가스 터빈 - 브레이턴 사이클 및 복합 사이클 발전

0. 이 글에서 다루는 내용

• 압축기, 연소기, 터빈이 어떻게 연속적으로 작동하는지, 그리고 브레이턴 사이클 효율을 결정하는 요소는 무엇인지.

• 항공기, 산업용, 발전용 가스 터빈의 차이점(GE Vernova 9HA, Siemens SGT-800, Mitsubishi M701J/JAC 등).

• 열회수 증기 발생기가 가스 터빈 연속 연소(GTCC)를 구현하는 이유와 연료 전환 및 작동 제약 조건이 설계에 미치는 영향.

1. 핵심 요약: 가스 터빈이란 무엇인가?

가스 터빈은 공기를 압축하고 연료를 연속적으로 연소시킨 후, 고온 고압의 가스를 터빈 단계를 거쳐 팽창시켜 축 동력을 생성합니다. 터빈 동력의 일부는 압축기를 구동하고, 나머지는 발전기나 팬을 구동합니다. 왕복 피스톤과 크랭크축이 없기 때문에 연속 회전과 높은 출력 밀도가 가능합니다.

2. 왜 연속 연소인가?

피스톤 엔진은 각 실린더에서 흡입, 압축, 연소, 배기 과정을 반복합니다. 가스 터빈은 흡입 압력을 지속적으로 높이고, 연소기에 연료를 분사하며, 안정적인 화염을 유지합니다. 연소 온도가 높을수록 이상적으로는 출력과 효율이 향상되지만, 블레이드 재질 온도, 냉각 공기 요구량, 그리고 NOx 배출량이 한계로 작용합니다.

항공기는 노즐을 통해 배기 가스의 잔류 운동량을 추력으로 변환합니다. 발전소는 추가적인 터빈 단계와 발전기를 통해 이 에너지를 회수하려고 합니다. 핵심 구조는 유사하지만, 최종 에너지 추출 방식은 다릅니다.

3. 입력 및 출력: 브레이턴 사이클

이상적인 브레이턴 사이클은 압축(1→2), 정압 열 공급(2→3), 팽창(3→4), 그리고 열 방출(4→1)로 구성됩니다. 압력비 r_p=p_2/p_1 및 열용량비 \gamma일 때, 이상적인 단순 사이클 열효율은 다음과 같습니다.

실제 연소기 압력 손실, 냉각 공기 추출, 마찰, 그리고 배기 손실로 인해 이는 설계상의 상한값입니다. 순축동력은 다음과 같이 추정할 수 있습니다.

여기서 \dot m는 공기 질량 유량, h는 비엔탈피, \eta_t,\eta_c는 터빈 및 압축기 효율, 그리고 P_{aux}은 보조 동력입니다.

그림 1 — 압축기는 터빈 출력을 먼저 소비하고, 발전기는 그 다음입니다. 또는 팬 동력이 나머지입니다.

4. 핵심 하드웨어 및 재료

압축기는 여러 축 방향 단계를 사용합니다. 회전하는 블레이드는 속도를 더하고 고정자는 속도를 압력으로 변환합니다. 연소기는 캔 또는 환형 배열에서 희박 예혼합 또는 확산 화염을 사용할 수 있으며, 국부적인 고온 지점을 제한하면서 화염을 안정화해야 합니다. 고압 터빈 블레이드는 내부 냉각 통로와 열 차단 코팅을 사용합니다. 팁 간극이 작을수록 누출은 줄어들지만 열팽창 시 접촉 위험은 증가합니다.

그림 2 — GTCC는 열회수 증기 발생기(HRSG)를 사용하여 가스 터빈 배기가스에서 증기를 생산하고 추가 없이 두 번째 단계의 작업을 수행합니다. 연료.

