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일화 명
5 years ago
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1 Introduction to IGCC ( 석탄가스화복합 ) 발전소성능시험 (ASME PTC 47)

2 목차 (CONTENTS) 1. 석탄가스화복합발전 2. 성능시험기술표준 3. 시험경계및측정 4. 성능시험수행 5. 시험결과계산 6. 플랜트성능시험표준비교 1

1. 석탄가스화복합발전 (IGCC) 석탄가스화복합발전은다음과같은공정이융합된에너지전환기술임 석탄을고온, 고압의상태에서산소또는증기와반응시켜수소및일산화탄소가대부분인합성가스 (Syngas, Fuel Gas) 로전환시키는일련의공정 ( 산소공급공정, 가스화공정 ), 합성석유제조및전력생산을위해유해가스 (Raw

3 1. 석탄가스화복합발전 (IGCC) 석탄가스화복합발전은다음과같은공정이융합된에너지전환기술임 석탄을고온, 고압의상태에서산소또는증기와반응시켜수소및일산화탄소가대부분인합성가스 (Syngas, Fuel Gas) 로전환시키는일련의공정 ( 산소공급공정, 가스화공정 ), 합성석유제조및전력생산을위해유해가스 (Raw Syngas) 를정제하는정제공정, 가스터빈및증기터빈을통해전력을생산하는발전공정 석탄가스화개념도 * SNG : Synthetic Natural Gas, CTL : Coal to Liquid, DME : Dimethyl Ether, IGFC : Integrated Gasification Fuel Cell 2

4 1. 석탄가스화복합발전 (IGCC) 3

5 1. 석탄가스화복합발전 (IGCC) 석탄가스화복합발전 (IGCC) 의주요공정 1 산소플랜트 (ASU : Air Separation Unit) 가스화의반응가스즉, 산화제로는증기와공기또는산소가이용되며, 대부분의플랜트에서는공기 (Air-Blown) 보다산소 (Oxygen-Blown) 를이용하고있음 대부분의상용플랜트에서사용하는산소공급설비는공기를산소 (O 2 ) 와질소 (N 2 ) 로분리하여산소는가스화기에주입하며질소는가스터빈으로공급하는형태를취함 산소플랜트는공기압축기, 공기냉각설비, 공기정화설비 ( 먼지, CO 2, C n H m 제거 ), 공기분리설비 ( 상대휘발도차이로질소와산소분리 ) 등을포함 2 가스화플랜트 (Gasification Plant) 가스화는저급탄소연료로부터청정고급에너지로전환하는기술로, 석탄의부분적인산화를통하여고체의연료에서가스의연료로전환하는것석탄을고온, 고압의상태에서산소 (O 2 ) 및증기 (Steam) 와반응시켜, 수소 (H 2 ) 와일산화탄소 (CO) 가대부분인합성가스 (Synthesis Gas, Syngas, Fuel Gas) 로전환 가스화주요설비는석탄공급계통, 가스화기및가스냉각기, Slag 처리설비, 비회 (Fly Ash) 처리설비, 습식세정설비등을포함 4

6 1. 석탄가스화복합발전 (IGCC) 석탄가스화복합발전 (IGCC) 의주요공정 3 정제플랜트 가스화기에서생성된합성가스 (Syngas) 중의오염물질 ( 주로 HCN, COS, CO 2 로구성됨 ) 를제거함으로써발전용가스연료로서이용할수있도록정제하는공정 설비구성 : HCN/COS 가수분해설비 (Hydrolysis Reactor), 저온가스냉각설비, 산성가스제거 (AGR : Acid Gas Removal) 설비, 산성수처리설비로구성 4 발전플랜트 (Power Block) 전기생산을위하여이용되는가스터빈, HRSG, 증기터빈등으로이루어짐 5

