복합화력발전소의 냉각수 배열회수를 위한 히트펌프의 성능평가

2.1 히트펌프 설치 전(개선전)

개선 전 발전소의 기준 열정산도는 Fig. 1과 같다. 연료가 LNG 히터로 들어가서 예열된 후 가스터빈으로 들어가고 전력 생산 후 배기가스 HRSG(Heat Recovery Steam Generator)로 가서 증기를 생산하는 열원으로 쓰인다. 여기서 생산된 증기는 고압터빈 및 지역난방 열교환기를 거쳐 전력 생산 및 지역 난방수의 열원으로 사용된다.

Fig. 1

Heat Balance Before Heat Pump

지역난방수의 승온은 지역난방(Main DH), 출력(고압지역난방가열기, 저압지역난방가열기, 지역난방냉각기) 또는 HRSG의 배기 지역난방가열기에서 이루어진다. 계약서 상 배기 지역난방가열기에서 이루어지는 지역난방을 위한 열원은 개선 전․후 동일하다고 보고 있으므로 본 보고서에서는 지역난방가열기에서 이루어지는 열교환량만 개선 후와 비교하였다.

히트펌프 설치 전 성능특성은 Table 1과 같다. 가스터빈과 HRSG는 5 Unit이고 스팀터빈은 1기이다.

Table 1

Performance Summary Before And After Improvement

2.2 히트펌프 설치 후(개선 후)

기기냉각수 배열(Closed Cooling Water Heat Load) 및 HRSG로부터 공급되는 저압증기(LP Steam)의 일부를 히트펌프의 열원으로 공급하여 지역난방열을 증대시키는 것이 본 히트펌프 ESCO(Energy Service Company) 사업의 주목적이며, 히트펌프 설치 후 열정산도는 Fig. 2와 같다. 기기냉각수 열부하와 고압터빈(HP TBN)으로 흘러가는 HRSG의 저압증기의 일부를 추기하여 히트펌프 및 가열기의 열원으로 공급한다. 저압증기의 일부를 추기(27.25 ton/h)하였으므로, 증기터빈의 전기 출력(ST Output)은 일부 감소하며, 지역난방가열기의 출력은 감소하게 된다. 그리고, 가스터빈 전기출력(GT Output), Stack DH Output은 개선 전․후에 변화가 없는 것으로 볼 수 있다. 개선 전․후 성능특성은 Table 2와 같다.

Fig. 2

Heat Balance After Heat Pump

Table 2

Result of Performance Test About Heat Pump

저압증기 중 27.25 ton/h의 유량을 히트펌프⁽²⁾로 보내면서 증기터빈 출력은 0.234 MW, 지역난방가열기출력은 14.8Gcal/h 감소하였으며, Heat Pump의 열량은 26.32 Gcal/h 증가된다. 그러므로 Total DH Output은 11.52 Gcal/h가 증가되게 된다. 여기서 증가된 열량은 CCW 열부하(10.92 Gcal/h)와 저압증기 추기 증기가 터빈에서 일을 하는 대신 히트펌프에 열량으로 공급되어 증가한 것이라 할 수 있다.

3.1 시험방법

히트펌트 운전 전․후 지역난방 열생산량 및 증기터빈 출력 변화를 확인하였다. 시험부하는 히트펌프 운전, 히트펌프 정지에서 1시간씩 각 1회 실시하였다. 시험조건은 증기터빈 전력량은 기존 전력량계에서 측정한 값을 기준, Main DH 열생산량은 기존 열량계에서 측정한 값을 기준으로 하였으며, 히트펌프 운전 전․후 발전소⁽³⁾ 운전조건 변화에 따른 영향을 최소화하기 위하여 최대한 운전지침서상의 정상운전 상태를 유지하였다. 또한 자동제어 특성에 맞추어 발전단 전기출력 기준으로 출력유지 및 부하제한(Governor Free Off) 운전방식을 채택하였으며, 히트펌프 입출구 기기냉각수, 저압 스팀, 지역난방수 관련 자료는 전력연구원 보유 계측기를 설치하여 자동 데이터 취득 시스템(DAS)을 통해 취득하였다. 계통격리는 증기 응축수 배출, 탈기, 수질감시 등을 제외한 계통외부로의 열 출입이 없도록 실시하였으며, 보조증기는 자체호기에서 공급하도록 하였고, 타 호기와의 공통계통은 완전히 차단하였다.

