IGCC시스템의 엑서지분석 - Shell/GE 프로세스

김종진, 박명호, 김철*

전력연구원

* 아주대학교

Exergy analysis of IGCC system - Shell/GE process

Jong-Jin Kim, Myung-Ho Park, Chul Kim*

Korea Electric Power Research Institute

A-Jou University

서론

석탄가스화 복합발전(IGCC) 시스템의 열성능 설계에는 복잡한 가열 및 냉각공정 구성이 필수적이며 이의 최적구성에 따라 플랜트 종합효율이 1∼2%이상 차이가 날 수 있다. 최적설계를 위한 플랜트 성능분석시 물질 및 에너지수지 이외에 정밀한 엑서지분석이 매우 유용한 도구로 사용될 수 있다. 연구에서는 기존의 화학공정 전문 코드인 ASPEN PLUS에 엑서지 계산기능을 보완(Exergy-enhanced)하고, 기 설계된 Shell-GE IGCC 플랜트의 열성능 설계를 분석하였다.

공정개요

분석대상공정은 Shell 가스화기, 저온정제공정 및 GE MS7001FA 가스터빈으로 구성된 IGCC 시스템이다.1)

ASPEN PLUS의 엑서지 계산기능 보강

IGCC 시스템의 열성능해석을 위하여 상용코드인 ASPEN PLUS를 이용하여, 전체 시스템에 대한 통합모델을 구성하였다. ASPEN PLUS는 273.15K, 1kg/cm2a를 기준조건으로 유체조성에 따라 적절한 물성치계산 방법을 사용하여 열역학 제 1법칙에 따르는 에너지분석을 수행한다. 에너지분석에서는 공정분석으로부터 단위기기 및 단위공정의 에너지손실에 관하여 얻을 수 있는 정보가 극히 제한적이라 할 수 있으며, 공정전문가가 경험을 통하여 공정을 개선하여야 한다. 하지만 열역학 1, 2법칙에의한 에너지분석과 엑서지분석을 병행하면, IGCC 시스템과 같이 복잡한 시스템의 경우에, 각 단위공정 및 핵심단위기기들에서의 손실량 등의 정보를 얻을 수 있으므로 성능설계 및 분석시 공정개선의 방향을 용이하게 파악할 수 있다. 본 연구에서는 ASPEN PLUS에서 엑서지계산을 수행할 수 있도록 In-Line Fortran 등을 이용하여 열 및 물리엑서지와 화학엑서지 등의 계산기능을 보강하였다. 엑서지계산시 기본데이터들과 계산방법 등은 ASPEN PLUS의 입력부분에서 투입되고, 출력부분에서 결과를 얻을 수 있으며, Figure 1과 같은 기능구조로서 이루어져 있다. 엑서지분석에 적용된 기준환경과, 대상공정에 포함된 물질들의 화학엑서지는 Table 1과 2에 나타내었다.2) 석탄의 엑서지값은 석탄의 발열량에 대한 비율(□)을 통한 다음식으로 결정하였으며, 계산된 □값은 1.0644로 계산되었다.3)

[eqn: epsilon^0 ~=~ varphi (NCV)]	(1)

[eqn: varphi ~=~ 1.0437 + 0.1882 h over c + 0.0610 o over c + 0.0404 n over c~]	(2)

엑서지 값들은 물리([eqn: epsilon _ph]), 화학([eqn: epsilon _ch]), 열([eqn: epsilon _Q~]) 및 일([eqn: epsilon _w~])의 엑서지로 나누어 계산하고 최종적으로 이들 각각을 통합하여 흐름의 엑서지를 계산하도록 하였으며, 이들은 각각 다음 식에 의하여 계산되었다.

[eqn: epsilon_ph ~=~H - H_0 - T_0 (S-S_0 )]	(3)

[eqn: epsilon_ch ~=~ SUM from{i} (mu_i0 - mu_i00 )N_i~]	(4)

[eqn: epsilon_Q ~=~ (1-T_0 /T)Q~]	(5)

[eqn: epsilon_w ~=~ W_x~]	(6)

여기서 H는 엔탈피, S는 엔트로피를 나타내며, □는 화학포텐셜을 각각 나타낸다. 또한 Ni는 성분의 몰수를 나타내며, Wx는 축일을 나타낸다. 하첨자 0는 기준환경상태의 물성을 나타내며, 00는 dead state를 나타낸다. 위식의 (3)과 (4)를 합하면, 물질흐름의 엑서지값이 되며, (5)은 열의 엑서지를, (6)는 일의 엑서지를 나타낸다.

계산결과 및 분석

주요기기 또는 단위공정에 대한 엑서지파괴 및 손실, 엑서지효율(□□) 및 무차원수 □(파괴 또는 손실엑서지의 총 석탄엑서지에 대한 비율)이 Table 3에 나타나 있다. 정상상태 공정에 대한 엑서지 효율계산식은 대상공정주변 엑서지정산에 따라 다음과 같이 표현할 수 있다.4)

[eqn: psi ~=~ {Total~exergy~output} over {Total~exergy~input}~=~ 1~-~ {Exergy~destruction} over {Total~exergy~input}]	(7)

또한 대상공정에서 소비된 엑서지를 생성물의 엑서지와 비교하여 다음과 같이 표현할 수 있다.5)

[eqn: eta_e ~=~ {{P}roduct~exergy} over {Consumed~exergy}~=~{{P}roduct~exergy} over{{P}roduct~exergy+Exergy~loss}]	(8)

여기에서는 (8)식에 따라 계산하였으며, 대상공정별 생성물은 각각 가스화기에서는 Raw Syngas 및 Jacket Steam, 가스냉각 및 HRSG계통에서는 피가열쳬, 가스터빈 및 증기터빈에서는 발전출력, 그리고 산소플랜트에서는 산소 및 질소 등이다.

