가스 터빈 엔진 구성(Gas Turbine Engine Configurations) (3)

1.11  중간냉각 축동력 엔진(Intercooled shaft power engine (Fig. 3a))

이 엔진 구성에서 열은 첫 번째 압축기와 두 번째 압축기 사이의 인터쿨러에 의해 추출됩니다. 예상할 수 있듯이 열을 차단하면 일반적으로 SFC가 악화합니다. 전달된 더 차가운 압축기 공기를 주어진 터빈 입구 온도(SOT)로 올리려면 더 많은 연료를 태워야 하기 때문입니다. 그러나 인터쿨링은 엔진 출력을 향상하고 잠재적으로 두 번째 압축기에서 감소된 동력 흡수를 통해 높은 압력비에서 SFC를 개선합니다. 이는 입구 온도가 낮기 때문에 주어진 압력 비율에 필요한 일 에너지가 감소하기 때문입니다. 인터쿨러는 해수와 같은 외부 매개체로 열을 방출합니다. 인터쿨러의 공기 측과 모든 덕트는 전압력 손실을 초래합니다

 

 

1.12  중간냉각 재생 축동력 엔진(Intercooled recuperated shaft power engine)

해당 엔진 구성에서는 인터쿨러와 리큐퍼레이터(재생기)가 모두 사용됩니다. 인터쿨링으로 인한 출력 증가는 SFC 개선을 동반합니다. 열 추출은 낮은 압축기 전달 온도로 인해 재생기에서 열 회수율 증가를 야기시키기 때문입니다.

 

1.13  폐쇄형 사이클(Closed cycle (Fig. 3b))

앞에서 설명한 엔진 구성은 공기를 대기에서 끌어와 엔진을 한 번만 통과한다는 점에서 모두 개방형 사이클입니다. 폐쇄형 사이클 구성에서 작동 유체는 지속해서 재순환됩니다. 작동 유체는 공기이거나 헬륨과 같은 다른 가스일 수 있습니다. 일반적으로 가스 터빈은 그림 3b와 같이 중간에서 냉각된 복열 구성입니다. 그러나 연소기는 연료를 직접 연소시킬 수 없기 때문에 열교환기로 대체됩니다. 사이클의 열원은 석탄, 원자로 등과 같이 일반적으로 부적합한 연료를 연소하는 별도의 연소기일 수 있습니다. 재생기를 떠나면서 작동 유체는 해수와 같이 외부 매개체로부터 열이 차단되는 사전 냉각기를 통과하여 고정된 입구 온도(보통 15.8℃ ~ 30.8℃)로 되돌려집니다. 가스 터빈 입구의 압력은 가압 연료통(Accumulator)라고 하는 대형 저장 탱크에 압력을 공급하는 보조 압축기에 의해 시스템 누출을 대비하면서 유지됩니다. 엔진 입구에서 고밀도의 작동 유체는 주어진 크기의 플랜트에 대해서 매우 높은 출력을 가능하게 하며 이는 폐쇄 사이클의 주요 이점입니다. 이런 형태의 가스 터빈 입구의 압력은 일반적으로 대기압의 약 20배입니다. 또한 압력 수준을 변경하면 SFC를 변경하지 않고도 출력을 조절할 수 있습니다.

 

 

1.14  복합 사이클(Combined cycle (Fig. 4a))

