[논문]초임계 이산화탄소를 활용한 발전에 대한 연구

노상균

doi:10.7316/khnes.2019.30.4.297

초임계 이산화탄소를 활용한 발전에 대한 연구
A Study on the Power Generation Using Supercritical Carbon Dioxide 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.30 no.4, 2019년, pp.297 - 302

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the power generation efficiency increase has been studied for a Rankine cycle using both supercritical carbon dioxide as a working fluid and LNG as a coolant with PRO/II with PROVISION release 10.0 from Aveva company. Peng-Robinson equation of the state model with Twu's alpha function was selected for the modeling of the power generation cycle using LNG cold heat. Power generation efficiency was increased from 24.82% to 57.76% when using LNG as a coolant for supercritical carbon dioxide power generation cycle.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Flow sheet diagram for a closed Rankine power generation cycle using PRO/II
표 Table 1. Power generation cycle simulation results summary using water as a working fluid
표 Table 2. Physical property summary for several working fluids
표 Table 3. LNG compositions
표 Table 4. Critical temperature, critical pressure and acentric factor
표 Table 5. Coefficients in alpha function
그림 Fig. 2. PRO/II flow sheet diagram for a propylene Rankine power generation cycle using LNG cold heat
표 Table 6. Summary for a Rankine cycle using propylene as a working fluid and cooling water as a cooling medium
표 Table 7. Summary for a Rankine cycle using propylene as a working fluid and LNG as a cooling medium
그림 Fig. 3. PRO/II flow sheet diagram for a closed two-stage Rankine power generation cycle using CO₂ as a working fluid and cooling water as a coolant
표 Table 8. Summary for a Rankine cycle using supercritical carbon dioxide as a working fluid and cooling water as a coolant
표 Table 9. Summary for a Rankine cycle using supercritical carbon dioxide as a working fluid and LNG as a coolant

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 작동유체로 초임계 이산화탄소를 사용하여 동력을 생산하는 Rankine 사이클의 효율향상을 위해서 냉매로 냉각수 대신에 LNG 냉열을 활용하는 경우의 동력생산 효율을 비교하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

제안 방법

본 연구에서는 작동유체를 물 대신에 프로필렌을 사용해서 응축기에서 냉각수를 사용한 경우와 LNG의 냉열을 사용한 경우 및 펌프 후단의 압력을 프로필렌 임계압력의 95%까지 올린 경우에 대해서 발전 효율의 변화를 PRO/II 상용성 화학공정모사기를 활용한 전산모사 작업을 통해서 정량적으로 분석하였다. 또한 작동유체를 초임계 이산화탄소로 사용한 경우에 대해서도 응축기에서 냉각수를 사용한 경우와 LNG 냉열을 사용한 경우에 대해서 발전효율에 미치는 영향에 대해서 정량적으로 비교하였다. 본 연구에서는 한국가스공사에서 제공하는 LNG의 조성 중에서 typical case에 대해서 적용하였으며 Table 3에 LNG의 조성을 나타내었다.
본 연구에서는 작동유체를 물 대신에 프로필렌을 사용해서 응축기에서 냉각수를 사용한 경우와 LNG의 냉열을 사용한 경우 및 펌프 후단의 압력을 프로필렌 임계압력의 95%까지 올린 경우에 대해서 발전 효율의 변화를 PRO/II 상용성 화학공정모사기를 활용한 전산모사 작업을 통해서 정량적으로 분석하였다. 또한 작동유체를 초임계 이산화탄소로 사용한 경우에 대해서도 응축기에서 냉각수를 사용한 경우와 LNG 냉열을 사용한 경우에 대해서 발전효율에 미치는 영향에 대해서 정량적으로 비교하였다.

대상 데이터

본 연구의 전산모사 대상 성분들은 질소를 제외하면 모두 탄화수소 성분들이며, 여기에 작동유체인 물과 이산화탄소 성분이 추가된다. 본 연구에서는 상태 방정식 모델식인 Peng-Robinson 모델식을 적용하였는데, 그 이유는 이산화탄소와 질소를 포함하여 탄화수소 혼합물의 증기-액 상평형 계산에 적합한 모델식이기 때문이다⁵⁾.

