2011년 국내 천연가스 전체 소비량 3357만톤 중 도시가스용이 약 56%를 차지하고 나머지 46%를 발전용이 차지하고 있다. 또한 2012년 발전용 수요는 2011년 대비 약 3.6% 증가할 것으로 전망되고 있다.
일본 원전사고 등의 새로운 변수로 세계 천연가스 수요증가가 예상되고 있는 가운데 국내에서도 발전용을 중심으로 천연가스 수요가 지속적으로 증가할 것이라는 게 각 에너지 전문기관의 전망이다.
7월 천연가스 개선 열량제도 시행에 따라 발전용 가스터빈의 준비현황과 열량변동에 따른 영향, 앞으로의 준비내용 등에 대해 살펴본다. / 편집자 주
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▲ 천연가스 열량범위제도 시행에도 불구하고 발전설비에 미치는 영향은 미미한 것으로 나타났다.(사진은 서부발전 군산복합화력발전소 전경) | 도시가스용으로 판매되는 가스의 요금단위는 도·소매용 모두 부피(N㎥)거래를 시행하고 있지만, 발전용의 경우 요금단위는 Joule단위를 사용하고 열량범위제도가 적용되고 있어서 현행 표준열량제도를 개선코자하는 열량거래제도가 이미 시행되고 있다고 해석해도 무방하다.
발전사와 한국가스공사 간의 매매계약에 따르면 천연가스 매매단위는 GJ로 규정하고 있으며, 공급가스의 발열량은 42.28 MJ/N㎥(1만100 ㎉/N㎥) 이상으로 규정하고, 표준열량에 대해서는 규정하고 있지 않다. 따라서 한국가스공사는 최저열량이라 할 수 있는 42.28 MJ/N㎥ 이상의 발열량을 가진 가스를 공급하고 요금은 열량기준으로 거래된다는 것을 알 수 있다.
발전용 천연가스도 도시가스용으로 공급하는 가스와 같이 표준열량제도에 따라 월 평균 1만400 ㎉/N㎥ 이상으로 맞춰서 공급해 왔다. 외국 대부분의 가스공급 배관이 발전용과 도시가스용 배관을 분리해 별도로 운영하는 것과는 달리 우리나라는 한국가스공사가 공급하는 주배관망 전체가 환상망으로 구성돼 도시가스용 배관과 발전용 배관을 따로 구분하고 있지 않기 때문이다.
따라서 발전용은 계약상 판매단위는 Joule로, 열량은 1만100 ㎉/N㎥ 이상으로만 되어 있고 열량의 상한선이 없어도 도시가스용으로 공급하는 가스의 품질에 따라 동일한 배관으로 동일한 품질의 가스가 공급되어 온 것이다.
일부는 동일한 공급관리소에서 발전용과 도시가스용으로 함께 공급되며 계량설비만 별도로 운영하는 곳도 있다.
-울산화력발전소·포스코 등 가스설비 자체 튜닝-
국내 발전용 가스터빈의 운영은 대개 계절별로 기온, Nox, 진동 등의 영향에 의해 가스터빈을 제한적으로 튜닝하는 사례를 찾을 수 있다.
하지만 가스터빈 제작사의 의견과 국내 발전사의 가스터빈 운영실태 사례를 종합적으로 살펴보면 열량변동 때문에 설비의 튜닝을 전면적으로 시행한 사례는 거의 없다고 봐도 무방하다.
다만 국내 유일한 가스전인 동해-1 가스전에서 생산되는 천연가스는 울산공급관리소를 통해 천연가스 주배관망에 인입되는데 동해-1가스의 영향을 받는 울산화력발전소가 가스인입초기 이로 인해 열량은 동일하지만 가스의 조성이 일부 차이가 발생해 튜닝을 시행한 사례가 있다. 하지만 이 경우도 열량은 동일한 수준을 보였다.
한전 발전자회사 이외에 민간발전사인 포스코가 운영하는 광양발전소에서 이러한 튜닝을 시행한 사례가 있다.
