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1 논문 Original Paper DOI: ISSN (Print): 배압터빈을사용하는열병합발전소의열회수온도에따른성능특성분석 임신영 * 이종준 * 전영신 * 김형택 ** 1) Performance Analysis on CHP Plant using Back Pressure Turbine according to Return Temperature Variation Shin Young Im *, Jong Jun Lee *, Young-Shin Jeon *, Hyung-Taek ** Key Words : Back Pressure Turbine( 배압터빈 ), Combined Heat and Power( 열병합발전 ), District Heat( 지역난방 ), Return Temperature( 회수온도 ) ABSTRACT Combined heat and power (CHP) system is one of the power generation system which can generate both electricity and heat. Generally, mid-size and big-size CHP plant in Korea generate electricity from gas turbine and steam turbine, then supply heat from exhaust gas. Actually, CHP can supply heat using district heater which is located at low pressure turbine exit or inlet. When the district heater locates after low pressure turbine, which called back pressure type turbine, there need neither condenser nor mode change operating control logic. When the district heater locates in front of low pressure turbine or uses low pressure turbine extraction steam flow, which calls condensing type turbine, which kind of turbine requires condenser. In this case, mode change operation methods are used for generating maximum electricity or maximum heat according to demanding the seasonal electricity and heat. 1. 서론열병합발전시스템은열에너지를이용하여전력을생산하고남는여열을활용하여다시열을생산하여활용하는발전시스템을의미한다. 전력과열을동시에생산하는시스템은모두열병합발전시스템으로총칭하지만, 대체로국내에서사용중인일정규모이상의열병합발전의경우기력발전시스템혹은가스터빈과스팀터빈복합화력발전소의여열을활용하여지역난방열을생산한다. 열병합발전시스템은기존의기력발전및복합화력발전시스템대비매우높은약 75~85% 에달하는시스템효율을가지는것으로알려져있다. (1,2) 최근세계적인에너지사용량이증가하고있고이에따라탄소배출량의증가폭이큰폭으로상승 (3) 하고있는상 황을해결하기위하여 2015 년 11월파리에서개최된유엔기후변화회의에서는각국의탄소배출량을제한하기로결정하였으며, 이에따라유럽및미국을중심으로기후변화에대응하기위한방안의하나로써열병합시스템의확대보급이검토되고있다. (2,4,5) 이미유럽을중심으로전세계에서열병합시스템 (Combined Heat & Power, 이하 CHP) 의활용에따른탄소저감효과및기타탄소저감기법과의비교를통한 CHP 의경제성에대한연구가다수진행되고있으며, (6-10) 신재생에너지원을비롯한다양한에너지원을활용하는 CHP 시스템에대한연구도최근들어증가추세에있다. 