GT(Gas turbine)의 구성과 원리

가스터빈이란 화석연료인 LNG(Liquefied Natural Gas)를 연료로 생산된 고온, 고압의 배기가스를 이용하여 회전력을 발생시키고 그 회전력으로 전기를 생산하는 기계입니다. 연소에 필요한 에너지는 LNG와 공기뿐입니다. LNG는 말 그대로 천연가스이기 때문에 일반적으로 유해가스가 없다고 생각합니다. 하지만 국내 환경법에서 규제하는 NOx 값보다 많은 양의 NOx가 배출되기 때문에 별도의 NOx 처리 설비가 필요합니다.

 

가스터빈의 구성_공기압축기

우리가 가스터빈이라고 하면 공기압축기와 버너, 터빈을 통틀어서 가스터빈이라고 부릅니다. 앞에서 말했듯이 가스터빈은 LNG와 공기를 통해 연소하기 때문에 공기압축기를 통해 공기를 빨아들여야 합니다. 동일한 부피에 많은 양은 산소를 공급하기 위해서는 공기를 압축하는 방법이 유일합니다. 물론 압축된 공기 안에 산소의 농도는 지역마다, 대기 조건에 따라 다르기 때문에 가스터빈의 성능을 결정짓는 것은 바로 대기환경이 가장 큰 요소가 됩니다. 공기를 압축할 때 이물질이 유입된다면 그 또한 가스터빈의 효율을 저해시키는 요인이 되기 때문에 공기압축기의 입구에는 필터가 존재합니다. 이 필터에서 이물질을 걸러주기 되는데 우리나라의 경우는 4계절이 뚜렷하기 때문에 황사나 낙엽같이 계절에 따라 걸러야 하는 이물질이 다양하기 때문에 더욱더 필터의 성능에 따라 가스터빈의 선능이 변하게 됩니다. 물론 대기 온도 또한 가스터빈의 효율에 큰 영향을 주는 요소입니다. 대기온도가 낮다면 높을 때 보다 같은 부피에 더 많은 공기가 포함되어 있기 때문에 공기압축기에서 쉽게 산소가 많이 포함된 공기를 얻을 수 있게 됩니다. 이렇게 압축된 공기는 버너에서 LNG를 만나서 점화하게 됩니다. 점화는 흔히 가스레인지에서 볼 수 있듯이 스파크를 발생시켜 LNG와 산소를 통해 폭발을 발생하게 됩니다.

가스터빈의 구성_터빈

압축공기를 이용하여 LNG를 폭발시키게 되면 고온, 고압의 배기가스 발생하게 됩니다. 이 배기가스가 터번의 날개를 지나면서 축을 회전시키게 되는 원리입니다. 이때 축을 회전시키는 힘을 크게 하려면 당연히 배기가스의 온도와 압력이 높아야 할 것입니다. 하지만 배기가스의 온도와 압력을 무한대로 높일 수는 없을 것입니다. 이론적으로는 많은 양의 압축공기와 많은 양의 LNG를 공급한다면 무한한 온도와 압력의 배기가스를 얻을 수 있겠지만 현재까지 개발된 터빈의 재질은 아직 수천 도에 달하는 온도를 견디지 못합니다. 앞으로 기술이 개발되면 높은 온도를 견디는 재질이 나오게 될 것이고 그에 따라 가스터빈에서는 더 큰 운동에너지로 더 높은 효율의 전기를 생산할 수 있을 것입니다. 결국 가스터빈의 성능을 키우기 위해서는 높은 온도의 배기가스를 견딜 수 있는 재질을 개발해내는 것입니다.

 

윤활유

앞에서 언급했듯이 가스터빈은 가스연료를 통해 운동에너지는 만드는 기계입니다. 배기가스가 회전축에 붙어있는 날개를 지나면서 회전축을 회전시키다 보면 터빈 몸체와 회전축은 베어링을 통해 마찰력을 이겨 나면서 움직여야 합니다. 이때 베어링에는 마찰력을 줄여주기 위해 윤활유가 공급됩니다. 이 윤활유는 이물질이 없어야 하며, 베어링의 마찰력에 의해 온도가 높아지기 때문에 냉각기를 통해 식혀져서 공급되어야 합니다. 한번 공급된 윤활유를 다시 윤활유 탱크로 회수하여 필터로 이물질을 거르고 cooler를 통해 식혀져서 다시 베어링에 공급됩니다. 이렇게 폐회로로 윤활유가 터빈 베어링에 공급되지만 무한대로 사용할 수 없기 때문에 윤활유의 종류와 터빈 베어링의 성능 등을 고려하여 정기적으로 윤활유를 교체해주어야 합니다. 이러한 윤활유는 lifting 오일펌프를 통해 베어링에 공급되어 회전축을 들어 올려주는 역할도 합니다.

 

소음

코드에 따라 모든 기기는 별도의 요구사항이 없는 한 85dB를 넘지 않도록 제작되어야 합니다. 터번이 운전되는 동안 85dB를 넘지 않도록 소음을 막아주는 Enclosure를 설치하는 경우가 많이 있습니다. 가스터빈의 경우 폭발성가스인 LNG를 사용하기 때문에 Enclosure 내부는 별도의 소방용 가스 공급라인이 필요합니다. Enclosure의 내부는 CO2를 공급하여 소방용으로 사용합니다. 이처럼 소음 차단만을 고려하여 Enclosure를 설치하면 소방용으로 별도의 CO2 라인은 공급해줘야 한다는 것이 중요합니다. 소음 차단을 위한 Enclosure가 없어도 규제치인 85dB를 맞출 수 있다면 별도의 CO2 라인 없이 건물에 설치되어 있는 소방라인을 이용할 수 있기 때문에 결제적일 수 있습니다. 이 또한 소음이 많이 발생하지 않은 터빈을 생산할 수 있는 공급회사가 유리할 것입니다.

 

가동시간에 따른 성능 저하

우리는 일상생활에서 알고 있듯이 기계를 오래 사용하다 보면 처음 사용할 때 보다 성능이 점점 떨어지는 것을 볼 수 있습니다. 이것을 가스터빈에도 그대로 적용됩니다. 처음에는 50 ton/h의 LNG로 100MW의 전기를 생산해 낼 수 있는 가스터빈이었다면 시간이 지날수록 50 ton/h의 LNG를 공급하더라도 90MW의 전기만을 생산하게 될 것입니다. 이처럼 시간에 따라 효율이 떨어지는 그래프를 Degradation curve라고 부릅니다. 이것은 가스터빈을 생산하는 회사마다 다른 모습을 보입니다. 선능이 좋은 터빈의 경우 당연히 시간이 지남에 따라 성능 저하율이 적을 것입니다. 단순히 처음 구매했을 때의 성능이 가장 좋은 터빈이 좋은 터빈이라고 생각하면 안 되며 이 Degradation curve를 통해 효율 감소율을 확인하여 발전소를 10년, 20년 운영했을 때의 가치를 고려야 해야 합니다.

 

ST(Steam turbine)의 구성과 원리

 

 

LNG 복합화력 발전소의 이해-GT, ST, HRSG 및 DH