최근 늘어가는 에너지 수요를 화석연료에만 의존 할 수 없게 되면서 대체 에너지의 중요성이 대두되고 있으며, 이러한 상황에서 유기랭킨 사이클(Organic Rankine Cycle, 이하 ORC)등 산업체 폐열, 태양열, 지열, 해수 온도차 등의 저등급 에너지를 효과적으로 활용하기 위한 많은 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 지역난방 축열시 회수수를 혼합하지 않고 ORC를 이용하여 하부사이클을 구성하여 성능해석 상용프로그램으로 작동유체 및 운전특성을 예측하였다. 지역난방수 운전조건인 열원 온도 $120^{\circ}C$, 열원 유량 $163m^3/h$(회수수 유량을 고려한 값)로 하고 이 온도에 적합한 다수의 작동유체를 선정하여 성능해석을 수행하였으며, 최고의 성능이 나타난 R245fa의 경우 269.2kW출력과 6.37%효율을 얻을 수 있었다. 또한 ORC 시스템의 응축기 압력변화에 따라 지역난방 회수수 온도가 $57.3{\sim}85^{\circ}C$범위에 형성됨으로서 보일러 입구온도상승에 따른 연료 절감 효과가 예상되었다.
최근 늘어가는 에너지 수요를 화석연료에만 의존 할 수 없게 되면서 대체 에너지의 중요성이 대두되고 있으며, 이러한 상황에서 유기랭킨 사이클(Organic Rankine Cycle, 이하 ORC)등 산업체 폐열, 태양열, 지열, 해수 온도차 등의 저등급 에너지를 효과적으로 활용하기 위한 많은 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 지역난방 축열시 회수수를 혼합하지 않고 ORC를 이용하여 하부사이클을 구성하여 성능해석 상용프로그램으로 작동유체 및 운전특성을 예측하였다. 지역난방수 운전조건인 열원 온도 $120^{\circ}C$, 열원 유량 $163m^3/h$(회수수 유량을 고려한 값)로 하고 이 온도에 적합한 다수의 작동유체를 선정하여 성능해석을 수행하였으며, 최고의 성능이 나타난 R245fa의 경우 269.2kW출력과 6.37%효율을 얻을 수 있었다. 또한 ORC 시스템의 응축기 압력변화에 따라 지역난방 회수수 온도가 $57.3{\sim}85^{\circ}C$범위에 형성됨으로서 보일러 입구온도상승에 따른 연료 절감 효과가 예상되었다.
It is becoming increasingly important to make use of alternative energy source. because It is not able to rely on only fossil fuel for the recent increasing demand of energy consumption. With this situation, lots of studies for utilizing low grade energy such as industrial waste heat, solar energy, ...
It is becoming increasingly important to make use of alternative energy source. because It is not able to rely on only fossil fuel for the recent increasing demand of energy consumption. With this situation, lots of studies for utilizing low grade energy such as industrial waste heat, solar energy, and geothermal energy have been conducted. The aim of this study is to predict the operation characteristics of working fluid by using performance analysis program (ThermoFlex) through the system analysis which is not mixing district return water but using ORC(Organic Rankine Cycle, hereinafter ORC) as a downstream cycle when accumulating district heating (hereinafter DH). In this study, We conducted the performance analysis for the case which has the district heating water temperature($120^{\circ}C$) and Flow rate of $163m^3/h$ (including District Heating return water flow), and examined several working fluid which is proper to this temperature. The case using R245fa (which is the best-case) showed 269.2kW power output, 6.37% efficiency. Additionally, Cut down on fuel was expected because of the boiler inlet temperature increase by being Formed $57.3{\sim}85^{\circ}C$ in a temperature of district heating return water, depending on a pressure change of a condenser in ORC system.
