Technical Notes

Journal of The Korean Society Combustion. March 2020. 56-64
https://doi.org/10.15231/jksc.2020.25.1.056

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 설비개요 및 실증방법

  •   2.1. 실증발전소 개요

  •   2.2. 유연운전 적용을 위한 개선 필요사례

  •   2.3. 개선방안 및 고려사항

  •   2.4. 추가연구를 위한 연구범위 제언

  • 3. 결 론

1. 서 론

전 세계적으로 기후변화가 발생하여 진행 중에 있으며, 이미 사회에 해를 끼치고 있다. 이러한 기후변화 문제를 해결하기 위해서는 대기 중 탄소의 자연균형을 회복하고, 세기가 끝나기 전까지 탄소 추가발생을 없애야 한다는 사실에는 전 세계가 동의하고, 더 나아가 “탈탄소(Carbon Free) 에너지 사회”를 심도 있게 논의하고 있다[1]. 지구온난화에 대비하여 세계 각국은 도쿄의정서에 이어 파리협약에서는 Fig. 1와 같이 최종 목표로 금세기 말까지 지구에 새로 추가되는 탄소가 제로가 되는 ‘탄소 중립’으로 설정하였다[2]. 즉, 현재의 기준에서 국가별로 자발적 감축목표(INDCs : Intended Nationally Determined Contributions)와 CO2 회수/재이용과 같은 항목을 종합적으로 고려하여 Median Model을 근거로 달성이 가능한 수준을 표현한 것이다. 여기서 말하는 탄소중립은 단순히 화석연료의 사용을 억제하는 단편적인 해법으로는 달성될 수 없으며, 탄소를 발생시키기 않는 다양한 에너지원을 병행하여 사용하고 기술개발을 통해 생성된 이산화탄소를 포집하여 저장 또는 다른 용도로 활용하는 것을 통해 점진적으로 달성이 가능한 목표이다. 이에 우리정부에서도 수소를 청정에너지로 지정하고, 관련 산업을 지원/육성하겠다는 계획을 발표하였다.

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Fig. 1.

CO2 Emission Reduction Model2).

에너지 소비에 있어서 이산화탄소의 발생을 줄이는 가장 간단한 방법은 탄소가 포함된 화석연료의 사용을 줄이는 것이다. 탄소가 포함된 연료라고 하더라고 탄소를 사용 전에 처리하여 사용 후 이산화탄소가 발생하지 않는 수소(H2)와 암모니아(NH3) 등으로 변형하여 사용하는 방법이 있을 수 있다. 이러한 방법은 결국 CO2를 처리/이용 할 방안이 당연히 함께 고민되어야 한다.

궁극적으로는 화석연료 이외에 태양광이나 풍력과 같은 자연 에너지를 이용해 전력을 생산/사용하는 방법이 최선의 방법이다. 하지만 이러한 방법으로는 연속성을 갖는 고품질의 에너지 생산을 기대할 수 없어, 궁여지책으로 변동성을 보완할 수 있는 에너지 저장장치(ESS : Energy Storage System)를 고려하여 화석연료의 사용을 줄이는 방향으로 에너지 사용을 합리화하는 것으로 현재는 목표로 삼고 있다.

큰 흐름에서 탈탄소 에너지 사회를 구현하기 위해서는 재생에너지의 비중이 증대될 수밖에 없으며, 재생에너지의 변동성을 제어할 수 있는 에너지 저장장치의 용량과 출력 가능범위의 기술적 제약으로 인해 현재의 석탄화력, 가스복합화력 발전소의 대형 발전설비가 유연운전(Flexible Operation)을 통해 탈탄소 사회로의 전환에 가교역할을 강요받고 있다.

특히, 미국 등 재생에너지를 확대보급하고 있는 국가와 도시에서는 이미 가장 경제적인 발전원을 선택하여 소비하는 에너지 소비방식을 채택하고 있으며, 그로인해 기존 발전소는 Fig. 2와 같이 매일 출력을 과도한 속도로 증감발해야 하는 상황으로 내몰리고 있다. 이러한 시스템 채용으로 기존 발전설비는 실제 수요에서 재생에너지가 차지하는 그 외 부분에 해당한 일일 부하 패턴(Duck Curve[3])에 따라 수요와 공급의 불일치 부분을 담당하고 있으며, Fig. 2에서와 같이 그 편차는 재생에너지의 확대에 따라 지속적으로 증가하고 있다. 또한 그와 더불어 오전, 오후 출퇴근 시간대에 발전소 출력변동율의 크기도 지속적으로 증대하고 있음을 확인할 수 있다.

