[논문]배압터빈을 사용하는 열병합발전소의 열 회수 온도에 따른 성능특성 분석

임신영; 이종준; 전영신; 김형택

doi:10.5293/kfma.2016.19.6.026

배압터빈을 사용하는 열병합발전소의 열 회수 온도에 따른 성능특성 분석
Performance Analysis on CHP Plant using Back Pressure Turbine according to Return Temperature Variation 원문보기

한국유체기계학회 논문집 = The KSFM journal of fluid machinery, v.19 no.6, 2016년, pp.26 - 33

임신영 (한국지역난방공사 중앙연구원) , 이종준 (한국지역난방공사 중앙연구원) , 전영신 (한국지역난방공사 중앙연구원) , 김형택 (아주대학교 에너지공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Combined heat and power (CHP) system is one of the power generation system which can generate both electricity and heat. Generally, mid-size and big-size CHP plant in Korea generate electricity from gas turbine and steam turbine, then supply heat from exhaust gas. Actually, CHP can supply heat using district heater which is located at low pressure turbine exit or inlet. When the district heater locates after low pressure turbine, which called back pressure type turbine, there need neither condenser nor mode change operating control logic. When the district heater locates in front of low pressure turbine or uses low pressure turbine extraction steam flow, which calls condensing type turbine, which kind of turbine requires condenser. In this case, mode change operation methods are used for generating maximum electricity or maximum heat according to demanding the seasonal electricity and heat.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 배압식 스팀터빈을 사용하는 열병합 복합 발전 시스템의 사용자 회수온도 변화에 따른 플랜트 성능 변화를 분석하였다. 이를 위하여 실제 상용운전 중인 열병합 플랜트의 설계데이터를 활용하여 시뮬레이션을 수행하고, 탈설계 해석을 통하여 회수온도 변화에 따른 플랜트 성능변화를 예측 하였다.
본 연구에서는 현재 상용 운전 중인 열병합 복합 화력발전 시스템을 선정하고, 전체 플랜트 열 성능 모델링을 수행하였다. 해당 플랜트는 복수기가 없는 배압식 스팀터빈을 사용하고 있다.
본 절에서는 DH의 공급온도 및 회수온도의 변화에 따른 열병합 발전플랜트의 성능을 해석하였다. 앞서 설명한 바와 같이 배압터빈의 경우 지역난방 회수수가 DH로 공급되고 DH는 배압터빈의 복수기와 유사한 역할을 하여 터빈의 배압을 결정하게 된다.

가설 설정

본 연구에서는 배압터빈을 사용하는 상용 복합화력 열병합발전시스템을 모사하고 온수열교환기로 공급되는 사용자측 회수온도를 변화시키면서 열병합발전소의 성능 변화를 분석하였다. 가스터빈의 출력은 동일한 상태로 가정하였으며, 이에 따른 전체 시스템 성능 변화를 분석하였다. 전체 시스템 성능의 변화를 해석하기 위하여 사용자에게 공급되는 난방 공급방식은 공급온도를 고정하고 공급하는 방식과 공급열량을 고정하는 두 가지 제어방식을 고려하였다.
전체 시스템 성능의 변화를 해석하기 위하여 사용자에게 공급되는 난방 공급방식은 공급온도를 고정하고 공급하는 방식과 공급열량을 고정하는 두 가지 제어방식을 고려하였다. 공급온도 제어 방식은 현재 지역난방 업체에서 공급하는 온도와 유사한 105℃ 조건을 사용하였으며, 공급열량 제어방식에서는 해당 플랜트의 설계 난방열량이 동일하게 사용자에게 공급된다는 가정 하에 해석을 수행하였다.
앞서 설명한 바와 같이 배압터빈의 경우 지역난방 회수수가 DH로 공급되고 DH는 배압터빈의 복수기와 유사한 역할을 하여 터빈의 배압을 결정하게 된다. 이 때 가스터빈은 동일한 외기조건에서 최대부하로 운전된다고 가정하였다.