7 1. 석탄가스화복합발전 (IGCC) Oxygen-Blown IGCC 흐름도 6

8 1. 석탄가스화복합발전 (IGCC) 7

9 1. 석탄가스화복합발전 (IGCC) 석탄가스화와미분탄화력 ( 석탄직접연소 ) 의차이점비교 구분 석탄가스화 미분탄화력 운전원리 부분산화반응 완전산화반응 산화제 증기, 산소, 공기 공기 운전온도 운전압력 MPa 대기압 생성가스 CO, H 2, CH 4, CO 2, H 2 O CO 2, H 2 O 가스정제 연료가스 (Syngas) 정제 연소후배가스정제 환경물질 H 2 S, HCN, NH 3 SOx, NOx Tar 생성 생성경우있음 없음 황산화물 / 제거방법 H 2 S/ 산성가스제거 SOx/ 배연탈황 (FGD) 질소산화물제거 불필요 배연탈질 (SCR) 회분제거 Slag(Low Volume) Fly/Bottom Ash 미량물질 Filter( 세라믹 / 금속 ) 전기집진기 (ESP) 발전효율 (HHV) % % 8

10 2. 성능시험기술표준 (Reference Codes and Standards) KEPIC MPT 1 (ASME PTC 1) General instructions ASME PTC 47-1 Air Separation Unit ASME PTC 19.1 Uncertainty analysis ASME PTC 47-2 Gasification System KEPIC MPT 19.2 (ASME PTC 19.2) Pressure measurement IGCC ASME PTC 47 ASME PTC 47-3 Fuel Gas Cleaning KEPIC MPT 19.3 (ASME PTC 19.3) Temperature measurement ASME PTC 47-4 IGCC Power Block KEPIC MPT 19.5 (ASME PTC 19.5) ISO 5167 / MFC 3M Water & Steam Flow measurement IEEC Std. 120 Power measurement 9

11 2.1 목적 (Object) 규정된기준조건에서의연료가스의유량과품질, 열효율 ( 열소비율 ), 전기출력을결정하기위한가스화복합발전의성능시험절차를제공 전기출력만생산 (Power Only) 하는경우 보정순전기출력 (Corrected Net Power) 보정열소비율 (Corrected Heat Rate) 보정열입력 (Corrected Heat Input) 공정용합성가스와증기의생산 (Multiple Products) 을포함하는경우 보정순전기출력, 보정열입력 (Corrected Net Power, Corrected Heat Rate) 배출합성가스의압력, 온도, 조성, 유량, 발열량 (Export Syngas Pressure, Temperature, Composition, Flow, Heating Value) 오염물함량 (Product Gas Contaminant Content) 배출증기압력, 온도, 조성, 유량 (Export Steam Pressure, Temperature, Composition, Flow) 목적에따른시험방법 지정된순보정전기출력 (Specified Corrected Net Power Test) 지정된배열 (Specified Disposition Test) 10

12 2.2 적용범위 (Scope) 1차연료의한정된특성범위에대해적용이가능하지만가스와증기터빈을사용하는복합발전에제한되어적용 3개의주요설비를포함하는 IGCC Power Plant 공기분리장치 (Air Separation Unit) 가스정제를포함한가스화공정설비 (Gasification Process including gas cleanup) 발전플랜트 (Power Block) 가스의유속과온도, 압력, 조성, 열량그리고오염물의함량에의해연료의양과품질을결정 오염물질 : 일반적으로 GT와 Power Block에잠재적으로유독하거나대기배출물에전조가되는화합물 나트륨 (Na), 칼륨 (K), 바나듐 (V), 납 (Pb), 칼슘 (Ca), 바륨 (Ba), 망간 (Mn), 인 (P), 황화합물 (H 2 S and COS), 질소화합물 (HCN and NH 3 ), 염소화합물 (HCl), 분진 (Particulate Matter) 등 권고사항 시험에관한협의사항, 계측기의종류, 측정방법, 계산방법, 시험보고서의내용 11

2.3 시험불확도 (Test Uncertainty) 최대예상측정불확도 항목출력만에대한영향출력을포함한다양한생산 입력연료유량 입력연료열량 배출합성가스온도 배출합성가스압력 ( 절대압 ) 생산배출합성가스조성 배출합성가스부피유량 배출합성가스열량 배출증기온도 배출증기압력 ( 절대압 ) 배출증기유량 발전설비열효율 발전설비전기출력 3 % 1 % 3.

