[논문]해수온도변화에 따른 온도차발전시스템의 동적 성능 시뮬레이션

임승택; 이호생; 김현주

doi:10.9726/kspse.2018.22.1.034

해수온도변화에 따른 온도차발전시스템의 동적 성능 시뮬레이션
Dynamic Performance Simulation of OTEC According to Seawater Temperature Change 원문보기

한국동력기계공학회지 = Journal of the korean society for power system engineering, v.22 no.1, 2018년, pp.34 - 40

임승택 (선박해양플랜트연구소) , 이호생 (선박해양플랜트연구소) , 김현주 (선박해양플랜트연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, Performance of 1MW OTEC system using R32 with varying seawater temperature range is studied. Steady state cycle is designed and its output and generation efficiency were 1,014kW and 2.72%, respectively. Compared to dynamic cycle, system performance and change during long term operation is studied. The simulation is performed by decreasing surface seawater temperature from $29^{\circ}C$ to $25^{\circ}C$ with 20 minute of reaction time. Dynamic cycle with same condition applied to steady state cycle and it showed output and efficiency of 1,020kW and 2.75% respectively. Seawater temperature decreased from $29^{\circ}C$ and the vapor fraction of refrigerant decreased below 1 at $28^{\circ}C$. While the vapor fraction was above 1, the turbine output decreased by 0.017kW per second. After the seawater temperature reached $26.2^{\circ}C$, the turbine output decreased by 1.03kW per second. However, Driving the turbine below the saturation temperature caused the occurrence of surging and the influx of liquid refrigerant. When the liquid separator having a capacity of 1.0 m3 was used, the flow into the turbine was confirmed after 5 minutes from the first liquid refrigerant coming into the separator.

주제어

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가설 설정

8) 그로 인해 동일 열교환 능력을 위한 열교환 체적을 줄일 수 있게 된다.
표층 해수의 온도변화를 4℃ 변화하도록 설계하여 29℃에서 25℃로의 온도 변화를 적용 하였다. 이때 변화되는 과정의 반응 시간은 20분으로 가정하였다. 최초 온도변화는 운전 후 4분 지점에서 점증적으로 온도를 감소하였으며, 터빈으로의 냉매 유입이 없는 경우와 1.
해수온도차발전의 열원으로 이용되는 표층수에 심층수 배출로부터의 유입이나 심층수 배관의 파손과 같은 냉수의 혼입 등의 갑작스런 온도 변화를 가정하였으며, 실제 운전 중 시스템 상태 변화에 따른 운전 방식의 조절이나 제어 설계를 위하여 해석을 수행하였다.

제안 방법

1 MW 해수온도차발전의 정적 사이클을 설계하기 위한 고온 열원 표층수의 온도 조건은 29℃로 설계하였으며, 이때 유량은 1,948.5 kg/s이다. 또한 심층수의 온도조건과 유량은 5℃와 1,805kg/s로 설계하였다.
동적 사이클을 설계하기 위하여 사이클의 운전 시간을 30분으로 설계 하였다. 표층 해수의 온도변화를 4℃ 변화하도록 설계하여 29℃에서 25℃로의 온도 변화를 적용 하였다.
5 kg/s이다. 또한 심층수의 온도조건과 유량은 5℃와 1,805kg/s로 설계하였다. 냉매로는 R32를 적용하였다.
⁷⁾ 그러나 기존 연구는 정적 사이클 해석으로서 실제 시스템 운전 중 발생하는 터빈으로의 냉매유입, 터빈 효율 감소 시간 등과 같은 운전특성의 파악에 어려운 점이 있다. 본 연구는 향후 해수온도발전의 국내 실증을 위해 플랜트 운전에 영향을 미치는 해수열원의 온도변화에 따른 운전특성을 동적 사이클에 적용하여 해석하였다.
본 연구를 통해서 해수 온도차 발전의 동적 성능 특성을 비교하였다.
동적 시뮬레이션은 고정 인자를 제외하고 시스템 내의 변동 인자에 따라 최적화된 사이클을 구현한다. 정적 사이클과의 비교를 위해 고정 인자로 해수 유량 및 온도, 냉매 유량, 증발 압력을 선정하여 시뮬레이션을 진행하였다.
정적 해수온도차발전 사이클 설계를 기반으로 동적 상태의 해수온도차발전 사이클을 시뮬레이션 하였다. 동적 시뮬레이션은 고정 인자를 제외하고 시스템 내의 변동 인자에 따라 최적화된 사이클을 구현한다.
정적 해수온도차발전 사이클을 설계를 통하여 정상 상태의 해수 유량과 온도 조건에서의 시스템 성능을 시뮬레이션하였다.
이때 변화되는 과정의 반응 시간은 20분으로 가정하였다. 최초 온도변화는 운전 후 4분 지점에서 점증적으로 온도를 감소하였으며, 터빈으로의 냉매 유입이 없는 경우와 1.0 m³의 용량의 액분리기를 적용하여 액적 발생시의 운전 특성을 가정하여 비교하였다. 동적 사이클의 운전 특성은 Table 2에 나타내었다.
동적 사이클을 설계하기 위하여 사이클의 운전 시간을 30분으로 설계 하였다. 표층 해수의 온도변화를 4℃ 변화하도록 설계하여 29℃에서 25℃로의 온도 변화를 적용 하였다. 이때 변화되는 과정의 반응 시간은 20분으로 가정하였다.
해수 온도가 변함에 따라 응축기 및 증발기에서의 온도 변화를 비교하였다. Fig.