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Fig. 2.

Net power output of power plant (Duck curve) due to increased renewable energy.

과도한 재생에너지 생산은 계통의 불안정성으로 연계 될 수 있어서, 대부분의 국가에서는 재생에너지의 발전제약(Curtailment) 정책을 사용하며 이유는 3가지 정도로 요약되는데 첫째 재생에너지로 인한 계통의 불안정성, 둘째, 송전용량 제약, 셋째, Fig. 2에서 ④구간에 해당하는 기존발전설비의 최소발전용량을 초과(Over-generation)의 경우이다[4].

이로 인해 에너지 불균형 시장(EMI : Energy Imbalance Market)이 급부상 하였다. 에너지 불균형 시장(EIM)은 일일 전력 예측과 매시간의 수요 충족에 필요한 실제 에너지 양 사이의 차이를 거래하는 미국 8개 서부州를 포함하는 “실시간” 에너지 거래시장이다. 재생에너지와 기존발전설비가 전력 시장에서 경쟁하기에 효율이 높고, 친환경적인 발전소는 자연스럽게 이용률이 높게 된다. 즉, 예상 수요를 충족시키기 위해 가장 낮은 비용(연료, 운영 및 유지 보수 및 규정 준수 비용)으로 실행되는 자원을 선택하는 시스템이다. 환경비용까지 포함할 경우 자연스럽게 재생에너지가 우선순위를 갖고 소비되며, 재생에너지의 출력이 낮아지면서, 에너지 소비량이 늘어나는 늦은 오후부터 저녁시간에는 갑작스럽게 계통에 병입되는 발전기들이 늘어나게 된다. 이때 EIM에 포함된 발전설비들은 계통의 요구에 따라 갑작스런 출력 증・감발을 감내해야만 한다. 그렇지 않고, 정격출력으로 운전해야지 효율도 좋고, 설비의 수명도 보장되기 때문에 시장의 요구를 수용하지 못할 경우 수요가 계속 치솟지 않는다면 발전소는 계속 정지해있거나 시장에서 퇴출되어야한다. 실제 ‘19년 초에 GE (General Electric) Energy의 경우 수명이 남은 발전소의 철거를 발표하였다[5]. 즉, 국내에도 2040년까지 재생에너지의 비율을 35%까지 확대하겠다는 “제3차 에너지기본계획”에 근거한다면 시사점이 크다고 할 것 이다. 에너지 불균형 시장(EIM)은 환경과 에너지고객 모두 이 시나리오에서 승리할 수 있다고 주장하지만, 유연운전으로 발전설비를 길들이기하고 있으며 시장에서 생존하기 위해 유연운전 가능범위를 확대하기 위한 제작사와 운영사의 노력이 진행 중이다.

유연운전(Flexible Operation)의 정의는 재생에너지 확대에 따른 전기품질 악화를 예방하기 위해 기존의 발전설비를 계통안정성 측면에서 능동적으로 운영하기 위해 적용하는 운전방식이다. 즉, 기존의 발전설비는 정격출력에 최대의 효율을 달성할 수 있도록 설계되어 운영되는 설비이다. 특히 부분부하에서는 배기가스도 규제치를 만족하기 어려운 경우도 있다. 그리고 대형설비이기 때문에 부하 변동률이 크지 않다. 이러한 설계단계에서부터 고려되지 않았던 부분을 계통 안정성을 위해 아래와 같은 조건으로 운전 가능범위를 확대하는 것을 유연운전 기술로 정의한다.

쉬운 예로 가스터빈을 포함한 복합화력 발전소의 경우 유연운전과 관련된 다양한 연구가 진행 중이며 연구주제는 재생에너지와 연계된 계통에서 발전소의 순출력 요구 모델과 관련하여 Fig. 3과 같이 요약될 수 있다.

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Fig. 3.

The Relation between flexible operation and duck curve.

