복합발전 개요

Ⅰ. 가스터빈 일반

 

 1. 가스터빈 개요

 

  가. 열기관

  - 외연기관 : 보일러 또는 가열기의 전열면을 통해서 가열된 작동유체(물 또는 기체)에 의해 동력을 일으키도록 하는 열기관 (증기 기관, 증기 터빈)

  - 내연기관 : 연료를 연소시켜서 생긴 연소가스 그 자체가 직접 피스톤 또는 터빈블레이드 등에 작용하여 연료가 가지고 있는 열에너지를 기계적인 일로 바꾸는 기관 (피스톤, 터빈, 제트, 로켓 기관)

 

 나. 가스터빈 개요

  - 가스터빈 : 연료를 연소시켜서 생긴 고온고압의 연소가스를 터빈에서 팽창시켜 연료가 가지고 있는 열에너지를 기계적인 일로 바꾸는 회전형 열기관

 

2. 가스터빈 변천사

  가. 가스터빈 역사

  : 최초의 가스터빈 특허권은 1791년 "John Barber"라는 영국인이 가져갔다. 그는 석탄가스를 이용한 가스터빈을 고안하였는데 현대 가스터빈에도 사용되는 부품들이 사용되기도 했다.

  : 1930년 영구의 "Sir Frank Whittle"은 제트항공 엔진을 설계하여 '항공기용 등압연소 가스터빈 제트추진'에 관한 특허를 얻었다. 1937년에는 휘틀이 파워젯사에서 제트엔진 시험제작 및 최초 시운전에 성공했으며 1935년 일본에서 자신이 직접 설계한 터보제트 엔진의 시험비행에 성공했다. 1949년 GE사는 휘틀의 설계를 토대로 발전용 가스터빈을 최초로 개발, 생산하게 된다.

 

  나. 가스터빈 개량

  : 초기 산업용 가스터빈은 항공기엔진을 발전용으로 개량한 모델이었으며 가스터빈을 이용한 발전설비 시장이 점차 증가하면서 발전전용의 가스터빈으로 대체되었다.

  : 현재의 가스터빈은 General Electric, Siemens, Alstom 사를 중심으로 설계, 제작, 설치가 이루어지공 ㅣㅆ으며 가스터빈을 이용한 복합발전 설비는 초기 유니트(unit) 개념에서 블록(block) 개념으로 변화하면서 시설용량 2,00MW을 상회하는 대용량 설비로 발전하였다.

  : 현재 사우디아라비아, 이란 등과 같은 원유 생산국을 중심으로 가스터빈 발전설비가 빠르게 증가하고 있는데, 이는 연료의 조달이 용이하고 상대적으로 가스터빈 연료비가 낮아 경제성을 확보할 수 있기 때문이며, 사막기후 조건에서도 냉각수 문제를 공기냉각식 복수기를 통하여 해결할 수 있기 때문이다. 현재에는 초소형 가스터빈을 이용한 하나의 기술이 개발되고 있는 추세이다.

 

 3. 가스터빈 기본구성 및 작동원리

 

  가. 가스터빈 기본구성

  : 가스터빈의 기본 구성은 공기흡입계통, 압축기, 연소기, 터빈, 배기계통으로 이루어져 있다. 공기흡입계통은 대기로부터 공기를 흡입하여 압축기로 보내는 부분이며, 압축기는 흡인된 공기를 압축시키는 역할을 하며, 필터와 연소기에서는 압축기로부터 유입된 압축공기에 연료를 분사해 연소시켜 높은 에너지의 연소가스를 만들며 온도는 압축기, 연소기 및 터빈 부품이 견딜 수 있는 내열한도까지 연소가스 온도를 높이게 된다. 터빈에서는 연소기에서 나온 고온, 고압의 연소가스가 팽창하면서 터빈 회전날개에 충동, 반동력을 주어 회전력으로 변환하는데 터빈에서 얻은 기계적 에너지는 압축기에서 공기를 압축하는데 필요한 에너지로 공급되며 나머지는 발전기를 구동하는데 이용되어 전력을 생산한다. 배기계통은 터빈을 돌리고 나온 배기가스를 배열회수보일러 또는 굴뚝으로 보내는 부분이다.

 

  나. 가스터빈 작동원리

  : 가스터빈 기동시 기동용 모터를 정지된 축을 먼저 돌려준다. 그럼 공기가 공기흡입구를 통해 들어오고 바람개비처럼 생긴 공기압축기를 통해 공기가 압축되는데 압축된 공기는 연소기로 들어가게 되고 연소기에서 연료가 분사되면서 불꽃도 같이 튀어 연소가 이루어지게 된다. 그리고 연소가 이루어지면서 급격히 팽창한 가스는 가스터빈을 때리면서 회전력을 주고 난 후 배기구로 나가게 되고 가스터빈과 같은 축으로 연결된 발전기에서는 전기에너지를 생산하게 된다.

 

 4. 가스터빈 발전의 특징

 

  가. 가스터빈 열역학적 사이클

  : 가스터빈 엔진은 주요구성 부품에 왕복운동이 없기 때문에 피스톤-실린더와 같은 상호 마찰부분이 없어서 윤활유의 소비가 극히 적으며 왕복운동 기계와는 다르게 진동이 대폭 감소되고 고속운동이 가능하다.

  그리고 회전운동과 압축성 가스에 의해서 움직이기 때문에 형태가 원주형으로 제작이 가능하고 원주운동에 필요한 거리가 필요없기 때문에 크기가 줄어든다.

  또한 가스터빈은 압축된 가스의 팽창에 의해서 작동하기 때문에 부하의 변화에 대한 반응이 빠르다. 이러한 장점 때문에 가스터빈 엔진은 항공기의 동력기관으로 아주 적합하며 선박용 엔진과 산업용으로 사용되고 있다.

