[논문]내연기관엔진의 가스혼소발전 경제성 예측모델 개발

허광범; 장혁준; 이형원

doi:10.7316/khnes.2020.31.4.380

Abstract ▼ AI-Helper

This paper represents an analysis of the economic impact of firing natural gas/diesel and natural gas/by-product oil mixtures in diesel engine power plants. The objects of analysis is a power plant with electricity generation capacity (300 kW). Using performance data of original diesel engines, the ...

This paper represents an analysis of the economic impact of firing natural gas/diesel and natural gas/by-product oil mixtures in diesel engine power plants. The objects of analysis is a power plant with electricity generation capacity (300 kW). Using performance data of original diesel engines, the fuel consumption characteristics of the duel fuel engines were simulated. Then, economic assessment was carried out using the performance data and the net present value method. A special focus was given to the evaluation of fuel cost saving when firing natural gas/diesel and natural gas/by-product oil mixtures instead of the pure diesel firing case. Analyses were performed by assuming fuel price changes in the market as well as by using current prices. The analysis results showed that co-firing of natural gas/diesel and natural gas/by-product oil would provide considerable fuel cost saving, leading to meaningful economic benefits.

주제어

표/그림 (16)

그림 Fig. 1. Schematic of duel fuel engine system²⁾
$Fig. 2. P126TI-II engine (Doosan Infracore, Incheon)<sup>5)</sup>$ 그림 Fig. 2. P126TI-II engine (Doosan Infracore, Incheon)⁵⁾
표 Table 1. Main parameters of P126TI-II⁵⁾
그림 Fig. 3. Efficiency of 300 kW diesel engine depending on partial loads
표 Table 2. Fuel consumption ratio of P126TI-II (partial loads)
표 Table 3. Performance parameters of P126TI-II (partial loads)
그림 Fig. 4. Low heating value (LHV) of diesel engine fuels
그림 Fig. 5. Specific fuel consumption depending on diesel engine fuels
표 Table 4. Heating values and density of fuels⁶⁾
그림 Fig. 6. Diesel consumption depending on loads for duel fueld iesel engine (300 kW), mixing ratio: % LNG
그림 Fig. 7. LNG consumption depending on loads for duel fuel die-sel engine (300 kW), mixing ratio: % LNG
그림 Fig. 8. Annual fuel costs considering fuel cost changes
그림 Fig. 9. Annual fuel cost savings considering fuel cost changes
그림 Fig. 10. NPV curve for 300 kW duel fuel engine
표 Table 5. Fuel costs for each engine considering fuel price changes (diesel & LNG)
표 Table 6. Economic analysis depending on loads and mixing ratio

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구의 목적은 혼소 디젤 발전의 성능인자 분석과 다양한 연료 사용에 따른 경제성 분석이다. 혼소 엔진의 사용연료는 천연가스/경유를 사용할 경우와 천연가스/부생유를 사용할 경우로 두 가지로 나누어 분석하였다.

