복합발전 종류·특징

왜 배우는가: 복합발전은 가스터빈과 증기터빈을 결합해 열효율을 크게 높이는 대표 발전방식이라 실무에서 신규 건설과 설비 선정의 핵심 대상이다. 종류(단축·다축, 배열회수방식 등)와 특징을 비교하는 문제가 여러 회차에 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제138회 4교시 1번, 제132회 4교시 3번, 제123회 1교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

복합발전은 가스터빈 사이클의 배기가스 폐열을 회수해 증기 랭킨 사이클을 추가로 돌려 전기를 생산하는 발전방식이다.

• 복합발전(Combined Cycle)
• 배열회수보일러(HRSG, Heat Recovery Steam Generator)
• 가스터빈 사이클(Brayton Cycle)
• 증기 랭킨 사이클(Rankine Cycle)
• 단축형·다축형(Single-shaft, Multi-shaft)
• 열병합 복합발전(CHP, Combined Heat and Power)
• 열효율(Thermal Efficiency, 저위발열량 기준)

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 연료를 한 번 태워 얻은 열을 두 번 쓰는 발전이다. 가스터빈에서 전기를 만들고 남은 고온 배기가스(약 500~600℃ 수준)로 물을 끓여 증기터빈을 한 번 더 돌린다.

정식으로는 둘 이상의 열기관 사이클을 직렬로 결합해 하나의 열원에서 기계에너지를 얻는 발전방식이다. 상위 사이클(Topping Cycle)은 가스터빈 브레이턴 사이클이고, 하위 사이클(Bottoming Cycle)은 보통 증기 랭킨 사이클이다. 두 사이클이 열교환기로 연결되어 서로 다른 작동유체를 쓴다.

핵심 용어는 다음과 같다.

배열회수보일러(HRSG)는 가스터빈 배기가스의 열로 물을 증기로 바꾸는 열교환 설비다. 배기가스 온도가 낮아 전열은 주로 대류로 이루어지므로 전열면적이 크다.

하위 사이클(Bottoming Cycle)은 상위 사이클에서 버려지는 열을 받아 일을 하는 사이클이다. 증기 랭킨 사이클이 가장 많이 쓰인다.

상위 사이클(Topping Cycle)은 연료의 대부분을 받아 주된 출력을 내는 사이클이다. 가스터빈이 여기에 해당한다.

복합발전의 효율은 단순 가스터빈보다 높다. 단순 가스터빈 열효율이 약 35~40% 수준인 데 비해, 복합발전은 저위발열량 기준으로 단순 가스터빈보다 높은 효율을 낸다. 일반적으로 증기터빈 출력이 전체 출력의 약 1/3 정도를 차지한다.

3. 등장 배경과 필요성

단순 사이클 발전은 고온 배기가스를 대기로 그대로 버리기 때문에 열손실이 크다. 연료비가 발전원가의 큰 비중을 차지하는 상황에서 같은 연료로 더 많은 전기를 얻을 필요가 생겼다.

가스터빈 기술이 발전하면서 터빈 입구온도가 높아졌고, 배기가스 온도도 함께 높아졌다. 이 열을 증기 사이클로 회수하는 구성이 현실적인 방법이 되었다. 가스터빈 자체는 시동과 부하 변동 대응이 빨라 첨두·중간부하에 유리하다는 장점도 있다.

환경 측면에서도 복합발전은 같은 전력을 적은 연료로 생산하므로 단위 전력당 이산화탄소 배출량을 줄인다. 이 때문에 석탄화력의 대체 전원으로 LNG 복합발전이 많이 건설되었다. 열병합 방식으로 지역난방 열을 함께 공급하면 종합 이용효율이 더 올라간다.

따라서 복합발전은 고효율·저공해·신속 기동이라는 세 요구를 동시에 만족시키는 방식으로 자리 잡았다.

4. 구성요소·원리·절차

복합발전은 가스터빈 사이클(Brayton cycle)을 상부 사이클(topping cycle)로 하고, 가스터빈 배기가스의 잔열을 배열회수보일러(HRSG, Heat Recovery Steam Generator)에서 회수해 증기 터빈 사이클(랭킨사이클, Rankine cycle)을 돌리는 하부 사이클(bottoming cycle)을 결합한 방식이다. 두 사이클이 같은 열원에서 연속으로 일을 하므로 단일 사이클보다 열효율이 높다.

구성요소는 다음과 같다.

가스터빈 단독으로는 단순 사이클 효율이 낮아서, 증기터빈 출력이 복합발전 전체 출력의 약 절반을 차지한다고 알려져 있다. 이 때문에 배열회수 장치의 설계가 복합발전 효율을 좌우한다.

배열회수보일러의 원리는 다음과 같다. 고온 배기가스가 HRSG 내부 전열관을 지나면서 물을 가열해 포화증기를 만들고, 과열기(superheater)에서 그 증기를 포화온도 이상으로 올린다. 배기가스 유속은 압력손실을 줄이려고 제한되므로 열전달계수가 낮고, 그래서 전열면적을 크게 잡는다.

복합발전의 작동 절차는 다음과 같다.

• 공기를 압축기에서 압축하고 연료와 함께 연소기에서 연소시킨다.
• 고온 연소가스로 가스터빈을 구동해 1차 전력을 생산한다.
• 가스터빈 배기가스(약 500℃ 이상의 고온)를 HRSG로 보낸다.
• HRSG에서 급수를 가열·증발·과열시켜 고압 증기를 만든다.
• 증기를 증기터빈으로 보내 2차 전력을 생산한다.
• 증기터빈 배기는 복수기에서 응축해 급수로 되돌린다.

열효율은 두 사이클의 효율을 합치는 방식으로 이해한다. 상부 사이클 효율을 η₁, 하부 사이클이 상부에서 버려지는 열을 받아 얻는 효율을 η₂라고 하면, 전체 효율은 다음과 같이 쓴다.

$\eta_{total} = \eta_1 + \eta_2(1-\eta_1)$

여기서 η_total은 복합사이클 전체 열효율, η₁은 가스터빈 사이클 열효율, η₂는 증기 사이클이 상부 배열에서 회수하는 열의 효율을 뜻한다. 이 식은 η₁이 클수록, η₂가 클수록 전체 효율이 커진다는 원리를 보여준다.

가스터빈 배기열을 HRSG로 회수해 증기사이클을 추가로 돌리는 것이 복합발전 효율 향상의 원리다.

핵심어: 상부 사이클, 하부 사이클, 배열회수보일러(HRSG).


5. 관련 법령·기준·표준

복합발전은 전력시장 운영과 발전설비 기준에 따라 관리되며, 발전 설비에 직접 적용되는 법령은 「전기사업법」이다. 배열회수보일러는 압력 설비로서 「산업안전보건법」과 「고압가스 안전관리법」 등의 관리 대상이 될 수 있다. 다만 조문 번호와 세부 기준값은 이 절에서 확인된 범위 밖이므로 기준 이름만 제시한다.

효율 수치는 LHV(저위발열량) 기준이므로 HHV 기준 값과 비교하지 않는다.

해외 기준 비교는 개념 차이만 정리한다. 미국과 유럽의 HRSG 설계 기준은 열전달 설계와 압력부 규격에 차이가 있으나, 세부 조항은 이 절에서 다루지 않는다.

6. 유형과 비교

복합발전은 가스터빈과 증기터빈의 결합 방식에 따라 나뉜다. 가장 흔한 구분은 단축형(single-shaft)과 다축형(multi-shaft)이며, 배열회수 방식(HRSG)은 압력 단수에 따라 단압형, 이압형, 삼압형으로 나뉜다.