특히열병합복합발전 CHP 시스템에대한다양한연구들이시도되고있다. (11-13) 열병합발전시스템은규모에따라소형 (Small), 중형 * 한국지역난방공사중앙연구원 (Korea District Heating Corp. R&D Institute) ** 아주대학교에너지공학부 (Ajou university, Division of Energy Systems Research) 교신저자, The KSFM Journal of Fluid Machinery: Vol. 19, No. 6, December, 2016, pp.26~33(received 26 Aug. 2016; revised 27 Sep. 2016; accepted for publication 27 Sep. 2016) 26 한국유체기계학회논문집 : 제 19 권, 제 6 호, pp.26~33, 2016( 논문접수일자 : , 논문수정일자 : , 심사완료일자 : )

2 배압터빈을사용하는열병합발전소의열회수온도에따른성능특성분석 (Mid-size), 대형 (Large) 으로구분할수있으며전기출력 1MW 이하는소형, 1~20 MW 범위는중형, 그이상은대형으로구분한다. (4) 우리나라는소규모보다는신도시및대규모택지개발지구단위로지역난방을공급하고있기때문에중대형급 (1 MW 이상 ) 의열병합발전설비가주로사용되는실정이며, 대체로가스ㆍ스팀터빈복합화력발전시스템후단의열을활용하는열병합복합화력시스템이활용되고있다. 열병합복합화력발전설비는저압터빈후단혹은전단에온수열교환기를설치하여온수를생산하고있으며, 전자의경우는배압터빈으로, 후자의경우에는모드운전을통하여복수터빈과배압터빈을상황에맞게사용하는것이일반적이다. (2,14) 복수터빈의경우 3중압시스템까지적용이가능하며이에따라폭넓은열전비를구현하는것이가능하지만복수기의건설이필요하여초기투자비가크고, 복잡한계통제어가필요하다. Fig. 1에복수터빈의구조및주요모드운전에따른시스템구성을도시하였다. 배압터빈의경우에는복수기가없이지역난방히터 (District Heater, 이하 DH) 에서열침을담당하기때문에비교적시스템이단순하고설치비가저렴하며제어가상대적으로수월하다. 배압터빈과복수터 빈 Mode 1 운전의경우모두복합화력의복수기에해당하는열침부를온수열교환기가대체하고있으며, 이경우기존복합화력발전에비하여상대적으로높은응축압력으로배압이형성되어전기출력은다소감소하게되나, 추가로열을생산할수있으므로단순복합화력대비높은열효율을가지는것이특징이다. 이와같이지역난방열교환기가복수기의역할을대신하게됨에따라사용자측에서회수되어발전소로되돌아오는지역난방회수수가복합화력복수기의냉각수의역할을하게되며, 이에따라회수수의온도에열병합발전전체시스템성능이영향을받게된다. 본연구에서는배압터빈을사용하는상용복합화력열병합발전시스템을모사하고온수열교환기로공급되는사용자측회수온도를변화시키면서열병합발전소의성능변화를분석하였다. 가스터빈의출력은동일한상태로가정하였으며, 이에따른전체시스템성능변화를분석하였다. 전체시스템성능의변화를해석하기위하여사용자에게공급되는난방공급방식은공급온도를고정하고공급하는방식과공급열량을고정하는두가지제어방식을고려하였다. 공급온도제어방식은현재지역난방업체에서공급하는온도와유 Fig. 1 Schematic diagram of Combined Heat & Power CC Power Plant using Condensing turbine Fig. 2. Schematic diagram of Commercial operates CHP CC Power Plant using Back pressure type turbine 한국유체기계학회논문집 : 제 19 권, 제 6 호,

3 임신영 이종준 전영신 김형택 Table 1 Basic specifications and system simulation results of the Commercial CHP Plant (15,16) Gas Turbine HRSG Steam Turbine PR 12.8 TRIT ( ) 1149 TET ( ) Gas Flow Rate (kg/s) Power (MW) Shaft Speed (rpm) 3600 Thermal Efficiency (%) HP Steam Flow (kg/s) 78.8 HP Steam Temperature ( ) 515 HP Steam Pressure (kgf/cm 2 ) 100 Duct Burner Exit Temp. ( ) LP Steam Flow (kg/s) 6.86 LP Steam Temperature ( ) LP Steam Pressure (kgf/cm 2 ) 5.8 Stack Temperature ( ) 82.1 Steam Turbine Power (MW) LP Exhaust pressure (ata) LP Exhaust Enthalpy (kcal/kg) Estimated Isentopic efficiency (%) 87 HP Section mas flow (kg/s) 78.8 LP admission mas flow (kg/s) 2.47 사한 105 조건을사용하였으며, 공급열량제어방식에서는해당플랜트의설계난방열량이동일하게사용자에게공급된다는가정하에해석을수행하였다. 