저 발열량 연료 사용에 따른 복합발전 시스템의 성능특성에 관한 연구

Abstract

A global demand for liquefied natural gas (LNG) is continuously increased because it is easy and safe to use. A combined cycle power plant (CCPP) consuming LNG as a fuel is increased as an alternative energy source of nuclear power plants and to reduce greenhouse gas emission in the conventional fossil power plant consuming coal and oil. There is a trade-off between LNG demand and production, i.e., LNG suppliers decrease the calorific value of LNG to increase a profit, whereas LNG consumers try to diversify LNG supply sources for the energy security. Furthermore, synthetic natural gas (SNG) is considered to replace LNG to reduce fuel cost of power plant. To follow these global trends, a gas supply regulation has been revised and a revision of law is discussed to trade LNG among energy companies and vitalize SNG industry in Korea. The low LNG calorific value and changing of fuel gas type can simultaneously affect to the efficiency for CCPP. Therefore, it is required to investigate the performance characteristics for CCPP. There are many research results on the performance characteristics, performance optimization, thermodynamic evaluation and effect of fuel gas in CCPP. However, there are few research results on the calorific value of LNG and fuel gas type considering LNG market in Korea, because the chemical composition and fuel gas type are given as basic design criteria for CCPP. Therefore, performance characteristics for CCPP using low calorific value fuel are investigated in this study. Based on the simulation results, it is shown that the performance for CCPP is highly affected by carbon and hydrogen ratio. When carbon and hydrogen ratio is decreased, the power output for CCPP is increased whereas the heat rate is decreased because water vapor content in the exhaust gas is increased. The fuel cost per unit power output using reduced calorific value is slightly increased when the natural gas cost is same. However, these increased fuel cost can be compensated by using low price LNG. Furthermore, SNG and PNG are considered as reasonable substitute fuel type to analyze the performance characteristics for CCPP. The power production is increased and heat rate is decreased in CCPP, when SNG and PNG are used as a fuel, because they have more methane and inert gas compared to LNG. It is possible to increase efficiency for CCPP by considering effect of inert gas without degradation of economics. The economics for CCPP is increased when the fuel cost is reduced by changing of fuel gas type without the additional investment costs.

Liquefied Natural Gas(LNG)는 편리성과 안전성을 이유로 전세계적으로 수요가 지속적으로 증가하고 있다. 이러한 LNG를 연료로 사용하는 복합발전 시스템은 원자력 발전의 대체 및 석탄 또는 석유가 연료인 기력 발전소의 온실가스 배출량 감축을 위한 대안으로 증가하고 있다. LNG 시장에서는 수요와 공급간의 상반관계가 있다. 즉, LNG 생산국은 수익 증가를 위해 LNG의 공급열량을 낮추고 있는 반면, 수입국에서는 에너지 안보 강화를 위해 LNG의 도입선을 다양화하고 있다. 뿐만 아니라, LNG를 대체하고 연료비를 낮추기 위해 Synthetic Natural Gas(SNG)도 고려되고 있다. 세계적인 LNG 공급열량의 변동 추세에 맞춰, 국내에서는 천연가스 공급규정을 개정하였고, 자가발전용 LNG의 기업간 거래 및 SNG 산업 활성화를 위해 관련된 법률 개정이 논의 중이다. 이와 같이 복합발전 시스템의 효율에 영향을 주는 연료가스의 발열량 저하와 종류 변경이 동시에 일어날 가능성이 높아지고 있고, 이러한 현상에 따른 복합발전 시스템의 성능 특성 변화에 대한 연구가 필요하다. 복합발전 시스템에 대해서는 성능특성 분석 및 성능 최적화, 열역학적 시스템 해석, 연료가스에 따른 영향 분석 등에 대하여는 많은 연구 결과가 있다. 하지만, 국내 LNG 시장의 특성을 고려한 연료의 발열량과 종류 변경에 대해 수행된 연구는 많지 않다. 이것은 연료가스의 조성과 종류는 발전소의 기본 설계 조건으로 제공되는 값이기 때문이다. 따라서, 본 연구는 저 발열량 연료를 사용하는 복합발전 시스템의 성능특성에 대해 분석하였다. 시뮬레이션 결과에 따라, 복합발전 시스템의 성능은 탄소수소비의 차이에 많은 영향을 받는다는 것을 알 수 있었다. 탄소수소비가 감소하면 배기가스에 포함된 수증기 함유량이 증가하여 복합발전 시스템의 전기 출력은 증가하고, 이에 따라 열 소비율은 감소한다. 동일한 연료단가를 적용하면 발열량 감소에 따라 단위 전기 출력당 연료비는 조금 증가하지만, 증가된 단위 전기 출력당 연료비는 저가의 LNG 를 사용하여 상쇄시킬 수 있다 또한, LNG를 대체 가능한 연료로서 SNG 및 Pipeline Natural Gas(PNG)를 고려하여 복합발전 시스템의 성능특성을 분석하였다. 이러한 연료 가스의 종류 변경 시, LNG와 비교하여 메탄과 비활성 가스의 함유량이 높아져 전기 출력이 증가하고 열 소비율은 감소함을 확인하였다. 비활성 가스의 함유량 증가는 복합발전 시스템의 효율을 증가시키지만 경제성에 미치는 영향은 적다. 추가적인 투자비용 없이 연료의 종류 변경으로 연료비를 절감하여 복합발전 시스템의 경제성을 높일 수 있음을 확인하였다.