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엑서지진단기법을 이용한 발전플랜트 시스템 진단. 2005. ㈜ 엑서지 엔지니어링. 목 차. 1. 엑서지 개념 및 응용. 2. 발전플랜트 분석방법. 3. 발전플랜트 진단 사례. 엑서지 이론 고찰. Z. Rant [1956] Greeks ex [ 외부로] + erg[ 일] 로부터 Exergy 용어 제창 A. Bejan

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  1. 엑서지진단기법을 이용한 발전플랜트 시스템 진단 2005 ㈜ 엑서지 엔지니어링

  2. 목 차 1. 엑서지 개념 및 응용 2. 발전플랜트 분석방법 3. 발전플랜트 진단 사례

  3. 엑서지 이론 고찰 Z. Rant [1956] Greeks ex[외부로] + erg[일] 로부터 Exergy 용어 제창 A. Bejan 엑서지 : 시스템이 주어진 상태로부터 기준환경조건 [reference environment condition]과 평형에 도달할 때까지 변화 하는 동안에 발생하는 이론 최대 유효 일

  4. 엑서지 성분 • E = EPH + EKN + EPT + ECH • EPH = 물리엑서지 EKN = 운동엑서지 • EPT = 위치엑서지 ECH = 화학엑서지 •  시스템이 환경에 대해 상대적으로 정지상태에 있을 때 • EKN = EPT = 0 • E = EPH + ECH • EPH = 시스템이 온도 T, 압력 P로부터 T0, P0의 제한적 • 평형에 도달 시까지 얻을 수 있는 최대 유효일 • ECH = 시스템이 제한적 평형상태로부터 완전 평형상태 • 도달 시까지 얻을 수 있는 최대 유효일

  5. 엑서지 성분 물리 엑서지 ePH = (u – u0) + p0(v – v0) T0(s – s0) = h – h0 –T0(s –s0) = 화학조성 불변시의 엑서지계산 일반식 화학 엑서지 eCH,k = - RT0 ln xek eCH,k = - RT0 xkln(xek/xk) =  xkeCH,k + RT0 xklnxk

  6. Reference Environment Theoretical - Stable equilibrium - No chemical reaction between components - Acts as an infinite system, sink and source for heat & material - Internally reversible process in which its intensive state remains unaltered - It’s exergy is zero Natural - Not in equilibrium - Its intensive properties exhibit spatial and temporal variations - It’s exergy is not zero A compromise is made between theoretical and natural in developing reference - environment models

  7. Reference Environment Models 자연환경모델 [M.V. Sussman, 1980] - 자연환경을 기준으로 하고 있음 - 기준 온도 25C, 기준 압력 1.0332Kg/cm2 - 화학성분 : 포화 습공기 및 물, 석고 및 석회석 (Baehr등,1963) 황을 포함한 물질이 추가로 포함 (Gaggoli등,1980) 기준물질모델 [Sussman, Aherndts, Szargut] - 모든 화학성분에 대하여 기준환경에서 엑서지 값이 “0”인 기준물질 선정(자연환경에 가장 풍부하며, 가장 가치 없는 물질들로 선정) - Sussman : N2, O2, CO2, H2O, 석고, 석회석 자연환경과 유사하지 않음. 비효율적 - Szargut : 해수 및 해양의 지각에 함유된 성분 (자연환경과 유사)

  8. Reference Environment Models 평형모델 [Ahrendts, 1980] - 대기, 해양 및 지각에 존재하는 물질, 주어진 온도에서 이들의 평형상태의 계산이 가능한 모델 제안 - 설정된 모델은 자연환경과 일치하지 않음 - 물질로부터 얻어질 수 있는 최대 일을 잘 나타낼 수 있었지만, 현실적으로 이 정도의 일을 얻을 수 있는 공정이 존재하지 않음 제약평형모델[Ahrendts, 1980] - 평형모델의 보완, 평형계산 시 질산 및 질산화합물의 생성 가능성 배제 - 자연환경과 매우 유사, 많이 적용 - 본 연구에서 화학엑서지를 계산하는데 적용

  9. State의 정의 Dead States  시스템과 환경이 평형 = 일의 기회 Zero  기계적, 열적, 화학적 평형 / 압력, 온도, 화학 Potential 동일 Restricted Dead States  시스템과 환경간에 기계적 및 열적 평형만이 달성되고 화학적 평형이 달성되지 못한 경우

  10. 물리엑서지 = 열 엑서지 + 기계 엑서지 열 엑서지 기계 엑서지

  11. 연료의 화학엑서지

  12. 연료의 화학엑서지

  13. 엑서지효율의정의 엑서지 효율 EFuel = 유용한 생성물을 얻기 위하여 투입되는 엑서지 EProduct = 공정에서 생산되는 유용한 생성물의 엑서지 EL = 엑서지 손실 ED = 엑서지 소모

