가스엔진 발전기 개요

홍앤강 Environment의 강 작성

 

안녕하세요 홍앤강 Environment의 강 입니다.

 

 

오늘은 열병합발전 관련 가스엔진 발전기에 대해서 간략하게 조사해봤습니다.

터빈발전기랑 마찬가지로, 신뢰성있는 접근 가능한 자료는 웹상에 아직은 없습니다. (이런경우 Market Reserach 자료 접근하는데 1권당 못해도 30만원 이상 소비해야 하는 것 같습니다.)

논문이라던지, 해외저널을 통해서만 접했고 전문서적일부를 발췌했으며,

글로벌 가스엔진 공급업체인 옌바허(Jenbacher)에서 공개된 자료를 일부 가져왔습니다.

국내에서는 단가 문제로 많이 사용하고 있지 않은데

아래 공급원료인 천연가스 단가를 보면 천연가스 공급 국가 혹은, 공급이 원활한 인근국가는 단가가 저렴해서 시도해볼만한 발전원으로 생각됩니다. 

Global Petrol Prices

 

자료는 웹상에 공개되어 있는 정보에 조금 더 추가해서 정리해보았습니다.

 

1. 개요

열병합발전용으로 사용되는 여러 가지 원동기 중 천연가스 엔진은 1 MW 이하의 발전용량을 갖는 원동기로 가장 널리 사용되고 있다. 또한 향후 산업용 가스 엔진의 배기규제가 점점 강화되기 때문에 기존의 천연가스 엔진으로는 강화되는 배기가스 규제치를 만족시키기 어려워 국내에서도 열병합 발전용 고효율 저공해 천연가스 엔진 개발이 필요하다고 할 수 있다.

https://innio.com/kr/gas-engines/jenbacher

 

[국내 열병합 발전 목록]

지사코드	지사명	발전기 코드	발전소명	발전기유형코드	발전기유형명	발전원유형코드	발전원유형명	발전기수	발전기총용량	등록일자
307	화성	2754	화성복합CC	23	CC_열공급제약	2	LNG	1	512	2014-12-22
309	판교	2871	판교복합CC	23	CC_열공급제약	2	LNG	1	146	2014-12-22
308	파주	2883	파주복합CC	23	CC_열공급제약	2	LNG	1	516	2014-12-22
311	광교	2993	광교복합CC	23	CC_열공급제약	2	LNG	1	145	2014-12-22
311	광교	9993	광교복합CC비교	23	CC_열공급제약	2	LNG	1	145	2014-12-22
307	화성	9754	화성복합CC비교	23	CC_열공급제약	2	LNG	1	512	2014-12-22
308	파주	9883	파주복합CC비교	23	CC_열공급제약	2	LNG	1	516	2014-12-22
309	판교	9871	판교복합CC비교	23	CC_열공급제약	2	LNG	1	146	2014-12-22
312	동탄	2930	동탄복합1CC	23	CC_열공급제약	2	LNG	1	378	2017-06-20
312	동탄	2933	동탄복합2CC	23	CC_열공급제약	2	LNG	1	378	2017-06-20
312	동탄	9930	동탄복합1CC비교	23	CC_열공급제약	2	LNG	1	378	2017-06-20
312	동탄	9933	동탄복합2CC비교	23	CC_열공급제약	2	LNG	1	378	2017-06-20
403	양산	7275	양산열병합CC	23	CC_열공급제약	2	LNG	1	119	2022-12-29

 

한국지역난방공사_열병합 발전설비(발전기) 현황_20230317.xlsx

0.02MB

 

 

 

 

2. 구성요소

발전시스템	냉각시스템	윤활시스템	배기시스템
-연료와 공기를 공급하는 장치로부터 엔진, 발전기를 포함하는 시스템으로 정의하였다. -먼저 연료 및 공기 필터를 적절한 주기로 교체하지 않았을 때 엔진 내부에 이물질이 유입되어 엔진 손상, 효율 저하 등의 안전문제가 발생할 수 있다.	-냉각시스템의 주요 부품은 냉각수 펌프, 열교환기, 제어 밸브 등으로 구성된다. -냉각수 펌프는 냉각수가 고온의 열을 회수할 수 있도록 유체를 순환시키는 역할을 함	-윤활시스템은 금속 표면에 유막을 형성하여 마찰을 감소시키고 발생하는 이물질을 씻어 깨끗이 하거나, 시스템을 밀봉하는 등의 역할을 한다. -이 때문에 윤활유는 부식물, 이물질을 제거하기 위해 주기적으로 윤활유와 기름 필터를 교체하여야 한다.	-엔진에서 발생한 배기가스를 옥외로 배출하는 시스템이다. -배기가스 내에는 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx) 등이 포함되어 있으며, 일산화탄소와 질소산화물은 전력부하가 증가함에 따라 증가한다. -특히 일산화탄소 발생은 시스템 가동 초기에 급격히 증가하는데, 실내 인명 중독사고를 유발하는 가스로써, 배기시스템에서의 기밀 유지, 실내로 유입되지 않는 구조 등은 사용환경에서 중요한 안전항목이 된다. -또한, 엔진에서 배출되는 가스는 약 700℃ 수준의 고온의 가스이며, 일반적으로 열 회수 과정을 거치지만, 열 회수 장치의 오작동 등의 문제로 화재 발생, 배기시스템 기밀재료인 내열 실리콘의 손상을 유발할 수 있다.