가설 설정

7은 300 kW 급의 혼소 발전플랜트에서 디젤/천연가스를 연료로 사용 시 혼소율과 각 부하별 천연가스의 연료소모량을 나타낸 결과이다. 두 플랜트 모두 부하가 증가하면 연료소모량이 증가하고 혼소율이 증가할수록 천연가스의 연료소모량이 증가한다.
디젤엔진의 부분 부하 운전 시 출력 및 효율데이터는 Table 3에 정리되어 있으며, 혼소 디젤엔진의 경제성 분석 시에도 동일한 효율을 낸다고 가정하였다. 분석 대상이 되는 엔진은 평균 부하율이 약 70-80%로 운전된다.
따라서 본 연구에서는 100% 부하일 경우 발전 출력을 273 kW로 하였다. 매뉴얼상의 디자인 성능은 ISO 조건을 만족한다. Table 2는 부하 별 연료 소모량을 나타내며 1,800 RPM, 상용 출력 시의 연료 소모량을 바탕으로 부분 부하 운전시 효율을 구하였다.
본 연구에서는 300 kW 급 디젤엔진의 성능 데이터를 이용하여 혼소엔진이 동일한 성능을 가짐을 가정하여 혼소 디젤엔진의 부하별 연료 소모량 및 효율을 도출하였다. 또한 혼소 디젤엔진의 경제성을 비교 분석하였다.
. 본 연구에서는 기존 플랜트가 가동률이 약 70%로 알려져 있기 때문에 가동률은 70%로 일정하다고 가정하였다. 혼소엔진에 투입되는 연료의 열에너지가 디젤엔진에 투입되는 연료의 열에너지(100% 경유)와 동일하다고 가정한 후 부하와 혼소율을 변화시키면서 혼소엔진의 연료소모량(L/s, Nm³/s)을 도출하였다.
본 연구에서는 분석 대상이 되는 엔진인 Man 28/32 H의 보일러 등유(test oil)를 사용한 성능 자료를 기준으로 동일한 출력과 부분부하효율을 가진다고 가정하였다. 밀도와 저위발열량을 이용하여 각 연료의 부하별 비연료소비율(g/kWh)을 Fig.
연료 가격이 2017년부터 셰일가스 도입으로 천연가스 가격이 5% 감소하고 경유는 연간 5%씩 가격이 상승한다고 가정하였다. 이때의 기존 디젤 발전에서 연료를 경유 100%로 사용할 경우와 혼소할 경우에 대해서 연료비용을 계산하여 매년마다 연료 절감액을 도출하였다.
본 연구에서는 기존 플랜트가 가동률이 약 70%로 알려져 있기 때문에 가동률은 70%로 일정하다고 가정하였다. 혼소엔진에 투입되는 연료의 열에너지가 디젤엔진에 투입되는 연료의 열에너지(100% 경유)와 동일하다고 가정한 후 부하와 혼소율을 변화시키면서 혼소엔진의 연료소모량(L/s, Nm³/s)을 도출하였다.

제안 방법

1) 혼소엔진의 부하(70%, 80%, 100%)와 혼소율(50%, 60%, 70%)을 변화시키면서 회수기간 및 IRR을 분석하였다. 이때 부하가 증가하고 혼소율이 증가할수록 회수기간이 짧아지고 IRR이 증가한다.
상의 정격 출력은 상용 출력 시 307 kW, 비상 출력 시 342 kW이지만 실제 교류발전기를 설치하여 나오는 generator의 출력은 상용 출력 시 273 kW, 비상 출력 시 300 kW로 다소 감소하였다. 따라서 본 연구에서는 교류발전기를 포함하여 나오는 generator의 상용 출력을 기준으로 성능 및 경제성 분석을 진행하였다. 본 디젤엔진은 4행정, direct fuel injection 방식이며 bore 123 mm, stroke 155 mm이다.
본 연구에서는 300 kW 급 디젤엔진의 성능 데이터를 이용하여 혼소엔진이 동일한 성능을 가짐을 가정하여 혼소 디젤엔진의 부하별 연료 소모량 및 효율을 도출하였다. 또한 혼소 디젤엔진의 경제성을 비교 분석하였다. 그 결과는 다음과 같다.
추가적으로 경유 100%를 사용하는 기존 300 kW 급 디젤엔진 대비 혼소 디젤 발전의 경제성을 예측하였다. 기존 디젤엔진의 경우 부하 80%에서 연간 연료비용은 약 4억 8천만 원이다.
본 연구의 목적은 혼소 디젤 발전의 성능인자 분석과 다양한 연료 사용에 따른 경제성 분석이다. 혼소 엔진의 사용연료는 천연가스/경유를 사용할 경우와 천연가스/부생유를 사용할 경우로 두 가지로 나누어 분석하였다. 특히 혼소율과 평균 부하율에 따른 경제적 영향과 연료 가격 변화에 따른 경제성을 예측하였다.

대상 데이터

따라서 본 연구에서는 교류발전기를 포함하여 나오는 generator의 상용 출력을 기준으로 성능 및 경제성 분석을 진행하였다. 본 디젤엔진은 4행정, direct fuel injection 방식이며 bore 123 mm, stroke 155 mm이다. 또한 배기 규제는 Tier 1을 만족한다.
분석 대상이 되는 디젤 엔진은 교류 발전기를 설치하게 되면 매뉴얼 상의 출력과 달리 상용 출력이 273 kW인 발전기가 된다. 따라서 본 연구에서는 100% 부하일 경우 발전 출력을 273 kW로 하였다.
분석의 대상이 되는 300 kW 급 디젤 발전기는 국내 두산인프라코어사(Incheon) 엔진이다. 이 엔진은 Fig.

