1.2 발전 분야 (2)

2023.03.05 - [분류 전체보기] - 1.2 발전 응용

 

1.2.5       대규모 CHP(식별자 5)

대규모 CHP에서 폐열은 증기를 끌어내는 데 거의 전적으로 사용되며, 그런 다음 제지 공장이나 지역난방과 같은 대규모 공정 응용 분야에 사용됩니다. 이와 같은 과정을 거쳐 다시 생성된 전기는 로컬에서 사용하거나 그리드로 내보낼 수 있습니다. 엔진 선택에 대한 성능 기준의 중요성은 소형 CHP의 경우와 동일하지만, 배출 규제가 엔진 크기가 클수록 더 엄격하다는 점만 다릅니다. 여기서 가스 터빈은 거의 독점적으로 사용됩니다. 높은 수준의 열은 필수적이며 이와 같은 출력에서 디젤 엔진의 무게와 부피는 엄두도 못 낼 정도입니다. 또한 사용되는 가스 터빈은 종종 석유 및 가스, 해양과 같은 다른 시장에 적용할 수 있어 단위 비용이 절감됩니다. 항공 파생 가스 터빈이 가장 일반적이지만 일부 중량급(Heavyweight) 엔진이 사용됩니다. 항공 파생형은 일반적으로 대형 민간 터보팬 엔진의 코어를 가스 발생기로 사용하고 산업용으로 맞춤 설계된 자유 파워 터빈을 사용합니다. 헤비급 엔진은 산업 응용 분야를 위해 특별히 설계되었으며 항공 파생 엔진보다 훨씬 무겁고 견고한 로터, 두꺼운 케이싱 등을 사용하는 저비용 구조입니다. 가스 터빈 구성은 일반적으로 자유 동력 터빈입니다. 해당 부분은 CHP 응용 분야에서는 필요하지 않지만 석유, 가스 및 해양 분야에서도 활용될 수 있도록 하는 것이 필수적입니다. 축류 압축기는 전체 압력비가 15:1에서 25:1 사이인 경우에만 독점적으로 사용됩니다. 이 압력비 수준은 민수용 터보팬 엔진 코어의 결과물이므로, 항공 파생 엔진은 해당 범위에서 선두에 있습니다. 해당 압력비는 최적의 CHP 열효율 20:1에 필요한 것과 최적의 단순 사이클 효율에 필요한 35:1 사이의 절충안입니다. 이러한 값은 1450K와 1550K 사이의 통상적인 SOT에 적용됩니다. 고급 냉각 시스템은 적어도 HP 터빈 1단 노즐 가이드 베인과 블레이드 모두에 적용됩니다.

 

1.2.6       그리드 시스템에만 공급하는 애플리케이션(식별자 6~10)

 그리드를 공급하는 발전소는 세 가지 범주로 나뉩니다.

(1) 피크 로핑(Peak lopping) 엔진은 활용도가 낮으며 일반적으로 10% 미만입니다. 이 엔진은 사람들이 집으로 돌아가서 여러 가전제품의 스위치를 켜는 주중 저녁에 발생할 수 있는 최대 전력 수요를 충족시키기 위해 사용됩니다.

(2) 기본 부하 발전소는 전력 수요를 지속적해서 공급하기 위해 가능한 한 100%에 가까운 활용도를 달성합니다.

(3) 중간 메리트 발전소는 일반적으로 30~50% 활용도를 갖습니다. 이 발전소는 가정용 난방 및 조명에 대한 수요가 증가하는 온대 기후에서의 겨울철과 같이 계절적인 전기 추가 수요를 감당합니다.

 

기본 부하 발전소의 동력 장치 유형을 선택할 때 고려해야 할 사항은 다음과 같습니다.

(1) 열효율과 가용성이 가장 중요

(2) 자본 투자와 발전소가 가동되어 투자 수익을 창출하기까지의 기간이 길기 때문에 단가는 매우 중요함

(3) 전기료는 동력장치의 종류를 선택하는 핵심 요소이며 연료 가격은 이에 대한 주요 요인임.

 이와 관련하여 석탄, 원자력 및 석유 연소 증기 발전소는 모두 가스 터빈과 경쟁합니다.

