HRSG 종류 및 구성과 원리

국내 LNG 복합화력 발전소 및 열병합 발전소의 경우는 대부분이 GT, ST, HRSG로 구성되어 있습니다. 그 중 HRSG는 Heat Recovery Steam Generator의 약자로서 말 그대로 열을 재사용하여 스팀을 생산하는 보일러를 말합니다. HRSG의 Recovery라는 말 때문에 HRSG라고 하면 HP, IP, LP로 구성되어 있어야 하며 RH (Reheater)가 존재해야 합니다. 앞서 ST에서도 다뤘듯이 HRSG의 HP에서 생산된 Steam을 ST로 보내서 발전을 하고 HP turbine에서 일을 다하고 나온 steam이 CRH line을 통해 다시 HRSG의 RH로 와서 재열 하여 IP turbine으로 공급되는 방식입니다.

GT와 ST에 대해서는 앞서 다뤘으니 포스팅 하단의 링크를 통해 확인해보시기 바랍니다. 

GT(Gas turbine)의 구성과 원리

ST(Steam turbine)의 구성과 원리

 

HRSG의 종류

HRSG는 열교환기라고 이해하면 됩니다. Casing이라는 Duct안에 Tube가 존재하고 Shell side에는 GT에서 나온 고온의 배가스가 흐르게 되고 Tube side에는 물과 Steam이 이동하면서 고온의 배기가스에 의해 물과 Steam이 데워지게 됩니다. HRSG의 종류는 Tube의 배치에 따라 Vertical type과 Horizontal type으로 나눠볼 수 있습니다.

 

 

 

 

여기서 수직과 수평이 의미하는 방향은 배기가스의 흐름방향을 말합니다. GT에서 생산된 배기가스가 수평으로 흐르면서 수직으로 서있는 Tube를 통과한다면 이것은 Horizontal type HRSG이며, GT에서 생산된 배기가스가 수직으로 흐르면서 수평으로 누워있는 Tube를 통과한다면 이것은 Vertical type HRSG입니다. 국내에는 Horizontal type HRSG가 대부분입니다. 또한 HRSG은 GT, ST에 비해 규모와 사이즈가 크기 때문에 공장에서 대부분 조립해서 납품하는 Turbine과는 다르게 현장에서 조립해야 하는 부분이 많습니다. 공장에서 어느 수준까지 조립해오냐에 따라 Harp type HRSG, Module type HRSG, C type HRSG, O type HRSG로 약 4개의 HRSG로 구분해 볼 수 있습니다.

 

 

 

 

Tube들을 공장에서 용접하여 Harp 형태로 납품하면 Harp type HRSG이며, 이 Harp들을 Head를 이용하여 Harp 다발로 용접하여 납품하면 Module type HRSG입니다. Horizontal type HRSG를 예로 들면 배기가스의 흐름방향으로 HRSG를 봤을 때 Module을 Casing이 C 형태로 감싸게 조립하여 납품하면 C type HRSG입니다. 이 경우 C type이 미러 형태로 현장에서 설치한다고 보면 됩니다. 또한 이러한 C type을 공장에서 조립해서 납품하면 O type HRSG가 됩니다.

Casing이 Module을 4면에서 감싸고 있는 단면이 O 모양이라 O type이라고 부릅니다. Harp type에서 O type으로 갈수록 현장 작업량은 줄어들지만 운송 시 큰 부피 때문에 많은 어려움이 있기 때문에 국내에서는 대부분 Module type 정도로 납품하는 추세입니다. 운송이 어려운 내륙지역일 경우 Harp type으로도 납품하는 경우가 종종 있습니다.

 

 

 

 

 

HRSG의 구성과 명칭의 이해

HRSG는 앞에서 언급했듯이 HP, IP, LP system으로 생상하는 스팀의 압력을 기준으로 나눠져 있습니다. HP, IP, LP 각 시스템별로 Economizer, Evaporator, Superheater로 구성되어 있습니다. 약자로는 HPSH, HPEV, HPEC라고 표현하고 합니다. Economizer는 pump를 통해 공급된 물을 쉽게 증발시키기 위해 예열하는 Tube section을 말합니다. 번역하면 절탄기라고 하며 석탄 보일러가 일반적이던 시절에 유래된 단어입니다.

