[논문]플랜트의 구성을 고려한 IGCC용 가스터빈의 성능해석

김영식; 이종준; 김동섭; 손정락; 주용진

doi:10.3795/ksme-b.2008.32.9.704

문제 정의

⁽¹⁾ 기존의 IGCC 플랜트는 가스화기기와 부가적인 손실로 인하여 대략 34~36%의 효율이었으나, 최근 더욱 친환경적이고 효율도 약 44%정도로 향상되는 등의 더욱 발달된 IGCC 플랜트의 개발을 위한 연구가 이루어지고 있다.⁽²⁾각 가스터빈 제작회사들이 IGCC 플랜트에 자사의 가스터빈을 적용한 사례들을 연구하여 발표하였다.^(3,4) 국내에서도 최근 IGCC 플랜트에 대한 연구가 진행되고 있다.
본 논문은 산업자원부에서 시행한 신재생 에너지 기술 개발 사업을 통한 연구 결과이다.
IGCC용 가스터빈에서 시스템 구성 방식과 운전 상태에 따라서 이 두 파라미터들이 변하게 될 것이다. 본 절에서는 TRIT를 원래 설계 값으로 하여 IGCC 용 가스터빈의 설계점을 정하는 경우와 압력비를 가스터빈 설계 압력비로 맞추어 IGCC 시스템을 설계하는 경우로 나누어 각 경우에 상대 파라미터의 변화(TRIT가 고정된 경우에 압력비의 변화를 압력비가 고정된 경우에는 TRIT의 변화)와 출력 효율 등 성능변화를 살피고자 한다. Fig.
1에서는 ASU에서 분리된 질소를 연소기에 재공급하지 않은 상태에서 결합도에 따른 가스터빈의 성능변화를 알아보았다. 본 절에서는 재공급되는 질소의 비율이 가스터빈 운전 상태와 성능에 미치는 영향을 질소 재공급의 영향을 보고자, 결합도는 75%로 고정하였으며, 가스터빈의 성능변화를 앞 절에서와 마찬가지로 TRIT와 압력비를 고정한 두 경우에 대해 알아보았다.

가설 설정

)와 석탄이 필요하다. 가스화 기기의 공정은 해석대상에서 생략하였으므로 다음의 가정을 통해 시스템 유량 균형을 맞추었다.
1의 위치를 의미한다. 또 이때 사용된 추가압축기들의 효율은 폴리트로픽효율 90%로고정하였다.