 

모든 경우에 무게와 부피는 이차적으로 중요합니다. 기타 구체적인 의견은 다음과 같습니다.

 

. 기본 부하 플랜트의 경우 시작 및 가속 시간은 중요하지 않음

. 피크 로핑 발전소의 경우 단위 비용이 매우 중요하며 최대 부하에 도달하는 시간은 그다음으로 매우 중요하며 열효율은 상대적으로 중요하지 않음

. 중간 메리트 발전소는 열효율의 온건한 이득에 대한 대가로 허용되는 피크 로퍼 이상으로 일부 단가 증가와의 절충안임

 

피크 로퍼는 대부분 디젤 또는 천연가스를 연소하는 단순한 사이클 가스 터빈이며 일부 디젤 엔진은 낮은 출력에서 사용됩니다. 이는 단가와 적재 시간이 증기 플랜트를 포함하여 다른 이용 가능한 대안보다 훨씬 낮기 때문입니다. 15:1에서 25:1 사이의 압력비로 활용 가능하며, 단일 스풀 또는 자유 동력 터빈으로 구성된 항공 파생 터빈 및 헤비급 가스 터빈 모두 피크 로퍼로써 사용됩니다. SOT는 1500K만큼 높을 수 있으며, 특히 높은 열효율을 요구하는 CHP 및 기계적 구동품으로도 장치가 판매되는 경우에 그와 같이 활용됩니다. 기본 부하품의 경우, 가스 터빈은 가능한 최대 열효율을 얻기 위해 복합 사이클에 사용됩니다. 이러한 특징에서 석탄 및 원자력 화력 발전소와 경쟁하게 됩니다. 역사적으로 석탄 화력 발전소는 가장 큰 시장 점유율을 차지해 왔습니다. 최근 몇 년 동안 복합 사이클 가스 터빈은 천연가스의 가용성으로 인해 경쟁력 있는 연비, 높은 열효율 및 낮은 배출량, 그리고 통상 더 낮은 자본으로 발전소를 건설될 수 있다는 점에서 신규 발전소 건설에 대한 요구가 증가하고 있습니다. 이는 열효율과 단일 엔진의 운용 가능한 출력 증가와 같은 가스 터빈 기술의 발전으로 인한 사실입니다. 특히 기계 설계의 개선으로 SOT 및 최종 단계 터빈 응력 수준이 많이 증가했습니다. 특히 응력은 동기 속도에서 질량 흐름이 증가함에 따라 허용할 수 있는 마하수를 유지하기 위해 터빈 출구 영역도 증가해야 한다는 점에서 대형 단일 스풀 엔진을 제한했던 특성입니다. 블레이드 루트 응력은 AN2에 비례하여 증가합니다. 일부 국가에서는 상대적으로 현대화된 석탄 화력 발전소가 '성능 표에서 미끄러져 내려' 현재 중간 성능품에서만 사용되고 있습니다. 그러나 중국과 같이 천연가스가 없고 석탄이 풍부한 일부 지역에서는 당분간 지속해서 석탄 화력 발전소가 건설될 것입니다. 원자력의 경우, 개별 정부 정책과 보조금에 따라 상황이 복잡해집니다. 50MW 이상의 기본 부하품의 경우, 가스 터빈은 거의 독점적으로 단일 스풀 헤비급 구성으로 맞춤 설계됩니다. 선정된 압력비는 주어진 SOT에서 복합 사이클 열효율에 대해 최적이지만 관련 성능곡선은 넓은 범위의 압력비에서 상대적으로 평평합니다. 일반적으로 이 평평한 부분의 더 높은 압력비는 기계 설계 시 고려되는 사항들을 위해 증기 플랜트 입구 온도를 최소화하면서 선정됩니다. 현재 생산 중인 엔진은 1450~1550K SOT 범위이며 압력비는 13:1에서 16:1까지입니다. 다수의 개념적인 엔진에서 1700-1750K의 SOT 수준이 고려 중이며, 압력비는 19:1에서 25:1입니다. 이와 같은 엔진은 NGV 및 블레이드의 증기 냉각과 같은 고급 사이클 기능을 활용합니다. 차트 1.2에 표시된 대로 이와 같은 엔진은 60%의 복합 사이클 열효율을 목표로 합니다. 항공기 파생 가스터빈은 현재 가장 크게 제작될 수 있는 항공기 엔진의 크기로 인해 약 50MW로 제한됩니다. 이 파워 브라켓에서는 특히 더 높은 SOT 수준의 복합 사이클에서 경쟁력을 갖습니다. 중간 메리트 발전소는 피크 로핑에 사용되는 것보다 더 높은 기술 수준의 단순 사이클 가스 터빈을 활용합니다. 더 높은 단가는 더 높은 활용도를 감안하면서, 더 높은 열효율로 보상됩니다. 대부분의 엔진은 항공 파생형이지만 최적의 단순 사이클 열효율을 위해 25:1에서 35:1 정도의 압력비를 갖습니다. 이에 해당하는 SOT 레벨은 1500–1600K입니다.

