Introduction

본 연구에서는 현재 상용 운전 중인 열병합 복합 화력발전 시스템을 선정하고, 전체 플랜트 열 성능 모델링을 수행하였다. 해당 플랜트는 복수기가 없는 배압식 스팀터빈을 사용하고 있다. Fig. 2에 해당 발전플랜트의 개략도를 도시하였으며 Table 1에 해당 플랜트의 기기별 주요 스펙을 나타내었다.

Fig. 2 
Schematic diagram of Commercial operates CHP CC Power Plant using Back pressure type turbine

본 절에서는 해당 연구 수행을 위한 열병합 복합화력 발전 시스템 모델링 및 시뮬레이션 결과를 나타내었다. 해석에는 상용 프로그램인 GateCycle ⁽¹⁷⁾을 사용하여 해당 플랜트를 모사하였다.

3.1.1 가스터빈 모델링

본 연구는 가스터빈의 성능 변화 보다는 배압형 스팀터빈의 성능 변화에 초점을 맞추어 해석을 수행하였으며 이에 따라 가스터빈은 제작사 제공 설계 데이터 및 보정선도 기반으로 모델링하였다. Fig. 3에 외기 조건 변화에 따른 가스터빈의 성능변화에 대한 보정 선도를 예시하였다. 실제 모델링에서는 Fig. 3의 데이터가 아닌 제작사에서 제공한 보정 선도를 바탕으로 모델링을 수행하였다.

Fig. 3 
Sample performance curves of ambient temperature variations ⁽¹⁸⁾

본 절에서는 해석대상 플랜트의 역설계 시뮬레이션 결과를 나타내었다. 제작사에서 제공하는 설계 파라미터 값을 기반으로 숨겨진 설계 특성 파라미터들을 도출하였으며, 설계 파라미터 값과 시뮬레이션 결과의 비교를 통하여 예측의 정확도를 검증하여 그 결과를 Table 2에 나타내었다. 가스터빈 압축기와 터빈의 효율은 약 87%로 추정된다. HRSG는 덕트버너 연료량이 약 1.2% 오차 내에서 예측 되었으며, 스팀터빈의 터빈 효율은 약 87%로 추정된다. No. 2 DH의 열전달 부하를 제외한 다른 설계 파라미터들은 대체로 0.1% 이내의 오차 범위 내에서 해석이 수렴하였음을 확인할 수 있으며, RMS 오차평균은 약 0.101%로 계산되었다. 이는 시뮬레이션 모델이 해석대상 상용 플랜트를 오차범위 내에서 충분히 잘 모사하고 있다고 판단된다.

본 절에서는 탈설계 해석의 결과의 적절성을 판단하기 위해 현장 데이터 분석을 수행하고 그 결과를 Fig. 4에 나타내었으며, 이해를 돕기 위해 로그 추세 선을 도시하였다. 데이터는 해석 대상 플랜트의 ‘16년도 1월부터 8월까지 운전데이터 중 최대부하 운전 데이터를 활용하였다. 해당 지사의 경우 가스터빈이 최대부하로 작동하더라도, 덕트버너의 사용 유무에 따라 스팀터빈의 작동특성이 변하게 되어 스팀터빈의 최대부하 운전 데이터는 다소 적은 편이다. Fig. 4에서 확인할 수 있는 바와 같이 회수온도의 변화에 따라 스팀터빈의 출력은 변화한다. 이는 본 연구의 탈 설계 해석이 적절하게 수행되었음을 의미한다.

Fig. 4 
Field data variations of the Steam turbine power with the Returning Temperature variation

본 절에서는 DH의 공급온도 및 회수온도의 변화에 따른 열병합 발전플랜트의 성능을 해석하였다. 앞서 설명한 바와 같이 배압터빈의 경우 지역난방 회수수가 DH로 공급되고 DH는 배압터빈의 복수기와 유사한 역할을 하여 터빈의 배압을 결정하게 된다. 이 때 가스터빈은 동일한 외기조건에서 최대부하로 운전된다고 가정하였다.

DH의 제어에 있어서 고려할 수 있는 제어방식으로 온도제어와 열량제어를 고려하였다. 첫 번째로 온도제어의 경우 사용자 측으로 공급되는 지역난방수의 공급 온도를 107℃로 일정하게 유지하는 방식이다. 이를 위하여 DH로 공급되는 지역난방수의 양을 조절하는 방식으로 현재 우리나라 상용 열병합 발전소에서 많이 사용하고 있는 방식이다. 이 경우 공급온도는 107℃로 결정되므로 DH 입출구의 비엔탈피 차는 일정해야 하며, 스팀터빈 출구에서 DH로 공급되는 열량은 정해져 있으므로 지역난방수의 양을 조절하여 DH출구의 온도를 조절하게 된다. 두 번째로 열량제어 방식은 사용자 측으로 공급되는 지역난방수의 총 열량을 제어하는 방식이다. 총 열량의 제어를 위해서 DH출구의 온도는 가변적으로 풀고, 지역난방수의 양과 DH입, 출구 비엔탈피 차를 동시에 조절하는 방식이다. 이 경우 온도제어에 비하여 지역난방수의 변화폭이 적으며, 공급온도는 다소 감소하게 된다.

