HRSG설계 변수가 투자비용에 미치는 영향 분석

이중용, 박명호, 김종진*

(주)엑서지엔지니어링, 전력연구원*

Analysis of Effects of Design Parameters on HRSG Investment Cost

Joong yong Yi, Moung ho Park, Jong Jin Kim*

Exergy Engineering Ltd., KEPRI*

서론

폐열회수보일러(HRSG)는 외부로 방출되는 배기열을 회수하여 증기를 생산함으로써 시스템의 효율을 증대시키는 설비이다. 이러한 HRSG의 설계에 있어서 효율과 투자비는 가장 중요한 인자이다. 본 연구에서는 HRSG의 설계에 영향을 미치는 변수들이 HRSG 설계와 투자비에 미치는 영향을 분석함으로써 HRSG의 최적설계조건을 제시하였다.

HRSG의 설계

본 연구에서는 GE MS7231FA 가스터빈(외기온도 59◁, 터빈출구온도 1154◁, 배출가스유량 852lb/sec)과 단압 폐열회수보일러(Single pressure Heat Recovery Steam Generator)를 적용한 214.18MW 용량의 복합발전시스템을 대상으로 하였다. 공정분석은 GateCycle과 HXDSN을 이용하였다1,2. HRSG설계에 영향을 미치는 변수들로서는 HRSG 폭, 튜브직경, 가스측압력손실, tube spacing ratio, 튜브 형태, 튜브배열, fin의 높이 및 fin density 등 많은 변수들이 있으나, 본 연구에서는 열역학적 측면에서는 일반적으로 고려하지 않지만, 현실적으로 아주 중요한 tube spacing ratio 및 튜브배열의 두가지 변수에 대한 영향만을 살펴보았다.

그림  대상시스템의 공정흐름도

본 연구에서 고려한 공정구성도는 그림 1과 같고, HRSG설계를 위한 열/물질수지와 HRSG의 초기설계조건은 표 1에 나타낸 바와 같다. HRSG 설계시 가스측 압력손실(DP)은 매우 중요한 설계인자이다. DP를 20inH2O로 제한하는 경우에 HRSG 설계를 수행하기 위한 초기조건은 표 2와 같다.

표 1. HRSG 설계를 위한 열/물질수지

Unit no. Unit type	THot,in(◁) THot,out(◁)	TCold,out(◁) TCold,in(◁)	Pcold,in(psia)	Mcold(lb/hr) HeatDuty(MBtu/hr)
1 Superheater	1153.6 975.8	1000.0 516.8	800.7	493216. 154.54
2 Evaporator	975.8 541.8	516.8 496.8	800.7	493216. 353.28
3 Economizer	541.8 377.0	496.8 244.5	821.0	493216. 132.9800

표 2. HRSG의 초기설계조건

Tube Outside Diameter		2.0 inches
Fin Density		6/inch
Fin Height		0.75 inches
Fin Type		segmented fins
Row Arrangement		staggered
Tube Orientation	Superheater	vertical
	Economizer	horizontal
Minimum Tube Spacing		0.5
Gas side pressure drop (inH2O)		19.98
Investment Cost ($M)		7.58

HRSG 폭(width)의 선정 : HXDSN은 높이(H)/폭(W) 비를 주어진 조건으로부터 계산하는데, 이 경우 H/W비는 0.8∼1.2의 범위를 갖는다. 폭의 변화에 따른 DP와 높이 변화를 그림 2에 나타내었다.

그림 2. HRSG 폭의 변화에 따른 압력손실과 높이 변화

분석 결과 W=25ft 이상에서 DP는 19.98inH2O 이하로 DP 요구량 20inH2O를 만족시키며, W=25 인 경우 H=27.77ft 이었다. W=25보다 큰 경우는 DP 요구량보다 훨씬 낮은 DP값을 나타냄으로써 과다설계(overdesign)의 가능성이 있으므로 W=25로 선정하였다.