3.2 검토사안

기기냉각수(CCW) 배열 회수용⁽⁴⁾으로 히트펌프를 설치하여 운용함으로써 열병합 발전설비에 영향을 미치는 주 요소는 다음과 같다. 히트펌프에서 회수된 기기냉각수 열부하에 따른 지역난방열 생산이 증대되며, 증기터빈으로 공급되는 저압증기유량 감소에 따른 증기터빈 출력이 감소한다. 고압지역난방가열기 및 저압지역난방가열기로 공급되는 고압터빈 추기 증기유량 저하에 따른 고압지역난방가열기 및 저압지역난방가열기의 열생산량 감소되었다. 또한 히트펌프의 기기냉각수냉각에 따라 보조냉각수펌프 및 냉각팬 소비전력이 절감되며, 히트펌프 내부 펌프 및 지역난방가열기 급수승압펌프 운전에 따라 소비전력이 증대된다.

4.1 히트펌프 성능

4.1.1 히트펌프 열회수량

히트펌프 운전 시 열회수량(보정 후)은 29.17 GCal/h로 나타났다. 히트펌프의 열회수량 보정은 공급사가 제시한 성능시험 절차서 상의 4가지 항목(저압증기 압력, 기기냉각수 유량, 기기냉각수 출구 온도, 지역난방수 입구 온도)에 대해 보정곡선으로 보정하였으며, 히트펌프 단독 운전 시 보정 내역은 Fig. 3과 같다. 히트펌프 열수회량과 관련된 주요 운전 변수는 Table 3과 같으며, 히트펌프 열회수량은 히트펌프 입출구의 지역난방수 유량에 입출구의 엔탈피 차를 곱한 값으로 계산하였다.

Fig. 3

Correction Curve of Heat Pump Operation Only

Table 3

Heat Pump Parametric Test

기기냉각수 출구 온도가 기준치 40 °C 대비, 35.9 °C로 낮게 운전되고 있는 점이 보정 전 히트펌프 열회수량이 낮은 원인으로 보여진다. 히트펌프 출구의 저압증기 드레인이 계약기준 90 °C 대비, 92.18°C으로 높은 온도로 유지되어 히트펌프로 공급되는 저압증기의 유량을 증가시킬 수 있다.

지역난방수 입구 온도가 낮을수록 히트펌프의 열회수량이 높아지므로 히트펌프 운전 시 지역난방수 입구온도를 정격치 55℃ 이내에서 운전하는 것이 바람직하다.

4.1.2 히트펌프 저압증기 공급열량

히트펌프 성적계수(효율)⁽¹⁾는 지역난방수의 열회수량을 재생기에 공급되는 저압증기 열량으로 나눈 값으로 정의된다. 이에 따라 계약기준으로 계산된 성적계수는 1.71로 나타났다.

$\[ \mathrm{성적계수}\left(\mathrm{COP}\right)=\frac{\mathrm{지역난방수열회수량}}{\mathrm{재생기저압증기열}} \]$

시험 시의 성적계수를 1.71로 계약기준과 동일하게 가정하고 저압증기 공급열량 및 추기유량을 계산하면 Table 4와 같다. 저압증기 유량 및 열량을 히트펌프 성적계수를 고려하지 않고 단수 열평형으로 계산할 경우와 성적계수를 고려할 경우를 비교하면 Table 5와 같다.

Table 4

Test Results for Low Pressure Steam Supplying

Table 5

Low Pressure Steam Condition

히트펌프 성적계수를 고려할 경우 저압증기 공급열량은 14.12 GCal/h 으로 나타났다. 이는 성적계수를 고려하지 않고 단순 열평형으로 계산시 대비 1.56 Gcal/h 늘어난 값이다. 히트펌프 성적계수를 고려할 경우 저압증기 유량은 24.89 Ton/h으로 나타났다. 이는 성적계수를 고려하지 않고 단순 열평형으로 계산시 대비 2.75 Ton/h 늘어난 값이다. 성적계수를 고려할 경우 늘어난 저압증기 공급열량 1.56 GCal/h은 히트펌프 운전에 따라 발생하는 열손실로 추정할 수 있다. 히트펌프 성적계수를 고려하여 계산된 히트펌프 내부 열평형 상태는 Table 6과 같다.