이론/모형

본 연구의 전산모사 대상 성분들은 질소를 제외하면 모두 탄화수소 성분들이며, 여기에 작동유체인 물과 이산화탄소 성분이 추가된다. 본 연구에서는 상태 방정식 모델식인 Peng-Robinson 모델식을 적용하였는데, 그 이유는 이산화탄소와 질소를 포함하여 탄화수소 혼합물의 증기-액 상평형 계산에 적합한 모델식이기 때문이다⁵⁾. 상태방정식 모델식 중에서 통계 열역학 모델식에 기반한 SAFT 모델식이나 PC-SAFT 모델식은 증기-액 상평형 계산을 좀 더 잘 추산하는 것은 사실이지만 Peng-Robinson 상태방정식과 같이 순수성분의 매개변수 등이 전산모사기에 내장되어 있지 않기 때문에 아직은 사용에 많은 제약이 따른다고 할 수 있다⁶⁾.
또한 작동유체를 초임계 이산화탄소로 사용한 경우에 대해서도 응축기에서 냉각수를 사용한 경우와 LNG 냉열을 사용한 경우에 대해서 발전효율에 미치는 영향에 대해서 정량적으로 비교하였다. 본 연구에서는 한국가스공사에서 제공하는 LNG의 조성 중에서 typical case에 대해서 적용하였으며 Table 3에 LNG의 조성을 나타내었다.

성능/효과

둘째, 프로필렌 작동유체의 경우 임계압력의 95%에 해당하는 압력까지만 펌프 후단에서 가압하였지만 초임계 이산화탄소의 경우에는 임계압력 이상인 297 bar까지 올려서 팽창비 증가로 인한 추가적인 동력 생산량을 얻을 수 있었다.
셋째, 초임계 이산화탄소를 작동유체로 활용한 경우 냉각수를 사용한 경우 발전 효율이 24.82%에 불과하였으나, LNG 냉열을 활용하여 응축기 후단의 온도를 –50^oC까지 낮춘 경우 발전효율은 57.76%로 2배 이상 상승함을 알 수 있었다.
첫째, 작동유체로 초임계 이산화탄소를 사용하면 전통적인 작동유체인 물을 사용하는 경우에 비해서 녹는점이 매우 낮아지기 때문에 LNG 냉열을 활용해서 응축기 후단의 온도를 –50^oC까지 낮출 수 있어서 펌프 후단의 압력을 더 낮출 수 있다. 따라서 팽창기에서 팽창비를 더욱 높일 수 있으므로 동력 생산을 더 늘릴 수 있다는 장점이 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Peng-Robinson 모델식인 무엇인가?	본 연구의 전산모사 대상 성분들은 질소를 제외하면 모두 탄화수소 성분들이며, 여기에 작동유체인 물과 이산화탄소 성분이 추가된다. 본 연구에서는 상태 방정식 모델식인 Peng-Robinson 모델식을 적용하였는데, 그 이유는 이산화탄소와 질소를 포함하여 탄화수소 혼합물의 증기-액 상평형 계산에 적합한 모델식이기 때문이다5). 상태방정식 모델식 중에서 통계 열역학 모델식에 기반한 SAFT 모델식이나 PC-SAFT 모델식은 증기-액 상평형 계산을 좀 더 잘 추산하는 것은 사실이지만 Peng-Robinson 상태방정식과 같이 순수성분의 매개변수 등이 전산모사기에 내장되어 있지 않기 때문에 아직은 사용에 많은 제약이 따른다고 할 수 있다6).
	녹는점이 높은 경우 나타나는 문제점은 무엇인가?	00oC로써 다른 작동유체에 비하여 매우 높은 편이고 또한 LNG의 냉열을 거의 활용할 수 없다는 단점이 있다. 녹는점이 높으면 냉각제를 이용해서 펌프전단의 온도를 낮추는 데 한계가 있기 때문에 펌프 전단의 압력을 많이 낮추기가 어렵다. 그렇게 되면 팽창기 후단의 압력을 낮추는 데 한계가 있기 때문에 많은 발전량을 얻을 수 없다는 단점이 있다.
	냉매로 액화천연가스(LNG)를 사용하는 경우 장점은 무엇인가?	냉매로 냉각수 대신에 액화천연가스(LNG)를 사용한다면 LNG의 공급온도가 –163oC 가량으로 매우 낮기 때문에 모든 종류의 작동유체에 대한 펌프 전단의 온도를 낮출 수 있으므로 펌프 전단의 압력 또한 낮아지게 된다. 그러면 상대적으로 팽창기 전단의 압력을 높이기 위해서 펌프 후단의 압력을 높임으로써 증발기에서 고온, 고압상태의 스팀을 사용하지 않아도 된다는 장점이 있다. 하지만 물을 작동유체로 사 용하는 경우에는 녹는점이 0oC로 비교적 높기 때문에 냉매로써 LNG의 냉열을 활용하기에 적합하지 않다는 단점이 있다.

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