이번 글은 발전소 열역학 이론에 대하 두번째 이야기 입니다. 발전소에 사용되는 열기관 ( Gas Turbine, Boiler, Steam Turbine ) 의 원리 및 특성을 이해하는데 도움이 되었으면 합니다.
발전소 열역학 이론 (Thermodynamics for Power Plant : Part II )
1) Cycle 로 운전되는 계의 열역학 방정식
2) 비열비
열용량 : 어떤 물체의 온도를 1℃ 상승시키는데 소요되는 열량을 말하며, 단위는 kJ/℃, J/℃ , kcal/℃ , cal/℃ 로 표시 된다.
열용량 : m x Cp (질량×정압비열)
열량 : m × Cp × ΔT (질량×정압비열×온도변화)
고체 물질에는 하나의 비열이 있으나, 모든 기체는 두 가지 다른 비열을 가지고 있다.
비열 : 어떤 물질 1 kg 을 온도 1℃ 상승시키는데 소요되는 열량으로, 정적비열과 정압비열이 있으며 물질의 종류마다 비열이 각각 다르며, 지구상에 존재하는 물질 가운데 물이 비열이 가장 크다.
- 정압비열 (Cp) : 압력이 일정하게 유지된 상태에서의 비열
- 정적비열 (Cv) : 체적이 일정하게 유지된 상태에서의 비열
- 비열비 : 정압비열(Cp)와 정적비열(Cv)의 비
κ (kappa) = Cp/Cv
( Cp > Cv ) : 정압과정에서는 압력을 일정하게 유지하기 위해 부피 팽창에 에너지가 사용되기 때문임.
아래는 비열관련 식이다.
3) Diesel Engine 출력 및 효율
일반적으로 엔진은 열에너지를 기계적 에너지로 변환하는 열기관으로, 흡기, 압축, 폭발, 배기 4 행정 (1 Cycle ) 로 구성된 4 행정 엔진과 피스톤이 상승하면서 흡입과 압축이 이루어지고, 하강하면서 폭발과 배기가 이루어지는 2 행정 엔진이 있다.
엔진 실린더 내부로 연료가 주입되면 연료는 실린더 내에서 폭발하면서 연소되고, 이 폭발력으로 피스톤을 작동시켜 커넥팅 로드를 통해 크랭크 Shaft 를 회전시켜 동력을 발생시킨다. Diesel 엔진의 경우는 점화 플러그가 없이 압축 행정에서 공기 및 연료가 압축 되면서 점화되는 압축 점화 방식을 사용한다.
내연 발전산업에서의 가장 큰 관심사는 지구 온난화와 관련한 온실가스, 특히 이산화탄소(CO₂)의 배출 문제이다, 따라서 최근엔 온실가스 배출에 대응하기 위한 방안으로 화석연료 탄소(C)가 포함되어 있지 않은 수소(H2)나 암모니아(NH3)의 무탄소(Carbon-free) 연료를 사용하는 엔진이 개발되고 있으며, 국내에서는 이런 Type 의 엔진이 이미 개발 되었다.
따라서 침체기에 빠져있는 내연 발전 산업은 단·중기적으로는 기술 개발을 통한 이산화탄소의 감축을, 그리고 장기적으로는 탄소 중립를 통해서 다시 재 도약할수 있을지 기대된다.
아래 예제는 4 Stroke Engine 에 대한 출력 및 효율 계산에 대한 적용예이다.
4) 가스 터빈 출력 및 효율
가스 터빈(gas turbine 또는 combustion turbine)은 연소 가스의 흐름으로부터 에너지를 추출하는 회전 동력기관으로, 압축기( Compressor) d와 터빈 (Turbine) 그리고 연소실 (Combustor) 로 구성된다.
압축기에서 압축 된 공기는 연료와 혼합되어 연소실에서 연소되면서 고온 고압의 기체가 팽창하고 이 힘을 이용하여 터빈을 구동한다.
이렇게 얻은 에너지로 항공기, 기차, 선박, 발전기, 전차 등을 구동하는데 쓰인다.
최근 국내에서도 두산 에너빌리티에서 독자적으로 270 MW급 가스터빈 모델 개발에 (2019 년 11월) 성공했으며, 김포 열병 합발전소에 지난해 3월 출하되어 설치가 완료되었다. (시운전을 거쳐 2023년 7월부터 2025년 7월까지 2년간 현장 실증을 진행 예정이라고함.)
국내 업체의 가스 터빈 개발은 GE, 지멘스, 미쓰비시, 이탈리아 안살도 에네르기아 등에 이어 세계 다섯 번째로, 그 동안 해외 주기기 OEM 사들에게 많이 휘둘리고 있는 가스 발전 사업에 새로운 도약의 분위기를 조성할 수 있으리라 판단된다.
국내에서 독자 개발 된 가스터빈 기술을 발판 삼아 향후 탄소중립 시대에 부합할 수 있는 가스 발전 사업에 재 부흥을 기대해 보게 된다.