Fig. 3에서 보는 바와 같이 ①기동시간 단축(Reduce Start-up Time)및 ②부하변동률 향상부분(Enhancing Ramp Rate)은 재생에너지의 급격한 출력변동에 대응하기 위한 기술 부분이며, ③최대출력 향상부분(Higher Maximum Load)과 ④최저부하 구간 확대(Lower Minimum Load)도 계통 내에서 재생에너지의 비중확대를 염두에 둔 유연운전 기술이다. 최대출력향상을 위해서 HRSG(Heat Recovery Steam Generator)에 Duct Burner를 활용한 예라든지, 최저부하 구간확대를 위한 질소산화물(NOx)과 연소진동(Combustion Pressure Fluctuation) 저감 방안에 대한 연구도 진행 중이다.

그리고 유연운전 기술적용에 따른 하드웨어의 수명 및 성능에 미치는 영향은 다음과 같은 차원에서 검토가 필요하며, 추가적인 최적 센서를 설치하여 설비의 건전성을 확보해야한다.

- 과도운전에 따른 고온/밸런스 부품의 마모증가

- NOx 제어장비의 촉매피독

- 발전소 운영에 있어 인적실수 증대

- 잦은 기동정지로 정기예방정비 조기도래

미국과 국내에서도 경기침체에 따른 전기수요의 포화, 낮아진 가스요금으로 더 낮아진 석탄화력 이용률을 제고하기 위해 석탄화력 발전소(Coal Fired Power Plant) 중심으로 유연운전에 대한 연구가 진행 중이다[6]. 발전용 가스터빈의 출력 변화율이 석탄화력 발전소 보다 빨라서 계통의 안정성을 확보하는데 더 유리한 상황이다. 그래도 가스터빈의 경우도 효율향상을 위해 스팀터빈과 함께 운영되며, 출력 증/감발의 비율 증대에 대한 연구가 필요한 상황이다.

그리고 출력이 낮아져 정격출력보다 상당히 낮은 부하에서 운전하는 빈도가 증가함에 따라 부분부하 배기성능 개선[7]에 대한 실증 연구가 유연운전측면에서 상당부분 진행되었다.

본 연구에서 동서발전에서 운영중인 MHPS(Mitsubishi Hitahchi Power Systems)社 최신 대형 발전용 가스터빈(M501J 모델)을 대상으로 유연운전(Flexible Operation) 적용에 대비한 복합화력발전소(CCPP : Combined Cycle Power Plant)의 제어 측면의 예상되는 문제점을 파악하고, 이를 극복하기 위한 케이스 연구로 운영기술측면의 대응 방안을 모색하고자, 운영기술 개선 사례 연구를 수행하였다. 특히, 가스터빈의 부하의 증발 시 스팀터빈의 부하 추종률 차이에 따른 IP(Intermediate Pressure) 스팀 유량제어 밸브의 담힘 현상에 대하여 제어로직을 확인하고, IP Steam 압력의 셋팅값을 천천히 상향조정하면서 그에 따른 시스템의 영향을 평가하였다. 플랜트에 성공적으로 구현된 운영 유연성 향상과 향후 업그레이드 및 향후 추가로 고려해야 할 측면에 대한 테스트 결과도 포함하였다. 구체적으로 IP Steam의 압력 현재값이 충분히 높지 않은 이유로 연소기 라이너 냉각 유량 제어를 위한 터빈입구온도 예측방안도 함께 검토되었다.

2. 설비개요 및 실증방법

2.1. 실증발전소 개요

가스터빈(복합화력발전소)의 유연운전 기술에 대한 사례연구(Case Study)를 위해 공동연구기관 중 동서발전(주)에서 운영 중인 대형발전용 가스터빈을 대상으로 연구를 진행하였다.

한국 동서발전(주)에서 운영 중인 울산복합 7호기 8호기의 MHPS社 최신 가스터빈인 501J 가스터빈은 세계 최초로 터빈 입구온도(TIT : Turbine Inlet Temperature) 1600°C를 상용화에 성공한 모델이다. 국내에는 울산 4복합, 평택 2복합(서부발전(주))에 설치되어 2014년부터 상업운전 중이다. 주요한 가스터빈의 사양은 Table 1과 같으며, 발전소 조감도는 Fig. 4와 같으며 gas turbine 과 steam turbine이 2:1로 조합된 방식이다.

Table 1. GT (Gas Turbine) Specifications

GT Model for 60Hz M501J
2 on 1 Plant Power [MW] 948
ISO Base Rating [MW] 327
GT Efficiency Plant Efficiency [%] 42.1 62.0
Turndown Ratio [%] 50
Starting Time [min] 30
Ramp Rate [MW/min] 40

* ISO (International Standard Organization) standard : 101.3 kPa, 15°C, 60%RH
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Fig. 4.