13 2.3 시험불확도 (Test Uncertainty) 최대예상측정불확도 항목출력만에대한영향출력을포함한다양한생산 입력연료유량 입력연료열량 배출합성가스온도 배출합성가스압력 ( 절대압 ) 생산배출합성가스조성 배출합성가스부피유량 배출합성가스열량 배출증기온도 배출증기압력 ( 절대압 ) 배출증기유량 발전설비열효율 발전설비전기출력 3 % 1 % 3.5 % 1 % 3 % 1 % 3 (5 ) 0.5 % 1 % 1 % 1 % 3 (5 ) 0.5 % NOTE: Not technically definable. Thermal efficiency and heat rate are succinctly defined for a power-only plant, but a single "efficiency" calculation for a multiple-product plant requires agreement on the relative usefulness of each product. The code performance test measures all significant streams entering and leaving the plant, from which a variety of ratios can be calculated if desired. 1 % Note 1 % 12

14 3. 시험경계및측정 (Test Boundary and Measurements) 공기분리설비 (ASU) 가없는 IGCC 성능시험경계 13

15 3. 시험경계및측정 (Test Boundary and Measurements) 공기분리설비 (ASU) 를갖는 IGCC 성능시험경계 14

16 3.1 측정항목 (Measurement Items) 항목 유입출력 (Import power) 부산물회 (By-product ash) 부산물황또는황산 (By-product sulfur or sulfuric acid) 부산물산소 (By-product oxygen) 부산물질소 (By-product nitrogen) 부산물아르곤 (By-product argon) 냉각수 (Cooling water) 배출압축공기 (Export compressed air) 배출공정수 (Export process water) 배출증기 (Export steam) 배출합성가스 (Export syngas) 시험경계내부열방출 (Heat rejection inside test boundary) 시험경계외부열방출 (Heat rejection outside test boundary) 유입증기 (Import steam) 입구공기 (Inlet air) 보충수 (Makeup water) 전기출력 (Power output ) 시험경계외부로부터산화제 (Oxidant) 1 차연료입력 (Primary fuel input) 2 차연료입력 (Secondary fuel input) 2 차열입력 ( 복수회수 ) (condensate return)) 2 차열입력 ( 복수회수외 ) (other than condensate return) 흡수제 (Sorbent) 증기발생기블로우다운 (Steam generator blowdown) 변압기및라인손실 (Transformer and line losses) 측정항목 시험경계에서출력, 역률유량과조성 ( 만약가스화공정에연결되었다면 ) 유량과조성 ( 만약가스화공정에연결되었다면 ) 유량과조성 ( 만약가스화공정에연결되었다면 ), 온도, 압력유량과조성 ( 만약가스화공정에연결되었다면 ), 온도, 압력유량과조성 ( 만약가스화공정에연결되었다면 ), 온도, 압력 입구온도유량과온도유량과온도유량, 압력, 온도입 출구유량, 압력, 온도, 조성 순환수온도복수기압력유량, 압력, 온도냉각탑과터빈입구의압력, 온도, 습도 온도경계에서전기출력. 주파수, 저압측전류, 역율조성, 압력, 온도, 유량온도, 조성, 열량, 유량온도, 조성, 유량 온도공정회수 / 보충온도요구조건조성과공급률 ( 만약가스화공정에사용되면 ) 유량, 온도저압측측정전류 15

