[논문]Syngas및 수소를 연료로 사용하는 발전용 가스터빈 성능해석

이종준; 차규상; 손정락; 김동섭

Syngas및 수소를 연료로 사용하는 발전용 가스터빈 성능해석
Performance Analysis of a Gas Turbine for Power Generation using Syngas as a Fuel 원문보기

이종준 (인하대학교 대학원 기계공학과) , 차규상 (인하대학교 대학원 기계공학과) , 손정락 (서울대학교 기계항공공학부) , 김동섭 (인하대학교 기계공학부)

Integrated Gasification Combined Cycle (IGCC) power plant converts coal to syngas, which is mainly composed with hydrogen and carbon monoxide, by the gasification process and produces electric power by the gas and steam turbine combined cycle power plant. The purpose of this study is to investigate the influence of the syngas to the performance of a gas turbine in a combined cycle power plant. For this purpose, a commercial gas turbine is selected and its performance characteristics are analyzed with three different fuels, i.e., natural gas ($CH_4$), syngas and hydrogen. It is found that different heating values of those fuels and chemical compositions in their combustion gases are the causes in the different performance characteristics.

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문제 정의

본 연구에서는 공급 연료의 종류 및 성분에 따른 발전용 가스터빈의 성능특성을 고찰하였으며, 주요 결과는 다음과 같다.
연료 변화에 따른 대상 가스터빈의 성능 변화에 대한 연구 등은 미비한 실정이다. 본 연구에서는 천연가스를 사용하는 기존의 가스터빈의 설계점 성능해석을 통하여 기본 성능특성을 분석한 후, 연료를 Syngas 등으로 변화시켰을 경우의 가스터빈 성능 변화특성을 해석적으로 분석하였다.
이와 같이 사용 연료를 바꿈에 따른 가스터빈의 성능특성을 모사하기 위해서는 설계점 성능해석만으로는 정확한 예측이 불가능하며, 탈설계(off-design)성능해석이 필수적이다. 본 연구에서는 천연가스를 이용한 설계점 성능해석 결과를 기본으로한 탈설계 성능해석을 통하여 사용 연료의 변화에 따른 성능변화 특성을 고찰하였다.

가설 설정

2의 IGCC 발전에서 생성된 syngas를 연료로 사용하는 가스터빈의 성능해석 결과와 함께 순 수소만을 사용하는 경우의 결과를 비교한 결과이다. 이 결과는 앞서 서술한 바와 같이 천연가스를 사용한 기본 성능의 결과를 이용한 탈설계 해석을 통하여 계산한 결과이며, 터빈 입구 온도 및 터빈 출구온도가 일정하다고 가정하였다. 연료가 바뀜에 따라 동일한 터빈 입구온도를 유지하기 위하여 Psi(Ⅰ)의 경우 천연가스 대비 약 6.

제안 방법

특히 수소(H₂)는 syngas를 구성하고 있는 물질 중 가장 큰 발열량을 가지는 물질로써, 앞 절에서 살펴본 바와 같이 수소의 성분비가 변화함에 따라 가스 터빈 성능에 미치는 영향이 매우 크다. 본 절에서는 Ⅰ(PSI Plant)의 구성 성분을 기준으로 CO와 H2의 합에 해당하는 64.3%의 구성비를 고정한 상태에서, 수소의 성분비를 증가시키면서, 가스터빈의 성능 변화를 고찰하였다.
가스터빈 엔진의 성능을 해석하기 위해서는 엔진의 성능거동을 정확하게 모사 할 수 있는 프로그램이 필수적이다. 이에 본 연구에서는 가스터빈 성능해석 전용 상용 프로그램인 Gage/Cycle⁽⁵⁾에 7FA+엔진의 주요 성능 파라미터를 적용하여, 엔진 모사 프로그램을 제작하였다.
터빈 출구온도 및 전체 가스유량을 Table 1의 값들로 고정한 상태에서 출력 및 효율이 역시 Table 1에서의 값들과 유사한 값이 계산되도록 연료유량을 조정하여 설계점 성능해석을 수행 하였다. 그 결과 터빈 입구 온도(Turbine Inlet Temperature)는 1402.

