[발송배전기술사 실전문제해설] [문제25] 가압유동층 발전프랜트의 구성 및 운영상의 특징에 대하여 설명하시오.

이미지 출처 - 슬라이드 플레이어

 

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

 

[문제25] 가압유동층 발전프랜트의 구성 및 운영상의 특징에 대하여 설명하시오.

 

1.개요

 

PFBC는 유동층에서 연소된 석탄의 열을 증기터어빈용 증기 생성에 사용하고 고압의 배기는 가스터어빈에 사용하는 방식으로 석탄을 깨끗하고 효율적으로 연소시켜 복합발전에 사용하는 최신기술이다.

 

 ☞ 석탄은 세계적으로 가장 많이 분포되어 있고 쉽게 얻을 수 있는 연료로 알려져 있다. 현재 전세계적으로 약 40%의 발전에 석탄이 이용되고 있으며 양의 풍부함과 가격의 안정성 때문에 많은 나라가 석탄으로 발전연료를 바꾸고 있는 추세로서 다음 세기의 주요 연료로 주목되고 있는 상황이다.

 

2.기본구성요소

 

 2-1.연료설비

석탄을 5mm이하의 크기로 분쇄하여 유황을 제거할 수 있는 석회나 백운석 그리고 물과 함께 혼합하여 유동층상에 공급하는 설비이다. 저질탄의 경우에는 공기로 공급한다.

 

 2-2.연소기

연소용 공기가 Inert Bed에 공급되면 마치 물이 끓는것 처럼 연소한다. 가스터빈압축기에서 공급하는 12～16 bar의 연소공기가 압력을 가하여 유동층 깊숙이까지 완전연소시켜 연소효율을 높게한다.

 

 2-3.증기 발생기

증기는 유동층상에 배열된 튜브군으로 부터 생산된다. 열전달율을 기존 보일러에 비하여 4～5배 이상 향상시킬수 있다..

 

 2-4.원심분리기

연소가스가 가압연소기에서 배출되기 전에 비산회를 2단의 원심분리기에 의해 약 98%를 제거하며 나머지 2%의 분진은 10미크론 또는 500PPM이하로 가스터빈에 유입된다.

 

 2-5.절탄기

열교환기에 의해 터빈출구 연소가스를 굴뚝으로 안전하게 배출 가능한 온도까지 낮추도록 급수를 가열하는 장치이다.

 

 2-6.가스터빈

 터빈에서 가스를 팽창, 압축기를 구동하면서 약20%의 전력을 생산한다.

 

 2-7.증기터빈

고압증기를 사용하여 80%의 전력을 생산한다.

 

 2-8.필터

연소로 내에서 발생된 고압의 연소가스가 원심분리기를 통과후 가스터빈에 유입되기 전에 필터를 설치하여 남아있는 잔유분진을 제거한다.

                                          

 

 

3.PFBC의 특징

 

 3-1.환경적 안정성

 연소과정에서 각종공해물질을 제거하므로 깨끗하고 배출물질이 적으며 부산물도 무해하다.

                         ♣  공해물질 배출 비교  ♣

 

 

SOx	NOx	CO2
99% 제거	95% 제거	15% 제거

            ※ 기존 화력발전소의 배출량을 100%로 했을 때 제거량

 

 3-2.고효율

가압상태로 연소되고 높은 가스밀도에 의한 전열성능 향상과 복합발전방식에 의한 효율향상으로 이제까지 입증된 효율이 약 45% 가량으로 대단히 높으며 장차 약 50%이상의 효율도 기대되고 있다.

 

 3-3.운영비의 절감

복합사이클과 조합하면 기존 석탄화력에 비해 10～15%의 연료를 절감(발전원가중 연료비는 약 40%) 할 수 있다.

 

 3-4.건설공기의 단축

PFBC는 구성이 간단하고 모듈화 할 수 있어 건설비 및 공기가 절감될 수 있으며 용량의 증가등 설비의 확장을 용이하게 할 수있다.

 

 3-5.연료의 다양성

유동층 연소기술은 우리나라의 저질탄이나 각종 도시쓰레기,산업 폐기물등 다양한 연료를 활용할 수 있다.

