[논문]복합열병합발전소에 적용된 유기랭킨사이클의 성능 및 경제성 평가

김인섭; 김창민; 김동섭; 이종준

doi:10.5293/kfma.2017.20.1.041

복합열병합발전소에 적용된 유기랭킨사이클의 성능 및 경제성 평가
Evaluation of Performance and Economics of Organic Rankine Cycle Integrated into Combined Cycle Cogeneration Plant 원문보기

한국유체기계학회 논문집 = The KSFM journal of fluid machinery, v.20 no.1, 2017년, pp.41 - 47

김인섭 (인하대학교 대학원) , 김창민 (인하대학교 대학원) , 김동섭 (인하대학교 기계공학과) , 이종준 (지역난방공사 중앙연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

This study aimed to analyze organic Rankine cycle(ORC) which recovers discarded heat from a gas turbine based combined cycle cogeneration(CC-cogen) plant in terms of both performance and economics. The nominal electric power of the CC-cogen plant is around $120MW_e$, and heat for district heating is $153MW_{th}$. The major purpose of this study is to compare various options in selecting heat source of the ORC. Three heat sources were compared. Case 1 uses the exhaust gas from the HRSG, which is purely wasted to environment in normal plant operation without ORC. Case 2 also uses the exhaust gas from the HRSG. On the other hand, in this case, the DH economizer, which is located at the end of the HRSG, does not operate. Case 3 generates power using some of the district heating water which is supplied to consumers. The estimated ORC power generation ranges between 0.3 to 2.3% of the power generation capacity of the CC-cogen plant. Overall, Case 3 is evaluated to be better than other two options in terms of system design flexibility and power generation capacity.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 국내에서 운전 중인 복합열병합발전시스템에 유기랭킨사이클을 적용하여 추가적으로 생산할 수 있는 전력 규모를 도출하고 경제성 평가를 통하여 유기랭킨사이클의 적용가능성을 알아보았다. 다양한 유기랭킨사이클 열원 위치를 선정하여 비교 분석함이 연구의 주요 목적이다.

가설 설정

터빈입구에서의 과포화도가 커지면 커질수록 터빈출구에서의 과포화도도 커지므로 응축기의 면적이 커지게 된다. 따라서 본 연구에서는 응축기의 면적을 최소화 할 수 있도록 터빈입구에서의 작동유체의 상태를 포화증기로 가정하였다.
하지만 Case 3이 최대출력을 내기 위해서는 회수된 모든 열이 ORC의 열원으로 사용되어야 하는데 이는 현실적이지 않다. 따라서 연간 평균 열수요량을 미리 알고 있다고 가정하여 ORC의 설계출력을 최대공급가능열량과 수요량의 차이로 정하고 각 설계 출력별 경제성을 분석하였다.
열교환기의 핀치온도차를 10℃, 터빈의 효율을 80%, 펌프의 효율은 75%로 가정하였다. 해석에 사용한 가정들을 Table 3에 정리하였다.
Case 3는 지역난방을 위해 공급되는 고온수의 일부를 이용하는 경우이다. 전체 시스템에 영향을 주지 않기 위해 열원으로 사용된 고온수의 열교환기 출구온도를 열 사용자가 사용하고 돌아오는 환수온도와 같다고 가정하였다. 따라서 Fig.

제안 방법

따라서 본연구에서는 ORC의 추가로 인해 발생하는 경제적 영향을 분석하였다. ORC를 설치하여 추가로 생산되는 전력량과 전력생산을 위해 투입된 열량으로 인해 발생하는 열 판매량 감소로 인한 손실을 고려하여 경제성 평가를 진행하였다. 다만,대상 복합열병합발전플랜트의 실제 운전조건에 대한 광범위한 운전 데이터가 가용하지 않아 가동 조건에 대하여 가정을 사용할 수 밖에 없었다.
어떤 시스템의 적용여부를 결정하기 위해서는 성능적인 요소뿐만 아니라 경제적인 요소도 고려해야한다. 따라서 본연구에서는 ORC의 추가로 인해 발생하는 경제적 영향을 분석하였다. ORC를 설치하여 추가로 생산되는 전력량과 전력생산을 위해 투입된 열량으로 인해 발생하는 열 판매량 감소로 인한 손실을 고려하여 경제성 평가를 진행하였다.
본 연구에서는 유기랭킨사이클을 복합열병합발전소에 적용할 수 있는 세 가지 case들을 제시하고 각각의 성능분석 및 경제성 평가를 하였다. 유기랭킨사이클을 적용함으로써 대상 플랜트의 정격출력대비 0.
1에 나타내었다. 본 연구에서는 총 세 가지 Case들에 대하여 성능해석 및 경제성 평가를 진행하였다.

