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1. 들어가기

최근 국내의 에너지 환경 플랜트 산업의 수준이 과

거 선진국의 기술 모방 수준에서 벗어나면서 플랜

트 공정의 연구개발의 수요가 증가하고 있다. 또

한, 신재생 에너지 분야에 있어서 다양한 신기술들

이 소개되고 있고, 이 기술들의 현실성과 경제성을

평가해야 할 필요도 증가하고 있다. 최근까지, 많은

시뮬레이션 기술들이 국내에 적용되고 있으며, 특

히, CFD(Computational Fluid Dynamics)를 이용한

플랜트 요소 설비에 대한 해석사례들이 늘어가고

있지만, 플랜트 산업의 특성상 많은 요소 설비들이

함께 어우러져 종합적인 성능을 만들어내는 관계로

전체 공정에 대한 마스터 플랜(기본 계획)이 잘 잡

혀 있어야 각 요소설비들의 설계 수순으로 넘어갈

수 있다. 에너지 환경 플랜트에 대한 기본 계획에서

는 고려할 수 있는 다양한 공정에 대해 현실성과 성

능을 비교평가하는 과정이 매우 중요하며, 이 과정

에서 프로젝트의 성패가 대부분 결정된다.

본 기고에서는 에너지 환경 플랜트의 기본계획에

효과적으로 사용할 수 있으며, 다양한 가능성 있는

공정들을 비교평가하는데 유용하게 사용될 수 있는

Cycle-Tempo를 소개하고자 한다. Cycle-Tempo는

네덜란드 TU Delft에서 개발하였고, ASIMPTOTE

(www.asimptote.nl) 사에서 상용화하고 있는 정상

상태 에너지 환경 플랜트 전문 공정해석 프로그램

으로서 각종 발전, 환경 및 에너지 시스템을 구성요

소로 갖추고 있으며, 손쉬운 공정구성과 정확한 물

성치값을 최고의 장점으로 내세우고 있다. 이와 비

교되는 프로그램으로는 ASPEN Plus, PRO/II 등이

있는데, 차이점으로는 Cycle-Tempo는 발전 사이클

전문 프로그램이기에 발전 사이클 구성에 상당히

용이하며, 이미 내재되어 있는 각종 발전관련 설비

요소들을 손쉽게 운용할 수 있다는 장점을 갖는다.

반면, ASPEN Plus, PRO/II 등은 석유화학공정에 초

점이 맞추어진 프로그램이라서, 발전용으로 활용하

기에는 Cycle-Tempo에 비해 더욱 많은 노력이 필

요하다.

에너지 환경 플랜트의 공정해석 : Cycle-Tempo를 이용한 기본설계, 운전 및 설비개선

기술동향 2Technology / 기술충전

신동훈

국민대학교 기계공학과 신에너지연구실

13The Gas Safety Journal vol.292

2. Cycle-Tempo 소개

Cycle-Tempo는 에너지 변환시스템의 열역학적 해

석과 최적화를 위한 공정해석 프로그램이다. 이

것은 전통적인 발전시스템만이 아니라 태양광

Organic Rankine Cycle(ORC) 시스템, 삼중 발전 시

스템, 연료전지 시스템등 새로운 발전 시스템에 대

해서도 적합한 해석 결과물을 제공한다. 이 프로그

램은 수많은 학술저널 논문발표를 통해 그 정확도

가 검증되었고, 특히 ORC 시스템 설계와 최적화 그

리고 성능 검증에 탁월한 결과물을 보여주었다. 또

한, 이 프로그램은 엑서지(Exergy) 해석결과를 제

공하는 몇 안되는 소프트웨어 패키지로서 지난 10

년동안 주요 에너지 회사, 컨설팅 회사 그리고 연구

개발 기관들의 많은 사용자 그룹이 형성되었다.