 

1.2.7       닫힌 사이클(Closed cycles)

여기에 해당하는 엔진의 작동 유체(주로 헬륨)는 사전 냉각 열 교환기를 통해 터빈 출구에서 압축기 입구로 재순환됩니다. 개방형 사이클과 달리 닫힌 사이클의 장점은 다음과 같습니다.

 

. 입구 여과 요구 사항이나 블레이드 침식 문제가 없음

. 작동 유체가 높은 압력과 밀도로 유지되기 때문에 터보 기계 크기가 감소하며, 또한 헬륨은 높은 비열을 제공함

. 원자로나 목재 및 석탄과 같은 대체 연료와 같은 개방형 가스 터빈 사이클의 연소에 부적합한 에너지원을 사용함. 헬륨은 방사성 환경에서 사용할 수 있는 짧은 반감기를 제공함

. 압축기 입구 압력과 같이 부분 동력에서의 평평한 SFC 특성을 이용하여 사이클 압력비와 SOT를 유지하면서 조작할 수 있음

 

그러나 발전 및 잠수함 추진에 대한 수많은 연구에도 불구하고, 닫힌 사이클 발전소는 거의 생산되지 않았습니다. 이는 위의 장점들이 높은 단가와 원자로 또는 열교환기 기계적 총체적인 제한에 의해 규정된 약 1100K의 SOT 한계로 인하여, 그에 적당한 열효율로 상쇄되었기 때문입니다. 높은 단가는 발전소의 복잡성과 매우 높은 압력에 대한 설계의 영향으로 인해 발생합니다.

 

식별자	발전소 형태	적용품 예	적용 엔진 예	엔진 출력 [MW]
A	Microturbines	Store Small office block Restaurant	Capstone Turbec Ingersoll-Rand	0.04–0.25
1	Standby generator, simple cycle gas turbine	Office block Hospital	Yanmar AT36C, 60C, 180C Turbomeca Astazou	0.25–1.5
2	Standby generator, diesel engine	Office block Hospital	Caterpillar 352 V12 MTU 396	0.25–1.5
3	Small scale CHP, gas turbine	Hospital Small process factory	NP PGT2 Allison 501 Solar Mars Alstom Tempest	0.5–10
4	Small scale CHP, diesel or natural gas fired piston engine	Hospital Small process factory	Petter A MB 190	0.5–10
5	Large scale CHP, gas turbine	Electricity and district heating for town of up to 25000 people. Large process factory, exporting electricity	Alstom GT10 GE LM2500 RR RB211	10–60
6	Peak lopping units, simple cycle gas turbine	Supply to grid	Alstom GT10 RR RB211 GE LM600	20–60
7	Mid merit power station, simple cycle gas turbine	Supply to grid	GE LM6000 RR Trent	30–60
8	Base load power station, gas turbine in combined cycle	Supply to grid	WEC 501F GE PG9331(FA)	50–450
9	Base load power station, coal fired steam plant	Supply to grid		200–800
10	Base load power station, nuclear powered steam plant	Supply to grid		800–2000

 

MTU=Motoren Turbinen Union MB=Mirrlees Blackstone RR=Rolls-Royce

EGT=European Gas Turbines WEC=Westinghouse Electric Company (now part of Siemens)

NP=Nuovo Pignone GE=General Electric CHP=Combined heat and power

표 1.1. 발전기 주요 클래스

 

 

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