전력단가추정기반 초임계 이산화탄소 발전 시스템 최적 설계 인자 도출

박성호; 차재민; 김준영; 신중욱; 염충섭; Sungho Park; Jaemin Cha; Joonyoung Kim; Junguk Shin; Choongsub Yeom

Clean Technology, Vol.23, No.4, 441-447, December, 2017

DOI10.7464/ksct.2017.23.4.441 Export Citation

전력단가추정기반 초임계 이산화탄소 발전 시스템 최적 설계 인자 도출

Design Criteria Derivation of Supercritical Carbon Dioxide Power Cycle based on Levelized Cost of Electricity(LCOE)

박성호^†, 차재민, 김준영, 신중욱, 염충섭

고등기술연구원 플랜트 엔지니어링본부, 경기 용인시 처인구 백암면 고안로 51번길

Sungho Park^†, Jaemin Cha, Joonyoung Kim, Junguk Shin, and Choongsub Yeom

Plant engineering department, Institute for Advanced Engineering, 175-28 Goan-ro, 51 beon-gil, Baegam-myeon, Cheoin-gu, Yongin-si, Gyeonggi, 449-863 Korea

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초록

개념설계 단계에서 개발 공정에 대한 경제적 타당성 분석에 대한 중요성이 대두되고 있으며, 목표 경제성에 부합하는 공정 개발을 위한 공정 최적화에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다. 발전 시스템 분야에서는 전력 단가(Levelized cost of electricity, LCOE)를 예측하여 경제적 효과를 정량적으로 비교 분석하는 평가 방법이 많이 활용되고 있다. 본 연구에서는 목표 전력 단가에 부합한 발전 시스템을 설계하기 위해서 요구되는 핵심기기의 설계 조건을 역산출 할 수 있는 플랫폼을 구축 하였으며 초임계 이산화탄소 발전 시스템이 석탄 화력에 적용될 경우, 목표 전력 단가(초임계 증기 랭킨 사이클 발전 단가, $85.4 /kWh)를 충족하기 위해 요구되는 주요 핵심기기(압축기, 터빈, 열교환기) 등의 설계 지표 기준을 도출하였다. 터빈의 등엔트로피 효율이 86%인 경우, 주압축기 효율은 88% 이상 설계되어야 한다. 만약 터빈의 등엔트로피 효율이 88%로 설계된 경우, 주압축기 효율은 82%까지 완화하여 설계가 가능하다. End seal 부분에서 누설량을 0.24% 수준으로 유지하고, 열교 환기의 경우 cold side 출구측 온도가 92 ~ 97 ℃, 열용량은 2650 ~ 2680 MWth로 설계한다면 목표 전력단가를 충족시킬 수 있을 것으로 확인되었다.

The economic analysis for the power plant developed in the conceptual design phase is becoming more important and, research on process optimization for process development that meets the target economic is actively carried out. In the filed of power generation systems, economic assessment methods to predict the levelized cost of electricity (LCOE) has been widely applied for comparing economic effect quantitatively. In this paper, the platform that design criteria of key component required to optimize economic of power cycle can be calculated reversely was established roughly and design criteria of the key equipment (Compressor, turbine, heat exchanger) required to meet the target LCOE (the LCOE of supercritical steam Rankine cycle) was derived when the supercritical CO2 power cycle is applied to the coal-fired power plant.

Keywords:Levelized cost of electricity;Supercritical carbon dioxide Brayton cycle;Coal fired power plant;Design criteria

[References]

