eISSN 2288-7407
재생 유기랭킨사이클을 이용한 직렬 열병합 발전 시스템의 열역학적 성능 특성
김경훈1ㆍ박배덕2ㆍ김만회3†
1
금오공과대학교 기계공학과,
2금오공과대학교 대학원,
3경북대학교 기계공학부
Thermodynamic Performance Analysis of a Cogeneration System in Series Circuit Using Regenerative ORC
KYOUNG HOON KIM
1, BAE DUCK PARK
2, MAN-HOE KIM
3†1
Department of Mechanical Engineering
2
Graduate School of Kumoh National Institute of Technology,Daehakro 61, Gumi, Gyeongbuk 730-701, Korea
3
School of Mechanical Engineering, Kyungpook National University, Daegu 702-701, Korea
Abstract >> This paper presents the analytical results of the thermodynamic performance characteristics for a cogeneration system using regenerative organic Rankine cycle (ORC) driven by low-grade heat source. The combined heat and power cogeneration system consists of a regenerative superheated ORC and an additional process heater in a series circuit. Eight working fluids of R134a, R152a, propane, isobutane, butane, R245fa, R123, and isopentane are considered for the analysis. Special attention is paid to the effect of turbine inlet pressure on the system performance such as thermal input, net power and useful heat productions, electrical, thermal, and system efficiencies. The results show a significant effect of the turbine inlet pressure and selection of working fluid on the thermodynamic performance of the system.
Key words : ORC(유기랭킨사이클), Combined heat and power(CHP, 열병합발전), Series circuit(직렬연결), Working fluid( 작동유체), Thermodynamic performance(열역학적 성능)
†Corresponding author : [email protected]
Received : 2015.5.8 in revised form: 2015.6.7 Accepted : 2015.6.30 Copyright ⓒ 2015 KHNES
Nomenclature
c
p: specific heat, kJ/kg°C h : specific enthalpy, kJ/kg m : mass flow rate, kg/s P : pressure, bar p : reduced pressure
P
H: turbine inlet pressure, bar
Q : heat transfer, kW
Q
p: process heat transfer, kW
Q
r: heat transfer at regenerator, kW
q : specific heat transfer, kJ/kg
T : temperature, K or °C
T
C: coolant temperature, °C
T
H: turbine inlet temperature, °C
T
L: condensation temperature, °C
T
S: source temperature, °C
T
SE: source exhaust temperature, °C
T
SO: source outlet temperature, °C W
net: net power production, kW w : specific work, kJ/kg W : power, kW
∆T
pp: pinch temperature difference, °C η : isentropic efficiency
η
th: thermal efficiency
Subscripts
cr : critical
p : pump/process heat PR : process-heat return PS : process-heat supply s : source
t : turbine w : working fluid
1. 서 론
현재 에너지원으로 가장 많이 사용하고 있는 화석 연료는 자원의 고갈과 지구 온난화 현상 등을 발생 시키고 있어 심각한 에너지 및 환경 문제로 대두되 고 있다. 이로 인해 에너지 시스템의 효율을 향상시 키고 대기 중 CO
2농도를 감축시키는 친환경 재생 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 지금까지 많은 종류의 신재생 에너지가 개발되고 있으나 경제성 확 보가 쉽지 않은 실정이다. 신재생 에너지와 같은 저 등급 열원을 기계일로 효과적으로 변환하는 유망한 방안으로 암모니아-물 등 비공비 혼합물을 작동유체 로 하는 동력 생산 시스템
1-3)과 함께 유기 랭킨사이 클(Organic Rankine Cycle, ORC)이 주목 받고 있다.
유기랭킨사이클은 기본적인 구성이 기존의 증기 랭킨사이클과 같지만 가장 주된 차이는 작동유체에 있다. 유기랭킨사이클에서는 작동유체로 비등점이 물보다 낮은 유기물질(냉매, 탄화수소 등) 을 주로 사 용하기 때문에 보다 낮은 열원 온도에서도 효과적으
로 구동될 수 있다. 유기랭킨사이클은 다양한 저 등 급의 열원을 사용할 수 있고 구조가 간단하며 신뢰 성도 높으나, 작동유체와 운전조건의 선정이 시스템 의 성능과 열효율은 물론 환경에도 큰 영향을 미치 기 때문에 이에 대한 많은 연구가 필요하다
4-5).