Tube spacing ratio의 영향 : W=25ft를 기준으로 tube spacing ratio(fin tip space/tube diameter)의 영향을 살펴보았다. Tube spacing은 가스측의 fouling이 최소가 되도록 선정되어야 한다. 일반적으로 최소 spacing ratio는 기체연료인 경우 0.125 이며, 최대 spacing ratio는 tube row의 배열에 따라 Staggered type인 경우 0.50, Inlined type인 경우 0.375이다. 본 논문에서는 tube spacing ratio를 0.125∼0.5까지 변화시키면서 그 영향을 분석하였으며, 분석 결과는 그림 3에 나타내었다.

그림 3. Tube spacing ratio의 영향

Tube spacing ratio가 증가함에 따라 HRSG 투자비와 HRSG 높이는 감소하며, 0.275 이상에서는 감소하는 경향이 현저히 줄어들고 있다. 이는 HRSG의 폭을 25ft로 제한하고 DP 요구량을 20inH2O로 일정하게 유지하도록 설정하였기 때문이다. 또한 0.275에서의 DP는 20inH2O로 요구량을 만족하고 있으므로 tube spacing ratio는 0.275가 가장 적합한 것으로 판단된다.

Tube row configuration의 영향 : HRSG 초기설계조건에 대하여 tube row arrangement type이 staggered type과 inlined type인 경우에 대하여 분석하였다.

일반적으로 HRSG 설계시 현장에서의 제작여건과 운송 등의 제한요인으로 인하여 H/W 비를 0.8∼1.2로 제한하고 있으므로 이 범위에서 tube row arrangement의 영향을 분석하였다3. 분석 결과는 표 3과 같다. 표 3에서 세 번째의 경우는 evaporator만을 staggered type으로 선정하고 superheater와 economizer는 inlined type으로 선정한 것이다.

표 3. Tube row configuration의 영향

Row Arrange.	Min. Tube Spacing	HRSG Width(ft)	HRSG Height(ft)	Investment Cost($M)	Cost/Area Ratio	Pressure Drop
Staggered	0.5	25	30.00	6.45	10.94	34.38
Inlined	0.375	25	27.77	6.81	10.72	19.98
Inlined/ Evap.Stag.	0.375/0.5	25	30.00	6.53	10.54	26.69

Staggered type의 경우 대류열전달계수가 크고 최대 허용 spacing ratio도 inlined type보다 크지만, HRSG에 가장 큰 영향을 미치는 DP가 증가한다는 단점이 있다4. Staggered type인 경우 DP요구량을 만족시키지 못하는 반면, inlined type의 경우 DP요구량을 만족하고 있으며 HRSG 높이도 가장 낮다. 투자비는 초기설계조건에서 $M7.58이었던 것에 비해 inlined type으로 변경하였을 경우 $M6.81로 감소하였다.

결론

최적화된 HRSG 설계조건 및 설계결과를 표 4와 5에 나타내었다.

표 4. HRSG의 변경된 설계조건

Tube Outside Diameter		2.0 inches
Fin Density		6/inch
Fin Height		0.75 inches
Fin Type		segmented fins
Row Arrangement		Inlined
Tube Orientation	Superheater	vertical
	Economizer	horizontal
Minimum Tube Spacing		0.275

표 5. HRSG 설계 결과

HRSG 폭 (ft)	25
HRSG 높이 (ft)	29.17
가스측 압력손실(inH2O)	20.00
전열면적(ft2)	638434
투자비($M)	6.68
투자비/전열면적($/ft2)	10.46

튜브배열은 inlined type으로, tube spacing ratio는 0.275로 각각 변경되었으며, 투자비는 초기설계조건시 $M7.58에서 변경된 설계조건시 $M6.68로 $M0.9가 감소하였으며, 단위전열면적당 투자비의 비율은 11.58에서 10.46으로 감소하였다.

참고문헌

1. GE Enter software Inc., "GateCycle v5.2 User Guide", vol 1, 2.(1999)

2. Energy Planners International, "HXDSN v4.0 User's Guide".(1999)

3. Energy Planners International, "Use of the HXDSN program to size &

estimate the cost of a heat recovery steam generator", EPI TB-102.

4. V.Ganapathy, "Waste Heat Boiler Deskbook", The Fairmont Press, Inc.(1991).