 

  나. 가스터빈 장단점

 

  1) 장점

    - 기동이 빠르고 부하변화에 속응성이 뛰어남

    - 가스터빈 설치가 쉽고 건설기간이 짧고, 송전손실이 적음

    - 건설단가가 원자력이나 유연탄화력 등 타 발전설비보다 저렴함

    - 운전조작, 정비가 용이하고 무인운전

    - 고수준의 운용기술이 필요하지 않아 무인운전이 가능

 

   2) 단점

    - 타 발전설비에 비해 연료비가 높음

    - 타 발전설비에 비해 정비비가 많음

    - 소음방지 설비가 필요

    -공해물질 배출억제가 필요

 

 5. 가스터빈 종류

 

  가. 개요

  : 1970년 중반까지는 발전용 가스터빈은 영국이나 미국을 중심으로 첨두부하나 비상용으로만 사용되어 왔으나 최근 들어 가스터빈을 이용한 발전설비는 기술의 발전과 더불어 그 사용이 비약적으로 발전하고 있다. 초기 산업용 가스터빈의 대부분은 항공기엔진을 발전용으로 개량한 모델이었다. 가스터빈을 이용한 발전설비 시장이 점차 증가하면서 항공용 엔진을 개량한 발전설비에서 발전전용의 가스터빈으로 대체되었다. 21세기에 접어들면서 초소형 가스터빈을 이용한 또 하나의 기술이 개발되고 있다. 일명 마이크로 가스터빈(micro-gas turbine)으로 캐비닛에 내장된 가스터빈을 이용하여 100kW, 또는 100kW 이하의 열병합 발전설비를 구성하여 쇼핑센터나 소형 슈퍼마켓 등에 설치하고 건물난방과 공조설비, 온수공급 등을 실시하는 기술이다. 단순 개방형 가스터빈을 용도별로 구분하면 아래와 같이 분류할 수 있다.

 

  나. 용도별 분류

 

   1) 발전용 가스터빈 (heavy duty gas turbine)

  : 발전용 가스터빈은 단순 사이클로 주로 구성하며 설비용량 3MW ~ 480MW, 열효율 30~35% 정도를 갖는다. 발전용 가스터빈은 세계 2차대전 후 1950년대 증기터빈 설계기술을 확대 적용하여 최초로 소개되었다. 발전용 가스터빈의 일반적 기술사항은 가스터빈 입구온도가 높을수록 효율이 상승하는데 1,300℃ 급의 가스터빈 열효율은 33% 정도다. 최근 발전전용 가스터빈의 연소온도 1,500℃, 열효율 35%이며 복합열효율 60% 까지 향상되었다. 또한, 가스터빈 입구온도를 상승시키기 위해 터빈 회전익의 냉각방법을 공기냉각에서 증기냉각으로 개선하여 금속온도를 낮추고 있다.

  발전전용의 가스터빈의 가장 큰 특징은 긴 수명, 높은 신뢰성 및 출력변화의 유용성, 높은 열효율과 항공용 엔진보다 적은 소음 등이다.

 

   2) 항공기 엔진에서 진화한 가스터빈

   : 항공기엔진에서 발전된 가스터빈은 주로 항공기 엔진을 개량한 형식의 가스터빈으로 설비용량 2.5MW ~ 50MW, 열효율 35~45% 정도를 갖는다. 항공용 엔진으로 부터 유래된 가스터빈은 가스밸생기와 동력터빈으로 두가지 구성품으로 이루어져 있다. 즉, 가스발생기는 항공용 엔진에서 연료를 연소함으로서 가스에너지 또는 가스 축동력을 발생한다. 최근 이런 가스터빈도 지상에 설치함으로서 설계혁신을 통하여 긴 수명과 높은 열효율을 얻을 수 있게 개량되어 발전하고 있다.

  항공용 엔진을 개량한 가스터빈은 주로 발전 또는 석유화학 공업용으로 사용하며 발전용으로 사용할 경우 100MW 이하의 설비로 복합 발전설비를 구성하고 특별히 원격운전을 하는 경우도 있다.

 

   3) 산업용 가스터빈 (industrial gas turbine)

   : 산업용 가스터빈은 주로 석유화학 플랜트에 광범위하게 사용하며 설비용량 2.5MW ~15MW, 열효율 30% 이하로 외관상 특징은 발전용 가스터빈 보다는 케이싱 두께가 얇고 항공용 가스터빈 보다는 두껍다. 산업용 가스터빈은 발전용 가스터빈과 설계 및 제작이 유사하나 주로 부분부하에서 높은 효율이 나오도록 축을 분리한다. 열효율은 최대속도에서 동력터빈이 운전될 때 가스 발생기 최대효율을 낼 수 있도록 설계한다. 압축기는 보통 10~16단의 저소음 축류형 압축기를 사용하며 압력비는 약 5:1~15:1 정도를 갖는다.

 

   4) 소형 가스터빈 (small gas turbine)

   ; 5MW 이하의 가스터빈을 소형 가스터빈이라 하며 세계적으로 많은 업체에서 소형 가스터빈을 생산하고 있다. 소형 가스터빈은 크기가 작아 소규모의 발전설비뿐만 아니라 펌프, 압축기 또는 각종 기계장치들을 구동하기 위한 동력원으로도 사용한다.

  연소기의 연소온도는 982℃ 정도로 낮은 편이나, 대부분의 소형 가스터빈은 터빈 블레이드에 냉각을 실시하지 않기 때문에 연소온도를 제한해야만 한다. 따라서 단순 사이클 열효율은 대형 발전설비보다 낮은 18~23% 정도이다.

  1단으로 구성된 원심형 터빈 및 압축기를 구비한 소형가스 터빈의 경우 압축기 압력비는 약 6:1 정도이다.

 

   5) 초소형 가스터빈 (micro gas turbine)

   : 설비용량 20kW ~ 350kW급의 초소형 가스터빈으로 1990년대 이후 발전설비 시장에서 급격한 발전을 있으며 대부분 디젤연료나 천연가스를 사용하여 동력을 발생하는 방식이다.

  초소형 가스터빈의 가장 중요한 설계조건은, 크기를 최소화하여 제작 및 설치 가스터빈 입구계통의 구성은 입구필터, 입구덕트, 입구 플래넘으로 구성되며 입구덕트 내에는 입구가열매니폴드, 소음장치, 천이부, 트래쉬 스크린이 설치된다. 비를 적게하는 것과 높은 열효율 및 저소음의 실현, 신속한 기동과 최소의 배출가스 발생이며, 이런 조건을 만족해야만 소형의 기저부하 발전설비나 열병합 발전설비로 설치할 수 있다. 마이크로 가스터빈은 높은 열효율을 얻기 위하여 재생기나 냉각기 등을 설치하여 매우 높은 열효율을 얻을 수 있다.

