우리나라는 신재생에너지 확대 보급을 위하여 신에너지 및 재생에너지 개발?이용?촉진법을 근거로 2012년부터 RPS제도를 운영하고 있으며, 이에 따라500MW 이상의 발전설비를 보유한 사업자는 총발전량의 일정비율 이상을 신재생에너지원으로 전기를 생산해야 한다. 국내 신재생에너지 사업여건은 제한된 에너지원 선점을 위한 경쟁이 심화되고 있으며, 사업 주변지역 주민 및 지자체의 이해관계에 따라 사업 추진에 어려움이 있는 실정이다. 이 중 연료전지는 친환경적이며 주민수용성이 높고 분산전원으로써 역할이 부각되어 사업 추진이 활발하다. 연료전지는 전기와 열을 동시에 생산할 수 있으며, 잉여열의 활용 여부에 따라 에너지 이용효율을 극대화 할 수 있다.

현재, 인산형 연료전지(PAFC)를 운영하는 발전소는 냉각모듈을 통해 60℃이하의 잉여열을 대기 중으로 방출하고 있다. 열병합발전시스템(CHP)에서 이를 활용하여 에너지 이용효율을 향상시키고자 500MW급 열병합발전소를 대상으로 선정하였고, 상용프로그램인 게이트사이클(GateCycle)로 시스템을 모델링하여 열병합발전시스템에 미치는 영향을 분석하였다.

모델링의 설비구성은 가스터빈 2기, 배열회수보일러 2기, 스팀터빈 1기이며, 운영기준은 Mode 1(열추종모드), 외기온도 -12℃, 지역난방공급온도 120℃, 스택 출구온도 75℃이상이다. Case Study에 앞서, 지역난방 회수온도 변화(65～ 45℃)가 CHP에 미치는 영향을 분석하였으며, 회수온도가 낮아짐에 따라 전기출력은 증가하였으나, 열출력은 감소함을 확인 할 수 있다.

또한, CHP를 통해 PAFC 저온열(60℃ 이하)을 활용할 수 있도록 3가지 Case를 선정하였으며, 각 Case에 대한 CHP 스팀터빈의 출력(전기, 열)변화를 분석 하였다. Case별 PAFC 저온열 활용방안은 다음과 같다.

가. Case 1 : 연료전지 + DH Heat 열교환기
나. Case 2 : 연료전지 + DH Economizer 열교환기
다. Case 3 : 연료전지 + Deaerator Make-up 활용

Case 1은 PAFC 저온열을 DH 열교환기를 활용하여 120℃로 승온하는 경우이며, 이에 대한 스팀터빈의 출력변화에 대한 연구이다. Case 2는 PAFC 저온열을 DH Economizer를 통해 120℃로 승온하는 경우이며, 이에 대한 스팀터빈의 출력변화에 대한 연구이다. Case 3은 PAFC 저온열을 Deaerator Make-up으로 활용할 경우, 스팀터빈의 출력변화에 대한 연구이다.

Case별 연구결과는 Case 1의 경우, 지역난방 회수온도 50℃를 기준으로 전기출력은 0.02%(0.09MW) 감소하나, 열은 0.01%(30Mcal/h) 증가한다. Case 2의 경우, 지역난방 회수온도 50℃를 기준으로 전기는 0.26%(1.27MW) 감소하나, 열은 0.25%(960Mcal/h) 증가한다. Case 1과 비교하여 Case 2의 전기와 열 출력 변화량이 크며, 스팀터빈 IP 출구측 압력, 온도, 유량 증가의 결과로 나타난다. Case 3의 경우, 지역난방 회수온도 50℃를 기준으로 전기는 0.07%(0.35MW), 열은 0.49%(1,930Mcal/h) 증가한다. Deaerator 운전 시, 스팀터빈 고압측(HP) 추기스팀을 공급하여 탈기스팀으로 사용하게 되는데 PAFC 저온열을 활용함으로써 고압측(HP) 추기스팀량은 감소하게 된다. 감소된 추기스팀은 스팀터빈 중압측(IP)으로 공급되어 전기와 열 출력을 증가시키는 요인으로 작용하게 된다.