2. 해석대상시스템 2.1 개요 계되었으며이때정격출력은약 92 MW, 열효율은약 32.8% 로알려져있다 배열회수스팀보일러본연구에서모사된배열회수스팀보일러 (Heat Recovery Steam Generator, 이하 HRSG) 는상대적으로낮은터빈출구온도인 540 조건에서 2중압스팀터빈에필요한스팀과지역난방열을생산하기위하여 HRSG 전단에덕트버너가설치되어가스터빈배기가스의온도를약 807 까지가열하도록설계되었다. 기준설계조건 ( 대기온도 5 ) 에서배기가스온도는약 82 로설계되어있으며, 고온주증기온도는 51 5, 유량은 78.8 kg/s 로설계되었다 배압식스팀터빈본연구에서모사된배압식스팀터빈의스펙을 Table 1에나타내었다. 제작사는 Mitsui-Alstom 사이며 2중압터빈으로 HP와 LP 2구간으로구성되어있다. 전체출력은약 68 MW 이며설계데이터를반영하여유추한결과터빈등엔트로피효율은약 87% 인것으로예측된다. LP 스팀의대부분이탈기기로공급되고, 약 2.5 kg/s 정도의저압스팀만터빈으로공급되게설계되어있다. 3. 모델링을통한플랜트성능해석 3.1 해석대상모델링본절에서는해당연구수행을위한열병합복합화력발전시스템모델링및시뮬레이션결과를나타내었다. 해석에는상용프로그램인 GateCycle (17) 을사용하여해당플랜트를모사하였다. 본연구에서는현재상용운전중인열병합복합화력발전시스템을선정하고, 전체플랜트열성능모델링을수행하였다. 해당플랜트는복수기가없는배압식스팀터빈을사용하고있다. Fig. 2에해당발전플랜트의개략도를도시하였으며 Table 1에해당플랜트의기기별주요스펙을나타내었다. 2.2 기기별주요스펙 가스터빈본연구에서모사된발전플랜트에사용된가스터빈은 GE 의 7EA 모델이사용되고있다. 해당모델의설계데이터는제작사의공식모델제원이아닌, 실제상용플랜트의제작사제공데이터를기준으로사용하였다. 설계조건은 ISO 조건 ( 대기온도 15 기준 ) 이아닌열생산조건인 5 기준으로설 가스터빈모델링본연구는가스터빈의성능변화보다는배압형스팀터빈의성능변화에초점을맞추어해석을수행하였으며이에따라가스터빈은제작사제공설계데이터및보정선도기반으로모델링하였다. Fig. 3에외기조건변화에따른가스터빈의성능변화에대한보정선도를예시하였다. 실제모델링에서는 Fig. 3의데이터가아닌제작사에서제공한보정선도를바탕으로모델링을수행하였다 스팀터빈및열교환기모델링스팀터빈및 HRSG, DH 등의열교환기는제작사에서제공한설계데이터를바탕으로역설계를수행하였으며이를바탕으로탈설계해석을수행하였다. 스팀터빈의탈설계해석을위하여터빈입출구의압력은 28 한국유체기계학회논문집 : 제 19 권, 제 6 호, 2016

4 배압터빈을사용하는열병합발전소의열회수온도에따른성능특성분석 시스템해석 열병합복합화력발전시스템의출력및효율은식 (5)~(8) 과같이정의하였다. 식 (5),(6) 은난방열생산을고려하지않은전기출력및효율을나타내고있으며, 식 (7),(8) 은전기와열을모두고려한 CHP 출력, 효율을나타낸다. (4) Fig. 3 Sample performance curves of ambient temperature variations (18) Stodola equation을적용 (19,20) 하였으며효율은 Spencer cotton cannon method (21) 를적용하였다. Stodola equation 은식 (1) 과같다. (1) (5) (6) (7) 3.2 시뮬레이션결과 (8) HRSG, DH 등열교환기에사용된식은아래와같다. 식 (2) 는열교환기저온부의압력강하, 식 (3) 은고온부압력강하, 식 (4) 는열전달계수의탈설계관계식을나타낸다. (2) (3) Table 2 Simulation results of the CHP-CC power plant 본절에서는해석대상플랜트의역설계시뮬레이션결과를나타내었다. 