 

 3-6.설비구성의 단순성

공해방지설비를 따로 설치할 필요가 없다. 또한 가압상태에서 연소를 시킴으로 플랜트의 크기를 기존 보일러보다 1/3로 적게 할 수 있고 공간을 적게 차지하며 무게도 절반정도이다. 따라서 기존의 노후화된 유류화력이나 석탄화력의 Repowering용 대체발전소로서 활용하는 경우에 입지적인 제약을 전혀 받지 않으므로 Repowering용의 대표적인 발전방식으로 주목받고 있다.

 

4.가압유동층 연소기술의 문제점 및 개발과제

 

유동층에서 연소된 가스가 직접 터어빈을 통과하므로 필터를 설치하여도 터빈날개의 부식이 매우 심하다. 현재는 3-4년에 한번씩 터빈계통을 교체 하여야 하는 것으로 알려지고 있다. 또한 1기당 단위기의 용량규모가 적어 규모의 메리트는 기대할수 없을 것으로 판단된다. 주된 문제점 및 향후 개발과제를 요약하면 다음과 같다.

 

 - 현재까지 200MW급 이하에 적용되고 있는 정도로서 대형화 기술의 정립이  미흡하다.

 - 고온유동상에 의한 전열관 마모 및 회처리 문제

 - 부하의 추종성이 만족할만 하지 못하다.

 - 고온가스의 정제기술 미흡

 

5.향후전망

 

PFBC는 상업운전에 의해 증명된 청정석탄이용기술로서 기존 석탄발전소보다 15%이상 효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 배출물질도 규제수준 이하로 낮출 수 있어 각국의 관심대상이 되고 있는 최신 기술이다.

현재까지 가스터빈 입구온도가 비교적 낮은 850℃정도이나 장차 고온가스필터가 개발되면 터빈입구온도를 더욱 올릴수 있어 좀더 높은 효율이 기대된다. Hot Gas Filter가 채택되면 전체효율은 50%까지 향상될 것으로 기대되고 있다. 미국에서는 1990년도부터 80MW급의 실증용을 운전중에 있으며 1995년에 350MW급을 상업운전계획이다.

 

[참고] 가압유동층 연소의 특징

                                      ☞ 필요시 前問의 3항 대체 가능

 

1. 환  경

연소가 900℃ 이하의 온도에서 이루어지므로 Thermal NOx가 발생하지 않는다. 또한 과잉공기량이 거의 없어 Fuel NOx 발생을 30mg/MJ이하로 줄일수 있다.

 ♣ 기존 보일러의 연소온도는 1600℃정도이며 NOx는 1300℃이상에서 발생함

유황성분은 연소기 내에 칼슘을 주입하여 99%까지 제거가 가능하며 CO2배출은 석탄연소와 직접적인 관계가 있지만 기존 석탄화력보다 10-15%정도 효율을 높일수 있으므로 그만큼 연료소비를 적게하여 CO2 배출량을 줄일수 있다.

그리고 폐수나 발암물질, 황산염,황화물과 유해가스를 거의 발생시키지 않으며 CO발생은 무시할 수 있다.

 

2. 투  자

동일출력의 석탄화력에 비하여 가압유동층 연소기는 크기가 1/3밖에 되지 않아 Steel이 적게 사용될 뿐만 아니라 그만큼 무게도 감소시킬수 있어 건설비를 줄일수 있다. 또한 프랜트가 공장에서 제작,운송할수 있게되어 건설비를 절감할 수 있고 건물이나 기초의 규모가 작아도 되며 설치 및 조합이 쉽다.

가스터빈은 가압유동층 연소기에 의해 결정되므로 표준화가 용이하여 가격을 절감할수 있다. 따라서 표준화된 기존 발전소에 비해 최소한 20% 이상 투자비를 절감할 수있다.

 

3. 연  료

석탄의 종류와 유황함량에 관계없이 다양하게 연료를 사용할 뿐만 아니라 복합사이클과 혼합하여 효율을 상승시키므로 기존 석탄화력보다 10-15%의 연료를 절감할 수 있으며 개조(Retrofit)시에는 약 20%의 연료를 절약할 수 있다.

 

4. 운전 유지

연소기의 냉각시간은 20시간이며 냉간기동시 전출력까지 6-8시간이 소요된다. PFBC는 운전조작이 간단하여 한조당 5～6명의 인원으로 운전이 가능하므로 인건비를 절약할 수 있다.