열병합(Combined Heat and Power, CHP) 발전은 하나의 프로세스에서 전기 또는 기계 에너지와 열에 너지의 두 가지 형태를 동시에 생산하는 것으로 새 로운 개념은 아니다. 그러나 최근 들어 화석연료의 고갈과 환경문제로 인하여 신재생 에너지를 보다 효 율적으로 활용하기 위해서 유기랭킨사이클이 경제성 을 획기적으로 올릴 수 있는 유망한 방안 중의 하나 로 주목 받고 있다
6-7).
Raj 등
8)은 바이오매스, 태양에너지, 연료전지 등 신재생 에너지를 이용한 열병합 관련 연구들에 대해 105 건의 참고문헌을 검토 정리하여 총설 논문을 발 표하였다. Dresher 등
9)은 바이오매스, Wang 등
10)은 시멘트 공장의 폐열, Guo 등
11)은 지열을 열원으로 하 는 열병합 유기랭킨사이클의 성능 특성에 대한 연구 를 하였다. Qiu
12)는 ORC를 기반으로 하는 소형 열병 합 발전 시스템에서 작동유체의 영향에 대해 연구하 였으며, Kim
13)과 Kim 및 Perez-Blanco
14)는 ORC를 기반으로 하는 전기 및 냉동 병합 시스템의 열역학 적 성능 특성에 대해 연구하였다.
Heberle 등
15)은 지열을 열원으로 하고 ORC를 기 반으로 하는 열병합 사이클에서 ORC와 공정열이 직 렬연결과 병렬연결인 경우 시스템의 열역학적 특성 에 대해 비교 연구하였으며, Kim 등
16)은 ORC를 이 용하는 직렬연결 방식의 열병합 발전 시스템에서 작 동유체의 영향에 대해 연구하였다.
그러나 이전 연구
15-16)에서는 터빈 입구에서 작동
유체가 포화증기상태이며 터빈입구 압력을 작동유체
임계압력의 90%로 제한하였다. 본 논문에서는 재생
과열증기 유기랭킨사이클을 이용한 직렬 열병합 발
전 시스템의 성능 특성을 다양한 작동유체에 대해
Fig. 1 Schematic diagram of the system
분석한다. 터빈입구 압력이 작동유체의 임계압력 이 하의 범위에서 변할 때 생산 동력과 공정열 및 시스 템 효율 등 다양한 시스템의 열역학적 특성을 분석 하고 여러 가지 작동유체에 따른 영향도 조사한다.
2. 시스템 해석
본 연구에서는 Fig. 1에서 나타낸 바와 같이 저온 열원을 이용해 전기를 생산하는 ORC와 공정열이 직 렬로 연결된 열병합 시스템을 분석한다. 시스템의 주 요 구성 요소는 열원유체 열교환기, 응축기, 재생기, 공정열교환기, 펌프, 그리고 터빈 등이다. 본 연구에 서는 해석의 편의를 위해 다음과 같은 가정을 한다.
1) 열원은 온도 T
S, 질량유량 m
s의 현열 에너지 형 태로 공급되며 온도 T
C의 냉각수가 응축기에 공급된다.
2) 작동유체는 T
H, 압력 P
H의 과열증기 상태로 터 빈에 들어가고 온도 T
L의 포화액 상태로 응축 기에서 나온다.
3) 펌프와 터빈 이외에서의 압력 변화는 무시하며 터빈입구 압력은 작동유체의 임계압력을 초과
하지 않는다.
4) 시스템은 열원 열교환기, 재생기, 응축기 등 열 교환기에서의 열교환을 제외하고 단열되었으 며, 열교환기는 고온과 저온유체의 최소 온도 차가 핀치 온도차 ∆T
pp가 되도록 운전된다.
5) 공정열은 공급온도 T
PS로 공급되고 회수온도 T
PR로 회수된다
8).
6) 터빈과 펌프의 등엔트로피 효율은 각각 η
t및 η
p