제안 방법

(1) 그리고 GE7FA의 알려진 성능 데이터를 바탕으로 상용프로그램인 Gate cycle⁽⁶⁾을 사용하여 가스터빈을 모사하였다. GE사의 7FA모델은 ISO 조건에서 TRIT 1599.
(1) 본 연구에서는 산소를 가스화기기로 공급하기위해 ASU로의 공기 공급량 전부를 추가 압축기를 통해서 공급할 때를 ASU와 가스터빈의 결합도(Integration Degree) 가 0%라하고 공기공급량 전부를 가스터빈 압축기 출구에서 추출할 때를 결합도 100%라고 하였다. 다음은 결합도의 정의이다.
3.1에서는 ASU에서 분리된 질소를 연소기에 재공급하지 않은 상태에서 결합도에 따른 가스터빈의 성능변화를 알아보았다. 본 절에서는 재공급되는 질소의 비율이 가스터빈 운전 상태와 성능에 미치는 영향을 질소 재공급의 영향을 보고자, 결합도는 75%로 고정하였으며, 가스터빈의 성능변화를 앞 절에서와 마찬가지로 TRIT와 압력비를 고정한 두 경우에 대해 알아보았다.
ASU로의 공기공급 방식, 즉 결합도에 따라 가스터빈의 성능변화를 알아보았다. 이 때 ASU에서 분리된 질소는 연소기로 재공급하지 않는다.
첫 번째로 가스터빈과 ASU의 결합도에 따른 성능변화를 고찰하였다. TRIT가 애초 설계값으로 작동하도록 설계하는 경우와 압력비를 설계값으로 유지하도록 설계하는 경우로 나누어 시스템 성능을 분석하였다. 질소 재공급율은 0%로 두었다.
본 연구에서는 IGCC 플랜트 전체가 해석대상이 아니며, 가스터빈만을 대상으로 한다. 단, 가스터빈과 ASU와의 상호작용(물질교환)을 고려하였다. 자세한 구성은 Fig.
두 번째는 앞 절에서 압력비를 고정한 상태에서 역시 결합도가 75%인 경우를 선정하여 질소를 연소기로 재공급함에 따른 가스터빈의 성능특성에 대해 알아보았다. Fig.
두 번째로 가스터빈과 ASU의 결합도가 고정된 상태에서 연소기로 재공급되는 질소량을 바꾸면서 성능변화를 해석하였다. 이때도 TRIT를 고정한 경우와 압력비를 고정한 경우에 대해 나누어 해석하였다.
두 번째로 압력비가 원래 설계압력비로 설정되도록 IGCC 시스템을 설계하는 경우를 살펴본다. 설계점에서의 압력비인 16으로 압력비를 고정한 상태에서 결합도에 따른 가스터빈의 성능특성을 알아보았다.
먼저 원래 가스터빈의 설계값으로 TRIT가 설정해지도록 IGCC 를 설계한 경우를 살펴본다. Fig.
3의 최대점이 존재하는 이유는 압축기효율의 영향임을 확인할 수 있다. 본 연구에서는 압축기 효율이 변화하는 경우를 현실적인 계산이라고 판단하여 이후에는 유량과 압력에 따라 압축기 효율이 바뀌는 성능선도를 사용하여 계산하였다.
또 Syngas를 생성하기 위해 공기분리기(Air Separation Unit, ASU)로 공기를 공급하는 방식과, ASU에서 분리된 질소(N₂)를 연소기로 공급하는 방식 등 플랜트의 구성에 따라 가스터빈의 운전 상태와 성능이 변하게 된다. 선행연구⁽⁵⁾에서는 특정한 하나의 시스템 형태에 대해서 IGCC 시스템에서의 가스터빈 성능을 분석한 바 있으며, 본 연구에서는 이를 확장하여 가스터빈과 ASU간의 결합정도에 따른 성능변화와 ASU에서 분리된 질소가 연소기로 재공급되는 비율에 따른 가스터빈의 성능을 해석하였다. 특히 보조압축기들의 동력을 고려한 순출력 기준으로 시스템 성능을 분석하였다.
두 번째로 압력비가 원래 설계압력비로 설정되도록 IGCC 시스템을 설계하는 경우를 살펴본다. 설계점에서의 압력비인 16으로 압력비를 고정한 상태에서 결합도에 따른 가스터빈의 성능특성을 알아보았다. TRIT를 고정한 경우와는 다르게 결합도가 증가함에 따라 출력과 효율이 모두 증가 하는 경향을 보였다.
따라서 본 연구에서는 해석상 탈 설계 작동모델이 필요하다. 압축기의 운전 특성은 상용 프로그램에 내재되어 있는 GE7FA모델의 압축기 성능선도를 이용하였으며, 터빈은 다음의 초킹조건으로 특성을 모사하였다.
두 번째로 가스터빈과 ASU의 결합도가 고정된 상태에서 연소기로 재공급되는 질소량을 바꾸면서 성능변화를 해석하였다. 이때도 TRIT를 고정한 경우와 압력비를 고정한 경우에 대해 나누어 해석하였다. TRIT를 고정시킨 경우 질소 재공급 율이 증가할수록 압력비가 높아지고, 시스템 출력과 효율은 증가하였다.
즉, 결합도가 감소하면서 압축기 효율이 낮아져서 압축기 소요 동력이 과하게 증가하기 때문에 가스터빈 출력의 증가율이 줄어들고, 결국 순출력은 특정 결합도 이하에서 감소하게 된다. 이를 확인하기 위하여 압축기 효율이 유량과 압력비에 상관없이 일정한 경우도 해석해 보았다. Fig.
천연가스를 연료로 사용하도록 설계된 가스터빈을 IGCC에 사용할 때 ASU로의 공기공급 방식, 즉 가스터빈과 ASU간의 결합도와 연소기로의 질소 재공급율에 따른 가스터빈의 성능변화를 고찰하였다.
첫 번째로 가스터빈과 ASU의 결합도에 따른 성능변화를 고찰하였다. TRIT가 애초 설계값으로 작동하도록 설계하는 경우와 압력비를 설계값으로 유지하도록 설계하는 경우로 나누어 시스템 성능을 분석하였다.
선행연구⁽⁵⁾에서는 특정한 하나의 시스템 형태에 대해서 IGCC 시스템에서의 가스터빈 성능을 분석한 바 있으며, 본 연구에서는 이를 확장하여 가스터빈과 ASU간의 결합정도에 따른 성능변화와 ASU에서 분리된 질소가 연소기로 재공급되는 비율에 따른 가스터빈의 성능을 해석하였다. 특히 보조압축기들의 동력을 고려한 순출력 기준으로 시스템 성능을 분석하였다.

