[논문]천연가스의 계절별 변동유량을 고려한 이중터보팽창기 감압시스템을 이용한 전기에너지회수에 관한 연구

박철우; 유한빛; 김효

doi:10.7842/kigas.2019.23.2.74

천연가스의 계절별 변동유량을 고려한 이중터보팽창기 감압시스템을 이용한 전기에너지회수에 관한 연구
A Study on the Recovery of Electricity Energy by Employing Double Turbo-Expander Pressure Reduction System to the Seasonal Variation of Natural Gas Flow Rates 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.23 no.2, 2019년, pp.74 - 81

박철우 (서울시립대학교 화학공학과) , 유한빛 (서울시립대학교 화학공학과) , 김효 (서울시립대학교 화학공학과)

초록
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천연가스 운송기지에서 전기에너지를 회수하기위하여 팽창 터빈시스템을 사용하는 것은 잘 알려진 기술이다. 터보팽창기의 효율은 천연가스의 유량과 터보팽창기 설계유량의 비에 따라 달라진다. 그러나 감압기지에서 계절적 공급패턴, 즉 여름에는 낮은 유량으로 반면에 겨울에는 높은 유량으로 공급되기 때문에, 단일 터보팽창기로는 낮은 유량의 천연가스로부터 감압에너지를 충분히 회수하기가 비효율적이다. 따라서 본 연구에서는 대용량과 소용량의 이중 터보팽창기의 새로운 개념을 제안하게 되었다. 본 연구에서는 저압 정압기지에서 팽창밸브의 평균 입구, 출구 압력조건인 18.5 bar에서 7.5 bar로 감압될 때 입구의 온도, 유량조건에 따라서 생산 가능한 전력을 이론적 배경을 통해 계산하였다. 최저 설계 효율 0.72에서 회수 가능한 전력생산량은 단일 터보팽창기로 운전될 때에는 12.4 MW이었으나, 여기서 제안한 이중터보팽창기에서는 16.1 MW로 약 30% 증가한 결과를 얻게 되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Expansion turbine system to recover the electricity energy from natural gas transmission stations is a well-known technique. The turbo-expander efficiency depends on the ratio of the natural gas flow rates to the design flow rate of the turbo-expander. However, if there is a big difference of the natural gas flow rate through the pressure letdown station because of seasonal supply pattern, that is, high flow rate in winter while low flow rate in summer, single turbo-expander system is not so efficient as to recover the pressurized energy from the low flow-rate natural gas. Therefore, we have proposed a new concept of double turbo-expander system: one is a big capacity and the other a small capacity. Here we have theoretically computed the electric powers at the pressure reduction from 18.5 bar to 7.5 bar depending on the inlet conditions of temperature and flow rate. The calculated electricity generation has been increased by 30% from 12.4 MW in a single turbo expander to 16.1 MW in the proposed double turbo-expander system when a minimal design efficiency of 0.72 is applied.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Double turbo-expander pressure reduction system.
그림 Fig. 2. Turbo-expander efficiency curve.
그림 Fig. 3. Monthly natural gas delivery temperatures at the pressure reduction stations.
그림 Fig. 4. Monthly natural gas flow rates at the pressure reduction station D.
표 Table 1. Average compositions of the natural gas
표 Table 2. Natural gas temperature and pressure in the pressure reduction system
표 Table 3. Flow rate dependency of the turbo-expander efficiency
그림 Fig. 5. Electricity generation corresponding to the design flow rate changes at the D station.
그림 Fig. 6. Calculated electricity power generation at D station based on the single turbo-expander1(TEH).
표 Table 4. Calculation results based on the single turbo-expander1(TEH) condition at D station
그림 Fig. 7. Monthly electricity generation at the D station with two turbo-expanders pressure reduction system.

