IGCC에서 가스터빈과 ASU 연계시의 적정 공기추출량 연구

서석빈, 조상기

전력연구원

Study on the Air Extraction Flow for Integration of Gas turbine and  Air Separation Unit in the IGCC

Suk-Bin Seo, Sang-Kie Cho

Korea Electic Power Research Institute

서 론

IGCC(Integrated Gasification Combined Cycle) 플랜트의 가스터빈은 기존 천연가스연료보다 발열량이 적은 syngas가 공급된다. 이에 따른 가스터빈 팽창기 유량 증가는 가스터빈의 기계적 제한을 가져오게 된다. 이점을 해결하고 IGCC 시스템 전체 성능개선과 투자비 절감을 위해 가스터빈과 공기분리설비(ASU)간의 연계방법이 연구되어왔다. 본문에서는 가스터빈과 ASU간의 연계를 위한 가스터빈 압축기의 공기추출시 고려사항을 검토하고, 공기추출에 따른 순 출력(net power), 순효율(net efficiency)변화를 계산하여 적정 공기추출율을 산정하였다.

이 론

가스터빈과 ASU간의 연계의 개념은 그림 1과 같다. 가스터빈 압축기로부터 추출된 압축공기는 ASU로 공급되며, ASU의 공기압축기는 가스화기로 공급하는 산소를 생산하기 위해 요구되는 공기량을 보충하게 된다. 분리된 잉여질소는 회수되어 가스터빈 연소기에 주입되어 NOx제어를 위한 희석제로서 사용된다.

가스터빈 압축기출구로부터의 공기추출은 IGCC와 같이 저열량의 가스를 연료로 사용하는 데 따른 가스터빈의 압축비 상승과 이로 인한 가스터빈 서지(surge)문제를 완화시키며, 추출된 공기의 보유열은 적절한 열교환망을 사용하여 회수할 수 있다.

공기추출량을 결정하는 주요 파라메타는 가스터빈 서지마진(surge margin), 가스터빈 축 토크(shaft torque)에 의한 출력제한, 공기추출에 따른 가스터빈 출력과 ASU 주 공기압축기 소요동력을 고려한 순출력(net power), 순효율(net efficiency) 이다.

1. 가스터빈 서지마진1)

저열량 가스연소에 대한 가스터빈 서지마진에 대한 자세한 분석이 참고문헌[1]에 기술되어있다. 이 서지마진을 해결하기 위해서 첫째, 압축기 입구 가이드베인을 조절하는 방법, 둘째, 연소온도를 낮추는 방법, 셋째, 압축기출구에서의 공기추출, 넷째, 팽창기 입구 노즐면적을 증대시키는 방법이 있으며 실제적으로 상용가스터빈에 적용하는 방법은 이들을 조합하는 방법을 사용하고 있다.

2. 가스터빈 출력제한

공기추출율이 감소하면 가스터빈의 출력은 증가한다. 그러나, 가스터빈 축의 기계적인 스트레스 제한 때문에 최대출력은 제한을 받게된다. 이 출력 이상이 되면 가스터빈 압축기입구 가이드베인과 연료는 throttling을 시작한다.

3. 순 출력 및 순 효율

가스터빈으로부터 추출된 압축공기는 ASU로 공급되어 ASU 주 공기압축기의 동력을 감소시키며, 설비용량 축소를 가능하게 함으로써 건설비용을 감소시킨다. 그러나, 추출공기량을 적정량 이상으로 증가시키게 되면 가스터빈의 출력이 감소하게되고 이 감소분은 ASU 주 공기압축기 동력감소분보다 많게 되어 순 출력과 효율이 감소하게 된다. 따라서 이를 고려한 적정 공기추출 검토가 필요하다.

최적 공기추출점 결정

위의 검토사항을 고려하여 적정 공기추출점을 결정하기 위해 가스터빈과 공기분리설비의 공기압축기에 대해 상용 프로그램인 GateCycle code를 이용하여 모델링을 하고 추출량에 따른 순 출력과 순 효율을 시뮬레이션을 하였다.

