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석탄가스화 복합발전용 가스터빈의 상압 및 고압연소특성에 관한 실험적 연구
An Experimental Study on the Ambient and High Pressure Combustion Characteristics of Gas Turbine for IGCC 원문보기

한국추진공학회 2011년도 제37회 추계학술대회논문집, 2011 Nov. 24, 2011년, pp.685 - 693  

이민철 (한국전력공사 전력연구원) ,  서석빈 (한국전력공사 전력연구원) ,  윤영빈 (서울대학교 기계항공공학부)

초록
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에너지기후시대에 신에너지원 발굴, 저탄소 녹색성장의 일환으로 석탄 IGCC기술이 개발 중에 있다. 본 연구는 IGCC기술 중 가스화기에서 생산된 합성가스를 가스터빈에 직접 주입시 생길 수 있는 문제점을 미리 파악하고, 그 연소특성자료를 축적하기 위해 수행되었다. GE7EA연소기를 대상으로한 상압 및 고압연소실험을 통해 합성가스의 기본적인 연소특성을 파악하였으며, 수소화염이 과다한 NOx발생의 원인임을 파악하고, 질소희석을 통해 NOx배출량을 제어할 수 있음을 확인하였으며, 연소진동은 크게 발생치 않음을 확인하였다. 본 연구를 통해 축적된 시험 데이터는 2015년에 국내 최초로 준공예정인 태안 IGCC플랜트에 연소진단시스템 및 최적화 기술적용시 활용된 예정이다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

In the era of energy climate, IGCC technology is one of the powerful solutions for the demands of new energy with low carbon green growth. The present study is conducted to investigate the combustion characteristics of syngas from the coal gasifier to predict problems when it is fed to the gas turbi...

