가스터빈의 특징, 장단점, 작동원리에 대해 알아보자

가스터빈의 특징

가스 등의 연료를 연소기에서 압축공기와 혼합하여 연소시켜 동작 유체에 열 에너지를 준 다음, 고온 고압의 가스를 만들어서, 이것을 터빈에 공급하여 직접 회전할 수 있게 한 원동기를 가스터빈이라 한다. 가스터빈의 간단한 원리는 사이클을 따라 작동한다. 가스터빈의 기본 사이클은 미국의 브레이튼에 의하여 1870년에 제안된 브레이튼 사이클(Brayton Cycle)이다. 

 

가스터빈은 정전 시 혹은 기동 시 소내전원을 확보하기 위한 예비 전원용이나, 전력수요가 최고치에 도달하는 시점에 운전하는 첨두부하용으로 많이 이용된다. 가스터빈의 단위기 용량이 증기터빈에 비해 비교적 적기 때문에 대용량 복합발전소에서는 여러 대의 가스터빈을 하나의 중앙제어실에서 원격제어하는 방식으로 이용하고 있다. 단위기마다 제어실을 갖추고 있기 때문에 현장에서 개별 기동 및 정지도 가능하다.

 

가스터빈은 항공기 엔진을 산업용으로 개조한 형식과 산업용으로 설계한 형식이 있으나, 복합발전소에서는 설계 제약 조건이 적고, 대용량화가 가능한 산업용 설계 엔진이 대부분이다. 가스터빈의 장단점을 열거하면 다음과 같다.

 

가스터빈의 장단점

- 기동이 빠르고 부하변화에 대한 속응성이 뛰어나다.

- 가스터빈 발전설비의 주요 구성기기가 모듈화 되어있어 설치가 쉽고 건설 기간도 짧다.

- 냉각수의 소요량이 적어서 부하밀집 지역에 건설이 가능하므로 송전손실이 없다.

- 건설단가가 원자력이나 유연탄 화력 등 타 발전설비보다 저렴하다.

- 운전조작이나 보수가 기력발전에 비해 용이하고 고수준의 운용기술이 필요치 않아 무인운전이 가능하다.

- 상대적으로 비싼 청정연료를 사용해야만 최고성능을 유지할 수 있으며, 중질유는 터빈 날개에 부착하여 성능저하 및 수명단축을 야기하므로 중질유는 직접 사용이 곤란하다.

- 1,000℃ 이상의 고온가스로 운전되므로 정비를 자주 해야 하고 정비비가 많이 소요된다.

- 소음 방지 설비가 필요하며 주로 부하 밀집지역에 건설되므로 연료에 따라 분진, 질소산화물, 일산화탄소, 미연 탄화수소 등의 배출 억제가 필요하다.

 

가스터빈의 작동원리

가스터빈의 원리는 먼저 공기를 압축기로 압축한 후 연소기로 보내 고온, 고압의 가스를 만들어서 터빈을 동작시키고, 배기를 대기 중에 방출한다. 즉, 압축 - 가열 - 팽창 - ㄹ방열의 네 과정으로 이루어진다.

압축기

대기를 흡입하여 압력을 상승시킨 후 연소기로 보낸다. 연소에 필요한 산소를 공급하는 역할을 하며, 단열압축 과정이므로 공기온도가 상승한다.

연소기

연소기에 유입된 압축공기를 연료와 혼합, 연소시켜 높은 에너지의 연소가스를 만든다. 정압가열 과정으로서 연소가스 온도를 터빈 메탈이 견딜 수 있는 온도까지 상승시킨다.

터빈

연소기에서 나온 고온, 고압의 연소가스가 팽창하면서 터빈의 회전날개에 충동, 반동력을 주어 기계적인 에너지로 변환한다. 터빈에서 얻은 기계적 에너지는 압축기에서 공기를 압축하는데 필요한 에너지로 공급되며 나머지는 발전기를 구동하는데 이용되어 전력을 생산한다.

 

단열팽창 과정으로서 가스압력, 온도가 떨어지며, 배기가스는 대기로 방출되거나 배열회수 보일러로 들어간다. 압축기에서 소모되는 동력이 터빈출력의 약 60% 정도를 차지하고 높은 온도의 배기가스가 대기로 방출되므로 가스터빈 자신만의 효율은 대용량 증기터빈에 비해 비교적 낮다.