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발전분야

열병합발전 개요

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Ⅰ. 열병합발전
 
 1. 열병합발전 개요
  : 에너지를 효율적으로 이용하기 위해 하나의 에너지원으로부터 열과 전기를 동시에 생산하여 공급하는 시스템을 열병합발전(cogeneration)이라 한다. 일반 화력발전소에서는 투입된 에너지 중 많은 열량이 저압터빈에서 배출되는 증기를 다시 물로 상태 변화시키기 위해서 복수기로 해수를 공급하여 냉각하므로 대략 50% 정도의 열에너지가 손실이 되는데 열병합발전소는 증기터빈의 배기증기를 지역난방용 열교환기에 공급하여 열공급을 함으로써 열에너지를 효율적으로 이용할 수 있다. 이때의 열에너지는 주로 산업공정용 및 지역난방용으로 많이 이용된다.
 
 2. 열병합발전의 장단점
 
  가. 장점
 
  1) 에너지 이용효율이 높다.
 
  2) 총 연료소비량 감소로 공해요인 감소
 
  3) 수요지 인접으로 송전손실 감소
 
  4) 집단화에 따른 공해방지설비 설치용이
 
  5) 저질연료, 쓰레기 등의 폐자재 이용가능
 
  6) 산업체에 설치되는 열병합 발전설비
 
  가) 국가적인 측면에서 예비전력
 
  나) 전력수요 예측의 불확실성에 대한 대처 용이
 
* 열병합발전의 장점으로는 앞에서 언급했듯이 증기가 터빈에서 일을 한 후 복수기에서 모두 응축이 되면 증기가 가지는 잠열을 냉각수가 흡수해서 방출하게 되어 손실이 되는데 터빈 중간 단에서 팽창 중인 증기를 추기하던지, 또는 배기증기를 이용하여 열공급을 하면 그 만큼의 손실이 줄어 에너지 이용효율이 높다.
  또한 각 가정이나 기업에서 개별적으로 난방을 하기보다는 중앙난방을 함으로써 연료소비량을 감소시키고 비용이 많이 드는 공해방지설비 설치도 용이해 공해유발 요인이 감소한다. 열병합발전소는 수요가 있는 대도시에 건설되므로 송전설비 건설비용 또는 송전손실을 감소시킬 수 있으며 민간에서 설치되는 열병합발전소의 경우 국가적인 측면에서 예비전력의 역할을 수행하고 전력수급의 불균형을 해소할 수 있어 전력수요 예측의 불확실성에 대한 대처가 용이해 진다.
 
  나. 열병합발전의 단점
 
  1) 개별방식에 비해 초기투자비가 크다.
 
  2) 수용가 밀집지역에서만 경제적이다.
 
  3) 에너지이용 효율은 좋으나 발전 효율은 저하
 
  4) 열공급으로 비경제적인 급전운영
 
  5) 열 전용보일러, 축열조 등 보조설비 필요
 
  6) 개별 열설비보다 숙련된 고급인력 필요
 
* 열병합발전의 단점으로는 먼저, 각 가정이나 빌딩 등에서 개별 난방 방식에 비해 초기투자비가 크고 수용가가 많은 대도시에서만 경제적이어서 대부분의 열병합발전소는 수도권의 인구밀집지역에 설치되고 있다.
  또한 에너지 이용 효율은 좋으나 열부하 공급에 많은 열량을 공급하게 되면 발전효율은 저하되는 특징을 가지고 있으며 동절기와 같이 항상 열공급을 해야하는 경우, 즉, 발전원가 싼 원자력이나 석탄화력 등이 먼저 발전을 하고 대도시의 열병합발전소와 같이 천연가스를 연료로 사용해 발전단가 비싼 발전소는 급전 순위에서 후순위에 위치하지만 계속적인 열공급으로 인해 비경제적인 급전운영을 할 수 밖에 없는 단점이 있다.
  그리고 열병합 발전소가 불시에 정지되거나 혹한기와 같이 열수요량이 공급량을 초과할 경우에는 수요와 공급의 평형을 맞추기 위해 별도의 열전용 보일러와 축열조 등 보조설비가 필요하고 개별난방 설비보다는 숙련된 고급인력이 필요하다.
 