제작사에서제공하는설계파라미터값을기반으로숨겨진설계특성파라미터들을도출하였으며, 설계파라미터값과시뮬레이션결과의비교를통하여예측의정확도를검증하여그결과를 Table 2에나타내었다. 가스터빈압축기와터빈의효율은약 87% 로추정된다. HRSG 는덕트버너연료량이약 1.2% 오차내에서예측되었으며, 스팀터빈의터빈효율은약 87% 로추정된다. No. 2 DH의열전달 Components Unit Reference Modeling Error(%) Comressor Efficiency % - 87 Estimated Turbine Efficiency % Estimated Gas Turbine Exhaust Gas flow kg/s Generator Power output MW Thermal Efficiency % Fuel flow rate kg/s HRSG Duct burer fuel flow rate kg/s , Stack Temperature HP Inlet Temperature HP ST Efficiency % - 87 Estimated HP ST Power MW Estimated Steam Turbine LP Steam Pressure ata LP Steam Temperature LP Exhaust Temperature LP ST Efficiency % Estimated LP ST Power MW Estimated No. 1 DH Cooling water flow ton/hr 2, , District Heater No. 1 DH Heat Duty kw 94, , No. 2 DH Heat Duty kw 107, , RMS Error(%) 한국유체기계학회논문집 : 제 19 권, 제 6 호,

5 임신영 이종준 전영신 김형택 4. 해석결과 4.1 지역난방수제어방식 Fig. 4. Field data variations of the Steam turbine power with the Returning Temperature variation Fig. 5. Variations of the supply temperature and heat supply rate with the Returning Temperature variation 본절에서는 DH의공급온도및회수온도의변화에따른열병합발전플랜트의성능을해석하였다. 앞서설명한바와같이배압터빈의경우지역난방회수수가 DH로공급되고 DH는배압터빈의복수기와유사한역할을하여터빈의배압을결정하게된다. 이때가스터빈은동일한외기조건에서최대부하로운전된다고가정하였다. DH의제어에있어서고려할수있는제어방식으로온도제어와열량제어를고려하였다. 첫번째로온도제어의경우사용자측으로공급되는지역난방수의공급온도를 107 로일정하게유지하는방식이다. 이를위하여 DH로공급되는지역난방수의양을조절하는방식으로현재우리나라상용열병합발전소에서많이사용하고있는방식이다. 이경우공급온도는 107 로결정되므로 DH 입출구의비엔탈피차는일정해야하며, 스팀터빈출구에서 DH로공급되는열량은정해져있으므로지역난방수의양을조절하여 DH출구의온도를조절하게된다. 두번째로열량제어방식은사용자측으로공급되는지역난방수의총열량을제어하는방식이다. 총열량의제어를위해서 DH출구의온도는가변적으로풀고, 지역난방수의양과 DH입, 출구비엔탈피차를동시에조절하는방식이다. 이경우온도제어에비하여지역난방수의변화폭이적으며, 공급온도는다소감소하게된다. 부하를제외한다른설계파라미터들은대체로 0.1% 이내의오차범위내에서해석이수렴하였음을확인할수있으며, RMS 오차평균은약 0.101% 로계산되었다. 이는시뮬레이션모델이해석대상상용플랜트를오차범위내에서충분히잘모사하고있다고판단된다. 3.3 현장데이터분석본절에서는탈설계해석의결과의적절성을판단하기위해현장데이터분석을수행하고그결과를 Fig. 4에나타내었으며, 이해를돕기위해로그추세선을도시하였다. 데이터는해석대상플랜트의 16년도 1월부터 8월까지운전데이터중최대부하운전데이터를활용하였다. 해당지사의경우가스터빈이최대부하로작동하더라도, 덕트버너의사용유무에따라스팀터빈의작동특성이변하게되어스팀터빈의최대부하운전데이터는다소적은편이다. Fig. 4에서확인할수있는바와같이회수온도의변화에따라스팀터빈의출력은변화한다. 이는본연구의탈설계해석이적절하게수행되었음을의미한다. 4.2 열병합플랜트발전성능분석 Fig. 5에서회수수의온도변화에따른공급온도및공급열량을도시하였다. 