1장 가스터빈 엔진의 응용(Chapter 1 Gas Turbine Engine Applications)

1.0   서론

이 장에서는 가스터빈 엔진이 특정 응용 분야에서 지배적이지만, 다른 분야에서는 거의 성공하지 못한 이유에 대한 통찰을 제공합니다. 의심할 여지 없이 항공기 추진 분야에 가장 큰 영향을 미쳤지만 전기 그리드 시스템에 대한 설명과 선박 및 자동차 샤프트 동력 요구 사항을 평가하는 방법을 포함하여 모든 잠재적인 주요 응용 분야에 대한 배경 정보가 제공됩니다. 가스터빈 성능의 더 넓은 의미를 완전히 이해하려면 응용 분야에 대한 이해가 필수적입니다. 가스터빈의 특성은 각 적용품의 요구 사항과 관련하여 경쟁이 되는 다른 동력 장치와 비교됩니다. 이와 관련된 논의에서는 특정 가스터빈 구성 및 사이클을 선택하는 이유가 포함됩니다. 그런 점에 있어서 높은 안정성과 가용성이 전제 조건이 됩니다. 현재 운용 중인 엔진 및 적용품의 예시가 이번 장에서 제공이 됩니다. 이번 장에서 논의된 단순 또는 복합 사이클과 같은 엔진 구성은 이 장 바로 앞에 자세히 설명되어 있습니다. 주어진 응용 분야에 대한 엔진 선택에 영향을 미치는 가스터빈 성능 측면은 이후 장에서 포괄적으로 제시됩니다. 여기에서는 상세한 주기 설계(Cycle design), 과도 성능(Transient Performance), 시작 성능(Starting Performance) 등이 포함됩니다.

 

1.1   가스터빈과 디젤엔진의 비교

가스터빈은 최대 10MW의 모든 비공기(non-aero) 축 동력 응용 분야에서 고속 및 중속 디젤 엔진과 경쟁이 되곤 합니다. 따라서 적용품을 개별적으로 논의하기 전에 동력 장치를 비교하는 것이 논리적입니다. 저속 디젤은 고속/중속 디젤보다 무겁고 큽니다. 주요 차이점은 더 긴 행정, 더 낮은 속도 및 간접 분사로 인해 연료 기화를 위한 더 긴 체류 시간입니다. 저속 디젤 기관은 크기가 그다지 중요하지 않고 덜 정제되고 저렴한 연료를 태울 수 있는 곳에서 사용됩니다. 대부분의 경우, 엔진의 특성은 가스터빈 엔진과 크게 다르기 때문에 특정 적용품에 대해서 둘 다 고려되는 경우는 드뭅니다. 고속/중속 디젤과의 일반화된 비교가 아래에 제시되어 있으며 특정 시장 부문과 관련된 더 자세한 측면은 나중에 논의됩니다.

 

-      차트 1.1은 SFC(연료 소모율)와 가스터빈 및 디젤 엔진의 백분율 출력을 대형 트럭의 일반적인 출력 수준에서 비교한 것입니다. 관련하여, 휘발유 엔진에 대한 그래프도 포함되며 더 자세한 내용은 섹션 1.4.2에서 다뤄집니다. 단순 사이클 가스터빈의 SFC는 정격 출력에서 디젤 엔진의 SFC보다 더 나쁘게 됩니다. 이는, 단순한 가스터빈 구성에서만 운용할 수 있기 때문에 일반적으로 정격 출력이 낮을수록 SFC 차이가 더 벌어지게 됩니다. 이러한 SFC 측면에서의 단점은 가스터빈 압력비와 연소 온도가 떨어지면서 엔진이 다시 연료량을 감소함에 따라 더욱 커지게 됩니다.

 

-      재생 가스터빈은 차트 1.1에 표시된 500kW에 대한 정격 출력에서 디젤과 더 근접한 SFC를 가지고 있습니다. 훨씬 더 높은 정격 출력의 경우 디젤과 동등한 수준이 됩니다. 그러나 더 높은 정격 출력에서 가변 출력 터빈 노즐 가이드 베인을 사용하지만 부분 부하에서는 여전히 더 나쁩니다.