 3. 열병합발전의 분류
 
  가. 열병합발전 방식
 
  1) 열에너지 사용 순서에 따른 구분
 
  가) 토핑 사이클 (topping cycle)
  - 일차적으로 에너지를 전기 생산에 이용
  - 배열 또는 잉여열을 생산 공정용 및 지역난방용 열로 이용
  - 발전회사는 이 방법 채택
 
  나) 바토밍 사이클 (bottoming cycle)
  - 열을 주로 생산하고 부수적으로 전기를 생산
  - 주로 제철소에서 많이 채택
 
* 열병합발전 방식은 크게 열에너지 사용 순서에 따라서 토핑 사이클과 바토밍 사이클로 구분할 수 있다. 토핑 사이클은 국내의 발전회사에서 주로 채택하는 방식으로 연료를 연소시켜 발생한 증기로 터빈-발전기에서 먼저 전기에너지로 이용하고 터빈에서 나오는 배열 또는 잉여열을 지역난방용이나 생산 공정용의 열로 이용하는 방식임 바토밍 사이클은 주로 제철소와 같이 제철공정에서 열을 이용하고 남은 열을 가지고 부수적으로 전기를 생산하는 경우다.
 
  2) 발전 형식에 따른 구분
 
  가) 증기터빈 방식
 
  나) 가스터빈 방식
 
  다) 복합사이클 방식
 
  라) 디젤엔진 방식
 
  나. 증기터빈 방식
  : 증기터빈 방식은 토핑사이클 중 가장 많이 사용되는 방식으로 보일러에서 생산된 고온고압의 증기로 터빈을 운전한 후 배기증기 또는 터빈에서 팽창 중인 증기를 중간 단에서 추기한 증기를 이용하여 열 공급을 하는 방식이다.
  일반적으로 발전 전용의 경우는 열효율을 높이기 위해 터빈에서 일을 하고 있는 증기를 중간 단에서 추기하여 보일러로 들어가는 급수를 가열하고 저압터빈 마지막 단에서 배출되는 배기증기는 복수기에서 모두 응축하게 된다.
 
  다. 가스터빈 방식
 
  가) 전력 사용량보다 열 사용량이 많을 때
 
  나) 가스터빈 단독운전 가능 (HRSG by-pass 운전) → by-pass 운전 시 고온가스에 의한 환경공해 유발
 
  다) 공사기간 짧고 운전 간편
 
  라) 공기압축기 흡입공기량 제어 → 소폭의 열전비 조정 가능
 
* 가스터빈 방식은 가스터빈에서 일을 하고 배출되는 배기가스는 많은 열량을 포함하고 있어 이 열원으로 배열회수보일러에서 증기를 발생시켜 열부하에 직접 공급하는 방식이다. 이 방식의 특징으로는 배열회수보일러에서 생산된 증기로 별도의 열기관 즉, 증기터빈을 설치하지 않기 때문에 전력 사용량보다 열 사용량이 많을 때 적합한 방식으로 열전비는 공기압축기의 입구 안내날개의 개도를 조정하여 흡입되는 공기량을 조절함으로써 소폭 가능한 방식이다.
  여기에 필요한 설비는 가스터빈과 배열회수보일러 정도이므로 건설비용이 적고 공사기간이 짧으며 운전이 간단한 특징을 가지고 있다. 또한 가스터빈과 배열회수보일러 사이에 바이패스 스택을 설치할 경우 열공급 없이 가스터빈 단독운전으로 전기만 생산하여 공급할 수 있으며 이 경우 고온가스를 바이패스 스택을 통해 대기 중으로 배출함으로써 환경 공해를 일으키는 문제점이 있다.
  따라서 가스터빈 방식은 산업체에서 다량의 공정용 열부하를 연속적으로 일정하게 공급할 경우에 적합한 방식이다.
 
  라. 복합사이클 방식 
  : 가스터빈 방식과 증기터빈 방식을 조합한 방식
 
  가) 화력발전보다 초기 투자비가 낮고 열효율이 높아 열병합설비로 널리 이용
 
  나) 증기터빈은 증기터빈 방식 중 필요에 따라 하나를 선택하여 설치
 
  다) 설비계통은 복잡하지만 다양한 운전방식 선택 가능
 
  라) 수도권에 위치한 열병합설비의 경우 청정연료 사용으로 연료비 상승 → 설비 이용율과 열효율을 향상시켜 경제성 도모
 
  마. 디젤엔진 방식
 
  가) 디젤엔진 냉각수를 온수로 사용
 
  나) 디젤엔진의 용량은 대략 1~15MW 정도
 
  다) 가스터빈 방식과 비교할 때
  - 동일 용량의 가스터빈보다 커서 설치장소가 넓고 설치비용도 많음
  - 열효율이 낮음
  - 열부하가 적은 빌딩 난방용으로 적합한 방식
 
 
 
Ⅱ. 열병합발전 운전방식 및 냉각탑
 
 1. 열병합발전 운전방식
 
  가. 열병합발전 운전방식
 
  1) 발전회사 열병합발전 방식
 
  가) 증기터빈 방식 (추기복수터빈 방식)
 
  나) 복합사이클 방식 (배압터빈과 복수터빈 조합방식)
 