엑서지파괴 또는 손실이 가장 큰 공정은 가스터빈(24.86%)으로서 연소기의 비가역 연소손실과 팽창기 및 압축기의 손실에 기인하며, 엑서지효율도 매우 낮은 편이다. 다음으로 손실이 큰 공정은 가스화기(8.21%)로서 부분산화시 손실 및 Jacket steam 생산시 열전달손실에 기인한다. 다음으로는 저온가스냉각 및 정제시스템(4.38%)로서 엑서지효율이 가장 낮은바(18.5%), 이는 열교환망 구성시 핀치온도차에 의한 가열-냉각유체의 선정이 미흡한 결과로서 개선의 가능성이 있을 것으로 보인다. 반면에 HRSG는 매우 높은 엑서지효율(93.8%)를 나타내고 있으며, 이는 기계장치설계시 비용-효과 측면을 고려하여 조정의 필요성이 있을 것으로 보인다.

결론

에너지변수에 의한 에너지시스템의 성능분석은 일반적으로 불충분하며, IGCC와 같이 복잡한 가열-냉각계통이 있는 경우에는 더욱 그러하다. 본 연구에서와 같이 널리 보급된 상용 시뮬레이터의 에너지분석 기능에 엑서지계산기능을 보강하여 상호 보완적으로 플랜트 열성능설계의 최적화를 도모하는 것은 에너지시스템 설계 및 분석시 매우 유용할 것으로 판단된다.

참고문헌

1. 김종진 외., □Shell 석탄가스화 복합발전 시스템의 성능해석 연구□ 한국에너지공학회지, Vol.6, No.1, 1997

2. L.S.J.Rodriguez, "Calculation of Available energy quantities, ACS symposium series 122, 1980

3. T.J.Kotas, "The Exergy Method of Thermal Plant Analysis", Butterworths, 1985

4. M.A.Rosen, "The Development and Application of a process analysis methodology and code based on exergy, cost, energy and mass" Univ. of Toronto, 1986

5. Xiao Feng, X.X.Zhu, J.P.Zheng, "A practical exergy method for system analysis", 31th IECEC, 1996

Figure  General overview of the Exergy-enhanced ASPEN PLUS simulation

Input Data ● System Configuration ● Unit Operation Data ● Materials Used ● Design Specifications ● Economic Parameters ● User-Specified Fortran	∀	ASPEN PLUS Code ● System Executive ● Libraries: ·Unit Operation ·Physical Properties ·Convergence and Optimization Routines ·Sizing/Costing Modules ·Default parameters ● External Fortran Execution	∀	Output Data ● Simulation Results (Description of Blocks and Streams) ● Warning/Error Message ● Component Sizes ● Economic Results
● Exergy Analysis Data ·Reference Environment ·Chemical-Exergy Calculation Procedure ·Data Retrieval and Manipulation Routines				● Exergy Results ·Chemical Exergy ·Thermomechanical Exergy ·Total Exergy ·Reference Environment

Table 1 A Reference-Environment Model

T0 P0	298.15K 1 atm
Composition	Atmospheric air saturated with H2O at T0 and P0
	Air Costituents N2 O2 H2O Ar CO2 H2	Mole Fraction 0.7567 0.2035 0.0303 0.0091 0.0003 0.0001
	The following condensed phases at T0 and P0 Water(H2O) Gypsum(CaSO4.2H2O)

Table 2 Chemical Exergy Values of Selected Species

Species	Chemical Exergy(kJ/g-mole)*
Ammonia (NH3) Argon (Ar) Carbon(graphite) (C) Carbon Dioxide (CO2) Carbon Monoxide (CO) Carbon Oxysulfide (COS) Hydrogen (H2) Hydrogen Sulfide (H2S) Methane (CH4) Nitrogen (N2) Oxygen (O2) Sulphur (S) Sulphur Dioxide (SO2) Water (H2O)	2.47809 ln x + 337.861 2.47809 ln x + 11.650 410.535 2.47809 ln x + 20.108 2.47809 ln x + 275.224 2.47809 ln x + 848.013 2.47809 ln x + 235.153 2.47809 ln x + 803.374 2.47809 ln x + 830.212 2.47809 ln x + 0.693 2.47809 ln x + 3.948 608.967 2.47809 ln x + 295.736 2.47809 ln x + 8.595
* x represents the molal fraction for each of the respective species

Table 3 Calculation Results

항 목	엑서지소비 (MW)	엑서지파괴 및 손실(MW)	엑서지효율, □□ (%)	□(%)
가스화기	673.71	54.26	91.9	8.21
고온가스냉각	67.79	10.31	84.8	1.56
저온가스냉각 및 정제	35.49	28.91	18.5	4.38
가스터빈	371.36	164.26	55.8	24.86
산소플랜트	41.363	14.61	64.7	2.21
증기터빈	140.97	19.08	86.5	2.89
HRSG	293.90	18.35	93.8	2.78
배기가스(대기)	-	24.23	-	3.67
순수유황(부산물)	-	4.00	-	0.61
기타손실	-	40.04	-	6.06
플랜트 총계	660.61	378.03	42.8	57.23