AI 본문요약
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문제 정의

하나의 터보팽창기만을 설치할 경우에는 천연가스 사용량이 적은 하절기에 적합한 터보팽창 기를 설치하는 것 보다는 사용량이 많은 동절기에 적합한 터보팽창기를 통해 겨울철에만 전력을 생산하는 것이 유리하다는 연구결과가 있었다[7]. 그러나 하절기에도 동절기만큼은 아니지만 꽤 많은 양의 천연가스가 서울과 같은 대도시에서는 사용이 되므로, 본 연구에서는 서울의 D감압기지를 선정하여 동절기용 용량이 큰 터보팽창기와 하절기용 용량이 작은 터보팽창기를 병렬로 설치를 하여일 년 내내 전력을 생산할 수 있는 이중터보팽창기 감압시스템을 제안하게 되었다. 그 결과 계절별 유량변화가 큰 D기지에서는 단일터보팽창기 보다는 이중터보팽창기 시스템을 도입하는 것이, 연간 전력을 30%이상 더 많이 회수 할 수 있다는 새로운 결과를 얻었다.
또한 이중터 보팽창기를 적용한다면 보다 효율적인 전기에너지 회수가 가능함을 밝히는데 본 연구의 목적이 있다.
본 논문에서는 정압기지에 설치 가능한 터보팽창기 감압시스템을 구성하고 제시하였다.

제안 방법

따라서 이와 같은 방식으로 터보팽창기를 운전하기 위한 최소 효율을 바꿔가면서 전력을 최대로 생산하게 하는 설계유량을 찾고 그 때의 전력생산량과 열효율을 계산하였다.
또한, 터보팽 창기의 유량특성과 감압시스템과 관련된 열역학적 관계식들을 살펴보고, 두 종류의 터보팽창기 설계 유량과 생산 가능한 일의 관계, 설계유량과 열효율의 관계를 살펴본 후 기존 연구에서 수행하였던 단일 터보팽창기의 결과와 비교하였다.
본 연구에서는 기존의 팽창밸브에 이중터보팽창 기를 병렬로 연결하여 감압시키는 시스템을 Fig. 1 처럼 구성하였다.
본 연구에서는 우리나라의 저압감압기지에서 18.5bar의 천연가스를 7.5 bar로 감압시킬 때 겨울철과 여름철의 유량차이에 따른 효율적인 전기에너지 회수를 위한 두 대의 터보팽창기 (겨울철에는 유량이큰 대용량의 터보팽창기와 여름철에는 유량이 작은 소용량의 터보팽창기)를 병렬로 설치할 경우, 연간 생산 가능한 전력량을 추산 하였다.
본연구의 계산을 위해 서울에 위치한 저압 정압 기지 한 곳( D 기지)을 선정하여 월별 공급 온도 (Fig. 3), 유량(Fig. 4)을 조사하였다.
연간 유량의 범위가 매우 큰 D정압기지를 선정 하여 터보팽창기 감압시스템을 통해 회수 가능한 전력을 계산했다.
우선 D 기지에서 동절기와 하절기의 유량변화를 고려하지 않고 단일터보팽창기에 의존해서 전력을 생산할 경우의 전력생산량을 계산하였다[7].
저압 정압기지에서 감압하는 정도에 따른 유량 변화가 전기에너지 생산에 미치는 차이를 알아보기 위해 서울에 있는 D 기지를 선정하여 계산하고 비교하였다.
즉, 하절기(5월~10월)에는 설계유량이 41ton/hr인 Turbo-Expander2(TEL)를, 동절기 (11월~4월)동안은 설계유량이 108ton/hr인 TurboExpander1(TEH)를 각각 운전하게 함으로써, 하절기 동안 감압밸브를 통해 단순 팽창시켜지는 도시 가스도 최대한 전력생산에 이용하게 하도록 하였다.
터보 팽창기의 효율을 0.72이상으로 운전되도록 유량을 조절할 때 터보팽창기의 설계유량을 변화시키면서 연간 생산되는 전력을 계산했다.
터보팽창기의 운전효율은 사용량에 따른 설계유 량값과 실제의 사용유량값의 비율에 따라 그 효율이 달라지기 때문에 일반적으로 한 개의 터보팽창 기로 들어가는 유량을 조절하기 위해 팽창밸브와 함께 병렬로 설치한지만, 천연가스 사용유량의 변동이 클 경우에는 한 개의 터보팽창기만으로는 효율적으로 전기에너지를 회수하는데 한계가 있기 때문에, 본 연구에서는 큰 용량의 Turbo-Expander1 (TEH)과 작은 용량의 Turbo- Expander2(TEL)를 Fig. 1에서와 같이 병렬로 구성을 하였다.

