대한 균형식을 이용하여 계산한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
터보팽창기는 어떤 문제가 발생할 수 있는가? 터보팽창기는 폐압에서 에너지를 회수할 수 있는 대신 팽창과정에서 발생하는 Joule-Thompson 효과에 따라서 유체 온도가 떨어져 배관 내부에 고체상의 메탄하이드레이트가 발생하거나 시스템 주변에서리가 끼는 등의 영향을 미칠 수 있다. 터보팽창기 전 후단에 보일러를 설치해 충분한 예열을 가해 유체가 0℃ 이하로 떨어지는 것을 방지할 수 있다.
터보팽창기에서 Joule-Thompson 효과로 인해 나타나는 문제를 방지하기 위해 어떤 방법을 사용하는가? 터보팽창기는 폐압에서 에너지를 회수할 수 있는 대신 팽창과정에서 발생하는 Joule-Thompson 효과에 따라서 유체 온도가 떨어져 배관 내부에 고체상의 메탄하이드레이트가 발생하거나 시스템 주변에서리가 끼는 등의 영향을 미칠 수 있다. 터보팽창기 전 후단에 보일러를 설치해 충분한 예열을 가해 유체가 0℃ 이하로 떨어지는 것을 방지할 수 있다. 이 때 연료전지나 가스엔진에서 발생하는 폐열을 활용해 천연가스 예열원으로 사용할 수 있다[5-7].
천연가스의 가압이 LNG 기화 전에 시행되는 이유는 무엇인가? 이송과정에서는 거리에 비례해 압력손실이 발생하기 때문에 상업용 천연가스 배급망에서는 천연가스를 가압하여 공급한다. 이때 액체상태에서 가압하는 것이 기체상태에서 가압하는 것보다 효율이 높으므로 천연가스의 가압은 수입한 LNG를 기화시키기 전 단계에서 시행한다. 가압 정도는 배급망에 추가적인 가압기지를 설치할 필요가 없는 높은 압력으로 이루어진다.
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참고문헌 (13)

  1. Pozivil, J., "Use of expansion turbines in natural gas pressure reduction stations." Acta Montanistica Slovaca, 3(9), 258-260, (2004) 

  2. Hedman, B. A., "Waste energy recovery opportunities for interstate natural gas pipelines." Interstate Natural Gas Association of America, (2008) 

  3. Rahman, M. M., "Power generation from pressure reduction in the natural gas supply chain in Bangladesh", Transaction of the Mech. Eng. Div., The Institution of Engineers, Bangladesh, 41(2), 89-95, (2010) 

  4. Ardali, E. K., and Heybatian, E., "Energy Regenaration in Natural Gas Pressure Reduction Stations by Use of Gas Turbo-Expander; Evaluation of Available Potential in Iran", In proceedings 24th world gas conference, 5-9, (2009) 

  5. Howard, C., Oosthuizen, P., and Peppley, B., "An investigation of the performance of a hybrid turboexpander-fuel cell system for power recovery at natural gas pressure reduction stations", Applied Thermal Engineering, 31(13), 2165-2170, (2011) 

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  6. Sung, T. and Kim, K. C., "Thermodynamic Analysis on Hybrid Molten Carbonate Fuel Cell - Turbo Expander System for Natural Gas Pressure Regulation", KIGAS, 18(2), 28-34, (2014) 

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  7. Kostowski, W. J., and Uson, S., "Thermoeconomic assessment of a natural gas expansion system integrated with a co-generation unit", Applied Energy, 101, 58-66, (2013) 

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  8. Bisio, G., "Thermodynamic analysis of the use of pressure exergy of natural gas", Energy, 20(2), 161-167, (1995) 

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  9. Ha, J. M., Hong, S., You, H. S. and Kim, K. C., "Turbo Expander Power Generation Using Pressure Drop in Natural Gas Pipeline", KIGAS, 16(3), 1-7, (2012) 

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  10. Maddaloni, J. D., and Rowe, A. M., "Natural gas exergy recovery powering distributed hydrogen production", International journal of hydrogen energy, 32(5), 557-566, (2007) 

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  11. Ha, J. M., Hong, S. and Kim, K. C., "Thermodynamic analysis on the feasibility of turbo expander power generation using natural gas waste pressure", KIGAS, 6(6), 136-142, (2012) 

    원문보기 상세보기 crossref

  12. Lemmon, E. W., Huber, M. L., and McLinden, M. O., "NIST Standard Reference Database 23: Reference Fluid Thermodynamic and Transport Properties-REFPROP. 9.0", (2010) 

  13. British Standard BS EN 12186:2000 Gas supply systems. Gas pressure regulating stations for transmission and distribution. Functional requirements. 

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