Run for Finding Optimum Enthalpy Rise (최적 엔탈피 상승 값 찾기 실행)

Run for Finding Optimum Enthalpy Rise는 터빈 추기를 이용해 급수 가열을 어느 온도까지 해야 적정한가를 찾기 위해 마련한 기능입니다.

무한대 수의 급수 가열기를 설치하면, 급수 가열 온도를 증가시키면 시킬수록 열 소비율은 감소합니다.  즉 효율은 증가합니다.  단, 온도가 높아질수록 열 소비율 감소 폭이 적어집니다.

하지만, 한정된 수의 급수 가열기를 설치하면 열 소비율이 최소가 되는 급수 가열 온도가 존재합니다.   무한대의 급수 가열기를 설치하는 것은 불가능하므로, 급수 가열기 수가 결정되었을 경우, 제반 설계 조건이 주어진 상태에서 어느 온도까지 급수를 가열해야 열 소비율이 최소가 되는지에 대한 궁금증이 생깁니다.   이러한 궁금증을 해결하기 위해 마련한 기능입니다.

 

100% 엔탈피 상승 값

터빈 추기 최대 압력은,.

- 터빈 입구 증기 압력(P1) / 터빈 단 최소 압력비, 혹은

- 최종 급수 가열기 쉘(Shell) 내부 포화 온도가 370 oC 되는 터빈 추기 압력

가운데 낮은 압력으로 계산됩니다.   

초임계압 증기 터빈의 경우에도 급수 가열기 추기는 임계압을 초과하지 않는 범위에서 추기합니다.  임계 압력 및 온도가 각각 220.64 bara 및 373.946 oC 이므로, 약간의 여유를 고려하여 370 oC 로 설정하였습니다.

이렇게 선정된 터빈 추기 최대 압력에서 사용자가 입력한 추기 배관 압력 강하 값을 고려하여, 최종 급수 가열기의 쉘 내부 압력을 계산하고, 동 압력에 해당하는 포화 온도에서 최종 급수 가열기의 TTD 값과 급수 압력을 고려하여 최종 급수 가열기의 최대 출구 엔탈피, 즉 100% 엔탈피 상승 값을 계산합니다.

 

엔탈피 상승 최소, 최대 %

최소 값은 1%이며, 최대 값은 100%입니다.

 

상승 증분 %

상승 증분은 0% 보다 커야 합니다.   

최소 % 값으로 80%, 최대 % 값으로 90%, 상승 증분으로 5%를 입력한 경우에, 최소 열 소비율 찾기 계산은, 80%, 85%, 90% 엔탈피 상승에 대한 3가지 경우에 대해 계산합니다.   상승 증분으로 7%를 입력한 경우에는 80%, 87% 의 2가지 경우에 대해 계산합니다.

엔탈피 상승 계산 횟수는 100을 초과하지 않아야 합니다.   계산해보고자 하는 경우의 수가 100가지를 초과하는 경우에는 경우 수가 100을 넘지 않도록 나누어 계산하시기 바랍니다.

 

 각 급수가열기 당 동일한 엔탈피 상승

최소 열 소비율 찾기 계산에서는, 각 급수 가열기에서의 엔탈피 상승 값이 동일하도록 균등하게 배분합니다.   재생 사이클에서 각 급수 가열기에서의 엔탈피 상승 값이 동일한 경우 최대 효율을 나타냅니다.

재열 터빈 사이클의 경우, 그렇게 선정된 추기 압력이 고압(HP) 터빈 압력과 재열(Reheat) 터빈 입구 압력 사이인 경우에는, 자동적으로 동 추기 압력은 저온 재열 배관(Cold Reheat Pipe)로부터 추기되는 것으로 수정됩니다.    

동일하게, 선정된 추기 압력이 재열 터빈의 중압(IP) 터빈 출구 압력과 저압(LP) 터빈 입구 압력 사이인 경우에는, 자동적으로 동 추기 압력은 저압 연결 배관(LP Crossover Pipe)로부터 추기되는 것으로 수정됩니다.