17 3.1 측정항목 (Measurement Items) 전기출력 (Measurement of Electrical Load) 16

18 3.1 측정항목 (Measurement Items) 입열및출열측정 (Input and Output Heat Measurement) 직접측정 (Direct Measurement Method) 1 건조고체연료 (Dry Solid Fuels) 열입력은연료의질량유량에다연료의고위발열량 (HHV) 를곱한것 연료의질량유량은일반적으로 Gravimetric Weight Belt Feeder 로측정 고위발열량 (HHV) 은 Bomb Calorimeter(ASTM D ) 로측정 연료의 Sample은시험기간동안에수집하며, 시험기간을대표할수있도록혼합 Sample을만들어분석하거나또는각각분석하여산술평균하는방법중택일 2 Export Syngas 각성분의표준발열량을가지고합성가스 (Syngas) 의발열량을계산 합성가스 (Syngas) 의유량은 Orifice 또는 Turbine-type 유량계로측정 조성분석은 Gas Chromatography 이용 17

19 3.1 측정항목 (Measurement Items) Syngas 발열량계산 ( 예 ) NG에는수분이함유되어있지않지만 Syngas에는수분이다량함유되어있음 액체성분 (Liquid Slug) 이 Fuel Gas 계통을통해서유입될가능성을피하기위해서 Gas Scrubber System이설치되어있으며, 어떠한 Fuel Gas에대해서도최소한노점 (Dew Point) 보다 50 (28 ) 이상의과열이필요함 포화상태의연료나규정보다과열도가낮은연료는 GT CV 통과시 Gas의팽창또는냉각됨에따라액체가형성됨 물이 Gas에유입되면 Hydrocarbon과결합하여고체의 Hydrocarbon이나 Hydrate( 수화물 ) 를형성되며, 이러한수화물이 Combustion 계통에분사되면배기환경과기계적인부품의손상을포함하여운전상의문제가발생함 Liquid Hydrocarbon이 Carry Over되면고온부가스통로의부품 (Hot Gas Path Hardware) 이심한과열조건에노출되어결국수명과정비주기의단축을초래함 따라서수분은반드시증기상태즉 Dry 상태로연소계통에유입되어야하므로고위발열량 (HHV) 계산시 Dry( 증기 ) 상태로유입되어 Dry( 증기 ) 상태로배출되는것으로계산함 즉, 수분의증발잠열은계산에포함하지않으나, 연료에대한수분의몰분률 (Mole Fraction) 은포함하여계산한다. 18

20 3.1 측정항목 (Measurement Items) Syngas 발열량계산 ( 예 ) [ ISO 6976:1995] Reference Condition : 15, kpa HHV LHV # Name / Formula Mole Fraction Molar Mass xj*mj Wet Base xj*hhv Dry Base xj*hhv LHV xj*lhv xj (Mol %) Mj (kg/kmol) (kg/kmol) (kj/mol) (kj/mol) (kj/mol) (kj/mol) (kj/mol) (kj/mol) 1 Carbon Monoxide CO 58.19% Hydrogen H % Carbon Dioxide CO % Methane CH % Water H 2 O 8.02% Nitrogen N % Hydrogen Sulfide H 2 S 0.00% Argon Ar 0.80% # Sum % Heating Value 11,086.7 kj/kg 10,919.2 kj/kg 10,425.6 kj/kg 19

21 3.1 측정항목 (Measurement Items) 입열및출열측정 (Input and Output Heat Measurement) 간접측정 (Indirect Measurement Method) : 연료의간접적인측정방법은가스화계통의 Carbon Balance 기준으로결정 Input 연료중의 Carbon 은미정제합성가스의 Carbon과 Ash 중에함유된 Carbon을합하여계산 미정제합성가스 Carbon의양은 Gas Chromatography와미정제합성가스의유량측정에의해결정, Ash 중 Carbon의양은 Ash의분석과 Ash의유량측정에의해결정 Primary Input Fuel 의질량유량은자체의계산된 Carbon 양과원소분석으로부터계산되고, Primary Input Fuel 의발열량은직접측정방법에서기술한대로결정 Carbon Mass Balance Equation C fuel = C CO2 + C CO + C THC + C ash 20