   2) 열병합발전 운전방식
 
  가) 열부하 추종운전
  - 전기 생산과 열공급을 동시에 실시
  - 열부하에 맞추어 설비운전이 제어
  - 주로 동절기에 운전
  - 모드 Ⅰ, Ⅳ, Ⅴ
 
  나) 전기부하 추종운전
  - 열공급은 중단하고 전기만 생산하는 운전방식
  - 주로 하절기에 운전
  - 모드 Ⅱ, Ⅲ
 
  나. 열부하 추종운전
 
  * 모드 Ⅰ(nomal operation mode)
 
  가) 배압터빈만 운전하고 배기증기는 지역난방 열교환기에 공급
 
  나) 복수터빈은 운전하지 않음
 
  다) 열병합발전의 주종을 이루는 운전으로 연간 5,000~6,000 시간 운전
 
  라) 설비효율 약 75%
 
  다. 최대열부하 추종운전
 
  * 모드 Ⅳ (steam turbine by-pass operation mode)
 
  가) 배열회수보일러에서 발생된 증기를 모두 지역난방용 열로 공급
 
  나) 증기터빈은 운전되지 않음
 
  다) 동절기 혹한기에 열부하가 최대로 요구될 때
 
  라) 설비효율 약 81%
 
  라. 혼합운전
 
 * 모드 Ⅴ (steam turbine coordination operation mode)
 
  가) 모드 Ⅰ + 모드 Ⅲ 를 혼합한 운전방식
 
  나) 열병합발전을 구성하는 모든 설비가 운전
 
  마. 가스터빈 단독운전
 
  가) 가스터빈 단독운전 방식
 
  나) 전기만 생산하는 방식
 
  다) 열부하가 없는 하절기, 증기터빈 고장시 또는 가스터빈 기동시 운전방식
 
  라) 설비효율 약 29%
 
  바. 전기부하 추종운전
 
* 모드 Ⅲ (condensing mode)
 
  가) 배압터빈과 복수터빈 모두 운전하는 방식
 
  나) 열부하가 없는 하절기에 운전방식으로 전기 생산 최대
 
 다) 연간 2,000~3,000 시간 운전
 
 2. 지역난방
 
  가. 지역난방의 개요
  : 중, 대형화된 열원 플랜트를 통해 생산된 증기나 온수를 각 수용가에 공급하는 난방 방식
 
* 지역난방 구성 설비
  - 지역난방 열교환기 (DH, district heater)
  - 지역난방수 순환설비
  - 드레인 펌프
  - 비상용 보조 보일러 및 축열설비
 
* 지역난방이란 열수용가의 개별적인 열원에 의한 소규모 난방을 지양하고 대규모 열월 플랜트를 설치하여 생산된 열매(증기 또는 온수)를 수송관을 통해 각 수용가에 공급하는 난방 방식을 말하며 주요 특징으로는 에너지 이용 효율이 높고 에너지 사용량 감소에 따라 공해발생이 감소되며 연속난방으로 인해 쾌적한 주거환경 조성이 가능한 장점이 있지만 중앙 집중 열공급 또는 개별 열생산 방식에 비해 초기 추자비가 높고 열공급 위주의 운전이 많음에 따라 전력 부하에 따라 운전이 곤란한 단점이 있따.
  지역난방을 구성하는 주요 설비로는 지역난방수 열교환기, 지역난방수 순환설비, 순환수 처리설비, 비상용 보조 보일러 및 축열설비 등이 있다. 지역난방에서 회수되는 지역난방수는 지역난방 열교환기의 튜브 측으로 유입되고 쉘 측으로 증기가 공급되어 튜브 측을 지나는 지역난방수를 가열시킨다. 지역난방수는 40~65℃ 정도의 온도로 지역난방 열교환기로 들어와 열을 흡수하여 75~120℃ 범위의 고온수로 되어 지역난방수 순환펌프에 의해 열수용가에 공급된다.
 
  나. 지역난방 열부하 결정요소
 
  가) 지역난방수 유량 → 순환되는 유량이 많을 수록 공급열량 증가
 
  나) 지역난방수 회수온도 → 지역난방수 회수온도가 낮을수록 공급열량 증가
 
  다) 지역난방수 공급온도 → 지역난방수 공급온도가 높을수록 공급열량 증가
 
  다. 축열조의 역할
 
  1) 정상운전 중 잉여열 저장 후 열원 부족시 보충
 
  2) 열원차단 시 비상용 보일러가 기동되는 동안 열공급
 
  3) 헤더압력으로 배관망 내의 온수의 비등방지
 
  4) 운도변화에 따른 지역난방수 체적변화 흡수
 
  5) 축열조는 보통 95~98℃ 정도의 비등점 이하로 유지
 
 
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