가스터빈(Gas Turbine) 발전기 개요

▷홍앤강 Environment의 강 작성

 

 

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두산에너빌리티 세계 유일 로터기술 개발 성공, 한국형 가스복합발전에 적용

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"스팀터빈·발전기 2기씩 공급" 두산에너빌, 사우디 가스발전소 '3400억' 주기기 수주 - NBN NEWS

 

 

1. 개요

가스터빈이란 압축기를 통하여 대기로부터 흡입되는 공기를 압축시키고, 이를 연소기에서 연료와의 연소에의해 생성되는 고온고압의 연소가스로 터빈을 구동시켜 축동력(Shaft Power)을 만들어 내는 장치이다.

 기계적인 동력인 축동력은 가스터빈과 연결된 발전기를 통하여 전기적 동력인 전력(Electric Power)으로 변환된다.

 

2. 요소 및 원리

1) 요소 : 압축기, 연소기, 가스터빈 및 발전기

2) 원리 : 연료 연소용 공기를 흡입 압축해서 연소실로 보내어 연료유 또는 가스연료를 연소시켜서 얻은 고온, 고압의 가스를 터빈으로 보내 터빈 내에서 팽창하여 그 보유에너지의 일부는 동력으로 변환되고, 저온, 저압가스로 배출된다.

개방사이클	- 공기를 압축기로 압축해서 연소실로 보내 연료시켜 발생한 고온, 고압의 가스를 터빈에서 팽창시켜 기계적 에너지를 얻음. 배기는 대기에 방출시킴 - 압축>가열>팽창>방열 (1/3 효율)
밀폐사이클	- 작동유체는 공기로서 공기압축기에 의해 압축된 공기는 열교환기에서 예열한 후 공기가열기에서 연료를 연소시키고 연소 시 발생한 고온, 고압의 공기는 터빈에 도입되어 터빈내에서 팽창시켜 기계적 에너지를 냄. 배기는 열교환기로 열교환 후 냉각기로 냉각하여 다시 압축순환됨
복합사이클	- 가스터빈을 배열회수 보일러 및 증기터빈과 연결하여 종합적인 발전소로 열효율 도모뿐만 아니라 전력과 증기를 함께 사용할 수 있는 방식임 - 배기를 배열회수 보일러로 보내서 연소용 공기로 사용하거나, 공기 압축기에서 나온 고압의 공기를 배열회수 보일러에 보내서 연소공기로서 가압연소시켜 연소가스를 가스터빈으로 구동하는 방식임

 

3) 냉각방식(Chiller) : 흡입공기를 얼마만큼 냉각하느냐가 가스터빈발전기 효율 증가와 내구성 연장의 핵심임

- 수냉식(Cooling Water) : 외기온도를 냉각제를 이용하여 공냉식보다 일반적으로 5도 이상 저감시킬 수 있음

- 공랭식(Air) : 고정자 권선이 장기간 운전하는 동안에 열적, 전기적, 기계적 및 환경적 영향으로 절연재료 내부에 Void가 발생하여 열화가 진행하다가 최종적으로 절연파괴에 도달함

 

3. 특징

- 건설비가 저렴하고 건설기간이 짧으며 이설이 용이하다.

- 운전조작이 간단하고, 구조가 간단해서 운전에 대한 신뢰도가 높다.

- 기동, 정지가 용이하며 운전특성(부하추종 능력)이 좋다.

- 냉각수의 소요량 등 입지제약조건이 적다.

- 열효율은 높으나(48% 이상) 고가의 연료(LNG, 경유 등) 사용으로 운전비용이 높다.

- 가스온도가 높기 때문에 값비싼 내열재를 사용해야 한다.

- LNG를 사용할 경우 환경특성이 좋으나(Nox, SOx 등) 성능이 외기온도와 대기압의 영향을 받는다.

 

4. 시장동향

- 20C 이후 미국과 유럽 중심으로 본격적 개발시행, 디젤기관에 비해 효율이 낮아 초기 보급 미흡.

- 효율이 낮은 원심압축기 대신 축류 압축기를 적용한 엔진항공용 가스터빈 비약적 발전

- 전력 그리드를 위한 화력발전 및 복합화력발전 사용
- 개별 플랜트 단지를 위한 발전용, 건물의 발전용 또는 대비전력으로 사용

- 비항공용 가스터빈 보다 발전용 가스터빈이 지속적 성장예상
- 2018년~2028년 가스터빈 시장규모는 전세계 484조원 예상, 그 중에서 45%는 신규판매 시장, 55%는 Aftermarket

용량별 및 지역별 가스터빈 시장, 산업계 가스터빈 분류 및 특징, 에너지플랜트 및 핵심기자재 기술, 서정민 외 2명, 2012, 한국기계연구원

 

5. 주요 Maker

GE(미국), Simense(독일), MHPS(일본), Ansaldo(이태리), 국내 가스터빈 GE가 35대로 다수, 이후 MHPS가 주로 신형 고효율 제품을 설치함

 

- 국내 가스터빈 발전기 사용현황

1) GE 8기 2) 두산중공업 8기(고용량) 3) 지멘스 10기(저용량) 4) ABB(신 Alstom)  2기 5) MHPS 4기

 

