복합발전플랜트 - 연료주입계통 (Fuel Gas Supply System)
1. 복합발전이란?
복합발전은 가스터빈(Gas Turbine), 스팀터빈(Steam Turbine), 그리고 배열회수보일러(HRSG, Heat Recovery Steam Generator)의 조합으로 구성된 발전 플랜트를 의미합니다. 가스터빈에서 고온의 배기가스가 발생하면, 이 배기가스의 열을 이용하여 HRSG에서 증기를 생산하고, 이 증기로 스팀터빈을 구동하여 추가적인 전력을 생산하는 방식입니다. 이러한 조합을 통해 연료의 효율을 극대화하고, 환경적인 영향을 줄일 수 있습니다.
2. 연료주입계통이란?
연료주입계통(Fuel Gas Supply System)은 복합발전 플랜트의 핵심 설비 중 하나로, 주 연료인 천연가스(Natural Gas)를 가스터빈으로 안전하고 효율적으로 이송시켜주는 시스템입니다. 이 계통은 일반적으로 다음과 같은 주요 설비들로 구성됩니다.
- 주밸브 및 차단밸브 (Main Valve & Shut-off Valve): 연료 공급을 차단하거나 조절하는 역할을 수행합니다.
- 필터 (Filter): 연료 내의 불순물이나 이물질을 제거하여 가스터빈의 손상을 방지합니다.
- 유량계 (Flow Meter): 가스터빈으로 공급되는 연료의 양을 정확하게 측정합니다.
- 압력 조절 밸브 (Pressure Regulating Valve): 가스터빈이 요구하는 특정 압력으로 연료의 압력을 낮추거나 유지합니다.
- 안전 밸브 (Safety Valve): 계통 내 과압 발생 시 자동으로 압력을 방출하여 설비를 보호합니다.
- 배관 (Piping): 연료를 각 설비에서 가스터빈까지 안전하게 이송하는 통로 역할을 합니다.
3. 압축기 설비 유무에 따른 가격 경쟁력
가스터빈의 연료 인입 압력 요구 조건은 모델별로 상이합니다. 연료 공급원의 압력이 가스터빈이 요구하는 압력보다 낮을 경우에는 연료의 압력을 높여주는 압축기(Compressor) 설비가 연료주입계통에 추가적으로 필요하게 됩니다.
압축기 설비는 플랜트의 초기 투자 비용뿐만 아니라 유지보수 비용, 운전 비용 (전력 소비 등)을 증가시키는 요인이 됩니다. 따라서,
- 압축기 설비가 필요한 경우: 초기 투자 비용이 증가하게 되어 가격 경쟁력 확보에 불리할 수 있습니다.
- 압축기 설비가 필요 없는 경우: 초기 투자 비용을 절감할 수 있어 가격 경쟁력 확보에 유리합니다.
결론적으로, 복합발전 플랜트의 연료주입계통 설계 시 가스터빈의 인입 압력과 연료 공급원의 압력 조건을 면밀히 검토하여 압축기 설비의 필요성을 판단하는 것은 플랜트의 경제성과 직결되는 중요한 요소입니다. 압축기 설비 유무에 따라 전체 플랜트의 가격 경쟁력에 상당한 차이가 발생할 수 있습니다.
4. Filter Separator 설치 이유
연료 가스 내에는 다양한 형태의 불순물과 액체 성분(주로 수분 및 탄화수소 응축물)이 포함될 수 있습니다. 이러한 불순물과 액체 성분은 가스터빈의 운전 효율성을 저하시키고, 심각한 경우 부품의 손상 및 고장을 유발할 수 있습니다. 특히, 가스터빈의 고온/고압 환경과 정밀한 부품들은 작은 오염에도 민감하게 반응합니다.
Filter Separator는 이러한 문제점을 방지하기 위해 연료주입계통에 설치되는 필수적인 설비입니다. Filter Separator의 주요 역할은 다음과 같습니다.
- 고체 입자 제거: 연료 가스 중에 포함된 먼지, 녹, 스케일 등의 고체 입자를 필터링하여 제거합니다. 이는 가스터빈 노즐 막힘, 블레이드 손상, 연소 불안정 등을 예방하는 데 중요합니다.
- 액체 성분 분리: 연료 가스 중에 혼합된 액체 성분(물, 오일, 응축된 탄화수소 등)을 효과적으로 분리합니다. 액체 성분은 연소 효율을 저하시키고, 부식 및 침식을 유발할 수 있으며, 특히 물은 가스터빈 부품의 열 충격 및 손상의 원인이 될 수 있습니다.
Filter Separator는 일반적으로 필터링 기능과 액체 분리 기능을 동시에 수행하도록 설계되어 있으며, 여러 단계의 필터 요소와 분리 요소를 포함합니다. 이를 통해 가스터빈에 깨끗하고 건조한 연료 가스를 공급하여 안정적인 운전과 긴 수명을 보장하는 데 기여합니다.
5. Fuel Gas Heater를 두는 이유
연료 가스 히터(Fuel Gas Heater)는 연료주입계통에서 천연가스의 온도를 특정 수준으로 높여주는 설비입니다. Fuel Gas Heater를 설치하는 주요 이유는 다음과 같습니다.
- 액체 성분 응축 방지: 천연가스는 운송 및 저장 과정에서 온도 변화에 따라 수분이나 탄화수소 성분이 응축될 수 있습니다. 응축된 액체 성분은 가스터빈의 연료 노즐 막힘, 불완전 연소, 부품 손상 등을 유발할 수 있습니다. 연료 가스를 가열하여 온도를 높이면 이러한 액체 성분의 응축을 방지하고, 가스 상태로 유지하여 가스터빈에 안정적으로 공급할 수 있습니다.
- 연소 효율 향상: 연료 가스의 온도가 높을수록 연소 반응이 활발해져 연소 효율을 향상시킬 수 있습니다. 이는 연료 소비율 감소 및 배기가스 특성 개선에 긍정적인 영향을 미칩니다.
- 가스터빈 성능 최적화: 일부 가스터빈 모델은 특정 온도 범위의 연료 가스를 요구합니다. 연료 가스 히터를 통해 가스터빈이 요구하는 최적의 연료 온도 조건을 맞춰줌으로써 가스터빈의 성능과 안정성을 유지할 수 있습니다.
- 압력 조절 용이성 확보: 연료 가스의 온도가 낮으면 압력 조절 과정에서 액체 성분이 생성될 가능성이 높아집니다. 연료 가스를 가열하면 이러한 문제를 줄이고, 압력 조절 밸브의 원활한 작동을 돕습니다.
Fuel Gas Heater는 일반적으로 전기 히터, 스팀 히터, 또는 열매체유 히터 등 다양한 방식으로 연료 가스를 가열합니다. 플랜트의 설계 및 운전 조건, 연료 가스의 특성 등을 고려하여 가장 적합한 방식의 히터가 선정됩니다.