 

 6. 입구공기 계통 및 압축기 형식

 

  가. 입구공기 계통

  : 입구공기계통은 가스터빈 성능을 저하시킬 수 있는 오염물질의 침입을 방지하고 가스터빈의 압축기의 침식, 부식, 오염, 막힘으로 인하여 수명의 저하를 방지하는데 필요하다. 가스터빈 기술이 선진화하고 입구온도가 높아질수록 공기여과의 중요성이 커지고 있어 필터 설치는 필수사항이다.

 

  1) 입구공기 계통 구성요소

 

   가) 입구필터 (fliter compartment)

     : 입구필터는 자체정화 필터로써 다수의 여과 필터가 그림과 같이 설치되어 필터에 오염물질이 축적되어 필터 내부와 외부의 차압이 증가하면 필터내부에서 압축공기를 분사시켜 공기를 순간적으로 역류시켜 축적된 먼지를 제거하는 필터이다.   

 

   나) 입구덕트

     - 입구가열 매니폴트 (inlet heating manifold)

     - 소음장치 (silence)

     - 천이부분 (transition piece)

     - 트래쉬 스크린 (trash screen)

 

     : 공기덕트는 필터에서 정화된 공기를 압축기까지 유도하는 공기 통로이며 내부에는 입구가열 매니폴드, 소음장치, 동결방치가 덕트의 수평부분에 수직으로 설치한다.

     : 동결방지장치는 동절기 입구공기계통 (소음기, 압축기 입구 벨마우스, IGV 등)에 결빙을 방지하기 위해 고온의 압축공기를 추기 파이프에 설치된 차단밸브를 통해 입구덕트 매니폴드에 유입시켜 분배노즐을 통해 전체 단면을 가로질러 분사하여 가스터빈 입구계통 결빙을 방지한다.

     : 소음기는 고속으로 흡입되는 공기의 진동 및 맥동을 흡수하는 역할을 하며 하절기 대기온도 상승으로 인해 가스터빈 효율이 저하되는 것을 방지하기 위해 냉각설비를 설치하여 입구공기를 냉각하기도 한다.

 

   다) 입구 플래넘 (inlet plenum)

 

 나. 공기압축기

 

  1) 압축기 개요

  : 터빈로터와 동일 축에 직결된 압축기는 연소에 필요한 공기를 가압하여 연소기에 공급하는 역할을 한다. 압축기의 1차 목적은 흡입구로 들어오는 공기의 압력을 증가시켜 적당한 속도, 온도 및 압력의 공기를 연소실로 보내는 것이고 2차 목적은 압축기 중간 단 또는 압축기 출구의 압축공기를 이용하여 고온부의 냉각, 밀봉, 서지 및 흡입구 결빙을 방지한다.

  : 압축공기의 압력비(pressure ratio)는 낮게는 3에서 높게는 30정도에 이르는데, 압축기 구동력은 발전기 출력에 비하여 크므로 압축기 효율을 높이는 것이 중요하다.

 

   2) 압축기 필요조건

  : 가스터빈 압축기가 갖추어야할 조건은 대량의 공기를 손실없이 처리할 수 있어야 하고 적은 단수로도 높은 압력비를 얻을 수 있어야 하며 효율이 높아야 한다. 또한 안정작동범위가 크고 견고해서 이물질의 충격에 강해야 하며 제작이 용이해야 한다.

 

  3) 압축기 종류 및 특징

 

   가) 개요

      : 가스터빈에 사용되는 회전식 압축기는 원심형과 축류형 두가지 형식이 사용되고 있으나 최근 대부분의 가스터빈에는 성능 면에서 앞서는 축류형이 대부분 사용된다. 가스터빈 개발초기에는 원심압축기를 중점적으로 사용되었으나 원심압축기가 축류형 압축기에 비해 성능이 떨어지기 때문에 점차 감소하여 현재는 소형엔진 및 왕복기관에 주로 사용되고 있다. 발전용 가스터빈은 회전속도가 높고 많은 양의 공기를 필요로 하기 때문에 대부분 축류 압축기를 사용한다.

 

   나) 종류

 

     ① 원심형 압축기

       : 원심형 압축기는 회전부분인 임펠러와 고정부인 디퓨져로 구성되며 압축기를 회전시키는 축동력, 즉, 기계적 에너지는 임펠러를 통하여 속도에너지를 작동유체에 전달하고 속도에너지는 디퓨져를 통과하면서 압력에너지로 변환하여 매니폴드를 통해 각 연소기에 연소용 공기를 공급한다. 원심 압축기의 특징으로는 1개 단당 압력비가 4~5정도로 높고 넓은 범위의 회전수에서 효율이 좋으며 제작이 간단하여 가격이 저렴하고 중량이 가벼워 시동동력이 적으므로 소형가스터빈에 많이 사용된다.

 

     ② 축류형 압축기

       : 축류형 압축기는 고정날개가 압축기 케이싱의 내면에 고정되어 있는데, 여러 개의 고정날개가 하나의 날개 열을 만들고 이 날개 열이 회전날개 사이에서 축방향으로 배치되어 있다. 회전날개 열과 고정날개 열 한쌍을 압축기 단(stage)이라 하며, 압축기를 높이기 위해서는 단을 늘려야 하지만 로터 베어링이 길어져 단수에 제한을 받기 때문에 압축기의 고효율 설계시 제약사항이 된다.

  압축기 입구에 설치된 날개를 입구안내 날개(inlet guide vane)라 하는데 이 안내낼개의 각도를 조정하여 공기압축기로 유입되는 공기유량을 조절함으로서 기동*정지시 서지현상(맥동)을 방지하고 운전 중에는 거스터빈 배기가스의 온도를 조절함으로서 복합발전소의 저부하 운전 시 열효율 저하를 방지할 수 있다.

  축류 압축기 단당 압력비가 1.1 정도로 작기 때문에 전체 압력비를 높이기 위해서는 단수를 늘려야 하므로 일반적으로 10~20단이 많이 이용된다. 압축되는 공기 중의 일부는 터빈의 냉각, 밀봉 및 서징(surging) 방지를 위하여 중간 단에서 추기된다.