AI 본문요약
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제안 방법

  • 본 시험에 사용된 석탄가스 연소시험설비는 연료공급부, 공기공급부, 연소시험부, 냉각배기부로 구성되어 있다. (그림 1) 우선 연료공급부에는 2개의 수소 트레일러를 이용해 교환절체형으로 연속적인 수소 공급이 가능하게 하였고, 일산화탄소는 80병의 가스용기를 통해 공급하였으며, 질소 및 이산화탄소는 고압가스 용기를 통해 증기는 전기가열식 증기발생기 및 과열기(Super heater)를 통해 합성가스 가열기로 공급하였다. 합성가스는 각각 유량 및 압력제어가 가능하게 하였고, 최종적으로 연소기 전단에서 300℃, 30bar의 합성가스가 공급가능하도록 하였다.
  • 이에 메탄과 석탄가스 연료전환시 연료비율에 따른 연소성능을 알아볼 필요가 있어, Tab. 2와 같은 조건에서 상압연소실험을 수행하였다. 석탄가스 조성은 Buggenum 플랜트의 가스터빈 입구조성비율을 이용하였고, 온도는 200℃로 공급하였다.
  • GE7EA 가스터빈 연소기 1can을 대상으로 석탄가스 상압 및 고압연소시험을 수행하였으며 이를 통해 부하별 연소특성, 천연가스로부터 석탄가스의 연료전환실험, 공기온도에 따른 영향 및 질소희석에 대한 영향을 살펴보았다. 본 시험을 통해 도출된 결과를 요약하면 아래와 같다.
  • H2, CO, H2/CO 가스 연료의 기초 연소성능특성을 파악하기 위해 H2/CO비 및 총 입열량(30kW~60kW)을 변화시키면서 NOx, CO배출가스, 동압진동, 온도(@연료노즐, 덤프면, 연소실 출구) 및 화염의 형상 등을 관찰하였다. 연료공급온도는 200℃, 공기공급온도는 350℃로 유지하였고, 메탄의 연소시험결과와 비교하였다.
  • 실제 GE7EA 연소기는 WLN 타입으로 물분사를 통해 NOx를 제어하지만 본 시험에서는 연소기 내에 물을 직접하지 않았다는 점을 고려할 때, IGCC플랜트에서의 NOx 배출특성을 크게 개선될 가능성이 있다. IGCC플랜트에서 연료측으로 질소희석시 연소효율과 NOx 배출량의 변화를 관측하기 위해 표 3과 같은 조건으로 시험을 실시하였다. 질소희석량을 4배 증가시키고, 그 외의 조건은 거의 동일하게 유지한 상태에서 연소효율과 NOx 배출량의 변화는 그림 12과 같다.
  • 합성가스는 각각 유량 및 압력제어가 가능하게 하였고, 최종적으로 연소기 전단에서 300℃, 30bar의 합성가스가 공급가능하도록 하였다. 공기공급을 위해서는 다단 원심형 압축기를 이용하였고, 공기가열기를 거쳐 20bar, 400℃의 공기를 공급하였다. 연소시험부에서는 GE7EA 연소기의 1/2 상사모델의 연소기가 장착되었고, 터빈입구온도 등 65개의 온도계측, 3개의 동압계측, 배기가스 농도계측, 연소실내 압력, 연소기 전후차압 등을 측정할 수 있도록 제작하였다.
  • 연소시험부에서는 GE7EA 연소기의 1/2 상사모델의 연소기가 장착되었고, 터빈입구온도 등 65개의 온도계측, 3개의 동압계측, 배기가스 농도계측, 연소실내 압력, 연소기 전후차압 등을 측정할 수 있도록 제작하였다. 마지막으로 냉각배기부를 통해 식혀진 연소후 가스가 안전히 배출될 수 있도록 구성하였다.
  • 외란 중 가장 큰 변화요인은 외부공기 온도이며, 이에 따라 연소기로 공급되는 공기의 온도가 변화한다. 본 실험에서는 이러한 공기온도에 따른 연소성능 특성을 알아보고자 연소기 입구 공기온도(15, 100, 200, 300, 400℃), H2/CO비 및 총 입열량(30kW~60kW, 5kW 간격)을 변화시키면서 NOx, CO배출가스, 동압진동, 온도(@연료노즐, 덤프면, 연소실 출구) 및 화염의 형상 등을 관찰하였다. 시험결과 중 연소진동 결과만을 그림6~8과 같이 도시하였다.
  • 메탄의 경우는 상온으로 공급하였고, 메탄과 석탄가스가 혼합되어 공급되는 조건에서는 연소기 바로 전단에 가스혼합기를 이용하여 충분히 빠른 속도로 혼합한 후에 공급하였다. 본 실험에서는 증기 유량제어 성능이 다소 부진하여, 증기 대신 동일한 희석효과를 보이는 질소를 비열비만큼 더 주입하는 것으로 대체하였다.
  • 2와 같은 조건에서 상압연소실험을 수행하였다. 석탄가스 조성은 Buggenum 플랜트의 가스터빈 입구조성비율을 이용하였고, 온도는 200℃로 공급하였다. 메탄의 경우는 상온으로 공급하였고, 메탄과 석탄가스가 혼합되어 공급되는 조건에서는 연소기 바로 전단에 가스혼합기를 이용하여 충분히 빠른 속도로 혼합한 후에 공급하였다.
  • /CO비 및 총 입열량(30kW~60kW)을 변화시키면서 NOx, CO배출가스, 동압진동, 온도(@연료노즐, 덤프면, 연소실 출구) 및 화염의 형상 등을 관찰하였다. 연료공급온도는 200℃, 공기공급온도는 350℃로 유지하였고, 메탄의 연소시험결과와 비교하였다. 그 결과 그림 5와 같이 수소 화염의 경우 짧게 노즐쪽에 부착되어 형성되고, 연한 청색의 불꽃 색을 가졌으며 후단에는 H2O의 radiation에 의한 붉은 색이 발광되었다.
  • 공기공급을 위해서는 다단 원심형 압축기를 이용하였고, 공기가열기를 거쳐 20bar, 400℃의 공기를 공급하였다. 연소시험부에서는 GE7EA 연소기의 1/2 상사모델의 연소기가 장착되었고, 터빈입구온도 등 65개의 온도계측, 3개의 동압계측, 배기가스 농도계측, 연소실내 압력, 연소기 전후차압 등을 측정할 수 있도록 제작하였다. 마지막으로 냉각배기부를 통해 식혀진 연소후 가스가 안전히 배출될 수 있도록 구성하였다.
  • 이러한 상압시험 결과는 고압시험에도 유효한지를 검증하기 위해 12barg, 400℃ 공기공급조건에서 고압연소시험을 수행하였다.
  • (그림 1) 우선 연료공급부에는 2개의 수소 트레일러를 이용해 교환절체형으로 연속적인 수소 공급이 가능하게 하였고, 일산화탄소는 80병의 가스용기를 통해 공급하였으며, 질소 및 이산화탄소는 고압가스 용기를 통해 증기는 전기가열식 증기발생기 및 과열기(Super heater)를 통해 합성가스 가열기로 공급하였다. 합성가스는 각각 유량 및 압력제어가 가능하게 하였고, 최종적으로 연소기 전단에서 300℃, 30bar의 합성가스가 공급가능하도록 하였다. 공기공급을 위해서는 다단 원심형 압축기를 이용하였고, 공기가열기를 거쳐 20bar, 400℃의 공기를 공급하였다.

