KR101880673B1

KR101880673B1 - 브라운가스를 이용한 가스터빈 동력상승 방법 및 시스템

Info

Publication number: KR101880673B1
Application number: KR1020170087047A
Authority: KR
Inventors: 현장수; 장동순; 김동섭; 김태규; 김태우
Original assignee: 주식회사 이앤이; 주식회사 수소테크놀로지; 장동순; 김태규; 김동섭
Priority date: 2017-07-10
Filing date: 2017-07-10
Publication date: 2018-07-23
Anticipated expiration: 2037-07-10

Abstract

본 발명은 브라운가스를 이용한 가스터빈 동력상승 방법 및 시스템에 관한 것으로, 브라운가스는 수소와 산소가 이미 균질혼합되어 있고, LNG보다 매우 넓은 가연 영역(flammability)과 빠른 화염전파속도를 가지며, 온도상승 능력이 탁월하기에 LNG의 사용량을 줄이고 사용량을 줄인 LNG를 소량의 브라운가스와 혼합 연소시켜 LNG가 0.001초 이내에 대부분 연소가 이루어지도록 하여 실질적인 동력전환효율을 높인다.
상기한 본 발명은 LNG의 사용량을 줄이고 사용량을 줄인 LNG를 브라운가스로 대체하여 가스터빈의 동력을 상승시키고, 또한 이산화탄소 발생량은 저감시켜 고효율 청정 가스터빈을 운영할 수 있다.

Description

브라운가스를 이용한 가스터빈 동력상승 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR RAISING GAS TURBINE POWER BY BROWN GAS}

본 발명은 브라운가스를 이용한 가스터빈 동력상승 방법 및 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 LNG 발전에서 전력생산단가와 환경오염물질을 낮추고 안정성을 높일 수 있는 브라운가스를 이용한 가스터빈 동력상승 방법 및 시스템에 관한 것이다.

석탄화력발전은 우리나라 전력 생산의 40중량% 이상의 비중을 차지하고 있다.

석탄화력발전소는 입지 조건의 제약이 거의 없어 대규모 소비지에 건설할 수 있어 송전 비용이 적은 편이며, 발전소 건설 비용이 저렴하고, 수요에 따라 발전량을 쉽게 조절할 수 있는 장점이 있는 반면 온실가스, 미세먼지, 초미세먼지, 황산화물(SOx), 질소산화물(NOx), 이산화탄소(CO₂)의 주요 발생 원인이 되는 단점이 있다.

그런데 최근 석탄화력발전소에서 기이한 것으로 추정되는 미세먼지와 2차 미세먼지 등에 대한 우려가 증대됨에 따라, 정부에서는 노후화된 화력발전소의 가동을 중단하고, 이들 발전소의 가동 중단으로 인해 부족한 전력은 LNG 발전으로 대체하겠다는 방침을 밝히고 있다. 여기서, 2차 미세먼지는 석탄화력발전소 등에서 발생되는 황산화물, 질소산화물 등이 공기 중 다른 물질과 화학 반응하여 생성되는 것으로 알려져 있다.

LNG 발전은 황산화물, 질소산화물 등의 오염물질 배출이 없고 이산화탄소 배출이 석탄화력발전 대비 50중량% 이상으로 적어 친환경적인 발전인 장점이 있다.

그런데 LNG 발전은 석탄화력발전에 비해 전력생산단가가 2배 이상 비싸 높은 전력 비용이 발생하고 설비 안정성 확보를 위한 발전소 건설 비용이 높아, 전기요금을 인상하는 요인이 되며, 전기요금을 낮추기 위해 정부가 지나친 가격 규제를 시행할 경우 LNG 발전 사업자들의 수익성이 악화되는 문제가 발생한다.

LNG 발전의 전력생산단가가 높은 것은 가스터빈의 동력전환 효율이 40% 이하로 낮기 때문인데, 여러 가지 이유가 있지만 근본적인 이유는 LNG가 수소보다 반응속도가 낮고 산화제의 불균질혼합 상태에서 발생하는 연소반응 지연 때문이다. 즉, 동력기관에 투입된 LNG 중에서 약 40%만 0.001초 이내에 연소하여 동력으로 사용되고 0.001~0.003초에 반응한 나머지 60%는 동력으로 사용되지 못하고 열로 방출되기 때문이다.

따라서, 친환경과 고효율, 안정성을 모두 만족시킬 수 있는 발전 대책 마련이 필요한 실정이다.

특허문헌 1: 공개특허 제2006-0132179호(2006.12.21 공개)

따라서 본 발명의 목적은 석탄화력발전을 대체하는 LNG 발전에서 전력생산단가와 환경오염물질을 낮출 수 있도록 LNG 발전의 효율성을 높일 수 있고, 설비 안정성을 높일 수 있도록 고효율 청정 가스터빈을 운영하는 브라운가스를 이용한 가스터빈 동력상승 방법을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 압축기, 연소실 및 터빈을 포함하는 가스터빈의 동력상승 방법이며, 연료가스, 브라운가스 및 상기 압축기에서 압축된 압축공기를 연소실로 공급하여 혼합 연소시키는 단계와 상기 연소실에서 연소에 의해 발생하는 연소가스를 이용하여 터빈을 회전시키고 전력을 생산하는 단계를 포함한다.

