이산화탄소 포집이 포함된 고체산화물 연료전지 기반 발전시스템의 설계 성능 해석 = Design performance analysis of solid oxide fuel cell based power generation systems including CO₂capture
저자
발행사항
인천 : 인하대학교 대학원, 2011
학위논문사항
학위논문(박사)-- 인하대학교 대학원 : 기계공학과 2011. 2
발행연도
2011
작성언어
한국어
주제어
DDC
621.4023 판사항(21)
발행국(도시)
인천
기타서명
Design performance analysis of solid oxide fuel cell based power generation systems including CO₂capture
형태사항
xvi, 171 p. ; 26 cm
일반주기명
지도교수:김동섭
인하대학교 논문은 저작권에 의해 보호 받습니다
참고문헌 : p. 151-164
소장기관
발전 산업분야에서 화석연료의 고갈 문제로 인해 고효율의 발전설비가 요구 되고 있고 지구 온난화와 같은 환경문제가 대두됨으로 인해 이산화탄소 분리가 중요해지고 있다. 따라서 연소과정이나 기계적인 일이 필요 없이 직접 발전 방식으로 전기를 생산하는 연료전지는 고효율이며 친환경적인 발전 설비로 주목을 받고 있다. 또한 연료전지는 고온의 배기가스를 배출하므로 가스터빈과 같은 기존의 발전 설비와의 결합이 가능하다. 연료전지와 가스터빈을 결합한 하이브리드 시스템은 연료전지가 단독으로 작동할 때 보다 높은 효율을 기대할 수 있다. 그러나 발전 방식이 서로 다른 두 시스템을 결합하기 위해서는 다양한 BOP(Balance-of-Plant)가 요구되며, 최적 설계를 위해 설계 전 주요 설계 변수들의 변화에 대한 영향을 파악하는 것이 필수적이다.
본 논문에서는 하이브리드 시스템을 연료전지 작동압력에 따라 가압 및 상압형으로 구분하여 연료전지 작동온도, 연료전지 입출구 온도차이 그리고 터빈 입구 온도와 같은 주요 설계 변수 변화에 따른 설계 성능을 해석하였다. 그러나 하이브리드 시스템에서 수소 대신에 천연가스를 연료로 사용할 경우 배출가스에는 이산화탄소를 포함한다. 발전 설비에서 이산화탄소를 분리하기 위한 방법은 크게 연소 전 분리(pre-combustion), 연소 후 분리(post-combustion) 그리고 순산소 연소(oxy-combustion)로 구분할 수 있다. 본 논문에서는 순산소 연소를 고려한 하이브리드 시스템을 제안하였으며, 천연가스를 사용하며 이산화탄소의 분리를 고려한 하이브리드 시스템의 설계 성능을 해석하고 이산화탄소의 분리를 고려하지 않은 하이브리드 시스템의 설계 성능과 비교 분석하였다. 그리고 연료전지의 작동 전압뿐만 아니라 하부사이클의 주요 설계 변수인 증기팽창기 입구 온도 및 응축 압력을 변수로 설계 변수 해석을 수행하여 최적의 설계 성능을 나타내는 설계 변수를 도출하였다.
하이브리드 시스템과 같은 고효율의 발전 설비에 관한 연구 이외에도 점차 매장량이 감소하는 석유나 천연가스와 같은 연료 대신 석탄을 발전 설비의 연료로 사용하려는 연구도 진행되고 있다. 이러한 발전 설비의 대표적인 예로는 석탄가스화 복합화력 발전시스템(IGCC, Integrated Gasification Gas turbine)을 들 수 있다. 최근에는 석탄가스화 복합화력 발전시스템에 연소 전 분리 기술(pre-combustion method)을 적용한 저공해 발전 시스템의 연구가 전 세계적으로 진행되고 있다. 또한 가스터빈 기반 발전 설비 뿐만 아니라 석탄을 연료로 사용하는 발전설비인 석탄가스화 연료전지 시스템(IGFC, Integrated Gasification Fuel Cell)이 차세대 발전 설비로 주목을 받고 있다. 석탄가스화 연료전지 시스템은 주로 연료전지와 가스터빈 등이 모든 구성부를 새로 설계한다는 가정하에 연구가 진행되고 있다. 따라서 그 시스템이 개발되기까지는 많은 시간과 비용이 소요될 것으로 예상된다.
