석탄가스화 복합발전플랜트 가스터빈 압축기와 공기분리장치 간의 최적 연계설계를 위한 매개변수연구

Parametric Study for the Optimal Integration Design between the Gas Turbine Compressor and the Air Separation Unit of IGCC Power Plant

석탄가스화복합발전소의 가스터빈 공기압축기와 공기분리장치 간의 최적 연계설계를 위한 매개변수 연구를 수행하였다. 본 연구에서는 복수형 증류탑공정의 공기분리장치를 사용하였으며, 증류탑공정의 특성으로부터 압축기와의 연계조건인 공기추출량, 공기추출압력 및 공기/질소 열교환 조건들을 정의, 수식화하였다. 공기분리장치와 연계된 가스터빈용 공기압축기의 성능변화는 유선곡률방법과 압력손실모델을 결합한 해석방법을 사용하였으며, 예측결과들을 실제 압축기성능 시험결과와 비교하여 예측정확도를 검증하였다. 본 압축기성능 해석방법을 이용하여, 압축기와 공기분리장치의 연계조건인 열교환기의 핀치포인트 온도차, 추출공기량 및 추출 공기압력이 압축기성능에 미치는 영향을 정량적으로 검토하였다. 공기추출량이 늘어나거나 핀치포인트 온도차가 커질수록, 압축기의 압축비 및 소요동력은 증가하였다. 반면에, 압축기 효율은 공기추출량의 증가에 따라 고압공기추출시에는 저하되고, 저압공기추출시에는 향상되었다. 더나아가, 압축기의 일반화된 입구조건과 효율간의 특성곡선을 통해, 압축기 효율을 극대화 할 수 있는 압축기/공기분리장치간의 최적연계조건을 제시하였다.

Parametric studies are conducted for optimizing the integration design between gas turbine compressor and air separation unit (ASU) of integrated gasification combined cycle power plant. The present study adopts the ASU of double-distillation column process, from which integration conditions with compressor such as the heat exchanger condition between air and nitrogen, the amount and the pressure of extracted air are defined and mathematically formulated. The performance variations of the compressor integrated with ASU are analyzed by combining streamline curvature method and pressure loss models, and the predicted results are compared with the performance test results of actual compressors to verify the prediction accuracy. Using the present performance prediction method, the effects of pinch-point temperature difference (PTD) in the heat exchanger, the amount and the pressure of extracted air on compressor performances are quantitatively examined. As the extraction air amount or the PTD is increased, the pressure ratio and the power consumption of compressor are increased. The compressor efficiency deteriorates as the increase of the flow rate of air extracted at higher pressure level while improving at lower pressure air extraction. Furthermore, through the characteristic curve between generalized inlet condition and efficiency of compressor, optimal integration condition is presented to maximize the compressor efficiency.