상기 연료가스는 LNG, LPG, Syn GAS 중 선택된 1종일 수 있다.

상기 브라운가스는 상기 연료가스를 상기 연소실로 공급하는 가스공급라인 또는 상기 가스공급라인에 연료가스를 공급하기 위한 LNG 공급부에 공급되어 상기 연료가스에 혼합된 후, 상기 연소실로 공급될 수 있다.

상기 브라운가스는 상기 압축공기를 상기 연소실로 공급하는 공기공급라인 또는 상기 압축기에 공급되어 상기 공기에 혼합된 후, 상기 연소실로 공급될 수 있다.

상기 브라운가스는 브라운가스발생장치에서 생산과 동시에 상기 연소실로 공급될 수 있다.

상기 브라운가스는 상기 연료가스 사용량 100중량%를 기준으로, 상기 연료가스 사용량의 30~70중량%를 대체하되, 상기 30~70중량% 연료가스의 열량(N㎥)의 1/15~1/25에 해당하는 브라운가스 열량(N㎥)으로 대체할 수 있다.

상기 브라운가스는 상기 연료가스 사용량 100중량%를 기준으로, 상기 연료가스 사용량의 60중량%를 대체하되, 상기 60중량% 연료가스의 열량(N㎥)의 1/20에 해당하는 브라운가스 열량(N㎥)으로 대체할 수 있다.

압축기, 연소실 및 터빈을 포함하는 가스터빈의 동력상승 시스템이며, 연료가스를 연소실로 공급하는 가스공급라인과 상기 압축기에서 압축된 압축공기를 연소실로 공급하는 공기공급라인과 상기 가스공급라인 또는 상기 공기공급라인에 연결되어 상기 가스공급라인 또는 상기 공기공급라인으로 브라운가스를 공급하는 보조공급라인을 포함할 수 있다.

상기 보조공급라인은 상기 가스공급라인에 연결되며, 상기 보조공급라인의 브라운가스의 압력은 상기 가스공급라인의 연료가스의 압력에 비해 낮다.

상기 보조공급라인은 상기 공기공급라인에 연결된다.

물을 전기분해하여 상기 브라운가스를 생산하는 브라운가스발생장치를 포함하며, 상기 브라운가스는 상기 브라운가스발생장치에서 생산과 동시에 상기 연소실로 공급된다.

예를 들어, 80MW 가스터빈에 사용되는 브라운가스 용량은 480N㎥/h(±10%)일 때에 동력상승 효율이 이상적이다.

상기 가스터빈은 LNG를 연료가스로 사용하는 LNG 복합발전소에 적용될 수 있다.

압축기, 연소실 및 터빈을 포함하는 가스터빈의 동력상승 방법이며, 상기 연소실에 공급되는 연료로 LNG와 브라운가스를 혼합 사용하여 상기 연소실에서 대부분의 연료가 0.001초 이내로 연소반응이 일어나게 한다.

상기 연료는 상기 LNG 사용량 100중량%를 기준으로 할 때, 40중량%의 LNG와, 상기 40중량%의 LNG를 사용함에 의해 제거한 60중량% LNG 열량(N㎥)의 1/20에 해당하는 브라운가스를 혼합 사용한다.

상기 브라운가스는 상기 LNG를 연소실로 공급하는 가스공급라인 또는 상기 가스공급라인에 LNG를 공급하기 위한 LNG 공급부에 공급하여 상기 LNG에 혼합하거나, 상기 압축기에서 압축된 압축공기를 연소실로 공급하는 공기공급라인 또는 상기 압축기에 공급하여 상기 공기에 혼합하여, 상기 연소실에 공급한다.

본 발명은 LNG(LPG, Syn Gas)와 브라운가스를 혼합 연소하는 것으로써, 브라운가스는 수소-산소 혼합가스로 수소와 산소가 이미 균질혼합되어 있고, LNG보다 매우 넓은 가연 영역(flammability)과 빠른 화염전파속도를 가지며, 온도상승 능력이 탁월하다.

이와 같이, 브라운가스는 탁월한 동력발생 능력이 있기에, 기존 LNG 사용량의 60%를 없애고, 40% LNG에 소량의 브라운가스를 혼합 연소시켜 LNG가 0.001초 이내에 연소가 이루어지도록 하여 실질적인 동력상승 효과를 나타낼 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 LNG의 사용량을 줄이고 사용량을 줄인 LNG를 브라운가스로 대체하여 가스터빈의 동력을 상승시키므로 LNG 발전에 적용되어 연료비 절감과 LNG 발전의 전력생산 효율성을 높일 수 있어 전력생산단가를 절감시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 LNG의 절감량에 비례하여 이산화탄소 발생량을 저감할 수 있어 LNG만 사용하는 경우 대비 더 친환경적인 효과가 있다.

