용융탄산염연료전지와 터보팽창기를 이용한 천연가스 정압기지의 열역학적 분석

성태홍(Taehong Sung),김경천(Kyung Chun Kim) 한국가스학회 2014 한국가스학회지 Vol.18 No.2

일반적인 천연가스 정압기지에서는 압력제어밸브를 이용하여 고압으로 수송되는 천연가스를 감압하여 내보낸다. 이 과정에서 버려지는 폐압에너지는 터보팽창기를 도입하여 추가적인 전력생산이 가능하나 터보팽창기를 통과하는 유체에서는 감압에 의한 Joule Thompson 효과에 의하여 온도가 급격히 떨어져 파이프라인 외부에 동결을 일으키거나 파이프라인 내부에 메탄하이드레이트와 같은 고체 물질이 형성될 위험이 있다. 현재 터보팽창기를 채용한 천연가스 정압기지에서는 냉열발생에 따른 부작용을 방지하기 위하여 터보팽창기의 전단에 보일러를 설치하여 팽창 전 천연가스를 예열하고 있다. 용융탄산염연료전지와 같은 고온 연료전지는 천연가스를 연료로 사용할 수 있고 친환경적인 고온 배출가스를 방출하며 동시에 추가적인 전력을 생산하여 시스템의 효율을 높일 수 있다. 이 논문에서는 천연가스 정압기지에 용융탄산염연료전지와 터보팽창기를 설치하여 얻을 수 있는 열역학적 이득에 대해서 연구하였다. 연료전지를 기저부하로 사용함에 따라서 얻을 수 있는 이익에 대하여 분석하였다. In the natural gas pressure regulation station, high pressure natural gas is decompressing using pressure regulation valves. Waste pressure occurred in the pressure regulation process can be recovered through adopting turbo expanders. However, in the waste pressure recovery process, Joule Thompson effect causes below 0℃ and this low temperature freezes outside land of pipeline or generates methane hydrate in the pipeline which can block the pipeline. Therefore, turbo expander systems are accompanying with a boiler for preheating natural gas. Molten carbonate fuel cell (MCFC), one of the high temperature fuel cell, can use natural gas as a direct fuel and is also exhausting low emission gas and generating electricity. In this paper, a thermodynamic analysis on the hybrid MCFC-turbo expander system is conducted. The fuel cell system is analyzed for the base load of the hybrid system.

가스 엔진 배열을 이용한 유기랭킨사이클 시스템의 열역학적 해석

성태홍(Taehong Sung),윤은구(Eunkoo Yun),김현동(Hyun Dong Kim),최정환(Jeong Hwan Choi),채정민(Jeong Min Chae),조영아(Young Ah Cho),김경천(Kyung Chun Kim) 한국가스학회 2015 한국가스학회지 Vol.19 No.2

가솔린 엔진에서 개조된 가스 엔진에서 발생하는 냉각수와 배기가스를 분석하여 복합발전 시스템에서 활용 가능한 폐열의 양과 질을 확인하였다. 엔진 배기가스의 온도는 573.8 ℃이고, 엔진 출구 냉각수의 온도는 85.7 ℃이고, 폐열의 양은 엔진 냉각수가 배기가스에 비교하여 두 배 수준이었다. 두 가지 폐열의 상이한 온도와 양에 대응하는 유기랭킨사이클 (Organic Rankine Cycle: ORC) 발전시스템을 설계하고 열역학적 분석을 수행하였다. The amount and quality of waste heat from a gas engine which is modified from an automobile gasoline engine is analyzed. Exhaust temperature is 573.8 ℃ and engine cooling water exit temperature is 85.7℃. The amount of waste heat of engine cooling water is double compared to that of exhaust gas. Organic Rankine cycle (ORC) system is designed for two different waste heat source of engine cooling water and engine exhaust and is thermodynamically analyzed.

