본 논문은 열병합 복합발전이란 하나의 프로세스에서 전기 또는 기계 동력과 열에너지의 두 형태를 생산하는 것이다. 가스터빈 열병합 발전 시스템의 각 구성부의 성능을 변수로 전체 시스템의 연료 소모와 각 구성부의 열과 전기의 성능을 표현하여야 한다. 전체시스템은 상부 시스템인 가스터빈 2대와 하부시스템인 열회수 증기발생기(HRSG) 2대, 증기터빈 1대, 지역난방열교환기 2대로 구성되어 있다. 가스터빈 열병합 복합발전시스템에서 가동시간 기준 10,000시간 후 성능시험을 각종 시험장치 설치 및 ASME PTC 46에 준한 성능시험으로 실시하였고, 발전소 전체의 종합출력과 효율에 대한 성능을 분석하였다. 이러한 성능시험 실시자료를 기초로 시험성능을 비교하여 성능변화 값을 확인하였다. 이 논문에서 가스터빈, 열회수 증기발생기, 증기터빈의 열역학적 시스템 해석을 통하여 이론적 결과 값을 산출하였다. 비교 대상은 전체 시스템의 생산열량과 대기로 배출되는 열량을 이론값과 실험값을 비교하였고, 전기출력 및 열 출력에 대한 효율을 이론값과 실제 값을 비교하였다. 가스터빈 열병합 복합발전소 성능 특성에 대한 시험결과를 열역학적 효율 특성과 비교하였으며, 0.3%의 오차를 보였다.
본 논문은 열병합 복합발전이란 하나의 프로세스에서 전기 또는 기계 동력과 열에너지의 두 형태를 생산하는 것이다. 가스터빈 열병합 발전 시스템의 각 구성부의 성능을 변수로 전체 시스템의 연료 소모와 각 구성부의 열과 전기의 성능을 표현하여야 한다. 전체시스템은 상부 시스템인 가스터빈 2대와 하부시스템인 열회수 증기발생기(HRSG) 2대, 증기터빈 1대, 지역난방열교환기 2대로 구성되어 있다. 가스터빈 열병합 복합발전시스템에서 가동시간 기준 10,000시간 후 성능시험을 각종 시험장치 설치 및 ASME PTC 46에 준한 성능시험으로 실시하였고, 발전소 전체의 종합출력과 효율에 대한 성능을 분석하였다. 이러한 성능시험 실시자료를 기초로 시험성능을 비교하여 성능변화 값을 확인하였다. 이 논문에서 가스터빈, 열회수 증기발생기, 증기터빈의 열역학적 시스템 해석을 통하여 이론적 결과 값을 산출하였다. 비교 대상은 전체 시스템의 생산열량과 대기로 배출되는 열량을 이론값과 실험값을 비교하였고, 전기출력 및 열 출력에 대한 효율을 이론값과 실제 값을 비교하였다. 가스터빈 열병합 복합발전소 성능 특성에 대한 시험결과를 열역학적 효율 특성과 비교하였으며, 0.3%의 오차를 보였다.
In this study, acombined cogeneration power plant produced two types of thermal energy and electric or mechanical power in a single process. The performance of each component of the gas turbine-combined cogeneration system was expressed as a function of the fuel consumption of the entire system, and...
In this study, acombined cogeneration power plant produced two types of thermal energy and electric or mechanical power in a single process. The performance of each component of the gas turbine-combined cogeneration system was expressed as a function of the fuel consumption of the entire system, and the heat and electricity performance of each component. The entire system consisted of two gas turbines in the upper system, and two heat recovery steam generators (HRSG), a steam turbine, and two district heat exchangers in the lower system. In the gas turbine combined cogeneration system, the performance test after 10,000 hours of operation time, which is subject to an ASME PTC 46 performance test, was carried out by the installation of various experimental facilities. The performance of the overall output and power plant efficiency was also analyzed. Based on the performance test data, the test results were compared to confirm the change in performance. This study performed thermodynamic system analysis of gas turbines, heat recovery steam generators, and steam turbines to obtain the theoretical results. A comparison was made between the theoretical and actual values of the total heat generation value of the entire system and the heat released to the atmosphere, as well as the theoretical and actual efficiencies of the electrical output and thermal output. The test results for the performance characteristics of the gas turbine combined cogeneration power plant were compared with the thermodynamic efficiency characteristics and an error of 0.3% was found.