또한, 본 발명은 LNG와 브라운가스의 혼합 연소시 짧은 시간에 동력으로 전환되어 가스터빈의 동력을 상승시키므로 배출가스의 열량을 저감하여 터빈 블레이드의 수명을 연장시키고 LNG 발전설비의 안정성을 높일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 브라운가스를 이용한 가스터빈 동력상승 방법을 설명하기 위한 구성도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 의한 브라운가스를 이용한 가스터빈 동력상승 방법을 설명하기 위한 구성도.
도 3은 화염전파속도에 연계된 동력 전환과 열손실을 설명하기 위해 엔진의 크랭크 앵글 7도 이내의 이상적인 동력생산 범위를 나타낸 그래프.
도 4는 LNG만 사용하는 경우 터빈 효율과 LNG의 일부를 브라운가스로 대체했을 경우 터빈 효율을 비교한 그래프.
도 5는 80MW 가스터빈에서 LNG 100% 사용한 경우와 LNG의 60%를 브라운가스로 대체한 경우 연료비와 이산화탄소 발생량을 산출하여 나타낸 그래프.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1에는 본 발명의 일 실시예에 의한 브라운가스를 이용한 가스터빈 동력상승 방법을 설명하기 위한 구성도가 도시되어 있다.

도 1에 도시된 바에 의하면, 본 발명의 브라운가스를 이용한 가스터빈 동력상승 방법은, 압축기(110), 연소실(120) 및 터빈(130)을 포함하는 가스터빈(100)의 동력상승 방법이며, 연료가스, 브라운가스 및 압축기(110)에서 압축된 압축공기를 연소실(120)로 공급하여 혼합 연소시키는 단계와, 연소실(120)에서 연소에 의해 발생하는 연소가스를 이용하여 터빈(130)을 회전시키는 단계를 포함한다.

가스터빈(100)에서 압축기(110)는 공기를 흡입하여 압축하며, 압축기(110)에서 압축된 압축공기는 연소실(120)로 공급된다. 연소실(120)로 공급된 압축공기는 연소실(120)에 공급되는 연료와 혼합 연소반응이 일어나게 한다. 연소실(120)에서 연소반응에 의해 발생하는 연소가스가 터빈을 회전시키는 동력으로 작용한다. 터빈(130)의 회전은 압축기(110)를 구동하고, 터빈(130)과 연결된 발전기(200)에서 전력을 생산하게 한다.

발전기(200)에서 생산된 전력은 변전소(500)로 보내진 후, 송전선(600)을 이용하여 각 가정 또는 산업용 전기로 공급할 수 있다.

이 과정에서, 가스터빈(100)의 연소실(120)에 공급되는 연료로 LNG와 브라운가스를 혼합 사용하여 연소실(120)에서 수 초(0.001초) 이내로 강한 폭발력의 연소반응이 일어나게 하여 연소반응에 의해 발생하는 연소가스가 터빈(130)을 회전시키는 동력으로 전환되는 비율이 높아지도록 한다.

연소실(120)에서 수 초(0.001초) 이내로 빠른 연소반응이 일어나야 연소반응에 의한 연소가스가 배출가스의 열로 낭비되지 않고 짧은 시간에 동력으로 전환되어 터빈을 회전시키는 동력으로 전환되는 비율이 높아진다. 연소반응에 의한 연소가스가 짧은 시간에 터빈을 회전시키는 동력으로 전환되면 배출가스의 열이 감소하여 터빈의 블레이드 수명도 연장된다.

연료가스는 LNG, LPG, Syn GAS 중 선택된 1종일 수 있다.

더 상세하게는, 가스터빈(100)은 석탄화력발전을 대체하는 LNG 발전에 적용되어, 동력상승으로 LNG 발전의 효율성을 높여 전력생산단가를 낮출 수 있도록 한다.

LNG(Liquefied Natural Gas, 액화천연가스)는 가스전에서 천연가스를 정제하여 얻은 메탄(CH₄)을 냉각해 액화시킨 것이다. LNG는 무색, 투명한 액체로 CO₂외에 공해물질이 거의 없고, 열량이 높은 장점이 있다.

LNG는 LNG 공급부(300)에서 공급받을 수 있다. LNG 공급부(300)는 천연가스탱크일 수 있다.

브라운가스(Brown Gas)는 LNG의 일부를 대체하여 LNG 발전 효율을 높이기 위해 포함된다.

브라운가스는 화염온도를 높이고 화염전파속도를 높여 연소실(120)에서 수 초(0.001초) 이내로 빠른 연소반응이 일어나도록 할 수 있다.

더욱이, 브라운가스는 다른 연료(예: LNG)와 혼합되는 경우 화염온도가 높아지고 빠른 시간에 동시 다발적으로 연소가 이루어져 강한 폭발력의 연소반응이 일어나게 하여 동력상승 효율을 높인다.

브라운가스는 물을 전기분해하여 만든 수소와 산소의 함량비가 2:1인 혼합가스이다. 브라운가스는 자체 산소에 의해 완전 연소되는 이상적인 혼합가스로 브라운가스만의 독특한 연소특성을 가지므로 연소시 CO₂, 다이옥신, SOx 등의 오염물질이 배출되지 않는다.