EX 2) Gas Turbine Calulation
** 기체의 비열은 각종 열기관의 성능을 계산하는데 필수적으로 사용되는 매우 중요한 물리량으로 비열은 계산시 정확하게 고려되어야 한다. 가스터빈의 경우는 통상적으로 아래와 같은 비열 값과 비열비가 사용되어 진다.
이 비열값은 Cold Gas (공기) 는 2원자 가스이며, Hot Gas는 CO2, H2O 등과 같은 다원자 가스이기 때문에 차이가 발생된다.
그러나 이 값으로 비열을 가정하여 성능을 계산하는 경우 경험적으로 최대 5% 정도의 오차를 보이는 것으로 알려져 있으므로,
정확한 값을 계산하기 위해서는 연료 종류 및 연소 생성물에 대한 분석을 통해 정확한 비열값을 고려하는 것이 필요하다.
- Cold Gas Properties: Cp = 1004.7 J/kg K, κ = 1.4
- Hot Gas Properties : Cp = 1156.9 J/kg K, κ = 1.33
** 발전용 가스 터빈 연소시에는 이론적으로 정압상태에서 연소가 일어나는 것으로 알려져 있지만, 실제적으로는 약 2-4%의 압력강하가 발생한다.
A) 터빈 압축기 동력 구하기 예제 ?
그림에 나타나 있는 발전용 가스터빈의 압축기로 유입되는 공기의 질량유량은 500 kg/s이다. 압축기 입 구에서의 엔탈피는 100 kJ/kg, 공기의 유입속도 (C1)는 170 m/s이다. 압축기 출구에서의 엔탈피가 300 kJ/kg이고 공기의 배출속도가 150 m/s (C2) 라면 압축기에 공급된 일(동력)의 크기는 얼마인가?
B) 가스 터빈 출력 구하기 예제 ?
C) 가스 터빈 효율 구하기 예제 ?
C-3 ) 재생 싸이클 예제 ? ( Consideration for gas turbine with regenerative cycle )
가스 터빈의 재생 사이클은 회수된 배기 사용하여 연소 전에 압축 공기를 예열합니다. 이러한 열 회수는 터빈의 열 효율을 약 35~40%까지 증가시킬 수 있다. 따라서 가스 터어빈의 경우는 압축기 입구 온도를 낮게 하고 ( 인터 Cooling 장치 설치 ( TIAC , Evaporative Cooling) ) 및 재열 장치를 고려 할 경우 터빈의 효율을 증가 시킬 수 있다.
5) HRSG ( Heat Recovery Steam Generator )
HRSG는 ( Heat Recovery Steam Generator) 가스터빈(Gas Turbine)에서 배출되는 고온의 배기가스(Exhaust Gas)의 열(Heat)을 회수(Recovery) 하여 물을 증발시켜 증기(Steam/ HP, IP, LP )를 생산하여, 이 생성된 증기를 배관을 통해 증기터빈(Steam Turbine)으로 보내는 설비로서, 높은 압력 및 온도의 증기의 열에너지를 증기 터빈를 회전시키는 운동에너지로 변환하여 전기를 생산하도록 한다.
HRSG 는 열교환기로서 열회수 증기발전기 또는 증기 발생기(Steam Generator)라고도 하며 주로 복합화력발전소, 열병합발전소, 담수플랜트, 석탄 가스화복합발전소 등에 설치되어 사용된다.
- Simple Cycle 방식의 경우 효율 (GT): 25~40%
- Combined Cycle 방식의 경우 효율 (GT+HRSG+ST): 55~60%
EX 3) HRSG Thermal Calculation Sample
6) 증기 터빈 ( Steam Turbine )
고온 고압의 증기의 열에너지를 회전운동으로 변환하는 외연기관으로, 발전 및 선박추진 등으로 널리 쓰이고 있다.
특히, 발전소에 사용되는 증기 터빈의 경우는 공정에 필요한 증기를 얻는 방식에 따라 복수식, 배압식 및 추기식 등으로 구분된다.
- 복수식 터빈 (Condensing Turbine)
전력생산 위주의 일반적인 발전기는 복수터빈 방식을 사용하며 터빈을 매우 낮은 압력기압이하 까지 팽창시켜 가능한 많은 전력을 생산한 후 터빈을 나오는 저압의 증기는 복수기에서 다시 물로 만들어 열의 낙차가 크고 효율이 높다.
- 배압식 (Back Pressure Turbine )
배압터빈방식은 보일러에서 발생한 고온 고압의 증기를 터빈내에서 팽창에 의한 열낙차로 전력을 생산하고 터빈 마지막 단에서 배출되는 배압증기는 생산공정 또는 지역냉난방에 필요한 증기의 압력을 공급하는 방식으로, 배압터빈방식은 배압증기의 양에 따라 전기출력이 결정되게 되므로 열부하의 변동이 적고 전력수요와 열수요가 평행하게 변하는 경우에 적용하는 되어야 함.
- Steam Conditions 결정
A ) Basic Rankine Cycle
D ) Regenerative cycle (재생 싸이클)