그림 4a는 가장 간단한 복합 사이클 구성을 보여줍니다. 그 외에 가스 터빈은 단순한 사이클 구성이지만 폐열의 상당 부분이 HRSG(열 회수 증기 발생기, Heat Recovery Steam Generator)에서 회수됩니다. 뜨거운 쪽에는 가스 터빈 배기구가 있고 차가운 쪽에는 증기를 형성하는 펌핑된 고압수가 있는 열교환기입니다. HRSG의 첫 번째 부분은 물이 포화 온도에 도달할 때까지 일정한 압력으로 가열된 다음 증발시키는 절탄기(Economizer)입니다. 일단, 증기가 완전히 기화되면 과열기에서 증기의 온도가 더 높아집니다. 고압, 고온의 증기는 가스 터빈의 전력에 최대 45%의 추가 전력을 제공하면서 증기 터빈 전체로 확장됩니다. 증기 터빈을 떠날 때 증기 습윤 비율은 일반적으로 10%입니다. 그런 다음 나머지 증기는 몇 가지 가능한 방법의 하나로 응축됩니다. 가장 일반적인 방법은 열을 냉각수로 교환하는 냉각탑을 사용하며 일반적으로 강과 같은 지역적인 자원에서 퍼 올리게 됩니다. 모든 증기가 응축되면서 발생한 물은 다시 순환될 준비가 된 펌프로 되돌아갑니다. 따라서 증기 플랜트는 '폐쇄 사이클'이기도 합니다. 그림 4a는 단일 압력 증기 사이클 구성을 나타냅니다. 사용되는 가장 복잡한 형태의 증기 사이클은 3개의 터빈 직렬을 통해 증기가 팽창하는 3중 압력 재가열하는 방식입니다. 연속적인 터빈 사이에서 그것은 HRSG로 돌아가고 온도는 다시 보통 첫 번째 터빈 입구와 같은 수준으로 올라갑니다. 이 사이클은 최고의 효율과 비 출력을 가지고 있습니다. 복합 사이클 플랜트에서 가스 터빈은 더 뜨거워지는 토핑 사이클(Topping cycle)로, 증기 플랜트는 바터밍 사이클(Bottoming cycle)로 지칭됩니다.

 

※ 열병합발전은 전기와 열을 얻는 순서에 따라 토핑 사이클(topping cycle)과 보터밍 사이클(bottoming cycle)로 나뉜다. 토핑 사이클에서는 연료를 원동기에서 연소시켜 우선 발전을 시행하고 그 배열을 회수하여 열을 이용한다. 또한, 보터밍 사이클은 고온의 열을 먼저 이용한 다음, 배열을 배기가스 보일러로 회수하여 증기터빈으로 전력을 얻는다.

 

 

1.15  복합 열병합발전(Combined heat and power – CHP (Fig. 4b))

CHP(열병합발전) 발전소에는 몇 가지 형태가 있으며 복잡성이 증가하는 순서대로 아래에 설명되어 있습니다. 가장 간단한 배열에서 가스 터빈 폐열은 제지 공장이나 시멘트 작업에서 건조하는 것과 같은 산업 공정에 직접 사용됩니다. 가스 터빈의 하류에 HRSG를 추가하면 폐열을 증기로 변환할 수 있어 화학 제조 또는 병원이나 공장의 공간 난방과 같이 사용할 수 있는 공정에서 더욱 큰 유연성을 제공합니다. 마지막으로 그림 4b는 보조 연소를 사용하는 가장 복잡한 CHP 구성을 보여줍니다. 여기서 단순 사이클 가스 터빈 폐열은 다시 HRSG에서 증기를 상승시키는 데 사용되며, 그런 다음 추가 증기를 상승시키기 위해 열악한 공기에서 연료가 연소되는 보일러로 전달됩니다. 보일러는 전력 대 열의 비율에 유연성을 제공합니다. 증기가 유용한 열을 모두 잃으면 재순환을 위해 응축기와 펌프로 전달됩니다.

 

 

1.16  항공파생형 및 중량형 가스터빈

(Aeroderivative and heavyweight gas turbines)

항공 응용 분야 외에 축동력을 생산하기 위한 가스 터빈은 항공 파생형과 중량형의 두 가지 주요 범주로 나뉩니다. 암시된 바와 같이 전자는 많은 공통 부품이 있는 항공기 엔진을 직접 개조한 것입니다. 후자는 가벼운 무게보다는 낮은 비용에 중점을 두고 설계되었으므로 견고한 로터 및 두꺼운 케이싱과 같은 기능을 사용할 수 있습니다. 이 글을 쓰는 시점에서 두 유형 모두 최대 50MW까지 존재하며, 이 이상의 전력에 대해서는 중량형에서만 있습니다.