브라운가스는 브라운가스발생장치(400)에서 생산과 동시에 연소실(120)로 공급된다.

브라운가스발생장치(400)는 물과 전기를 공급받아 브라운가스를 발생시키며, 전기는 전술한 발전기(200) 또는 다른 발전회사로부터 공급받을 수 있다.

브라운가스발생장치(400)에서 생산된 브라운가스는 압축 저장하지 않고 생산과 동시에 1.8bar 이하의 저압, 바람직하게는 1.2bar의 저압으로 연소실(120)에 공급할 수 있어 저장탱크를 구비하는 경우에 비해 폭발위험이 없고 안전하며 대용량으로 운영할 수 있다.

브라운가스는 압축되면 폭발 위험이 있어 브라운가스를 저장탱크에 저장한 후 이송하여 사용하는 것은 바람직하지 않다. 전력 생산을 위해서는 브라운가스를 대용량으로 운용해야 하므로 브라운가스발생장치를 연소실(120)과 연계시켜 브라운가스를 생산과 동시에 공급받는 것이 중요하다.

예를 들어, 브라운가스발생장치(400)는 365일 연속가동이 가능하도록 하며, 80MW 가스터빈을 기준으로 브라운가스 용량이 480N㎥/h(±10%)일 때 동력상승 효율이 높아 바람직하다.

구체적으로 80MW 가스터빈 기준으로 브라운가스발생장치(400)의 용량이 480N㎥/h(±10%) 즉, 480N㎥/h±48N㎥/h 범위인 것을 사용하되, 가스터빈의 용량이 증가함에 비례하여 브라운가스발생장치의 용량도 증가시켜 사용할 수 있다.

브라운가스는 연료가스를 연소실(120)로 공급하는 가스공급라인(140)에 공급하여 연료가스에 혼합한 후, 연소실(120)로 공급할 수 있다.

브라운가스가 연료가스에 혼합되어 연소실(120)로 공급되면, 브라운가스는 연료가스가 수 초 이내로 연소하게 하는 뇌관 역할을 하여 연소 효율을 높일 수 있다. 그러나 브라운가스를 연료가스와 혼합하지 않고 연소실(120)에 바로 공급하면 연료가스가 연소하기 전 연소 속도가 빠른 브라운가스가 먼저 연소하여 연료가스의 연소 효율을 높이는 뇌관 역할을 하지 못하여 연소 효율이 떨어질 수 있다.

따라서, 브라운가스를 연소실(120)로 공급하기 전 미리 연료가스와 균질혼합하는 것이 중요하다. 브라운가스와 연료가스의 균질혼합은 연소 효율을 높이고 빠르게 연소시키기 위한 것이다.

이를 위해, 가스공급라인(140)에 연결되어 가스공급라인(140)으로 브라운가스를 공급하는 보조공급라인(160)을 포함하며, 보조공급라인(160)의 브라운가스의 압력은 가스공급라인(140)의 연료가스의 압력에 비해 낮아 브라운가스가 가스공급라인(140)으로 원활히 유입될 수 있도록 한다.

예를 들어, 가스공급라인(140)에 LNG를 공급하고, 보조공급라인(160)을 통해 브라운가스를 1.2bar의 압력으로 가스공급라인(140)에 공급하여 브라운가스가 가스공급라인(140)을 흐르는 LNG와 원활하게 균질혼합될 수 있도록 한다.

다른 예로, 브라운가스는 LNG 공급부(300)에 공급하여 LNG와 혼합한 후 가스공급라인(140)을 통해 연소실(120)로 공급할 수도 있다.

브라운가스는 연료가스 사용량 100중량%를 기준으로, 연료가스 사용량의 30~70중량%를 대체하되, 30~70중량% 연료가스의 열량(N㎥)의 1/15~1/25에 해당하는 브라운가스 열량(N㎥)으로 대체한다.

브라운가스는 연료가스 사용량의 30중량% 미만으로 대체하면 터빈 효율 상승 효과가 미비하고, 연료가스 사용량의 70중량% 초과로 대체하면 터빈 효율이 오히려 낮아질 수 있고 경제적인 면에서 비효율적이다.

이때, 브라운가스는 연료가스 열량(N㎥)의 1/15~1/25에 해당하는 열량(N㎥)으로 대체하는데, 이는 브라운가스 동력 발생 효과를 이론적으로 계산하고 오차범위를 고려한 값이다.

바람직하게는 브라운가스는 연료가스 사용량 100중량%를 기준으로, 연료가스 사용량의 60중량%를 대체하되, 60중량% 연료가스의 열량(N㎥)의 1/20에 해당하는 열량(N㎥)으로 대체한다.

브라운가스는 LNG의 60중량%를 대체할 때 터빈 효율이 가장 높다.