1. 설계조건

ㅇ 가스터빈은 General Electric사의 GE 7FA 터빈을 사용하였으며, syngas         조성은 다음과 같다2).

조 성	CO	H2	CO2	H2O	기타	LHV(kCal/Kg)
석탄가스	47.8	31.7	10.5	8.3	1.7	2450

ㅇ 가스터빈 출력은 기계적 제한 때문에 최대 출력이 207Mw로 제한된다. 모        든 case에 대해 연소온도는 동일하며, 희석제(N2)와 연료의 비는 NOx제어        를 위해 일정하다.

ㅇ 공기분리설비의 공기압축기 효율은 일정하다고 가정한다.

2. 모델구성

가스터빈 모델은 NG용 가스터빈 데이타(GE 7FA 모델)를 이용하여 압축기 모델을 구성하고 팽창기와 연소기 모델은 NG용 가스터빈을 석탄가스연소를 위해 연소온도와 팽창기 입구노즐면적을 변형하였다. 가스터빈 압축기 성능을 예측하기 위한 압축기 map은 Allison/EPRI map4)을 사용하였다. 가스터빈 압축기에서 추출된 공기가 공기분리설비의 주 공기압축기출구로 합쳐지며, ASU 공기압축기는 가스터빈에서 요구하는 질소량에 맞추어 보충공기를 공급하도록 구성하였다. 이 모델들은 상용프로그램인 GateCycle code를 이용하여 모델링하였으며 구성도는 그림 2와 같다.

3. 시뮬레이션 결과 및 고찰

시뮬레이션 결과 그림 3과 같이 순 출력 및 효율은 공기추출량이 25□/s(ASU 총 공기요구량의 28%)에서 최대가 된다는 것을  알 수 있다. 이 값보다 공기추출이 적어지면, 가스터빈은 기계적 제약 때문에 일정한 출력을 유지하는 반면, ASU 주 공기압축기 동력은 증가하게되어 순 출력과 효율이 감소하게 된다. 이 값보다 많이 공기추출을 하면 가스터빈의 출력이 감소되어 이 감소분이 ASU 주 공기압축기가 얻는 동력 감소분을 초과함에 따라 순 출력과 효율을 감소시킨다.

결 론

가스터빈과 ASU 간의 연계시 가스터빈 압축기 추출을 위한 고려사항을 검토하고, 이를 토대로 가스터빈과 ASU 주 공기압축기를 GateCycle code로 모델링하여 시뮬레이션 한 결과, 설계조건에서 GE 7FA 가스터빈의 압축기 적정 공기추출량은 25 Kg/h임을 알 수 있었다.

추후로 연료조성과 NOx 제어 및 시스템 열교환망 등을 함께 고려한 최적의 공기추출량을 산정하여 상용급 IGCC 플랜트 설계에 적용할 예정이다.

참고 문헌

1. □The effects of gas turbine characteristics on IGCC power plant perfor-

mance□, Mark S. Johnson

2. □300Mw 급 IGCC 기술성 및 경제성분석□, KEPRI

3. □Advanced air seperation for  coal gasification combined cycle power           plants□, EPRI AP-5340, Union Carbide corporation

4. □GateCycle user manual□, Enter Co.

5. "Cost-effective oxygen for GCC-matching the design to project", J.C. Sore-

nsen, A.R Smith

6. "Integration of oxygen plants and gas turbines in IGCC facilities", Arthur      R. Smith, James C. Sorensen, Donald W. Woodward

7. □석탄가스화 복합발전플랜트 가스터빈 압축기와 공기분리장치 간의 최적 연계     설계를 위한 매개변수연구□, 이찬, 김형택

Coal

O2         Gasification  Syngas

N2

ASU

HX

Gas Turbine

Air                        Extraction Air

Fig. 1   Air Integration Block diagram

Fig. 2   Gas Turbine-ASU Integration Model(GateCycle code)

Fig. 3    Air Extraction Flow vs. Net Power, Net Efficiency