It is becoming increasingly important to make use of alternative energy source. because It is not able to rely on only fossil fuel for the recent increasing demand of energy consumption. With this situation, lots of studies for utilizing low grade energy such as industrial waste heat, solar energy, and geothermal energy have been conducted. The aim of this study is to predict the operation characteristics of working fluid by using performance analysis program (ThermoFlex) through the system analysis which is not mixing district return water but using ORC(Organic Rankine Cycle, hereinafter ORC) as a downstream cycle when accumulating district heating (hereinafter DH). In this study, We conducted the performance analysis for the case which has the district heating water temperature($120^{\circ}C$) and Flow rate of $163m^3/h$ (including District Heating return water flow), and examined several working fluid which is proper to this temperature. The case using R245fa (which is the best-case) showed 269.2kW power output, 6.37% efficiency. Additionally, Cut down on fuel was expected because of the boiler inlet temperature increase by being Formed $57.3{\sim}85^{\circ}C$ in a temperature of district heating return water, depending on a pressure change of a condenser in ORC system.
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문제 정의
본 연구에서는 보일러만을 갖춘 지역난방 설비의 이와같은 축열과정에서 지역난방 회수수를 혼입하지 않고 유기 랭킨 사이클(Organic Rankine Cycle, 이하 ORC) 발전시스템을 구성함으로서 열만이 생산되는 보일러 설비에서 전력을 생산할 수 있으며, 또한 지역난방 회수수를 응축기를 통과하게 하여 회수온도를 상승시킴으로서 보일러 입구 온도를 높일수 있어 에너지 절감 등 많은 장점이 예상됨에 따라 ORC를 지역난방 축열과정과 연결하여 연구하고자 한다.
가설 설정
기존 랭킨시스템의 작동유체인 물이 포화증기점에서 터빈을 통해 팽창되는 경우에 터빈 출구에서 두 개의 상이 존재하는 습증기상태로 유지되는 것과는 달리, 작동유체로 유기혼합물을 사용하는 ORC 발전시스템은 터빈 내에서는 액적이 발생되지 않으므로 터빈 회전익에 스트레스가 발생되지 않고, 증발기 출구에서 과열영역이 필요 없는 포화 사이클 시스템을 구성할 수 있다. 지역난방수를 이용한 ORC 시스템에서는 열원 쪽 증발기 출구온도가 98℃로 일정하므로 터빈 입구 온도 또한 일정하다. 그러나 응축기를 통과하는 지역난방 회수수의 온도는 터빈에서 팽창된 유체가 포화 상태에 도달하지 않고 과열상태를 유지하기 때문에 높은 온도로 유지될 수 있어 응축기에서 나가는 지역 난방 회수수 온도를 상승시킴으로써 전체 시스템 효율을 향상시킬 수 있다.
제안 방법
냉각수 계통(Cooling water system)에 있어서 냉각탑을 이용한 방식이 아닌 지역난방 회수수를 이용한 냉각방식으로 하였으며 지역난방 회수(냉각수)펌프 등으로 시스템을 구성하여 성능해석을 수행하였다.
1은 보일러만 설치된 지역난방 시스템에 본 연구대상인 ORC 시스템을 구성한 개략도를 나타낸다. 보일러에서 생산되는 약120℃의 중온수를 축열하기 알맞은 온도(98℃)로 낮추기 위해 약 55℃의 회수수를 사용하지 않고 ORC 발전시스템을 사이클로 구성하며 중온수와 작동 유체 사이의 열교환방법은 직접열교환방식을 사용하지 않고 안전성, 부하제어 및 설비운영의 편리성을 위해 중간매개체로서 열매체유를 이용하는 간접열교환 방식을 채택하였다.
지역난방의 축열운전이란 열생산시설에서 생산된 120℃ 의 중온수를 지역 열소요처에 공급하고 회수되는 55℃의 회수수와 혼합하여 98℃로 만들어 축열하는 것을 말한다. 이 연구에서는 축열시 120℃의 중온수를 회수수를 사용하지 않고 ORC의 증발기를 이용하여 98℃로 만들어 축열조에 저장하는 시스템을 구성하여 연구하고자 한다.
