석탄가스 연소시 GE 7FA 가스터빈 성능분석

서석빈, 김재성

전력연구원

Performance analysis of the GE 7FA gas turbine using coal gas

Seok-bin Seo,Jae-Sung Kim

Korea Electric Power Research Institute

서 론

천연가스 연소용 가스터빈에 저열량의 석탄가스를 연소할 때의 가스터빈 성능을 분석하기위해  GateCycle 코드를 이용하여 GE 7FA 가스터빈모델을 구축하고 천연가스 및 석탄가스 연소시의 성능비교를 수행하였다.

기본 이론

단일축, 고정회전수를 갖는 가스터빈의 탈설계점 성능해석은 팽창기 입구 유량이 choke된다는 가정에서 출발한다. 이상기체의 choke된 유량에 대한 관계식은 다음의 식 (1)과 같다.

[eqn: Constant = ( {m SQRT { T} } over { kappa AP })] nozzle inlet            (1)

P : expander inlet pressure

T : expander inlet temperature

A* : critical area

□: constant

산소 사용 석탄가스화기로 부터 생산된 석탄가스의 발열량은 대략 체적 기준으로 천연가스의 약 1/4 수준이다. 또한 석탄가스는 화염온도와 NOx 배출량을 낮추기 위하여 희석제를 사용함으로서 발열량이 더욱 감소한다. 형상의 큰 변화없이 NG 설계용 가스터빈에 열량이 낮은 이 석탄가스를 연소할 경우 같은연소온도를 유지하기 위해 더 많은 연료가 연소기로 들어가며, 그 결과로 보다 많은 유량이 터빈 팽창기를 흘러가게 된다. 따라서 식 (1)을 만족하기 위해 증가되는 유량에 맞춰 임계면적이 증가되거나 압축비가 증가되어야한다(온도 T와 □의 변화는 무시). 임계면적의 증가는 천연가스와 석탄가스의 2중 연료운전을 위해 바람직하지 못하다. 따라서 압축기 압축비가 증가되거나 압축기 유량을 감소시켜야한다.

가스터빈 모델링

가스터빈 대상모델은 GE 7FA이며 석탄가스 조성 및 경계조건은 Texaco/GE IGCC 시스템을 적용하였으며, GateCycle 프로그램을 이용하여 수행하였다.

ㅇ 설계점 모델

GateCycle 가스터빈 모델링에서 처음 절차는 천연가스연소시 배기가스유량, 온도, 열소비율, 출력등 중요한 외부적 특성을 일치시키는 것이다. 압축기 map을 작성한 후, 터빈단 효율, 터빈 냉각기술, 연소기 압력감소등의 인자들을 사용하여 상기의 특성들과 일치시켰다.

GateCycle은 탈설계점 압축비와 압축기 단열효율을 계산할 때, 압축기 map을 읽으며 여기서는 EPRI/Allison map을 사용하였다. Figure 1은 GateCycle을 이용하여 압축기, 연소기, 팽창기등으로 구성된 GE 7FA의 Block flow diagram이다.

Figure 1 Block flow diagram of GE 7FA gas turbine

시뮬레이션 결과분석

대기온도 15℃ 및 설계점에서의 시뮬레이션 결과와 reference 데이타1),2)를 table 1에 나타내었다.

table 1  Comparion of simulation result and reference data

항목	단위	천연가스		석탄가스		비 고
		설계	모델	참고	모델
출력	Mw	161.1	163.2	207.2	212.5	발전단 출력
효율	%	36.9	37.2	41.9	42.9	저위발열량기준
연료사용량	Kg/sec	8.8	8.9	48.6	48.3
발열량	kCal/kg	11786	11786	2449	2449
압축비	-	13.5	13.5	-	15.9
공기추출량	Kg/sec	-	-	21	21	압축기출구에서 추출
N2회수량	Kg/sec	-	-	70	70

시뮬레이션 결과는 참고자료 대비 최대오차율이 2.6%이내이며 이 오차는 압축기 map  오차와 석탄가스 연소시 가스터빈 압축기의 공기추출위치 부정확성에 의한 오차이며 제작자의 일반적인 마진 2∼3%를 고려할 때 이들 결과는 받아들일 수 있다.

개발된 모델에서 천연가스 및 석탄가스의 연료발열량 및 온도, 공기추출율에 대한 민감도 분석을 수행하였으며 공기추출율,발열량에 따른 압축기 운전점을  Figure 2에 나타내었다.

압축기 운전값은 연료 발열량, 압축기 추기량이 감소함에 따라, 압축기 출구

압력이 상승되어 Figure 2의 compressor map상에서 서지라인쪽으로 이동하게 된

Figure 2 Opering points of compressor according to air extraction and LHV

다. GE 7FA 가스터빈에서 석탄가스 연소시 일정 연소온도에서 가스터빈 제작자가 보증하는 일반적인 서지마진 10%이상(CMV:0.9 이하)에서 운전하기 위한 가스터빈의 운전한계점은 연료 발열량 2400kCal/Kg이상, 공기추출량 20Kg/sec 이상이다.

Figure 3 및 4는 연료온도 변화에 따른 가스터빈 성능변화를 보여주고 있다.     이들 그림에서 천연가스는 연료온도 400℃변화에 따라 연료량이 약 4% 변화되는데 비해 석탄가스는 약 8%가 변화되어 천연가스에 비해 상대적으로 온도에 민감하다는 것을 알 수 있다. 이 연료온도에 대한 민감성은 Clean syngas의 가열계통 설계시 고려되어야 할 것이다.

Figure 3  Gas turbine performance versus fuel gas temperature(Natural gas)

Figure 4 Gas turbine performance versus fuel gas temperature(Coal gas)

결 론

이 연구에서 GE 7FA가스터빈에 대해 천연가스 연소시 설계점 모델을 개발하였고 이 모델을 이용하여 석탄가스 연소시 가스터빈 성능을 분석하였다. 그 결과를 요약하면 다음과 같다.

ㅇ석탄가스연소시 팽창기입구의 유량이 증가되고 이로 인해 압축기의 압축비를 증가시켜 가스터빈 운전점이 서지라인쪽으로 이동하게되어 서지마진을 감소시킨다.

ㅇ 서지마진을 고려한 이 GE 7FA 가스터빈에서의 석탄가스 연소시의 운전한계점은  연료 발열량 2400kCal/Kg이상, 공기추출량 20Kg/sec 이상이다.

ㅇ 석탄가스온도는 천연가스온도보다 가스터빈 성능에 더 민감하다. 따라서, IGCC 플랜트 시스템 설계시 Clean syngas의 가열계통 설계시 높은 온도유지를 고려할 필요가 있다.

참고문헌

1. Bechtel Co. "Phase I Study IGCC Process Evaluation for Korea Electric Power Corporation Research Center"

2. Genral Electric "Contract of Seoinchon power plant 3,4 block "

3. P.J Dechamps,P.J.Croix,Ph.Mathieu,P.Pilidis □Influences of syngas properties on the performances of aero-derivative and industrial gas turbine" IGTI-vol.8,ASME COGEN-TURBO(1993)

4. Carl A.Carl A. Palmer and Michael R. Erbes "Simulation Methods Used To Analyze The Performance Of The GE PG6541B Gas Turbine Utilizing Low Heating Value Fuels" IGTI-Vol.9,ASME COGEN-TURBO(1994)

5. Mark S. Johnson "The Effects Of Gas Turbine Characteristics on Integrated Gasification Combined-Cycle Power Plant Performance" Ph.D. Stanford university (1989)

6. Enter Software, Inc. "GateCycle user's guide"