1-1 개요
복합발전 방식은 가스터빈과 증기터빈의 조합에 따라 여러 가지 형식으로 분류할 수 있으며, 발전소의 출력, 연료의 종류, 주위환경 또는 운용조건 등을 고려하여 가장 알맞은 방식이 선택된다. 복합발전 방식을 배열이용 방법으로 분류해 보자.
(1) 비조연식
가스터빈 배열만을 이용하는 방식으로 단순 배열 회수식이라 한다.
아래 <그림1>과 같이 모든 연료가 가스터빈에서 연소 되며, 증기발생기는 추가 열에너지원이 없이 가스터빈 배기 열만을 이용하는 방식으로, 설비가 단순하고 건설비용이 비교적 저렴하다. 현재 HRSG 설계의 대부분이 이 방식이며, 특징은 아래와 같다.
ㅇ 기동시간이 짧으며, 가스터빈과 증기터빈의 출력 비는 2:1 정도
ㅇ 가스터빈 입구 연소가스 온도가 상승할수록 효율 증대
ㅇ 증기 터빈의 단독 운전 불가
(2) 조연식
가스터빈 배기에 남아있는 산소를 이용하여 연료를 연소시키는 방식을 배기 조연식이라 한다.
가스터빈에서는 공기 중 함유된 산소의 25~35%만을 연소에 이용하기 때문에 나머지는 연료를 추가 연소하는데 이용할 수 있다. 배기 조연식에서는 배열회수 HRSG 입구 연도 내에서 아래 <그림2>와 같이 연료를 추가 연소시킴으로써 증기조건을 향상시켜 증기터빈의 출력을 증가 시키는 방식으로, 배기가스를 대략 800~900OC까지 가열한다. 연료는 액체 또는 가스연료 모두 가능하나, 가스연료가 복사열이 낮고 점화가 용이하기 때문에 적합하다. 특징은 아래와 같다.
ㅇ 추가연소 연료량이 많아 질수록 증기터빈 출력비가 커진다.
ㅇ 가스터빈 배기가스 온도에 따라 가장 알맞은 조연량이 있고, 가스터빈이 고온화 할수록 조연량은 적어진다.
ㅇ 기동 시간은 비조연형에 비해서 약간 길어진다.
ㅇ 증기터빈의 단독운전은 불가능하다.
ㅇ 입구 온도가 낮은 가스터빈을 사용하는 경우에 유리하다.
1-2 HRSG의 분류
(1) HRSG WATER의 순환방식에 따른 분류
① 강제 순환식(Forced Circulation HRSG)
첨부 <그림 3~6>과 같이 증발기 순환펌프를 설치하여 보일러 수를 강제 순환시키는 방법으로, 열 교환기가 수직으로 배열되므로 설치공간이 작아도 된다. 이 형식의 장단점은 기동시간이 짧고 순환펌프 전후 압력차를 이용하여 수관 내 관석 누적량을 측정할 수 있다는 점이다. 그러나 순환펌프의 설치에 따른 소비동력이 증가하며, 순환펌프 고장 시 출력 감발이 따르고 유지 보수가 어려운 단점이 있다.
② 자연 순환식(Natural Circulation HRSG)
증발기 순환펌프를 설치하지 않고, 순환력은 강수 관의 물과 증발기의 물/증기 혼합물과의 비중량 차이에 의해 얻는다. 기동시간이 비교적 길기 때문에 기저부하 용에 적합하다. 보일러 높이를 가능한 높게 하여 같은 비중량 차이에서도 강수관과 상승관의 압력차를 크게 한다. 관경을 크게 하고 관은 가능한 직선으로 배치하여 유동저항을 감소시킨다.<그림 7~10>이 자연 순환식 배열회수 HRSG의 계통도이다.
