1.2 발전 분야

2023.03.04 - [가스터빈(Gas Turbine) 성능 이론] - 1장 가스터빈 엔진의 응용(Chapter 1 Gas Turbine Engine Applications)

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

전력 생산을 위한 최초의 가스 터빈은 1937년 스위스의 Brown Boveri에 의해 소개되었습니다. 관련 가스터빈은 열효율 17%의 대기품이었습니다. 오늘날 가스 터빈은 거대한 발전 시장에서 연간 약 30GW의 주문을 받는 주요 품목입니다. 이러한 성공은 부분적으로는 수소가 풍부하고, 이에 따라서 액체 연료보다 적은 이산화탄소를 생성하면서 금전적으로 경쟁력 있는 다량의 천연가스 매장량 때문입니다. 다른 주요 요인은 열효율인데, 대표적으로 복합 사이클 발전소의 경우 열효율이 60%에 이릅니다. 최종 장점은 매우 광범위한 전력 수준에서 가스 터빈의 실용 가능성입니다. 단순 사이클의 경우 엔진당 최대 300MW, 복합 사이클의 경우 500MW에 이릅니다. 시장은 대부분 서유럽 및 구소련과 같은 50Hz 영역과 북미와 같은 60Hz 영역 간에 고르게 분할되어 있습니다.

 

1.2.1 발전 응용품에서의 주요 등급

그림 1.1은 실제 사용된 엔진의 예를 포함하여 가스터빈이 후보가 되는 발전 응용품의 주요 등급을 요약하고 있습니다. 아래의 설명은 그림 1.1에 제공된 ID를 참조하시길 바랍니다. 차트 1.2는 그림 1.1의 ID를 사용하여 이러한 적용품에 대한 열효율과 활용도를 그림 형태로 보여주고 있습니다. 활용도는 응용품이 일반적으로 실행되는 연간 시간입니다.

 

1.2.2 그리드 시스템(Grid system)

그림 1.2는 전력 분배를 위한 전형적인 그리드 시스템을 보여주며, 주요 지점의 전압을 보여주고 있습니다. 교류 발전기를 통해 고정 주파수로 전력을 공급하려면 축 동력 시스템이 일정한 동기 속도(synchronous speed)로 작동해야 합니다. 주파수는 일반적으로 국가에 따라 50Hz 또는 60Hz입니다. 참조 2는 추가 배경을 제공하고 있습니다. 최근까지 그리드는 소수의 대형 발전소에서 공급하는 것이 추세였습니다. 그러나 더 작은 크기의 가스 터빈 실행 가능성으로 인해, 보다 유연한 분산 전력 시스템이 이제 대중화되고 있습니다. 여기에서 전기는 CHP(열병합 발전소) 또는 나중에 설명하는 중형 발전소를 통해 소비자에게 국소적으로 생성되게 됩니다. 그리고 초과 전력은 그리드로 내보내집니다. 전송해야 하는 전력 수준을 설명하기 위해 백만 명의 도시에 최대 2GW의 최대 수요가 있을 수 있습니다. 4인 가족 가정의 평균 및 최대 소비량은 공간 난방을 제외하고 각각 약 1kW 및 6kW입니다.

 

 

 

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

 

 

 

1.2.3 대기 발전기(Standby generators (식별자 1/2))

대기 발전기는 유지하기가 어려운 주 공급 손실이 발생할 수 있는 곳에서 비상용으로 사용됩니다. 예를 들면 지진이 발생하기 쉬운 일본과 같은 지역의 병원 및 공공건물이 있습니다. 생성된 전력은 국부적으로 사용되며, 해당 장치는 그리드 시스템에 연결되지 않습니다. 일반적으로 연료 유형은 디젤입니다. 핵심 요구사항들은 주로 사용률이 낮기 때문에 발생하며, 중요도에 따라 아래에 요약할 수 있습니다.:

 

(1) 낮은 단가

(2) 종종 낮은 단위 중량과 부피가 중요(아래 참조)

(3) 정격 전력 시간에 대한 빠른 시작 및 가속이 매우 중요할 수 있음

(4) 열효율과 배출 수준은 이차적으로 중요

 

주로 대량 생산을 통해 단위 비용을 절감할 수 있으며, 필요시 되는 파워 브라켓(Power bracket)에 자동차 및 선박용 엔진이 많기 때문에, 디젤 엔진이 가장 많이 사용됩니다. 가스 터빈은 특히 무게와 부피가 제한되는 곳, 예를 들어 예비 발전기가 제한된 하중 지지 능력을 갖춘 사무실 블록의 지붕에 있는 경우에 있어서 어느 정도 진출했습니다. 이 부문의 가스 터빈 엔진은 일반적으로 자유 파워 터빈 엔진이 아닌 단순 사이클, 단일 스풀의 형태입니다. 부품 수가 줄어들면 단위 비용이 줄어들고 부분 속도 토크가 중요하지 않기 때문입니다. 시동 순서에 따라 엔진은 동기식 속도로 유지되어 일정한 전기 주파수를 보장합니다. 5:1 내지 10:1의 압력비를 갖는 원심 압축기 시스템은 단가를 최소화하기 위해 사용되며, 이러한 저유량 환경에서 축류 압축기의 효율이 높지 않기 때문입니다. 터빈 블레이드, 일반적으로 노즐 가이드 베인은 통상적으로 1100~1250K의 SOT(고정자 출구 온도, Stator Outlet Temperature) 수준으로 냉각되지 않습니다.