각각의 Case를 살펴본 결과, PAFC 저온열을 활용하여 지역난방 회수온도를 상승시키는 경우, 스팀터빈 IP 출구측 압력이 상승하여 전기출력이 감소하게 되며, 지역난방 공급온도 120℃를 기준으로 유량은 증가하여 열출력은 증가 하게 된다.

PAFC 저온열을 Deaerator Make-up으로 활용하는 경우, 전기와 열 출력이 같이 상승하는 연구결과가 나타났으며, 연료전지 저온수를 CHP에 적용할 수 있는 적합한 방안으로 판단된다.

Korea has been operating RPS since 2012 to promote and expand renewable energy. RPS is a system in which power generation companies with 500MW or more of power generation facilities generate electricity using renewable energy sources at a rate more than a certain percentage of total power generation. New and Renewable Energy Business Domestic conditions are intensifying competition for the preemption of limited energy sources. In addition, there are difficulties in carrying out business according to the interests of residents and local governments around the project. Among renewable energy sources, fuel cells play a role of distributed power source, and it is relatively easy to promote the business because it is eco-friendly and has high resident acceptability. Fuel cells can produce electricity and heat at the same time, and can maximize the energy efficiency use depending on whether heat is utilized or not.

Currently, power plants operating PAFCs emit less than 60 degrees of heat into the atmosphere through cooling modules. In order to improve the energy utilization efficiency by utilizing heat of 60 degrees or less in the CHP, a 500 MW cogeneration plant was selected as a model. And modeled through a gate cycle, a commercial program.
The modeling system consists of two gas turbines, two HRSG, and one steam turbine. Operating conditions are Mode 1, outside temperature of ?12℃, district heating supply temperature of 120℃, stack outlet temperature of more than 75℃. Prior to the case study, we analyzed the effect of district heating return temperature change(65～45℃) on CHP. As the return temperature decreased, the electric power increased but the heat output decreased.

Three cases were selected to utilize PAFC low heat(below 60℃) through CHP. The change of electric and heat output of CHP for each case was analyzed. PAFC low temperature application by case :
1) Case Study 1 : PAFC + DH Heat Exchanger
2) Case Study 2 : PAFC + DH Economizer
3) Case Study 3 : PAFC + Deaerator Make-up
Case 1 is the case of increasing the low temperature of PAFC through DH heat exchanger by 120 degrees, and studying the change of steam turbine output. Case 2 shows a case where the low temperature of PAFC is heated to 120 ° C by the DH Economizer and the change in output of the steam turbine is investigated. Case 3 is the case where the PAFC low temperature is used for deaerator make up, and the output variation of the steam turbine is studied.

The results of case study are as follows. For Case 1, the electrical output is reduced by 0.02%(0.09MW), but the heat output is increased by 0.01%(30Mcal/h) based on the district heating return temperature of 50℃. For Case 2, the electrical output is reduced by 0.26%(1.27MW), but the heat output is increased by 0.25% (960Mcal/h) based on the district heating return temperature of 50℃. Compared with Case 1, the variation of electric and heat output of Case 2 is large, which is the result of increase in pressure, temperature, and flow rate on the outlet side of steam turbine IP. For Case 3, based on the district heating return temperature to 50℃ electrical output is 0.07% (0.35MW), the heat output is increased 0.49%(1,930Mcal/h). During deaerator operation, the steam turbine is supplied with high-pressure side(HP) steam and is used as deaeration steam. By using PAFC low temperature water, the amount of high pressure side(HP) steam is reduced. The reduced steam extraction is to act as a factor that is supplied to the intermediate pressure side(IP) steam turbine to increase the power and heat output.

In each case, when the PAFC low temperature water is used to raise the district heating return temperature, the steam pressure IP outlet pressure rises and the electric power decreases. In addition, the DH flow rate increases with the district heating supply temperature of 120℃, and the heat output increases. When utilizing the PAFC low temperature water to deaerator make up, it was possible to obtain a result that power and heat output is accompanied by rising. It is considered that it is a suitable way to apply PAFC low temperature water to CHP system.