[발송배전기술사 실전문제해설] [문제33] ＬＮＧ 냉열발전기술에 관하여 설명하시오.

이미지출처 : 뉴스핌

 

Reference :  신들의 정원 – 강화풀밭농원 (최진만 기술사)

 

 

[문제33]  ＬＮＧ 냉열발전기술에 관하여 설명하시오. 

 

1.개    요

 

LNG는 산지의 천연가스를 수송 및 저장하기 쉽도록 액화(-160℃)한 것으로 kg당 200kcal의 냉열에너지를 보유하고 있다. 그러나 LNG를 일반연료로 공급하기 위하여 인수기지에서 다시 기화시키는 과정에 냉열에너지가 무효하게 해수중으로 버려지게 된다. 따라서 이 냉열에너지를 발전에 효과적으로 이용하기 위한 기술이 LNG냉열 발전기술이다.

 

2.LNG 냉열발전의 원리

 

LNG 냉열발전의 기본 동작원리는 기존 화력발전의 랭킨사이클과 같으나 이용온도의 범위와 열전달 매체 등이 다를 뿐이다.

LNG 냉열발전은 액화 천연가스를 기화시키는 과정에서 기본순환과정의 열매를 응축 시키고 해수에 의한 열흡수를 이용하여 열매가 팽창하면서 터어빈 발전기를 회전시키는 원리다. 즉 응축과정에서 LNG냉열을 이용하고 증발과정은 해수의 열원을 이용하는 것이다. 순환열매체로는 상온에서 기화하고 0℃이하에서 응축하는 프로판,프레온등의 물질을 사용한다.

해수를 열원으로하는 냉열발전의 경우 LNG가 가진 냉열 약 200kcal/kg의 20～30% 즉 40～60kcal/kg을 전기에너지로 회수할 수 있다. 이는 LNG 1Ton당 30～70kWh의 발전이 가능하다는 것이다.

 

3.LNG 냉열발전의 종류

 

냉열발전방식은 크게 나누어 스팀터빈발전과 같이 氣相,液相의 상변화를 수반하는 RankineCycle과 가스발전방식과 같이 열매체가 기체인 상변화를 수반하지 않는 Brayton Cycle 방식이 있다.  

 

Rankine Cycle	LNG Direct Expansion Process
	Intermedia Working Fluid Rankine Cycle
	Combined Process Of The Two Above Methods
Brayton Cycle	Closed Brayton Cycle Process
	Open Brayton Cycle Process

 

 

 3-1.LNG 직접팽창 사이클

LNG를 직접사이클의 매체로서 이용하는 방법이다. 가압된 LNG를 해수로 기화시킨후 터어빈에서 팽창시켜 전력을 얻고 팽창한 천연가스를 가열기로 일정온도로 조정한후 도시가스로 송출한다. 특징으로 설비는 간단하나,도시가스의 송출압력이 높을 경우 발전에 이용할수 있는 압력차가 적어지므로 적용할 수 없는 단점이 있다.

 

 

 

 3-2.랭킨사이클

 

 

 

    과정ⓐ : LNG의 냉열을 흡수하여 프로판이 액화 된다.

             일반화력의 복수기와 같은 역할을 한다.

    과정ⓑ : 해수의 열을 이용하여 액체 프로판을 가스화 한다.

             일반 화력의 보일러와 같다.

 

       3-3.랭킨사이클과 LNG직접 팽창 사이클의 복합방식

본 방식은 상기 두방식을 조합시킨 것으로 중간 열매체의 응축기와 LNG기화기를 1대의 열교환기로 사용하여 설비비를 절약할수 있는 동시에 출력을 증대시킬수 있다.

 

     [ 설비 구성도]

 

 

 

          3-4. 브레이튼(Brayton)사이클

Brayton Cycle방식은 작동매체를 다른 기체로 사용하고 연소열을 고온원, LNG를 저온원으로 이용하는 방법이다. 작동유체로는 안전성을 확보하기 위하여 불활성 가스인 질소를 사용한다. 터빈을 나온 질소가스는 열교환기에서 냉각되고 LNG로 -123℃까지 냉각된후 압축기에서 압축시켜 열교환기와 가스가열기에서 720℃까지 가열시켜 터빈을 통과한다.

질소가스를 사용하는 경우 BASE 압력을 적정치로 조정하여 출력에 비하여 소형화 할수 있으며 부분부하에서도 압력조절이 가능하여 효율적인 운전이 가능하다. 특징으로는 사이클이 간단하고,열효율이 높다.

발전시스템의 정지시 기화능력이 전혀 없으므로 별도의 기화기를 설치해야 하는 결점이 있다.

 

4.LNG냉열발전의 특징

 

  - LNG냉열발전의 정지시에도 LNG기화능력이 있어 가스를 송출할수 있다.

  - 별도의 연료를 사용하지 않는다.

  - 발전출력의 조정은 LNG유량 즉 LNG기화시의 흡수열량으로 조정한다.

  - LNG냉열발전에 사용되는 해수는 온도가 높을수록 좋은출력을 얻는다.

  - 화력발전의 온배수영향을 줄일수 있다.

  - 보유에너지의 유효활용으로 에너지 연료원의 수입을 줄일수 있다.

  - 복합화력으로 운영시 높은 효율을 얻을 수 있다.

  - 무공해,CLEAN에너지이다.

 

5.향후전망

 

LNG냉열발전의 실용화는 경제성면에서 사업의 타당성이 인정되고 있으며 발전원가는 기존화력과 비교하여 약간 높은편이나 실용화 단계에서 점차 개선될 전망이다. 또한 국내 기술주도로 건설이 가능한 것으로 평가되고 있으며 특히 LNG냉열을 직접발전에 활용하는 이외에 냉각분쇄,냉동 등의 타 산업시설과 병행하여 활용하는 방향으로 전망이 매우 밝다.