자가소비용 LNG 직수입사업자인 포스코가 BP와 계약한 인도네시아 탕구산 LNG 생산설비의 준공지연으로 2007년부터 2009년까지 다양한 산지의 가스가 도입됨에 따라 가스터빈 웨버지수의 범위를 벗어날 정도로 매우 심한 열량편차를 보인 바 있다.
이에 따라 포스코 광양발전소는 자체적으로 가스터빈 튜닝작업을 수십차례 시행했으며, 이로 인해 튜닝기술 또한 자체적으로 확보하게 됐다.
-1만200 kcal/N㎥ 공급 시 가스터빈 출력·효율 약간 증가-
쳔연가스의 열량변동이 국내 연소기기에 미치는 영향 중 가정용, 산업용 등에 비해 발전용 가스터빈의 영향도가 상대적으로 클 것으로 예상되고 있다.
일반적으로 발전용 가스터빈의 튜닝은 가스터빈의 연소진동발생, CO 또는 NOx 발생, 공연비 조정 시 안정적인 운전을 위해 시행하고 있다.
열량제도개선추진단은 열량변동이 가스터빈의 성능에 미치는 영향을 검토하기 위해 가스터빈의 웨버지수(Wobbe Index), 연소실 압력상승, 연소진동 등 설비 안정성에 대한 대책과 함께 발전설비 성능 및 환경배출물질의 변화 등에 대해 지난 2006~2009년, 2010~2011년 각각 연구를 시행했다.
하지만 두 차례에 걸쳐 시행한 연구에서도 발전용 가스터빈(GT)은 경제적인 관점과 현실적인 측면에서 실증시험이 불가능 했다. 초고가의 터빈 가격과 실험가스의 단가도 문제지만 막대한 양의 실험가스 제조 및 공급 방법이 현실적으로 없었기 때문이다.
하지만 가스터빈 연소기의 안정성에 부문에 대해 대부분의 제작사측에서는 필요 시 가스터빈 자체의 연소기 튜닝이 요구되지만 교체 및 보강은 불필요하다는 의견을 제시했다.
출력과 효율 부문도 분석결과, 가스터빈이 단독으로 운전되는 경우에는 열량범위제도 적용 시 열량범위 9800~1만600 kcal/Nm³의 중간지점인 약 1만200 kcal/N㎥ 공급조건에서는 대부분 가스터빈의 출력과 효율 모두 약간씩 증가하는 것으로 나타났다.
복합화력발전소의 경우 가스터빈 단독으로 운전되는 경우는 극히 드물기 때문에 복합화력의 성능에 미치는 영향을 감안해 출력 및 효율 검토가 이뤄졌으며, 이 역시 발열량 범위의 중간지점인 1만200 ㎉/N㎥에서 국내 복합화력 전체의 가중평균 출력과 가중평균 효율은 약간씩 증가하는 것으로 분석됐다.
다만 열량범위의 하한치인 9800 kcal/N㎥ 공급조건에서는 출력은 약간 증가하나 효율은 약간 감소하는 것으로 나타났다.
하지만 열량범위가 매월 전체 도시가스 공급지점을 합산한 가중평균열량대비 해당 도시가스회사의 가중평균열량이 ±2% 범위이내로 유지돼야 한다는 부대조건을 감안하면 열량범위의 하한치인 9800 kcal/N㎥까지 열량이 떨어져 공급될 가능성은 거의 없다고 볼 수 있다.
이와 함께 웨버지수를 맞추기 위해 연소기 입구 LNG 온도를 조절하는 방법에 대해 검토한 결과 LNG 온도를 10℃ 낮춰서 운전할 경우 가스터빈 전기출력은 미미한 수준에서 약간(GE, Siemens) 증가하고, 열효율은 미미한 수준으로 저하되는 것으로 나타났다.
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▲ 서인천복합화력발전소 전경 | -천연가스 열량변동에 따라 NOx, CO2 감소-
가스터빈과 같은 연소시스템에 있어서 중요한 요소 중 하나는 오염물질 배출의 제어다.
