복합발전일반

강의 목표 ◈ 복합발전이란 무엇인가? ◈ 복합발전의 특징에 대해서 말할 수 있다. ◈ 복합발전의 설비구성과 운용에 대해서… ◈ HRSG의 종류 및 특징을 말할 수 있다. ◈ 열병합 발전이란?

강의 내용 제1강 복합발전 일반 ◈ 복합발전의 개요 ◈ 복합발전의 구성과 운용 제2강 배열회수보일러(HRSG) ◈ 배열회수보일러 일반 ◈ 배열회수보일러 구성요소 제3강 열병합 발전

복합발전의 정의 + 하나의 에너지원으로 2종의 상이한 작동 유체에 의한 각각의 열사이클을 결합하여 하나의 발전플랜트 구성 1차 열 사이클 (발전설비) 2차 열 사이클 (발전설비) + 발전기 발전기

우리나라 복합발전 + 대표적인 복합발전 복합발전 목적 * 에너지 이용 측면 : 열효율 향상 G/T Cycle (1차 열 사이클) + S/T Cycle (2차 열 사이클) 복합발전 목적 * 에너지 이용 측면 : 열효율 향상 - 1차 발전설비에서 발전하고 난 여열 회수 - 열효율 : G/T 35% + S/T 19% = 54% * 설비운용 측면 : 첨두부하, 열 공급

우리나라 복합발전 ◈ 1977년 : 복합화력 최초 도입 - 군산, 영월, 울산, 부평 ◈ 현재 복합설비 운용현황 ◈ 1977년 : 복합화력 최초 도입 - 군산, 영월, 울산, 부평 ◈ 현재 복합설비 운용현황 - G/T : 65대, S/T : 32대

국내 전력설비 현황 * 총 발전용량 : 56,980MW * 자료발췌 : 전력설비통계 2004. 5월

복합발전의 종류 ◈ 가스터빈 복합발전(G/T + S/T) - 국내 복합발전의 주된 설비 청정 석탄발전(CCT)에 의한 복합발전 ◈ 석탄가스화 복합발전(IGCC) ◈ 가압유동층 복합발전(PFBC-CC)

석탄 청정발전(CCT, Clean Coal Technology) 석탄 청정 발전이란 공급안정성 및 경제성이 우수한 석탄을 환경친화적이고 효율적으로 상용할 수 있도록 한 석탄이용 신기술

석탄 청정발전(CCT)의 필요성 지구 온난화 문제에 대응 열효율 향상 - 기존 미분탄 화력에 비해 뛰어난 환경 특성 - Co2의 획기적인 저감 열효율 향상 - 기존 석탄 연소방식은 초초임계압을 사용하더라도 2~3%의 효율상승 - CCT 기술 개발시 이론적으로 45~55% 가능

석탄 신기술 발전방식 (FBC) (IGCC) 상압 유동층 연소 (AFBC) 개량형 가스화 복합발전 (Advanced IGCC) 석탄 가스화 복합발전 (IGCC) 상압 유동층 연소 (AFBC) 개량형 가스화 복합발전 (Advanced IGCC) 가압 유동층 연소 (PFBC) 석탄 가스화 연료전지 (IGFC) 조연형 가압유동층연소 (Topping, PFBC)

화력설비의 전원구성 예측 ▶ IGCC : Integrated Gasification Combined Cycle ▶  PFBC : Pressurized Fluidized Bed Combustion ▶  IGFC : Integrated Gasification Fuel Cell

설비별 발전 열효율 비교 * PC+FGD : Pulverized Coal Power Plant With Flue             Gas Desulfurization

설비별 환경특성 비교 화력발전 설비별 대기오염물질 배출량 배출물 PC+FGD PFBC IGCC 비고 SOx 150 76 3.5 ppm NOx 200 60 30 분진 40 3 mg/㎠ CO₂ Base 0.90 0,82 kg/kWh