  14. 엑서지 분석 예 : B-CGAM, O-CGAM

  15. 엑서지 분석 예 : CGAM 단위기기 엑서지 효율 압축기 : 팽창기 : 공기예열기: HRSG : 연소기 :

  16. 엑서지 분석 예 : CGAM

  17. 엑서지 분석 : B-CGAM, O-CGAM

  18. 엑서지 분석 : B-CGAM, O-CGAM

  19. 엑서지 분석 : B-CGAM, O-CGAM

  20. 엑서지 분석 결과: CGAM • 연소기 손실이 총 공급 에너지의 25.6%, 총 엑서지 손실중 59.2%의 최대 손실기로 나타남 • 이외에 HRSG, 팽창기, 공기예열기 및 공기압축기의 순으로 손실이 큼 • 에너지분석으로는 이러한 손실이 드러나지 않으며, 엑서지 분석과 병행 수행의 필요성을 확인함

  21. 엑서지 응용 분야 1. Exergetics • Exergy losses (Exergy distribution + Exergy waste) • Exergy efficiency • Exergy flow diagrams • Exergy or Energy utility diagrams • Exergy Analysis • Life Cycle Exergy Analysis

  22. 엑서지 응용 분야 2. Exergetics and Economics • Exergetics and Macroeconomics : Exergy Tax • Exergetics and Microeconomics : Life Cycle Cost Minimization • Thermoeconomic Accounting • Thermoeconomic Optimization 3. Exergy in Ecology • Investigation of exergy as a ecological indicator 4. Exergy Use in the Society 5. Sustainable Resources Concept

  23. 발전플랜트 분석 방법 발전플랜트 분석 방법론 • 기준 설계조건에서 주기기 및 보조기기설계사양 검토 • 현장실사 및 자료수집 • 발전플랜트 진단모델 개발 • 에너지 및 엑서지 진단 • 개선방안 도출 및 개선안 타당성 검토 • 경제성 및 기대효과 분석 • 개선방안 제안

  24. 발전플랜트 분석 방법 시스템 진단모델 개발의 절차 • 기준 설계조건에서 주기기 및 보조기기설계사양 입력  시스템 설계 모델 개발 • 각 부하별 운전조건에 대한 시뮬레이션 수행  시스템 탈설계점 모델 개발 • 시뮬레이션 결과를 부하별 설계조건과 비교  탈설계점 모델의 신뢰성 검증 • 탈설계점 모델로부터 현재 운전조건에 대한 진단 모델 구축

  25. 발전플랜트 분석 방법 시스템 진단모델 개발 순서도

  26. 발전플랜트 분석 방법 시스템 진단모델의 의의 및 활용 • 측정이 어려운 계측점의 데이터 추정 • 현장의 운전현황 판단 (문제점 분석) • 개선 방안의 도출 • 단위기기별 개선효과의 예측 • 시스템 개선효과의 예측 • 투자비용 산출(기기 비용)

  27. 발전플랜트 분석사례 (1) 시스템 에너지 분석 • 분석 대상 : 열병합 발전플랜트 • 대상 플랜트 개요 • 보일러 증기생산량 : 81,000 kg/hr • 증기터빈 출력(정격) : 12,000 Kw • 공정용 증기 공급량 : 60,000 kg/hr(5.3kg/cm2a, 155oC)

  28. 발전플랜트 분석사례 (1) < Thermoflex를 이용한 플랜트 설계점 모델 >

  29. 발전플랜트 분석사례 (1) < 플랜트 시뮬레이션 모델과 설계조건의 비교 >

  30. 발전플랜트 분석사례 (1) < 통풍계통 진단모델(Aspen Plus) >

  31. 발전플랜트 분석사례 (1) < 물/증기계통 진단모델(Thermoflex) >

  32. 발전플랜트 분석사례 (1) 현황 및 문제점 분석

  33. 발전플랜트 분석사례 (1) 개선 방안 도출 및 기대효과 분석 개선 방안 1.  • 보일러 및 슬러지 건조계통 • 단열파손부위 점검 및 하단부 화상의 파손부위 보수 • Soot Blower 보수 및 교체 후 재가동 • 기 설치된 킬른 건조로 보수 후 재가동으로 슬러지 함수율 저감

  34. 발전플랜트 분석사례 (1) 기대 효과(진단모델 이용)  • 주증기 온도 회복 • 증기터빈 출력 증가 • B/C유 공급량 감소 • 슬러지 함수율 저감

