가스터빈 원리

△복합화력 발전소 개요

복합화력 발전소(CCPP: Combined Cycle Power Plant)는 발전소의 출력 및 효율을 극대화하기 위해서 가스터빈(Gas Turbine - Brayton cycle)을 이용한 단순화력발전(SCPP: Simple Cycle Power Plant)과 배열회수 보일러(HRSG: Heat Recovery Steam Generator)를 통해 생성된 증기를 이용한 증기터빈 (Steam Turbine· Rankine cycle)의 조합된 발전으로 이뤄진다.

증기터빈 발전은 가스터빈 출구에서 배출되는 고온의 배기가스(Exhaust Gas)를 배열회수 보일러로 유입해 이를 열원으로 고온, 고압의 증기(Steam)를 생성시켜 증기터빈(Steam Turbine) 및 발전기(Generator)를 구동해 2차 발전하는 발전소를 말한다.

2차 발전으로 인해 복합발전 플랜트 효율이 약 55% 정도에 이른다. 발전사에 따르면 복합발전 플랜트 구성(Configu ration)은 두가지 종류가 있다.

우선 Single Shaft(단축)로 가스터빈 및 스팀터빈이 하나의 구동렬(축)로 돼 있으며 하나의 발전기를 구동하도록 되어 있다.

또한 Multi Shaft(다축)는 가스터빈 및 스팀터빈이 각각 독립적으로 구성돼 있으며 각각 자체 발전기를 구동하게 돼 있다.

△단순화력 발전소

단순화력 발전소(SCPP: Simple Cycle Power Plant)는 압축 공기와 연료의 혼합 연소로 생성된 고온, 고압의 연소 가스로 가스터빈(Gas Turbine) 및 발전기(Gene rator)를 구동해 발전하는 발전소다.

이 경우 고온(약 650℃)의 배기가스가 스택(Main Stack or Bypass Stack)을 통해 대기로 방출되므로 플랜트 효율이 최고 40% 정도다.

발전소에 따라 배열회수 보일러(HRSG)를 설치하는 경우와 설치하지 않는 경우가 있다.

△가스터빈 기능 및 계통

가스터빈은 외부로부터 공기를 취입해 가스터빈 압축기에서 압축된 공기와 연료를 연소기에서 연소시켜 고온, 고압의 연소가스를 얻고 이 연소가스의 팽창으로 터빈을 회전시켜 발전기를 통해 전기를 발생시킨다.

이때 가스터빈에서 팽창된 연소가스는 배기닥트를 통해 배열회수 보일러를 거친 후 주 연돌을 통해 대기로 배출된다.

가스터빈 및 보조기기 계통은 가스터빈 윤활유 및 제어유 설비, 소화설비 계통, 공기취입 및 배기가스설비, 압축기 세정설비, 냉각용 공기 및 계기용 공기 공급설비, 기동설비 및 터닝장치, 전기 및 계측제어설비 등의 보조계통으로 구성된다.

△가스터빈 운전 및 정지

가스터빈의 출력은 터빈 연소실에서 유입되는 연료밸브를 제어함으로써 직접 제어되며 부분부하에서는 Inlet Guide Vane(IGV)으로 공기량을 조절해 연소온도를 조정한다.

가스터빈 연소장치는 점화에서 정격부하운전까지 연료제어가 2단계로 구분되며 점화 50%부하 및 그 이상 정격부하 운전으로서 각 단계별로 연소가 노즐 사용이 달라진다.

가스터빈 정지시에는 터빈 Rotor가 일정하게 냉각되도록 일정기간동안 회전시켜야 한다.

△가스터빈 장점

열교환기·중간냉각기·재열기를 첨가하거나 압축기 또는 터빈을 여러 개 조합함으로써 발전용·차량용 등 목적에 따라 그 성능을 가진 기관을 설계하기가 쉽다.

회전운동 부분만 있으므로 진동이 적으며 고속 회전(분당 5,000~수만 회전)이므로 출력당의 중량이 가벼우며 작은 것은 100마력에서부터 수만 마력의 것까지 제작된다.

부품의 수가 왕복기관에 비해 적으며 재료는 가스·석유·중유를 비롯해 목적에 따라서는 미분탄(微粉炭)까지 사용할 수 있으며 마찰부분이 적기 때문에 윤활유의 소비량이 적다.

특히 증기 터빈에 비해서 보일러·복수기(復水器) 및 냉각을 위한 물이 필요하지 않으며 시동에서 전력 운전까지의 시간이 매우 짧다.

이와 함께 보수·정비 및 운전 조작이 간단하다.

△가스터빈 단점

열효율이 낮고 연료 소비가 크며 대체로 부분부하의 특성이 나쁘다. 연소기·터빈이 고온을 받기 때문에 값비싼 내열재료가 필요하게 된다.

배기(排氣)·흡기(吸氣)의 소음이 커지기 쉽다.

△계통운영 따른 발전소

계통운용상 발전소는 기저부하, 중간부하, 첨두부하를 담당하는 발전소로 나눌 수 있다.

기저부하(base load)는 주어진 일정 기간 중의 최저 부하를 담당하는 것으로 전체 부하 중 24시간 또는 어떤 시간 동안에 계속적으로 걸리는 부하이다. 일정기간 (일, 달, 년) 동안 총수요량이 변하지 않는 부분이다.

중간부하(middle load)는 기저부하와 첨두부하의 중간부분의 전력을 담당하는 부하이다.

첨두부하(peak load)는 어떤 정해진 기간 동안의 최대 순간 부하나 최대 평균부하일 수 있다. 일반적으로 최대 평균부하를 주로 쓴다.

한 여름 사람들이 에어콘을 켜기 시작하는 아침이라고 가정해 보면 밤에는 원자력에서 나오는 기저부하로 전기 사용이 이뤄진다.

전력 사용량이 늘어나기 시작하면서 석유 등을 태우는 화력발전소에 대한 가동이 시작된다.

그러다 특정 지역 혹은 특정 시간대에 예상치 못한 수요가 늘어난다고 할 때 비로서 LNG 버너라고 부르는 LNG복합화력발전기들이 작동을 시작한다. 보통 버튼을 누르고 발전까지 40분 정도 걸린다. 대단히 유리한 발전방식이다.

40분 정도에만 미리 전력수요를 알 수 있으면 기민하게 대처할 수 있기 때문이다. 당연히 전력가격도 비싸다.

특히 셰일가스 붐에 힘입어 LNG복합화력이 기존의 석탄화력발전소를 밀어내고 있는 양상을 띄고 있다.

이에 따라 신규발전소 건설 예정인 국가도 LNG복합화력의 대규모 건설사업이 추진되고 있으며 기존 기저발전원의 자리를 위협하고 있다.