작동유체계통(Working Fluid system)은 터빈, 응축기, 작동유체이송펌프, 증발기로 구성되고, 터빈 후단 팽창 후 응축기 입구 압력 변화에따른 지역난방 회수수 온도 변화 및 유량변화를 분석하였다.
열원계통(Heat source system)은 중온수 열원을 기준으로 실제 설계 Data를 기준으로 하였다. 중온수열원과 작동유체와의 열교환은 안전성, 부하 제어 및 안정적인 운전을 위하여 통상 사용하는 열 매체유를 활용한 간접열교환 방식으로 시스템을 구성 하였으며, 열원온도 99℃ ~ 120℃에서 증발이 용이한 작동유체를 선정하였고 열원 온도 120℃, 지역난방 회수수 온도 55℃, 증발기 PPT 3℃, 응축기 PPT 2.5℃에서 작동유체의 성능변화를 분석 하였다.
6은 지역난방 중온수를 이용한 ORC 발전시스템에서 성능이 가장 우수한 작동유체인 R-245fa의 열원 온도 변화에 따른 출력, 효율 및 지역난방 회수수 유량을 나타내고 있다. 지역난방 공급 조건(열원온도 120℃, 지역난방 회 수수 55℃)에서 유기랭킨사이클을 구성하였을 때를 기준으로 열원 온도 99℃에서 120℃사이의 온도변화에 따른 성능 해석을 수행하였다. 이때 작동유체의 터빈입구 압력은 11.
8은 ORC 발전시스템에서 터빈 출구 압력별(응축기 입구 압력별) 응축기 PPT 변화에 따른 R-245fa의 출력, 효율, 지역난방 회수수 출구온도 및 유량을 나타내고 있다. 지역난방 공급 조건(열원온도 120℃, 지역난방 회수수 55℃)에서 유기랭킨사이클을 구성하였을 때를 기준으로 터빈출구 배압 4.5 bar에서 9.5 bar사이에서 응축기 PPT 변화에따른 성능해석을 수행하였다.
7은 ORC 발전시스템에서 터빈 출구 배압의 변화에 따른 R-245fa의 출력, 효율, 지역난방 회수수 온도 및 유량을 나타내고 있다. 지역난방 공급 조건(열원온도 120℃, 지역난방 회수수 55℃)에서 유기랭킨사이클을 구성하였을 때를 기준으로 터빈출구 배압 4.6 bar에서 9.5 bar사이에서 성능해석을 수행하였다. 이때, 터빈입구 압력은 11.
대상 데이터
CFC 계열의 작동유체는 염소(Cl), 불소(F), 탄소(C)로 화합된 냉매로, R-11, R-12, R-113, R-114, R-115로 구성된다.
HFC 계열의 작동유체는 수소(H), 불소(F), 탄소(C)로 구성된 냉매로 염소나 브롬이 화합물에 포함되어 있지 않아 몬트리올 의정서에 의해 규제되는 CFC 대체냉매로 각광 받는 신 냉매이며 종류에는 R-134a, R-125. R-31, R143a, R-245fa, R-227ea, R-236fa등으로 구성된다.
본 연구에서는 THERMOFLEX 프로그램을 사용하여 그안에 내장된 냉매 약 40여가지중 Trial &Error를 통해 지역난방 중온수 온도 영역대 99 ~120℃에서 시스템 가동이 가능한 4가지 작동유체(R-227ea, R-236fa, R-134a, R245fa)를 선별하였으며, Table 2는 적용된 작동유체의 종류별 특징을 나타낸다.
이론/모형
중온수 이용 유기랭킨사이클 성능해석을 위해서 발전 플랜트 설계 및 성능진단용으로 설계사 및 건설사에서 많이 사용되는 상용프로그램인 THERMOFLEX를 사용하였다.