히트펌프를 적용한 터보팽창기 천연가스 정압기지의 열역학적 분석

성태홍(Taehong Sung),김경훈(Kyoung Hoon Kim),한상조(Sangjo Han),김경천(Kyung Chun Kim) 한국가스학회 2014 한국가스학회지 Vol.18 No.4

상업용 천연가스 배급 시스템에서 천연가스의 공급압력은 압력조절밸브를 사용하여 제어하며 이때 막대한 압력에너지가 낭비된다. 이러한 폐압에너지는 터보 팽창기와 같은 터보기계를 사용하여 회수할 수 있으나 팽창과정에서 발생하는 Joule-Thompson 효과에 따라서 큰 온도강하가 발생한다. 터보 팽창기 전단 또는 후단에 보일러를 설치하여 영하의 온도를 방지할 수 있으며 또한 보일러를 대체하여 연료전지나 가스엔진의 폐열을 이용하여 천연가스를 예열할 수도 있으나 하이브리드 시스템의 구동을 위해 운영규모에 따라 일정량을 소모해야 한다. 이 연구에서는 천연가스가 가지고 있는 압력에너지를 활용하여 천연가스의 소모 없이 터보 팽창기와 연결된 히트펌프를 구동하여 천연가스를 예열하는 시스템을 제안하고 증발온도, 응축온도 및 작동유체의 변화에 따른 시스템의 열역학적 특성을 분석하였다. R717 냉매가 예상 작동범위 내에서 가장 높은 COP와 가장 낮은 압축일을 나타내 제안된 하이브리드 시스템에 적합함을 확인하였다. 보일러시스템과의 경제성 분석을 통해 천연가스를 LNG 형태로 수입하고 있는 국내의 경우 히트펌프 하이브리드 시스템이 경쟁력 있음을 확인하였다. In natural gas distribution system, gas pressure is regulated correspond to requirement using throttle valve which is releasing huge pressure energy as useless form. The waste pressure can be recovered by using turbo machinery devices such as a turbo expander. In this process, excessive temperature drop occurs due to Joule-Thompson effect during the expansion process. Installing natural gas boiler before or after the turbo expander prevents temperature drop. Fuel cell or gas engine hybrid system further improve the efficiency, but 1~2% of total transporting natural gas is used for operating the hybrid system. In this study, a heat pump system is proposed as a preheating device which can be operated without using transporting natural gas. Thermodynamic analysis on evaporating and condensing temperatures and refrigerants is conducted. Results show that R717 is proper refrigerant for the hybrid system with high COP and low turbine work within the defined operating conditions. In domestic usage in Korea, the heat pump system has more economic feasibility owing to natural gas being imported with a high price of LNG form.

용융탄산염연료전지 및 주변기기의 동적시뮬레이션

성태홍(Taehong Sung),김경천(Kyung Chun Kim) 대한기계학회 2014 大韓機械學會論文集B Vol.38 No.2

본 연구의 목적은 용융탄산염연료전지와 같은 고온연료전지에 동반하는 기계적 주변기기의 타당성을 검토할 수 있는 동적 시뮬레이션 모델을 개발하는 것이다. 연료전지를 운송수단과 같은 독립적인 동력기관에서 사용하기 위해서는 동반하는 기계적 주변기기를 최적화 및 소형화할 필요가 있다. 본 연구에서는 유입가스의 조성, 압력, 유량 및 스택의 온도에 따른 용융탄산염연료전지 내부의 화학반응의 동적 모델링을 구현하고 정상상태 시뮬레이션을 수행하여 실험결과와 비교 분석하였다. 또 연료전지의 전류밀도 제어에 따른 on/off 시뮬레이션을 수행하여 동적 시뮬레이션 모델의 타당성을 분석하였다. This study aims to develop a simulation bed for the mechanical balance of plants of high temperature fuel cells such as molten carbonate fuel cells. For using fuel cells in transportation, the optimization of the balance of plants should be considered. In this study, the dynamic model of a molten carbonate fuel cell and the model’s responses to inlet gas composition, pressure, flow rate, and stack temperature were analyzed. On/off simulation was performed for testing the dynamic model’s feasibility. The simulation results are in reasonable agreement with the experimental results from published literatures.

저온 폐열 회수를 위한 200-kW 급 ORC 시스템 개발

성태홍(Taehong Sung),김경천(Kyung Chun Kim) 한국신재생에너지학회 2017 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2017 No.9

태양열 유기랭킨사이클 시스템의 스크롤 익스팬더 사이징 연구

성태홍(Taehong Sung),윤상열(Sang Youl Yoon),김경천(Kyung Chun Kim) 대한기계학회 2013 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2013 No.12

용융탄산염연료전지 및 주변기기의 동적시뮬레이션

성태홍(Taehong Sung),김경천(Kyung Chun Kim) 대한기계학회 2013 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2013 No.5

The aim of this study is to develop a simulation bed for mechanical balance of plants (MBOP) of high temperature fuel cells, such as molten carbonate fuel cells. In order to use fuel cells in transportation area, optimization and miniaturization of balance of plants should be considered. In this study, a dynamic modeling of molten carbonate fuel cell with response to inlet gas composition, pressure, flow rate and stack temperature was demonstrated. On/off simulation was performed to test the model feasibility. The simulation results are in reasonable agreement with the experimental results in open literatures.