(2) 사용 압력 수에 따른 분류
① 단압식
HRSG와 증기터빈 모두가 단일 압력의 주증기 계통을 갖는 방식이다. 다압식에 비해 열 회수율이 떨어지며, 연돌 온도는 높아진다. 저온영역의 열은 급수가열에 이용하나 저 부하시는 부족하고 고부하시는 과다하여 일부 방출하는 경향이 있다. 증기계통 및 급수계통이 간단하며, 주로 이용 율이 낮은 지역에 건설된다.
② 다압식
배기가스의 열 회수율을 높이기 위해 증기계통을 고, 저압 혹은 고, 중, 저압으로 분리하는 방식으로 각각 2압식, 3압식이라 한다. HRSG의 드럼개수가 2~3개로 많아지고, 증기계통, 급수계통도 복잡하다. 저온영역의 열 회수가 용이하여 에너지 이용 율이 증가하며 복합사이클 전체효율도 개선된다.
현재 설계되고있는 HRSG의 대부분은 다압식을 채택하고 있다.
(3) 가스 유동 방향에 따른 분류
① HORIZONTAL TYPE(횡치형)
튜브는 수직으로 설치되며 보일러 내 배기가스는 수평방향으로 흐르면서 열 교환이 이루어진다. 이 형식은 별도의 연돌 설치가 필요하게 되며, 일반적으로 자연 순환식 보일러에 이용된다.
② VERTICAL TYPE(입치형)
튜브는 수평으로 설치되며 보일러 내 배기 가스는 수직방향으로 흐르면서 열 교환이 이루어진다. 이 형식은 설치면적은 적으나 구조물이 커지며, 일반적으로 강제 순환식 보일러에 이용된다.
1-3 HRSG의 특징
(1) HRSG의 열 전달은 거의 대류에 의해 일어난다.
기력보일러는 보일러 내에서 직접 연료를 연소하기 때문에 복사열이 존재하며, 또한 보일러가 수냉벽으로 이루어져 있다. 그러나 HRSG는 단순히 가스터빈의 배기가스만을 이용하므로 거의 대류에 의해 열 교환이 이루어지기 때문에 수냉벽이 없다.
(2) 주위 온도가 출력과 효율에 미치는 영향이 크다.
주위온도가 낮을수록 가스터빈의 출력증가와 더불어 증기터빈 출력도 증가하지만, 복합발전소 전체 효율은 다른 조건이 일정할 경우 대기 온도가 높을수록 약간 상승한다.
(3) 폐열회수율을 높이기 위해 핀 튜브(Fin Tube)를 사용한다.
HRSG에서 사용하는 튜브의 전열표면은 지느러미형(Extended Fin Type)으로 되어있다. 튜브 표면에 핀(Fin)을 나선형으로 감아 전기저항용접으로 조립하여 핀(Fin)과 튜브(Tube) 사이에 열전도가 잘 되도록 되어있다.
(4) HRSG의 입열은 입구댐퍼 개도와 가스터빈 부하에 따라 좌우된다.
HRSG는 자체의 연료 공급 설비가 없다. 따라서 가스터빈 기동 후 HRSG 입구 댐퍼는 서서히 개방하여, 대기로 방출하던 가스터빈 배기가스를 HRSG로 도입하여 HRSG를 기동한다. HRSG 입구댐퍼가 전개되면 가스터빈 부하에 따라 보일러 출력이 증감한다.
1-4 HRSG 계통의 설명
이 장에서는 첨부의 P&ID를 보며 나타나있는 EQUIPMENT와 VALVE등의 역할과 HRSG의 기동 및 INSTRUMENT들의 역할 등을 설명한다. 이 책자에서는 주로 EQUIPMENT만을 요약하고 그 외 부분은 P&ID를 이용하여 강사가 설명하도록 한다.
(1) 저온부식 및 RECIRCULATION PUMP의 설치 목적
저온 부식이란, 연료중의 유황분에 의해 야기되는 부식현상으로 배기가스 온도가 황산노점 이하로 떨어지면 발생한다. 보일러의 튜브들이 저온부식으로부터 보호되려면 급수온도가 황산노점 이상으로 유지되어야 한다. 저온부식은 유황분이 함유되지 않은 연료를 연수할 때라도 배기온도가 습분 노점 이하로 떨어지면 일어난다. 다압식에서 무유황유를 사용하는 경우 배기가스를 100OC 이하로 떨어뜨릴 수 있고 급수온도는 약 60OC 정도면 된다.