대상 데이터

예열을 하기 위한 보일러의 열원으로는 천연가스를 연료로 사용한다.

이론/모형

Peng-Robinson 상태방정식을 사용하여 천연가스 혼합물에 대한 열역학적 물성을 계산을 이용하였다[9].
보다 정확한 실제가스의 열역학적 물성을 계산 하기위해서는 3차 상태방정식 중의 하나인 PengRobinson(PR) 상태방정식을 천연가스 혼합물의 물성계산에 사용하였다[11].

성능/효과

그러나 하절기에도 동절기만큼은 아니지만 꽤 많은 양의 천연가스가 서울과 같은 대도시에서는 사용이 되므로, 본 연구에서는 서울의 D감압기지를 선정하여 동절기용 용량이 큰 터보팽창기와 하절기용 용량이 작은 터보팽창기를 병렬로 설치를 하여일 년 내내 전력을 생산할 수 있는 이중터보팽창기 감압시스템을 제안하게 되었다. 그 결과 계절별 유량변화가 큰 D기지에서는 단일터보팽창기 보다는 이중터보팽창기 시스템을 도입하는 것이, 연간 전력을 30%이상 더 많이 회수 할 수 있다는 새로운 결과를 얻었다.
기존에 제안한 단일터보팽창기를 이용한 도시가스 감압시스템에서의 전력생산은 가스 사용량의 변동 폭이 크지 않을 경우에는 (터보 팽창기의 효율이 설계유량에 따라 결정되므로)팽창 기의 설계효율범위내에서 최대의 전력생산을 기대할 수 있지만, 우리나라와 같이 하절기와 동절기에 도시가스의 사용물양이 크게 차이가 날 경우에는 하나의 터보팽창기로는 최적의 운전을 기대할 수없다.
따라서 본 연구에서는 하절기동안 도시가스 사용량이 크게는 동절기의 1/5정도 밖에 되지 않아 하나의 설계유량을 갖는단일 터보팽창기로만 운전을 할 경우에는 하절기 전력생산은 불가능하게 됨을 알 수 있다.
터보팽창기들의 최소효율을 0.72로 하였을 경우 본 연구에서 새롭게 제안한 이중터보팽창기에 서는 전력생산량이 16.1 MW로 단일터보팽창기만을 사용하여 회수한 12.4 MW(Table 4 참조)로 약 30% 증가한 결과를 얻게 되었다.

후속연구

따라서 실제 정압기지에 터보팽창기를 도입하기 위한 적절한 조건과 최적의 상태로 운전 가능한 작동 조건을 알아보는 연구가 앞으로 지속적으로 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	터보팽창기의 역할은 무엇인가?	터보팽창기는 등엔트로피 과정을 거쳐서 고압의 천연가스를 감압시키는 장치이다. 팽창시 천연가스가 가지는 운동에너지가 회전날개를 회전시켜 일을 생산한다.
	터보팽창기의 효율에 영향을 주는 요소는 무엇인가?	천연가스 운송기지에서 전기에너지를 회수하기위하여 팽창 터빈시스템을 사용하는 것은 잘 알려진 기술이다. 터보팽창기의 효율은 천연가스의 유량과 터보팽창기 설계유량의 비에 따라 달라진다. 그러나 감압기지에서 계절적 공급패턴, 즉 여름에는 낮은 유량으로 반면에 겨울에는 높은 유량으로 공급되기 때문에, 단일 터보팽창기로는 낮은 유량의 천연가스로부터 감압에너지를 충분히 회수하기가 비효율적이다.
	정압기지에서 왜 팽창밸브대신에 터보팽창기를 사용하는가?	우리나라에서는 천연가스를 인수기지에서 소비자 측에 배관망을 통하여 보내기 위해 천연가스를 고압으로 압축하게 되며, 사용처에 도달하기 전에는 정압기지에서 팽창밸브를 이용하여 다시 압력을 낮추게 된다. 이와 같이 팽창밸브를 이용할 경우 천연가스를 압축하는데 사용된 기계적 에너지를 그대로 허비하게 되는 결과를 초래하여 에너지 이용측면에서 매우 비효율적이다. 따라서 정압기지 에서 팽창밸브대신에 터보팽창기를 사용하여 가스의 압력을 감압시킨 다면 전기에너지를 생산할 수있다.

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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