7th, 8th Ulsan CCPP bird’s eye view.

발전용 가스터빈은 효율향상을 목적으로 Bottoming cycle로 스팀터빈과 함께 운용된다. 가스터빈의 제어 방식은 출력요구 조건에 맞춰 연료와 공기의 유량과 조건을 변화시키되, 터빈입구온도(TIT)는 터빈부 보호를 위해 제한을 하며 운전이 된다. 연소 후 가스에 의해 전달된 열은 배열회수보일러(HRSG)를 통해 고압, 중압, 저압의 스팀을 생산하여 발전한다.

발전용 가스터빈의 부하 증발과 관련된 연소기와 연계된 IP 스팀의 이동경로는 Fig. 5와 같다.

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Fig. 5.

IP steam flow passage for GT combustor cooling.

계통의 요청으로 발전설비의 과도한 부하 증·감발을 필요로 할 경우 가스터빈은 연료와 공기량을 조절하여 부하를 추종한다. 이때 가스터빈의 출력은 고온 부품의 열피로(Thermal Fatigue) 등으로 인한 수명에 영향은 차치하고서도 부하추종을 위한 40MW/min 수준으로 운용이 가능하다. 하지만 스팀터빈의 경우 가스터빈으로부터 발생한 Heat rate에 따라 스팀을 생산하여 부하를 맞추는데 가스터빈과 동적특성이 상이하여 부하 추종성을 향상하기 위한 제어 및 기계측면의 연구가 필요하다.

2.2. 유연운전 적용을 위한 개선 필요사례

가스터빈 부하 증가 시 Fig. 6과 같이 IP Steam의 압력조절 밸브가 닫혀서 IP Steam 유량이 줄어들 경우, 그로인해 HP(High Pressure), LP(Low Pressure) 터빈으로 공급되는 Steam 유량 차이로 Steam Turbine Shaft에 Torsional Vibration이 발생한다.

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Fig. 6.

IP Steam Valve Abnormal Operation : Pink line on IPCV (IP Control Valve) Lift drop.

가스터빈의 부하변동이 발생할 경우 HP, IP, LP Steam의 PCV(Pressure Control Valve)는 각 터빈 입구부에 설치된 압력센서를 통해 Steam의 공급압력을 기준값 이상으로 유지시키며 운전된다. 기준값은 여러 가지 기준으로 설정된 값 중 최대값을 선정하는 로직이 반영되어 있다.

- GT 출력별 필요 Steam 기준 설정된 압력

- Actual Steam Pressure의 90%의 압력

- Bypass 운전 중 최소 Steam 요구량

- Combustor Shell Pressure+3barg [IP only]

이때 IP Steam의 경우 Fig. 5에서와 같이 터빈으로 공급되는 유량의 절반 이상을 연소기 라이너 냉각목적으로 사용하고 있다. 적정량의 냉각 Steam 확보를 통해 연소기 과열을 방지할 목적으로 연소실 내부압력보다 최소 3 barg 이상 유지조건이 제어로직(Control Logic)에 추가되어 있다.

그리고 과도한 밸브작동으로 인한 오류를 방지하고자, 압력별 Steam의 Pressure Control Valve(PCV)는 설정값(SV : Set Value)와 지시값(PV : Present Vlaue) 값의 차이를 2.2barg 이상으로 유지시켜 IP PCV 밸브는 항시 열려있다. 즉, Steam의 압력조건별 2 ~ 3가지 기준으로 정해진 설정값(SV)이 현재의 운전조건에서 지시값(PV)과 2.2arg 이내의 차이를 보일 경우 IP 스팀 압력을 상향조정 하기 위해 압력조절밸브(PCV)가 닫히도록 설정되어 있다. 즉 Fig. 6의 ①-ⓒ구간에서 IP STM PCV(SV)값이 IP STM Inlet Pressure보다 상회하여 IP PCV가 잠시 후 닫히는 결과를 초래하였다.