대상 데이터

본 연구에서는 GE의 7FA+모델 가스터빈을 대상 엔진으로 선정하였다. 이 모델의 기본 성능은 Table 1와 같으며, 구성 개략도는 Fig.
2와 같다. 본 연구에서는 Table 5와 같은 두 가지의 IGCC 발전소에서 생성되는 석탄 가스를 앞서 분석한 GE 7FA+ 모델 가스터빈엔진에 적용하였다.

이론/모형

1의 데이터를 사용하였고, 터빈의 냉각유량은 문헌 참조⁽⁶⁾를 통하여, 합리적인 값으로 설정하였다. 기본 연료로 사용한 천연가스의 성분비는 한국표준과학연구원에서 제작한 기준가스 성분을 이용하여 모사하였으며, 그 결과는 Table. 2와 같다.
본 절에서는 천연가스 연료를 사용하여 계산한 가스터빈 모델에 메탄 연료를 사용한 경우를 탈 설계 해석기법을 적용하여 해석하였다. 천연가스 연료를 사용하는 경우에 비하여 순수 메탄을 사용하는 경우 주 연료성분인 메탄의 함량 변화에 따라 연료의 발열량은 증가하게 되며 이에 따른 엔진의 성능 변화를 계산한 결과는 Table.

성능/효과

(1) 천연가스와 메탄을 연료로 사용하는 경우를 비교해 본 결과 메탄의 성분이 증가함에 따른 발열량의 변화 및 연료 유량, 구성 성분의 변화에 따른 비열 등의 영향으로 출력 및 열효율이 다소 증가하는 결과를 확인하였다.
(2) syngas 중에서 수소의 함량이 증가함에 따라 출력과 열효율은 증가 하였으며, 연료유량은 감소하였다. 이는 발열량이 높은 수소의 함량이 증가함에 따라 연소기 출구 가스의 비열이 증가하게 되며 이는 출구가스의 성분에서 CO₂는 감소하고 H₂O는 증가하여, 결과적으로 연소기 입 출구에서의 엔탈피가 변화하는데 원인이 있는 것으로 판단된다.
터빈 출구온도 및 전체 가스유량을 Table 1의 값들로 고정한 상태에서 출력 및 효율이 역시 Table 1에서의 값들과 유사한 값이 계산되도록 연료유량을 조정하여 설계점 성능해석을 수행 하였다. 그 결과 터빈 입구 온도(Turbine Inlet Temperature)는 1402.71℃, 터빈 로터 입구온도(Turbine Rotor Inlet Temperature)는 1331.6℃로 각각 계산되었는데, 터빈 로터 입구온도는 Table 1의 값과 비교하여 약 1%정도의 오차 범위 내에서 일치하였다. 압축기 효율은 폴리트로픽 효율로 91.
3%정도 감소하였다. 그러나 연료의 변화에 따른 가스의 정압비열이 변하게 되어 전체 출력은 175.38MW로 약 2.3% 증가하였으며, 발열량의 변화 및 출력의 증가에 따라 전체 열효율은 약간 증가하였다.
또한, Psi(Ⅰ)의 경우와 비교하여 Tempa(Ⅱ)의 경우 출력은 약 1%, 효율또한 1%정도 더 증가하는 것으로 나타났다. 두 개의 결과가 차이가 나는 이유는 연료의 성분변화에 따라 연소과정에서 연료로 사용되어지는 성분의 비가 감소하게 되어, 발열량이 감소하고 이에 따른 연료의 량이 증가하는 것과, 주요 연료성분인 수소 및 일산화탄소의 함량변화에 따른 연소기 출구가스의 성분 변화에 의한 것으로 파악된다. 특히 수소의 경우 분자량에 비하여 매우 큰 발열량을 가지는 물질로써, 수소함량의 변화는 가스터빈 성능 변화에 매우 큰 영향을 미칠 것으로 예상된다.
4배정도 증가하였다. 두 경우 모두 연소기 출구 가스의 비열은 약 1.36정도로 천연가스 연료를 사용하는 경우에 비하여 높은 것으로 나타났다. 연료유량의 증가 및 비열의 변화 등의 원인에 의하여 엔진 출력은 천연가스 연료의 경우에 비하여 1.
6%정도 증가하였다. 또한, Psi(Ⅰ)의 경우와 비교하여 Tempa(Ⅱ)의 경우 출력은 약 1%, 효율또한 1%정도 더 증가하는 것으로 나타났다. 두 개의 결과가 차이가 나는 이유는 연료의 성분변화에 따라 연소과정에서 연료로 사용되어지는 성분의 비가 감소하게 되어, 발열량이 감소하고 이에 따른 연료의 량이 증가하는 것과, 주요 연료성분인 수소 및 일산화탄소의 함량변화에 따른 연소기 출구가스의 성분 변화에 의한 것으로 파악된다.
6℃로 각각 계산되었는데, 터빈 로터 입구온도는 Table 1의 값과 비교하여 약 1%정도의 오차 범위 내에서 일치하였다. 압축기 효율은 폴리트로픽 효율로 91.5%로 가정하였으며, 터빈 효율은 터빈 출구온도를 고정한 상태에서 폴리트로픽 효율로 약 86.6%로 계산되었다.
36정도로 천연가스 연료를 사용하는 경우에 비하여 높은 것으로 나타났다. 연료유량의 증가 및 비열의 변화 등의 원인에 의하여 엔진 출력은 천연가스 연료의 경우에 비하여 1.24~1.28배 증가하는 경향을 나타내었으며, 열효율은 약 6.6~7.6%정도 증가하였다. 또한, Psi(Ⅰ)의 경우와 비교하여 Tempa(Ⅱ)의 경우 출력은 약 1%, 효율또한 1%정도 더 증가하는 것으로 나타났다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

