[논문]수학적 모델링 방법에 기초한 복합발전 공정의 정상상태 모사시스템 개발

김신혁; 이시황; 주용진; 이상욱; 손병모; 오민

doi:10.9713/kcer.2015.53.5.545

초록
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복합발전 공정의 모델링 및 모사는 공정의 운전 및 설계 조건에 따른 공정변수의 변화를 정량적으로 예측하기 위한 중요한 접근방법이다. 본 연구에서는 현재 사용되는 복합발전공정의 정상상태 모사기의 단점을 보완하여, 사용자의 편의성과 개발자의 핵심기술 모델링을 가능하게 하는 공정 모델링 시스템을 개발하였다. 복합발전 공정의 주요 장치들을 분석하여 수학적 모델을 개발하였으며 이를 종합하여 모델라이브러리로 구성하였다. 또한 모사의 목적과 입수 가능한 자료에 따라 사용되는 모델의 상세도가 다르다는 점을 고려하여 주요장치에 대해 다른 상세도의 모델을 개발하였다. 복합발전 상업공정을 개발된 모델링 시스템을 사용하여 모델링과 모사를 수행하였으며 모사의 결과를 데이터자료와 비교 검증하였다. 검증의 모사결과와 자료데이터는 1% 내의 오차를 보였으며 개발된 모델링 시스템이 실제 공정에 응용될 수 있음을 보여주었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Process modeling and simulation is a powerful methodology to quantitatively predict the change of process variables when operating and design conditions are changed. In this study, considering drawbacks of currently used process simulator for combined cycle plants, we developed process modeling syst...

Process modeling and simulation is a powerful methodology to quantitatively predict the change of process variables when operating and design conditions are changed. In this study, considering drawbacks of currently used process simulator for combined cycle plants, we developed process modeling system equipped with an ease of use and flexibility for model development. For this purpose, the analysis of combined cycle processes was carried out and consequently, mathematical models and libraries were developed. Furthermore, in view of the fact that the level of the abstraction of process models depends on the purpose of simulation as well as the available data, simple and rigorous models were also developed for some important units. In use of reference combined plant, we executed process simulation using the developed modeling system and the comparison was made between the results of simulation and the reference data. Less than 1% marginal error was identified and we concluded that the modeling system can be applied for commercial combined cycle processes.

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문제 정의

언급된 2가지 방식에 대한 고찰을 고려할 때 가장 이상적인 모델링 시스템은 GateCycle과 같이 기본 장치에 대한 라이브러리를 아이콘 형태로 제공하여 사용자의 편의성을 증진시키고 gPROMS와 같이 수학적 모델링이 가능한 형태라 할 수 있다. 본 연구에서는 gPROMS 소프트웨어를 기반으로 하여 복합발전의 기본 구성요소를 라이브러리로 제공하는 복합발전 전용 모델링 시스템을 개발하였다. 본 연구를 통해 개발된 모델링 시스템은 일반 사용자를 위한 아이콘 기반의 모델링 환경과 라이브러리의 수학적 모델 개발자를 위한 모델링 환경을 제공하여 편이성과 전문성을 동시에 얻을 수 있도록 하였다.
본 연구에서는 gPROMS 소프트웨어를 기반으로 하여 복합발전의 기본 구성요소를 라이브러리로 제공하는 복합발전 전용 모델링 시스템을 개발하였다. 본 연구를 통해 개발된 모델링 시스템은 일반 사용자를 위한 아이콘 기반의 모델링 환경과 라이브러리의 수학적 모델 개발자를 위한 모델링 환경을 제공하여 편이성과 전문성을 동시에 얻을 수 있도록 하였다. 개발된 모델링 시스템을 문헌에 발표된 복합발전 공정[10]에 대해 적용하여 응용성과 정확도를 검증하였다.
본 연구를 통하여 복합발전 공정의 모델링 및 모사를 수행할 수 있는 모델링 시스템을 개발하였다. 모델링 시스템은 수학적 모델을 개발하는 개발자와 개발된 모델 라이브러리를 이용하여 복합공정의 모사를 수행하는 일반 사용자가 통합된 환경에서 사용할 수 있도록 구현하였다.

