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제 1 절 복합화력발전 1. 개 요 전력사업에서 화력발전의 주체로 되어온 기력발전에서는 증기조건의 고온‧고압화로 40%(HHV, 고위발열량 기준)를 넘은 열효율이 실현되고 있지만, 주요기기에 사용되고 있는 재료의 강도 제약으로 비약적인 향상은 기대할 수 없다. Combined Cycle 발전설비는 Gas Turbine과 증기 Cycle을 조합함으로써 종전의 기력발전에 비하여 열효율의 대폭적인 향상을 기대할 수 있다. Combined Cycle Plant의 열효율 향상은 Gas Turbine의 고온화에 힘입은 바가 크다. 1100℃급 Gas Turbine에서 약 44%, 현재 주류로 되어있는 1300℃급 Gas Turbine 을 사용한 경우 50%에 가까운 성능이 얻어진다. 향후 1500℃급 Gas Turbine에서는 증기냉각을 채용하는 것으로 냉각효율을 높임과 동시에 증기 Cycle의 고효율화를 기하고 있다. <GT 입구온도와 Combined Cycle 열효율> 가. 기력발전 종전 화력발전의 주류인 기력발전 Cycle은 물 및 증기를 작동유체로 하는 Rankine Cycle을 기본으로 하는 열기관이다. 일반적으로 열기관은 작동유체의 최고온도가 높을수록, 또 최저온도가 낮을수록 투입한 열량에 대한 일의 비율 즉 열효율은 향상한다. 저온쪽의 저온열원으로서 해수나 대기 등이 유효하게 이용할 수 있는 반면에, 고온측 에서는 화석연료의 연소에 의해 1000～2000℃라고 하는 고온열원이 얻어짐에도 불구하고 Rankine Cycle에서는 고온열원과 작동유체인 물 또는 증기와의 사이에서 열교환을 행하여야 하며, 또한 재료의 고온 강도상 문제가 생기기 때문에 550～650℃가 상한으로 되어 왔다. Cycle 구성 면에서도 여러 가지 효율향상이 이루어져 왔다. 재열 Cycle 이나 재생 Cycle의 채용이 그 대표적인 것이지만, 이들은 단수가 많아지면 Cost가 증대할 뿐 효율향상의 효과가 적어져 가기 때문에 재열은 1～2 단, 재생은 8단 정도밖에 실용되지 않고 있다. 또한 단기용량의 증대는 각 설비의 손실을 상대적으로 저감하는데 유효하기 때 문에 꾸준히 대형화의 노력이 이루어져 현재로는 1000㎿의 단기용량이 달성 되 고 있다. 그러나 이것은 각 기기의 제작상 한계에 도달하고, 또 그 이상으로 대형화하여도 그 Merit는 감소한다. 현재의 기력발전으로서는 재열‧재생 Cycle을 채용한 단기출력 1000㎿의 초임계압 Plant가 주류로 되어 있고, 열효율은 41%에 도달하고 있다. 그러나 기력발전 Cycle의 효율향상은 이미 포화상태이고, 향후 극적인 효율향상이 달성된다는 것은 그다지 기대할 수 없다. <기력 Cycle> 나. Gas Turbine 발전 Gas Turbine 발전장치는 공기 및 연소 Gas를 작동유체로 하는 열기관으로 통상 ‘브레이튼 Cycle’이라고 일컬어지고 있다. 이 Cycle은 우선 대기를 흡입하여 압축기로 압축시켜 고압으로 한 후에 연료를 투입하여 이것을 연소시켜, 고온의 연소 Gas로 Turbine을 구동한다. 연소기에 서 연소한 고온 Gas는 다른 매체와 열교환 없이 직접 Turbine을 구동하여 그 자신이 저온으로 되기 때문에 고온 Gas를 취급하는 부위를 극히 일부로 제한할 수가 있다. 따라서 이 부위만 고도의 냉각기술이나 내열성이 우수한 고급재료를 집중적으로 적용함으로서 고온열원을 유효하게 또한 경제적으로 이용할 수가 있다. 현재 연소온도는 1500℃에 달하고 있고 향후도 냉각기술이나 고온재료의 개발에 의하여 다시 연소온도의 향상, 나아가서는 열효율의 향상을 기대할 수 있다. 