[논문]대기온도에 따른 300 MW 석탄가스화복합발전 성능특성

김영묵; 유호선

대기온도에 따른 300 MW 석탄가스화복합발전 성능특성
Performance Characteristics of the 300 MW Integrated Gasification Combined Cycle Plant according to Ambient Temperature 원문보기

플랜트 저널 = Plant journal, v.14 no.3, 2018년, pp.29 - 34

초록
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본 연구에서는 태안석탄가스화복합발전을 대상으로 대기온도에 따른 출력 및 열효율 변화를 제작사의 기본설계자료와 대기온도별 성능보정계수를 이용하여 계산하였으며, 하계 및 동계 대표지점에서 실제 성능을 측정하고 그 결과를 계산값과 비교하여 타당성을 확인하였다. 열효율은 $15^{\circ}C$ 부근에서 가장 높고 이보다 저온이나 고온에서는 낮아지는데 이는 천연가스복합발전과 유사하였으나, 상대적으로 고온구간에서는 공기분리장치의 소비동력증가로 열효율이 급격히 하강하였다. 또한 출력은 $5{\sim}15^{\circ}C$ 구간에서 가장 높고 $5^{\circ}C$ 이하에서는 거의 일정하게 유지되며 $15^{\circ}C$ 이상에서는 하락한다. 저온에서 출력이 증가하지 않는 이유는 가스터빈 연소기 질소주입에 따른 유량 증가로 축의 토크 제한이 작동하기 때문이다. 향후 성능향상을 위해서는 하계에 발전출력향상 및 공기분리장치 소비동력 저감 등의 노력이 필요하다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the output and thermal efficiency of Taean Integrated Gasification Combined Cycle Plant were calculated by using the manufacturer's basic design data and the performance correction factor for each atmospheric temperature, and the actual performance was measured at summer and winter representative points. The results were compared with the calculated values to verify their validity. The thermal efficiency is the highest at around $15^{\circ}C$ and lower at lower temperature and higher temperature. This is similar to that of natural gas Combined Cycle Power Plant, but the thermal efficiency has drastically decreased due to the increase of power consumption of the air separation unit at relatively high temperature. The output is highest in the range of 5 to $15^{\circ}C$, and is kept almost constant at below $5^{\circ}C$ and declines above $15^{\circ}C$. The reason why the output does not increase at low temperatures is that the torque limit of the shaft is activated by the increase of the flow rate due to the nitrogen injection of the gas turbine combustor. In order to improve the performance in the future, efforts should be made to improve the power generation output and to reduce the power consumption of the air separation unit in summer.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 300 MW급 석탄가스화복합발전에서 대기온도가 성능에 미치는 영향을 파악하기 위하여 제작사가 제공한 자료를 기반으로 보정 출력 및 열효율 계산하고 성능보정의 타당성을 검증하기 위하여 하계와 동계를 대표하는 대기조건에서 성능시험을 실시하였다. 연구를 통하여 얻은 핵심결과 및 결론은 다음과 같다.

제안 방법

대기온도에 따른 성능(발전출력 및 열효율) 변화를 알아보기 위하여, 먼저 발전소 지역(충남 서산) 연중 월평균 대기온도가 최저 -6 ℃에서 최고 30 ℃로 확인됨에 따라 최저 최고온도 범위내에 일정한 분포의 5개 대표온도 지점(-6, 4, 15, 23, 30℃)에서 성능을 확인하기로 하며, 이를 위하여 제작사가 제시한 발전출력 보정계수 및 열효율 보정계수를 이용하여 아래와 같이 성능을 계산^[2] 하기로 한다.
본 연구에서는 제작사가 제시한 기본설계자료와 대기온도 성능보정계수를 이용하여 대기온도에 따른 출력 및 열효율 변화를 계산하였으며, 이렇게 계산된 출력 및 열효율을 실제 발전소 성능특성으로 사용이 가능한지, 신뢰성과 타당성을 확보하기 위해 실제 성능시험을 실시하여 측정 결과와 비교하였다.
석탄 사용량은 가스화기의 버너 입구측 유량계를 기준으로 측정하였으며, 발전단 전기출력과 역률은 가스터빈 및 증기터빈 발전기 단자에 정밀급 전력량계를 설치하여 측정하였다. 송전단 전기출력은 전력거래용으로 사용하고 있는 전자식 전력량계를 이용하여 측정하였고, 보조기기 총 소비동력은 발전단 전기출력과 송전단 전기출력의 차로 계산하였으며, 성능시험 결과에 필요한 측정데이터는 시험기간 중 일정주기로 기록된 값들의 편차중 평균치를 적용하였다.
성능시험은 ASME PTC 47-2006 (IGCC Power Generation Plant)에 따라 대기온도 4 ℃와 23 ℃에서 2회 실시하였으며, 발전소 운전상태가 성능시험 결과에 영향을 미치는 것을 방지하기 위하여 설비들이 정상 상태에서 열적 평형상태가 유지되도록 1시간이상 안정화 시간 이후에 시험을 실시하였다. 성능시험 조건은 Table 2-4 와 같다.
성능시험은 ASME-PTC 47 기준에 따라 연중 최저 최고대기온도 범위 중 동계와 하계 대표지점에서 2회 성능시험을 실시하고 입열량, 발전 및 송전출력, 열효율을 측정하였다.
석탄 사용량은 가스화기의 버너 입구측 유량계를 기준으로 측정하였으며, 발전단 전기출력과 역률은 가스터빈 및 증기터빈 발전기 단자에 정밀급 전력량계를 설치하여 측정하였다. 송전단 전기출력은 전력거래용으로 사용하고 있는 전자식 전력량계를 이용하여 측정하였고, 보조기기 총 소비동력은 발전단 전기출력과 송전단 전기출력의 차로 계산하였으며, 성능시험 결과에 필요한 측정데이터는 시험기간 중 일정주기로 기록된 값들의 편차중 평균치를 적용하였다.
대기온도에 따른 성능치를 구하기 위하여 제작사의 대기 온도 성능보정계수를 이용하여 계산하였으나, 이러한 계산방식이 실제 발전소 성능특성으로 적용이 가능하고 적합한 방식인지 타당성 검증이 필요하다. 타당성 검증방법은 성능을 계산한 5개 지점의 대기온도 중 최저,최고 온도를 제외한 동계(4 ℃)와 하계(23 ℃) 대표지점에서 실제 성능시험을 하여 실측값을 구한 후 성능보정계수를 이용한 성능 계산값과 비교하여 검증하기로 한다.

