본문내용
1. 서론
1.1. 열병합 발전의 정의 및 종류
열병합 발전이란 하나의 에너지원으로부터 전기에너지와 열에너지를 병합 생산 이용하는 종합에너지 시스템이다. 열병합 발전은 크게 지역난방 열병합 발전과 산업체 열병합 발전으로 분류될 수 있다. 지역난방 열병합 발전은 주거 및 상업지역에 냉, 난방을 목적으로 하며, 산업체 열병합 발전은 산업체의 공정용 목적으로 저압증기를 공급한다. 최근에는 사업계획 초기에 두 가지를 모두 병용하여 전기 및 열생산을 극대화시키는 추세이다. 일반 영업용 발전설비의 종합 효율은 35~40% 수준인 반면, 열병합 발전소는 75~85%의 높은 효율을 나타내어 에너지 비용 절감 효과가 크다.
1.2. 열병합 발전의 필요성과 중요성
열병합 발전의 필요성과 중요성은 다음과 같다.
첫째, 열병합 발전은 에너지 이용 효율을 극대화할 수 있다. 일반 화력발전소의 발전 효율이 약 35-40%인 것에 비해, 열병합발전소는 75-85%의 높은 종합효율을 보인다. 이는 발전 과정에서 발생하는 폐열을 회수하여 산업체의 공정용 열이나 지역난방의 열원으로 활용하기 때문이다. 이를 통해 에너지 비용을 절감할 수 있으며, 온실가스 배출량도 감소시킬 수 있다."
둘째, 열병합 발전은 에너지 공급의 안정성을 높일 수 있다. 화력발전소나 원자력발전소와 달리, 열병합발전소는 전기와 열을 동시에 생산할 수 있다. 따라서 전력과 열 수요의 동시 충족이 가능하며, 지역 단위 에너지 공급이 가능하다. 이를 통해 송배전 손실 감소와 함께 에너지 공급의 안정성을 높일 수 있다."
셋째, 열병합 발전은 환경 오염 감소에 효과적이다. 열병합 발전은 연료 사용 효율이 높아 동일한 연료 사용량 대비 온실가스 배출량이 적다. 또한 주로 청정 연료인 천연가스를 사용하므로 미세먼지, 황산화물, 질소산화물 등의 대기오염물질 배출도 적다. 이를 통해 열병합 발전은 온실가스 감축과 대기오염 저감에 기여할 수 있다."
넷째, 열병합 발전은 원격 지역 및 중소규모 산업단지에서의 유용성이 크다. 일반 대규모 발전소와 달리 열병합 발전소는 상대적으로 소규모로 운영될 수 있어, 중소규모 단지나 격리된 지역에서의 활용이 용이하다. 이를 통해 에너지 공급과 이용 간의 거리 감소와 함께 전력 송배전 인프라 구축 비용을 절감할 수 있다."
종합적으로 열병합 발전은 높은 에너지 이용 효율, 안정적인 에너지 공급, 환경오염 감소, 그리고 원격지 및 중소규모 단지에서의 유용성 등의 장점을 가지고 있다. 따라서 열병합 발전은 지속가능한 에너지 공급을 위한 핵심 기술로 주목받고 있다."
2. 열병합발전의 원리
2.1. 증기터빈 발전의 원리
증기터빈 발전의 원리는 다음과 같다.
현재 많이 사용되는 증기터빈 플랜트는 물과 수증기를 작동유체로 하는 랭킨 사이클(Rankine Cycle)을 기본으로 하고 있다. Rankine Cycle은 비교적 낮은 온도까지 열을 이용할 수 있는 특징이 있다. 증기 발전은 Reheat, Regeneration, Superheat 방식을 이용하여 40% 이상의 효율을 얻을 수 있다. 그러나 열효율을 더 높이기 위해서는 터빈 입구의 증기온도를 높이는 것이 필요하다.
2.2. 가스터빈 발전의 원리
가스터빈 발전의 원리는 다음과 같다. 가스터빈 발전은 공기 및 연료가스를 작동유체로 하는 브레이튼 사이클(Brayton Cycle)을 기본으로 하여 비교적 높은 온도에서 열을 이용하는 특징을 가지고 있다. 압축기에서 압축된 공기와 천연가스가 연소기에서 연소하여 고온고압의 연소가스를 생성하고, 이 연소가스를 터빈에서 팽창시켜 터빈을 회전시킨다. 이때 고속회전력이 발전기에 전달되어 전기를 생산하게 된다. 가스터빈은 부하변동에 빨리 응답할 수 있는 장점이 있지만, 배기온도가 약 500℃ 정도로 높아 효율이 30%대에 머무르는 단점이 있다.