제안 방법

6과 같이 구성하였다. 이를 통하여 기존 타 공정모사기들과 같은 드래그앤 드롭(Drag and drop) 방식의 편한 업무환경을 제공하였으며, 3장에서 수행된 공정모사를 위의 환경을 사용하여 수행하였다.
개발된 모델링 시스템을 사용하여 복합발전 공정의 정상상태 모사를 수행하였다. 모사를 위해 사용된 복합발전 공정은 400 MW의 용량을 가진 Shell 가스화기에 기초한 석탄가스화 복합발전 공정이다[10].
632 MW로 나타났다. 참고자료의 경우 고압, 중압, 저압 스팀터빈에서 생산되는 전력량을 각기 고려하지 않고 전체의 합으로 나타내었으나, 본 연구의 경우 각 스팀터빈에서 생산되는 전력량을 개별적으로 계산하였다. 가스흐름과 증기흐름에 있어 온도에 대한 참고자료와 모사결과의 차이는 3.
본 연구를 통하여 복합발전 공정의 모델링 및 모사를 수행할 수 있는 모델링 시스템을 개발하였다. 모델링 시스템은 수학적 모델을 개발하는 개발자와 개발된 모델 라이브러리를 이용하여 복합공정의 모사를 수행하는 일반 사용자가 통합된 환경에서 사용할 수 있도록 구현하였다. 이를 위하여 복합발전 공정에 모델링과 모사에 필요한 요소 장치들을 분석하였고, 이를 기반으로 복합발전 공정 전용 수학적 모델 라이브러리를 개발하였다.
모델링 시스템은 수학적 모델을 개발하는 개발자와 개발된 모델 라이브러리를 이용하여 복합공정의 모사를 수행하는 일반 사용자가 통합된 환경에서 사용할 수 있도록 구현하였다. 이를 위하여 복합발전 공정에 모델링과 모사에 필요한 요소 장치들을 분석하였고, 이를 기반으로 복합발전 공정 전용 수학적 모델 라이브러리를 개발하였다. 수학적 모델 라이브러리는 일반 사용자를 위한 아이콘 기반의 환경과 개발자를 위한 텍스트 환경으로 구성되어 있다.
수학적 모델 라이브러리는 일반 사용자를 위한 아이콘 기반의 환경과 개발자를 위한 텍스트 환경으로 구성되어 있다. 마지막으로 개발된 모델링 시스템을 사용하여 상업용 복합발전 공정의 모델링 및 모사를 수행하였다. 참고자료와 모사의 결과를 비교하였을 때, 가스터빈의 전력량 생산의 경우 각각 272.

대상 데이터

5에 나타난 바와 같이 사용자 인터페이스, 물성 데이터 베이스, 수치해법, 수학적 모델 라이브러리로 구성되어 있다. 물성 데이터 베이스는 Infochem사의 Multiflash[16]와 표준 스팀 테이블을 사용하였다. 모델 라이브러리는 복합발전 공정에서 사용되는 요소장치(Table 1)에 대한 수학적 모델과 이에 대응되는 아이콘의 집합체로 본 연구를 통하여 개발된 가장 중요한 연구성과 중의 하나이다.
개발된 모델링 시스템을 사용하여 복합발전 공정의 정상상태 모사를 수행하였다. 모사를 위해 사용된 복합발전 공정은 400 MW의 용량을 가진 Shell 가스화기에 기초한 석탄가스화 복합발전 공정이다[10]. 대상 공정은 272 MW의 전력을 생산하는 가스터빈과 188 MW의 전력을 생산하는 3개의 스팀터빈으로 구성되어 있다.
모사를 위해 사용된 복합발전 공정은 400 MW의 용량을 가진 Shell 가스화기에 기초한 석탄가스화 복합발전 공정이다[10]. 대상 공정은 272 MW의 전력을 생산하는 가스터빈과 188 MW의 전력을 생산하는 3개의 스팀터빈으로 구성되어 있다. 공정의 상세 구성은 Fig.
047 MW로 나타났다. 압축기를 운전하기 위하여 사용되는 소비전력은 참조자료의 경우 237.1 MW, 모사결과의 경우 238.903 MW이며 동일한 전력발전기 손실(3.9 MW)가 사용되었다. 결과적으로 총 생산된 전력과 압축기 소비전력 그리고 발전기 손실을 고려한 실제생산전력은 두 경우에 대하여 각각 272.

데이터처리

본 연구를 통해 개발된 모델링 시스템은 일반 사용자를 위한 아이콘 기반의 모델링 환경과 라이브러리의 수학적 모델 개발자를 위한 모델링 환경을 제공하여 편이성과 전문성을 동시에 얻을 수 있도록 하였다. 개발된 모델링 시스템을 문헌에 발표된 복합발전 공정[10]에 대해 적용하여 응용성과 정확도를 검증하였다.