 

  4) 압축기 세정(수세)

  : 가스터빈 입구온도의 증가와 압축기에 대한 기술이 발전되어 압축비가 높아짐에 따라 발전용 가스터빈은 오염에 더 민감해지고 있다. 또한 효율적인 운전에 대한 필요성으로 인해 압축기 오염의 조기 검출과 이에 대한 세정이 필요한 실정이다. 오염은 가스터빈에서 성능과 효율 저하의 중요한 요인이며 오염으로 인해 70~80% 정도 성능에 나쁜 영향을 받는 것으로 밝혀졌고 출력 저하는 2%(상태가 좋을 때) 또는 13~20%(상태가 나쁠 때) 정도에 이르고 있다.

 

  가) 압축기 오염에 따른 문제점

     : 터빈에서 발생된 전체 일의 60~65% 정도가 압축기 구동동력으로 사용되기 때문에 압축기 효율은 계통 전체의 열효율에 절대적인 영향을 끼친다.

 

  나) 압축기 오염 발생원인

     : 흡입 공기 중의 오염물질은 대부분 입구 여과장치에 의해 압축기로 들어가기전에 제거되지만 아주 미세한 것들은 여과기를 통과하여 압축기를 오염시킨다. 오염의 형태와 형성 속도는 가스터빈이 운전되고 있는 환경과 입구 여과장치에 영향을 많이 받는다.

 

* 압축기 오염원인 : 대기 중의 염분, 비회, 탄화수소, 매연, 배기가스, 무기물, 석탄, 먼지 등

 

  다) 압축기 세척주기 결정방법

  : 세척 주기는 압축기를 오염시키고 성능을 저하시키는 대기오염 물질의 종류와 오염 정도에 따라 달라진다. 압축기의 오염 정도를 파악하는 방법으로는 육안 검사법이 있다. 이 방법은 압축기의 오염 정도를 조사하는데 가장 편리한 방법이다.

 

  라) 압축기 세정방법

  : 가스터빈의 운전 성능과 기준 성능을 비교 후 실시하는 방법으로 가스터빈의 성능을 감지하기 위한 기준 데이터는 기저부하로 가스터빈을 운전하여 출력, 배기가스 온도, 입구공기 온도, 대기압, 압축기 출구압력 및 온도, 연료소비 등을 측정함으로써 얻을 수 있다. 만일 성능 분석이 압축기 오염을 나타낸다면 육안 검사를 실시하여 오염 정도를 직접 확인하는 것이 바람직하다.

 

  ① 건식 세정법

  : 건식 세정은 건성 오염물질을 제거하기 위한 방법이다. 압축기가 정격속도 운전 중, 마모 물질을 압축기 입구에 넣어 마모 물질의 침식 작용에 의해 세척한다. 단, 방식제로 코팅된 날개는 건식세정을 해서는 안 된다.

 

* 건식 세척제 구비조건

  - 대략 1~3mm 정도의 작은 조건으로 된 견과 껍질, 호도껍질, 살구씨 껍질 또는 쌀 등을 사용한다.

  - 냉각 공기덕트의 막힘을 방지하기 위해 300℃ 정도에서 대부분 연소되어 재가 되는 것이 좋다. 세척 효과를 알기 위해서는 부하를 20% 정도에 고정해 놓고 배기가스 온도와 압축기 출구 압력을 관찰한다.

  - 만일 청소가 효과적이면 배기가스 온도는 떨어지고 압축기 출구압력은 증가한다. 건식 세척은 운전 중 언제든지 세척이 가능하다.

 

  ② 습식 세정법

  : 습식 세정은 일반적으로 유성 부착물을 제거하기 위해 실시한다.

 

* 습식 세척제 구비조건

  - 건성 오염의 경우도 습식 세정을 먼저 실시하고 고체 컴파운드로 마무리 청소를 실시하면 더욱 효과적이다.

  - 습식 세정은 압축기를 부분 속도로 운전하면서 세제가 섞인 물을 주입하여 세척한다.

  - 습식 세정 시는 가스터빈 내부 부품의 열응력을 줄이기 위해 내부 온도가 세정에 적절한 온도까지 떨어진 후 실시해야 한다.

  - 세정용수와 터빈 단락 간 공간온도의 차는 49℃(120Ｆ)를 초과해서는 안된다.

 

 7. 질소산화물 저감 연소

 

  가. 연소특성

  : 연소에 있어서 연료가 가용산고와 충분히 반응할 때 가장 잘 연소된다. 연료량에 대해 산소가 많거나 산소가 적거나 할 때의 경우와 비교하여 당량비가 1일 때 화염온도가 가장 높고 가장 빠르게 반응한다. 연소기에서 고온가스의 최대온도는 터빈노즐과 날개재질의 내열한도에 의해 제한되기 때문에 이 온도는 최신 가스터빈에 사용되고 있는 연소기에 있어서 안정되고 효율적인 연소를 위하여 가능한 당량비를 줄이고 있다.

 

* 당량비 (equivalence ratio) : 실제 연소된 연료량을 존재하는 모든 산소를 이용할 수 있는 연료량으로 나눈 값을 당량비로 정의한다.

 

  나. 당량비에 따른 질소산화물(NOx) 생성량

  : 당량비에 따른 질소산화물 발생을 살펴보면 당량비가 1일 경우 완전여소로 연소온도가 가장 높아 일산화탄소(CO) 는 감소하고 themal NOx는 증가한다. 당량비 1이하로 낮아지면 공기량이 많아져 연소 온도가 낮아지고 일산화탄소(CO)는 증가하고 thermal NOx는 감소한다.

 

* 질소산화물 생성 : thermal NOx 발생은 연소온도가 1,300℃ 이상이 되면 급격히 증가한다. 특히 thermal NOx는 연소온도에 지수함수적으로 발생하므로 질소산화물 저감방법의 목표가 된다.

 

  다. thermal NOx 억제원리

  : thermal NOx의 억제 원리는 가스터빈 화염온도의 저하를 목표로 하고 있다. thermal NOx 생성량은 화염온도와 연소기 내 체류시간에 의해 거의 결정되지만 체류시간은 개선 여지가 극히 적은데 비해 화염온도에 대한 영향은 절대적이다. 그러나 화염온도 저하는 가스터빈의 열효율 저하를 초래하기 때문에 화연온도 저하에 따른 열효율 저하를 방지하기 위해서는 최소한의 화염온도 저하를 고려해야 한다.