Table 6

Test Results of Heat Pump

4.2 발전소 열생산량

개선 전⋅후 발전소 열생산량을 Table 7에 나타냈다. 개선 전에는 430.71 GCal/h의 열이 생산되며, 개선 후에는 440.83 GCal/h의 열이 생산되어 10.12 GCal/h의 열생산 증가를 나타냈다. 개선 전에는 지역난방수 가열기에서만 열이 생산되며, 개선 후의 열생산량은 지역난방수 가열기 열생산량 417.40 GCal/h 및 히트펌프 열생산량 23.43 Gcal/로 구성된다. 히트펌프 열생산량 23.43 Gcal/h는 기기냉각수의 폐열10.88 Gcal/h 및 구동증기열 12.56 Gcal/h로 구성된다. 흡수식 히트펌프의 성능을 나타내는 성적계수는 히트펌프 열생산량을 증기공급열로 나눈 값으로 정의되며, 이 때 성적계수는 1.86이 된다.

Table 7

Comparison Of Energy Generation

4.3 발전소 전기생산량

개선 전⋅후 발전소 전기생산량 변화는 Table 7에서 확인할 수 있다. 히트펌프는 증기터빈에 공급되는 증기의 일부를 구동열원으로 활용하므로 증기터빈의 출력이 저하되게 된다. 이에 따라 개선 후 증기터빈 전기생산량은 1,440kW 저하된 것으로 나타났다. 이를 열로 환산하면 1.24GCal/h이 된다.

이번 성능시험에서 전기 출력 저하는 터빈에 공급되는 증기의 유량 감소분에 단순 비례하지 않고 더 크게 나타났다. 이는 히트펌프에서 구동열원을 터빈증기로 활용할 경우 출력저하가 설계시보다 증대될 수 있음을 보여준다.

4.4 개선효과

히트펌프 설치에 따른 개선효과를 Table 8에서 확인할 수 있다. 기기냉각수의 폐열 10.88 Gcal/h는 8.88 Gcal/h회수되어 81.62%의 회수율을 나타냈다. 18.38%의 손실율은 발전소에서 히트펌프로 기기냉각수, 구동증기, 지역난방수⁽⁵⁾ 등이 공급되면서 발생하는 손실 및 히트펌프 내부 효율에 기인한 것으로 추정된다. 개선 후 에너지생산은 개선 전 542.10 Gcal/h 대비 1.64 % 늘어난 550.98 Gcal/h 로 나타났다.

Table 8

Improvement Effectiveness

4.5 증기터빈 출력저하 검토

발전소에 설치된 흡수식 히트펌프는 HRSG에서 증기터빈으로 공급되는 저압증기를 일부 추기하여 구동열원으로 사용한다. 이에 따라 증기터빈에 공급되는 저압증기량이 감소하여 터빈 출력이 떨어지게 된다. 본 절에서는 터빈 출력저하의 원인을 분석하였다.

계약서 상의 열정산도 기준으로 개선 전(히트펌프 설치 전), 개선 후(히트펌프 설치 후)의 터빈 출력을 계산하면 Table 9와 같다. 터빈 출력은 터빈 입출구 증기의 엔탈피차에 증기유량을 곱한 값으로 계산하였으며, 터빈입구로 공급되는 고압증기와 저압증기는 50 %는 고압지역난방가열기로, 나머지 50 %는 저압지역난방가열기로 배기되는 것으로 가정하였다.

Table 9

Turbine Power Output

계약서 상의 열정산도 기준으로 계산된 히트펌트 운전 전⋅후 증기터빈 출력 변화는 -947 kW로 나타났다.

또한 증기터빈으로 공급되는 증기 유량 감소에 따라 터빈 출력 특성이 변화된 것으로 추정된다. 증기터빈으로 공급된 저압증기 유량은 아래와 표와 같다. 히트펌프 정지 시 190.29 Ton/h 대비하여 히트펌프 운전 시는 166.86 Ton/h 로 나타났다.

일차적으로 증기터빈으로 공급되는 저압증기 질량유량 감소에 따라 터빈 출력이 감소된 것으로 판단되나, 유량 감소에 따른 터빈 출력 특성 변화에 따라 터빈 출력 저하가 높아진 것으로 추정된다. 저압증기 유량에 따른 터빈 출력 곡선이 제작사로부터 입수되지 않아, 본 논문에서는 저압증기 유량 저하에 따른 터빈 출력 저하분에 대한 계산은 수행하지 않았다. 다만 발전소 증기터빈의 경우 저압증기 유량과 터빈출력이 단순 비례하지 않고, 유량 저하에 따른 출력 감소분의 기울기가 높은 수준으로 추정된다.