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120MW급 열병합 복합발전시스템의 열역학적 효율 특성
The thermodynamic efficiency characteristics of combined cogeneration system of 120MW 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.18 no.6, 2017년, pp.29 - 36  

최명진 (호원대학교 국방과학기술학부) ,  김홍주 ((주) 수완에너지) ,  김병헌 (전남과학대학교 특수장비과)

초록
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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.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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...

주제어

AI 본문요약
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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.
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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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참고문헌 (15)

  1. Ahn J., Lee Y. S., Kim H. J., "Combustion characteristics of a premixed burner in a stirling engine for a domestic cogeneration system", Trans. Korean Soc. Mech. Eng.(B), vol. 36, no. 2, pp. 211-216. 2012. DOI: https://doi.org/10.3795/KSME-B.2012.36.2.211 

  2. Kang B. H., Yun C. H., Ahn J., "Impact of residential CHP systems on greenhouse Gas emissions in korea", Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, vol. 25, no. 10, pp. 555-561, 2013. DOI: https://doi.org/10.6110/KJACR.2013.25.10.555 

  3. Ryu M. R., Lee J. S., Park J. H., Lee S. B., Lee D. H., "Performance analysis of high efficiency co-generation system using the experimental design method", Transactions of KSAE, vol. 20, no. 3, pp. 20-25, 2012. 

  4. BasuA, K., Chodhury, S., Chowdhury, S. P., "Operational management of CHP-based microgrid", Proceedings of IEEE Power System Technology, pp. 24-28, 2009. DOI: https://doi.org/10.1109/POWERCON.2010.5666084 

  5. Lee C. H., Jin S. Jun, Chung T. C., "A study of performance enhancement of small gas turbine combined heat and power system by steam injection and intake air cooling", Proceeding of KSME, vol. 2013 no. 5 pp. 57-58, 2013. 

  6. Ro S. H., "A study on economic analysis of cogeneration system for total energy system", Korea Industrial Technology Graduate Master's Thesis, 2006. 

  7. Sin J. H., "A study on the schemes for increasing the profitability of combined heat and power plant", Hanyang University Graduate Master's Thesis, 2010. 

  8. Kim M. S., "Analysis of the performance characteristics of combined heat and power systems for district heating", Inha University Graduate Master's Thesis, 2008. 

  9. You K. S., "A study on operation mode optimizing of combined heat and power plant", Yonsei University Graduate Master's Thesis, 2002. 

  10. Cho Y. B., Sohn J. L., Ro S. T., "A study for the optimal operating conditions of the gas turbine based combined cycle cogeneration power plant," Proceeding of KSME, vol. 2003 no. 11, pp. 156-162. 

  11. Song H. Y., "Optimal multi-mode operation of cogeneration systems for short-term energy scheduling", Konkuk University PhD thesis, 2013. 

  12. Kim K. H., "Theoretical characteristics of thermodynamic performance of combined heat and power generation with parallel circuit using organic rankine cycle, Journal of the Korean Solar Energy Society, vol. 31. no. 6, pp 1598-6411, 2011. DOI: https://doi.org/10.7836/kses.2011.31.6.049 

  13. Tina L., Toburen, Larry J., "How to conduct a plant performance test", Power, 2006. 

  14. Kim H. J., "A study on performance degradation analysis of gas turbine combined heat and power plant", Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, vol. 28, no. 6, pp. 248-255, 2016. DOI: https://doi.org/10.6110/KJACR.2016.28.6.248 

  15. Kim C. J., Won J. M., Son C. M., "A study on the performance characteristics of combined cycle power plant applying power and efficiency enhancement technologies", Proceeding of KSME, vol. 2014 no. 11, pp. 1290-1295. 

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