 

  라. 저질소산화물 연소시스템

  : 가스터빈 저질소산화물 연소시스템은 대기 중의 질소가 고온에서 생성되는 thermal NOx를 줄이는 것이다. 가스터빈 thermal NOx는 저감방법에는 습식연소, 건식연소, 선택적 촉매환원장치 등이 있다.

 

* 습식 저녹스 버너 : 습식 저녹스 버너는 표준버너라고도 하며 thermal NOx 저감을 위해 연소기 내부에 물 혹은 증기를 분사하고 그 냉각효과로 연소실 내부온도를 저감하여 질소산화물을 저감하는 방법으로 가장 손쉬운 방법이다. 질소산화물 생성량을 60% 정도까지는 저감할 수 는 있으나 정비비 증가 및 운전 중 연소불안정에 의한 불시정지 등 다른 문제점이 발생할 수 있다.

 

* 건식 저녹스 버너 : 연소온도를 낮추기 위해 물이나 증기를 연소기 내부에 분사하는 대신에 연료와 공기를 연소하기 전에 미리 혼합하여 연소하는 pre-mixed 연소방식을 사용한다. 이 원리는 확산연소에서 발생할 수 있는 국부적인 연소를 방지하고 연료 희박으로 혼합된 혼합물을 연소하므로 연소온도를 낮춰 질소산화물 생성량을 줄이는 방법이다.

 

* 선택적 촉매 환원장치 : 앞의 두 방법과 달리 발생된 질소산화물을 제거하는 방법으로 촉매를 이용하여 배기가스 중에 암모니아를 분사하여 질소산화물을 질소와 수증기로 분해하여 대기로 날려 보내는 방법으로 질소산화물 발생량을 10ppm 이하로 줄일 수 있다.

 

 8. 터빈 구조 및 냉각방법

 

  가. 개요

  : 터빈은 연소기에서 나온 고온고압의 연소가스의 고정날개(정익) 내에서 팽창시켜 가스의 운동에너지를 회전력으로 변화시키는 원동기이다. 가스터빈은 증기터빈과 같이 작동유체가 팽창하면서 에너지를 발생하는 원리는 같으나 작동유체가 다르다. 

  증기터빈은 작동유체가 증기이고 가스터빈은 작동유체가 연소가스이며 온도는 900~1600℃ 정도에 달한다. 가스터빈도 압축기와 같이 축류터빈과 원심 터빈으로 구분된다. 최근에는 거의 축류터빈만 사용된다. 가스터빈은 일반적으로 3~5단 정도가 이용되고 있는데 터빈 단수가 압축기 단수보다 적은 것은 한 단의 터빈이 여러 단의 압축기를 작동할 수 있는 축 출력을 발생하기 때문이다.

 

 나. 터빈 분류

 

  1) 원심형 터빈

  : 원심 압축기와 조합하여 유량이 적은 소형 가스터빈에 사용된다. 원심 압축기의 경우와 마찬가지로 구조가 간단하고 싸게 제작할 수 있고 단 당 팽창비를 크게 채용할 수 있는 이점이 있는 반면, 공기냉각이 어려워 고온 가스터빈에는 사용할 수 없는 결점이 있따.

 

  2) 축류형 터빈

  : 축류터빈은 정지부인 정익(노즐)과 회전부인 동익이 한 조가 되어 1개의 간(stage)을 구성한다. 터빈 노즐은 환상으로 배열한 정익열로서 고온고압의 가스를 팽창시켜 고속의 운동에너지로 변환하는 역할을 한다. 이 운동에너지가 로터 원판의 원주 상에 심어 놓은 동익에 고속으로 작용하여 회전력을 발생시킨다. 터빈 단 수는 소형 터빈에는 1~2단, 대형 터빈에는 3~5단이 주를 이룬다.

 

 다. 가스터빈 구성과 냉각

 

  1) 구조

 : 터빈은 연소가스의 압력을 감소시키고 속도를 증가시키는 고정익이 부착된 터빈 스테이터와 가스의 팽창에 의해 축 동력을 발생시키는 터빈 로터로 구성된다.

 

  2) 터빈로터 구성

  : 터빈로터 어셈블리는 전후의 터빈 휠축(wheel shaft)과 동익(bucket)이 부착되어 있는 1,2,3단의 터빈 휠 어셈블리, 그리고 휠과 휠 사이의 스페이서, 동을 팁을 보강해주는 슈라우드로 구성된다. 터빈로터는 동익, 노즐 베인을 통과한 고온고압 고속의 가스가 통과하는 부위로 극심한 원심하중 및 고온에 견딜 수 있는 재질이 요구되며 장착 시 열팽창에 의한 충분한 간격이 필요하다.

 

* wheel : 외부에 버킷을 부착 후 동익이 조립된 wheel을 wheel spacer, flange와 볼트로 체결한다.

 

* bucket : 동익은 터빈 휠에 전나무형(fir tree type) dovetail로 테두리에 끼워지며 단이 증가될 수록 길이가 점점 길어지는데 이것은 각 단에서의 에너지변환에 따른 압력감소로 가스 체적이 증가함으로서 더 큰 공간이 필요하기 때문이다.

 

* spacer : 터빈 spacer는 1단과 2단 사이, 2단과 3단 사이에 spacer가 있어 각 wheel의 축방향 위치를 결정해준다. spacer 바깥 표면에는 diaphragm의 밀봉면과 접하고 있어 각 단의 누설을 방지해준다.

 

* shroud : 터빈 1단을 제외한 후속단 bucket 끝을 띠 모양으로 연결시켜 회전날개의 강도를 더해주고 진동을 감소시키는 기능을 하는 것을 shroud 라고 하며 가스터빈 재질 특성상 주조 시에 z-notch 모양으로 만든다.

 

  3) 터빈 냉각

  : 터빈에 유입하는 고온의 연소가스는 터빈날개에 손상을 줄 수 있으며 특히 냉간 기동시 급격한 온도변화는 날개 재료의 균열을 유발한다. 또한 가스온도가 높은 경우 날개에 creep 현상을 유발한다.

