가스터빈발전기(Gas Turbine Generator)의 구조 및 특성

가스터빈발전기(Gas Turbine Generator)의 구조 및 특성

 

 

1. 가스터빈발전기의 개요

최근의 비상전원은 정전대비를 위한 비상전원으로서의 기능은 물론이고 안정적이고 양질의 전원을 요구되고 있다.

이러한 현대 건축물의 요구에 부응하기 위하여 비상전원용 발전기로 종전의 디젤 발전기보다 소음, 진동이 작고 경량이며 양질의 전원특성 등 장점이 많아 수요가 증가될 것으로 판단된다.

 

2. 가스터빈의 구조

압축기,연소기,터빈 등을 기본 구성요소로 하고 있다.

<  가스터빈의 구조 >

 

< 가스터빈 계통도 >

 

1) 압축기

외부에서 인입되는 공기를 가압하여 보내는 장치로서 스크루의 날개 구조로서 고속회전에 견딘다.

2) 연소기

압축기에서 가압된 흡입공기를 연료를 분사시켜 고온,고압으로 가열된 기체를 생성하는 장치.

3) 터빈

고온,고압으로 가열된 기체를 팽창시켜 회전력으로 변환시키는 장치로서 노즐은 티타늄, 알루미늄, 니켈 등의 합금으로 열팽창과 마모율이 적은 것이어야 한다.

 

3. 가스터빈의 특성

1) 연소사이클

흡입, 압축, 연소, 팽창, 배기의 연속회전으로 연소효율이 높고 진동을 경감할 수 있다.

2) 고온,고압의 배기가스 배출

고온, 고압의 배기가스가 배출되므로 효율이 저하되므로 배기가스를 활용도가 가스터빈 설계의 주요사항이 된다.

3) 저 체적 및 경량

경량의 고금속재로 이루어져 구조가 간단하고 중량은 디젤 엔진의 체적 1/1.5~2배, 중량 1/3배 정도이다.

4) 디젤엔진과 가스터빈엔진 특성비교

 

4. 가스터빈발전기 기종 선택시 고려사항

1) 비상전원의 의존도가 높고 양질의 전원이 요구되는 전원

· 정전사고시에도 양질의 전원이 요구되는 부하설비(병원 등)

· 단일 샤프트의 경우에는 전부하를 기동과 동시에 투입할 수 있다.

· 부품 수가 적어 고장발생률이 낮아 기동실패의 확률이 적다.

2) 건축물을 Modernization화 할 경우

· 건축물의 개,보수시 부하증설로 인한 디젤발전기의 교체가 필요하나 교체가 불가능한 경우

· 저진동, 저소음으로 냉각수가 불필요하므로 설치장소에 대한 선택의 폭이 넓다(옥상설치 등)

3) 냉각수확보가 어렵고 진동방지용 별도기초가 어려운 건축물

고산지대의 특수설비용 비상전원 등에 적합

4) 열병합 발전시스템이나 피크 컷 겸용설비

· 장시간 운전과 상시열원이 필요한 경우

· 배기가스가 고온,고압이 되므로 폐열을 회수하여 활용

(가스터빈 발전설비에서 가장 중요한 분야임)

· 하절기 등에 장시간 피크전력을 제한할 필요가 있는 경우.

5) 기타

· 환경오염이 적다.

· 연료선택의 범위가 넓다.

· 구동부(왕복운동)가 없기 때문에 구조가 간단하나 고가이다.

· 대기압 대기온도에 의한 출력저하가 크다.

· 기기 중량에 대해 1.1~1.2배의 기초 콘크리트 하중으로 가능하므로 간이식으로도 가능하다.

· 대부분 흡기소음이고 고주파 음이 주이기 때문에 비교적 음의 흡수가 용이하다.