또 Gas Turbine 발전장치는 기기 중량당의 출력이 크고 열용량이 적기 때문에 급속한 부하변화나 기동정지가 가능하다는 특징이 있고 Peak Load용이나 비상용으로서도 이용 가능한 우수한 운용성을 가지고 있다. 그러나 Gas Turbine에서 배출되는 배기 Gas의 온도는 550～650℃정도로 높고, 이 배기 Gas를 유효하게 이용하는 것 없이 배출할 경우에는 열효율이 현저하게 낮게 머무른다고 하는 문제점이 있다. <GT Cycle> 다. Combined Cycle 발전 Combined Cycle 발전은 앞에 언급된 두 개의 Cycle을 조합함으로서 Gas Turbine의 최고 이용온도역이 높다고 하는 이점과 증기 Turbine의 최저 이용온도역이 낮다고 하는 이점을 활용한 것이다. 즉 이 두 개의 Cycle을 조합함으로서 기력발전의 고온화에 대한 제약은 경감되고 Gas Turbine의 배기 Gas에 의한 Energy Loss도 경감된다. <Combined Cycle> 이론 Cycle 선도를 이용하여 열효율에 대해 설명하면 다음과 같다. 우선 대기(공기)를 압축기에서 단열압축[궤적(1→2)]하고, 연소기에서 연료를 연소하고 압축된 공기를 등압가열[궤적(2→3)]한다. 다음에 Gas Turbine 부에서 단열팽창 [궤적 (3→4)]하고, Gas Turbine을 구동하여 발전한다. 최후로 배기 Gas를 등압방열[궤적(4→1)]하고, Gas Turbine Cycle [궤적(1→2→3→4→1)]이 형성된다.
Gas Turbine에서 방출된 배기 Gas를 배열회수 Boiler (HRSG : Heat Recovery Steam Generator)로 인도하고, 배기 Gas의 열 Energy에 의하여 증기를 발생[궤적(5→6)]하게 한다. 다음에 그 증기를 증기 Turbine에서 단열팽창[궤 적(6→7)]하고, 증기Turbine을 구동하여 발전한다. 최후로 단열팽창 후 증기가 복수기에서 등압냉각[궤적(7→5)]에 의하여 액화되어 물로 되고, 증기 Turbine Cycle [궤적(5→6→7→5)]이 형성된다. 상기 Cycle에 관한 열효율을 구하는 방법을 기술하면 다음과 같다.
Combined Cycle 발전의 열효율을 향상시기키 위해서는 Gas Turbine 입구 Gas 온도 [점(3)]를 상승하게 하여, QG1을 크게하면 좋다. QG1을 크게 하므로써 QS1 도 크게 되어 열효율이 향상된다. 1100℃급 Gas Turbine에 의한 Combined Cycle 발전에서 열효율은 약 43% 이고, 또 1300℃급 Gas Turbine에 의한 Combined Cycle 발전에서 열효율은 약 48-50%로 된다.
<Combined Cycle 의 이상 Cycle> 2. 복합발전 방식 <신인천 복합화력발전소 : 한국남부발전(주)>
* 복합효율(설계) : 52.39 % 가. Cycle 구성에 의한 분류 1) 배열회수식(Unfired HRSG) 가스터빈의 배기가스가 보유한 열을 단순 배열회수보일러에서 흡수하여 증기를 발생시켜 증기터빈을 구동시키는 방식으로 복합발전방식중 가장 간단한 System이며 가스터빈의 고온화가 진행되면 배기가스 온도도 상승하므로 고효율화에 가장 유리한 방식이다. 현재 한전에서 채용한 열병합 발전은 모두 이 방식을 채용하고 있으며 특성은 다음과 같다. ① System이 간단 ② 가스터빈 출력비가 큼 ③ 가스터빈이 고온화 될수록 열효율 향상비율이 큼 ④ 기동 소요 시간이 짧음 ⑤ 증기터빈의 단독운전이 불가능 ⑥ 출력당 온배수량이 적음 ⑦ 가스터빈의 고온화에 따라 점점 널리 사용 추세 <배열회수식>