 

터빈 단 최소 압력비

앞서 설명한 터빈 최대 추기 압력을 선정하는 경우 외에는, 최저 열 소비율 찾기 실행 과정 중에 터빈 단 최소 압력비를 초과하는지 확인을 하지 않습니다.   

그러므로, 최적 열 소비율 찾기 실행을 하고 난 후에 선정한 Heat Balance에 대해서는 "Run for User Input"을 다시 한번 계산해서 최소 압력비 기준을 맞추지 못하는 부분이 있는지 확인해야 합니다.

Run for Finding Optimum Enthalpy Rise 실행이 완료되면, Heat Rate가 가장 낮은 Heat Balance Case를 최종 Run 값으로 보여줍니다.

 

1000MW Class 사이클 해석 예시

DESIGN 창의 "Start" 탭을 연 후, "Smart Run" 프레임의 "ENGSOFT List"에서 1000 MW Class를 선택한 다음, "Smart Run & Add to List" 단추를 클릭해서 Smart Run을 실행합니다.

 

"FW Heater" 탭을 선택해서 FW Heater 탭을 엽니다.   "Run for Optimum Enthalpy Run" 옵션 단추를 선택한 후, "Start", "End", "Step" 값을 입력하고, "Run" 단추를 클릭해서 실행을 합니다.   100 번의 실행을 해야 하므로, 시간 다소 소요됩니다.

실행이 완료되면, "Chart..." 단추와 "Text Output..." 단추를 클릭하면, 아래 설명에서 보여지는 그림과 문서 출력을 볼 수 있습니다.

 

위의 Smart Run에 의해 얻어진 Heat Balance의 설계 조건은 다음과 같습니다.

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터빈 입구 증기 압력 및 온도

: 246 bara, 600 oC (3500 psig, 1112 oF)

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재열 증기 압력 및 온도

: 46 bara, 600 oC (650 psig, 1112 oF)

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급수 가열기 수

: 8 (고압 터빈 추기 1, 저온 재열 증기 배관 추기 : 1, 중압 터빈 추기 1, 중압 터빈 출구 추기 : 1, 저압 터빈 추기 : 4)

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최종 급수 온도

: 295 oC

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보일러 급수 펌프 구동

: 증기 터빈 (중압 터빈 출구 증기 구동)

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열 소비율

: 7414.2 kJ/kWh

 

아래 그림에서 (A), (B), (C)로 표시된 부분은, 재열(Reheat) 터빈에서 고온의 증기를 추기하던 부분이, 저온 재열 배관(Cold Reheat Pipe) 추기의 저온 증기로 추기로 변경되면서, 추기 온도가 내려감에 따라 추기 유량이 증가하면서 열 소비율이 개선되는 효과가 나타나는 부분입니다.

ES_Rankine의 해석 결과에 따르면, 최종 급수 온도(FFWT)가 324.7 oC(포화 증기 압력 = 120 bara) 인 .Enthalpy Rise 84%에서 열 소비율이 최소가 됩니다.  

반면에 산업계에서 적용하고 있는 최종 급수 온도는 295 oC(포화 증기 압력 = 80 bara) 로서 Enthalpy Rise 74%에 해당하며, 그 들 둘 사이의 효율 차이는 0.13%입니다.

터빈 단(Stage)의 압력비가 최소 1.2 이상이라는 점과, 이 지점에서 온도를 높일 경우 얻는 열 소비율 증가 폭이 미미하다는 점을 고려해 볼 때, 산업계에서 적용하고 있는 최종 급수 온도 295 oC는 적정한 온도인 것으로 판단할 수 있습니다.

재열 재생 랭킨 사이클의 최종 급수 온도를 최적화할 때, 이러한 점에 유의하면 올바른 결과를 얻을 수 있을 것입니다.

 

< ES_Rankine의 Run for Finding Optimum Enthalpy Rise 그림 출력 >

< ES_Rankine의 Run for Finding Optimum Enthalpy Rise 텍스트 출력 >

 

 


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