2.3. 복합 발전의 원리
복합 발전은 가스터빈 발전과 증기터빈 발전을 결합한 발전 시스템이다. 가스터빈 발전은 공기와 연료가스를 작동유체로 하는 브레이튼 사이클을 기반으로 하며 비교적 높은 온도에서 열을 이용하는 특징을 가지고 있다. 그러나 가스터빈 발전은 배기온도가 약 500℃ 정도로 높아 효율이 30%대에 머물러 단점이 있다.
반면 증기터빈 발전은 물과 수증기를 작동유체로 하는 랭킨 사이클을 기본으로 하며 비교적 낮은 온도까지 열을 이용할 수 있다는 특징이 있다. 증기 발전은 재열, 재생, 과열 방식을 이용하여 40% 이상의 효율을 얻을 수 있다. 그러나 터빈 입구의 증기온도를 높이는 것이 열효율을 더 높이기 위해 필요하다.
복합 발전은 이와 같은 가스터빈 발전과 증기터빈 발전의 장점을 결합한 것이다. 즉, 높은 온도에서 이점을 가지는 가스터빈과 낮은 온도에서 열 이용도가 높은 증기터빈을 결합하여 증기터빈의 고온화에 대한 제약을 경감시키고 가스터빈의 배기가스에 의한 에너지 손실도 줄일 수 있다. 이를 통해 효율을 크게 높일 수 있다.
따라서 복합 발전은 가스터빈 발전과 증기터빈 발전 사이클을 결합하여 높은 온도에서 이점을 가지는 가스터빈과 낮은 온도에서 열 이용도가 높은 증기터빈의 특성을 함께 활용함으로써 전체적인 효율을 크게 높일 수 있다고 볼 수 있다.
3. 열병합발전소의 구성
3.1. 가스터빈 및 보조시스템
가스터빈 및 보조시스템은 열병합발전소의 핵심 구성요소 중 하나이다. 가스터빈은 공기와 천연가스를 연소시켜 고온고압의 연소가스를 생성하고, 이 연소가스를 팽창시켜 회전력을 발전기에 전달함으로써 전기를 생산한다.
가스터빈의 구성은 공기흡입계통, 배기가스 배출계통, 연료공급계통, 윤활유 및 제어유계통, 자동제어 계통 등으로 이루어져 있다. 공기흡입계통은 외부에 설치된 공기흡입여과기, 공기여과기와 터빈을 연결하는 공기통로, 소음장치로 구성되어 터빈에 필요한 연소용 공기와 냉각용 공기를 공급한다. 배기가스 배출계통은 확산분배기, 신축이음, 배기가스통로, 배열회수보일러와 by-pass 연도로 구성되어 가스터빈의 단독 운전도 가능하도록 한다.
연료공급계통은 주연료인 천연가스를 공급하는 가스공급장치와 비상운전용 경유공급장치, 경유 연소 시 발생하는 질소산화물을 제거하는 물분사 설비로 구성된다. 윤활유 및 제어유 계통은 윤활유 공급탱크, 펌프, 윤활유 냉각기, 필터 등으로 구성된다. 이를 통해 가스터빈의 회전부를 윤활하고 부식을 방지한다.
가스터빈의 자동제어 계통은 발전소 전체 공정의 안정적이고 신뢰성 있는 운전을 위해 필수적이다. 이를 통해 전체 설비의 자동제어와 운전상태, 관리자료 수집 및 처리, 설비이상 및 고장에 대한 정보를 제공하여 최적의 운전이 가능하도록 한다.
이와 같이 가스터빈 및 보조시스템은 열병합발전소의 핵심 구성요소로서, 전기 생산과 함께 배출되는 고온의 배기가스를 회수하여 증기를 생산하는 배열회수보일러와 연계되어 발전소 전체의 높은 에너지 효율을 달성하는 데 핵심적인 역할을 한다.
3.2. 배열회수보일러 및 보조시스템
배열회수보일러(HRSG)는 가스터빈 출구측에 위치하며 가스터빈 배기가스 중의 열을 흡수...
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