Performance Analysis of ORC Using Effluent from Power Plant

Abstract

우리의 생활에 있어서 에너지는 필수적인 요소가 되었지만, 전 세계 인구의 20%, 즉, 아프리카에서 약 9.2%, 인도에서 약 7.36%, 그리고 다른 개발도상국들은 전기 없이 살아가고 있다. 현존하는 종래의 발전 방식은 환경에 다양한 결과를 초래하는 화석연료나 방사능 물질을 연료로 사용하고 있다. 한편, 많은 산업들이 고온의 폐열을 부산물로써 환경에 방출한다. 이러한 폐열은 인근 부지에 설치된 유기랭킨사이클 플랜트의 열교환기로 유입됨으로써 전력을 생산하는데 재이용 될 수 있다. 폐열 회수 유기 랭킨 사이클(WHR)은 친환경적이며, 종래의 증기 랭킨 사이클과 물 대신 유기 유체를 사용한다는 점과 저온과 중온의 온도 범위 사이에 있는60-200oC인 열원을 사용한다는 점을 제외하고는 유사하다. 본 연구의 phase 1에서, 남해 발전소의 폐수와 표층수는 탄화수소계(HCs), 수소화부화탄소계(HFCs) 그리고 HCs, HFCs혼합물인 R245fa를 사용하는 터빈전력생산량 20kW급 사이클의 각각 Heating 과 Cooling 열원으로 사용되었다. Phase 1에서 가장 높은 효율을 보인 유체는 Phase 2에서의 폐열회수 유기랭킨 사이클을 모의 실험하고 분석하는데 사용되었다. 또한, 연간의 남해 발전소로부터의 폐수는 heating 매체로 쓰였고, 표층수는 cooling 매체로 1MW 터빈발전량 생산을 위해 사용되었다. PHASE 1 과 2는 터빈전력생산량 20kW급 시스템의 효율, Net Power, 질량유량과 경제성 평가, APRE(터빈출력 대비 증발열량의 비), APRC(터빈출력 대비 응축 열량의 비), 그리고 TTP(펌프일량 대비 터빈전력생산량)과 같은 성능분석 지표들을 통해 분석되었다. Aspen HYSYS는 모델링 및 시뮬레이션 프로그램으로 이용되었다. 결과는, 20kW급 터빈전력생산량의 경우, 고농도 R600a와 R245fa 혼합냉매를 적용한 사이클은 질량 유랑비를 R245fa를 작동유체로 사용했을 때 대비, 55%가량 감소시킬 수 있다. 또한, HFCs는 제법 우수하게 작동하였으나, APRE, APRC값이 나타나듯, 높은 펌프 운전비용을 야기하는 큰 질량유량비와 압력을 필요로 했다. 게다가, 1MW 급 터빈 발전량을 얻기 위한 월별 온배수를 볼 때, 겨울철에 가장 높은 시스템 효율인 10.45%를 보였고 이는 가장 효율이 낮았던 가을철보다 28% 높은 수치였다. 또한, 사이클 효율은 TTP와 직접적인 관계가 있고, 질량 유량비와는 반비례했으며, 계산된 TTP의 절반의 수치를 보였다. 비용을 절감하고 폐열회수 유기랭킨 사이클을 최적화 하기 위해서는 적용된 작동유체의 끓는점에 강조를 두며 Net power와 APRE, APRC 그리고 적절한 시스템 효율 등이 균형을 맞추는 최저 허용범위의 압력을 선정하는 것이 이상적이다.