문제가 되는 오염물질은 질소산화물(NOx)와 CO2가 대표적이다. NOx는 광화학적 스모그와 지구 성층권에 있는 오존 파괴의 주된 원인이며, CO2는 지구온난화의 주된 요인이 되고 있는 온실가스이다.
NOx 배출량은 가스터빈 연소기의 화염온도가 높을수록 증가한다. 확산혼합의 화염온도가 예혼합 화염온도보다 높고, NOx 배출량이 많다.
연료의 몰 유량이 같다고 할 경우 연료가 포함하고 있는 CH4의 함량이 높은 저열량 천연가스가 공급되는 것은 화염온도가 낮아져 NOx 배출량이 감소한다는 것을 예측할 수 있다.
지멘스(Siemens) 가스터빈 연소기의 웨버지수 대비 NOx 배출량 추이곡선을 보면 천연가스 내 CH4 함유량이 높을수록 웨버지수는 작아지고, 이에 따라 NOx 배출량이 감소하는 방향으로 진행된다. 웨버지수와 체적 발열량은 반비례 관계다.
현재 공급되는 천연가스의 웨버지수를 기준으로 할 때 연료 변동범위의 웨버지수는 감소하는 방향으로 이동하며, 이에 따라 NOx 배출량은 감소하는 경향을 보일 것으로 분석된다.
가스터빈의 연소는 과잉 공기를 공급해 완전 연소되는 시스템이어서 연료가 포함하고 있는 탄소중량은 곧 CO2 배출량을 의미한다.
분석결과 연료변동에 따른 체적 발열량은 대체적으로 감소하는 방향으로 나타났으며, 탄소배출계수 또한 감소하는 경향을 보였다. 즉, 연료변동에 따른 이산화탄소 배출은 단위연료를 기준으로 감소하는 것으로 나타났다.
이와 함께 발전설비의 안정성과 관련해 연소기 허용 웨버지수와 연소기 교체 및 튜닝 여부 등을 확인한 결과 설비교체는 불필요하지만, 필요 시 연소기 튜닝이 요구된다는 것이 확인됐다.
-비용보상, 2012년 이전 설치기기 한정-
가스터빈에 관련된 조정 또는 튜닝작업은 2012년 7월부터 2014년 12월까지 이뤄져야 할 것으로 보인다.
연구결과에 따르면 2013~2014년 실제 공급열량값이 9800~1만600 kcal/Nm³의 중간지점인 1만200 kcal/Nm³로 공급될 때 기기조정 및 가스터빈 튜닝을 실시하는 것이 적절한 것으로 분석됐다.
발전용 가스터빈의 연료사용 호환성 지수인 웨버지수가 제작사 별로 ±4.5%의 기기도 있지만, 설비의 대부분을 차지하고 있는 DLN type(예혼합 연소)의 호환성 지수는 ±2.0%이기 때문이다. 이 웨버지수 범위를 국내 공급되는 천연가스 기준에 의한 열량값으로 환산하면 9800~1만600 kcal/Nm³가 된다.
가스공사는 가스터빈의 튜닝작업에 대한 비용보상은 반복되지 않은 일회성의 비용만 대상이 되는 것으로 판단하고 있으며, 보상대상은 2012년 이전에 설치한 발전용 가스터빈이다.
또한 비용보상 대상 선정기준은 열량제도 개선시행에 따라 직접 필요한 조정 또는 보강 사업으로 한정하고 있다. 아울러 기기조정과 보강에 따라 편익이 발생하는 점을 고려하면서, 열량제도 개선시행에 대처할 수 있는 가장 경제적인 대안으로 한정하고 있다.
이러한 일회성 사전대비 작업은 가스터빈을 운전하는 발전회사가 제작사와 협의해 자체적으로 시행하되, 관련 자료와 비용 산정을 신중히 합리적으로 산정해 비용보상 신청자료를 작성한 후 향후 운영될 비용보상평가위원회에 제출, 보상받게 될 예정이다. |