용융탄산염연료전지와 터보팽창기를 이용한 천연가스 정압기지의 열역학적 분석

Abstract

일반적인 천연가스 정압기지에서는 압력제어밸브를 이용하여 고압으로 수송되는 천연가스를 감압하여 내보낸다. 이 과정에서 버려지는 폐압에너지는 터보팽창기를 도입하여 추가적인 전력생산이 가능하나 터보팽창기를 통과하는 유체에서는 감압에 의한 Joule Thompson 효과에 의하여 온도가 급격히 떨어져 파이프라인 외부에 동결을 일으키거나 파이프라인 내부에 메탄하이드레이트와 같은 고체 물질이 형성될 위험이 있다. 현재 터보팽창기를 채용한 천연가스 정압기지에서는 냉열발생에 따른 부작용을 방지하기 위하여 터보팽창기의 전단에 보일러를 설치하여 팽창 전 천연가스를 예열하고 있다. 용융탄산염연료전지와 같은 고온 연료전지는 천연가스를 연료로 사용할 수 있고 친환경적인 고온 배출가스를 방출하며 동시에 추가적인 전력을 생산하여 시스템의 효율을 높일 수 있다. 이 논문에서는 천연가스 정압기지에 용융탄산염연료전지와 터보팽창기를 설치하여 얻을 수 있는 열역학적 이득에 대해서 연구하였다. 연료전지를 기저부하로 사용함에 따라서 얻을 수 있는 이익에 대하여 분석하였다. In the natural gas pressure regulation station, high pressure natural gas is decompressing using pressure regulation valves. Waste pressure occurred in the pressure regulation process can be recovered through adopting turbo expanders. However, in the waste pressure recovery process, Joule Thompson effect causes below <TEX>$0^{\circ}C$</TEX> and this low temperature freezes outside land of pipeline or generates methane hydrate in the pipeline which can block the pipeline. Therefore, turbo expander systems are accompanying with a boiler for preheating natural gas. Molten carbonate fuel cell (MCFC), one of the high temperature fuel cell, can use natural gas as a direct fuel and is also exhausting low emission gas and generating electricity. In this paper, a thermodynamic analysis on the hybrid MCFC-turbo expander system is conducted. The fuel cell system is analyzed for the base load of the hybrid system.