  또한 반복적인 가열, 냉각의 영향으로 날개의 길이나 넓이가 점진적이고 영구적으로 증가하는 creep 현상이 발생한다. 날개는 고온의 연소가스에 노출되어 있어 가열되면 팽창하고 냉각되면 수축하나 팽창량과 수축량은 같지 않다. 그 결과 원래 크기로 돌아오지 않고 점점 늘어나게 되는데 허용치를 초과하면 터빈 케이싱과 마찰을 일으킨다. 최신 가스터빈을 터빈 날개에 강력한 내열합금 및 열 차폐코팅을 이용하는 한편 냉각방식 개선으로 터빈 입구온도의 향상을 꾀하고 있다.

 

  4) 냉각 방법

  : 냉각 방법은 속이 빈 축 및 디스크를 통하여 압축공기를 불어넣어 대류, 충돌, 막, 발산 냉각을 이용하여 로터, 디스크, 회전 날개를 냉각한다. 즉, 고정 및 회전날개 자체에 작은 냉각 구멍들이 있어 압축공기를 흘려보냄으로써 금속을 냉각한다.

 

* 대류냉각 : 터빈 동,정익 내부로 냉각 공기를 흘려보내 벽을 통해 열을 제거하는 방법으로 공기흐름은 방사형이고 구불구불한 통로를 통해 다수의 통로를 형성한다. 간단한 방법으로 가장 널리 사용되고 있고 터빈 날개 내부 금속을 냉각한다.

 

* 충돌냉각 : blade의 가장 고온의 연소가스가 접하는 부위에 사용되는 냉각 방법으로 blade 내부에 작은 원통 모양의 튜브를 설치하여 여기에 구멍을 뚫어 blade의 가장 고온부에 냉각 공기를 고속의 공기 분출로 익형의 내부 표면에 충돌시켜 냉각하는 방법으로 충돌 냉각은 동,정익의 leading edge와 같은 필요한 익형 부분의 금속표면 냉각에 사용된다.

 

* 막냉각 : 동,정익 외부에 표면에 작은 공기 구멍을 만들어 냉각 공기를 흘리듯이 고온가스 주류와 벽 사이에 단열층을  형성하는 방법으로 냉각 공기는 동,정익 표면에 고온의 연소가스가 직접적인 접축을 막아주는 열차단막을 형성한다. 동,정익의 trailing edge의 냉각에 사용된다. 필름 냉각은 대류냉각 및 충돌냉각과 결합되어 이용된다.

 

* 발산냉각 : 적은 구멍이 많이 뚫린 재질로 블레이드 벽을 만들고 이 구멍으로 냉각공기를 흘려보내 블레이드 외벽에 계속적인 저온의 공기막을 형성하는 방법으로 가장 효율적인 방법이나 구조 강도 문제 및 냉각 손실이 커 고온부 일부에만 사용한다.

 

 

Ⅱ. 가스터빈 보조기기

 

 1. 개요

  : 가스터빈은 크게 압축기, 연소기, 터빈, 공기유입부 및 배기 설비로 구성되며 가스터빈의 기동과 운전, 제어 및 보호에 필요한 기타 보조 설비들이 있다. 가스터빈은 화력발전과 달리 대부분의 보조설비가 격실(enclosure) 내에 설치되어 있다. 

 

  가. 기동장치

 

  나. 윤활유 계통

 

  다. 연료공급 계통

 

  라. 냉각수 계통

 

  마. 유압 계통

 

  바. 기타 분무 공기 계통, 물분사 계통, 소화 계통, 연료처리 계통 등이 있다.

 

 2. 보조기기 계통

 

  가. 기동장치

  : 기동장치는 기동 시 터빈축에 회전력을 공급해주는 설비이다. 기동장치는 가스터빈이 연소가스 자체의 힘만으로 터빈을 안정하게 운전할 수 있는 속도, 즉, 자력운전속도까지 가속시켜준 후 정지된다. 자력운전상태는 보통 50% 속도 전후에서 형성되며 기동장치는 60% 속도 이상에서 분리된다. 기동장치에는 터빈 정지 시에 회전자를 저속회전시키는 터닝(turning) 장치가 함께 설치되어 있는 경우도 있다.

  기동장치는 크게 동력원이 되는 기동기(starter)와 기동기에서 발생한 동력을 가스터빈에 전달해주는 동력전달장치로 구성된다.

 

* 기동기 종류

 1. 공기모터 : 압축공기를 이용하여 회전력을 얻는 기동 방식이며 일반적으로 소형 가스터빈에 사용된다.

2. 디젤엔지 : 일반적으로 중형 가스터빈을 기동하는 설비로 사용된다. 디젤엔진은 자체 축전지 전원으로 기동되므로 기동 시 위부의 전원이 필요하지 않아 전력계통 정전 시에도 가스터빈 기동이 가능하다.

3. 전기모터 구동방식 : 교류전원이 신뢰성 있게 공급되는 곳에서 일반적으로 사용된다. 가스터빈이 점화되어 자립속도에 도달할 때까지 축에 회전력을 주는 전기모터 방식은 전동기의 회전력을 기동 과정에 따라 필요한 속도로 가스터빈 축에 전달하는 장치인 토크 컨버터가 사용된다. 유도 전동기는 주로 대형 가스터빈을 기동하는데 사용된다.

4. 동기 전동기 기동방법 : 동기 전동기 기동 방법은 터빈 발전기를 기동 시 전동기를 사용하여 가스터빈을 기동하는 방식으로 별도의 기동기가 필요하지 않다. 그러나 기동 시 기동 토크와 속도를 제어하기 위해 전원 주파수를 변환시켜 기동기 전동기에 공급해주는 장치가 필요하다. 기동된 가스터빈이 점화되어 2,400rpm까지 자속되면 정지형 주파수 변환기에서 공급되는 전원이 차단된다.

 

  나. 윤활유 계통

  : 윤활유 계통은 터빈, 압축기 및 발전기 베어링과 기타 부속장치에 윤활유를 공급하여 마찰을 감소시키며 베어링에서 생기는 열을 흡수하는 역할을 한다. 윤활유 계통의 주요 구성요소는 윤활유 저장조, 주윤활유 펌프, 보조윤활유 펌프, 비상윤활유 펌프, 윤활유 열교환기, 여고기, 공기축출기 등이 있다.