예를 들어, LNG 사용량 100중량%를 기준으로 할 때, 40중량%의 LNG와, 40중량%의 LNG를 사용함에 의해 제거한 60중량% LNG 열량(N㎥)의 1/20에 해당하는 브라운가스(물분해가스)를 혼합 사용하는 것이 바람직하다.

40중량%의 LNG와 60중량% LNG 열량(N㎥)의 1/20에 해당하는 열량(N㎥)의 브라운가스를 혼합 사용할 때, 터빈 효율이 LNG만 사용한 경우 대비 2배 이상으로 높다. 이는 브라운가스 동력 발생 효과를 LNG의 20배로 가정함에 의한 것이며, 이는 후술할 [근거]에서 상세히 설명하기로 한다.

도 2에는 본 발명의 다른 실시예에 의한 브라운가스를 이용한 가스터빈 동력상승 방법을 설명하기 위한 구성도가 도시되어 있다. 도 2에서는 도 1과 차이 있는 구성에 대해서만 설명하기로 한다.

도 2에 도시된 바에 의하면, 다른 실시예의 브라운가스를 이용한 가스터빈 동력상승 방법은, 브라운가스를 압축공기에 혼합하여 연소실(120)에 공급하는 점에서 일 실시예와 차이가 있다.

구체적으로, 압축공기를 연소실(120)로 공급하는 공기공급라인(150)에 브라운가스가 공급되어 압축공기와 혼합된 후, 연소실(120)로 공급되게 할 수 있다.

브라운가스를 압축공기에 혼합하여 연소실(120)에 공급하면 브라운가스의 산소가 LNG에 포함된 질소의 영향을 받지 않아 연소실에서 연소시간 지연 없이 바로 연소 반응이 수행될 수 있다.

즉, 브라운가스를 압축공기에 혼합하여 연소실에 공급하는 경우 산화를 방지하는 질소가 없어 연소실에서 연소가 일 실시예에 비해 더 빠르게 진행될 수 있다.

또 다른 예로 브라운가스는 압축기(110)에 공급하여 공기와 혼합된 후 공기공급라인(150)을 통해 연소실(120)로 공급될 수 있다. 브라운가스는 압축하면 폭발위험이 있으나 압축기(110)에서 공기를 압축하는 정도로는 브라운가스가 폭발하지 않는다.

한편, 상술한 브라운가스를 이용한 가스터빈의 동력상승 방법을 구현하기 위한 가스터빈의 동력상승 시스템은, 도 1 및 도 2를 참조하면, 연료가스를 연소실(120)로 공급하는 가스공급라인(140)과, 압축기(110)에서 압축된 압축공기를 연소실(120)로 공급하는 공기공급라인(150)과, 가스공급라인(140) 또는 공기공급라인(150)에 연결되어 가스공급라인(140) 또는 공기공급라인(150)으로 브라운가스를 공급하는 보조공급라인(160)을 포함할 수 있다.

가스공급라인(140)에는 메인밸브(141)가 구비되어 연료가스의 공급압력과 공급량을 제어할 수 있고, 공기공급라인(150)에는 제어밸브(151)가 구비되어 압축공기의 공급량을 제어할 수 있으며, 보조공급라인(160)에는 조절밸브(161)가 구비되어 브라운가스의 공급량을 제어할 수 있다.

일 실시예로 브라운가스가 연료가스에 혼합되어 연소실(120)에 공급되도록 보조공급라인(160)은 가스공급라인(140)에 연결될 수 있다. 이 경우 보조공급라인(160)의 브라운가스의 압력은 가스공급라인(140)의 연료가스의 압력에 비해 낮게 공급한다.

다른 실시예로 브라운가스가 압축공기에 혼합되어 연소실(120)에 공급되도록 보조공급라인(160)은 공기공급라인(150)에 연결될 수 있다.

메인밸브(141), 제어밸브(151), 조절밸브(161) 및 브라운가스발생장치(400)의 동작 제어를 위한 제어부(미도시)를 포함할 수 있다. 제어부는 기설정된 프로그램에 따라 메인밸브(141), 제어밸브(151), 조절밸브(161) 및 브라운가스발생장치(400)의 동작을 제어하여 가스터빈(100)이 효율적으로 운용될 수 있도록 할 수 있다.

상기한 가스터빈(100)은 LNG를 연료가스로 사용하는 LNG 복합발전소에 적용됨이 바람직하다. 그러나 상기 가스터빈(100)은 LPG를 연료가스로 사용하는 발전소, LNG와 석탄을 혼용하여 사용하는 발전소에도 적용될 수 있다.

이하에서는 본 발명에 의한 브라운가스를 이용한 가스터빈 동력상승 방법을 도출한 근거에 대해 설명하기로 한다.

연료가스는 LNG와 브라운가스를 혼합 사용하는 것을 예로 들어 설명한다.

우선, 가스터빈 동력상승을 위해 브라운가스가 적합한 이유에 대해 그 근거를 설명하면, 첫째, 브라운가스는 수소와 산소가 이미 혼합되어 있어 난류혼합에 요구되는 연소시간 지연이 없어 연소반응속도가 증가한다.