 

5. 가스터빈발전기 설치시 검토사항

1) 급기대책

연소를 위한 공기와 냉각을 위한 공기가 필요하며 연소를 위한 공기는 급기온도에 따라 발전기 출력감소와 엔진내 Blade 수명에도 중대한 영향을 미치므로 철저한 검토가 필요하다. (Dry-Area, Pit 설치)

1-1) 급기량 계산방식

발전기설비에 필요공기량VT = V₁+V₂+V₃(기준온도40℃)

V₁: 연소에 필요한 공기량(㎥/mim)

V₂: 오일쿨러냉각에 필요한 공기량(㎥/mim)

V₃: 발전기 냉각에 필요한 공기량(㎥/mim)

2) 배기대책

연소배기와 엔진몸체 냉각배기로 구분되며 특히 연도단열 대책에 실패하면 건축구조물의 하자발생 등으로 발전기 가동 자체를 불가능하게 될 우려가 있으므로 특히 주의하여야 한다.

2-1) 연도의 크기

연도의 크기는 배기량을 저항없이 무난히 처리할 수 있는 크기가 확보되어야 하므로 Back Pressure가 허용치(300mmAq) 이하가 되어야 하고 허용치를 초과할 경우 엔진출력의 감소를 초래한다.

직선닥트저항값 + 연도부분저항값 + 기타저항값 (벤딩,Reducer, Extention등)

3) 배기 단열 대책

연소후 배출되는 배기는 약 400~600℃의 고온고압으로 연도크기 및 단열에 유의하여야 한다.

3-1) 내화벽돌 처리방법

옹벽+단열+내화벽돌로 처리하는 방법으로 장시간 운전의 경우에는 연도 내부의 잠열로 단열효과가 상실되고 연도열이 외부벽으로 그재로 전달되어 옹벽의 균열, 가스 누기 현상을 초래하므로 장시간 운전용 발전설비의 연도로서는 부적당하다.

3-2) AS파이프 형식

연도파이프가 2개의 공기 단열 층을 이루어 내부유속에 의해 온도상승을 막아 주므로 가스터빈 발전기의 연도용 공법으로 사용되고 있으며, 특히 잠열에 주의하여야 한다.

(국내의 경우 금성 트윈빌딩에 적용되었다.)

3-3) 배기단열 시공계획 수립시에는 열의 전달여부를 계산하여 확인한다.

4) 기초

기기 중량을 받칠 수 있는 정도의 기초로서 기초 콘크리트의 중량은 기기중량의 1.1~1.2배의 하중으로 만족.

 

6. 증기 소비량

발전기에서 1㎾의 절력을 발생하기 위해 터빈에 필요한 증기량

· W = M/P(㎏/㎾h)

· W : 증기소비량(㎏/㎾h)

· M : 증기량 (㎏/h)

· P : 발전기 출력(㎾)

 

7. 터빈의 보호장치

1) 과속도 긴급차단 장치

발전기와 같이 터빈의 회전속도의 급격한 속도상승에 의한 큰 사고를 방지하기 위해서 비상조속기가 설치되어 있다.

회전속도가 정격의 10±1%를 초과하면 동작하고, 터빈에 흐르는 증기의 공급을 차단시켜 터빈을 정지시킨다.

2) 진공저하 차단장치

냉각수 펌프의 고장 등으로 복수기의 진공이 이상으로 저하하면 터빈 저압부의 온도가 상승하고 열팽창으로 날개간의 접촉으로 대형사고가 되므로 터빈을 정지시킨다.

3) 이상 진동 트립장치

터빈과 발전기의 각 軸受의 유압이 이상으로 낮아진 경우 터빈을 우선 정지 시킨다.

4) 트러스트 마모 트립장치

터빈의 트러스트 축수의 마모등으로 터빈로터의 위치가 이상 변위 할 때에 동작하여 터빈을 트립 시킨다.

5) 이상 진동트립장치

터빈 축수의 이상편심, 케이싱의 신축, 터빈축과 축수 진동을 검출하여 과대한 진동에 의한 動翼 과 淨翼의 접촉과 축수의 손상을 방지하기 위하여 진동의 변화율과 변화폭이 제한 치을 초과하면 동작하고 터빙을 트립 시킨다.

6) 배기온도 상승 트립장치

저압 배기실 온도가 이상으로 상승하면, 저압 車室의 열변형이 발생하므로 즉시 터빈을 정지 시킨다.