복합발전의 특징 및 장단점

복합발전의 특징

복합발전은 기존 석탄화력발전과 비교하여 다음과 같은 특징이 있습니다.

 

열효율이 높다.

복합발전은 가스터빈의 고온영역에서 작동하는 브레이튼 사이클과 증기터빈의 저온영역에서 작동하는 랭킨 사이클을 조합하여, 열기관으로서의 작동온도 범위를 가스터빈 연소가스의 고온으로부터 증기터빈 복수기 압력에 해당하는 저온까지 확대시켜 운전함으로써 열효율이 높게 됩니다.

 

일반적으로 복합발전은 가스터빈 입구 가스온도가 높을수록 효율이 증가합니다. 최근 건설되는 복합발전소의 가스터빈 입구 가스온도는 약 1,600℃에 이르고 있으며, 효율도 55% 정도에 달하고 있습니다. 복합발전과 표준석탄화력의 열정산 내용을 비교한 것으로 가스터빈 입구 가스온도가 1,100℃ 급일 경우 약 43%로 기존 석탄화력 효율보다 높습니다.

 

부분부하 운전 시 열효율 저하가 작다.

가스터빈 한 대의 용량은 기력에 비해 적기 때문에 여러 호기를 조합하여 대용량 복합 발전소를 구성합니다. 복합발전 운전 중 출력을 감발해야 할 경우 가스터빈을 한 대씩 정지시키고 운전 중인 가스터빈의 출력을 높여 운전하므로 열효율 저하가 적어집니다. 이는 부분부하 운전 시 복합발전과 기력발전의 열효율 비교를 보면 쉽게 알 수 있습니다.

 

기동/정지 시간이 짧다.

가스터빈은 별도 기동장치에 의해 기동 되기 때문에 기동시간이 매우 바르며, 기동조건에 관계없이 기동시간은 일정합니다. 증기터빈은 기존 석탄화력발전소의 증기터빈보다 용량이 적기 때문에 역시 기동/정지 시간이 짧습니다. 기존 석탄화력 500MW 급의 경우 보일러 점화에서 정격출력가지 열간기동(Hot Start-up)의 경우 최소 2시간 이상 소요되지만 복합발전소는 가스터빈 기동에서부터 증기터빈 정격출력을 내기까지 약 1시간 정도 걸립니다. 기동/정지 시간이 짧기 때문에 기동/정지 손실이 적어지며 계통 부하 변화에 신속히 대응할 수 있습니다.

 

최대출력이 대기온도에 따라 변화합니다.

가스터빈은 대기온도가 성능 기준온도(15℃) 보다 낮아지면 출력이 증가되고 대기온도가 높아지면 출력이 감소됩니다. 대기온도가 낮아질 경우 출력이 증가되는 이유는 다음과 같습니다.

• 가스터빈은 고온에서 운전되고 있는 터빈 날개의 보호를 위해 터빈 입구 가스온도의 상한치가 정해집니다.
• 대기온도가 낮아지면 공기 밀도가 증가하여 흡입 공기량이 증가되므로 연료의 추가 공급이 가능합니다.
• 흡입 공기량과 연료 공급량 증가로 연소가스 양이 증가되어 가스터빈의 출력이 증대됩니다.

또한, 가스터빈 출력 증가와 함께 배열회수 보일러에서 발생증기 증가로 증기터빈 출력도 약간 증대됩니다. 결국 대기온도의 저하에 다라 복합발전의 최대출력은 증가합니다.

 

공해발생이 적다.

가스터빈 연료는 주로 천연가스(LNG)를 사용하므로 배기가스 중에 황산화물, 분진, 매연 등의 공해물질이 거의 배출되지 않습니다. 질소산화물은 연소 과정에서 다소 발생되나 질소산화물 저감 기술 개발 채용 및 최적 운전으로 배출 기준치 보다 훨씬 적게 배출됩니다.

 

온배수량 또한 기존 석탄화력 보다 적게 발생합니다. 복합발전 플랜트의 증기터빈 용량은 전체용량의 약 1/3 정도이므로 동일 용량의 석탄화력에 비해 냉각수 소요량이 적습니다. 복수기 냉각수에 의한 온배수 배출과 잦은 기동/정지로 인해 배열회수보일러에서 배출되는 온배수를 포함하더라도 온배수 배출량은 같은 용량의 석탄화력에 의해 60~80% 정도밖에 되지 않습니다.

 

사용 연료에 따라 성능 변화가 크다.

가스터빈은 연소가스가 터빈으로 직접 유입되기 때문에 연료에 따라 터빈 성능이나 배열회수 보일러에 영향을 많이 미칩니다. 청정 연료를 사용하지 않을 경우 예상되는 문제점은 다음과 같습니다.

(1) 가스터빈 날개부식

석탄이나 중질유 등을 가스터빈 연료로 사용하기 위해서는 먼저 이를 가스화하여야 하는데 이들 연료 속에 포함된 바나듐, 나트륨, 칼륨 및 유황분 등이 연소 시 높은 온도에서 부식성 물질을 생성하여 고온부인 연소기와 가스터빈 날개에 부식을 일으킵니다. 따라서 연료처리장치를 통해 탈황처리와 금속성분 제거 후 사용해야 하며, 고온부식을 방지하기 위해 가스터빈 입구 가스온도를 저하시키게 되면 열효율이 감소하는 요인이 됩니다.

 

(2) 연료 미연분 부착으로 인한 열효율 저하

또한 연소시간이 길어져 미연분이 발생되어 가스터빈 노즐과 블레이드 등에 부착됨으로써 연소가스 팽창을 감소시켜 열효율을 저하시킵니다. 또 이러한 미연분이 배열회수 보일러 핀튜브에 부착되므로 열교환 능력이 저하됩니다.

 

(3) 저온 부식 방지에 의한 열효율 저하

복합발전설비는 공기예열기가 없으므로 보일러 출구 측 배기가스가 가진 열량을 최대한 회수해 배기가스 온도를 낮춰야 하기 대문에 출구 쪽에 위치한 전열면에서 저온부식이 발생할 우려가 있습니다. 연료에 유황분이 많을 경우 튜브 저온 부식 방지를 위해 배기가스 온도를 비교적 높은 상태로 배출시켜야 하므로 열효율이 떨어집니다.

 

건설공기가 짧고 건설단가가 싸다.

가스터빈은 거의 완제품으로 제작된 상태에서 설치장소까지 운반되므로 설치하기가 용이하며, 본체 도착 후 연료 공급 설비를 비롯한 일부 보조설비와의 연결작업만 하면 되므로 건설기간이 짧다. 배열회수 보일러도 용접개소가 기력 보일러보다 적기 대문에 건설이 빠르게 됩니다. 복합발전 플랜트는 관련 부대설비가 기존 석탄화력에 비해 간단하고 설치 면적도 적게 소요되며 건설단가도 쌉니다.