엑서지성능 개선가능 무차원수의 제안 및 적용

김종진, 박명호*, 김철*

전력연구원

아주대학교*

A suggestion and its application of avoidable exergy dimensionless ratio

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

Korea Electric Power Research Institute

A-Jou University*

서론

현재까지 에너지시스템의 엑서지분석과 관련하여 다수의 무차원수가 제안되었다.[1,2] 하지만 시스템 내에서 발생하는 엑서지손실은 이론적으로 제로화시킬 수 있으나, 그 중에는 기술적 및 경제적인 현실적 제약으로 피할 수 없는 손실이 포함되어 있으므로, 이러한 무차원수가 정확한 개선가능지수를 알 수 있게 하는 것은 아니라고 할 수 있다. 본 연구에서는 새로운 시스템성능 개선가능 무차원수([eqn: gamma_AVO~])를 제안하여 이를 석탄가스화복합발전에 적용하였다.

시스템성능 개선가능 무차원수([eqn: gamma_AVO~])

본 연구에서 제안한 시스템성능 개선가능 무차원수([eqn: gamma_AVO~])는 다음과 같이 정의된다.

[eqn: gamma_AVO ~=~ {개선가능~엑서지손실(E_AVO )} over {시스템내~총~공급연료엑서지(E_fuel )} times 100~]         (1)        시스템성능 개선가능 무차원수([eqn: gamma_AVO~])는 총 엑서지손실중 현실적 제약으로 피할 수 없는 최소손실(minimum loss)을 제외한 나머지를 개선가능손실(avoidable loss)로 설정하고, 이를 시스템내의 총 연료엑서지와 비교한 무차원수이다. 이는 현실적 여건을 감안한 시스템내 진실된 손실개소와 정확한 개선가능지수를 알게 하므로 에너지시스템의 성능개선 활동시 매우 유익한 개념이라고 할 수 있다.

대상시스템의 최종목적이 전력생산인 경우에 계산된[eqn: gamma_AVO~]값은 곧 플랜트 종합효율의 개선가능절대치(예, 시스템효율이 40%, [eqn: gamma_AVO ~]가 0.2%인 경우에 개선후의 효율은 40.2%)를 즉각적으로 알게 한다.

개선가능 엑서지손실([eqn: E_AVO~])

개선가능 엑서지손실([eqn: E_AVO ~])는 다음과 같이 나타낼 수 있다.[3]

[eqn: E_AVO ~=~ E_CON + E_MIN~]	(2)

최소엑서지손실([eqn: E_MIN~])은 기술적 및 경제적으로 피할 수 없는 최소한의 손실이다. 어떤 공정에서 총 엑서지손실이 여기에 정의된 최소엑서지손실([eqn: E_MIN~])보다 적은 경우는 기술적으로 달성 불가능하거나 경제적으로 타당하지 않다. 최소엑서지손실([eqn: E_MIN~])의 수치는 기술진보 및 경제적 환경에 따라 변화한다. 최소엑서지손실([eqn: E_MIN~])을 결정할 수 있으면 개선가능 엑서지손실([eqn: E_AVO~])을 즉각 알 수 있다. 최소엑서지손실([eqn: E_MIN~])은 다음과 같이 정의할 수 있다.

증발기(가스냉각기 및 HRSG)[3]

[eqn: E_MIN ~=~ QT_0 (1/T_{max,stm} - 1/T_max )]	(3)

Q는 가스냉각기 또는 HRSG내에서 가스로부터 증기로의 열전달량이며,[eqn: T_0]는 환경의 온도,[eqn: T_{max,stm}]은 최대 증기온도이다.

열교환기[3,4]

[eqn: E_MIN~ =~ Q ( {T_HM - T_CM }over{T_HM T_CM} ) T_0 +RT_0 (n_H ln {p_H over {p_H - delta p_H }} + n_C ln {p_C over {p_C - delta p_C }}) ~](4)

Q는 열교환기의 열부하, THM은 고온흐름의 평균온도, TCM은 저온흐름의 평균온도, n은 유량, p는 압력 및 □p는 압력손실이다. 하첨자 H 및 C는 각각 고온 및 저온을 나타낸다.

가스터빈 연소기[3]

[eqn: E_MIN ~=~ E_fuel [1-eta_{max,com} (1-T_0 /T_max )]]	(5)

[eqn: eta_{max,com}]은 현재의 기술적 및 경제적 여건에서 달성 가능한 최대연소효율, [eqn: T_max]는 현재의 재질이 허용하는 범위 내에서 가스터빈 연소기 및 가스터빈 블레이드에 적용 가능한 최고온도이다.