폐압회수 터보팽창기-히트펌프 하이브리드 시스템의 열역학적 분석

성태홍(Taehong Sung),김경훈(Kyung Hoon Kim),하종만(Jong Man Ha),김경천(Kyung Chun Kim) 대한기계학회 2014 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2014 No.11

유기랭킨사이클용 소형 스크롤 팽창기 제작 및 성능 특성 연구

백승동(Seungdong Baek),성태홍(Taehong Sung),이민석(Minseok Lee),김경천(Kyung Chun Kim) 한국가스학회 2016 한국가스학회지 Vol.20 No.5

본 연구에서는 개방형 무급유식 스크롤 압축기를 개조하여 유기랭킨사이클(ORC)용 소형의 스크롤 팽창기를 설계 및 제작하였다. 팽창기 케이스는 직육면체 형태로 총 체적은 0.0394 m³ 이며, 성능특성 연구를 위해 작동유체로 R245fa를 사용하는 ORC 사이클을 구축하고, 다양한 팽창기 입구압력 및 회전속도 조건에서 성능시험을 수행하였다. 성능시험에서 획득한 열역학적 물성값을 스크롤 팽창기의 semi-empirical 시뮬레이션 모델에 적용해 파라미터를 계산하고, 열역학적 분석을 통해 계산한 실험값과 시뮬레이션값의 비교를 수행하였다. In this work, the open-drive oil free air compressor is modified to activate an organic Rankine cycle system as an expanding machine. The shape of the modified scroll expander case is a rectangular parallelepiped and the size of the case is 0.0394 m³. The scroll expander is operated in an ORC using R245fa as working fluid with various working conditions for the performance test. The test data points are used to calculate the parameters of the scroll expander semi-empirical simulation model. The simulation results are compared with the experimental results to validate the simulation model.

폐기물 소각시설 굴뚝의 배기가스를 이용한 유기랭킨사이클 시스템의 열역학적 해석

김선희(Sunhee Kim),성태홍(Taehong Sung),김경천(Kyung Chun Kim) 한국가스학회 2017 한국가스학회지 Vol.21 No.5

폐기물 소각시설 굴뚝의 배기가스를 측정하여 활용 가능한 폐열의 양과 질을 확인한 바 그 양과 온도는 13.8kg/s , 176.6℃ 정도였다. 본 연구에서는 R-245fa를 작동유체로 하는 소각폐열회수 유기랭킨사이클(Organic Rankine Cycle: ORC) 발전시스템을 설계하고 다음과 같이 3가지 사례조건들을 시뮬레이션을 하였다. 기본 ORC 시스템에 따른 시뮬레이션에서는 출력과 총효율이 각각 96.56kW, 14.13% 임을 확인하였다. 과열기 추가에 따른 시뮬레이션에서는 작동유체 과열에 따른 엔탈피 증가로 0.09%의 출력상승을 얻을 수 있었으나, 작동유체의 감소로 16.58kW 만큼 적은 출력을 보였다. 그리고 공정열교환기 추가에 따른 시뮬레이션에서는 남은 배기가스의 열을 공정열수를 생산하여 총효율 38.51%까지 향상시켰다. The amount and quality of waste heat from a resource recovery facility were measured. The temperature of exhaust gas was 176.6 ℃ and the amount of that was 13.8 kg/s. This research designed a waste heat recovery system whose working fluid is R-245fa. It simulated three study cases as follows. In simulation of a basic ORC system, the turbine power output and thermal efficiency were respectively 96.56 kW, 14.3%. In simulation of a superheater connection, 0.09% of efficiency could be improved due to the increase of enthalpy by overheating of working fluid, but the obtained output was decreased with 16.58kW because of the decrease of working fluid mass. In simulation of a process heater connection, efficiency was increased up to 38.51%.