Fig. 5에서 회수수의 온도 변화에 따른 공급온도 및 공급열량을 도시하였다. 온도를 제어하는 경우 공급온도가 일정한 것은 명확하다. 이 때 공급 열량은 회수온도가 낮을수록 작아진다. 이는 DH의 회수온도가 낮을수록 배압이 낮아짐에 따라 터빈에서 복수기로 버리는 열량이 감소함에 따라 줄어드는 것으로 보인다. 공급 열량 제어의 경우 열량이 일정하게 유지됨에 따라 공급온도는 감소한다. 사용자에게 공급하는 열량을 일정하게 유지하기 위해서 공급되는 유량이 증가함에 따라 복수기로 과도한 냉각수가 공급되게 됨에 따라 점차 감소하는 것으로 판단된다. 회수수의 온도가 변화함에 따른 열병합 복합 화력 시스템의 출력과 효율이 상승하게 되는 것은 자명하다. 알려져 있는 바와 같이 배압터빈은 DH가 복수기의 역할을 대체함에 따라 회수수의 온도가 상승하게 되면 터빈 출구 배압이 낮아지게 되고 이에 따라 열 낙차가 증가하게 되어 스팀터빈 출력이 상승하게 된다. Fig. 6에 회수온도 변화에 따른 열병합 복합화력 시스템의 출력 및 시스템 효율 변화를 도시하였으며, Fig. 7에 스팀터빈 출구의 배압과 스팀터빈의 출력 변화를 도시하였다.

Fig. 5 
Variations of the supply temperature and heat supply rate with the Returning Temperature variation

Fig. 6 
Variations of the Steam turbine power and system efficiencies with the Returning Temperature variation

Fig. 7 
Variations of the Steam turbine back pressure and power with the Returning Temperature variation

Fig. 8은 사용자 회수수의 온도변화에 따른 필요 지역난방수 유량 및 그에 따른 펌프 소모동력을 나타내었다. DH의 배압을 결정하는데 필요한 유량이 감소하게 됨에 따라 그에 따라 사용자측으로 공급할 수 있는 지역난방수의 양도 감소하게 되며 이에 따라 사용자에게 온수를 공급하는 펌프의 소모동력도 감소하게 된다.

Fig. 8 
Variations of the DH supply water flow and pump required work with the Returning Temperature variation

복합화력의 출력과 성능이 상승한다 하여도 열량이 감소하기 때문에 전체 CHP의 출력과 효율은 다소 감소하는 경향이 발생할 수 있으며 이를 Fig. 9에 도시하였다. 공급 온도를 일정하게 유지한 상태에서는 회수온도의 변화에 따른 출력과 효율의 변화가 거의 발생하지 않으며 오히려 일정출력량이 감소됨에 따라 효율 역시 다소 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이는 추가 전력이 발생하더라도 공급 가능한 열의 양이 감소함에 따라 발생하는 효과이다. 즉 Fig. 5에서 살펴본 바와 같이 공급온도가 일정한 경우 생산되는 열량이 감소하는 효과가 모두 전력의 증가로 변환되었다고 판단할 수 있으며 이 경우 열병합 복합화력 플랜트는 최적 배압조건이 아닌 상태에서 작동되고 있기 때문에 필요보다 많은 열이 폐열로서 회수되지 않고 버려지고 있는 것으로 생각된다. 다시 말해 열병합 복합화력 발전시스템의 성능을 결정짓는 요소로 사용자 회수수의 온도뿐만 아니라 사용자 공급수의 온도 역시 고려되어야 한다.

Fig. 9 
Variations of the CHP heat & power and total efficiencies with the Returning Temperature variation

Fig. 10는 열병합발전에서 실질적인 복수기로 작용하는 DH1의 냉각수 출구온도를 나타내었다. DH에서의 냉각수는 곧 사용자 회수수 온도를 나타낸다. 전체적으로 사용자 회수수의 온도가 감소할수록 DH1의 출구온도 역시 감소한다. 전체 시스템 측면에서 볼 때 배압의 감소로 인하여 터빈의 열 낙차가 증가하는 것은 시스템을 통해서 버려지는 열량은 감소하는 것을 의미한다. 즉 DH1을 통하여 사용자에게 전달 가능한 열량이 감소하는 것을 의미하며 이에 따라 DH1의 냉각수 측 입, 출구 온도 차가 다소 감소하게 된다.

Fig. 10 
Variations of the No. 1 DH temperature difference and outlet temperature with the Returning Temperature variation

Fig. 11은 터빈 출구의 건도를 나타내었다. 건도는 배압이 낮아짐에 따라 감소하게 된다. 공급수온도제어의 경우 건도는 최소 약 0.905, 공급열량제어의 경우 약 0.9 정도로 다소 낮은 구간까지 내려가는 것을 확인할 수 있으나 설비 수명에 큰 영향을 미치는 영역까지 내려가지는 않는 것으로 판단된다. ^{(22, 23)}

Fig. 11 
Variations of the low pressure steam turbine exhaust quality with the Returning Temperature variation