이론/모형

압축기를 이용하여 압력을 상승시킨 공기에는 추가로 N₂를 보충하여 가스터빈의 출력효율을 증대시키고 있다. 가스터빈의 폐가스의 주성분은 N₂, O₂, H₂O등인 비극성 혼합기체로 모사과정에서 필요한 엔탈피, 열용량 등의 열역학적 물성치 계산은 Peng-Robinson[17] 방법을 사용하였다. 해당 EOS 아래 식 (1)과 같다.
물질 및 에너지 수지를 계산하기 위하여 Fig. 9와 같은 배열회수보일러의 핀치점 다이어그램(Pinch point diagram)을 사용하였다. Shell IGCC Plant[10]에 사용된 HRSG의 경우 참고자료를 토대로 나타낸 HP, IP, LP의 핀치점 온도차이가 각각 33.

성능/효과

8 ^oC로 나타났다. 가스터빈과 스팀터빈으로부터 생산되는 전력량을 비교하였을 때, 참고자료와 모사결과의 차는 무시될 수 있을 정도로 미미한 것으로 나타났다.
마지막으로 개발된 모델링 시스템을 사용하여 상업용 복합발전 공정의 모델링 및 모사를 수행하였다. 참고자료와 모사의 결과를 비교하였을 때, 가스터빈의 전력량 생산의 경우 각각 272.3 MW, 272.279 MW로, 스팀터빈의 전력량 생산의 경우 188.8 MW, 188.632 MW로 그 차이는 미미하게 나타났다. 모사를 통한 비교를 통하여 개발된 복합발전용 모델링 시스템은 실제 공정에 유효하게 사용될 수 있음을 검증할 수 있었다.
632 MW로 그 차이는 미미하게 나타났다. 모사를 통한 비교를 통하여 개발된 복합발전용 모델링 시스템은 실제 공정에 유효하게 사용될 수 있음을 검증할 수 있었다.
9 MW)가 사용되었다. 결과적으로 총 생산된 전력과 압축기 소비전력 그리고 발전기 손실을 고려한 실제생산전력은 두 경우에 대하여 각각 272.3 MW, 272.279 MW로 나타났다.

후속연구

동적 모사의 경우, 제어 구조의 동특성 분석 및 적합성, 시운전의 절차 점검 등에 유용하게 사용될 수 있다. 이를 위해 정상상태의 수학적 모델을 동적상태의 수학적 모델로의 전환이 요구되며 수학적 모델과 수치해법과의 연관성에 대한 추가적인 연구가 요구된다. 이에 더하여 주어진 조건에서, 목적함수를 최적화시키기 위한(예를 들어 운전비용의 최소화, 투자 비용의 최소화) 설계 변수를 구하는 최적화 문제 또한 중요한 문제이다.
이에 더하여 주어진 조건에서, 목적함수를 최적화시키기 위한(예를 들어 운전비용의 최소화, 투자 비용의 최소화) 설계 변수를 구하는 최적화 문제 또한 중요한 문제이다. 통합된 환경에서 복합발전 공정의 모델링, 정상상태모사, 동적모사 및 최적화가 가능한 소프트웨어 시스템을 개발하는 것은 복합발전 공정의 설계 및 운전에 대한 이론적 연구 및 응용에 중요한 사항이며 이에 대한 추가적인 연구가 진행될 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가스터빈 복합발전은 무엇인가?	가스터빈 복합발전은 가스터빈과 고온의 배열가스를 이용하여 생성된 증기로 전기를 생산하는 스팀터빈으로 구성된 전력생산 공정이다. 복합발전 공정은 가스터빈과 스팀터빈의 균형과 연소기에서 사용되는 산소, 질소의 주입량이 주요 운전 인자로 작용하며[1], 배열회수보일러(HRSG, Heat Recovery Steam Generator)의 내부 구조는 전체 에너지 효율에 관계된다[2,3].
	공정 모사기 중 GateCycle, ASspen+, PRO/II 등은 어떤 장점이 있는가?	복합발전의모델링및정상상태모사를위하여 GE 사의 GateCycle[5], Aspen 사의 Aspen+[6], Schneider 사의 PRO/II[7] 등이 널리 사용된다. 이와 같은 소프트웨어는 수학적 모델 라이브러리를 아이콘의 형태로 제공하여 사용자가 쉽게 접근할 수 있으며 모델링 및 모사에소요되는 시간을 크게단축시킬 수 있다는 장점을 가지고있다. 특히 GateCycle의 경우, 스팀터빈 발전, 가스터빈 발전 및 복합 발전 분야에 특화되어 사용되고 있는 소프트웨어로 각 구성요소에 대한 기술적 자료를 라이브러리로 내장하고 있으며 자료의 범위와 전문성에서 매우 뛰어나다는 평가를 받고 있다.
	GateCycle의 장점은 무엇인가?	이와 같은 소프트웨어는 수학적 모델 라이브러리를 아이콘의 형태로 제공하여 사용자가 쉽게 접근할 수 있으며 모델링 및 모사에소요되는 시간을 크게단축시킬 수 있다는 장점을 가지고있다. 특히 GateCycle의 경우, 스팀터빈 발전, 가스터빈 발전 및 복합 발전 분야에 특화되어 사용되고 있는 소프트웨어로 각 구성요소에 대한 기술적 자료를 라이브러리로 내장하고 있으며 자료의 범위와 전문성에서 매우 뛰어나다는 평가를 받고 있다. 그러나 이와 같은 소프트웨어는 제공되는 라이브러리와 구성 장치의 수학적 모델이 근본적으로 사용자가 접근할 수 없도록 설계되어 있다는 문제점을 가지고 있다.

