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500℃ 터빈 입구 조건의 수백 kWe급 초임계 이산화탄소 발전시스템 테스트루프 개발 연구
조준현(Junhyun Cho),신형기(Hyungi Shin),조종재(Jongjae Cho),최봉수(Bongsu Choi),노철우(Chulwoo Roh),이길봉(Gilbong Lee),이범준(Beomjoon Lee),나호상(Ho-Sang Ra),백영진(Young-Jin Baik) 대한기계학회 2019 大韓機械學會論文集B Vol.43 No.9
한국에너지기술연구원에서는 바이오매스 및 폐열과 같은 분산 전원에 적합한 수백 kWe급 초임계 이산화탄소 발전사이클 테스트루프를 개발 중에 있다. 터빈 2기, 압축기, 복열기 2기, 연소배가스 이용 히터로 구성된 120kWe 용량의 이중 브레이튼 사이클을 개발하였으며, 목표 터빈 입구 조건은 500℃/135bar이다. 미캐니컬 씰과 틸팅패드 베어링으로 구성된 충동형 축류 터보-발전기는 2017년에 이미 제작, 시험을 성공적으로 완료하였다. 다음 단계로 드라이가스씰(DGS)이 적용된 원심형 압축기를 개발하였으며, 버너와 쉘앤튜브 열교환기로 구성된 650℃의 연소배가스 이용 히터를 제작하고, ASME 기준에 따라 배관 설계를 진행하였다. 전체 테스트루프는 올해 완성 및 운전을 목표로 하고 있다. KIER has being developing hundreds of kWe-class supercritical carbon dioxide power cycle test loops for distributed heat sources such as biomass and waste heat recovery. A 120 kWe dual Brayton cycle which consists of two turbines, a compressor, two recuperators, a flue-gas heater, and a cooler was developed. The target operating turbine inlet condition is 500 ℃/135 bar. An axial impulse-type turbogenerator with a mechanical seal and tilting-pad bearings was successfully manufactured and tested in 2017. As the next phase, a centrifugal-type compressor with a dry gas seal was developed. A 650 ℃ LNG-fired flue gas heater, which consists of a burner and shell-and-tube type heat exchanger, was manufactured. Piping design is carried out according to ASME standards. Full test loop will be constructed and operated in 2019.
부분 유입 노즐을 적용한 초임계 이산화탄소 발전용 초고속 터보발전기 개발 연구
조준현(Junhyun Cho),신형기(Hyung-ki Shin),강영석(Young-Seok Kang),김병휘(Byunghui Kim),이길봉(Gilbong Lee),백영진(Young-Jin Baik) 대한기계학회 2017 大韓機械學會論文集B Vol.41 No.4
초임계 이산화탄소 발전사이클의 다양한 특성을 분석하기 위하여 Sub-kWe급의 소형 실험장치를 설계, 제작하였으며, 터보발전기를 개발하였다. 초임계 이산화탄소 발전용 터빈에서는 팽창비가 작고, 유량이 작기 때문에 터보발전기의 회전수가 높아지게 되고, 이에 따라 회전 부품의 선정, 터빈 공력설계, 축력 및 회전체 동역학 설계가 어려워지게 된다. 이에 터보발전기의 회전수를 줄이기 위하여 노즐의 여러 채널 중 1개의 노즐만 사용하는 부분유입 방법을 세계 최초로 초임계 이산화탄소 발전용 터보발전기에 적용하였으며, 회전체의 진동을 측정하여 부분유입 노즐을 적용함에도 회전체 안정성은 허용 범위내에 있음을 확인하였다. A Sub-kWe small-scale experimental test loop was manufactured to investigate characteristics of the supercritical carbon dioxide power cycle. A high-speed turbo-generator was also designed and manufactured. The designed rotational speed of this turbo-generator was 200,000 rpm. Because of the low expansion ratio through the turbine and low mass flowrate, the rotational speed of the turbo-generator was high. Therefore, it was difficult to select the rotating parts and design the turbine wheel, axial force balance and rotor dynamics in the lab-scale experimental test loop. Using only one channel of the nozzle, the partial admission method was adapted to reduce the rotational speed of the rotor. This was the world’s first approach to the supercritical carbon dioxide turbo-generator. A cold-run test using nitrogen gas under an atmospheric condition was conducted to observe the effect of the partial admission nozzle on the rotor dynamics. The vibration level of the rotor was obtained using a gap sensor, and the results showed that the effect of the partial admission nozzle on the rotor dynamics was allowable.
석탄화력 레트로핏 카르노배터리 시스템의 공기 히트펌프 사이클 및 경제성 연구
조준현(Junhyun Cho),신형기(Hyungki Shin),최봉수(Bongsu Choi),오봉성(Bongseong Oh),노철우(Chulwoo Roh),백영진(Young-Jin Baik),이길봉(Gilbong Lee),조종재(Jongjae Cho),이범준(Beomjoon Lee),허균철(Gyunchul Hur),나호상(Ho-Sang Ra) 대한설비공학회 2022 대한설비공학회 학술발표대회논문집 Vol.2022 No.6
전력을 열에너지로 저장하여 발전하는 카르노배터리 기술은 석탄화력 플랜트의 스팀/냉각/수처리/송배전계통 등을 그대로 활용하면서 재생 잉여 전력을 장기 저장할 수 있는 에너지 저장 플랜트로 적용이 가능하여 석탄화력 플랜트 레트로핏의 하나의 대안으로 평가받고 있다. 표준 석탄화력 플랜트의 주증기 온도 조건 538℃에 해당하는 스팀 생산을 위해서 600℃급의 열저장 시스템과 전력을 600℃의 열로 변환할 수 있는 기술이 필요하다. 빠른 시장 진입을 위하여 전기히터를 사용하는 방법이 우선 연구되고 있으나 궁극적으로 높은 에너지저장 효율 달성을 위하여 히트펌프를 활용한 전력-열저장 기술이 개발되어야 한다. 이에 자연 냉매인 공기를 작동 유체로 브레이튼(Brayton) 사이클을 구성하였으며, 기술 수준을 고려하여 히트펌프로 420℃ 열 생산 후 및 전기히터를 사용하여 용융염(Molten Salt)을 가열하도록 하였다. 그리고 이를 활용한 석탄화력 레트로핏 플랜트의 균등화전력저장비용(LCOS, Levelized Cost of Storage)을 단순화하여 분석하였다. 고온 생성을 위한 공기 브레이튼 사이클 구성 시 열저장 시스템의 저온, 고온 조건에 따라 사이클 작동 조건이 결정되며, 내부 열교환기 사용 사이클 구성 시 압축기 입구 온도가 고온화 되는 특징을 보인다. 공기 히트펌프의 성능계수는 1.2 수준으로 달성 가능하며 LCOS값은 140원-239원/kWh로 상용양수발전 수준의 경제성을 확보 가능한 것으로 평가되었다.