복합발전

왜 배우는가: 복합발전은 가스터빈과 증기터빈을 결합해 열효율을 크게 높이는 발전방식으로, 발전소 계획과 운영의 기본이다. 단순화력과 비교하는 문항이 여러 회차에 반복해서 출제되므로 개념과 구성을 정확히 정리해 두어야 한다.

출제 이력: 제139회 3교시 5번, 제137회 3교시 1번, 제133회 1교시 4번, 제104회 2교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

복합발전은 가스터빈의 배기가스 열을 배열회수보일러(HRSG)로 회수해 증기터빈을 구동하는 발전방식이다.

• 복합발전
• 배열회수보일러(HRSG)
• 브레이턴 사이클
• 랭킨 사이클
• topping cycle(상단 사이클)
• bottoming cycle(하단 사이클)
• 단축형(single-shaft)
• 다축형(multi-shaft)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 가스터빈이 쓰고 버리는 뜨거운 배기가스를 한 번 더 써서 물을 끓이고 증기터빈을 돌리는 방식이다. 두 번 발전하므로 같은 연료로 더 많은 전기를 얻는다.

정식으로는 서로 다른 두 열기관 사이클을 직렬로 결합한 발전 방식이다. 고온 측에서는 브레이턴(Brayton) 사이클인 가스터빈 사이클이 일을 하고, 저온 측에서는 랭킨(Rankine) 사이클인 증기 사이클이 나머지 열을 받아 일을 한다. 고온 측 사이클을 topping cycle, 저온 측 사이클을 bottoming cycle이라 부른다.

배열회수보일러(HRSG) 는 가스터빈 배기가스를 열원으로 하여 급수를 예열하고 증발시키며 과열증기를 만드는 열교환기이다. 증기를 만드는 보일러이지만 연소로 열을 얻는 것이 아니라 배기가스 현열을 얻는다는 점이 일반 보일러와 다르다.

단축형은 가스터빈, 증기터빈, 발전기를 한 축으로 연결하는 구성이다. 구조가 단순하고 설치면적이 작으나 한쪽 기기 정지가 전체에 영향을 준다. 다축형은 가스터빈과 증기터빈을 각각 발전기에 연결하는 구성으로, 운전 유연성이 높다.

3. 등장 배경과 필요성

기력발전(증기 사이클 단독)은 연료의 열을 물을 끓이는 과정에서 한 번, 증기를 터빈에서 팽창시키는 과정에서 또 한 번 손실이 생긴다. 그 결과 발전효율 향상에 한계가 있었다.

가스터빈은 연소가스 온도가 높아 고온 배기가스를 배출하는데, 이 열을 버리면 연료 에너지의 상당 부분이 낭비된다. 이를 회수해 증기터빈을 돌리면 같은 연료로 추가 전력을 얻을 수 있다. 그래서 가스터빈과 증기터빈을 결합한 복합발전이 개발되었다.

국내에서는 LNG 발전에 주로 적용된다. 복합발전은 단순 가스터빈 발전보다 효율이 높고, 기동 시간이 짧으며, 석탄화력에 비해 탄소배출이 적어 화력발전의 중심 방식으로 자리 잡았다.

• 열효율 향상: 배기가스 열을 전력으로 회수하여 연료 이용률을 높인다.
• 운전 유연성: 가스터빈은 기동이 빨라 부하 변동 대응에 유리하다.
• 환경성: 같은 전력량당 연료 사용량과 배출량이 줄어든다.
• 설비 활용: 기존 가스터빈 설비에 배열회수 설비를 추가해 증설할 수 있다.