In this study, acombined cogeneration power plant produced two types of thermal energy and electric or mechanical power in a single process. The performance of each component of the gas turbine-combined cogeneration system was expressed as a function of the fuel consumption of the entire system, and the heat and electricity performance of each component. The entire system consisted of two gas turbines in the upper system, and two heat recovery steam generators (HRSG), a steam turbine, and two district heat exchangers in the lower system. In the gas turbine combined cogeneration system, the performance test after 10,000 hours of operation time, which is subject to an ASME PTC 46 performance test, was carried out by the installation of various experimental facilities. The performance of the overall output and power plant efficiency was also analyzed. Based on the performance test data, the test results were compared to confirm the change in performance. This study performed thermodynamic system analysis of gas turbines, heat recovery steam generators, and steam turbines to obtain the theoretical results. A comparison was made between the theoretical and actual values of the total heat generation value of the entire system and the heat released to the atmosphere, as well as the theoretical and actual efficiencies of the electrical output and thermal output. The test results for the performance characteristics of the gas turbine combined cogeneration power plant were compared with the thermodynamic efficiency characteristics and an error of 0.3% was found.
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문제 정의
본 논문에서 가스터빈 열병합 복합발전소 성능 특성에 대한 결과[14]를 열역학적인 효율 특성과 비교하여 검증하고자 한다.
가설 설정
에너지를 효율적으로 이용할 수 있으며, 환경오염을 줄일 수 있다[1-4]. 가스터빈 열병합 발전 시스템은 기존 화력 발전 시스템에 비하여 열효율이 높다. 그리고 천연가스를 사용하기 때문에 대기오염의 문제가 상대적으로 적은 편이다.
가스터빈의 에너지 소모율을 계산하기 위해서는 가스터빈의 출력과 연소효율, 가스터빈의 열역학적 효율을 결정해야 한다. 본 연구에서는 연소효율이 0.995로 일정하다는 가정하에서 계산하고 가스터빈의 열역학적 효율은 가스터빈의 출력에 따른 성능으로 구할 수 있다.
전체 시스템이 담당하는 열 및 전기 부하를 유동적으로 적용하기 위해서 증기터빈은 고압 증기터빈과 저압 증기터빈으로 구분된다. 본 연구에서는 열회수 증기발생기에서 생성된 열량은 지역난방 열원을 제외한 모든 열량은 증기터빈으로 유입된다고 가정하고 또한 고압증기터빈에서 추기된 열량은 손실 없이 전량 저압 증기터빈으로 유입된다고 가정한다.
열병합발전의 연료는 CNG 기체연료이고 이론적 성능계산을 위해서 연소는 완전연소로 가정하였으며 기체 연료의 연소방정식은 식(1)과 같다.
제안 방법
가스터빈 열병합발전 시스템의 각 구성부의 성능을 변수로 하여 전체 시스템의 연료소모와 구성부의 열과 전기의 성능을 열역학적 성능으로 분석하였다. 가스터빈 열병합발전 시스템의 열흐름은 Fig.
복합열병합발전 플랜트에 대하여 해석 프로그램을 이용하여 운전 특성을 파악하고 성능 계산을 수행하였다[8]. 열병합발전 시스템의 모델링하고, 다양한 운전모드에 대한 운전특성을 통한 최적운전 모드를 도출하여 열과 전력 생산량을 분석하였다[11]. 유기랭킨사이클을 이용한 병렬 열병합 발전시스템의 열역학적 이론 성능 특성을 연구하였다[12].
열병합발전소의 일정시간 경과 한 10,000시간 후의 성능시험을 각종 시험장치 설치 및 ASME PTC 46[13]에 준한 성능시험으로 실시하였고 발전소 전체의 종합출력과 효율에 대한 성능뿐만 아니라 보정을 통한 주요 정계수 산정 및 보정계수 적용시의 성능에 대하여서도 분석하였다. 이러한 성능시험 실시자료를 기초로 보증 성능과 시험성능을 비교하여 성능변화 값을 확인하며 성능저하원인을 연구하였다[14].
대상 데이터
시험 당시의 외기온도가 24~28℃ 이였으므로 보증 성능 조건인 운전 Mode Ⅲ 32℃ 기준으로 모든 성능시험을 실시하는 것으로 하였으며, Guaranteed Heat Balance Diagram을 성능시험 자료로 참조하였다[14].
데이터처리
증기 분사 가스터빈 방법과 흡수식 칠러 냉각 시스템을 결합한 시스템의 성능해석을 하였다. 복합열병합발전 플랜트에 대하여 해석 프로그램을 이용하여 운전 특성을 파악하고 성능 계산을 수행하였다[8]. 열병합발전 시스템의 모델링하고, 다양한 운전모드에 대한 운전특성을 통한 최적운전 모드를 도출하여 열과 전력 생산량을 분석하였다[11].
열병합 발전의 연구동향을 살펴보면 가스터빈 발전 시스템의 성능향상을 위한 연구를 진행하였다[5]. 증기 분사 가스터빈 방법과 흡수식 칠러 냉각 시스템을 결합한 시스템의 성능해석을 하였다. 복합열병합발전 플랜트에 대하여 해석 프로그램을 이용하여 운전 특성을 파악하고 성능 계산을 수행하였다[8].