2.1 Cycle-Tempo의 기능

Cycle-Tempo의 주요 기능은 시스템의 모든 관련

설비의 질량 및 에너지 흐름을 계산하는 것이다. 이

프로그램은 특히 아주 효율적이고 안전한 계산 방

법을 갖고 있기에 빠른 속도로 필요로 하는 데이터

를 높은 신뢰도 수준으로 제공한다. 추가적인 기능

으로는 시스템에 대한 좀더 세부적인 분석과 최적

화기능이다. 이와 같은 분석기능은 각 요소 설비에

서의 엑서지 흐름과 손실 해석결과를 제공한다. 즉,

이 프로그램은 시스템의 최적 구성을 위한 기초적

인 툴로 활용된다. 더욱이 여러 인자들을 동시에 최

적화할 수 있는 기능을 갖추고 있어서 시스템의 설

계 및 운전시 매우 유용하게 활용될 수 있다. 또한,

플랜트에서 실측되는 데이터 모니터링 시스템과 연

계하여 실시간 연동분석을 가능하게 하고, 문제해

결에 도움이 되는 자료를 제공한다.

<그림 1> Cycle-Tempo 실행화면

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Technology | 기술충전 | 기술동향 2

2.2 손쉬운 시스템 모델링

Cycle-Tempo는 밸브와 열교환기, 펌프, 압축기, 터

빈등의 요소로부터 사용자의 시스템을 빠르게 구성

할 수 있게 한다. 이러한 요소들은 파이프로 연결되

며, 각종 요소들의 모델은 전통적인 에너지 환경 플

랜트의 요소뿐만 아니라 최신의 혁신적 요소들인

연료전지, Carbon Capture Plant, ORC 터보발전기,

흡수식 냉장사이클 등까지도 용이하게 구성할 수

있다. 또한, 사용자의 고유 모델도 사용자 서브루틴

을 삽입하여 추가할 수 있기에 산업계에서 한번도

사용되지 않은 새로운 설비도 생성하여 활용할 수

있다.

이와 같이 제한이 없는 Cycle-Tempo 모델링의 유

연성은 이 프로그램이 다른 여느 공정해석 프로그

램과는 차별화되는 핵심이다. 그리고 같은 회사에

서 지원하는 물성치 프로그램인 FluidProp 소프트

웨어와 연계되어 전통적으로 널리 쓰이는 유체이던

지 새롭게 개발된 유체이던지 상관없이 넓은 범위

의 운전조건에 대한 적합한 작동유체 모델을 제공

한다.

2.3 다양한 응용분야

Cycle-Tempo는 스팀터빈 사이클, 가스터빈 사이

클, 복합화력 열병합발전 시스템, 연소 및 열전달

시스템, 석탄 및 바이오매스 가스화 열병합 사이클,

연료전지 시스템, 유기냉매 사이클, 냉장 사이클,

히트펌프 등의 열역학적 사이클 기반 에너지 시스

템 해석에 적합하게 개발되었다. 이 프로그램은 다

양한 하부요소들의 모델에 대한 많은 사례들과 더

불어, 여러 완성된 사이클 시스템에 대한 사례들을

제공하고 있기에, 사용자는 빠르게 이 사례들을 통

해 사용자 사이클 구성에 필요한 정보를 획득하여

연구개발 시간을 줄일 수 있다.

2.4 프로젝트 단계별 활용

Cycle-Tempo는 에너지 변환 시스템 개발 및 운영

의 모든 단계에서 활용할 수 있다. 초기의 개발단계

에서는 다양한 요소 기술들을 비교하여 선택할 수

있는 기능을 제공하며, 설계단계에서는 설계 핵심

포인트와 각 하부요소별 운전조건을 설정하고 시스

템 구성요소들의 최적화를 수행하며, 부분부하에서

의 최적화도 진행할 수 있다. 최종적으로 플랜트 운

전중에는 설계에서 벗어난 운전조건에서의 최적화

계획과 유지보수 계획을 수립할 수 있는데, 예를 들

면, 운전중 연료저감방안 등을 도출할 수 있다.

3. FluidProp 소개

FluidProp은 궁극의 열역학 물성치 라이브러리이

다. 막대한 종류의 유체들에 대해 넓은 영역의 열역

학적 모델을 포함하고 있으며 모든 조건과 응용대

상에 대해 정확하고 빠른 열역학 물성치를 제공한

다. 또한, 다양한 인터페이스는 사용자의 다양한 요

구사항에 부합하는데, 몇 번의 클릭만으로 사용자

의 환경에 맞는 열역학 물성치 계산을 시작할 수 있

다.