온도를제어하는경우공급온도가일정한것은명확하다. 이때공급열량은회수온도가낮을수록작아진다. 이는 DH의회수온도가낮을수록배압이낮아짐에따라터빈에서복수기로버리는열량이감소함에따라줄어드는것으로보인다. 공급열량제어의경우열량이일정하게유지됨에따라공급온도는감소한다. 사용자에게공급하는열량을일정하게유지하기위해서공급되는유량이증가함에따라복수기로과도한냉각수가공급되게됨에따라점차감소하는것으로판단된다. 회수수의온도가변화함에따른열병합복합화력시스템의출력과효율이상승하게되는것은자명하다. 알려져있는바와같이배압터빈은 DH가복수기의역할을대체함에따라회수수의온도가상승하게되면터빈출구배압이낮아지게되고이에따라열낙차가증가하게되어스팀터빈출력이상승하게된다. Fig. 6에회수온도변화에따른열병합복합화력시스템의출력및시스템효율변화를도시하였으며, Fig. 7에스팀터빈출구의배압 30 한국유체기계학회논문집 : 제 19 권, 제 6 호, 2016

6 배압터빈을사용하는열병합발전소의열회수온도에따른성능특성분석 Fig. 6. Variations of the Steam turbine power and system efficiencies with the Returning Temperature variation Fig. 8. Variations of the DH supply water flow and pump required work with the Returning Temperature variation Fig. 7. Variations of the Steam turbine back pressure and power with the Returning Temperature variation Fig. 9. Variations of the CHP heat & power and total efficiencies with the Returning Temperature variation 과스팀터빈의출력변화를도시하였다. Fig. 8은사용자회수수의온도변화에따른필요지역난방수유량및그에따른펌프소모동력을나타내었다. DH의배압을결정하는데필요한유량이감소하게됨에따라그에따라사용자측으로공급할수있는지역난방수의양도감소하게되며이에따라사용자에게온수를공급하는펌프의소모동력도감소하게된다. 4.3 열병합플랜트열 전기복합성능분석복합화력의출력과성능이상승한다하여도열량이감소하기때문에전체 CHP 의출력과효율은다소감소하는경향이발생할수있으며이를 Fig. 9에도시하였다. 공급온도를일정하게유지한상태에서는회수온도의변화에따른출력과효율의변화가거의발생하지않으며오히려일정출력량이감소됨에따라효율역시다소감소하는것을확인할수있다. 이는추가전력이발생하더라도공급가능한열의양이감소함에따라발생하는효과이다. 즉 Fig. 5에서살펴본바와같이공급온도가일정한경우생산되는열량이감소 하는효과가모두전력의증가로변환되었다고판단할수있으며이경우열병합복합화력플랜트는최적배압조건이아닌상태에서작동되고있기때문에필요보다많은열이폐열로서회수되지않고버려지고있는것으로생각된다. 다시말해열병합복합화력발전시스템의성능을결정짓는요소로사용자회수수의온도뿐만아니라사용자공급수의온도역시고려되어야한다. Fig. 10는열병합발전에서실질적인복수기로작용하는 DH1 의냉각수출구온도를나타내었다. DH에서의냉각수는곧사용자회수수온도를나타낸다. 전체적으로사용자회수수의온도가감소할수록 DH1 의출구온도역시감소한다. 전체시스템측면에서볼때배압의감소로인하여터빈의열낙차가증가하는것은시스템을통해서버려지는열량은감소하는것을의미한다. 즉 DH1 을통하여사용자에게전달가능한열량이감소하는것을의미하며이에따라 DH1 의냉각수측입, 출구온도차가다소감소하게된다. Fig. 11은터빈출구의건도를나타내었다. 건도는배압이낮아짐에따라감소하게된다. 공급수온도제어의경우건도는최소약 0.905, 공급열량제어의경우약 0.9 정도로 한국유체기계학회논문집 : 제 19 권, 제 6 호,