[수식 1]

- RR₁: 액상연료 미립화의 증기화 속도(여기서는 해당 없음

)

- RR₂: 난류혼합속도(예, 10)

- RR₃: 화학반응속도(예, 100)

수식 1은 반응속도를 나타낸 식이다. TNT가 고체이면서도 순간적으로 폭발하는 이유는 산소가 이미 혼합되어 있어 연소가 즉시 일어나기 때문이다. 그런데 기체인 브라운가스는 수소와 산소가 이미 혼합되어 있기 때문에 연소속도는 고체인 TNT보다도 훨씬 빠르다.

둘째, 브라운가스의 가열능력이 LNG의 최소 2배 이상이다.

브라운가스는 LNG보다 약 2배 연소생성가스(연소가스)의 가열능력이 있다.

화학식 1) 수소 연소가스

화학식 2) LNG(조성비 90% CH₄/10% C₃H₈) 연소가스

화학식 1에 의하면, 수소 연소가스 1몰당 1몰의 수증기가 발생하고 이때의 저위발열량은 0.24MJ이므로 1몰의 연소기체 당 0.24MJ의 열량을 가진다.

브라운가스에는 수소가 전체의 2/3존재하므로 브라운가스 저위발열량은 0.16MJ이다.

화학식 2에 의하면, LNG는 10.5몰(1+2+7.5=10.5)의 연소가스에 0.8MJ 열량이 발생한다.

따라서 수소와 LNG의 연소에서 연소기체 1몰당 온도상승에 사용할 수 있는 열량은 아래의 표 1과 같다.

연료	생성 몰수	저위발열량	연소기체 1몰당 가열에 사용되는 열량	비고
LNG(CH₄)	10.5	0.80MJoule	0.076MJoule/mole	브라운가스가 LNG보다 2.1배 가열능력
브라운가스	1	0.16MJoule	0.16MJoule/mole
열량에 의한 가열능력 단순 비교	0.16/0.076≒2.1배

표 1에 의하면, 브라운가스의 가열능력이 LNG의 최소 2배 이상임이 확인된다.

셋째, 공기 중에서 수소의 화염전파속도는 LNG의 약 8배이나 브라운가스는 질소가 없는 상태에서 수소와 산소의 연소이므로 최소 110배 이상 화염전파속도가 빠르다.

아래의 표 2는 수소, LNG, 브라운가스의 화염전파속도를 비교한 것이다.

연료	수소	LNG(CH₄:C₃H₈=9:1)		브라운가스(HHO) (H:O=2:1)
		CH₄	C₃H₈
공기 중에서 연소시의 화염전파속도	230㎝/sec	35㎝	38㎝/sec	4,110㎝/sec LNG보다 약 114배 화염전파속도가 빠름

표 2에 의하면, LNG에 비해 브라운가스의 화염전파속도가 110배 이상 빠르다. LNG에 비해 화염전파속도가 110배 이상 빠른 브라운가스는 LNG와 혼합하여 연소실에 분사하면 점화온도가 낮은 수소가 뇌관 역할을 하여 화염을 빠른 속도로 전파하여 LNG의 연소 효율을 높이게 된다.

상기와 같은 효과가 동시에 상승적으로 발생하여 LNG에 브라운가스를 혼합 연소하면 빠른 시간 내(0.001초 이내에) 많은 양의 혼합가스의 빠른 연소가 이루어져 동력상승 관점에 의해 최소 20배 이상(이론적으로는 162배)의 동력상승 효과가 발생하는 것이다.

위 결과에 [근거]하여 브라운가스 동력 발생 효과를 LNG의 20배로 가정한다.

빠른 시간 내 많은 양의 혼합가스의 빠른 연소가 이루어져 동력상승으로 이어지는 동력상승 관점은 도 3에서 설명한다.

도 3에는 화염전파속도에 연계된 동력 전환과 열손실을 설명하기 위해 엔진의 크랭크 앵글 7도 이내의 이상적인 동력생산 범위를 그래프가 도시되어 있다.

도 3에 의하면, 엔진의 경우 크랭크 앵글 7도 이내에서 연소반응이 일어나야 동력으로 전환되는 확률이 높아지며, 그 이후 반응은 단순하게 라디에이터 또는 배기가스의 열로 낭비된다.

예를 들어 엔진에서 0.001초 이내로 연소반응이 일어나야 동력 발생에 이상적인데, 연료의 약 60%가 0.001~0.003초에 반응하여 많은 양의 에너지가 열로 방출(소실)된다.

이를 본 발명에 적용하면, 연소실에 공급되는 연료로 LNG와 브라운가스를 혼합 사용하여 연소실에서 대부분의 연료가 0.001초 이내로 빠른 연소반응이 일어나게 하면, 강한 폭발력의 연소반응이 일어나 연소가스가 터빈을 회전시키는 동력으로 전환되는 비율이 높아지는 것이다.

연소가스가 터빈을 회전시키는 동력으로 전환되는 비율이 높아지면 열손실이 최소화되어 폐열이 없어지므로 터빈 블레이드 수명도 연장된다.

