[발송배전기술사 실전문제해설] [문제20] 콤바인드사이클 발전 프랜트의 기본구성과 종류,특징에 관하여 설명하시오

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본 글은 신들의 정원 – 강화풀밭농원 (최진만 기술사)에게서 가져왔음을 알린다.

 

[문제20] 콤바인드사이클 발전 프랜트의 기본구성과 종류,특징에 관하여 설명하시오.

 

1.개   요

 

복합발전은 2개이상의 발전방식을 조합하여 발전설비 전체의 효율을 높이려는 방식이다. 이미 실용화 되어 있는 대표적인 방식으로 가스터빈과 증기터빈 복합발전이 있다. 본 발전설비는 LNG등의 가스연료가 같는 높은 연소에너지를 가스터빈발전에 먼저 이용하고 그 배기가스가 같는 에너지로 다시 증기터빈발전을 하는 것이다. 따라서 종래의 증기터빈 단일사이클발전에 비하여 높은 발전효율을 얻게된다. 현재의 복합발전용 연료로는 Clean연료인 LNG가 이용되고 있으나 앞으로는 석탄가스화 기술에 의해 생성된 석탄가스의 이용방안이 수년내 실용화될 것으로 전망되고 있다.

 

2.종     류

 

복합발전의 종류에는 각종 발전방식의 조합형태에 따라 다음과 같이 여러가지로 분류할 수 있다.

    - IGCC,PFBC 가스터빈발전 + 증기터빈발전

    - 내연력발전   + 증기터빈발전

    - MHD발전      +       “     등

현재까지 실용화되어 가장 대표적으로 채용되고 있는 LNG 가스터빈발전과 증기터빈의 복합발전 운영방식을 기준으로 설명하면 다음과 같다.

 

 2-1.배열회수 사이클

가스터어빈에서 전량연소된 고온의 배기가스로 증기터빈용 보일러를 직접가열하는 방식이다. 연료를 가스터어빈에서 전량 연소하기 때문에 증기터어빈의 상시운전이 불가하다.(즉 가스터어빈 운전시에만 기력터어빈 가동)

 

 2-2.배기조연 사이클

가스터어빈 배기가스중에 함유된 15%가량의 잔유탄소를 증기터어빈의 보이러에서 소량의 추가연료와 함께 재연소 시키는 방식이다.

 

 2-3.배기재연사이클

가스터어빈의 배기를 그대로 보일러에서 재연소 시키는 방법이다.

 

 2-4.급수가열 사이클

가스터어빈 배기로 증기터어빈 보일러의 급수를 예열한다.

 

3.플랜트의 구성　

 

콤바인드사이클 발전프랜트의 구성은 1차 발전계통의 열사이클에서 발생되는 무효에너지 일부를 2차 발전계통의 유효에너지로 전환할 수 있도록 한다. 즉 가스터어빈 발전설비와 일반증기터어빈 발전설비를 조합하는 경우 가스터어빈에서 발생되는 고온의 배기(400～550℃)나 연소가스의 잔유탄소를 증기보일러에 유도하여 재이용하는 것이다. 즉 가스터어빈 열사이클의 무효에너지(배기가스)일부를 증기보일러에서 흡수하여 기력발전의 랭킨사이클에 회수,종합열효율을 개선토록 다음과 같이 구성된다.

 

 

 

 

4.특   징

 

 4-1.열효율이 높다.

  - 플랜트 전체의 열효율은 송전단에서 41～43% 이상을 시현하고 있다.

    ※ 대형신예화력 = 39% ,원자력 = 33%

 

 4-2.부분부하 효율이 좋다.

각각 독립된 소용량 발전설비의 집합체로 구성되므로 僞急정지의 경우 타기기에 비하여 출력강하가 적으며 부분부하에서도 단위기기의 대수제어를 실시하여 고효율을 얻을 수 있다.

    ※ 안양복합화력의 경우 G/T 4 대 + S/T 1대가 1 SET임 [참고1]

 

 4-3.기동시간이 짧고 부하변동에 따른 추종성 우수

가스터어빈의 장점을 살려 쉽게기동,정지가 가능하며 부하변동에 따른 추종성이 풍부하여 미들화력으로서의 대응성이 우수하다.(기동시간은 약1.5시간으로 전프랜트의 기동이 가능하다)  따라서 부하변동이 심한 공업지대의 전력공급에 적합하다.

 

 4-4.프랜트구성이 단순하다.