7 임신영 이종준 전영신 김형택 Fig. 10. Variations of the No. 1 DH temperature difference and outlet temperature with the Returning Temperature variation 예측하였다. 알려진바와같이회수온도가상승함에따라발전출력및시스템효율은감소하는결과를확인하였으며, 지역난방수공급유량의변화등에따른펌프소모동력의증가도확인할수있다. 3) 지역난방열의공급을위한지역난방수제어방식으로공급온도제어및공급열량제어를고려하였으며지역난방수제어방식에따른시스템성능의변화를확인하였다. 공급온도제어의경우, 사용자회수온도변화에따른전체시스템변화는미미하게보이며, 공급열량제어시사용자회수온도변화가열병합플랜트성능에큰영향을미치는것으로판단된다. 4) 회수온도의변화는스팀터빈출구의건도에도영향을미치므로회수온도의조절을위해서는해당플랜트에대한충분한연구가필요할것이다. 후기 본연구는한국지역난방공사의 열병합발전소열정산모델링및성능향상방안연구 의일환으로수행되었으며, 이에감사의말씀을전합니다. References Fig. 11. Variations of the low pressure steam turbine exhaust quality with the Returning Temperature variation 다소낮은구간까지내려가는것을확인할수있으나설비수명에큰영향을미치는영역까지내려가지는않는것으로판단된다. (22,23) 5. 결론본연구에서는배압식스팀터빈을사용하는열병합복합발전시스템의사용자회수온도변화에따른플랜트성능변화를분석하였다. 이를위하여실제상용운전중인열병합플랜트의설계데이터를활용하여시뮬레이션을수행하고, 탈설계해석을통하여회수온도변화에따른플랜트성능변화를예측하였다. 본연구의결과를요약하면다음과같다. 1) 실제상용운전중인열병합플랜트의설계데이터를기반으로상용프로그램을활용하여플랜트역설계시뮬레이션을수행하고숨겨진설계파라미터를도출하였다. RMS error 는약 0.1% 로시뮬레이션이해당플랜트를잘모사하고있는것으로판단된다. 2) 탈설계해석을통하여사용자회수온도변화에따른열병합플랜트의발전성능변화및열 전기종합성능을 (1) Yan, J. Y., 2015, Handbook of Clean Energy System volume Ⅵ, John Wiley & Sons Ltd, Chichester, U.K. (2) Darrow, K., Tidball, R., Wang, J., and Hampson, A., 2014, Catalog of CHP Technologies, U.S. Environmental protection Agency CHP Partnership (3) Conti, J., Holtberg, P., Napolitano, S., Schaal, M., and Doman, L. E., 2014, International Energy Outlook 2014, U.S. Energy Information Administration. (4) U.S. Department of Energy, 2009, A decade of progress Combined Heat and Power, U.S. Department of Energy (5) Euroheat & power, 2015, District heating and cooling country by country 2015 survey, Euroheat & power. (6) Giaccone, L. and Canova, A. 2009, Economical comparison of CHP systems for industrial user with large steam demand, Applied Energy, vol. 86, No. 6, pp. 904~914. (7) Graus, W. and Worrell, E., 2011, Methods for calculating CO2 intensity of power generation and consumption_a global perspective, Energy Policy, Vol. 39, No. 9, pp. 613~627. (8) Olsson, L., Wetterlund, E., and Söderström, M., 2015, Assessing the climate impact of district heating systems with combined heat and power production and industrial excess heat, Resources, Conservation and 32 한국유체기계학회논문집 : 제 19 권, 제 6 호, 2016

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