3.1 열역학 물성치의 표준적인 접근방법

FluidProp은 단순한 열역학 물성치 저장소를 넘어

서 다양한 열역학 모델로부터의 값들을 하나의 방

법으로 단순하게 계산하게 하는 장점을 가지고 있

다. FluidProp의 인터페이스는 손쉬운 모델 변경이

가능한데, 물성치를 부를 때 하나의 인자만 변경해

서 다양한 모델을 사용할 수 있다. 예를 들면 이상기

체 모델과 다항식 형태의 모델을 같은 함수에서 손

쉽게 바꿔서 값을 얻을 수 있다. 또한, FluidProp 인

터페이스는 편미분값을 제공하여 다양한 열역학 모

15The Gas Safety Journal vol.292

델에 대해 사용가능하다. 이러한 사용의 편리성으

로 인해 년간 1000회 이상의 다운로드가 발생하고

있음은 이 프로그램의 편리성을 입증하는 것이다.

3.2 모든 조건에서 정확도와 신뢰성 확보

에너지 공학 분야의 정보들로부터 FluidProp은 넓

은 범위의 온도와 압력조건에서 정확한 물성치를

제공하며, 특히 임계점 근처에서 타 코드들을 압도

하는 정확도를 보여준다. 현재 FluidProp에서 사용

가능한 모델들은 다음 표와 같다.

3.3 사용의 편리성

FluidProp은 사용이 편리한데, MS Excel, Open

Office Calc 등과 같은 오피스 프로그램에서도 플

러그인 타입으로 불러와서 사용할 수 있으며, MS

Windows는 물론 Linux 환경(32 bits, 64 bits 모

두)에서도 사용가능하다. COM 인터페이스를 이

용하여 다양한 수치해석 툴들과 연계가 가능한데,

Matlab/Simulink, Maple, Modelica와 더불어 대부

분의 일반적인 프로그램 언어들(Fortran, C, C++)에

서도 사용가능하다. CAPE-OPEN 인터페이스는 화

학공정 산업계에서 유용하게 사용할 수 있다.

<표 1> FluidProp의 물성치 모델

모델 이름 모델 설명

GasMix이상기체 모델로서, 각종 유체와 혼합물에 대해 빠른 결과를 제공한다. 그러나, 상변화등을 고려하지 못하는 등 이상기체 모델의 한계를 가진다.

IF97(Industrial

Formulation)Association for the Properties of Water and Steam(IAPWS)의 물과 스팀 물성치를 제공한다.

RefProp

National Institute of Standards and Technologies(NIST, USA)의 각종 냉매유체 및 혼합물의 물성치를 제공한다. 기준 상태식과 기술적 상태식을 제공하는데, 기준 상태식은 실험에 근거한 자료를 제공하여 정확하지만, 기술적 상태식은 다소 정확도가 떨어지긴 하여도, 대부분의 기술적 범위에서 상당히 만족스러운 결과를 제공한다. 혼합물의 물성치도 일반화 모델을 사용하는데, 혼합물은 기존의 순수 물질로부터 사용자가 구성할 수 있다.

StanMix

PRSV (Peng—Robinson equation of state for pure compounds and mixtures) 모델로서 비 이상기체 및 유체의 물성치 예측에 가장 정확한 모델이다. 특히 응축관련 물성치값에 대한 예측에 훌륭한 결과를 보여준다. 혼합물인 경우, Wong and Sandler 혼합식을 이용하는데, 이는 비이상기체 혼합물에 적합하다. 이 모델의 장점은 쉽게 사용자 정의 유체를 삽입할 수 있다는 것이다.

StanMix3 StanMix에 더해서 기-액 평형 계산과 임계점 혼합물의 직접적 계산 결과를 제공한다.

iPRSV PRSV에서 발생하는 인위적인 불연속성을 수정한 모델이다.