  35. 발전플랜트 분석사례 (1) 개선 방안 2.  • 공기예열기 교체 • 기 설치 운영중인 회전재생식(Ljungstrom type) 공기예열기를 Vertical Gas Path를 가지는 판형 열교환기로 교체

  36. 발전플랜트 분석사례 (1) 기대 효과  • 공기누설율 저감 • 공기공급량 감소 • B/C유 공급량 감소 • 공기예열온도 상승 • 송풍기 소모동력 절감

  37. 발전플랜트 분석사례 (1) 개선 방안 도출 및 기대효과 분석 개선 방안 3.  • 증기터빈 • Governer valve의 보수 또는 교체 • 증기터빈 OverHaul로 기계적 효율 상승

  38. 발전플랜트 분석사례 (1) 기대 효과  • 증기터빈 운전 안정화 • 증기터빈 출력 증가 • 터빈 배기압력 안정화 • 기계적 효율 상승

  39. 발전플랜트 분석사례 (1) 개선 방안 도출 및 기대효과 분석 개선 방안 4.  • 기타 보조기기 부문 • 공정용 증기 및 응축수 누설부위 점검 및 보수 • 보충수 열교환기 튜브 청소 및 교체, 보수 • Steam Air Heater 누설부위 점검 및 보수 • B/C유 가열용 열교환기 튜브 청소 및 교체, 보수

  40. 발전플랜트 분석사례 (1) 시스템 주요흐름에 대한 기대효과 분석

  41. 발전플랜트 분석사례 (1) 시스템 주요흐름에 대한 기대효과 분석

  42. 발전플랜트 분석사례 (1) 시스템 엑서지분석 엑서지 손실 분석 결과 • 엑서지 손실이 가장 많은 기기는 보일러, 증기터빈, 공기예열기 순으로 나타남

  43. 발전플랜트 분석사례 (1) 엑서지 효율 분석 결과 • 엑서지 효율이 가장 낮은 기기는 SCAH와 Make-up Heater인 것으로 나타남

  44. 발전플랜트 분석사례 (1) 개선안의 효과 분석 결과(엑서지 손실 저감) • 대부분의 단위기기에서 발생하는 엑서지손실 저감

  45. 발전플랜트 분석사례 (1) 개선안의 효과 분석 결과(엑서지 효율 상승) • 단위기기 엑서지 효율 상승 • 개선안 실행으로 시스템 전체의 엑서지 효율이 개선 전의 24.88%에서 개선 후 33.72%로 약 9% 상승

  46. 발전플랜트 분석사례 (1) 엑서지 분석의 기대 효과 • 시스템내 각 단위기기 및 시스템 운전현황 및 특성 파악 • 생산물에 대한 정확한 생산단가 파악을 통한 최적 운영방안 수립 • 시스템 운전변수 최적화 및 설비개선 합리화 • 개선안 실행시 시스템에 미치는 영향 및 경제성 분석 • 엑서지 손실 저감 등을 통한 시스템 운전 최적화 • 투자비를 수반하지 않는 경우  엑서지 분석을 통한 운전조건 최적화 또는 불합리한 엑서지 오류의 제거로 가능 • 투자비를 수반하는 경우  신기술 또는 에너지 절약기술 적용 등을 통한 Trade-off에 의해 달성 가능

  47. 발전플랜트 분석사례 (1) 에너지 및 엑서지 분석에 의한 시스템 개선효과 • 보일러 입구 공기온도 상승 • B/C유 사용량 절감 • 응축수 회수율 상승 • 보충수 공급량 절감 • 응축수의 탈기기 공급온도 상승 • 공기공급량 절감 • 송풍기 소모동력 절감 • 보충수 공급온도 상승 • 탈기용 증기량 감소 • 증기배관 누설량 감소 • 공정공급용 증기온도 회복 • 슬러지 함수율 감소 • 보일러 열손실율 감소 • 주증기 온도 상승 • 증기터빈 출력 증가 • 보일러 효율 상승

  48. 발전플랜트 분석사례 (2) 대상 시스템 개요 • 출력 : 125,000 kW (터빈 100% Load) • 주요기기 사양 - 증기터빈 : Impulse type, Double flow, Reheat Condensing - 보일러 : Single Drum, Radiant, Balanced Draft - B O P : 표면복수기 1기, 급수가열기 6기(탈기기 포함) • 연료 : 국내 무연탄 및 중유 혼소( 무연탄 70%)

  49. 발전플랜트 분석사례 (2) 시스템 설계점 모델 (터빈 4/4 부하시)

  50. 발전플랜트 분석사례 (2) 설계점 모델의 터빈 팽창선도

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