2) 배기 조연식(Supplementary Fired HRSG) 배기가스 덕트 내부에 추가로 공급된 연료를 연소하여 배기가스 온도를 더욱 높임으로써 보다 많은 증기를 생산하는 방식이다. 가스터빈에서 연료를 연소할 때 공급되는 전체 공기중 극히 적은 량의 산소가 소비되므로 배기가스에는 일정량의 산소가 남아있게 되며 이를 이용하여 배기가스 덕트내에서 추가적인 연료연소가 가능하다. 배기조연식은 연소용 공기가 충분히 예열되어 있는 상태이므로 동일한 양의 증기생산을 기준으로 비교해 볼 때 석탄화력 보일러에 비하여 연료소비가 10～20% 적으며 중요한 특징은 아래와 같다. ① 조연량이 많아질수록 증기터빈 출력비 증가 ② 가스터빈 배기가스 온도에 따라 최적 조연량이 결정되고 가스터빈이 고온화 될수록 조연량이 감소 ③ 기동소요시간은 비 조연식에 길어짐 ④ 증기터빈 단독운전 불가능 ⑤ 조연량이 증가함에 따라 온배수량(냉각수 소요량)증가 ⑥ 가스터빈 입구온도가 낮은 경우에 유리 <배기 조연식>
3) 배기 재연식(Refired HRSG) Gas Turbine 배기 중에는 상당량의 산소가 잔존하여 있기 때문에 산소를 일반 기력발전 Boiler의 연소용 공기로서 이용한 Cycle이다. Gas Turbine 배기는 고온이기 때문에 범용 Boiler에서 설치되는 공기 예열기가 불필요하게 되며, 대신에 Boiler 배기 Gas의 열은 급수가열 등에 의하여 회수된다. 따라서 열회수에 의하여 급수가 열을 위한 증기 추기량을 줄이기 때문에 Plant 효율은 향상한다. 배기 재연식은 동일한 양의 증기생산을 기준으로 비교해 볼때 외부공기를 이용하는 석탄화력 보일러에 비하여 연료소비가 약 8% 적다. 그러나, 이 형식은 연료연소용 매체인 배기가스의 산소농도가 외부공기에 비해 낮으므로 안정된 점화 및 연소상태가 유지되어야 하며 중요한 특징은 아래와 같다. ① 운전, 제어 계통이 복잡함 ② 증기터빈의 출력비가 큼 ③ 보일러에 사용하는 연료는 가스터빈과 무관하게 선정 ④ 가스터빈의 고온화에 따라 연소공기 보충용 압입통풍기 필요 ⑤ 100% 용량의 압입 송풍기의 설치시 증기터빈 단독 운전 가능 ⑥ 온배수량은 기력보다 약간 적음 ⑦ 가스터빈 입구 온도가 낮은 경우에 유리 <배기 재연식> 4) 과급 보일러식 압축기에서 압축된 공기를 이용하여 보일러에서 가압연소하고 그 배기가스를 가스터빈에 도입하여 가스터빈을 구동하는 방식으로 보일러내에서 수냉벽에의해 연소가스가 적정온도로 냉각되며 가스터빈의 배기가스는 급수가열기를 이용하여 잔열을 회수한다. ① 가스터빈 입구온도를 낮출 수 있음 ② 증기터빈의 출력비가 약간 큼 ③ 보일러의 연료는 가스터빈에 의해 제약됨 ④ 증기터빈 단독운전 불가능 ⑤ 가압 보일러이므로 열전달율이 높아 소형화되지만 내압 구조 필요 <과급 보일러식>
5) 급수 가열식 가스터빈 배기가스로 증기터빈용 HRSG의 급수를 가열하는 방식이다. ① System이 단순 ② 증기터빈의 출력비가 큼 ③ 보일러에서 사용하는 연료는 가스터빈과 무관하게 선정 ④ 증기터빈의 단독운전 가능 <급수가열식>
나. 축 구성에 의한 분류 1) 일축형 System Gas Turbine 1기에 대해 배열회수 Boiler 1기‧증기 Turbine 1기를 갖춘 System이다. 통상 Gas Turbine과 증기 Turbine의 축은 기계적으로 접속되고, 발전기를 공통으로 함으로서, 건설비 및 배치 Space가 절감된다. 정격부하에서의 열효율은 증기 Turbine이 소형으로 되기 때문에 다축형 System에 약간 못 미치지만, 부분부하에 있어서는 계열운용을 행하는 것으로 다축형에 비교하여 높은 열효율을 유지할 수 있다. 증기 Turbine의 열용량이 적으므로 Plant 기동시간이 짧은 것이나, 축마다의 간섭이 없기 때문에 정기점검을 1축마다 단독으로 실시할 수 있는 등의 이점도 있다. 서인천 복합화력의 경우 기동손실 감소와 효율개선 목적으로 가스터빈축과 증기터빈축을 분리하는 이축형 방식을 채택하고 있다. <일축형 복합발전 형식>