PC-SAFT

분자모델에 기초하는 Perturbed Chain SAFT 상태식으로서, 대형 분자, 폴리머 시스템과 같이 복잡한 유체의 기액 평형 상태값을 예측할 수 있는 모델이다. 그리고, 넓은 영역의 조건에 있는 혼합유체의 물성치를 예측하는데, 예를 들면 강한 극성을 가진 유체와 이온성유체+CO2 혼합물 등도 예측가능하다. 이론적 기초하에서 수립된 안정되고, 일관성이 있으며 예측성능이 우수한 모델로, 측정된 영역밖의 값을 외삽하여 얻어야 할 때 신뢰할 수 있는 값을 제공한다.

TPSIThermodynamic Properties in SI, Department of Mechanical Engineering, Stanford University, Stanford, CA, 1979

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Technology | 기술충전 | 기술동향 2

<그림 2> Case 1 : 가스화기와 SOFC로 구성된 공정

4. Cycle-Tempo를 이용한 공정 해석 사례

4.1 바이오매스 가스화 SOFC 복합 발전 공정의 최적

화

본 사례는 폐목재를 연료로 하는 미래지향적인 가

스화 SOFC 복합화력발전소를 개발하는 초기단계에

서 Cycle-Tempo를 사용하여 고려할 수 있는 다양

한 시스템 구성에 대해 성능을 예측한 것이다. 그림

2에서부터 그림 5까지는 다음의 네가지 공정 구성

에 대해 Cycle-Tempo로 예측한 결과를 보여준다.

●Case 1: 가스화기 + SOFC

●Case 2: 가스화기 + SOFC + 가스터빈

●Case 3: 가스화기 + SOFC + 스팀터빈

●Case 4: 가스화기 + SOFC + 가스터빈 + 스팀터빈

Cycle-Tempo를 이용하여 각 사이클을 구성한 이

후에 다양한 변수들의 성능(발전효율)에 미치는 영

향력을 평가할 수 있다. 다양한 변수들 중에서도

Steam/Fuel Ratio(SFR)와 Oxygen/Fuel Ratio(OFR)

가 가장 영향력이 큰 것을 확인할 수 있었는데, 그

림 6은 각 공정 구성별 SFR와 OFR의 발전효율에

미치는 영향력을 요약하여 도시한 것이다. Case 1

의 가스화기와 SOFC만 구성한 경우에는 발전 효율

이 40%대에 머물렀지만, Case 2에서 가스터빈을 후

단에 붙이는 경우에는 효율이 50%대까지 상승하

여 10%정도의 효율 향상을 확인할 수 있었다. 또한,

SFR가 커질수록 효율이 증가하는데, 이는 SFR가 높

을수록 가스유량이 커지며 이는 가스터빈 출력을

높이는 효과를 주기 때문이다. 한편, 가스터빈 대신

스팀터빈을 연결하는 Case 3의 경우는 SFR가 커질

17The Gas Safety Journal vol.292

<그림 3> Case 2 : 가스화기 + SOFC + 가스터빈

<그림 4> Case 3 : 가스화기 + SOFC + 스팀터빈

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Technology | 기술충전 | 기술동향 2

수록 효율이 급감하는 것을 알 수 있는데, 이는 배

기가스에 포함된 스팀 유량의 과다로 인해 발생하

는 것으로 나타났다. 배출되는 스팀유량이 많을수

록 배가스의 현열(열손실)이 높아져서 발생하는 현

상이다. 가스터빈과 스팀터빈을 모두 연결한 Case

4는 가장 높은 효율을 보이나 스팀터빈의 영향으로

SFR가 커질수록 효율이 감소하지만, 가스터빈에 의

한 효율 향상효과가 있어서 Case 3보다는 기울기가

작은 것을 알 수 있다. 이러한 다양한 공정에 대해

성능예측을 수행하고, 또한, 각 설비별 용량에 따른

제작비용 등을 산출하면, 공정의 경제성 분석까지

가능하다.