가압유동층 복합발전(PFBC-CC) (Pressurized Fluidized Bed Combustion Combined Cycle) 개념 : 유동층 보일러 + 가압연소공기 + 복합발전설비(효율 42%) * 유동화 압력에 따라 AFBC과 PFBC * 유동화 속도에 따라 BFBC과 CFBC 가압된 압력만큼 연소로 부피의 감소 - 대용량화 * 노내 압력 : 5 ~ 12기압 * 연소 온도 : 800 ~ 900℃ GT 압력비는 연소실 운전압력에 상응하며, 증기터빈 출력이 전체 출력의 75% 정도를 차지 노내 탈황으로 별도의 탈황설비 불필요(90% 이상 제거가능) 최대 장애는 고온 집진기술이며 현재 활발한 연구가 진행 중임

유동층 연소의 원리 A : 공기분산판 B : 유동층(Fluidized Bed) C : Freeboard D : 석탄공급관 G : Freeboard내 전열 H : 기포(Bubble)

복합발전의 종류 가압유동층 복합발전(PFBC-CC)

유동층 연소 발전방식별 특성 구 분 상압유동층연소 가압유동층연소 유동특성 분 류 ○ 기포식 ○ 순환식 운전압력 常 壓 구    분 상압유동층연소 가압유동층연소 유동특성 분    류 ○ 기포식 ○ 순환식 운전압력 常       壓 10 ~ 20 氣壓 설비구성 ()출력비 [기력발전 방식] 유동층 보일러 + 증기터빈(100%)   [복합발전 방식] 유동층보일러 + 가스터빈(20%) + 배열회수 보일러 + 증기터빈(80%) 최    대 실증용량 운전중 : 350 MW          (Takehara, 1995) 운전중 : 135 MW          (Vartan, 1991) 건설중 : 360 MW          (Karita, 2000) 효    율 35~36% 38~42% 제 작 자 CE, FW, Ahlstom, Lurgi ABB Carbon, FW, MHI 석    탄 활 용 도 저급탄에서 고급탄까지 광범위한 탄 적용 가능 AFBC 대비 비교적 고급탄 사용 특    징 ∙부하조정 신속성 결여 ∙대용량화 곤란 ∙효율향상 기대 곤란 ∙고밀도 가스에의한 전열성능 향상 ∙가압상태 운전으로 소형화 ∙복합발전에 의한 효율향상

플랜트 운전현황 및 건설계획 설 비 명 용량(MW) 제작자 석탄종류 운전개시 국가명 비 고 Tidd 70 ABB 역청탄 설  비  명 용량(MW) 제작자 석탄종류 운전개시 국가명 비   고 Tidd    70 ABB 역청탄 1991 미  국 DOE CCT Project 세라믹필터 分流 시험 Escatron #1    79 갈  탄 스페인   Värtan   135 스웨덴 상용 설비 Wakamatsu ABB&IHI 1994 일  본 정부지원 실증설비 Tomato-Atsuma (#3)    85 MHI 1996 일본 최초 상용설비 (세라믹필터 시험) McIntosh 4A 157 FW(PFBC) WH(HGF) 고유황 2001 미국 DOE CCT 실증설비 고온집진의 실증 McIntosh 4B 157+12 FW WH 2003 Topping Cycle 실증 Karita   360 2000 실증설비(정부지원) Osaki   250×2 Hitachi 1999 Isogo   350×2 Matsura Tomato-Atsuma (#4)   350 2002 Tomato-Atsuma #3 기술 적용

석탄가스화 복합발전(IGCC) (Integrated Coal Gasification Combined Cycle) 석탄을 고온 고압하에서 불완전 연소시켜 가연성기체로 변환시켜 (Co, H₂) 가스터빈 연료로 사용하는 방식 * 산화제 : 산소, 공기 환경적으로 차세대 석탄화력 발전시스템 (복합효율 42~53%) 주요구성은 석탄가스화장치, 가스정제장치, 발전계통, 산소분리장치 유연탄화력 발전방식에 비해 SOx, NOx 및 분진등의 공해물질 거의 완전제거 가능(경제성있는 고순도 유황 생산) 단점 * 초기 투자비가 높고, 소요면적이 넓다 * 설비구성과 제어가 복잡하다