http://www.keei.re.kr/keei/download/focus/ef1512/ef1512_30. pdf (accessed Sep. 2017).
Kanniche M, Gros-Bonnivard R, Jaud P, Valle-Marcos J, Amann JM, Bouallou C, Appl. Therm. Eng., 30, 53 (2010)
Nie Z, Korre A, Durucan S, Energy Procedia, 4, 2510 (2011)
Fu C, Gundersen T, Chem. Eng. Trans., 21, 181 (2010)
Fu C, Gundersen T, Energy, 44(1), 60 (2012)
Soundararajan R, Anantharaman R, Gundersen T, Energy Procedia, 51, 119 (2014)
Liang Z, Fu K, Idem R, Tontiwachwuthikul P, Chinese J. Chem. Eng., 24(2), 278 (2016)
Nwaoha C, Supap T, Idem R, Saiwan C, Tontiwachwuthikul P, Al-marri MJ, Benamor A, Petroleum, 3(1), 10 (2017)
Wang M, Joel AS, Ramshaw C, Eimer D, Musa NM, Appl. Energy, 158, 275 (2015)
Martinez I, Grasa G, Parkkinen J, Tynjala T, Hyppanen T, Murillo R, Romano M, Int. J. Greenhouse Gas Control, 50, 271 (2016)
Liu J, J. Taiwan Inst. Chem. Eng., 78, 240 (2017)
Ferrara G, Lanzini A, Leone P, Ho MT, Wiley DE, Energy, 130, 113 (2017)
Zhou L, Xu G, Zhao S, Xu C, Yang Y, Appl. Thermal Eng., 99, 652 (2016)
Nomoto H, Advances in Steam Turbines for Modern Power Plants, 501-519 (2017).
Si NN, Zhao ZG, Su S, Han PS, Sun ZJ, Xu J, Cui XN, Hu S, Wang Y, Jiang L, Zhou YB, Chen G, Xiang J, Energy Conv. Manag., 147, 155 (2017)
Zhang K, Zhang Y, Guan Y, Zhang D, Ultra-supercritical Coal Power Plants, 104-130 (2013).
Le Moullec Y, Energy, 49, 32 (2013)
J. Energy, Park SH, Rhim DR, Yeom CS, Cha JM, Shin JJ, Lee CS, J. Energy & Climate Change, 11(1), 1-12 (2016).
Driscoll MJ, Interim Topical Report (2014).

[1] http://www.keei.re.kr/keei/download/focus/ef1512/ef1512_30. pdf (accessed Sep. 2017).

[2] Kanniche M, Gros-Bonnivard R, Jaud P, Valle-Marcos J, Amann JM, Bouallou C, Appl. Therm. Eng., 30, 53 (2010)

[3] Nie Z, Korre A, Durucan S, Energy Procedia, 4, 2510 (2011)

[4] Fu C, Gundersen T, Chem. Eng. Trans., 21, 181 (2010)

[5] Fu C, Gundersen T, Energy, 44(1), 60 (2012)

[6] Soundararajan R, Anantharaman R, Gundersen T, Energy Procedia, 51, 119 (2014)

[7] Liang Z, Fu K, Idem R, Tontiwachwuthikul P, Chinese J. Chem. Eng., 24(2), 278 (2016)

[8] Nwaoha C, Supap T, Idem R, Saiwan C, Tontiwachwuthikul P, Al-marri MJ, Benamor A, Petroleum, 3(1), 10 (2017)

[9] Wang M, Joel AS, Ramshaw C, Eimer D, Musa NM, Appl. Energy, 158, 275 (2015)

[10] Martinez I, Grasa G, Parkkinen J, Tynjala T, Hyppanen T, Murillo R, Romano M, Int. J. Greenhouse Gas Control, 50, 271 (2016)

[11] Liu J, J. Taiwan Inst. Chem. Eng., 78, 240 (2017)

[12] Ferrara G, Lanzini A, Leone P, Ho MT, Wiley DE, Energy, 130, 113 (2017)

[13] Zhou L, Xu G, Zhao S, Xu C, Yang Y, Appl. Thermal Eng., 99, 652 (2016)

[14] Nomoto H, Advances in Steam Turbines for Modern Power Plants, 501-519 (2017).

[15] Si NN, Zhao ZG, Su S, Han PS, Sun ZJ, Xu J, Cui XN, Hu S, Wang Y, Jiang L, Zhou YB, Chen G, Xiang J, Energy Conv. Manag., 147, 155 (2017)

[16] Zhang K, Zhang Y, Guan Y, Zhang D, Ultra-supercritical Coal Power Plants, 104-130 (2013).

[17] Le Moullec Y, Energy, 49, 32 (2013)

[18] J. Energy, Park SH, Rhim DR, Yeom CS, Cha JM, Shin JJ, Lee CS, J. Energy & Climate Change, 11(1), 1-12 (2016).

[19] Driscoll MJ, Interim Topical Report (2014).