참고문헌 (19)

Kim, C. M., Kang, D. W. and Kim, T. S., "Performance Analysis of IGCC Gas Turbine Considering Turbine Operation Condition Change due to Modulation of Nitrogen Dilution," Trans. Korean Soc. Mech. Eng., 37(11), 1023-1029(2013).

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상세보기
Park, Y. C., Lee, T. Y., Park, J. H. and Ryu H. J., "Performance and Economic Analysis of Natural Gas/Syngas Fueled 100 MWth Chemical-Looping Combustion Combined Cycle Plant," Korean Chem. Eng. Res., 47(1), 65-71(2009).
Seyedan, B., Dhar, P. L., Gaur, R. R. and Bindra, G. S., "Computer Simulation of a Combined Cycle Power Plant," Heat Recoverys Ystems & CHP, 15(7), 619-630(1995).

상세보기
GateCycle, http://www.ge-mcs.com/en/bently-nevada-software/320-performance/1831-siweb-pl655.html.
Aspen Plus, http://www.aspentech.com.
PRO/II, http://software.invensys.com/products/simsci/design/pro-ii/.
gPROMS, http://www.psenterprise.com/gproms/.
Matlab, http://www.mathworks.com/products/matlab/.
Process Engineering Division, Shell Gasifier IGCC Base CasesPED-IGCC-98-002(1998).
Lee, H. J. and Lee, J. H., "Linear Model Predictive Control of an Entrained-flow Gasifier for an IGCC Power Plant," Korean Chem. Eng. Res., 52(5), 592-602(2014).

원문보기 상세보기
Park, M. H., Kim, J. J., Kim, Y. H. and Kim C., "Conceptual Design of the Minimum Integration IGCC," Energy Eng., 9(1), 1-9(2000).
Frank, P. I., David, P. D., Theodore, L. B. and Adrienne, S. L., Principles of HEAT and MASS TRANSFER, 7rd Ed., John Wiley & Sons, INC(2013).
Chase, D. L. and Kehoe, P. T., GE Combined-Cycle Product Line and Performance, GE Power Systems Schenectady, NY.
Shi, X. and Che, D., "Thermodynamic Analysis of an LNG Fuelled Combined Cycle Power Plant with Waste Heat Recovery and Utilization System," International Journal of Energy Research, Int. J. Energy Res., 2007(31), 975-998(2006).
Multiflash, http://www.kbcat.com/infochem-software/flow-assurance-software-multiflash.
Smith, J. M., Van Ness, H. C. and Abbott, M. M., Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics, 7rd Ed., McGRaWHILL(2005).
Khurmi, R. S., Steam Tables: with Mollier Diagrams in S.I. Unites, S.CHAND.
Ryu, T. Y., Yang, S. M., Jang, H. M., Choi, J.B., Myung, K. C., Lee, D. Y. and Choi, S. B., "Study on Safety Design of Vertical-Type Heat Recovery Steam Generator Based on Large-Scale Analysis," Trans. Korean Soc. Mech. Eng., 36(12), 1535-1542(2012).

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