석탄가스화 원리

석탄가스화 복합발전(IGCC)

CCT 발전방식별 특성 구 분 가압유동층연소발전(PFBC) 석탄가스화복합발전(IGCC) 발전효율 38~42% 39~48% 구     분 가압유동층연소발전(PFBC) 석탄가스화복합발전(IGCC) 발전효율 38~42% 39~48% 소요면적/MW 29㎡ 230㎡ 건설공기 (시공기간 기준) 32개월 (350MW 기준) 41개월 (300MW 기준) 건 설 비 100(기준) 120~140 장      점 ∙투자비가 적다 ∙별도 탈황,탈질설비 불필요 ∙설비가 소형 ∙소요부지 면적 적다 ∙환경특성 탁월 ∙폐기물이 거의 없음 ∙대용량화 가능 ∙효율이 높음 단      점 ∙탈황제 소모가 많다 ∙운전유지비 많이 소요 ∙배출물 처리가 곤란 ∙투자비 및 발전원가가 높다 ∙여러기술 조합으로 제어복잡 ∙소요부지 면적이 크다

열역학에서의 복합발전 ◈ 브레이톤 사이클(G/T) + 랭킨 사이클(S/T)

복합발전의 특징(1) ◈ 열효율이 높다 - 기력 : 41%(영흥1,2) - 복합 : 54%(보령복합) ▷ 표준 석탄화력 - 기력 : 41%(영흥1,2) - 복합 : 54%(보령복합) ▷ 표준 석탄화력 ▷ 복합발전

복합발전의 특징(2) ◈ 부분부하 운전시 열효율 저하가 적다 * 출력감발시 G/T를 한대씩 정지, 나머지는 최대출력 ◈ 기동·정지 시간이 짧다 * G/T 기동 → S/T Full Load 1hr, 기력 : 3 ~ 20hr * G/T는 현열 사용, S/T는 기력에 비하여 소용량 ◈ 공해 발생이 적다 - LNG : 황산화물, 분진 매연 등 공해물질이 없다

복합발전의 특징(3) ◈ 사용연료에 따라 성능 변화가 크다 * 복합 주 연료 : LNG * 비상시 : 경유(Distillate Oil) 1) 가스터빈 날개 부식 2) 연료 미연분 부착으로 인한 열효율 저하 3) 저온 부식방지에 대한 열효율 저하 4) 환경 대책

복합발전의 특징(3) ◈ 건설공기가 짧고 건설단가가 싸다 발 전 설 비 공기(개월) 건설단가 (천원/㎾) 시설용량(㎿) 발 전 설 비 공기(개월) 건설단가 (천원/㎾) 시설용량(㎿) 준공년도 부산 복합 30 437 1,800 ’03. 06 당진화력 5호기 40 1,080 500 ’05. 12 영광원자력 3호기 70 1,580 1,000 ’95. 03

복합발전의 특징(4) ◈ 최대출력이 대기온도에 따라 변한다 그림. 가스터빈의 대기온도, 열소비율, 출력관계

◈ 최대출력이 대기온도에 따라 변한다 * 출력변화 이유 대기온도 저하 공기밀도 증가 (비중량 증가) • 흡입공기량 증가 • 압축공기 온도 저하 G/T 효율 증가 (HR 감소) G/T 출력 증가 연료량 증가 • 배기가스량 증가 • 배기가스 온도 저하 • S/T 출력 증가 • S/T 효율 감소 • 복합 출력 증가 • 복합 효율 감소

효율 영향요소(1) ◈ 대기온도 * G/T : 대기온도 낮을수록 효율 증가 (HR 감소) * S/T : 대기온도 낮을수록 효율 감소 (출력은 증가) * 복합 : 대기온도 낮을수록 효율 감소 그림. 대기온도와 효율(냉각수온도 20℃)