Fig. 6과 같이 IP PCV(압력제어 밸브)의 닫힘동작 구동은 식 (1)과 같은 조건에 의해 압력의 설정값과 지시값의 차이가 2.2barg 이내가 되어 현재 압력을 상향 조정하기 위해 밸브가 닫힌 것으로 판단된다.

$$\mathrm{IP}\;\mathrm{PCV}\;\mathrm{SV}\;–\;\mathrm{IP}\;\mathrm{PCV}\;\mathrm{PV}\;<\;2.2\;\mathrm{barg}$$ (1)

이러한 문제를 해결하는 방안을 찾기 위해 RCA(Root Cause Analysis)를 수행하였다. “IP Steam PCV Closing”과 관련된 이슈들은 Fig. 7과 같이 나열될 수 있다. Fig. 7에서 제시된 해결방안은 IP Steam 압력조절밸브의 구동과 관련된 제어변수들을 전수 조사하여, 이들 조작변수 중 파라미터 변경에 따른 시스템에 미치는 영향과 다른 파라미터와의 연계 복잡도를 분석한 결과 주황색으로 표기된 비교적 안전한 2가지 방안이 도출되었다.

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Fig. 7.

Root cause analysis considering system impact.

2.3. 개선방안 및 고려사항

첫 번째는 Fig. 7 ①에서 제시된 IP 스팀 PCV의 설정값(SV)을 하향조정하는 방안이다. IP 스팀 PCV 설정값은 최대값 선택기(Maximum selector)로 가스터빈 제어로직에 반영되어 있어서 IP 스팀 압력 설정값과 연계된 값을 낮추되 시스템에 미치는 영향을 최소화하기 위해 최종적으로 ⓒ항 GT 출력에 맞춘 IP 스팀 조절곡선(GT Power based Control Curve)을 변경하는 방향을 선정하였다.

그 이유는 ⓐ항 “IP 스팀 압력과 가스터빈 연소실 내부 압력과의 차이”를 줄이게 되면, 연소기로부터 스팀터빈으로의 이물질 유입에 대한 확률이 증가하여 대형사고로 이어질 수 있다. 또한 ⓑ항 “IP 스팀압력 지시값 대비 90%” 이상의 값은 가스터빈 제작사에서 GT(Gas Turbine)와 HRSG, ST(Steam Turbine)의 운영 경험을 바탕으로 입력된 상수로 변경을 위해서는 선행 점검 사항이 많다.

그리고 선정된 ⓒ항 “GT 출력대비 IP 스팀 PCV 설정값”도 조정 시 제작사에서는 연소기 보호를 위해 기본으로 시스템에 반영해 둔 연소기 냉각 계통 트립(Trip) 마진이 줄어들게 된다. 하지만 IP 스팀의 연소기 출구 측 온도가 모니터링 가능하여 이상운전(Abnormal Operation) 여부를 판단할 수 있어 최종적으로 선정하였다.

실제 가스터빈 운전 중에도 Fig. 6에서 보는 바와 같이 IP 스팀 PCV 설정값으로 인한 밸브 닫힘 현상이 발생한 영역의 최대값 설정기의 파라미터는 ①-ⓒ항임을 확인할 수 있다.

추가적으로 IP 스팀 PCV 제어를 위한 설정값이 최대값 선택기(Maximum Selector)에 의해 결정되고 나서, 이들 값이 시스템에 반영될 때, 부하 변동률(Load Ramp Rate) 설정 값에 따라 ①-ⓒ 구간에서 PI제어기 입력 값이 설정된다.

이때 Fig. 5에서와 같이 연소기 쿨링 스팀의 운전 마진을 확보하면서 IP PCV 닫힘 현상에 의한 스팀터빈 rotor torsional vibration을 줄이도록 Fig. 8에서와 같이 제어기의 설정값이 적용되는 속도(RI : Rate of Increase)를 늦추는 방향으로 0.86에서 0.65로 낮추었다. 즉, IP 스팀 압력 설정값의 제어기 최종적용 시점을 지연하여 지시값과의 차이를 줄이도록 조정하였다. 이때 운전시 주의할 사항은 시스템의 안정적 운영을 위해 Combustor shell pressure와 IP 스팀의 압력차이가 3barg 이상은 유지될수 있도록 모니터링 하는 것이 필요하다.

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Fig. 8.

PI control concept to apply steam pressure demand.