연소실에서 0.001초 이내 연소반응은 브라운가스의 반응속도, 가열능력, 화염전파속도가 상호 작용하여 많은 양의 연료가스(예, LNG)를 빠르게 연소하여 수행될 수 있다.

도 4에는 LNG만 사용하는 경우 터빈 효율과 LNG의 일부를 브라운가스로 대체했을 경우 터빈 효율을 비교하였다.

도 4에 의하면, LNG만 사용하여 가스터빈을 운용시 터빈 효율은 약 30%이나, LNG의 일부를 브라운가스로 대체했을 때 터빈 효율은 점차적으로 상승하여 LNG의 60%를 브라운가스로 대체했을 때 터빈 효율이 약 70%로 가장 높았다.

상기한 결과로부터, 브라운가스는 LNG 사용량 100중량%를 기준으로, LNG 사용량의 60중량%를 대체하되, 60중량% LNG의 열량(N㎥)의 1/20에 해당하는 브라운가스 열량(N㎥)으로 대체할 때 터빈 효율을 최대로 할 수 있음을 확인할 수 있다.

여기서, 브라운가스 동력 발생 효과는 LNG의 20배로 가정함에 의해 LNG 차감에 따라 실제 투입되는 브라운가스의 열량을 차감된 LNG 열량의 1/20에 해당하는 열량으로 한 것이다.

설명의 이해를 돕기 위해 본 발명의 브라운가스를 이용한 가스터빈 동력상승 방법을 80MW 가스터빈에 적용시 연료비 절감 및 이산화탄소 발생량 저감 효과를 이론적으로 계산하였다. 참고로, 현재 LNG 발전에서 사용하는 가장 작은 용량인 80MW 가스터빈(LNG 사용량: 16,000N㎥-LNG/h)으로 계산하였다.

1) 60% LNG 절감액/년: 약 420억4천8백만원/년

9,600N㎥-LNG/h×500원/N㎥-LNG×24h/일×365일/년=420억4천8백만원/년

(여기서, 9,600N㎥은 LNG의 열량(시간당 가스 사용량)이고, 500원/N㎥은 정부에서 LNG를 구매하는 가격이다.)

2) 브라운가스(HHO) 생산비(전력+물): 약 11억7천8백만원/년

- 전력비: 약 11억7천6백만원/년

480N㎥-HHO/h×4.4kWh/N㎥-HHO×63.53원/kW×24h/일×365일/년

=11억7천6백만원/년

(여기서, 480N㎥은 LNG 60%에 해당하는 열량의 1/20 열량을 계산한 값이며, 63.53원/kW는 산업용 전기 갑2 기본요금을 기준이다.)

- 물 사용량 및 가격: 2백만원/년 이하

240리터/h×24h/일×365일/년×890원/1,000리터=2백만원/년 이하

(여기서, 240리터/h는 수돗물 기준이고, 890원/1,000리터는 경기도 수도물 비용을 기준이다.)

3) 60% LNG 절감에 따른 이산화탄소 발생량 저감 및 CDM 수익

9,600N㎥-LNG/h×2.256kg-CO₂/N㎥-LNG/h≒21.1톤-CO₂/h

21.1톤-CO₂/h×23,700원/톤×24일×365일/년≒44억9천7백만원/년

위 계산 결과로부터, 80MW 가스터빈에서 60%의 LNG의 사용량을 줄이고 이를 브라운가스로 대체하면 연료비가 LNG 100%일 때 약 700억8천만원/년에서 (LNG 40%+브라운가스)를 사용할 때 약 292억1천만원/년로 감소되어 약 408억7천만원/년의 연료비를 절감할 수 있으며, 이산화탄소 발생량도 약 21.1톤 저감할 수 있음을 알 수 있다.

도 5에는 80MW 가스터빈에서 LNG 100% 사용한 경우와 LNG의 60%를 브라운가스로 대체한 경우 연료비와 이산화탄소 발생량을 그래프로 나타내었다.

상술한 브라운가스를 이용한 가스터빈 동력상승 방법은 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, LNG 발전에 적용시 LNG의 사용량을 줄이고 브라운가스로 대체하여 연료비 절감과 이에 따른 전력생산단가를 절감시킬 수 있다.

또한, 상술한 브라운가스를 이용한 가스터빈 동력상승 방법은 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, LNG 발전에 적용시 LNG의 절감량에 비례하여 이산화탄소 발생량을 저감할 수 있다.

또한, LNG와 브라운가스의 혼합 연소시에 연료와 산화제 간 균질혼합 효과와 브라운가스의 강력한 폭발력으로 고온의 영역에서 짧은 시간에 동력으로 전환되어 배출가스의 열량을 저감하여 터빈 블레이드의 수명을 연장시키므로 LNG 발전설비의 안정성을 높일 수 있다.

또한, 상술한 브라운가스를 이용한 가스터빈 동력상승 방법은 LNG 발전에 적용되어 발전 효율 향상과 전력생산단가 절감을 가능하게 하므로 LNG 발전이 석탄화력발전을 줄이는 대안으로 기여할 수 있게 한다.