복합 화력의 주 연료는 무엇인가?

일반적으로 복합 화력에는 천연가스가 주 연료로 사용되어진다. 그러나 천연가스 자원 역시 매장량이 한정되어 있고, 연료의 가격 또한 높은 편에 속하기 때문에, 좀 더 저렴하고 자원 매장량에 상대적으로 영향을 덜 받는 연료의 도입이 필요하다.

가스화 복합발전이란 무엇인가?

이에 따라 석탄가스, 바이오메스 등을 연료로 사용한 발전 시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 중에서도 특히 석탄 등의 연료를 가스화시켜 합성연료(이하 ‘Syngas'라 칭함)를 생성시키고 이를 복합화력의 연료로 사용하는 발전 시스템을 가스화 복합발전(Integrated Gasification Combined Cycle, 이하 'IGCC'라 칭함)이라고 부른다.

공급 연료의 종류 및 성분에 따른 발전용 가스터빈의 성능특성을 고찰한 결과는 어떠한가?

(1) 천연가스와 메탄을 연료로 사용하는 경우를 비교해 본 결과 메탄의 성분이 증가함에 따른 발열량의 변화 및 연료 유량, 구성 성분의 변화에 따른 비열 등의 영향으로 출력 및 열효율이 다소 증가하는 결과를 확인하였다. (2) syngas 중에서 수소의 함량이 증가함에 따라 출력과 열효율은 증가 하였으며, 연료유량은 감소하였다. 이는 발열량이 높은 수소의 함량이 증가함에 따라 연소기 출구 가스의 비열이 증가하게 되며 이는 출구가스의 성분에서 CO2는 감소하고 H2O는 증가하여, 결과적으로 연소기 입 출구에서의 엔탈피가 변화하는데 원인이 있는 것으로 판단된다.

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