첨부 <그림 10>을 보게 되면 LP ECONOMIZER 하단에 RECIRCULATION PUMP가 설치되어 있는데 이것이 COLD END측에서 배기 가스가 노점 이상으로 유지 되도록 급수온도를 올려준다.
(2) ECONOMIZER
ECONOMIZER는 배출되는 폐열을 이용하여 HRSG에 공급되는 급수를 예열하는 장치로 HRSG의 효율을 상승시키고 드럼과 급수 온도 차가 적어져 드럼의 열 응력 발생을 저감 시킨다.
(3) DRUM
DRUM의 기능은 보일러 수와 증기의 순환 경로를 구성하며, 증발관에서 유입되는 기수 혼합물을 분리하고, 보일러 수는 저장하고, 드럼 내부의 고형물질을 BLOWDOWN을 통하여 배출한다.
- 구성 요소
① 급수관(Feed Water Pipe)
급수관은 절탄기에서 예열된 급수를 드럼으로 공급한다. 급수관은 급수를 균등하게 공급하기 위해서 드럼의 길이 방향으로 설치되어 있으며, 작은 구멍들이 뚫어져 있다.
② 강수관(Down Comer)
강수관은 드럼하부에 설치되어 하부헤더와 연결되어 있으며 순환력을 크게 하기 위하여 노 외부의 비 가열 부분에 설치한다.
③ 상승관(Riser Tube)
상승관은 수냉벽 출구에 설치되어 기수(汽水) 혼합물을 드럼으로 공급하는 관으로 드럼 상부로 연결된다.
④ 격판(Shroud, Baffle)
격판은 상승관의 기수 혼합물을 드럼의 내면으로 안내하여 드럼을 균일하게 가열하므로 열 응력 발생을 억제한다.
⑤ 원심 분리기(Cyclone Separator)
원심분리기는 <그림 3-1>과 같이 기수 혼합물을 선회시켜 물은 원심력에 의해 밖으로 밀려 원통 주위를 회전하면서 아래로 떨어지고 증기는 상부로 올라가 과열기로 흐른다.
① 건조기(Dryer)
건조기는 포화증기 속에 함유된 습분을 제거하기 위해서 주름진 철판을 여러겹 겹쳐 드럼 상부 증기통로에 설치한다. 수분이 포함된 포화증기가 건조기를 통과할 때 증기의 흐름 방향이 변화하면서 물은 철판에 부딪쳐 드럼으로 떨어진다.
② 포화 증기관(Saturation Steam Pipe)
포화 증기관은 드럼과 과열기 입구헤더를 연결하는 관으로서 드럼에서 나온 증기를 과열기로 흐르게 한다.
① 수위계(Level Gauge)
수위계는 <그림 3-2>와 같이 수위를 표시한다. 수위가 쉽게 인식되기 위해서 수부와 증기부가 청색과 적색의 2가지 색(Bi-color)으로 표시되는 수위계가 많이 사용된다.
(4) 드럼 수위
① 고수위
수위가 높아지면 기수가 분리 되지 않아 증기가 다량의 수분을 함유하고 과열기로 흐르며 과열기 내부에서 물 때(Scale)가 생성되어 과열기가 과열될 우려가 있다.
ㅇ 터빈 케이싱(Casing)과 로타(Rotor)의 팽창차가 급변한다.
ㅇ 터빈 블레이드 침식 및 진동이 발생된다.
② 저 수위
드럼수위가 너무 낮게 되면 일부 수관은 물 부족현상이 발생할 수 있어 EVAPORATOR가 과열될 우려가 있다.