성능/효과
R-245fa의 열원온도와 터빈출구 압력 변화에 따른 효율, 출력, 지역난방 회수수 유량, 회수수 출구 온도를 보았을 때, 120℃, 4.6bar에서 출력 269.2kW, 효율 6.37%, 유량 1,512㎥/h등 최대치를 나타내었고 1℃ 상승에 대한 출력변화량은 12.15kW인 것을 알 수 있었다.
5는 지역난방 축열시 중온수를 이용한 ORC 발전시스템에서 기준 조건을 (열원 입∙출구온도 120/98℃, 응축수 입구 온도 55℃, 열원 유량(163㎥/h))로 하고 응축기 입구 압력을 변화시켜작동유체 4가지 종류별 시뮬레이션 결과로서 출력, 효율 및 지역난방 회수수 출구 온도를 각각 나타낸다. 냉각탑을 이용하지 않고 응축기를 활용한 지역난방수(약 55℃)를 냉각수로 이용하여 사이클이 구성되는 지를 확인하였고, 작동유체 종류별 Table 1 기준조건에 의한 성능해석에서 작동유체 R-245fa는 269.2kW의 출력과 6.37%의 효율을, 작동유체 R-134a은 204.5kW의 출력과 4.83%의 효율을, R-227ea는 206.6kW의 출력과 4.89%의 효율을, R-236fa은 204.8kW의 출력과 4.85%의 효율을 얻었다. 상기의 결과를 토대로 효율과 출력면에서 R245fa의 성능이 가장 우수하였으며, 또한 지구온난화지수 (GWP)와 오존계수(ODP)등 환경적인 측면에서도 성능이 우수하였다.
그런데 지역난방 회수수 열량(회수수 유량× 응축기 전후단 온도차 × 비열)을 고려했을 때는 작동유체별 거의 차이가 나지 않음에 따라 열량은 작동유체 선정에 크게 영향을 끼치지 않는다는 것을 알 수 있었다. 따라서 지역난방 중온수를 적용한 ORC 발전시스템에 가장 적합한 작동유체는R-245fa임을 알 수 있었다.
열원온도 120℃ 온도에서 사이클에 냉각탑을 구성하지 않고 작동유체 응축을 위한 응축기를 구성하여 Trial & Error를 통해 시스템 작동 가능여부를 확인하였으며, 약 40개의 작동유체 중 4개의 작동유체(R-245fa, R-134a, R-227ea, R-236fa)가 가능한 것을 알 수 있었다. 또한 이 작동유체 중 R-245fa가 효율, 출력, 지역난방 회수수 열량등 성능측면 뿐만아니라, 지구온난화 및 오존계수등 환경 측면에서도 가장 적절한 작동유체인 것을 확인할 수있었다.
2kW이다. 또한, 응축기 출구 보일러 입구 온도는 4.6bar에서 57.3℃ 9.5bar에서 85℃로서, ORC 터빈 출구압력이 상승함에 따라 지역난방 회수수의 출구온도도 동반 상승함으로서 보일러 입구 온도 상승효과를 예상할 수 있었다. 그러므로 온도 상승분에대한 연료절감 효과가 예상됨에 따라, 앞으로 히트펌프 대용으로 지역난방 분야에서 연구해볼 만한 가치가 충분 할 것으로 사료된다.
상기 결과를 바탕으로 지역난방 중온수를 이용한 유기랭킨사이클에서 작동유체는 R-245fa가 가장 적합하며, 지역난방수 유량, 효율, 출력을 고려했을 때 터빈입구 압력 11.3bar, 응축기 입구 압력 4.6bar에서 응축수를 통과하는 적정한 지역난방 회수수의 유량은 1,512m3/h이고 그때의 출력은 269.2kW이다. 또한, 응축기 출구 보일러 입구 온도는 4.
85%의 효율을 얻었다. 상기의 결과를 토대로 효율과 출력면에서 R245fa의 성능이 가장 우수하였으며, 또한 지구온난화지수 (GWP)와 오존계수(ODP)등 환경적인 측면에서도 성능이 우수하였다. 그런데 지역난방 회수수 열량(회수수 유량× 응축기 전후단 온도차 × 비열)을 고려했을 때는 작동유체별 거의 차이가 나지 않음에 따라 열량은 작동유체 선정에 크게 영향을 끼치지 않는다는 것을 알 수 있었다.