가스터빈 및 증기터빈[5]

[eqn: E_MIN ~=~ T_0 DELTA s_min]	(6)

[eqn: DELTA s_min~]은 팽창과정의 최소 생성엔트로피 또는 최소 비가역성이다.

압축기[5]

[eqn: E_MIN ~=~ T_0 DELTA s_min]	(7)

[eqn: DELTA s_min~]은 압축과정의 최소 생성엔트로피이다.

개선가능 엑서지손실 분석

제안된 시스템성능 개선가능 무차원수([eqn: gamma_AVO~]) 분석을 위해 Shell 가스화공정-GE 시스템[6] 중 대표적으로 생성가스 냉각시스템을 선정하고 공정구동을 위한 최소엑서지손실([eqn: E_MIN~]) 계산과 개선가능 엑서지손실([eqn: E_AVO])에 대한 검토와 함께 무차원수[eqn: gamma_AVO~]를 계산하였다. Fig. 1에 분석 대상 생성가스 냉각계통의 계통도와 흐름번호가 나타나 있다.

계산결과 및 고찰

계산된 결과들을 정리하여 Table 1에 나타 내었다. □AVO를 계산하기 위한 시스템내 총 손실엑서지는 본 시스템에 공급된 석탄의 엑서지인 660.61MW이다.

Table 1에서와 같이 Shell 가스화공정-GE IGCC 플랜트 중 생성가스 냉각계통의 손실엑서지는 29.383MW이며 이중에서 기술적 및 경제적 현실여건을 고려할 때 불가피한 손실 즉, 시스템의 최소 구동력 손실(EMIN)이 20.844MW이다. 따라서, 개선가능 엑서지손실([eqn: E_AVO~])은 8.539MW로서 적절한 개선 방안들이 실행될 경우 생성가스 냉각시스템으로 인한 전체 IGCC 시스템 효율의 최대 개선가능성은 [eqn: gamma _AVO~], 즉 1.293%이다.

결론

개선가능 엑서지손실([eqn: E_AVO~])과 총 연료보유 엑서지의 비로 정의되는 시스템성능 개선가능 무차원수([eqn: gamma_AVO~])를 제안하여 기존의 엑서지 무차원수가 나타내었던 엑서지손실 정도를, 개선가능성 정도의 의미로 대치하였다. [eqn: gamma_AVO~]은 현실적 여건을 감안한 시스템내부의 주된 손실개소와 정확한 개선가능지수를 알게 하는 유용한 개념으로 시스템 종합효율의 개선가능 절대치를 즉시 알게 함으로써, 시스템 성능개선 활동의 선행지표로서의 유용성을 확인하였다.

참고문헌

1. G. Tsatsaronis, T. Tawfik, "Performance comparisons of integrated               gasification-combined-cycle power plants", 25th IECEC, pp. 490-494, 1990

2.  G. Tsatsaronis, M. Winhold, "Exergoeconomic analysis of an integrated         coal gasification-combined-cycle power plant", ASME, AES-Vol 2-3, pp.         45-53, 1986

3.  X. Feng, X. Zhu, J. Zheng, "Practical Exergy Method for System Analysis",      31th IECEC, pp. 2068-2071, 1996

4.  J. Szargut, D. R. Morris, F. R. Steward, "Exergy analysis of thermal,           chemical, and metallurgical processes", Hemisphere, New York, pp. 41-79,      1988

5.  信澤寅男, □엑서지입문□, pp. 80-84, 1988

6.  김종진,박명호,김철 □IGCC시스템의 엑서지분석-Shell/GE 프로세스□, 화학공      학의 이론과 응용, Vol.3 No.2, 1997

Fig. 1  Flow diagram of the gas cooling system for APEAM

Table 1. Analysis results of the gas cooling system ; Minimum exergy              consumption(EMIN), avoidable exergy consumption (EAVO) and              avoidable  exergy dimensionless ratio(□AVO)

	EIN (MW)	EOUT (MW)	ECON (MW)	EMIN (MW)	EAVO (MW)	□(%)	□AVO (%)
Quenching	1100.901	1093.460	7.441	4.265	3.176	1.126	0.481
1ST SGC	1143.430	1125.104	18.326	16.001	2.325	2.774	0.352
2ND SGC	1056.344	1052.766	3.578	0.567	3.011	0.542	0.456
Compressor	490.978	490.940	0.038	0.011	0.027	0.006	0.004
Split	1033.654	1033.654	0.000	0.000	0.000	0.000	0.000
Sub Total	-	-	29.383	20.844	8.539	4.448	1.293