4.2 ORC를 이용한 폐기물 발전시스템의 성능향상 검

토

본 사례는 기존의 폐기물 발전시스템에서 배가스의

현열을 이용하여 ORC 시스템을 운영하는 경우 발

생하는 발전효율 향상에 대한 연구를 수행한 것이

다. 그림 7은 기본 폐기물 발전 시스템으로서, 과열

증기 40기압, 400℃를 생산하여 증기터빈을 운영하

<그림 5> Case 4 : 가스화기 + SOFC + 가스터빈 + 스팀터빈

19The Gas Safety Journal vol.292

는 시스템이고, 시스템효율이 19%정도에 머무르고

있다. 이때 스팀사이클은 배관에서의 열손실과 압

력손실을 고려하지 않은 이상적인 조건이고, 실제

조건을 모사하게 되면 그 효율은 더욱 떨어지게 된

다. 그림 8은 유인송풍기(IDF) 전단에 ORC 사이클

을 위치하게 한 사례로서 ORC 터빈과 배가스의 냉

각 및 응축수분 분리기, 펌프와 응축기로 구성되어

있다. 160℃로 배출되는 배가스의 현열을 이용하는

사이클인 관계로 큰 에너지 생산을 기대할 수는 없

지만, 표 2에 나타난 바와 같이 다양한 냉매에 대하

여 시뮬레이션한 결과 배가스 온도를 20℃까지 냉

각시키는 경우 최대 21%까지 효율을 증대시킬 수

있는 것으로 나타났다. 또한, 냉매는 R141b가 가장

높은 효율을 보이는데, 효율은 냉매의 응축곡선과

작동조건에 영향을 받는다. 이러한 공정의 변화에

대한 시뮬레이션은 사용자가 갖고 있는 다양한 아

이디어에 대해 예측할 수 있는 효과적인 도구를 제

공하므로, 실제 적용이전에 다양한 아이디어를 실

행해보고 아이디어의 현실성을 판단하는데 유용하

게 활용된다.

<그림 6> Case별 SFR와 OFR의 영향

[Case 1] [Case 2]

[Case 3] [Case 4]

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Technology | 기술충전 | 기술동향 2

<표 2> 냉매종류 및 배가스 출구 온도에 따른 전체 발전효율

Working

Fluid

Optimum

pressure

(bar)

Additional power

Production

off-gas : 60℃

(kW)

Net

Efficiency

off-gas : 60℃

(%)

Net

Efficiency

off-gas : 40℃

(%)

Net

Efficiency

off-gas : 20℃

(%)

R141b 10.33 141.92 20.147 20.346 21.064

R113 6.825 137.58 20.130 20.325 21.028

R152a 41.72 136.22 19.761 19.887 20.350

R236ea 23.65 130.91 20.001 20.171 20.781

R600a 28.25 136.45 19.929 20.086 20.651

i-C5 10.86 133.46 20.080 20.265 20.935

<그림 7> 폐기물 발전 플랜트 공정해석

21The Gas Safety Journal vol.292

5. 결언

새로운 에너지 환경 플랜트를 개발한다는 것은 많

은 재원과 시간이 소요된다. 최근까지 이십여년간

다양한 에너지 환경 플랜트를 개발하는 과제에 참

여해온 필자는 Cycle-Tempo와 같은 공정해석프로

그램의 필요성을 절실히 느껴왔으며, 여러 프로그

램을 자체 개발해 왔었다. In-house 코드의 장점이

분명히 있으나 손쉬우면서도 신뢰할 만한 상용 코

드가 있다면 충분히 플랜트의 개발시간을 단축시킬

수 있으며, Trial & Error를 줄일 수 있기에 적극적으

로 활용을 추천하는 바이다. 그러나, Cycle-Tempo

는 사용자 대화창(변수 입력창)이 난해하게 되어 있

어서 새로 접하는 사용자는 많은 혼란을 겪게 된다.

소프트웨어에 적응하기까지 상당한 노력과 시간이

필요한데, 이것은 현재 Cycle-Tempo가 당면한 문

제점으로서, 활발한 상용화에 걸림돌이 되고 있다.

필자는 이에 대해 ASIMPTOTE사와 밀접한 논의를

하고 있으며, 장기적으로는 필자가 Cycle-Tempo

버전업에 참여하여 사용하기 쉬운 사용자환경을 개

발할 계획이지만, 현재 상황에서는 이를 보완하기

위한 교육 프로그램을 국민대에서 방학 중에 정기

적으로 개최할 예정이다.

<그림 8> 폐기물 발전 플랜트에 ORC 추가 공정해석