  윤활유는 다음의 3가지 펌프에 의해 공급되며 열교환기와 여과기를 거쳐 각 계통으로 공급된다. 

 

   1) 주윤활유 펌프 (main lube oil pump) : 일반적으로 교류 전동기에 의해 구동된다.

 

   2) 보조윤활유 펌프 (auxiliary lube oil pump) 

    가) 기동과 정지 시 및 터닝 기어 운전 중 윤활유를 공급한다.

    나) 가스터빈 정상 운전 중 윤활유 압력이 규정치 이하로 낮아지면 자동 기동된다.

 

  3) 비상윤활유 펌프 (emergency lube oil pump)

   가) 교류 전원 차단 시 축전지 전원으로 운전되는 직류 전동기 구동 펌프이다.

   나) 정상 운전 중 윤활유 압력이 매우 낮아지면 자동 기동되고 가스터빈은 정지된다.

   다) 비상 펌프이므로 한 번 기동되면 자동 정지되지 않는다.

 

  다. 연료공급 계통

  : 가스터빈에 사용 간으한 연료는 천연가스로 부터 중유에 이르기까지 다양하나 연소가스가 터빈 날개와 직접 접촉되므로 천연가스와 같은 경질 청정연료가 중질연료보다 많이 사용된다.

 

* 경질 청정 연료를 많이 사용하는 이유

 - 회의 함량이 적다.

 - 완전연소로 연기와 탄소 퇴적물 발생이 최소화된다.

 - 연소실 및 터빈 날개 부식이 감소된다.

 - 유지정비 시간이 단축된다.

 

  라. 이중연료 계통

  : 가스 연료 사용 중 가스 압력이 규정치 이하로 저하되면 액체 연료로 자동 전환되어 가스터빈의 갑작스런 정지를 예방하나 액체 연료는 예비용이므로 액체 연료에서 가스 연료로 자동 전환되는 시스템은 구성되어 있지 않다. 이중 연료계통을 채용함으로써 가스터빈 이용도와 신뢰성이 향상된다.

 

  마. 냉각수 계통

  : 가스터빈에서 냉각수가 공급되는 곳은 주로 다음과 같다.

 

  가) 윤활유를 냉각시켜 베어링에서 냉각 및 윤활 작용이 잘 되도록 윤활유 열교환기에 공급한다.

 

  나) 발전기 냉각 매체인 수소를 냉각시키기 위해 발전기 수소 냉각기에 공급한다.

 

  다) 가스터빈 운전 중 발전기 쪽보다 터빈부 온도상승이 크기 때문에 열팽창 차에 의한 터빈과 발전기 간의 축정렬이 어긋나지 않도록 터빈 지지대에 공급된다.

 

  바. 유압계통

  : 유압계통은 가스터빈 운전을 위한 제어와 보호 계통에 사용되는 고압유를 공급해주는 설비이며 유압은 윤활유 계통으로부터 오일을 공급받아 유압 펌프에 의해 보통 105kg/cm^2 정도의 높은 압력으로 사용된다. 

  가스터빈에서 유압이 사용되는 곳은 다음과 같다.

 

  1) 연료제어밸브

  2) 연료차단밸브

  3) 터빈보호계통

  4) 압축기 입구 안내날개

 

  유압계통은 유압펌프, 매니폴드 어셈블리, 완충기(accumulator), 여과기 등으로 구성된다.

 

 

Ⅲ. 복합사이클 일반

 

 1. 개요

  : 열효율 향상을 위하여 두 종류의 열사이클을 조합하여 발전하는 방식을 말한다.

 

* 현재 상업적으로 가장 대표적인 복합발전 방식은 가스터빈을 기반으로 하는 가스터빈 복합발전 방식이다. 즉, 가스터빈 연소기에 발샌한 고온의 연소가스가 1,000℃ 이상이고 대기 중으로 배출되는 온도가 500℃ 이상이므로 아직 배기가스 중에는 많은 열량을 가지고 있어서 가스터빈 후단에 배열회수보일러를 설치하여 증기터빈 계통에 필요한 증기를 생산하게 된다.

  이 증기를 이용하여 증기터빈을 운전할 경우 가스터빈 단독으로 운전할 경우보다 열을 더 효율적으로 이용이 가능하여 복합발전의 열효율이 높아지게 된다. 그래서 높은 온도범위에서 운전되는 열사이클을 탑핑 사이클, 낮은 온도범위에서 운전되는 열사이클을 바터밍 사이클이라 한다.

 

 2. 발전 방식과 열효율

  : 가스터빈 복합발전소는 가스터빈, 배열회수보일러(HRSG) 및 증기터빈으로 구성되어 있다. 운전 원리는 먼저 공기압축기에서 대기 중의 공기를 공기 필터를 통하여 압축하여 연소기에 보내면 연소기에서 연료를 태워 고온의 연소가스를 발생시킨다. 이 연소가스는 터빈을 통과하면서 일을 하여 공기압축기를 회전시키고 나머지 일은 발전기에 전달되어 전기를 생산하게 된다. 일을 하고 배출되는 배기가스는 아직도 많은 열량을 가지고 있어서 HRSG에서 증기를 생산하여 증기터빈에 공급하여 발전을 하게 되는 시스템이다.

  따라서 연소기에서 발생되는 연소가스의 온도가 높을수록 가스터빈의 효율이 향상되고 더불어 배기가스의 온도도 높아서 HRSG에서 고온고압의 증기를 생산할 수 있으므로 증기터빈의 효율 향상도 꾀할 수가 있다. 그러므로 복합발전의 열효율 향상은 주로 가스터빈의 열효율에 영향을 많이 받는다. 따라서 연소가스 온도를 높이기 위한 주요 기술은 고온에 견딜 수 있는 가스터빈 부품의 재질 개발과 냉각기술(공기 또는 증기 냉각) 향상에 달려있다.

 

 3. 복합발전의 특징

 

  가. 열효율이 높다.