대상 데이터

5% 등이다.^(7,8) 이때 연료는 CH₄가 90.09%, C₂H₆가 6.04%, C₃H₈ 2.54%조성의 천연가스를 사용하였다. 알려져 있는 온도, 압력, 유량 등의 성능 파라미터를 기반으로 추가적으로 알려지지 않은 압축기 및 터빈의 효율, 냉각유량 등의 특성파라미터 등을 추산하여 사용하였다.
본 연구에서는 IGCC power 플랜트의 가스터빈을 모사하기 위하여 Tampa 및 Wabash 플랜트에서 이용하고 있는 GE사의 7FA모델을 선정하였다.⁽¹⁾ 그리고 GE7FA의 알려진 성능 데이터를 바탕으로 상용프로그램인 Gate cycle⁽⁶⁾을 사용하여 가스터빈을 모사하였다.
본 연구에서는 IGCC 플랜트 전체가 해석대상이 아니며, 가스터빈만을 대상으로 한다. 단, 가스터빈과 ASU와의 상호작용(물질교환)을 고려하였다.
54%조성의 천연가스를 사용하였다. 알려져 있는 온도, 압력, 유량 등의 성능 파라미터를 기반으로 추가적으로 알려지지 않은 압축기 및 터빈의 효율, 냉각유량 등의 특성파라미터 등을 추산하여 사용하였다. 그 결과는 Table 1에 나타내었으며 참고 데이터^(7,8)와 비교하였을 때 출력, 효율, 유량 등이 1% 이내의 오차를 나타낸 것으로 잘 모사되었다.