4. 성능시험수행 (Conduct of Test) 성능시험횟수및시간 시험횟수 : 2 회이상 (100% 정격부하 ) 시험시간 : 4 시간 ( 안정화 24 시간 ) 기록횟수 : 1 차변수 : 최소 30 회이상 2 차변수 : 규정없음, 1 차변수의측정불확도결정에유효하도록충분하게측정 Coal Quality Sample : 매 30분간격 Ash or Slag

22 4. 성능시험수행 (Conduct of Test) 성능시험횟수및시간 시험횟수 : 2 회이상 (100% 정격부하 ) 시험시간 : 4 시간 ( 안정화 24 시간 ) 기록횟수 : 1 차변수 : 최소 30 회이상 2 차변수 : 규정없음, 1 차변수의측정불확도결정에유효하도록충분하게측정 Coal Quality Sample : 매 30분간격 Ash or Slag Quality Sample : 1회 (Lock Hopper에 4시간동안축적 ) 유황 (S) Product : 각 Tank Car 또는 Truckload에대해 1회 계통격리 (Cycle Isolation) 시험결과에대한정확도는계통의격리상태에크게의존하며, 측정오차를최소화하기위해서는 사이클내 외부로출입하는유량을최대한억제하여야만함 외부격리 : 외부격리는사이클의내 외부로출입하는모든유량에관한것으로서, 원칙적으로모두격리되어야하며, 그렇지못한경우는측정할수있어야함 내부격리 : 내부격리는터빈사이클의내부에서유동하면서원래목적하는바의지점에서벗어난유량에관련된 것으로서제반의우회유량 (Bypass Flow) 이이에해당됨 이들유량은출입유량정산으로는파악할수없으므로반드시격리하여야함 21

4. 시험수행 (Conduct of Test) 성능시험기간중허용안정화조건 Criterion Inlet Air Heat Sink Thermal Efflux & Input Electrical Parameters Variation During Test Deviation From Design

±6 ±11 Condenser pressure ±17 mbar ±34 mbar Export & Import steam pr. ±5 % ±5 % Export & Import steam temp.

23 4. 시험수행 (Conduct of Test) 성능시험기간중허용안정화조건 Criterion Inlet Air Heat Sink Thermal Efflux & Input Electrical Parameters Variation During Test Deviation From Design Inlet air temperature ±6 ±17 Inlet air pressure ±70 mbar ±70 mbar Inlet air relative humidity ±20 %P n/a Cooling air temperature ±6 ±17 Cooling water temperature ±6 ±11 Condenser pressure ±17 mbar ±34 mbar Export & Import steam pr. ±5 % ±5 % Export & Import steam temp. ±6 ±11 Process water temperature ±6 ±17 By-products flow rate ±5 % n/a Fuel & Syngas heating value ±5 % ±5 % Generator power factor ±1 % ±1 % Generator voltage ±1 % ±1 % Frequency ±0.5 % ±0.5 % Import power ±5 % ±5 % 22

24 5. 시험결과계산 (Computation of Test Results) 시험결과식 (Test Result Equations) 1 Primary Results : Power Output and Fuel Input Corrected Net Power : P c = P m + (AP i ) MP j Corrected Primary Fuel Input : Q pf,c = Q pf,m + (APF i ) MPF j 2 Secondary Energy Inputs Corrected Secondary Fuel Input : Q sf,c = Q sf,m + (ASF i ) MSF j Corrected Import Steam Energy : Q is,c = Q is,m + (AIS i ) MIS j 3 Energy Export Streams Corrected Synthesis Gas Energy : Q sg,c = Q sg,m + (ASG i ) MSG j Corrected Export Steam Energy : Q es,c = Q es,m + (AES i ) MES j Corrected Export Process Water Energy : Q pw,c = Q pw,m + (APW i ) MPW j Corrected Export Compressed Air Energy : Q eca,c = Q eca,m + (AECA i ) MECA j 23