두 번째는 Fig. 7 ②-ⓐ항을 적용하여 IP 스팀 실제 압력 값을 상향조정하는 방안이다. 즉, 연소기 냉각을 위한 스팀유량을 줄이게 되면 압력손실이 줄어서 IP 스팀 PCV 제어를 위한 지시값이 상승하는 효과를 기대할 수 있다. 이 방법의 경우 연소기 라이너 냉각으로 사용되는 스팀(Steam)이 터빈 입구온도에 미치는 영향을 평가하는 작업이 선행되어야 한다. 이를 위해서는 터빈입구온도 예측을 위한 운전데이터 분석이 필수적이다. 이를 위해 Fig. 9과 같이 연소기로 공급되는 연료와 공기의 조건을 정의하고 계측하여 , 연소현상에 의한 연소 후 배기가스 조성을 분석하여 엔탈피 보존법칙(Enthalpy Conservation Rule)에 근거하여 터빈입구온도를 계산하는 방식을 검토하였다.

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Fig. 9.

Air and fuel flow rate and quality information to estimate the turbine inlet temperature (TIT).

실제 측정되는 변수는 연료의 공급 온도(Temp.), 압력(Pressure), 연소실 전단(압축기 후단) 공기압력 및 온도와 터빈 후단부의 연소후가스 온도와 유속, 스택(Stack)에서의 배기가스 조성 데이터가 전부이다. 그러나 터빈입구온도 계산을 위해서는 Fig. 9에서 정의된 압축기 추기 유량 5,6,7 개소의 정보가 Table 2에서 제시된 Annubar 형식의 유량계 설치를 통해 측정이 필요하다. 추가적으로 압축기에서 터빈부 냉각을 위해 추기되는 압축공기의 유량은 터빈 냉각용 공기 냉각장치(TCA Cooler : Turbine Cooling Air Cooler)를 열정산의 근거로 계산이 가능하다.

Table 2. Sensor information for flexible operation

Measurement System Availability & Limitation (Other considerations)
Flow meter
(Annubar)
Measuring the cooling air flow rate to estimate Turbine inlet
temperature. Annubar type flow meter is one of the options.
http://static.apub.kr/journalsite/sites/kosco/2020-025-01/N0590250107/images/kosco_25_01_07_T2-1.jpg Press. : ~ 180 bar
Temp. : -100 ~ 454°C
TIT
Calculator
(Pseudo Sensor)
Enthalpy conservation rule is proper method.
- Uncertainty of measuring the air flow rate and emissions need to be studied.
Gas Sensor
(High Temp. MEMs Sensor)
Installing gas analyzer at high temp. and pressure condition
near turbine outlet area to get the exact emission data continuously.
- Sensor accuracy need to be reviewed in advance.
Sensor for Erosion and Corrosion
(Direct Measure vs nondestructive testing)
Demonstration nondestructive method to check the
IP steam pipe soundness and life expectancy

발전소 제어 시스템에서 터빈입구온도는 가장 중요한 지표이지만 현실적으로 직접 측정이 어려운 지표이기도 하다. 현재 MHPS社 가스터빈에서는 터빈입구온도를 제어목적으로 사용하기 위해 air-gas 조건으로 polytropic constant를 1.26으로 하여 연소기 내부 압력(압축기 출구압력)과 터빈을 거쳐 나온 배기부 압력을 기준으로 터빈입구온도를 계산한 값을 사용 중이다.

터빈입구온도에 대한 예측은 팽창비(Expansion ratio), 터빈의 각단 효율, 그리고 연소 후 가스의 터빈입구영역에서의 비열(Specific heat)을 직접 측정할 수 없기 때문에 불확도를 정량화하기도 어렵다[8].

그래서 다양한 방법으로 터빈입구온도 측정 및 예측에 대한 선행연구가 수행되었다. 고가의 정밀도가 높은 장비라고 하더라도 가스터빈 최고온부를 측정하기에는 시스템이 제공할 수 있는 공간의 자유도가 너무 부족하여 설치가 어렵다.

1) GE의 경우 모델베이스로 부하/조건별 가상의 물리센서(Physical Sensor)에 기반하여 터빈입구온도를 예측한다[9].

2) Thermal paint를 이용하여 최고온도 값과 해당 영역정보를 얻는다[10].

3) 광/초음파 신호를 이용하여 온도를 계산한다[9].

4) 연료/공기의 공급량을 기준으로 연소효율을 배기가스 조성으로 환산하여 터빈입구온도를 Enthalpy conservation rule에 근거해 계산한다[11], [12].

