가스터빈 성능 이해하기: 열소비율, 출력 및 현장 조건

가스터빈의 정격 출력은 프로젝트를 평가하기 위한 출발점일 뿐입니다. 더 유용한 비교 기준은 해당 현장 조건에서 발전소가 공급할 수 있는 순전력량, 이를 공급하는 데 필요한 연료 소비량, 그리고 예상 운전 범위 전반에서 해당 성능을 유지할 수 있는지 여부입니다. 명판 정격이 더 높은 기계라도 더운 날에는 예상보다 사용 가능한 전력이 적거나, 최대 부하 미만으로 운전할 때 연료를 더 많이 소비할 수 있습니다.

따라서 열소비율, 전기 출력 및 현장 조건을 함께 평가해야 합니다. 각 수치는 정의된 경계와 가정을 바탕으로 하며, 경쟁 제안을 비교하기 전에 이러한 가정이 일치하는지 확인해야 합니다.

열소비율로 파악하는 연료 소비량

열소비율은 생산된 전기 에너지 단위당 발전소에 공급되는 연료 에너지를 나타냅니다. 일반적으로 kJ/kWh 또는 Btu/kWh로 표시합니다. 열소비율이 낮을수록 명시된 조건에서 동일한 전기 출력을 생산하는 데 필요한 연료 에너지가 적습니다.

열소비율과 효율은 동일한 에너지 기준과 발전소 경계를 적용하면 직접적인 관계가 있습니다. kJ/kWh 기준에서 전기 효율은 3,600을 열소비율로 나눈 값입니다. 이 계산은 수치가 동일한 연료 입력과 동일한 전기 출력 측정 지점을 기준으로 할 때만 유효합니다.

비교 결과를 자주 바꾸는 두 가지 구분은 다음과 같습니다.

• 총출력과 순출력: 총출력은 발전기 단자에서 측정합니다. 순출력은 합의된 발전소 경계 내에서 보조기기가 소비하는 전력을 총출력에서 차감한 값입니다. 순 열소비율은 분모에 더 작은 순출력을 사용하므로 일반적으로 총 열소비율보다 높습니다.
• 저위발열량과 고위발열량: 저위발열량(LHV)은 연소 생성물의 수증기가 응축할 때 회수할 수 있는 열을 제외하고, 고위발열량(HHV)은 이를 포함합니다. 연료 유량과 전기 출력이 같으면 HHV 기준 열소비율이 더 높습니다. 환산 없이 LHV 기준 수치와 HHV 기준 수치를 비교하면 한 제안이 실제보다 더 효율적인 것처럼 보일 수 있습니다.

제시된 수치가 가스터빈 단독 기준인지 발전소 전체 기준인지도 확인해야 합니다. 복합화력발전소는 터빈 배기가스의 열을 이용해 추가 전력을 생산하므로, 발전소 열소비율은 단순 사이클 설비의 열소비율과 직접 비교할 수 없습니다.

정격 출력이 반드시 현장 출력과 일치하는 것은 아닙니다

제조업체는 일반적으로 지정된 기준 조건에서의 성능을 공개합니다. 이러한 수치는 초기 검토에 유용하지만, 현장별 성능 계산을 대신할 수는 없습니다. 흡입 공기 조건, 압력 손실, 연료 특성 및 운전 한계는 모두 프로젝트 현장에서 이용할 수 있는 전력에 영향을 미칩니다.

전력 공급 의무가 있는 경우, 발전기 단자가 아니라 전력이 공급되는 지점에서 필요한 출력을 정의해야 합니다. 차이에는 발전소 보조기기, 변압기 손실 및 합의된 경계 내의 기타 부하가 포함될 수 있습니다. 제안서에는 이 중 어떤 항목을 계산에 포함하고 어떤 항목을 제외하는지 명시해야 합니다.

관련 운전점도 중요합니다. 연평균 기온을 기준으로 설계된 발전소는 더운 날씨에 수요가 최고조에 달할 때 필요한 출력을 내지 못할 수 있습니다. 반대로 가장 혹독한 조건만을 기준으로 설비를 선정하면, 설비 수명의 상당 기간을 비효율적인 부분 부하 상태로 운전하게 될 수 있습니다. 결정은 필요한 용량, 출력 부족의 영향 및 각 부하에서 예상되는 운전 시간에 따라 달라집니다.

현장 조건이 가스터빈 성능에 미치는 영향

주변 온도와 고도

흡입 공기 온도가 상승하면 일반적으로 공기 밀도가 낮아집니다. 이에 따라 압축기는 동일한 체적 유량에서 더 적은 공기 질량을 흡입하게 되어, 사용 가능한 터빈 출력이 감소하는 것이 일반적입니다. 열소비율도 악화될 수 있지만, 그 정도는 기계와 제어 방식에 따라 달라집니다. 고도가 높아지면 대기압이 낮아져 비슷한 영향이 발생합니다. 즉, 흡입 공기 밀도가 낮아지면 일반적으로 질량 유량과 사용 가능한 전력이 감소합니다.

하나의 기준 주변 온도만이 아니라 현장의 온도 프로파일을 기준으로 출력을 평가해야 합니다. 주로 중요한 조건은 계약상 용량이 요구되는 때의 조건과 연료 소비량의 대부분이 발생하는 운전 조건입니다. 이 두 조건은 서로 다를 수 있습니다.