가스엔진 개략도, 소형 가스엔진 열병합 발전시스템 안전기준 개발

 

3. 가스엔진 VS 가스터빈? 

 > 가스안전공사와 귀뚜라미에너지에 간략하게 잘 기재되어있습니다.

가스엔진	발전효율 : 30~38%
	배열이용가능효율 : 45~50%
	배열 : 온수
	용량 : 8kW~5,000kW
	용도 : 병원, 호텔, 체육시설, 복합빌딩, 업무빌딩, 상업빌딩
	특징 : 연료가스를 실린더 내로 흡입공기와 혼합하여 실린더 내부에서 피스톤에 의해 압축시킨 후 전기스파크에 의해 연소되는 방식

귀뚜라미 에너지, https://kituramienergy.co.kr/

가스터빈	발전효율 : 24~33%
	배열이용가능효율 : 50~60%
	배열 : 증기
	용량 : 30kW~10,000kW
	용도 : 건물(호텔, 병원, 백화점 등), 산업체
	특징 : 외부로 유입된 공기는 압축기로 보내지고 압축된 공기는 연소기에 보내지고 연소기에서는 연료분사 노즐로부터 분사된 연료와 공기가 혼합되어 연소되는 방식

귀뚜라미 에너지, https://kituramienergy.co.kr/

 

귀뚜라미가 조금 못미더운 분들도 계실까봐

오스트리아 옌바허시 소재의 가스엔진 제작, 판매, 유지보수 업체인 Jenbacher자료를 가져왔습니다. 2000명 재직자와 약 1조원 매출규모의 국내에서는 대기업으로 분류되는 회사구요, 가스엔진을 연간 1400대를 보급하고 있습니다. (무려 80개국에)

시장점유율은 39%로 세계 1위를 유지하고 있습니다.

https://www.jenbacher.com/

 

 

[https://www.jenbacher.com/]

 

조금 더 설명을 보태자면 (Mass/KW Developed 자료)

설치 비용
내연기관 엔진의 설치 비용은 가스터빈보다 훨씬 높습니다.

운전 비용
가스터빈의 운전 비용은 내연기관 엔진보다 적습니다.

효율
가스터빈의 효율은 내연기관 엔진보다 훨씬 높습니다.

밸런싱
가스터빈은 완벽한 균형을 이루는 반면, 내연기관 엔진은 완벽한 균형을 이루지 못합니다.

토크
가스터빈은 균일한 토크를 생성할 수 있으므로 플라이휠이 필요하지 않지만, 내연기관 엔진은 토크 생성이 균일하지 않기 때문에 플라이휠이 필요합니다.

운전 속도
가스터빈은 매우 높은 속도로 운전되지만, 내연기관 엔진은 중간 속도로 운전되도록 설계되었습니다.

압력 관련성
가스터빈을 운전하는 데 필요한 압력은 매우 낮은 반면, 내연기관 엔진에는 매우 높은 압력이 필요합니다.

오염 발생
가스터빈 배기가스에는 유해 가스가 매우 적게 포함되어 있지만, 내연기관 배기가스는 더 많은 오염을 발생시킵니다.

시동
내연기관 엔진의 시동은 간단하지만, 가스터빈 시동은 다소 복잡합니다.

적용 분야
가스터빈은 공기에 적합합니다. 공예품은 도로 차량에 적합한 반면 I.C 엔진은 도로 차량에 적합합니다.

 

 

4. 기술동향

현재 기술동향으로는 Advancements and Innovations에 의하면 효율을 증가하면서도 배출은 감소시키는 전략으로 변칙적인 Valve Timing 및 연료주입의 최적화, 그리고 연료주입 방법 최적화로 연소공정을 최적화 하는 것입니다.

 

 

 

[참고문헌]

1) 열병합 발전용 300 kW급 천연가스 엔진의 노킹 특성 연구, 김창기 외 4명, 2008
2) 천연가스 열량 변화에 따른 GHP 엔진의 성능 및 배출가스 특성, 이중성 외 5명, 2015

3) Performance Characteristics of a 10kW Gas Engine for Generation Package, 이영재 외 4명, 2004

4) 소형 가스엔진 열병합 발전시스템 안전기준 개발, 권준엽 외 2명, 2021