성능/효과

이때도 TRIT를 고정한 경우와 압력비를 고정한 경우에 대해 나누어 해석하였다. TRIT를 고정시킨 경우 질소 재공급 율이 증가할수록 압력비가 높아지고, 시스템 출력과 효율은 증가하였다. 또한 압력비를 고정시켰을 경우에는 질소 재공급율이 증가될수록 터빈 입구온도가 감소하여 시스템 출력은 감소하였지만 출력의 감소효과보다 연료유량의 감소효과가 더 커서 효율은 증가하였다.
설계점에서의 압력비인 16으로 압력비를 고정한 상태에서 결합도에 따른 가스터빈의 성능특성을 알아보았다. TRIT를 고정한 경우와는 다르게 결합도가 증가함에 따라 출력과 효율이 모두 증가 하는 경향을 보였다. 결합도가 증가하면서 가스 터빈 입구유량은 줄어들지만 터빈입구 압력이 일정하므로 터빈입구온도가 높아져야 한다(식 (2) 참조).
압력비를 고정하는 경우에는 결합도가 증가할수록 TRIT가 증가하여 출력과 효율이 모두 증가하였다. 결과적으로, 안정적인 운전범위를 고려한다면 TRIT를 설계치로 운전하고자 하는 경우에는 특정 결합도 이상에서, 설계 압력비로 운전하고자 하는 경우에는 특정 결합도 이하에서 IGCC 가 설계되어야 하는데, 두 경우 모두 안정적 설계 범위에서는 시스템 성능이 천연가스를 사용할 경우의 가스터빈 성능에 미치지 못한다.
결론적으로 결합정도에 따른 성능변화와 질소재공급에 따른 성능변화를 살펴본 결과, 가스터빈의 안정적인 운전범위에서 시스템 출력과 효율은 천연가스를 사용할 경우의 가스터빈의 출력과 효율에 미치지 못한다. 즉, IGCC용 가스터빈에서 구성부의 수정이 가해지지 않는 한 순성능(가스터빈 출력에서 소모동력을 뺀 순출력 기준의 성능)은 원래 가스터빈의 성능에 미치지 못한다.
결합도가 감소할수록 터빈입구에서의 유량이 증가하기 때문에 출력과 효율이 증가될 것으로 예상되나 Fig. 3에서 나타낸 것처럼 결합도가 증가하면서 시스템출력과 시스템효율이 어느 정도까지는 증가하다가 최대값을 갖고 감소하는 경향이 나타났다. 이는 Fig.
TRIT를 고정시킨 경우 질소 재공급 율이 증가할수록 압력비가 높아지고, 시스템 출력과 효율은 증가하였다. 또한 압력비를 고정시켰을 경우에는 질소 재공급율이 증가될수록 터빈 입구온도가 감소하여 시스템 출력은 감소하였지만 출력의 감소효과보다 연료유량의 감소효과가 더 커서 효율은 증가하였다. 질소 재공급율에 따른 해석 결과에서도 안정적인 운전범위를 고려한다면 시스템 성능이 천연가스를 사용할 경우의 가스터빈 성능에 미치지 못하였다.
특히 결합도가 감소할수록 압력비가 증가하게 되는데, 실제 가스터빈에서는 허용 가능한 서지마진이 있게 마련이므로 터빈입구온도를 설계값으로 유지하면서 낮은 결합도로 IGCC를 설계하기는 쉽지 않을 것이다. 본 결과에 의하면 안정적으로 설계 압력비 이하에서 운전하려 한다면 결합도 약 60% 이상에서 IGCC 가 설계되어야 하며, 그 경우 시스템 순출력은 가스터빈 설계출력에 미치지 못하고 시스템 효율도 가스터빈 설계효율에 미치지 못한다.
그러나 시스템 효율은 질소 재공급율이 증가함에 따라 증가하였으며, 이는 출력의 감소효과보다 연료유량의 감소 효과가 더 크기 때문이다. 본 절의 결과에서도 안정적인 운전 범위를 고려한다면, 즉 TRIT가 일정한 경우 설계압력비보다 낮은 압력 비에서 운전하고 (Fig. 8의 결합도 약 80% 이하) 압력비가 설계값과 동일한 경우 TRIT를 설계값 이하에서 운전한다면(Fig. 10의 결합도 약 20%이상), 시스템의 출력과 효율은 천연가스를 사용할 경우의 가스터빈 성능에 미치지 못할 것으로 예상되었다.
결합도가 낮아져서 외부에서 공급되는 공기 유량이 증가하여 터빈입구에서 유량이 늘어나면 터빈 팽창비가 늘고 압축기의 압력비도 커진다. 설계점보다 압력비가 높아지면서 압축기 효율은 감소하는 것이 현실적이며, 본 연구에서 사용한 압축기 성능선도도 Fig. 2에서 확인되듯이 이를 반영하고 있다.
첫 번째로 TRIT를 고정하고 ASU에서 분리된 질소가 연소기로 재공급되는 경우에는 연료유량이 늘어 터빈입구유량이 증가되고, 이에 따라 압력비가 상승하고 압축기의 효율은 감소하는 경향이 나타난다. Fig.

후속연구

그 이하로 설계하는 경우에는 시스템 순출력과 효율이 애초 가스터빈 출력과 효율에 비하여 낮다. 앞의 터빈입구온도를 유지하는 설계결과와 묶어서 본다면, 안정적인 운전을 고려한 IGCC 설계 범위에서는 시스템 성능이 천연가스를 사용할 경우의 가스터빈 성능에 미치지 못하는 공통적인 결론을 얻게 된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가스화 복합화력 발전이 발표되게 된 배경은 무엇인가?	최근 세계적으로 에너지 자원의 고갈과 환경오염에 대해 관심이 집중되면서 신재생에너지가 각광을 받고 있다. 그 중에서 석탄을 가스화하여 합성가스(이하 Syngas라 칭함)를 생성하고 이를 연료로 사용하는 가스화 복합화력 발전(Integrated Gasification Combined Cycle, 이하 IGCC라 칭함)은 현재 세계적으로 건설되어 작동되고 있으며, 대표적인 4대 IGCC 플랜트의 성능자료가 발표되기도 하였다.
	Syngas를 사용할 때 필요한 것은 무엇인가?	기존의 복합화력 발전의 연료로 사용되던 천연가스에 비하여 Syngas는 발열량이 매우 낮으며 주요 성분은 수소와 일산화탄소이다. Syngas는 발열량이 낮기 때문에 천연가스를 연료로 사용할 때와 동일한 터빈입구온도를 유지하기 위해서는더 많은 유량이 연소기로 공급되어야 한다. 또 Syngas를 생성하기 위해 공기분리기(Air Separation Unit, ASU)로 공기를 공급하는 방식과, ASU에서 분리된 질소(N2)를 연소기로 공급하는 방식 등 플랜트의 구성에 따라 가스터빈의 운전 상태와 성능이 변하게 된다.

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