흡입 및 배기 압력 손실

공기 필터, 소음기, 덕트 및 흡입 공기 냉각 설비는 공기가 압축기에 도달하기 전에 압력 손실을 발생시킵니다. 배기 측에서는 소음기, 덕트 및 배열회수 설비가 배압을 높입니다. 이 두 가지 모두 출력을 낮추고 열소비율에 영향을 줄 수 있습니다.

필터 오염의 영향과 제안된 배기 구성을 포함해 현실적인 운전 조건에서 손실을 평가해야 합니다. 오염이 적고 압력 손실이 낮은 흡입 조건을 기준으로 한 성능 계산은 필터 교체 한계에 가까운 상태의 운전을 나타내지 못할 수 있습니다. 마찬가지로 단순 배기 스택을 기준으로 평가한 터빈이 배열회수 설비에 연결된 뒤에도 동일한 출력을 유지한다고 가정할 수는 없습니다.

습도, 연료 및 냉각수

습도는 흡입 공기의 특성과 증발식 냉각 시스템의 성능에 영향을 줄 수 있습니다. 연료 조성과 발열량은 연료 유량, 연소 거동 및 배출가스 제어에 영향을 미치며, 변동에 따라 운전 한계도 달라질 수 있습니다. 성능 계산에 사용되는 연료 사양은 기준 조성뿐 아니라 허용 범위를 포함해 예상 공급 조건을 반영해야 합니다.

복합화력 프로젝트에서는 냉각수 온도와 공급 가능 여부가 증기 사이클에 영향을 미쳐 발전소 전체 출력에도 영향을 줄 수 있습니다. 가스터빈만 평가하면 이러한 영향을 반영할 수 없습니다.

전부하 효율은 운전 비용의 일부일 뿐입니다

설비가 장시간 정격 용량에 가깝게 운전되는 경우 전부하 열소비율은 유용한 지표입니다. 그러나 수요에 따라 운전하는 발전소에서는 부분 부하 성능이 더 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 출력이 변하면 제어 설정과 보조기기에 필요한 에너지로 인해 순 열소비율도 달라질 수 있습니다. 전부하 수치가 더 좋은 설비가 연간 연료를 반드시 더 적게 사용하는 것은 아닙니다.

예상 운전 부하 범위의 성능 곡선을 요청하고 각 운전점의 예상 운전 시간과 함께 검토해야 합니다. 연료 소비와 가동률에 실질적인 영향을 미치는 기동, 정지 및 최소 부하 운전 시간도 포함해야 합니다. 이렇게 하면 단일 열소비율에 연간 발전량을 곱하는 것보다 더 유용한 연료 사용량 추정치를 얻을 수 있습니다.

흡입 공기 냉각도 이와 관련된 절충 요소입니다. 압축기 흡입 온도를 낮춰 고온 조건에서 일부 출력을 회복할 수 있지만, 설비 비용, 보조 전력 소비, 압력 손실 및 일부 시스템의 경우 물 사용량도 고려해야 합니다. 그 가치는 고온 조건에서 필요한 용량이 얼마나 자주 발생하는지, 그리고 추가 순출력이 관련 비용을 정당화하는지에 따라 달라집니다.

입찰 비교 전에 성능 및 시험 경계를 설정하십시오

타당한 기술 평가는 모든 입찰자에게 동일한 조건을 적용하는 것에서 시작합니다. 정의된 현장 조건에서 보장 출력과 열소비율을 요청하고, 온도와 부하에 따라 성능이 어떻게 달라지는지 보여 주는 곡선도 함께 받아야 합니다. 제출 자료에는 다음 항목을 명확히 기재해야 합니다.

• 전기 측정 지점, 포함되는 보조 부하 및 총출력 또는 순출력 기준.
• 연료 조성, 발열량 기준 및 예상 연료 공급 조건.
• 주변 온도, 압력, 습도와 가정된 흡입 및 배기 손실.
• 배열회수, 흡입 공기 냉각 또는 배출가스 제어 설비를 포함한 발전소 구성.
• 부하, 설비 구성 및 관련 냉각 조건 등 각 수치의 운전 조건.
• 성능 시험 방법, 계측기, 보정 절차, 측정 불확도 및 시험 조건 편차의 처리 방법.

적용 시험 표준과 계약 요건은 문의서에 일관되게 명시하고 보증 조건을 최종 확정하기 전에 합의해야 합니다. 보증 조건과 정확히 동일한 조건에서 시험을 수행할 수 없는 경우에는 보정 곡선이 특히 중요합니다. 보정 곡선은 측정 결과를 합의된 기준으로 환산하는 방법을 규정합니다.

완전한 발전소 프로젝트에서는 이러한 경계가 설비 공급업체와 설계, 건설 및 시운전을 담당하는 당사자 간의 인터페이스에도 영향을 미칩니다. SINO-QNP는 발전소 프로젝트를 위한 EPC 서비스를 제공하며, 여기에는 엔지니어링, 보조 시스템 및 시운전이 포함됩니다. 이러한 범위에서는 터빈 성능 가정을 실제 발전소 배치와 일치시키고 각 손실 및 보조 부하의 책임 주체를 정의하는 것이 다음 단계입니다.

가장 적합한 제안은 표면적인 열소비율이 가장 낮거나 정격 출력이 가장 큰 제안이 아닙니다. 관련 현장 조건에서 필요한 순용량을 충족하고, 계획된 운전 조건 전반에 걸친 신뢰할 수 있는 연료 사용 프로파일을 제시하며, 시험 가능한 기준으로 성능을 정의하는 제안입니다.