5. 제품 및 응용 분야

발전소 값은 ISO 조건, 연료 조성, 냉각수 온도 및 보조 전력에 따라 달라집니다. 카탈로그의 최대값을 다른 장비의 현장 평균값과 비교하지 마십시오. GE의 데이터시트는 단순 사이클과 GTCC 정격을 구분하여 제공하므로 유용합니다.

6. 운전 및 제어

시동 시에는 스타터를 사용하여 축을 회전시키고, 퍼지, 점화, 연료 공급, 동기화 및 발전기 부하를 걸습니다. 연소 온도와 열 응력이 급격히 증가할 수 있으므로 연료량을 갑자기 늘릴 수 없습니다. 가속률과 배기 온도 편차는 제한됩니다. 부하 추종은 입구 가이드 베인, 연료 유량, 블리드 에어 및 증기 측 바이패스를 제어합니다. 복합 사이클에서 가스 터빈은 빠르게 반응하는 반면 증기 시스템은 열 관성을 가지므로 하나의 PID 루프로 두 시간 척도를 모두 제어할 수 없습니다.

7. 단순 사이클 대 GTCC

8. 한계 및 연구 과제

고온의 주변 공기는 밀도가 낮아 동일 속도에서 질량 유량과 출력을 감소시킵니다. 입구 냉각은 출력을 복원할 수 있지만 냉각 전력과 물을 소비합니다. 부분 부하 시에는 압축기 서지 마진, 화염 안정성, NOx 및 배기 온도가 상호 작용합니다. 가변적인 재생 에너지의 균형을 맞추는 빠른 시동은 열 순환 및 유지 보수 비용을 증가시킵니다.

연구 및 제품 개발 목표는 열 차폐 코팅 및 단결정 블레이드, 가변 냉각, 희박 연소, 디지털 트윈 수명 예측, 수소/암모니아 혼합 연소 및 CO2 포집입니다. GE 버노바는 9HA를 50% 수소 연료 사용 가능 기종으로 설명하며, 향후 100% 수소 연료 사용 가능성을 제시합니다. 미쓰비시는 JAC 제품군에 수소 연소 기술을 적용하고 있습니다. 연료 발열량, 역화, NOx 배출량, 배관 재질, 안전 거리 등은 현장 수준의 검증이 필요합니다.

9. 현실적인 선택

• 급변하는 수요: 단순 사이클 또는 고속 시동형 발전기를 선택하고, 시동 횟수와 열응력 유지보수 비용을 고려해야 합니다.

• 고효율 공공 발전: GTCC 방식을 선택하되, 물, 응축기, 증기 터빈, 건설 일정 등을 고려해야 합니다.

• 산업용 열병합 발전: SGT-800과 같은 증기 연료 사용 가능 발전기를 선택하고, 계절별 열과 전력 생산량을 최적화해야 합니다.

• 항공기 추진: 팬 직경, 바이패스 비율, 질량, 소음, 비행 속도 등을 고려해야 하며, 발전 효율만으로는 충분하지 않습니다.

연료 전환 시에는 단순히 새로운 연료 이름만 붙이는 것이 아니라 연소기 개조, 공급 압력, 저장, 누출 감지, NOx 후처리 및 비상 정지 절차를 명시해야 합니다.

10. 3줄 요약

가스 터빈은 브레이턴 사이클 방식으로 가스를 지속적으로 압축, 연소 및 팽창시키는 기계입니다. 항공기는 팽창 에너지를 추력으로 사용하고, 발전소는 이를 축으로 보내 배기열을 회수하며, GTCC(가스 터빈 복합 발전)는 여기에 증기 터빈을 추가합니다. 재료, 부분 부하 거동, 열 사이클 및 연료 전환은 카탈로그 효율이 실제 성능으로 이어지는지 여부를 결정합니다.

참고 자료

• GE Vernova 9HA 사양
• GE Vernova 9HA 발전소 데이터시트
• Siemens Energy SGT-800
• Mitsubishi Heavy Industries M701J/JAC
• ASME: 가스 터빈 발전