열원온도 120℃ 온도에서 사이클에 냉각탑을 구성하지 않고 작동유체 응축을 위한 응축기를 구성하여 Trial & Error를 통해 시스템 작동 가능여부를 확인하였으며, 약 40개의 작동유체 중 4개의 작동유체(R-245fa, R-134a, R-227ea, R-236fa)가 가능한 것을 알 수 있었다. 또한 이 작동유체 중 R-245fa가 효율, 출력, 지역난방 회수수 열량등 성능측면 뿐만아니라, 지구온난화 및 오존계수등 환경 측면에서도 가장 적절한 작동유체인 것을 확인할 수있었다.
즉, 유기랭킨사이클의 작동유체는 터빈 팽창 후에도 고온의 기체상태 이므로 응축기의 PPT가 증가할수록 응축기 작동유체의 출구온도는 일정함에 따라 지역난방 회수 수 출구온도가 낮아지며 출구온도를 낮추기 위해 유량은 증가하게 된다. 따라서 설계시 작동유체의 배압과 응축기 PPT의 관계를 특별히 고려하여야 할 것으로 분석된다.
터빈출구 배압의 변화에 따른 출력과 효율은 3.5에서 언급한 내용과 동일하며, 터빈 출구 압력별 응축기 PPT가 증가함에 따라 지역난방 회수수 출구 온도는 감소하였으며, 지역난방 회수수 유량은 증가하는 걸 알 수 있었다.
터빈출구 압력 변화별 응축기 PPT 변화에따른 지역난방 회수수 온도와 유량을 보았을 때 PPT가 증가함에 따라 지역난방 회수수 출구온도는 감소하였으며 그에 따라 유량은 증가하는 것을 알수 있었다.
후속연구
5bar에서 85℃로서, ORC 터빈 출구압력이 상승함에 따라 지역난방 회수수의 출구온도도 동반 상승함으로서 보일러 입구 온도 상승효과를 예상할 수 있었다. 그러므로 온도 상승분에대한 연료절감 효과가 예상됨에 따라, 앞으로 히트펌프 대용으로 지역난방 분야에서 연구해볼 만한 가치가 충분 할 것으로 사료된다.
즉, 유기랭킨사이클의 작동유체는 터빈 팽창 후에도 고온의 기체상태 이므로 원활한 응축을 위해서는 냉각 부하가 증가할 것으로 예상되며, 증기압이 높은 작동유체의 경우 배압이 낮을 경우에는 냉각수 온도가 포화온도 이상이어서 응축이 불가능 할 수도 있으므로 설계시 작동유체의 배압과 응축기 냉각부하와의 관계를 특별히 고려하여야 할 것으로 분석된다.
참고문헌 (5)
Kang Hoon, Journal of the KSME 9, Vol.49, No.9, pp. 47-50.
Kwon Dong Wook, 2014, "Performance Characteristics of Organic Rankine Cycles Using Medium Temperature Waste Heat with Different Working Fluids"
Hong Sun Eom, Cheon Seog Yoon, Young Min Kim, Dong Kil Shin, Chang Gi, 2012," 저온열원의 특성에 따른 ORC 성능해석최적화연구", Korean Journa'l of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering. vol.24, No 1, pp51-60.
Hong Sun Eom, Cheon Seog Yoon, Young Min Kim, Dong Kil Shin, Chang Gi "저온열원의 특성에 따른 ORC 성능해석 최적화 연구", 2012, Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering. vol.24, No 1, pp51-60.
Donghong Wei, Xuesheng Lu, Zhen Lu, Jianming Gu "Performance analysis and optimization of organic Rankine cycle for waste heat recovery", April 2007, ENERGY CONVERSION & MANAGEMENT. vol 48, Issue 4 pages 1113-1119.
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