대상 데이터

또한 심층수의 온도조건과 유량은 5℃와 1,805kg/s로 설계하였다. 냉매로는 R32를 적용하였다.

이론/모형

1과 같다. 시뮬레이션 해석 방법으로는 기본적인 유기랭킨사이클을 해석하기 위해 공정설계프로그램인 Aspentech HYSYS(V8.8)프로그램을 하였으며, 시뮬레이션 상태방정식으로는 Peng-Robinson 방정식을 사용하였다. Peng-Robinson 방정식의 상태 방정식은 식 (1) 과 같다.

성능/효과

1) 기존 정적 사이클의 운전 성능대비 동적 사이클에서 0.02%의 효율 상승을 보였으며, 기존 설계 조건 대비 37.17 MW로의 증발 열량의 감소와 1.0℃의 과열도 증가에 의해 발생하였다.
1kg/s의 급격한 유량감소를 보이다 액분리기 만액으로 인하여 액냉매의 터빈 유입을 보였다. 1.0m³의 액분리기를 적용한 1 MW 온도차발전의 경우 표층온도 감소율을 적용하여 약 5분간의 운전이 가능할 것으로 예상되며, 표층수 온도가 낮아짐에 따라 만액까지의 운전가능시간이 감소할 것으로 예상된다. Fig.
2) 표층 해수의 온도 감소변화에 따라 터빈에서 최대 997.6 kW의 출력 감소가 발생하였으며, 건도가 1 이하의 지점(28.0℃)에서 출력 감소율이 증가하는 것을 확인하였다.
3) 해수온도차발전의 운전 중 터빈으로의 액냉매 유입을 방지하기 위해 1.0 m³ 용량의 액분리기를 적용하여 운전 특성을 비교한 결과, 온도의 감소에 따라 0.003 m³의 초당 증가량을 보였고, 약 4분 내에 터빈유입을 확인하였다. 따라서 포화온도 이하에서는 증발열량의 변화로 인해 터빈 서징의 원인이 될 것으로 판단된다.
50%의 효율을 나타내었다. 기존 3.48%의 정적 사이클과 비교하여 동적 사이클에서 0.02% 차이의 거의 동일한 값을 나타내었고, 증발기에서의 80 kW의 에너지 감소와 함께 냉매의 증발온도가 24.7℃에서 25.7℃로의 과열도의 증가로 인하여 발생하였다.
냉매의 입출구 온도 변화 또한 기존 13.77℃에서 12.72℃로 1.05℃의 온도 차이를 보였으며, 총 증발열량의 감소로 인하여 냉매의 포화 압력대비 엔탈피가 감소하고 이에 따라 건도가 줄어들게 되어 냉매의 응축이 발생하였다.
설계 유량과 온도에 따라 시스템 성능은 최대출력이 1,296 kW를 나타내었으며, 소비 동력으로는 냉매 펌프가 83.45 kW, 표층수 펌프가 52.5kW, 심층수 펌프가 145.5 kW를 나타내어, 총 순수 출력은 1,014.5 kW를 보였다.
03 kW의 급격한 감소율을 보였다. 최저 304.4 kW의 출력을 나타내었으며, 45 kW 가량 회복하여 유지되었다. 터빈의 출력은 냉매의 건도와 유량 변화와 동일하게 변화하며, 냉매의 온도가 포화온도 이하로 내려감에 따라 액분리기로 들어가는 냉매의 유량과 온도감소에 따른 밀도변화에 의하여 출력이 변화된다.
표층수온도가 25℃로 감소되면서 증발기에서 9.67 MW, 응축기 및 터빈에서 8.64 MW와 304.2kW을 나타내어 전체 에너지양이 감소하였으나,발전량과 증발열량 감소가 일정하여 전체 효율은 3.15%로 거의 변화되지 않았다. 하지만 증발기에서의 열교환 과정 중에 증발열량과 터빈 출력간의 편차가 발생하여 효율이 불규칙적으로 변환되는 것을 확인하였으며, 냉매의 증발 과정에서 습증기가 발생함에 따라 터빈 서징의 원인이 될 것으로 판단된다.
15%로 거의 변화되지 않았다. 하지만 증발기에서의 열교환 과정 중에 증발열량과 터빈 출력간의 편차가 발생하여 효율이 불규칙적으로 변환되는 것을 확인하였으며, 냉매의 증발 과정에서 습증기가 발생함에 따라 터빈 서징의 원인이 될 것으로 판단된다.