대상 데이터

  • 본 시험에 사용된 석탄가스 연소시험설비는 연료공급부, 공기공급부, 연소시험부, 냉각배기부로 구성되어 있다. (그림 1) 우선 연료공급부에는 2개의 수소 트레일러를 이용해 교환절체형으로 연속적인 수소 공급이 가능하게 하였고, 일산화탄소는 80병의 가스용기를 통해 공급하였으며, 질소 및 이산화탄소는 고압가스 용기를 통해 증기는 전기가열식 증기발생기 및 과열기(Super heater)를 통해 합성가스 가열기로 공급하였다.
  • 평택복합화력의 GE-7EA 가스터빈은 10개의 can형 연소기가 로터를 중심으로 둘러싼 can-annular 형의 연소시스템을 이루고 있는데, 그 중 1 can을 대상으로 시험을 수행하였다. 이 연소기는 부분 예혼합 연소방식 및 reverse flow air inlet 방식을 취하고 있으며, NOx 제어를 위해서는 WLN(Wet Low NOx) 방식을 사용하고 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
석탄 IGCC기술의 장점은? 석탄 IGCC기술은 지구상에 가장 많은 자원인 석탄을 이용하고, 탄소포집저장(CCS, Carbon Capture and Storage)기술과 접목할 때 이산화탄소의 배출을 거의 하지 않는 장점을 가지고있다. 특히 후쿠시마 원전사고 이후 원자력이 아닌 다른 신에너지원 발굴이 시급해 졌고, 기술성, 경제성, 즉시성 등을 고려할 때 IGCC기술은 중요한 신재생에너지기술임에 분명하다.
IGCC기술이 접목된 발전소를 국내에서 운영시 예상되는 문제는? 한편 국내에서는 한국서부발전 총괄주관하에 태안 IGCC 플랜트를 2015년까지 준공하는 것을 목표로 20여개의 산학연 기관과 더불어 과제를 수행 중에 있고, KEPCO가 독일의 Uhde와 함께 Joint-venture 회사를 설립하여 IGCC 독자기술을 개발 중이다. IGCC플랜트가 국내 최초로 건설되어 운영시 운전경험이 없고, 숙련된 운전요원이 없는 상태에서는 많은 기술적 문제들이 야기될 것으로 예상된다. 특히 미국, 유럽의 석탄 IGCC 발전소의 경험으로 미루어 보면 80%의 가동율(availability)을 얻기도 어려운 실정이고, 특히 가스터빈 부에서 50% 이상의 고장정지율을 보여 이 문제의 해결이 시급하다.[1] 이러한 예상되는 문제를 이리 예방하기 위해 본 연구에서는 석탄가스로부터 생산된 합성가스를 대상으로 상압 및 고압 가스터빈 연소시험을 수행하였고, 이를 통해 연소특성데이터 베이스를 구축하였으며, 이는 향후 IGCC플랜트 가동율을 높이기 위해 활용될 예정이다.
IGCC 플랜트에서 천연가스는 어떤 연료로 사용되는가? 일반 복합화력발전소의 주연료로 많이 사용되는 천연가스는 IGCC 플랜트에서도 기동용 연료 혹은 Back up 연료로 많이 사용되고 있다. 기동시에 천연가스를 사용하여 약 50%의 부하까지 가스터빈 출력을 증가시킨 상태에서 석탄가스를 가스터빈으로 동시 주입하면서 천연가스를 서서히 줄여가는 형식으로 연료제어를 하는데, 이 때 Trip 사고가 빈번히 발생한다고 Polk Power 플랜트 등에서 보고되고 있다.
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