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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 조형희
- 발행연도
- 2017
- 저작권
- 연세대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수4
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차세대 청정석탄화력 기술로 주목받고 있는 석탄가스화복합발전(IGCC : Integrated coal Gasification Combined Cycle)은 석탄을 고온·고압 하에서 가스화 시켜 합성가스를 제조한 후 이 합성가스를 정제하여 가스터빈 발전을 하고, 가스터빈 배기가스와 가스화기기에서 생산된 증기를 HRSG를 거쳐 다시 증기터빈 발전에 활용하는 복합발전시스템이다. 최근 발전 분야의 환경성이 중요해지는 시점에서 석탄가스화복합발전(IGCC)은 가스복합과 동등한 환경성을 확보할 수 있는 친환경 발전기술이라 할 수 있다.
본 연구에서는 연구대상발전소인 한국형 300MW급 IGCC 실증플랜트의 가스터빈 연소기 입구 조성 변화가 발전소 성능에 미치는 영향을 연구하였다. IGCC 가스터빈은 CO와 H2가 주성분인 Syngas와 함께 Air, Diluent N2, Diluent Steam등 여러 가지 조성이 가스터빈 연소기로 투입된다. 이때 배출되는 배기가스의 질소산화물 농도를 낮추기 위한 연소기 희석용 Steam은 HRSG의 HP Steam을 인출하여 사용한다. 따라서 본 연구에서는 프로세스 모델링 전산해석을 통해 이 Steam 사용량의 변화가 복합발전플랜트 성능에 미치는 영향을 해석하여 복합발전플랜트 효율 향상 방안을 연구하였다. 또한 복합발전플랜트에서 가스화플랜트로 Syngas Cooling을 위해 공급된 HP, MP Water가 가스화기, Transfer Duct, Syngas Cooler에서 Syngas와 열교환을 거치면서 만들어진 Steam을 다시 복합플랜트의 HRSG로 회수하여 증기터빈을 구동하므로 이 경계조건 변화가 플랜트 성능에 미치는 영향을 연구하였다.
Aspen HYSYS와 Gate Cycle 모델링 전산 해석을 통해 Plant 성능향상 방안을 도출하였고 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
가. 가스터빈 연소기로 들어가는 Steam Injection Flow 15.8t/h을 0t/h으로 감소시킬 경우, 가스터빈의 제한된 TIT(Turbine Inlet Temperature)는 Diluent N2 Flow를 27.5t/h 증가시켜 TIT Control이 가능하였고, 이때의 GT Power 변화는 미미하였다.
나. HRSG에서 가스터빈 연소기로 들어가는 Steam Injection Flow를 0t/h으로 감소시키면 복합플랜트 출력이 2.03MW 상승하였으며, 복합플랜트 효율 0.29%p 상승과 IGCC Plant 효율 0.27%p 상승함을 확인하였다.
다. 복합플랜트와 가스화플랜트의 경계조건의 변화에 따른 Plant 성능변화는 HP Gasification 측에서 회수되는 Steam의 온도가 복합출력에 영향을 주며 6.8℃ 상승 시 약 1MW의 상승이 있고, MP Gasification 측에서 회수되는 Steam의 영향은 미미함을 확인하였다. 따라서 향후 가스화기기 운전방법 최적화, O2/C Ratio 변화, Flux 조절에 의한 Slag Layer Control, 설비개선 등을 통한 Plant 성능 향상을 위해서는 가스화기 HP 계통에 대한 접근이 MP 계통보다 Plant 성능 증가에 유리함을 알 수 있다.
IGCC 플랜트는 가스화플랜트, 산소플랜트, 복합플랜트로 구성되어 각 플랜트간의 Interface와 Boundary Condition에 따라 성능의 변화가 있으므로 본 연구를 산소플랜트 및 가스화플랜트로 확장시키면 플랜트 성능연구 및 향상에 폭넓은 적용이 가능할 것이다.
본 연구에서는 연구대상발전소인 한국형 300MW급 IGCC 실증플랜트의 가스터빈 연소기 입구 조성 변화가 발전소 성능에 미치는 영향을 연구하였다. IGCC 가스터빈은 CO와 H2가 주성분인 Syngas와 함께 Air, Diluent N2, Diluent Steam등 여러 가지 조성이 가스터빈 연소기로 투입된다. 이때 배출되는 배기가스의 질소산화물 농도를 낮추기 위한 연소기 희석용 Steam은 HRSG의 HP Steam을 인출하여 사용한다. 따라서 본 연구에서는 프로세스 모델링 전산해석을 통해 이 Steam 사용량의 변화가 복합발전플랜트 성능에 미치는 영향을 해석하여 복합발전플랜트 효율 향상 방안을 연구하였다. 또한 복합발전플랜트에서 가스화플랜트로 Syngas Cooling을 위해 공급된 HP, MP Water가 가스화기, Transfer Duct, Syngas Cooler에서 Syngas와 열교환을 거치면서 만들어진 Steam을 다시 복합플랜트의 HRSG로 회수하여 증기터빈을 구동하므로 이 경계조건 변화가 플랜트 성능에 미치는 영향을 연구하였다.
Aspen HYSYS와 Gate Cycle 모델링 전산 해석을 통해 Plant 성능향상 방안을 도출하였고 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
가. 가스터빈 연소기로 들어가는 Steam Injection Flow 15.8t/h을 0t/h으로 감소시킬 경우, 가스터빈의 제한된 TIT(Turbine Inlet Temperature)는 Diluent N2 Flow를 27.5t/h 증가시켜 TIT Control이 가능하였고, 이때의 GT Power 변화는 미미하였다.
나. HRSG에서 가스터빈 연소기로 들어가는 Steam Injection Flow를 0t/h으로 감소시키면 복합플랜트 출력이 2.03MW 상승하였으며, 복합플랜트 효율 0.29%p 상승과 IGCC Plant 효율 0.27%p 상승함을 확인하였다.
다. 복합플랜트와 가스화플랜트의 경계조건의 변화에 따른 Plant 성능변화는 HP Gasification 측에서 회수되는 Steam의 온도가 복합출력에 영향을 주며 6.8℃ 상승 시 약 1MW의 상승이 있고, MP Gasification 측에서 회수되는 Steam의 영향은 미미함을 확인하였다. 따라서 향후 가스화기기 운전방법 최적화, O2/C Ratio 변화, Flux 조절에 의한 Slag Layer Control, 설비개선 등을 통한 Plant 성능 향상을 위해서는 가스화기 HP 계통에 대한 접근이 MP 계통보다 Plant 성능 증가에 유리함을 알 수 있다.
IGCC 플랜트는 가스화플랜트, 산소플랜트, 복합플랜트로 구성되어 각 플랜트간의 Interface와 Boundary Condition에 따라 성능의 변화가 있으므로 본 연구를 산소플랜트 및 가스화플랜트로 확장시키면 플랜트 성능연구 및 향상에 폭넓은 적용이 가능할 것이다.
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