제안 방법

1) 실제 상용운전 중인 열병합 플랜트의 설계 데이터를 기반으로 상용 프로그램을 활용하여 플랜트 역설계 시뮬레이션을 수행 하고 숨겨진 설계 파라미터를 도출하였다. RMS error는 약 0.
2) 탈설계 해석을 통하여 사용자 회수온도 변화에 따른 열병합 플랜트의 발전 성능변화 및 열·전기 종합 성능을 예측 하였다.
3) 지역난방열의 공급을 위한 지역난방수 제어 방식으로 공급온도 제어 및 공급열량 제어를 고려하였으며 지역난방수 제어 방식에 따른 시스템 성능의 변화를 확인하였다. 공급온도 제어의 경우, 사용자 회수온도 변화에 따른 전체 시스템 변화는 미미하게 보이며, 공급열량 제어 시 사용자 회수온도 변화가 열병합 플랜트 성능에 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다.
DH의 제어에 있어서 고려할 수 있는 제어방식으로 온도제어와 열량제어를 고려하였다. 첫 번째로 온도제어의 경우 사용자 측으로 공급되는 지역난방수의 공급 온도를 107℃로 일정하게 유지하는 방식이다.
본 연구는 가스터빈의 성능 변화 보다는 배압형 스팀터빈의 성능 변화에 초점을 맞추어 해석을 수행하였으며 이에 따라 가스터빈은 제작사 제공 설계 데이터 및 보정선도 기반으로 모델링하였다. Fig.
본 연구에서 모사된 배열회수 스팀보일러(Heat Recovery Steam Generator, 이하 HRSG)는 상대적으로 낮은 터빈 출구온도인 540℃ 조건에서 2중압 스팀터빈에 필요한 스팀과 지역난방열을 생산하기 위하여 HRSG 전단에 덕트버너가 설치되어 가스터빈 배기가스의 온도를 약 807℃까지 가열하도록 설계되었다. 기준 설계조건(대기온도 5℃)에서 배기가스 온도는 약 82℃로 설계되어 있으며, 고온 주증기 온도는 515℃, 유량은 78.
본 연구에서는 배압터빈을 사용하는 상용 복합화력 열병합발전시스템을 모사하고 온수열교환기로 공급되는 사용자측 회수온도를 변화시키면서 열병합발전소의 성능 변화를 분석하였다. 가스터빈의 출력은 동일한 상태로 가정하였으며, 이에 따른 전체 시스템 성능 변화를 분석하였다.
스팀터빈 및 HRSG, DH 등의 열교환기는 제작사에서 제공한 설계 데이터를 바탕으로 역설계를 수행하였으며 이를 바탕으로 탈설계 해석을 수행하였다.
3에 외기 조건 변화에 따른 가스터빈의 성능변화에 대한 보정 선도를 예시하였다. 실제 모델링에서는 Fig. 3의 데이터가 아닌 제작사에서 제공한 보정 선도를 바탕으로 모델링을 수행하였다.
본 연구에서는 배압식 스팀터빈을 사용하는 열병합 복합 발전 시스템의 사용자 회수온도 변화에 따른 플랜트 성능 변화를 분석하였다. 이를 위하여 실제 상용운전 중인 열병합 플랜트의 설계데이터를 활용하여 시뮬레이션을 수행하고, 탈설계 해석을 통하여 회수온도 변화에 따른 플랜트 성능변화를 예측 하였다.
가스터빈의 출력은 동일한 상태로 가정하였으며, 이에 따른 전체 시스템 성능 변화를 분석하였다. 전체 시스템 성능의 변화를 해석하기 위하여 사용자에게 공급되는 난방 공급방식은 공급온도를 고정하고 공급하는 방식과 공급열량을 고정하는 두 가지 제어방식을 고려하였다. 공급온도 제어 방식은 현재 지역난방 업체에서 공급하는 온도와 유사한 105℃ 조건을 사용하였으며, 공급열량 제어방식에서는 해당 플랜트의 설계 난방열량이 동일하게 사용자에게 공급된다는 가정 하에 해석을 수행하였다.

대상 데이터

데이터는 해석 대상 플랜트의 ‘16년도 1월부터 8월까지 운전데이터 중 최대부하 운전 데이터를 활용하였다.
본 연구에서 모사된 발전플랜트에 사용된 가스터빈은 GE 의 7EA모델이 사용되고 있다. 해당 모델의 설계 데이터는 제작사의 공식 모델 제원이 아닌, 실제 상용 플랜트의 제작사 제공 데이터를 기준으로 사용하였다.
본 연구에서 모사된 배압식 스팀터빈의 스펙을 Table 1에 나타내었다. 제작사는 Mitsui-Alstom사이며 2중압터빈으로 HP와 LP 2구간으로 구성되어있다. 전체 출력은 약 68 MW이며 설계데이터를 반영하여 유추한 결과 터빈 등 엔트로피 효율은 약 87%인 것으로 예측된다.
본 연구에서 모사된 발전플랜트에 사용된 가스터빈은 GE 의 7EA모델이 사용되고 있다. 해당 모델의 설계 데이터는 제작사의 공식 모델 제원이 아닌, 실제 상용 플랜트의 제작사 제공 데이터를 기준으로 사용하였다. 설계조건은 ISO 조건(대기온도 15℃ 기준)이 아닌 열생산 조건인 5℃ 기준으로 설계 되었으며 이때 정격출력은 약 92 MW, 열효율은 약 32.

데이터처리

본 절에서는 해석대상 플랜트의 역설계 시뮬레이션 결과를 나타내었다. 제작사에서 제공하는 설계 파라미터 값을 기반으로 숨겨진 설계 특성 파라미터들을 도출하였으며, 설계 파라미터 값과 시뮬레이션 결과의 비교를 통하여 예측의 정확도를 검증하여 그 결과를 Table 2에 나타내었다. 가스터빈 압축기와 터빈의 효율은 약 87%로 추정된다.