대상 데이터

유기랭킨사이클은 통상적으로 전력을 생산하기 어려운 낮은 온도의 열원으로부터 전력을 생산 할 수 있기 때문에 복합열병합발전플랜트의 다양한 위치에 적용할 수 있다. 대상 플랜트는 ISO 조건(15℃, 1atm)에서 120 MW_e의 전력과 152.6MWth의 열을 생산할 수 있는 시설이며 여기에 적용된 ORC의 구성도를 Fig. 1에 나타내었다.
ORC는 작동유체에 따라 성능의 차이가 크기 때문에 적절한 작동유체의 선정이 매우 중요하다. 본 연구에서는 범용성과 친환경성 및 안전성⁽¹³⁾을 고려하여 R-245fa를 작동유체로 선정하였다. 다양한 재조사에서 80~150℃의 온도범위의 열원을 대상으로 하는 시스템에 주로 R-245fa를 작동유체로 사용하고 있다.

이론/모형

경제성 평가를 위해 회수기간법(payback period method)와 순현재가치(net present value, NPV)법이 사용되었다.⁽¹⁶⁾

성능/효과

유기랭킨사이클(Organic Rankine cycle, ORC)은 물을 작동유체로 하는 일반적인 랭킨사이클(스팀터빈 시스템)이 적용되기 어려운 상대적으로 저온의 열원으로부터 전력을 생산 할 수 있는 시스템이다. 유기랭킨사이클의 작동유체들은 대체로 물에 비해 끓는점이 낮고 잠열도 적어 낮은 온도에서 보다 좋은 성능을 가질 수 있으며 물에 비해 비체적도 작아 시스템 제작 시 경제적으로도 우수하다. 이러한 특징들 때문에 1960년대 이후부터 유럽, 미국, 일본 등을 중심으로 다양한 연구와 개발이 진행되고 있다.

후속연구

본 연구를 통해서 상대적 경제성을 평가하였으므로 후속연구에서 운선 순위가 높은 방법을 대상으로 하여 장기간에 걸친 플랜트 운전자료의 분석을 통해서 구체적 경제성 분석을 수행할 수 있을 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유기랭킨사이클이란 무엇인가?	유기랭킨사이클(Organic Rankine cycle, ORC)은 물을 작동유체로 하는 일반적인 랭킨사이클(스팀터빈 시스템)이 적용되기 어려운 상대적으로 저온의 열원으로부터 전력을 생산 할 수 있는 시스템이다. 유기랭킨사이클의 작동유체들은 대체로 물에 비해 끓는점이 낮고 잠열도 적어 낮은 온도에서 보다 좋은 성능을 가질 수 있으며 물에 비해 비체적도 작아 시스템 제작 시 경제적으로도 우수하다.
	열병합발전은 어디에 사용되어지는가?	열병합발전은 전력과 열을 하나의 에너지원으로부터 동시에 생산하는 시스템으로 전력만 생산하는 시스템보다 높은 열효율을 보이며 전기와 다르게 열은 장거리를 이동하기 어려워 주로 분산발전과 지역냉난방을 위해 쓰이고 있다. 열병합발전은 용량이 큰 가스터빈과 스팀터빈 외에도 내연기관,(7) 마이크로터빈,(7) 연료전지(7~8) 등의 다양한 전력생산시스템에 열 생산을 위한 설비를 추가하여 운용되고 있다. 이런 열병합발전플랜트의 효율을 더 높이기 위한 다양한 연구들이 진행되고 있다.
	ORC의 특징은 무엇인가?	유기랭킨사이클(Organic Rankine cycle, ORC)은 물을 작동유체로 하는 일반적인 랭킨사이클(스팀터빈 시스템)이 적용되기 어려운 상대적으로 저온의 열원으로부터 전력을 생산 할 수 있는 시스템이다. 유기랭킨사이클의 작동유체들은 대체로 물에 비해 끓는점이 낮고 잠열도 적어 낮은 온도에서 보다 좋은 성능을 가질 수 있으며 물에 비해 비체적도 작아 시스템 제작 시 경제적으로도 우수하다. 이러한 특징들 때문에 1960년대 이후부터 유럽, 미국, 일본 등을 중심으로 다양한 연구와 개발이 진행되고 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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