이론/모형

성능시험 결과 산정에 필요한 데이터를 취득하기 위한 계측기는 ASME PTC 19의 요구조건에 따라 교정하였고, 특설 계측기 또는 현장에 운전감시용으로 설치된 기존 계측기를 이용하였다.

성능/효과

대기온도 4 ℃, 23 ℃에서 각 각의 성능시험결과와 기본설계조건에서 제작사 성능보정계수 이용하여 성능을 계산한 값과 비교하였으며, 기본설계조건에서 성능시험과 동일한 대기조건(대기온도, 대기압, 상대습도) 모두를 보정하여 계산한 보정성능값을 Calculated 1, 대기조건 중 대기 온도만 보정하여 계산한 보정성능값을 Calculated 2 로나누어 비교한 결과 Calculated 1 이 Calculated 2 보다 성능시험 실측치와 편차가 적었으나, 대기온도만 보정한 Calculated 1 결과도 최대편차가 출력 1.3 MW 이하, 효율 0.2 %p 이하로 성능변화추세 확인이 가능한 수준으로 확인되었다
복합발전의 가스터빈 설비는 GE 7F Syngas 모델로 기존 천연가스를 연료로 사용하는 7FB 가스터빈 모델에서 연소기만 개조하여, 발열량이 천연가스의 1/4 수준인 Syngas 연소에 최적화 되어있으며, 질소산화물 저감을 위해 약 200 ton/h 의 N₂를 고온(100 ℃), 고압(30 bar)으로 주입할 수 있는 장치도 갖추어져 있다. 연구대상 발전소지역 연간 월평균 대기온도는 최저 -6 ℃에서 최고 30 ℃이며, 천연가스복합발전이 대기온도에 따라 성능 특성이 변화하듯이, 석탄가스화복합발전도 대기온도에 따라 출력 및 효율 등 성능특성이 변화할 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고온구간에서 열효율이 떨어지는 이유는 무엇인가?	열효율은 대기온도 15 ℃ 부근에서 가장 높고 이보다 저온이나 고온에서는 낮아지는데 이는 천연가스복합발전과 유사한 경향이다. 상대적으로 고온구간에서 열효율이 급격히 하강하는 것은 하계 공기분리장치의 소비동력이 증가하기 때문이다. 출력은 5∼15 ℃ 구간에서 가장 높고 5℃ 이하에서는 거의 일정하게 유지되며 15 ℃ 이상에서는 하락한다.
	청정석탄기술의 개발이 등장하게 된 배경은 무엇인가?	자원이 적은 우리나라에서는 다양한 에너지원의 확보와 안정적인 전력생산방안이 필요하다. 그 중에서도 석탄은 전 세계적으로 널리 부존하고 아직도 매장량이 풍부하기 때문에 앞으로도 비중 있는 연료원으로 활용이 필요하나, 연소시 미세먼지, 황 및 질소산화물 등 다량의 환경오염물질 배출로 현재 퇴출위기에 처해 있다. 이에 대한 대안으로 세계 각국은 석탄을 깨끗하게 사용하는 청정석탄기술(CCT, Clean Coal Technologies)의 개발을 적극적으로 추진하였다.
	GE 7F Syngas 모델의 특징은 무엇인가?	석탄을 이용하여 합성가스를 생산하는 ① Shell사 가스화 설비와 합성가스를 연료로 사용하는 ② GE사 복합발전설비와 공기중 산소와 질소를 분리하는 ③ Air Products사 공기분리장치로 구성되어 있다. 복합발전의 가스터빈 설비는 GE 7F Syngas 모델로 기존 천연가스를 연료로 사용하는 7FB 가스터빈 모델에서 연소기만 개조하여, 발열량이 천연가스의 1/4 수준인 Syngas 연소에 최적화 되어있으며, 질소산화물 저감을 위해 약 200 ton/h 의 N2를 고온(100 ℃), 고압(30 bar)으로 주입할 수 있는 장치도 갖추어져 있다. 연구대상 발전소지역 연간 월평균 대기온도는 최저 -6 ℃에서 최고 30 ℃이며, 천연가스복합발전이 대기온도에 따라 성능 특성이 변화하듯이, 석탄가스화복합발전도 대기온도에 따라 출력 및 효율 등 성능특성이 변화할 것으로 예상된다.

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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