성능/효과
(1) 전체 시스템의 생산열량과 대기로 배출되는 열량을 이론값과 실험값을 비교 결과 전체 생산되는 열량은 실험값은 121,072kw이며 이론값은 121,072㎾로 실험값이 이론값보다 875kw 적으며 전체 배출되는 열량은 실제 값이 이론값 보다 890 kw 많음을 알 수 있다.
(2) 전기출력 및 열출력에 대한 효율을 나타낸 것으로 이론값과 실제 값을 비교 결과 전체 CHP 생산효율의 이론값은 48.48%, 실험값은 48.14%로 실험 값이 이론값보다 0.34% 낮게 나타났으며 반대로 전체 CHP 방출율은 상대적으로 0.34% 높게 나타냄을 알 수 있다. 효율의 오차는 0.
(3) 전체 시스템에 대한 열역학적 이론값과 실제 성능 시험 값을 비교한 결과 실제 성능 실험값이 지역 난방 열원을 제외하고 대부분 낮은 결과를 나타내었다. 이는 실제 성능 시험 시 외부로 배출되는 열량 # 가 약880kw 많이 발생한 결과이며 실제 성능 시험 시 외부온도에 의해 빼앗기는 손실열량 때문으로 판단된다.
(4) 열역학적 효율 분석결과 이론에 의한 열역학적 효율과 실제 성능시험 효율의 차이가 0.3%로 이론 값과 실험값이 매우 잘 일치한다.
또한 본 연구에서 열역학적 이론에 의한 열량과 실제 성능시험에 의한 열량을 비교한 결과 이론과 실험값이 매우 잘 일치하는 것을 확인하였다.
본 연구에서 전체 시스템의 성능을 계산하기 위한 독립 변수로 설정한 구성부의 성능은 가스터빈의 출력, 열회수증기 발생기에서 생성한 열량, 증기터빈의 출력, 지역난방 열교환기에서 생성한 열량이며 성능 자료와 독립 변수들을 통하여 계산이 가능하다. 전체시스템의 전기출력은 식(11)과 같이 정의한다.
Table 4는 전기출력 및 열출력에 대한 효율을 나타낸 것으로 이론값과 실제 값을 비교하여 나타내었다. 비교 결과 전체 CHP 생산효율의 이론값은 48.48%, 실험값은 48.14%로 실험값이 이론값보다 0.34% 낮게 나타났으며 반대로 전체 CHP 방출율은 상대적으로 0.34% 높게 나타냄을 알 수 있다. 효율의 오차는 0.
전체 시스템에 대한 열역학적 이론값과 실제 성능 실험값을 비교한 결과 실제 성능 실험값이 지역난방 열원을 제외하고 대부분 낮은 결과를 나타내었다. 이는 실제 성능 시험 시 외부로 배출되는 열량 # 가 약 880kw 많이 발생한 결과이며 실제 성능 시험 시 외부온도에의 해 빼앗기는 손실열량 때문으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
열병합발전은 무엇인가?
열병합발전(Combined Heat and Power, CHP)이란 하나의 프로세스에서 전기 또는 기계 동력과 열에너지의 두 형태를 생산하는 것이다. 에너지를 효율적으로 이용할 수 있으며, 환경오염을 줄일 수 있다[1-4].
열병합발전소의 성능시험을 위해 시험장치를 어떻게 설치하였는가?
열병합발전소의 성능시험을 위해서 시험장치를 Fig. 2의 성능시험 장치 설치도와 같이 각종 계측장비를 가스터빈 공기 흡입 여과기(Gas turbine Air Intake Filter House) 입구에 온도계, 습도계, 대기압계를 설치하고 터 빈 층에 데이터수집시스템(DAS : Data Acquisition System)을 설치하여 각종 계측장비와 DAS를 케이블로 연결하였다. 데이터 모니터링 용도인 노트북에 통합데이터관리시스템(Integrated Data Management System)을 설치하였으며 열병합발전소 중앙제어실에 있는 분산제 어시스템(DCS : Distributed Control System) 데이터를 노트북에 연결하여 전송하였다[14].
가스터빈 열병합 발전 시스템의 장점은 무엇인가?
가스터빈 열병합 발전 시스템은 기존 화력 발전 시스템에 비하여 열효율이 높다. 그리고 천연가스를 사용하기 때문에 대기오염의 문제가 상대적으로 적은 편이다. 수요지와의 근거리에 설치할 수 있어서 분산형 발전방식에 적합한 발전시스템으로 운용이 쉬운 장점이 있다[5-7].
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