2) 다축형 System 가스터빈 여러호기에 대해 증기터빈 한호기를 대응시켜 플랜트를 구성하여 이용하는 방식이다. 제어장치 구성은 각 호기마다 가스터빈, 배열회수보일러의 개별제어장치와 이에 대응한 증기터빈 제어장치 및 전체를 하나의 플랜트로 통합하는 총괄제어장치로 구성된다. 신인천 복합(GT2+ST1), 일산복합 #1(GT4+ST1), 일산복합 #2(GT2+ST1), 분당복합 #1(GT5+ST1), 분당복합 #2(GT3+ST1) 등에 채용되고 있다. <다축형 복합발전 형식> 3) 일축형과 다축형의 운용상 특성 비교 가) 부분부하시 열효율 변화 정격부하시의 열효율은 증기 Turbine이 대용량으로 되는 다축형 쪽이 높게 된다. 부분부하시에 가령 Gas Turbine 전 Unit를 균등히 부하운전한 경우는 1축형 및 다축형 양측 다 열효율이 급격히 저하하고, 기력발전 Plant를 크게 하회하게 되지만 Gas Turbine의 운전대수(축수)를 순차적으로 줄이고 부분부하(계열로 하여)로 하는 것은 모든 부하범위에 있어서 Combined Cycle 발전Plant 열효율이 기력발전 Plant를 크게 상회하게 된다. 부분부하시에는 일축형과 다축형 모두 Gas Turbine의 운전대수를 줄이지만 다축형은 증기 Turbine이 부분부하로 되기 때문에 열효율의 저하가 일축형보다 크게 된다. <일축형과 다축형의 부분부하시의 열효율 변화>
나) 부분부하시 운전 배려점 Combined Cycle 발전 Plant의 부분부하 운전은 고효율 운전 관점에서 Gas Turbine 운전대수의 증감에 따라 대응하는 것이 바람직하다. 일축형의 경우는 증기 Cycle계가 타축에서 독립되어 있기 때문에 운전 축수의 증감에 대한 제약은 적지만, 다축형의 경우는 Gas Turbine 운전대수 증감 시 (Gas Turbine 기동정지 시) 배열회수 Boiler에서의 증기조건 변화에 배려를 해야 하는 등 운용상의 제약은 일축형 보다 크다. 다) 기동 정지시간 기동 정지시간에 대해서는 증기 Turbine이 소용량으로 되는 1축형쪽이 다축형 보다 짧다. 라) 정기 점검등의 운용성 일축형에서의 정기 점검은, 타축과 독립으로 일축마다 단독으로 행하여진다. 다축형의 경우 Gas Turbine 및 배열회수 Boiler의 정기 점검은 일축형과 같이 행하여지지만, 증기 Turbine의 정기점검시에는 당해증기 Turbine에 연결되어있는 수대의 Gas Turbine 및 배열회수 Boiler를 합해서 정지할 필요가 있다. 다. Combined Cycle의 특징 1) 높은 열효율 Combined Cycle은 고온열원으로서 연소 Gas의 Energy를 유효하게 이용할 수 있는 Gas Turbine과 대기나 해수라고 하는 저온열원을 유효하게 이용할 수 있는 증기 Cycle과 조합했기 때문에 열효율이 높다. 특히 고온 Gas Turbine을 사용한 배열회수 Cycle은 1500℃라고 하는 고온 영역의 Energy를 Gas Turbine이 효율적으로 회수하여 Gas Turbine 배기 Gas 온도가 600℃ 정도로 되고, 증기 Cycle의 적정한 Energy를 가지고 있기 때문에 효율적으로 열회수를 할 수 있다. 2) 부분부하 운전시 열효율 저하가 작다 가스터빈 한대의 용량은 150MW 전후로 기력에 비해 매우 작기 때문에 여러 유니트를 조합하여 대용량 복합발전 플랜트를 구성한다. 복합발전 운전중 출력감발의 경우 가스터빈을 한대씩 정지시키고 운전중인 가스터빈은 최대출력으로 운전하므로 열효율 저하가 적어진다. 3) 기동, 정지시간이 짧다. 가스터빈은 별도 기동장치에 의해 기동되기 때문에 기동시간이 매우 빠르며, 기동조건에 관계없이 기동시간이 일정하다. 