가스터빈 발전소는 무엇이며 어떻게 작동할까?

가스터빈이란?

연소 터빈이라고도 하는 가스터빈은 일종의 연속 및 내연 기관입니다. 모든 가스터빈 엔진에 공통적인 주요 요소는 다음과 같습니다.

▷ 상류 회전 가스 압축기.
▷ 연소기.
▷ 압축기와 동일한 샤프트에 있는 다운스트림 터빈.

네 번째 구성 요소는 효율성을 높이거나(터보프롭 및 터보팬에서), 동력을 기계식 또는 전기식으로 변환하거나(터보샤프트 및 발전기에서), 더 큰 추력 대 중량 비율(연소 후 엔진에서)을 달성하는 데 자주 사용됩니다.

가스터빈의 기본 작동은 공기를 작동 유체로 사용하는 브레이튼 사이클입니다. 대기의 공기는 압축기를 통과하여 더 높은 압력으로 흐릅니다. 그런 다음 연료를 공기에 분사하고 점화하여 연소가 고온 흐름을 생성함으로써 에너지가 추가됩니다.

이 고온의 가압 가스는 터빈에 들어가 압축기를 구동하는 데 사용되는 프로세스에서 샤프트 작업 출력을 생성합니다.

사용하지 않은 에너지는 터보제트 엔진에서 직접 추력을 생성하거나 팬, 프로펠러에 연결할 수 있는 두 번째 독립 터빈(파워 터빈이라고 함)을 회전시키는 것과 같이 외부 작업을 위해 용도를 변경할 수 있는 배기 가스로 나옵니다. , 또는 발전기.

가스터빈의 목적은 추력과 축 일 사이에서 가장 바람직한 에너지 분할이 달성되도록 설계를 결정합니다. 가스터빈은 동일한 공기를 재사용하지 않는 개방형 시스템이므로 브레이튼 사이클의 네 번째 단계(작동 유체 냉각)는 생략됩니다.

가스터빈은 항공기, 기차, 선박, 발전기, 펌프, 가스 압축기 및 탱크에 동력을 공급하는 데 사용됩니다.

 

가스터빈은 어떻게 전기를 생산할까?

가스 터빈은 천연 가스 또는 기타 액체 연료를 기계적 에너지로 변환할 수 있는 발전소의 심장부에 있는 연소 엔진입니다. 그런 다음 이 에너지는 전력선을 따라 가정과 기업으로 이동하는 전기 에너지를 생산하는 발전기를 구동합니다.

전기를 생산하기 위해 가스 터빈은 공기와 연료의 혼합물을 매우 높은 온도로 가열하여 터빈 블레이드를 회전시킵니다. 회전하는 터빈은 에너지를 전기로 변환하는 발전기를 구동합니다.

가스 터빈은 복합 사이클 발전소에서 증기 터빈과 함께 사용하여 전력을 매우 효율적으로 생성할 수 있습니다.

▷ 공기-연료 혼합물 점화: 가스 터빈은 공기를 압축하고 연료와 혼합한 다음 극도로 높은 온도에서 연소시켜 뜨거운 가스를 생성합니다.
▷ 고온 가스가 터빈 블레이드를 회전시킵니다. 뜨거운 공기와 연료 혼합물이 터빈의 블레이드를 통해 이동하여 빠르게 회전합니다.
▷ 회전하는 블레이드는 구동축을 회전시킵니다. 빠르게 회전하는 터빈 블레이드는 터빈 구동축을 회전시킵니다.
▷ 터빈 회전은 발전기에 전력을 공급합니다. 회전하는 터빈은 구리 와이어 코일로 둘러싸인 큰 자석을 돌리는 발전기의 막대에 연결됩니다.
▷ 발전기 자석은 전자를 움직이게 하고 전기를 생성합니다. 빠르게 회전하는 발전기 자석은 구리 코일 주위에 전자를 정렬하고 움직이게 하는 강력한 자기장을 생성합니다. 와이어를 통한 이러한 전자의 움직임은 전기입니다.

 

 

가스터빈 발전소는 어떻게 작동할까?

오늘날의 많은 천연 가스 연료 발전소에 설치되는 연소(가스) 터빈은 복잡한 기계이지만 기본적으로 세 가지 주요 섹션을 포함합니다.