이론/모형

스팀터빈의 탈설계 해석을 위하여 터빈 입출구의 압력은 Stodola equation을 적용^(19,20)하였으며 효율은 Spencer cotton cannon method⁽²¹⁾를 적용하였다. Stodola equation은 식 (1)과 같다.
본 절에서는 해당 연구 수행을 위한 열병합 복합화력 발전 시스템 모델링 및 시뮬레이션 결과를 나타내었다. 해석에는 상용 프로그램인 GateCycle⁽¹⁷⁾을 사용하여 해당 플랜트를 모사하였다.

성능/효과

2% 오차 내에서 예측 되었으며, 스팀터빈의 터빈 효율은 약 87%로 추정된다. No. 2 DH의 열전달 부하를 제외한 다른 설계 파라미터들은 대체로 0.1% 이내의 오차 범위 내에서 해석이 수렴하였음을 확인할 수 있으며, RMS 오차평균은 약 0.101%로 계산되었다. 이는 시뮬레이션 모델이 해석대상 상용 플랜트를 오차범위 내에서 충분히 잘 모사하고 있다고 판단된다.
9에 도시하였다. 공급 온도를 일정하게 유지한 상태에서는 회수온도의 변화에 따른 출력과 효율의 변화가 거의 발생하지 않으며 오히려 일정출력량이 감소됨에 따라 효율 역시 다소 감소하는 것을 확인할수 있다. 이는 추가 전력이 발생하더라도 공급 가능한 열의 양이 감소함에 따라 발생하는 효과이다.
2) 탈설계 해석을 통하여 사용자 회수온도 변화에 따른 열병합 플랜트의 발전 성능변화 및 열·전기 종합 성능을 예측 하였다. 알려진 바와 같이 회수온도가 상승함에 따라 발전출력 및 시스템 효율은 감소하는 결과를 확인하였으며, 지역난방수 공급유량의 변화 등에 따른 펌프 소모동력의 증가도 확인할 수 있다.
제작사는 Mitsui-Alstom사이며 2중압터빈으로 HP와 LP 2구간으로 구성되어있다. 전체 출력은 약 68 MW이며 설계데이터를 반영하여 유추한 결과 터빈 등 엔트로피 효율은 약 87%인 것으로 예측된다. LP 스팀의 대부분이 탈기기로 공급되고, 약 2.

후속연구

4) 회수온도의 변화는 스팀터빈 출구의 건도에도 영향을 미치므로 회수온도의 조절을 위해서는 해당 플랜트에 대한 충분한 연구가 필요할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국내에서는 어떠한 열병합 발전시스템이 활용되고 있는가	열병합 발전시스템은 규모에 따라 소형(Small), 중형(Mid-size), 대형(Large)으로 구분할 수 있으며 전기출력 1MW 이하는 소형, 1~20 MW 범위는 중형, 그 이상은 대형으로 구분한다.(4) 우리나라는 소규모 보다는 신도시 및 대규모 택지개발 지구단위로 지역난방을 공급하고 있기 때문에 중대형급(1 MW 이상)의 열병합 발전설비가 주로 사용되는 실정이며, 대체로 가스ㆍ스팀터빈 복합화력발전 시스템 후단의 열을 활용하는 열병합 복합화력 시스템이 활용되고 있다. 열병합 복합화력 발전설비는 저압터빈 후단 혹은 전단에 온수열교환기를 설치하여 온수를 생산하고 있으며, 전자의 경우는 배압터빈으로, 후자의 경우에는 모드운전을 통하여 복수터빈과 배압 터빈을 상황에 맞게 사용하는 것이 일반적이다.
	열병합발전시스템이란 무엇인가	열병합발전시스템은 열에너지를 이용하여 전력을 생산하고 남는 여열을 활용하여 다시 열을 생산하여 활용하는 발전 시스템을 의미한다. 전력과 열을 동시에 생산하는 시스템은 모두 열병합발전 시스템으로 총칭하지만, 대체로 국내에서 사용 중인 일정규모 이상의 열병합발전의 경우 기력 발전시스템 혹은 가스터빈과 스팀터빈 복합화력 발전소의 여열을 활용하여 지역난방 열을 생산한다.
	열병합 발전 시스템은 기존의 기력발전 및 복합화력발전 시스템에 비해 어느정도 효율을 가지고 있는가	전력과 열을 동시에 생산하는 시스템은 모두 열병합발전 시스템으로 총칭하지만, 대체로 국내에서 사용 중인 일정규모 이상의 열병합발전의 경우 기력 발전시스템 혹은 가스터빈과 스팀터빈 복합화력 발전소의 여열을 활용하여 지역난방 열을 생산한다. 열병합 발전 시스템은 기존의 기력발전 및 복합화력발전 시스템 대비 매우 높은 약 75~85%에 달하는 시스템 효율을 가지는 것으로 알려져 있다.(1,2) 최근 세계적인 에너지 사용량이 증가하고 있고 이에 따라 탄소배출량의 증가폭이 큰 폭으로 상승(3)하고 있는 상황을 해결하기 위하여 2015년 11월 파리에서 개최된 유엔 기후변화회의에서는 각 국의 탄소배출량을 제한하기로 결정하였으며, 이에 따라 유럽 및 미국을 중심으로 기후변화에 대응하기 위한 방안의 하나로써 열병합 시스템의 확대보급이 검토되고 있다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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