복합발전의 원리와 구성에 대해 알아보기

복합발전의 원리

복합발전이란 열효율 향상을 위해 두 종류의 발전 사이클을 조합하여 하나의 발전설비를 만드는 것을 말합니다. 복합발전 중 상업적으로 가장 광범위하게 적용하고 있는 것은 가스터빈 사이클과 증기터빈 사이클을 조합하는 방식입니다. 복합발전으로 가스터빈과 증기터빈을 조합하는 이유는 설비구성이 간단하고, 설비 운용기술 축적이 용이하며, 설비 운전 경험이 풍부하기 때문입니다.

 

가스터빈은 브레이튼 사이클로 압축기, 연소기, 가스터빈으로 구성됩니다. 압축기는 대기 중의 공기를 흡입하여 압력을 상승시킨 후 연소에 필요한 산소를 연소기에 공급하고, 연소기에서는 압축공기를 연료와 혼합, 연소시켜 높은 에너지의 연소가스를 생성하며, 가스터빈에서 이 고온, 고압의 연소가스가 팽창하면서 회전날개가 회전하여 전기를 생산합니다.

 

가스터빈을 구동하고 나오는 배기가스는 대략 500℃ 이상의 고온으로 온도가 높아서 배기가스에 남아 있는 많은 열량이 대기 중으로 버려질 경우 효율은 낮아지게 됩니다. 따라서 가스터빈 배기가스를 보일러로 보내, 증기를 생산하여 증기터빈을 구동함으로써 가스터빈의 배기가스가 가진 열량의 일부를 회수하게 됩니다. 복합화력에서 사용되는 보일러는 가스터빈의 배기가스 열을 회수하므로 배열회수보일러라고 부릅니다.

 

가스 사이클에서 고온의 연소가스를 이용하여 한번 발전한 후, 배기가스 열을 증기 사이클에서 다시 이용하면 총 두 번에 걸쳐 전력을 생산하게 되므로 열효율이 높아집니다. 현재 신규 복합발전의 열효율은 50% 이상으로, 앞으로 60% 정도까지 향상될 전망입니다.

 

복합발전의 구성과 운용

대용량 복합발전소는 가스터빈과 증기터빈을 여러 호기 조합하여 구성하며, 증기터빈 용량은 가스터빈 전체 용량의 50% 정도로 선정합니다. 가스터빈에 대한 증기터빈 설치대수에 다라 일축형, 이축형 및 다축형으로 구분하며 발전소 건설 계획 시 이용목적, 운용방법, 설치조건 등을 고려하여 일축형 또는 다축형의 형식을 선정합니다. 

 

일축형과 다축형의 공통적인 특징은 가스터빈 운전대수를 조정하지 않으면 부하가 감소할 경우 효율이 급속히 저하한다는 것입니다. 따라서 저부하의 경우 가스터빈 운전대수를 조정하여 효율을 높게 합니다.

 

기본구성

일축형 방식

일축형은 가스터빈 한 호기에 대해 증기터빈 한 호기를 동일축에 직접 결합하여 운전하는 형식으로, 각 호기가 독립 운전이 가능하여 호기별 정비가 가능하므로 평균 이용률이 높아집니다.

 

2014년 준공된 안동복합이 일축형을 채택하고 있으며 발전기와 증기터빈 사이에 동기클러치를 설치하여, 가스터빈 기동 후 배열회수보일러에서 생산된 증기로 증기터빈을 회전시켜 일정 속도가 되면 가스터빈 축과 증기터빈 축 사이의 클러치를 결합하여 운전합니다. 동기클러치는 볼트와 너트의 체결 원리로 동작하게 됩니다.

 

이축형 방식

일축형에서 가스터빈 축과 증기터빈 축을 분리해 각각에 발전기를 설치한 형식으로 가스터빈과 증기터빈은 개별적인 발전기를 구동합니다. 이축형은 축이 분리되어 기동성이 양호합니다. 서인천복합의 경우 기동손실 감소와 효율개선 목적으로 가스터빈 축과 증기터빈 축을 분리하는 이축형 방식을 채택하고 있습니다.

 

다축형 방식

가스터빈 여러 호기에 대해 증기터빈 한 호기를 대응시켜 플랜트를 구성하여 이용하는 방식입니다. 국내 대부분의 발전소는 가스터빈 2대와 증기터빈 1대를 결합한 다축형을 채택하고 있으며, 그 외 영원복합, 평택 I, 일산복합 I, 분당복합 I 등이 있습니다.

 

일축형과 다축형의 운용상 특성비교

정격부하 운전 시는 소용량 증기터빈을 여러 대 운전하는 일축형보다 대용량 증기터빈을 한대 운전하는 다축형이 효율이 높습니다. 따라서 다축형은 기저부하로 운용하는 경우 유리합니다. 부분부하 운전 시는 일축형과 다축형 모두 효율이 급격히 저하하나, 다축형은 증기터빈이 한대 이므로 가스터빈 정지대수만큼 부분부하로 운전할 수밖에 없으므로 효율이 저하합니다. 다라서 중간부하로 운용하는 경우 일축형이 유리합니다.

 

일축형과 이축형 플랜트는 각 호기 간 급수 및 증기계통이 상호 관련이 없으므로 각 호기별로 기동 정지와 부하변동에 따른 출력 조정이 가능하므로 운용상 편리합니다. 그러나 다축형은 운용상 주의를 요하며, 이유는 다음과 같습니다. 보일러 급수가 배열회수보일러로 공급될 때는 분류되고, 배열회수보일러 증기가 터빈으로 유입할 때는 합류되므로 유체 상호 간 영향을 받게 됩니다.

 

한 호기의 가스터빈과 배열회수 보일러가 부하변동 또는 부하차단 될 경우 다른 배열회수 보일러에 변화된 유체 압력이 전달되어 보일러 드럼수위 변동을 가져옵니다. 증기가 합류되는 증기헤더부에서는 발생할 수 있는 과도한 열응력을 피하기 위해 각 배열회수 보일러의 출구 증기온도 편차를 제한치 이내로 유지해야 합니다.

 

일축형과 다축형 비교

항목	일축형	다축형
정격시 열효율	기준	약간우수
부분부하 열효율	기준	약간 열등 (GT는 절체운전으로 대등하나 ST에 의해 효율 저하됨)
기동/정지시간	기준	약간지연 (ST의 대용량화로 열응력을 감소하기 위한 시간지연 발생)
운용성	각 호기 독립운전으로 운용상 편리	각 HRSG 급수 및 발생증기의 압력, 온도 협조제어 운전 필요
정기점검	호기 단위로 점검가능 (기간의 평준화)	ST 점검시에 GT를 순차적으로 점검
플랜트 선택	중간부하에 유리	기저부하에 유리