▷ 공기를 엔진으로 끌어들이는 압축기는 공기를 압축하여 시속 수백 마일의 속도로 연소실로 공급합니다.
▷ 연소 시스템은 일반적으로 공기와 혼합되는 연소실로 일정한 연료 흐름을 분사하는 연료 인젝터 링으로 구성됩니다. 혼합물은 화씨 2000도 이상의 온도에서 연소됩니다. 연소는 터빈 섹션에 들어가고 팽창하는 고온 고압 가스 흐름을 생성합니다.
▷ 터빈은 고정식 및 회전식 에어로 포일 섹션 블레이드의 복잡한 배열입니다. 뜨거운 연소 가스가 터빈을 통해 팽창하면서 회전하는 블레이드를 회전시킵니다. 회전하는 블레이드는 이중 기능을 수행합니다. 즉, 압축기를 구동하여 더 많은 압축 공기를 연소 섹션으로 끌어들이고 발전기를 돌려 전기를 생산합니다.

육상 기반 가스터빈에는 두 가지 유형이 있습니다.

헤비 프레임 엔진
무거운 프레임 엔진은 낮은 압력비(일반적으로 20 미만)가 특징이며 물리적으로 큰 경향이 있습니다. 압력비는 압축기 토출 압력과 입구 공기 압력의 비율입니다.

항공파생 엔진
Aeroderivative 엔진은 이름에서 알 수 있듯이 제트 엔진에서 파생되며 매우 높은 압축비(일반적으로 30 초과)에서 작동합니다. Aeroderivative 엔진은 매우 컴팩트한 경향이 있으며 더 작은 출력이 필요한 경우에 유용합니다. 대형 프레임 터빈은 출력이 더 높기 때문에 더 많은 양의 배출을 생성할 수 있으며 NOx와 같은 오염 물질의 배출을 낮추도록 설계해야 합니다.
터빈의 연료 대 전력 효율의 한 가지 핵심은 터빈이 작동하는 온도입니다. 더 높은 온도는 일반적으로 더 높은 효율성을 의미하며, 이는 결과적으로 더 경제적인 작동으로 이어질 수 있습니다.

일반적인 발전소 터빈을 통해 흐르는 가스는 화씨 2300도만큼 뜨거울 수 있지만 터빈의 중요한 금속 중 일부는 화씨 1500~1700도의 고온만 견딜 수 있습니다. 따라서 압축기의 공기는 냉각에 사용될 수 있습니다. 핵심 터빈 구성 요소, 궁극적인 열 효율 감소.

에너지부의 첨단 터빈 프로그램의 주요 성과 중 하나는 혁신적인 냉각 기술과 첨단 재료의 조합을 사용하여 터빈 온도에 대한 이전의 한계를 극복한 것입니다.

이 부서의 연구 프로그램에서 나온 첨단 터빈은 터빈 입구 온도를 화씨 2600도까지 높일 수 있었고, 이는 이전 터빈보다 거의 300도 더 높았고 60%의 높은 효율을 달성했습니다.

효율성을 높이는 또 다른 방법은 터빈 배기 가스에서 에너지를 회수하기 위해 복열기 또는 HRSG(열회수 증기 발생기)를 설치하는 것입니다. 복열기는 터빈 배기 시스템의 폐열을 포착하여 압축기 배출 공기가 연소실로 들어가기 전에 예열합니다. HRSG는 터빈 배기 가스에서 열을 포착하여 증기를 생성합니다.

이 보일러는 열회수 증기 발생기라고도 합니다. 이 보일러에서 나오는 고압 증기는 증기 터빈으로 추가 전력을 생성하는 데 사용할 수 있습니다. 이 구성을 복합 사이클이라고 합니다.

단순 사이클 가스 터빈은 20~35% 범위의 에너지 변환 효율을 달성할 수 있습니다. 에너지부의 터빈 프로그램에서 달성된 더 높은 온도로 인해 미래의 수소 및 합성 가스 연소 가스터빈 복합 사이클 발전소는 60% 이상의 효율을 달성할 가능성이 높습니다.

난방이나 산업 목적으로 이러한 시스템에서 폐열을 수집하면 전체 에너지 순환 효율이 80%에 도달할 수 있습니다.

 

가스터빈 발전소의 장점

▷ 보일러가 필요 없기 때문에 증기 발전소에 비해 설계 및 시공이 간단합니다.
▷ 같은 용량의 스팀 발전소에 비해 훨씬 작습니다.
▷ 운영 비용 절감.
▷ 콘덴서가 필요없어 물 사용량이 적습니다.
▷ 유지 보수 비용이 저렴합니다.
▷ 빠르게 시작할 수 있습니다.
▷ 대기 손실이 없습니다.

 

가스터빈 발전소의 단점

▷ 시작의 문제. 압축기가 작동해야 하므로 외부 전원이 필요합니다.
▷ 압축기를 구동하는 데 더 많은 전력이 사용되기 때문에 순 출력은 낮습니다.
▷ 발전소의 전체 효율은 여전히 열을 포함하는 배기 가스로 인해 ≈ 20% 낮습니다. 복합 사이클 구성에서만 효율적
연소실의 온도가 너무 높아 수명이 단축됩니다.