 

1.2.4 소규모 열병합발전 – CHP(식별자 3/4)

이 응용 분야에서 폐열은 일반적으로 산업 공정에서 활용됩니다. 열은 건조 공정에 직접 사용되거나 HRSG(열 회수 증기 발생기)에 의해 다른 용도의 증기로 변환됩니다. 차트 1.3은 제조업체가 일반적으로 엔진의 증기 상승 기능을 게시하기 위해 사용하는 내용들을 보여주고 있습니다. 대부분의 CHP 시스템은 천연가스 연료를 태웁니다. 생성된 전기는 종종 국부적으로 사용되며 초과분은 그리드로 내보냅니다. 핵심 발전소 선택 기준은 다음과 같습니다:

 

(1) CHP 및 단순 사이클 운용 모두에 대한 열효율.

후자는 일 년 중 일부 기간 전체 배기열을 사용하지 않는 경우 더 중요해짐

(2) 전기는 열보다 더 가치 있는 상품이므로 열 대비 전력 비율이 중요

열 요구 사항과 그리드에 판매되는 잉여 전력에 맞게 장치의 크기가 조정될 수도 있으므로 낮은 비율이 유리함

(3) 일반적으로 고온을 요구하는 공정이므로 열의 등급(온도)이 매우 중요

(4) 활용도가 높기 때문에 낮은 단가, 시작 및 가속 시간은 무게, 부피 및 부분 속도 토크와 마찬가지로 부차적인 중요성을 가짐

 

가스터빈 엔진의 속성은 위의 기준을 가장 잘 충족하므로 시장을 선도하고 있습니다. 그러나 디젤 엔진은 여전히 강력한 존재감을 유지하고 있으며, 특히 상당히 낮은 등급의 열이 허용되는 응용 분야 또는 단순 사이클 열효율의 중요성이 가장 중요한 응용 분야에서 그러한 특성을 유지하고 있습니다. 가스 터빈은 일반적으로 맞춤 설계되며 단일 스풀인 경향이 있습니다. 3MW 미만의 원심 압축기는 8:1에서 15:1 사이의 압력 비율이 독점적으로 사용됩니다. 이는 단위 비용과 단순 사이클 및 CHP 열 효율 간의 절충된 결과입니다. 파워 브라켓의 하단 끝에서 SOT는 1300–1400K인 경향이 있으며, 1단계 터빈 노즐 가이드 베인만 냉각하면 됩니다. 파워 브라켓의 상단부에서 1단계 로터 블레이드도 냉각될 수 있다면, 최대 1450K의 SOT 수준을 허용할 수 있습니다. 이는 더 높은 출력에서 증가한 단가를 지원할 수 있게 되면서, 블레이드의 크기를 증가할 수 있게 되며, 이에 따라 실행 가능해집니다. 마이크로 터빈 시장은 극적인 성장을 예측하는 수많은 예측과 함께 최근 몇 년 동안 등장했습니다. 40kW에서 250kW 사이의 소형 가스 터빈은 상점이나 식당과 같은 건물에 설치되어 전기를 생산하고 공간 난방과 온수를 제공합니다. 가져오기/내보내기를 위한 그리드와의 연결은 일반적으로 유지됩니다. 매우 작은 크기의 마이크로 터빈 터보 기계는 구성요소의 효율과 압력비가 낮기 때문에 약 30%의 열효율을 달성하려면 가스 터빈을 회수해야 합니다. 그렇지 않으면 단가가 낮은 것이 중요해지므로, 가스터빈 구성이 매우 간단해지게 됩니다. 일반적으로 단일 원심 압축기, DLE '파이프' 연소기, 방사형 또는 2단 축 터빈 및 복열기로 구성됩니다. 또 다른 주요 특징은 직접 구동되는 고속 발전기입니다. 일반적으로 90,000rpm에서 3000/3600rpm으로 터보 기계 속도를 낮추기 위한 기어박스의 크기는 비실용적입니다. 이것은 또한 전력 전자 장치가 '야생' 고주파 발생기 출력을 DC로 정류한 다음 다시 50Hz 또는 60Hz AC로 변환해야 합니다.

 

2023.03.04 - [가스터빈(Gas Turbine) 성능 이론] - 1장 가스터빈 엔진의 응용(Chapter 1 Gas Turbine Engine Applications)