 

-      차트 1.1은 자유 동력 터빈 형태의 가스터빈이 디젤 엔진보다 낮은 엔진 출력 속도에서 훨씬 더 높은 토크, 즉 동력을 전달할 수 있음을 보여줍니다. 부하와 압축기가 동일하고 하나의 샤프트를 구동하는 단일 스풀 가스터빈은 부분 속도 토크(Part speed torque) 성능이 좋지 않습니다.

 

-      적용품이 엔진의 폐열을 사용할 수 있는 경우 가스터빈은 상당한 이점이 있습니다. 이런 형태의 가스터빈은 유효 출력 전력으로 변환되지 않는 연료 에너지 입력의 95% 이상이 가스터빈 배기가스에서 높은 등급(고온)의 단일 열원으로 나타나기 때문입니다. 디젤 엔진의 경우, 폐열의 상당 부분이 연료에서 열로 전환되는 것과 같이 상당량의 저급한 형태로 나타납니다.

 

-      가스터빈은 출력 단위당 중량이 훨씬 더 낮습니다. 예를 들어 5MW 항공 파생형 가스터빈은 비중이 1톤/MW 미만이지만 중속 디젤은 거의 5톤/MW 정도나 됩니다. 이러한 수치는 일반적인 포장 및 '기반'이 포함됩니다. 이러한 이점은 엔진 출력 전력에 따라 증가하므로, 10MW 이상에서의 중속 디젤 엔진 중에는 가스터빈과 비견될만한 경쟁 대상이 거의 없습니다.

 

-      가스 터빈은 출력 전력 단위당 부피가 훨씬 작습니다. 위의 5MW 예에서 가스 터빈의 패키지 부피는 디젤 엔진의 50% 정도밖에 안 됩니다. 다시 이러한 이점은 전력 출력에 따라 증가합니다.

 

-      가스 터빈의 초기시동부터 정속 운전에 이르는 시간은 일반적으로 10~60초이며, 이는 적용품에 따라 고속 디젤 엔진과 경쟁이 되는 수준입니다. 디젤 엔진은 5초 이내에 시동을 걸 수 있다는 장점이 있습니다. 공회전에서 완전 부하까지의 시간은 디젤 엔진 또는 단일 스풀 가스 터빈의 경우 1초 정도로 낮을 수 있지만 자유 동력 터빈이 있는 가스 터빈의 경우 5초 이상의 시간이 소요되는 게 더 일반적입니다.

 

-      가스터빈은 작동 중에 천연가스에서 디젤 연료로 전환할 수 있어서, 두 가지 연료를 활용할 수 있습니다. 이는 디젤 엔진의 경우에는 가지기 어려운 특성입니다.

 

-      오염 물질을 덜 배출할 가능성은 가스 터빈의 경우가 훨씬 더 좋습니다. 이러한 특징의 경우, 디젤 엔진은 배기가스에 과도하게 산소를 포함하고 있기 때문에 NOx를 감소(탈산소화)하기 위한 배기 촉매를 사용할 수 없기 때문에 NOx 배출에 대해서는 특히 해당합니다. 현재까지 가스 터빈의 이러한 이점은 입법자들이 가장 경쟁력 있는 응용 분야에서 디젤을 제외하는 거시 경제학에 주목했기 때문에 디젤에 비해 판매량이 눈에 띄게 증가하지 않았습니다. 게다가, 디젤 엔진은 우수한 SFC로 인해 CO2 배출량이 적습니다.

 

-      가스 터빈의 유지 보수 비용은 일반적으로 디젤 엔진보다 낮습니다. 이와 관련된 한 가지 요인은 가스 터빈의 상대적으로 낮은 오일 소비량입니다.

 

-      가스 터빈은 본질적으로 디젤 엔진보다 진동 수준이 낮습니다.

 

앞의 내용과 같이 특징들을 비교 설명했지만, 실제로는 매우 다양한 요소가 관련되어 있기 때문에 단가와 관련하여 일반화하는 것은 실질적이지 않습니다.