복합화력발전소 Service gas의 용도 (H2, CO2, N2, O2)

복합화력발전소에서는 여러 가지 목적으로 가스를 사용하고 있습니다. 대표적으로 H2, CO2, N2, O2가 있으며 이것을 Service gas라고 통칭합니다. 이  Service gas에 대하여 사용 목적과 고려사항에 대하여 알아보면서 발전소의 원리는 설명드리도록 하겠습니다.

복합화력 발전소 H2 gas의 사용

H2는 고위험 가스로 H2를 사용하는 경우 누출이 되면 대형 폭발로 이어질 수 있기 때문에 매우 까다로운 가스 중의 하나입니다. 그럼에도 불구하고 H2 gas를 사용하는 이유는 바로 효율 때문입니다. 잘만 사용한다면 소량으로 효과를 극대화할 수 있는 것이죠. H2는 바로 Generator의 cooling을 목적으로 사용됩니다. 아래에서 Generator의 cooling 방식에 따른 분류를 설명하면서 H2 gas로 cooling 하는 것이 효율이 가장 좋다고 언급했었는데요. 공기로 냉각하는 방식보다 약 8배 정도 높은 효율을 내기 때문에 고성능의 Generator일 경우 H2 gas를 많이 사용합니다. 

Generator Cooling 방식에 따른 분류

복합화력발전소에서 출력이 높은 Gas turbine Generator에 대부분 H2를 사용하였습니다. 그러나 요즘은 Steam turbine의 Generator에서도 H2 cooling을 사용하는 추세이기 때문에 H2 gas를 사용함에 있어 주의해야 할 사항에 대하여 꼼꼼하게 확인해야 합니다.

복합화력 발전소 CO2 gas의 사용

CO2가스는 크게 두 가지 목적으로 사용됩니다. 바로 소화용과 purge용인데요. Gas turbine의 경우 터빈공급사의 요청에 따라 Gas turbine enclosure내부는 CO2로 소화설비가 구성되어야 하기 때문에 CO2가 항상 가압되어 Gas turbine enclosure 내부로 배관이 연결되어 있습니다. 또한 위에서 언급했듯이 Generator는 폭발성 가스인 H2를 통해 냉각하므로 발전소 정지 시에 H2가 남아있다면 폭발의 위험이 있을 수 있죠. 발전소 정지 시 H2를 모두 안전한 구역으로 배출하기 위해 H2를 밀어내는 역할로 CO2를 사용하게 되는 것입니다. 또한 다시 H2를 충진 하기 전에 빈 배관 내부에 O2가 있을 수 있기 때문에 O2와 H2가 만나 물이 생기면 부식을 발생할 수 있으므로 CO2로 O2를 purge 시켜줘야 합니다. 사실 이보다 더 중요한 것은 N2입니다.

공기 중에 가장 많은 가스는 N2 가스입니다. N2와 H2가 만나면 N2H4가 되어 로켓 연료로도 사용되는 하이드라진이 되기 때문에 폭발성 화학물질이 됩니다. 이를 방지하게 위해 H2를 배관에 충진 하기 전에 반드시 CO2를 통해 N2를 모두 배출시켜야 합니다. Generator가 H2 냉각이 아닌 공기 냉각식이라면 CO2 또한 purge 용으로는 사용하지 않습니다.

 

복합화력 발전소 N2 gas의 사용

N2는 공기 중에 가장 많은 비중을 차지하는 가스인데요. 복합화력발전소에서 물이나 steam이 지나다니는 배관 내부의 부식을 방지하기 위해 사용됩니다. 정상 운전 중에는 물과 steam이 가압되어 배관 내부에서 흐르지만 발전소 정지 시에는 배관 내부가 O2와 만나게 되어 부식을 발생시킬 수 있기 때문에 물이나 steam이 모두 빠지만 바로 N2를 가압해줘서 내관 내부 표면이 O2에 노출되지 않도록 해야 합니다. N2 gas는 발전소 정시 배관 내부의 부식을 방지하기 위해 충진해 줘야 하는 가스입니다.

복합화력 발전소 O2 gas의 사용

O2를 사용하는 복합화력 발전소는 극히 드물지만 O2는 배관 내부의 용존산소를 제거하는 데 사용됩니다. 배관 내부의 water가 순환하다 보면 condenser에서 응축하고 보일러에서 증발하면서 배관 내부에는 용존 산소가 녹아들어 갈 수 있습니다. 이 용존산소는 배관의 water입장에서는 불순물이기 때문에 제거해줘야 합니다. 용존산소가 높다면 배관 내부의 부식을 촉구하면서 부식에 의한 산화 이물질을 만들어 내기도 하고 심할 경우 배관의 진동이 심해지면서 배관과 support가 손상되는 경우도 있습니다. water 내부의 용존산소를 제거하는 목적으로 Deaerator를 설치하여 물에 steam을 통과시켜면서 용존산소를 제거하는 것이 일반적이지만 여러 가지 이유로 Deaerator를 적용하지 않는 복합화력 발전소의 경우는 용존산소를 제거하기 위해 O2 gas를 공급하여 배관 내부의 용존산소를 O2와 함께 대기 중으로 배출시켜 줍니다.

LNG 복합화력 발전소의 이해-GT, ST, HRSG 및 DH