비교적 소용량의 단위설비를 수개 조합하여 대용량화 하는 설계방식으로 건설하고 있다. 따라서 각각 별개로 확립된 기술에 의하여 구성요소를 단순히 조합한 것으로 종래 화력에 비하여 건설단가가 약 70%정도이며 건설공기도 짧다. LNG복합의 경우 집진기,공기예열기 및 기타 보조기기의 대수를 절감할 수 있으며 전 프랜트의 자동화도 용이하다.

 

 4-5.전력수요의 증가에 맞추어 설비운전 개시시기를 조정 할 수 있다.

가스터어빈 설비를 2년이내에 발전시키며 증기터어빈의 발전개시는 그로부터 12～18개월 사이로 늦출수가 있다. 즉 수요의 증가에 따라 단계적으로 건설하여 운영하므로서 용량을 자유롭게 단기간 증가 시킬수 있어 전원개발계획의 유연성을 높일수 있다.

 

 4-6. 기존의 단일 증기사이클에 비하여 溫배수량이 적다.

냉각수의 필요량이 종래의 50～70%정도로 해역환경의 영향을 적게할 수 있으며 냉각수의 량이 적어 건설입지의 선정이 자유롭다.

 

 4-7.기　　타

배기가스량이 증기터어빈의 2～3배 정도이며 분진량이 극히적어 집진기가 필요없으나 별도의 굉음대책이 필요하다.

 

     　※　배열회수 사이클의 경우 출력비는 다음과 같다.

　　       가스터어빈 : 증기터어빈  =  70% :  30%

 

5.향후전망

 

국제적인 환경규제의 강화에 따라 LNG 연료의 확대사용이 불가피할 전망임으로 콤바인드사이클 발전의 도입은 LNG연료의 우선적인 이용을 전제로 하게 될 것이다.  또한 화력전원의 역활시프트(Shift)에 따라 복합발전소가 Middle 또는 Peak공급력에 대응이 가능한 올라운드전원으로 평가되어 향후 고성능,고효율화를 위한 기술개발이 진행될 것으로 전망된다. 따라서 종래 油全燒발전소나 미분탄연소발전소의 대체발전소 또는 성능및 출력을 대폭적으로 향상시키기 위한 콤바인드사이클 발전프랜트의 도입 연구가 활발하게 추진되고 있으며 석탄 가스화 기술과 연계한 복합발전의 구상이 본격화 되고 있다.

 

[참고] 복합발전의 역사 및 향후과제 복합발전은 약 30년전 미국의 항공기관에서 산업용 원동기로 전용된 가스터빈의 배열 이용기술로 실용화 되었다. 가스-증기 복합발전의 효율은 가스터빈의 성능과 밀접한 관계를 가지고 있다. 특히 가스터빈은 터빈입구의 온도를 높일수록 높은 효율을 시현할수 있으나 금속 재료의 내열성 한계로 인하여 현재는 약 1100℃정도 까지 가능하다. 현재까지의 연구개발 목표는 가스터빈 입구온도 1300-1400℃를 목표로 하고 있으며 다음의 과제를 추진중이다.   - 내열합금 및 내열세라믹에 의한 초고온 내열재의 개발,제조기술   - 고압압축기,고온고압연소기,저NOx,터빈 냉각방식등

[참고] 안양 복합화력발전소 개요

 

  ○ 시 설 용 량 :  전기출력 450 MW급

                    열출력   344 Gcal/hr

  ○ 형       식 :  가스터어빈,배압 및 저압 증기터빈 복합발전방식

  ○ 종합 열효율 :  76 %

  ○ 설 비 구 성

 

구분	가스터빈  (G/T)	스팀터빈  (S/T)
터 빈	형      식: 단순개방형      용      량: 79.4 MW x 4     배가스온도: 520 ℃          연      료: 액화천연가스,경유	형     식: 반동터빈  용     량: 160.8 MW x 1 증기 온도: 492 ℃      증기 압력: 65 Kg/cm2
발 전 기	형      식: 공기냉각,동기기 용      량: 119.2 MW x 4    전      압: 13.8 kV	형     식:공기냉각,동기기 용     량: 180.1 MVA x 1 전     압: 16.0 kV

 

  ○  소   음

구  분	규    제    치		설    계    치
	낮	밤	낮	밤
주거지역	55dB(A)	45dB(A)	55dB(A)	[참고] 안양 복합화력발전소 개요   ○ 시 설 용 량 :  전기출력 450 MW급                     열출력   344 Gcal/hr   ○ 형       식 :  가스터어빈,배압 및 저압 증기터빈 복합발전방식   ○ 종합 열효율 :  76 %   ○ 설 비 구 성   ○  소   음 45dB(A)