1 ~ 3번 항목의 경우 제작사에서 물리모델의 부재, 시간에 따른 온도의 변화경향에 대한 정보 부재, 1500K이상의 고온에서의 측정 정확도 부재 등의 이유로 발전소 현장에서는 활용이 현재로서는 어렵다.

2.4. 추가연구를 위한 연구범위 제언

추후 연구주제로 Fig. 9의 정보에 포함된 계측값을 근거로 터빈입구온도를 불확도를 포함하여 계산할 수 있는 Pseudo 센서를 로직에 반영하고자 한다.

우선 전체 공기량은 압축기 전단과 배기가스 덕트부에서의 평균유속을 측정하여 계측한다. 그리고 압축기에서 추기되는 터빈 냉각용 공기의 유량은 열교환기의 Heat balance를 기준으로 계산하고, 압축기에서 바이패스 되어 케이싱으로 공급되는 고/중/저압의 압축공기의 유량은 애뉴바(Annubar) 형식의 유량계를 설치하여 직접 계측할 예정이다. 이후 연소효율 측정에 사용될 배기가스 분석은 HRSG로 이어지는 부분에서 측정하여 연산에 활용할 예정이다.

발전용 가스터빈에 있어 유연운전의 적용을 위한 다양한 방법이 제시될 수 있다. 운전조건 변경을 성공적으로 수행하기 위해서는 주어진 제어파라미터와 연계된 부분을 명확히 이해하고, 필요한 경우에 하드웨어를 변경하거나 센서를 설치하여 직접측정을 하거나 아니면 여러 가지 운전 데이터에 기반한 가상센서(Pseudo Sensor)를 정의하고 실시간으로 감시하는 절차가 필요하다. 이러한 센서 데이터는 대형가스터빈을 대상으로 적용된 Flexible Operation의 효용성을 극대화하기 위해 다양한 방법으로 설비의 수명을 보장하기 위해 활용이 가능하다.

3. 결 론

탄소중립 에너지 소비단계의 도달을 위해 재생에너지 사용에 대한 비중이 증대하고, 이로 인해 계통의 안정성 확보차원에서 기존 발전설비의 유연운전에 대한 요구가 급격히 증가하고 있다. 발전용 가스터빈에서 유연운전의 핵심성능은 빠른 부하추종성이다. 이를 위해 가스터빈과 스팀터빈 연계과정에서 부하추종 성능 차이 한계로 발생한 운전 불능상태를 하나의 케이스로 설정하여, 부하 추종성 향상을 위해 RCA를 통한 제어인자를 조정하여 해결하였다. 특히 이 과정에서 추가적으로 유연운전성능 개선을 위한 주요 지표로 터빈입구온도 예측 정확도의 필요성과 향상방법을 고찰하고, 향후 연구방향성도 제시하였다.

1)재생에너지 확대에 따른 계통안정성 확보를 위해 가스터빈발전소는 유연운전이 필요하며, 그 시작은 부하추종성 개선이다. 유연운전기술은 기동속도 향상, 부분부하 운전성능개선, 빠른 Ramp rate, 최대부하 향상, 연료다변화 방안들로 요약될 수 있다.

2)가스터빈과 스팀터빈의 동적특성이 상이하여 설계된 부하변동률을 벗어나는 경우 스팀터빈 계통의 유량제어(IP PCV 밸브 닫힘 등) 문제가 발생한다. 이는 IP PCV 밸브의 개도량 변경율을 재조정하고, 이로 인해 발생 가능한 연소기부분의 과열을 방지하기 위한 온도센서를 제안하였다.

3)스팀터빈의 유량제어의 기본은 스팀의 압력제어이다. IP 스팀의 유량부족을 보완하기 위한 두 번째 방법으로 연소기로의 스팀공급량을 최적화하기 위해 향후 터빈입구온도 모니터링 방법을 제안하였다. 이를 위해 추가적으로 설치가 필요한 계측기의 효용성과 한계를 제시하였다.

Acknowledgements

본 연구는 한국전력공사(주) 전력연구원과 발전 5개사(남동, 남부, 동서, 서부, 중부발전(주)) 및 한전 KPS(주)가 공동으로 연구개발 중인 “지능형 디지털 발전소 구현을 위한 발전소 맞춤형 플랫폼 및 앱 개발” 연구의 일환으로 수행되었습니다.

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