석탄화력발전소를 줄이면 질소산화물(NOx) 등 미세먼지 발생량이 저감되고 미세먼지 저감으로 인해 2차 미세먼지도 저감될 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 브라운가스를 이용한 가스터빈 동력상승 방법은 LNG 발전에 적용되어 전력생산단가를 낮출 수 있고 환경도 개선할 수 있는 방법임을 알 수 있다.

본 발명은 도면과 명세서에 최적의 실시예들이 개시되었다. 여기서, 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 발명은 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면, 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 권리범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

100: 가스터빈 110: 압축기
120: 연소실 130: 터빈
140: 가스공급라인 141: 메인밸브
150: 공기공급라인 151: 제어밸브
160: 보조공급라인 161: 조절밸브
200: 발전기 300: LNG 공급부
400: 브라운가스발생장치 500: 변전소
600: 송전선

Claims

석탄화력발전을 대체하는 LNG 발전에 적용되고,
압축기, 연소실 및 터빈을 포함하는 가스터빈의 동력상승 방법이며,
연료가스, 브라운가스 및 상기 압축기에서 압축된 압축공기를 연소실로 공급하여 혼합 연소시키는 단계; 및
상기 연소실에서 연소에 의해 발생하는 연소가스를 이용하여 터빈을 회전시키고 전력을 생산하는 단계;
를 포함하고,
상기 연료가스는 LNG이며,
상기 연소실에 공급되는 연료가스로 LNG와 브라운가스를 혼합 사용하여 상기 연소실에서 연료가스가 0.001초 이내로 연소반응이 일어나는 확률을 최대화하도록,
상기 브라운가스는 브라운가스발생장치에서 생산과 동시에 상기 연소실로 공급되며, 상기 브라운가스발생장치는 상기 터빈과 연결된 발전기에서 생산된 전력을 공급받고,
상기 브라운가스는
상기 연료가스 사용량 100중량%를 기준으로,
상기 연료가스 사용량의 30~70중량%를 대체하되,
상기 30~70중량% 연료가스의 열량(N㎥)의 1/15~1/25에 해당하는 브라운가스 열량(N㎥)으로 대체하는 것을 특징으로 하는 브라운가스를 이용한 가스터빈 동력상승 방법.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 브라운가스는 상기 연료가스를 상기 연소실로 공급하는 가스공급라인 또는 상기 가스공급라인에 연료가스를 공급하기 위한 LNG 공급부에 공급되어 상기 연료가스에 혼합된 후, 상기 연소실로 공급되는 것을 특징으로 하는 브라운가스를 이용한 가스터빈 동력상승 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 브라운가스는 상기 압축공기를 상기 연소실로 공급하는 공기공급라인 또는 상기 압축기에 공급되어 상기 공기에 혼합된 후, 상기 연소실로 공급되는 것을 특징으로 하는 브라운가스를 이용한 가스터빈 동력상승 방법.
삭제
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 브라운가스는
상기 연료가스 사용량 100중량%를 기준으로,
상기 연료가스 사용량의 60중량%를 대체하되,
상기 60중량% 연료가스의 열량(N㎥)의 1/20에 해당하는 브라운가스 열량(N㎥)으로 대체하는 것을 특징으로 하는 브라운가스를 이용한 가스터빈 동력상승 방법.
압축기, 연소실 및 터빈을 포함하는 가스터빈의 동력상승 시스템이며,
연료가스를 연소실로 공급하는 가스공급라인;
상기 압축기에서 압축된 압축공기를 연소실로 공급하는 공기공급라인; 및
상기 가스공급라인 또는 상기 공기공급라인에 연결되어 상기 가스공급라인 또는 상기 공기공급라인으로 브라운가스를 공급하는 보조공급라인;
을 포함하고,
물을 전기분해하여 상기 브라운가스를 생산하는 브라운가스발생장치를 포함하며,
상기 브라운가스발생장치는 상기 터빈과 연결된 발전기에서 생산된 전력을 공급받아 상기 브라운가스를 생산하고,
상기 브라운가스는 상기 브라운가스발생장치에서 생산과 동시에 상기 연소실로 공급되며,
상기 브라운가스발생장치는 80MW 가스터빈 기준으로 용량이 480N㎥/h±48N㎥/h 범위이고,
상기 가스터빈은 LNG를 연료가스로 사용하는 LNG 복합발전소에 적용되는 것을 특징으로 하는 브라운가스를 이용한 가스터빈 동력상승 시스템.
청구항 8에 있어서,
상기 보조공급라인은 상기 가스공급라인에 연결되며,
상기 보조공급라인의 브라운가스의 압력은 상기 가스공급라인의 연료가스의 압력에 비해 낮은 것을 특징으로 하는 브라운가스를 이용한 가스터빈 동력상승 시스템.
청구항 8에 있어서,
상기 보조공급라인은 상기 공기공급라인에 연결되는 것을 특징으로 하는 브라운가스를 이용한 가스터빈 동력상승 시스템.
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