증기터빈은 기존 석탄화력발전소의 증기터빈보다 용량이 적기 때문에 역시 기동, 정지시간이 짧다. 기존 석탄화력 600MW급(드럼형 보일러)의 경우 보일러 점화에서 정격출력까지 냉간기동(Cold Start)인 경우 최대 20시간, 온간기동(Warm Start)인 경우 최소 3시간 정도 걸린다. 복합플랜트는 가스터빈 기동에서부터 증기터빈 정격출력을 내기까지 1시간정도 걸린다. 기동, 정지시간이 짧기 때문에 기동, 정지손실이 적어지며 계통부하변화에 신속히 대응할 수 있다. <일축형 복합발전 플랜트 기동특성> 4) 공해발생이 적다 가스터빈 연료는 주로 LNG를 사용하므로 배기가스 중에 황산화물, 분진, 매연 등의 공해물질이 거의 배출되지 않는다. 질소산화물은 연소과정에서 다소 발생되나 질소산화물 저감기술 개발 채용 및 최적운전으로 높은 배출기준치 보다 훨씬 적게 배출된다. 복합발전 플랜트의 증기터빈 용량은 전체용량의 약 1/3이므로 복합발전 플랜트와 동일 용량의 석탄화력에 비해 냉각수 소요량이 적다. 복수기 냉각수에 의한 온배수(溫背水) 배출과 잦은 기동, 정지로 인해 배열회수 보일러에서 배출되는 온배수를 포함하더라도 온배수 배출량은 같은 용량의 석탄화력에 비해 60～80% 정도밖에 되지 않는다. 5) 건설공기가 짧고 건설단가가 싸다 가스터빈은 거의 완제품으로 제작된 상태에서 설치장소까지 운반되므로 설치하기가 용이하다. 본체 도착후 연료공급설비를 비롯한 일부 보조설비와의 연결작업만이 필요하므로 건설기간이 짧다. <발전소별 건설공사비 실적>
* 자료출처 : 2004년도판 발전설비현황(2004.9, 한국전력거래소) 6) 대기온도에 따라 출력이 변화한다. Gas Turbine 발전설비는 대기온도가 성능 기준온도(15℃)보다 낮아지면 출력이 증가되고 대기온도가 높아지면 감소된다. 대기온도가 낮아질 경우 출력이 증가되는 이유는 다음과 같다. ○ 대기온도가 낮아지면 공기 밀도가 증가하여 흡입공기량이 증가되므로 연료의 추가 공급이 가능하다. ○ 흡입공기량과 연료공급량 증가로 연소가스량이 증가되어 가스터빈의 추력이 증대된다. 또한, 가스터빈 출력증가와 함께 배열회수보일러에서 발생증기 증가로 증기터빈 출력도 약간 증대된다. 대기온도가 높아지고 전력수요가 Peak로 되는 여름철 주간에 출력이 감소하는 특성은 Combined Plant의 결점의 하나라고 말할 수 있다. 그러나 최근에는 비교적 동력 수요가 적게 되는 야간에 잉여전력을 이용하여 냉열을 제조하고, 축적한 냉열로 주간에 흡기를 냉각하여 출력회복을 한다고 하는 Gas Turbine 흡입냉각 System이 실용화되고 있다. 냉열매체로서는 얼음이나 액체공기 등을 이용할 수 있다. <대기온도 변화와 출력특성(일축형의 예)>
가스터빈 연료로 석탄을 사용하고자 한다면 고체연료인 석탄의 가스화가 필요하다. 가스터빈에서 석탄을 직접 연소시키는 것은 곤란하므로 여러과정을 거쳐 석탄을 정제된 가스로 만든후 가스터빈에서 이용하고 가스터빈 배기열을 증기사이클에서 이용하여 증기터빈을 구동하는 발전방식을 석탄가스화 복합발전(IGCC : Integrated Coal Gasification Combined Cycle) 이라 한다. 석탄가스화 복합발전방식은 기존 석탄화력 발전방식에 비해 공해물질을 현저히 줄일수 있고 발전효율이 높은 신기술로 현재 실용화 단계에 있다. * 정부의 신재생에너지 공급발전량 목표달성을 위한 연도별 발전설비 용량 규모
주 1. IGCC : Integrated Gasfication Combined Cycle (가스화복합발전) 2. LFG : Land Fill Gas (매립지가스) 3. 근 거 : 제2차 전력수급 기본계획(2004. 12) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
