가스터빈 동력시스템(브레이튼사이클, Brayton Cycle)과 복합화력 발전(CCPP)

 

1. 브레이튼사이클(Brayton Cycle)

랭킨사이클에서는 증기, 즉 Water을 이용해서 동력을 생산하였읍니다, 하지만 브레이튼사이클은 가스를 이용하여 동력을 생산합니다.

 

Gas라고 해서 우리가 연료로 사용하는 LNG, LPG, 산소, 질소, 이산화탄소, 수소 를 이용하는 것이 아니고, 연소의 배기가스를 가스를 활용하는 것입니다.

 

증기터빈은 Water-Stem을 이용하기 때문에 액체-기체 상태변화를 하고요.

 

그러나 가스터빈은 Gas를 이용하기 때문에 항상 기체 상태로만 존재해요. 그렇기 때문에 가스터빈에서는 이상기체방정식을 적용할 수 있어요.

증기터빈에는 이상기체 방정식을 적용할 수 없어요. 왜냐하면 액체로 존재할 때도 있으니깐요.

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2. 브레이튼사이클의 구성

브레이튼사이클의 구성

 

브레이튼사이클의 일반적은 구성은 위의 그림과 같습니다. 그런데, 사이클이 부르는 데 순환하지 않습니다.

랭킨사이클을은 분명히 순환하였습니다.

물과 달리 공기는 지구상 어디에든 항상 존재하기 때문에 배기가스(Exhaust Gas)를 재사용하지 않습니다. 재사용하기에는 비용이 추가로 들어 가기 때문입니다.

*) 물론 터빈 출구쪽에 열교환기를 설치하여 다시 저온으로 만든 기체를 압축기로 넣는 방법이 있지만 실제로 적용하지는 않음.

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2-1 압축기 (Compressor)

랭킨사이클에서 펌프의 역할을 한다고보면 되며,  압축기에서 공기를 압축합니다.

공기를 단열 압축을 하게되면 공기는 고온 / 고압이 되어 연소기로 공급 됩니다.

그러나 기체의 비체적은 액체의 비체적보다 몇 배가 크기 때문에 압축기는 많은 동력이 소모되며, 스터빈에서 생산되는 일의 많은 부분이 압축기를 작동시키는데 소모가 됩니다. (약 50%)

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2-2 연소기 (Combustion)

연소기는 고온 / 고압으로 공급된 연료와 공기가 연소되는 공간입니다.

일반적으로 연료는 LNG, Light Oil 등이 사용되며, 중동에서는 Crude Oil이 사용되기도 했다고 합니다.

연료도 고압 / 고온인 상태로 연소기에 공급됩니다.

고온 / 고압의 연료와 공기가 연소기에서 연소되며, 연소에 의해 엄청난 고압 / 고온의 배기가스가 발생하게됩니다.

이렇게 발생한 배기가스는 터빈으로 들어가게 됩니다.

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3-3 가스터빈(Gas Turbie)

연소기로부터 공급받은 배기가스는 터빈에서 블레이드를 통과하면서 동력을 생산하고 배출됩니다.

즉, 랭킨사이크과 같이 터빈에서 열에너지을 운동(회전)에너지로 변화되며 동력을 생산하게 됩니다.

만약 터빈을 통과한 가스가 깨끗하고 재사용가능하다고 판단이되면 열교환을 통해서 다시 압축기로 보낼 수 있겠죠?

랭킨사이클과 거의 유사하지 않나요?

이렇게 비교해봐요.

증기터빈	가스터빈
보일러	연소기
펀프	압축기
복수기	- (열교환기)

 

결국, 모든 것들이 동력을 생산하기 위한 것이며 동력 생산을 위해서는 고온, 고압을 만들 수 있는 장치가 필요하고, 터빈을 돌리는 작동유체가 증기냐 가스냐의 차이가 있는 것이지요.

가스터빈구성

 

브레이튼사이클 구성하는 가스터빈을 평면으로 이해하기 쉽게 그려진 그림입니다.

랭킨사이클과 달리 가스터빈이라는 시스템안에 모든 구성품들이 적용되어 있습니다. 그래서 상대적으로 증기터빈시스템보다 규모가 상대적으로 작습니다.

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3. T-S 선도에서의 브레이튼사이클

브레이튼사이클 T-S선도

브레이튼사이클도 랭킨사이클과 동일합니다.

다만, 생긴 모양이 다른데 그이유는 브레이튼사이클은 상태변화가 없기 때문 입니다.

브레이튼사이클도 랭킨사이클과 동일하게 압력이 동일한 정압과정과 단열압축/단열팽창과정으로 이루어집니다.

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A-B구간

공기가 압축되며, 대략 압축 비율은 20정도입니다.

어떠한 압축비로 가스터빈을 설계하냐에 따라 가스터빈의 성능이 결정되요.

압축을 적게하면 효율은 높으나 출력이 낮고, 압축을 많이하면 효율은 낮아 지지만 출력은 높아집니다.

그래서 적절한 압축비를 정하는게 중요하죠.

압축비 차이에 따른 브레이튼사이클 비교

 

B-C구간

압축공기와 연료가 만나 연소됩니다.

정압과정으로 압력은 동일하며, 연소에 의한 에너지 증가로 온도가 급격하게 상승합니다.

연소 배기가스온도는 1000℃를 넘어, 최근 H-Class 가스터빈은 1600 ℃까지 적용되고 있습니다.

C지점에의 온도가 가스터빈의 가장 중요한 핵심입니다. 압축비도 중요하지만, C지점에서의 온도가 가장 중요합니다

C지점의 온도를 TIT (Turbine Inlet Temperature)라고 합니다.

C지점 왜 중요하나면 C지점이 오른쪽 상단으로 갈 수롤 Net Work가 커지기 때문에 일의 양이 많아지게 되어 효율이 증가 합니다.

하지만, 현재기술로는 온도상승에 한계가 있으며, 약 1600 ℃가 한계입니다.

그 이상의 온도에서는 터빈 블레이드가 견디질 못하고 녹아 내리게되며, 다른 Trouble도 발생하게 됩니다.

*) 고온을 견딜 수 있는 소재를 지속적으로 개발한다면 더 높일 수 있겠지요

 

 

4. 복합화력발전소

이렇게 고온 / 고압의 배기가스는 터빈의 블레이드를 통과하면서 저온 / 저압의 배기가스가됩니다.

저온이라해도 600℃를 넘습니다. 저온이라고 부르는 이유는 상대적으로 저온이라는 의미입니다.

 

600℃가 넘는 배기가스를 그냥 대기로 버리기에는 너무 아깝지 않나요?

연료를 태워서 많든 에너지인데 절대 버리면 안됩니다. 어떻게는 다시 사용해야지요그래서 그열로 다시 물을 끊여서(배열회수 보일러, HRSG) 증기를 만들고, 증기터빈을 돌려 일(전기)을 생산하게 되는 것입니다.

 

즉 가스터빈( 브레이튼사이클)에서 배출되는 배기가스로 증기터빈(랭킨사이클)을 돌려 일을 하는 것이지요이것이 복합화력발전소(Combined Cycle Power Plant, CCPP)입니다.

복합화력발전소(Combined Cycle Power Plant, CCPP)

 

배열회수 보일러(HRSG)없이 가스터빈( 브레이튼사이클)만을 이용하여 전력을 생산하는 발전소를 심플사이클(Simple cycle)이라고 합며, 중동 같은 곳에서 빠른 전력 생산을 위해 많이 적용하였다고 합니다. 하지만 최근에는 대부분 복합화력 발전으로 구성됩니다.