  : 복합발전의 특징 중 첫 번째로 열효율이 기력발전보다 높다는 것이다. 여기서 온도는 열역학적 온도인 켈빈온도를 말하는데, 일반적으로 화석 연료를 공기를 이용하여 완전 연소시킬 경우 보통 2,400K 정도 온도를 올릴 수 있다.. 그럴 경우 2,400K에서 대기온도(300K)까지 열을 전부 이용하면 효율을 많이 올릴 수 있다. 그러나 증기터빈 사이클의 경우 과열기 튜브온도에 제한을 받아 증기온도를 900K정도 까지, 가스터빈의 경우 고온 부품의 내열한도에 의해 1,600K 정도까지 온도를 올릴 수 있다. 즉, 단순 사이클의 경우는 효율에 한계가 있는 것이다. 그러므로 복합사이클 즉, 가스터빈과 증기터빈 사이클을 조합하면 1,600K 에서 300K 까지 열을 최대한 이용할 수 있기 때문에 복합발전의 열효율이 기력발전과 비교하여 더 높다.

 

  나. 기동정지 시간이 짧고 기동정지 손실이 적다.

  : 가스터빈은 내연기관이므로 즉, 연료를 연소시키기 위해 압축 공기가 필요하지만 공기압축기와 터빈이 직결되어 있어서 자체적으로 기동을 할 수 없어 별도의 기동장치에 의해 기동되므로 기동 시간이 매우 빠르며 또한 기동 조건 즉, 가스터빈이 고온상태 또는 저온 상태에 관계없이 기동 시간이 일정하다.

  또한 복합 즐기터빈은 그 용량이 적기 때문에 역시 기동 시간이 짧게 소요된다. 일반적으로 고온 기동을 할 경우 복합화력발전소는 가스터빈 기동에서 부터 증기터빈 정격출력까지 1시간 정도 소요된다. 또한 기동정지 시간이  짧아 기동정지 손실을 줄일 수 있으며 전력계통의 부하변화에 신속히 대응할 수 있다.

 

  다. 부분부하 운전 시 열효율 저하가 적다.

  : 일반적으로 열기관은 정격출력에서 운전할 때 효율이 좋도록 설계되기 때문에 복합발전과 화력발전은 부분부하로 출력을 낮춰서 운전할 경우 효율이 급격하게 저하된다.

  그러나 복합발전의 경우 전력계통의 부하가 감소하면 복합발전소의 출력 감발에 따라 여러 대의 가스터빈 중 한대 씩 정지시키고 나머지 가스터빈은 최대출력으로 운전할 수 있어 열효율 저하를 감소시킬 수 있는 특징이 있다.

 

  라. 최대출력이 대기온도에 따라 변화한다.

  : 가스터빈 출력은 대기온도가 성능 기준 온도보다 낮아지면 증가되고 높아지만 감소한다. 가스터빈은 작동유체로 공기를 사용하기 때문에 대기온도가 저하되면 단위체적당 공기의 질량(공기밀도)이 증가되고 연소량이 증가된다.

  또한 배기가스량도 동시에 증가되므로 결과적으로 HRSG에 도입되는 열량이 증가되어 증기생산량도 높아지므로 증기터빈 출력도 함께 상승된다.

 

  마. 공해물질 발생이 적다.

  : 일반적으로 가스터빈 연료로 주로 기체연료인 천연가스와 액체연료인 경유를 사용한다. 따라서 가스터빈 주요 연소생성물 중에 유황산화물, 분진, 매연 등 공해물질이 거의 배출되지 않는다.

  가스터빈에서 유의해야할 점은 연소 온도가 높아 질소산화물이 다소 발생되나 액체연료 연소시에는 연소기에 물 또는 증기를 분사함으로써 기체연료 연소 시에는 예혼합연소를 위한 연소기 구조변경을 통해 진소산화물 발생량을 공해물질 배출 기준보다 훨씬 적게 배출할 수 있다. 또는 HRSG 내에 선택적 촉매 환원장치(SCR)를 설치하여 암모니아를 주입함으로써 질소산화물을 질소와 수증기로 분리하여 배출량을 감소시킬 수 있다.

  냉각수 소요량에 있어서도 복합화력발전소에서 증기터빈 용량은 전체 용량에서 1/3정도 이므로 그 만큼 냉각수를 적게 소모하므로 온배수량도 적게 배출된다.

 

  바. 사용하는 연료에 따라 성능변화가 크다.

  : 만약 가스터빈에 중질유 또는 석탄을 연료로 사용하고자 한다면 먼저 연료를 가스화한 다음 사용해야 한다. 또한 이들 연료 속에는 바나듐, 나트륨, 칼륨, 유황분이 많이 포함되어 있어서 연소 시에 높은 온도에서 부식을 일으키는 물질이 생성되어 가스터빈 고온부에 고온부식을 일으킨다.

  따라서 고온부식을 방지하기 위해서는 연소가스 온도를 낮춰야 하므로 터빈 입구가스 온도가 낮아져 열효율이 저하되는 문제점이 발생된다.

  또한 이 연료들은 가스연료에 비해 연소시간이 길어져 미연분이 발생되어 가스터빈 노즐과 블레이드에 부착됨으로써 연소가스의 팽창을 감소시켜 가스터빈의 열효율 저하를 초래할 뿐만 아니라 HRSG tube에 부착됨으로써 열교환율이 감소된다.

  따라서 HRSG 주연돌에서 배출되는 배기가스 온도가 높아지므로 그 만큼 열효율이 떨어진다.

 

  사. 건설공기가 짧고 건설단가가 싸다.

  : 우선 가스터빈은 제작사에서 거의 완제품의 상태로 설치 장소까지 운반되므로 설치가 용이하다. 그리고 본체 도착 후 연료 공급설비를 비롯한 일부 보조설비와의 연결 작업만이 필요하므로 건설기간이 짧다.

  또한 HRSG 도 제작사에서 모듈화하여 제작 운반하여 설치하므로 기력발전소 보일러보다 용접개소가 적어 건설이 빠르고 또한 제작사 공장 내에서 대부분의 작업이 이루어져 더 높은 작업 효율성과 신뢰성을 확보할 수 있다. 그리고 증기터빈도 용량이 기력발전소 용량과 비교하여 매우 적기 때문에 또한 설치기간이 적게 소요된다. 건설비용 또한 상당히 낮다.

 

 

복합발전 개요.hwp

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