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- 세계 가스터빈 발전기 점유율

2023 were Mitsubishi Power at 15,431 MW (35%), Siemens Energy at 10,689 MW (24%), and General Electric at 7,015 MW (16%). - America만 Simens가 점유율이 높음

(좌) Gas Turbine Market Share by OEM in 2023. Mitsubishi Power captures 35.6% of global market share in total MWs sold.  To order your copy of the annual Market Forecast for complete details, (우) Global Oil and Gas Tracker, 2024, Global Energy Monitor

 

6. 터빈 별 비교표

분류	용량/효율	특징
발전용 가스터빈	3~480MW 30~46%	- 터빈 입구온도 1300℃ - 수평분할대형 케이싱, 슬리브 베어링 - 압축기 : 축류형 15~19단 - 대구경 연소기, 사일로형(유럽), Annular형 또는 Can-Annular형(미국) - 터빈 : 반동터빈 3~5단 - 긴수명, 높은 열효율, 신뢰성 및 유용성
항공기 엔진 개량형 가스터빈	2.5~50MW 35~45%	- 발전용, 해양플랜트용, 크루즈선 동력원 - 가스발생기와 동력터빈으로 구성 - 항공기 엔진 전단에 팬 제거 후 저압압축기 추가 - 가스발생기 후단 : 3~5bar, 704~927℃ - 설치비가 적고, 수명이 길며, 원격조정이 가능 - Block Maintenance의 적용으로 정비가 쉬움
산업용 가스터빈	2.5~15MW 30%초반	- 분리축, 중간냉각, 열교환기 채택 - 압축기 : 이음속 축류형, 10~16단, 압축기 5:1~15:1 - 연소기 : side형(유럽), Annular형 또는 Can-Annular형(미국)
소형 가스터빈	0.5~2.5MW 15~25%	- 압축기 : 원심형 또는 축류-원심혼햡형, 압축기 6:1 - 연소기 : 온도 928℃ - 터빈 : 원심형 또는 축류형
초소형 가스터빈	20~350kW	- 디젤연료 또는 천연가스 사용 - 분산발전, 예비 전력용 - 열효율 향상을 위해 열교환기 적용 - 소형화, 고효율화, 저소음, 저배기가스가 이슈

 

7. 전세계 천연가스 공급단가 현황

www.Global Petrol Prices.com

 

8. 기술개발 동향

1) ATS(Advanced Turbine Systems) Program(미국)

- 미국 정부기관, 가스터빈 제조회사, 대학으로 구성되어 도시 전체나 그보다 더 작은 산업용 분사발전용, 열병합 발전용 가스터빈의 초고효율 및 환경 친화적이며 가격경쟁력을 갖춘 터빈 개발을 목표로 함
- GE, Honeywell Engine System, Pratt & Whitney, Rolls-Royce, Allison, Solar Turbines, Siemense-Westinghouse
- 시스템효율 발전용 60% 이상 달성(LHV), 산업용 15% 효율향상
- Nox 방출 10ppm 이하 달성, CO & HC 20ppm 이하 달성

- 전력 생상비용 10% 절감
- 정비간격 25000hr, 부품수명 50000hr

 

2) NGTS(Net Generation Turbine System) Program(미국)
- 미국 산업체 중심 가스터빈 개발 지속적 참여, DOE, NASA, DOD(Department Of Depense) GE, Pratt & Whitney, Rolls-Royce, Siemense-Westinghouse, Clean Energy System INC. Ramgen Power Systems.
- 30MW 이상의 가스터빌 발전시스템 대상으로 천연가스를 대상으로 재생에너지/석탄연료 동시 사용가능한 터빈시스템 개발 및 분산 발전용 연료전지 / 가스터빈 혼합시스템(Hybrid) 개발

 

3) ETN(European Turbine Network)

- 고신뢰성, 저비용으로 친환경적인 가스터빈기술 개발 모토로 유럽기반 산업체, 기관 및 학계 주축으로 결성된 비영리기구

- Alstom, Ansaldo, Pratt & Whitney, , Rolls-Royce, Siemense, Solar Turbines
- 배출가스 저감 및 연료 다변화를 위한 가스터빈 기술개발에 중점

 

9. 참고문헌

1) 에너지플랜트 및 핵심기자재 기술, 서정민 외 2명, 2012, 한국기계연구원

2) 발전용 가스터빈 기술수준 및 국내외 시장산업 현황 조사분석 연구, 손정락, 2018, 한국기계연구원

3) 공랭식 가스터빈 발전기의 운전중 부분방전 분석, 이은춘 외 3명, 2014, 조명,전기설비학회논문지 제28권 제7호

4) 가스 터빈 열병합 발전설비, 정두천, 2000,

5) TC동향보고서, 오석호 책임연구원, 강재철 수석연구원, 한국에너지기기산업진흥회

6) 전력통계정보시스템, https://epsis.kpx.or.kr/

7) www.Global Petrol Prices.com

8) Gas Turbine Intake Air Hybrid Cooling Systems and a New Approach to Their Rational Designing, Zongming Yang 외 4명, 2022

 

 

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