 

 

 

 

예열을 하여 물을 증발시키는데 소모되는 석탄을 절약해준다는 의미로 추측됩니다. 이렇게 Economizer에서 예열된 물은 Evaporator 즉, 증발기에서 비로소 Steam으로 증발하게 됩니다. 이 Evaporator의 상부에는 Drum이 위치하면 쉽게 Drum의 절반은 물로 채워져 있고 절반은 steam으로 채워져 있습니다. 증발되지 않은 물은 Downcomer pipe를 통해 다시 Evaporator에 공급되고 증발된 steam은 Riser pipe를 통해 Drum의 상층부로 공급되어 Drum 상부의 배관을 통해 Superheater로 공급됩니다.

 

 

 

 

Superheater에서는 말과 같이 습증기를 과열증기로 가열하게 됩니다. 증기를 과포화 상태로 만들어 높은 에너지를 머금고 있는 Steam을 생산하여 Steam turbine으로 공급하게 됩니다. HP와 IP system은 각각 Super heater, Evaporator, Economizer로 부르지만 LP의 경우 Superheater, Evaporator, Condensate PreHeater라고 부릅니다. HP, IP의 Economizer를 LP는 CPH(Condensate PreHeater)라고 부르는 것입니다.

이것은 HRSG로 처음 유입되는 물은 Condenser에서 응축된 물을 COP 또는 CEP라는 pump를 통해 HRSG로 처음 유입되는데 이때의 예열은 석탄을 절약하는 효과는 없고 말 그대로 응축수를 예열하는 역할을 하기 때문에 CPH라고 부르게 된 것으로 추측합니다. 위치와 순서는 동일하지만 유래를 생각하면 그 목적이 다른 것이 Economizer와 CPH라고 할 수 있습니다.

 

 

 

 

Bypass stack의 의미

발전소의 운전 Mode 대하여 설명할 때 잠깐 언급했지만 Bypass stack이 있다는 것은 그 발전소는 Simple Cycle Operation 즉, Mode II 운전은 한다는 의미입니다. Bypass stack이 없다면 GT에서 생산된 배기가스가 HRSG 내부로 그대로 유입되어 야하며 Tube 안에는 물이 차있어야 합니다.

고온의 배기가스가 tube를 지나면서 steam이 생산될 테고 생산된 steam을 ST로 공급되든 condenser로 버려지든 해야 하는데 그렇다면 ST에는 sealing steam이 형성되어 Condenser가 vacuum 상태여야 합니다. 만약 HRSG내부에 물이 차있지 않다면 고온의 배기가스에 의해 Tube는 모두 부식되고 손상되어 leak가 발생할 수 있습니다.

 

 

 

즉 Bypass stack이 없이 GT를 운전한다는 말은 HRSG와 ST가 모두 운전 준비가 되어 있어야 한다는 것입니다. 만약 Bypass stack이 있다면 GT에서 생산된 배기가스를 bypass stack으로 배출할 수 있기 때문에 HRSG와 ST가 운전 준비가 되지 않더라도 GT를 운전할 수 있습니다. 단 GT만을 운전한다면 Nox 배출 농도를 맞출 수 없기 때문에 국내에는 bypass stack이 적용된 LNG 복합화력 발전소가 없으며 대부분 규제가 약한 해외 프로젝트에서만 적용하고 있습니다.

bypass stack이 있다면 HRSG와 ST를 시공하는 중간에도 GT만을 가동하여 전기를 생산할 수 있기 때문에 운영사 입장에서는 이점이 많이 있습니다.

발전소 운전모드의 이해_Power Plant Operating Mode

 

 

 

 

Horizontal type HRSG라도 Drum의 높이가 지사에서 최소 30m 이상 되기 때문에 지상에 설치하는 COP나 BFP에서 HRSG의 drum까지 물을 보내주기는 Pump의 성능이 중요합니다. Pump의 discharge 압력이 100 barg가 되도록 하고 싶다면 Pump의 Suction수두가 80m 일 때랑 20m 일 때랑 Pump의 성능은 다를 것입니다. Pump의 계산에 대해서는 추후 다뤄보도록 하겠으면 아래의 포스팅을 통해 Pump의 Head를 압력으로 환산하는 방법에 대하여 정확하게 알아가시기 바랍니다.

[Pump 기초] Head를 압력으로 환산하는 방법

 

 

 

 

압력단위변환, 압력단위환산 이걸로 한방에 해결