본 논문에서는 가스터빈의 개조를 최소화하기 위해 기개발되어 있는 가스화기기(Shell gasifier) 및 Siemens 사의 G-class 가스터빈(W501G)을 기반으로 하는 복합화력 발전시스템과 연료전지를 결합한 석탄가스화 하이브리드 시스템의 구성을 제안하였다. 먼저 석탄가스화 복합화력 발전시스템을 설계하고 그 성능을 해석하여 공개된 문헌에 나타난 석탄가스화 복합화력 발전시스템의 성능과 비교하여 검증하였다. 그리고 이러한 석탄가스화 복합화력 발전시스템과 연료전지를 결합한 석탄가스화 하이브리드 시스템을 셀 입구온도의 예열방법, 공기분리기로부터 공급되는 질소의 처리 그리고 이산화탄소 분리 기법에 따라 9가지로 구분하여 각각의 시스템의 설계 성능을 해석함과 동시에 석탄가스화 복합화력 발전시스템의 성능과 비교분석하였다. 또한 연료전지 작동온도 및 전압에 관한 설계 변수 해석을 수행하여 가스터빈의 개조를 최소화하는 범위에서 가장 좋은 시스템 성능을 나타내는 연료전지의 설계 변수를 도출하였다. 마지막으로 결합도와 희석도에 관한 설계 변수 해석을 수행하여 이산화탄소 분리로 인해 발생하는 압축기 입구 공기유량과 터빈 입구 가스 유량차이를 최소화할 수 있음을 확인하였다.
In the power generation industry, the high efficiency power generation system is required due to depletion of fossil fuel. As environmental issues such as global warming come to the fore, carbon dioxide separation will become more important. A solid oxide fuel cell(SOFC) is the direct energy conversion device that does not need a combustion process or mechanical operation, and it is recognized as a promising future energy source because of its advantages, such as high power generation efficiency and ultra-low emission. In addition, since the SOFC operates at high temperature, it can be combined with conventional power generator such as gas turbine(GT). The hybrid system combining with a SOFC and the GT is expected to exhibit better system performance than that of the fuel cell only system. However, the hybrid system consists of two parts, which are totally different in nature, requires diverse balance-of-plant components. Accordingly, parametric studies should be performed about main design parameters for optimal design.
In this thesis, the hybrid system was classified into pressurized and ambient pressure systems. Then, design performance analysis with main design parameters such as fuel cell temperature, temperature difference at the cell and turbine inlet temperature was performed for each hybrid system and their performance characteristics are compared. If natural gas instead of hydrogen is used as fuel in the hybrid system, the exhaust gas contains carbon dioxide. Carbon dioxide capture technology can be classified into three categories : pre-combustion capture, post-combustion capture and oxy-combustion capture. An integrated system combining a SOFC and oxy-fuel combustion was proposed. Design performance analysis of hybrid systems using natural gas as fuel and including carbon dioxide capture was performed and their design performance was compared to the that of hybrid system without carbon dioxide capture. The influence of design parameters such as cell voltage, expander inlet temperature and condensing pressure on systems performance was analyzed and optimal design performance was presented.
Besides studies about high efficiency power generation system like a hybrid system, studies have been performed to use coal instead of other fossil fuels. The representative example is integrated gasification combined cycle(IGCC). Recently, studies on low-emission power generation system combining integrated gasification combined cycle and pre-combustion method have been carried out. In addition to the integrated gasification combined cycle, SOFC based power generation systems is recognized as a promising future power source. Studies on integrated gasification fuel cells(IGFCs) are in progress under the assumption that all components are newly designed. Accordingly, it is expected that more cost and time is required until this system is developed.
In this thesis, the configurations of integrated gasification hybrid systems combining fuel cell and integrated gasification combined cycle using a practical gasifier(Shell) and a G-class gas turbine(W501G) were proposed to minimize modification of the GT. First, a baseline integrated gasification combined cycle was simulated by referring to the open literature and calculation models were validated by comparing the system performance. Then, various integrated gasification hybrid systems with different management methods of the cathode inlet temperature, nitrogen separated from air separation unit and CO2 capture were established, and their performance was analyzed and compared to the performance of the integrated gasification combined cycle. In the integrated gasification hybrid system, parametric analysis on the fuel cell temperature and voltage was performed, and the optimal design parameters were drawn. Finally, a parametric analysis on the integration degree and dilution level was performed, and it was confirmed that the mass flow difference between compressor inlet air and turbine inlet, caused by the carbon dioxide separation, can be minimized.
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