② 수위 변화의 요인
ㅇ 터빈 부하가 급격히 변화할 경우
ㅇ 가스터빈 출구 열량이 급격히 변화할 경우
ㅇ 드럼 압력이 급격히 변화할 경우
ㅇ 보일러 튜브가 파열된 경우
ㅇ 드럼 수위 검출 및 전송 계통이 고장 난 경우
③ 수위 제어
보일러 드럼 수위를 정확하고 신뢰성 있게 제어하기 위해서 3요소 제어방식(3 Element Control System)이 채택된다.
ㅇ 드럼 수위(Drum Level)
ㅇ 증기량(Steam Flow)
ㅇ 급수량(Feed Water Flow)
② DRUM 보호
드럼의 열 응력 발생을 방지 위해서 드럼 상하부 온도차를 55℃이내, 내외부 온도차를 65℃ 이내로 제한하며 기동, 정지 시 관수 온도 변화율은 일반적으로 다음과 같이 제한한다.
ㅇ 자연 순환 보일러 : 55℃/hr
ㅇ 강제 순환 보일러 : 110℃/hr
(5) 과열기 및 재열기
발전소 열효율은 증기압력과 증기온도가 높을수록 증가하는 특성이 있는데 과열기는 드럼에서 분리된 포화증기를 가열하여 온도가 높은 과열증기로 만들어 터빈에서 열 낙차를 증가 시키고, 터빈의 내부효율을 증대 시킨다.
터빈과 증기 공급관의 마찰손실을 줄이고, 습 분에 의한 침식이 경감된다.
재열기(Reheater)는 고압터빈(High Pressure Turbine)에서 일을 한 온도가 떨어진 증기를 다시 가열하여 과열도를 높이는 장치로 발전소의 열효율을 향상시키고, 저압터빈(Low Pressure Turbine) 날개(Blade)의 침식을 경감시킨다.
HRSG에서의 과열기는 모두가 향류식 유동 방식을 채택하고 있는데 이것은 연소가스의 흐름 방향과 증기의 흐름 방향이 반대이며, 연소가스의 고온부와 증기의 고온부가 접촉한다.
튜브의 표면온도 상승 폭이 크고, 열전달 효율이 높다.
(6) 안전밸브(Safety Valve)
안전밸브는 압력용기(드럼, 과열기, 재열기, 기타 증기 배관)에 설치하여 내부 압력이 설계압력을 초과하면 자동적으로 열려 증기를 분출시켜 압력 용기를 보호한다. 종류를 보면:
첫째, 스프링의 힘에 의해서 자동으로 동작하는 스프링식 안전밸브가 있다.
둘째, POWER로 동작하는 전자식 안전밸브가 있다. 이것은 과열기에서의 갑작스러운 압력 변화를 막아주고 또한 스프링식 안전 밸브가 OPEN되지않도록 미리 OPEN시키는 역할을 한다.
아래<그림 5-1>이 스프링식 안전밸브의 구조이다.
(7) 기타 부속품
① 소음기(SILENCER)
종류로는 안전밸브에서 분출되는 소음을 저감 시키는 복적으로 설치되는 안전밸브용 소음기, BLOWDOWN TANK용 소음기, 연돌(STACK)용 소음기로 구분할 수 있다.이것은 주로 계약서 상에 명시되는 소음의 수위를 맞추기 위해 설치된다.
② STACK DAMPER
HRSG 정지 시 내부에 남아있는 여열을 보존하기 위해 설치된다.
③ N2 FILLING LINE
HRSG 정지 시 TUBE등의 내부를 보존하기 위해 설치된다.
④ CHEMICAL INJECTION LINE
HRSG DRUM 내부에서 WATER의 PH를 맞추기위해 설치된다.
⑤ SAMPLING LINE
HRSG를 흐르는 유체 즉 급수나 증기의 성분을 분석하기위해 설치된다.
⑥ 기타 CONTROL VALVE및 MOV등
P&ID를 통하여 각각의 역할과 특성을 설명한다.