효율 영향요소(1-1) 그림. 대기온도와 출력특성

효율 영향요소(2) ◈ 가스터빈 입,출구 가스온도 * G/T : 입구온도 높을수록, 배기온도 낮을수록 효율 ↑ * S/T : 배기온도 높을수록 효율 ↑ * 복합 : 입구온도 높을수록, 배기온도 높을수록 효율 ↑ 그림. 복합사이클의 효율변화

효율 영향요소(3) ◈ 공기압축기 압력비 * G/T : 압력비 높을수록 효율 ↑ * S/T : 압력비 높을수록 효율 ↓ * 복합 : 적당한 압력비, 높은 입구온도 효율 ↑ 그림. 복합발전의 압력비, 비출력, 효율관계

효율 영향요소(4) ◈ 대기압력 * G/T : 대기압 상승하면 공기 질량 유량 증가로 출력은 증가 효율은 무관 (연료소비 증가 = 출력증가) * S/T : 대기압 상승하면 G/T 배기유량 증가로 출력 증가 * 복합 : 공급열과 공기질량 유량이 대기압과 비례로 효율 불변

복합발전의 구성 ◈ 복합발전 구성 G/T, S/T, 발전기의 구성방법에 따라 - Single Shaft System [일축형] - Multi Shaft System [다축형] 으로 구분 일반적으로 S/T의 용량은 G/T 용량의 50%로 설계 대 : G/T, S/T 개별 단위 호기(Unit) : G/T와 S/T를 조합한 하나의 플랜트 Block : 건설단위(발전기 용량 900MW 기준)

일축형 설비의 특징 G/T + 발전기 + S/T 방식으로 설치 G/T 축과 S/T 축이 직결되어 하나의 축으로 구성

일축형 방식

다축형 설비의 특징 가스터빈 여러 호기에 대해 증기터빈 한 호기만 설치 발전기 소형화 가능하며 증기터빈은 가스터빈 전체 용량의 50% 용량 한대 설치 기기배치가 자유롭고, Simple Cycle 운전 가능 우리나라 복합설비의 대부분이 다축형 설치

다축형 방식

일축형과 다축형의 운용상 특성 정격부하 운전시의 효율은 다축형이 높음 (기계손실,방열손실 없음) 정격부하 운전시의 효율은 다축형이 높음 (기계손실,방열손실 없음) 부분부하 운전시 효율 저하는 다축형이 큼 (S/T 기계 손실) 일축형은 호기마다 독립된 운전 및 운전대수를 증감이 용이하며, 호기별 정비가 가능하므로 평균 이용률이 높음 다축형 경우 출력 및 G/T 운전대수 변화로 HRSG 증기조건이 변화되면 증기터빈의 안정 운전이 곤란 부하 변화가 빈번한 중간부하용으로는 일축형이 유리 기저부하용으로는 정격출력시 효율이 좋은 다축형이 적합 기동 • 정지 시간은 S/T 용량이 큰 다축형이 더 소요

복합발전 운용 ◈ 효율 측면 ◈ 배기가스 특성 일축형과 다축형 모두 부하감소시 급격한 효율 저하 가스터빈 운전대수를 조정하여 고 효율 유지 ◈ 배기가스 특성 HRSG에 유입되는 배기가스 온도는 G/T 부하에 비례 저 부하시 IGV 개도 조정으로 유량 감소시켜 배기 가스 온도를 높게 유지함으로써 주증기 온도변화 폭을 적게 함

복합발전 운용 ◈ 주증기 특성 주증기 온도는 배기가스 온도와 거의 같음 G/T 저부하시 배기가스 온도 저하로 S/T 열응력 발생 우려되므로 부하변화율 적게

복합발전 운용 ◈ 부하변화시 동특성 ◈ 계통안정성 : 전 호기 운전, 계통 추종 ◈ 효율측면 : 최소 호기운전, 고 효율 유지 가스터빈 출력은 연료변화에 순간적으로 추종 증기발생량은 HRSG의 열용량에 의해 지연 증기터빈의 제어밸브 전개운전(변압운전)으로 증기량에 비례한 출력 발생 ◈ 계통안정성 : 전 호기 운전, 계통 추종 ◈ 효율측면 : 최소 호기운전, 고 효율 유지