후속연구

본 연구를 통해서 향후 개발될 해수온도차발전 플랜트의 해수 온도에 따른 운전 특성을 파악하며, 플랜트 제어에 적용될 것으로 예상된다.
75%이며, 전체 신재생에너지 생산량의 93%를 폐기물 바이오 수력이 차지하고 있어 신재생에너지 비중의 증가와 새로운 에너지 개발이 필요로 하고 있다. 앞으로 사용 가능한 저온 폐열을 회수하여 에너지를 생산하는 기술을 확보할 경우,전체 사회 시스템에서 발생하는 에너지의 소비 절감에 크게 기여할 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국내 신재생에너지 비중의 증가와 새로운 에너지 개발이 필요한 이유는?	국내 신재생에너지 보급비중은 1차 에너지 대비 2.75%이며, 전체 신재생에너지 생산량의 93%를 폐기물 바이오 수력이 차지하고 있어 신재생에너지 비중의 증가와 새로운 에너지 개발이 필요로 하고 있다. 앞으로 사용 가능한 저온 폐열을 회수하여 에너지를 생산하는 기술을 확보할 경우,전체 사회 시스템에서 발생하는 에너지의 소비 절감에 크게 기여할 것으로 예상된다.
	바다의 특징은?	그 중 해양에너지는 매우 안정적이며, 무한한 청정에너지 자원이다. 바다는 지구 전체 면적의 약 3/4를 차지하고 있기 때문에 지구에 도달하는 태양에너지의 상당량이 바다로 흡수되고 있다.1)
	사용 가능한 저온 폐열을 회수하여 에너지를 생산하는 기술에는 무엇이 있고 장점은 무엇인가?	그 중 해양에너지는 매우 안정적이며, 무한한 청정에너지 자원이다. 바다는 지구 전체 면적의 약 3/4를 차지하고 있기 때문에 지구에 도달하는 태양에너지의 상당량이 바다로 흡수되고 있다.

참고문헌 (8)

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원문보기 상세보기
S. W. Cha, H. S. Lee, H. J. Kim and D. S. Moon, 2014, "Basic performance analysis of ocean thermal energy conversion using the refrigerant mixture R32/R152a", Marine Engineering, Vol. 38, No. 4, pp. 502-507.
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원문보기 상세보기
J. H. Moon, H. S. Lee, H. J. Kim, S. T. Lim and J. I. Yoon, 2016, "Performance Comparison of the OTEC Cycles Using an Ejector", the Korean Association of ocean science and Technology Society, Vol. 1, No. 1, pp. 167-172.
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용어 설명 출처 목록 (6)

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