이론/모형

회수기간법은 크게 할인율(이자율)을 고려하지 않는 회수기간법과 현금 흐름의 시간적 가치를 고려하여 할인율(이자율)이 고려된 할인 회수기간법(discounted payback period)으로 나뉜다. 본 연구에서는 이자율을 고려한 할인 회수기간법을 이용하였다. 할인 회수기간은 NPV가 0이 되는 시점을 의미하며 식 (3)에서 NPV가 0이 되는 n값이다.

성능/효과

2) 경유/천연가스 60% 혼소할 경우 100% 경유를 사용한 디젤엔진의 연간 연료비용 대비 혼소 디젤엔진의 연간 연료비용이 약 31.7% 절감되며, 부생유/천연가스 60% 혼소할 경우에는 연간 연료비용이 약 43.2% 절감된다.

후속연구

3) 향후 천연가스 혼소에 따른 대기오염물질 제거 효과에 대해서 추가적인 연구 평가가 필요하며, CO₂ 20% 및 NO_x 50% 저감 효과가 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	최근 혼소 엔진으로의 교체 및 개조에 관심을 가지는 이유는 무엇인가?	최근 국내 발전 분야에서는 유가 상승의 영향으로 경유의 단위 열량 당 연료 가격이 천연가스에 비해 다소 비싸졌기 때문에 연료비용의 절감 효과를 기대할 수 있는 기존 디젤엔진에서 혼소 엔진으로의 교체 및 개조에 관심을 가지고 있다. 특히 최근 전력 사용 증가에 따라서 분산형 발전의 필요성이 증가하여 최근 국내에서도 업무용 빌딩의 비상 발전기를 혼소 엔진 발전기로 개조할 때 발생하는 경제성 평가도 진행되었다3).
	혼소 디젤 발전이란?	혼소 디젤 발전은 기존 디젤엔진에 천연가스 연료 공급 장치를 추가하여 기존의 디젤 연료와 부가적인 연료인 천연가스를 혼합하여 연소하는 방식의 발전 시스템으로 이러한 혼소방식의 전력 생산은 연료 공급의 유연성이 있어 분산형 발전 측면에서 경쟁력을 가지고 있다. 혼소 디젤엔진은 기존의 디젤엔진과 같은 출력을 낼 수 있으며 개조가 간단하다.
	혼소엔진으로 교체 시, 연료비용 절감 효과은 어떻게 된다고 예상되나?	8에서 확인할 수 있다. Table 5에서 보면 2015년도에는 혼소엔진 연료비용이 경유 100% 연료비용 대비 약 69% 정도이지만 2030년도에는 혼소엔진 연료비용이 경유 100% 연료비용 대비 약 53% 정도이다. 즉, 혼소엔진으로 교체 시 시간이 지날수록 상대적으로 연료비용 절감 효과가 예상된다.

참고문헌 (8)

S. Jensen, "Converting diesel engines to dual fuel the pros and cons of common gas engine types", Energy Conversion Inc., 2006. Retrieved from https://www.energyconversions.com/whitepaperdualfuelengines.pdf.
JFE Engineering, "Dual fuel engine gas fuel conversion technology", JFE Technical Report, No. 19, 2014. Retrieved from https://www.jfe-steel.co.jp/en/research/report/019/pdf/019-17.pdf.
O. B. Lee and J, K. Ahn, "An economic analysis on dual-fuel engine generation for peak load", The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, Vol. 61, No. 9, 2012. pp. 1260-1268, doi: https://doi.org/10.5370/KIEE.2012.61.9.1260.

원문보기 상세보기
J. K. Lee, J. K. Park, and K. B. Hur, "Evaluation study of generator using dual fuel engine in Korean islands", KOSCO SYMPOSIUM, No. 43, 2011, pp. 253-256. Retrieved from https://www.dbpia.co.kr/Journal/articleDetail?nodeIdNODE01952103.
Doosan Infracore, "P126TI-II product specification sheets". Retrieved from http://www.doosaninfracore.com/engine/kr/product.
Korea Gas Corporation, "Gas data book", Korea Gas Corporation, 2017.
K. Cheenkachorn, C, Poompipatpong, and C. G. Ho, "Performance and emissions of a heavy-duty diesel engine fuelled with diesel and LNG (liquid natural gas)", Energy, Vol. 53, 2013, pp. 52-57, doi: https://doi.org/10.1016/j.energy.2013.02.027.

상세보기
B. Pourkarimi, "Feasibility study of conversion of diesel power plant to natural gas in fort simpson", Canadian Gas Services International, 2010.

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