25 5. 시험결과계산 (Computation of Test Results) Corrected By-Product Energy a. By-Product Ash : Q ash,c = Q ash,m + (AASH i ) MASH j b. By-Product Sulfuric Acid : Q sulf,c = Q sulf,m + (ASULF i ) MSULF j c. By-Product Oxygen : Q bo,c = Q bo,m + (ABO i ) MBO j d. By-Product Nitrogen : Q bn,c = Q bn,m + (ABN i ) MBN j e. By-Product Argon : Q bar,c = Q bar,m + (ABAR i ) MBAR j 4 Derived Results Corrected Heat Rate (for Electrical Generating Plant) HR c = Q pf,c + Q sf,c P c Corrected Electrical Efficiency (for Electrical Generating Plant) η c = P c Q pf,c + Q sf,c + Q is,c Thermal Efficiency η c = P c + Q sg,c + Q es,c + Q pw,c + Q eca,c + Q ash,c + Q sulf,c + Q bo,c + Q bn,c + Q bar,c Q pf,c + Q sf,c + Q is,c 24

26 5. 시험결과계산 (Computation of Test Results) 보정항목 (Correction Factors) 25

6. 플랜트성능시험표준비교 (Compare of the Test Code) 항목 ASME PTC 47-2006 ASME PTC 47.

27 6. 플랜트성능시험표준비교 (Compare of the Test Code) 항목 ASME PTC ASME PTC ASME PTC 적용설비가스화복합발전 (IGCC) 플랜트 IGCC 의복합발전플랜트기력, 복합및열병합발전플랜트 성능인자 전기출력, 열입력, 열소비율주 ), 배출합성가스 / 물 / 증기 / 부산물 전기출력, 열입력, 열소비율 전기출력, 열입력, 열소비율 입력 (Input) 연료의화학적에너지, [ 들어오는증기에너지 ] 연료의화학적에너지, 들어오는증기 / 물 /N 2 에너지 연료의화학적에너지 출력 (Output) 전기출력, [ 배출되는합성가스, 물, 증기, 부산물등의에너지 ] 전기출력, 배출되는증기 / 물에너지 전기출력, 열출력 ( 열병합 ) 보정인자 Additive: 30, Multiplicative: 24 Additive: 11, Multiplicative: 13 Additive: 7, Multiplicative: 5 시험시간 4 시간 ( 안정화 24 시간 ) 1 시간 ( 안정화 1 시간 ) 복합 : 1 시간 ( 안정화 1 시간 ) 기력 : 2~4 시간 ( 안정화 1 시간이상 ) 시험횟수 2 회이상 2 회이상 2 회이상 시험불확도 Power: 1.0 %, HR: 3.5 % Power: 1.0 %, HR: 1.5 % Power: 1.0%, HR: 1.5% (Liquid, Gas) Power: 1.0%, HR: 3.0% (Solid) 주 ) 열소비율은순출력에대한연료열의입력의비로정의되며에너지입력이연료열이고, 에너지출력은전기인발전시스템에서사용되어왔음. ASME PTC 46 에서정의된것처럼전체플랜트성능에서열소비율은전통적인복합사이클시스템의성능파라미터로충분하다. 하지만다중입력과다중생산을하는가스화복합발전플랜트에서는열소비율이적절한성능지표가아님. 왜냐하면총입력에너지의중요한부분이합성가스, 증기, 부산물같은비전기적인에너지로변화되기때문임. 26

28 Q & A 27

?????????????????2009-????????

?????????????????2009-???????? KOPEC, a Global Leading Engineering Company Humaneering KOPEC Nuclear Power NUCLEAR POWER 06 07 Isolation Valve Rupture Disk To Containment Atmosphere Throttle Valve Pressurizer Steam Generator Reactor