가스 터빈 장치와 환경에 미치는 영향

흐르는 가스 흐름에서 회전 기계적 에너지를 추출하는 최초의 장치는 풍차였습니다. 그 뒤를 이어 레오나르도 다 빈치가 처음으로 스케치한 뒤 1648년 영국 성직자인 존 윌킨스가 자세히 설명한 스모크잭이 나왔습니다. 이 장치는 수직 축에 장착되어 뜨거운 바람에 의해 구동되는 다수의 수평 돛으로 구성되었습니다. 굴뚝에서 올라오는 공기. 간단한 기어 시스템의 도움으로 스모크 잭을 사용하여 로스팅 침을 돌렸습니다. 19세기에는 회전식 드릴, 톱 및 기타 장치를 구동하기 위해 왕복 압축기에 의해 외부에서 압축된 공기를 사용하는 다양한 임펄스 및 반작용 공기 터빈 드라이브가 개발되었습니다. 이러한 장치 중 다수가 여전히 사용되고 있지만 압축기, 연소실 및 독립형 원동기를 구성하는 터빈을 포함하는 현대 가스 터빈 엔진과 거의 유사하지 않습니다. 이러한 시스템에 근접한 최초의 특허는 1791년 영국의 John Barber에게 발행되었지만 실제 모델은 구축되지 않았습니다[1].

1903년에서 1906년 사이에 파리에서 건설된 최초의 성공적인 가스 터빈은 3기통, 다단계 왕복 압축기, 연소실 및 임펄스 터빈으로 구성되었습니다. 압축기에서 공기를 공급한 후 연소실에서 액체 연료로 연소시키는 방식으로 작동됩니다. 생성된 가스는 물을 주입하여 다소 냉각된 다음 임펄스 터빈에 공급되었습니다. 약 1%의 열효율을 갖는 이 시스템은 실용적인 가스 터빈 엔진의 타당성을 처음으로 입증했습니다[2]. 가스 터빈 장치 개발의 역사에 대한 자세한 내용은 [XNUMX]에서 확인할 수 있습니다.

그림 1: Armengaud-Lemale 초기 실험용 가스 터빈. 1906년 파리 생드니.

지속적인 엔지니어링 개발을 통해 전기 효율성이 크게 향상되어 최초의 상용 가스 터빈인 18년 Neuchatel 가스 터빈의 1939%에서 단순 사이클 작동의 현재 최대 수준인 약 40%까지 향상되었습니다(그림 2, a). 가스 터빈은 항공기, 기차, 선박에 전력을 공급하고, 발전소에서 전력을 생산하고, 펌프에 전력을 공급하고, 가스 압축기, 탱크, 해양 추진 장치, 기관차 추진 장치, 자동차 추진 장치 등 다양한 분야에 응용됩니다.

단순 사이클의 개선과 증기 터빈 바닥 사이클의 추가로 효율성이 더욱 향상되었습니다. 오늘날, 결합된 가스 터빈과 증기 터빈 사이클은 거의 60%의 효율을 달성할 수 있습니다(그림 2, b) [3]. 그림 3은 발전기술 개발의 연대표를 보여준다.

복합화력발전소는 두 가지 열역학적 사이클을 조합해 효율적으로 전기를 생산하는 발전설비의 일종이다. 이는 브레이튼 사이클(Brayton Cycle)로 알려진 가스 터빈 사이클과 랭킨 사이클(Rankine Cycle)로 알려진 증기 터빈 사이클을 조화롭게 통합합니다. 복합 사이클 장치는 더 넓은 범위의 복합 장치 그룹 중 하나입니다. 구조적으로 가변적일 수 있는 가스와 증기 사이클 사이의 내부 연결은 효과적인 작동을 위해 중요합니다. 증기-가스 복합 동력 장치는 작동 유체(물, 증기 및 가스)의 개별 회로 또는 혼합 회로를 가질 수 있습니다. 폐보일러가 있는 장치에서는 대부분의 전력이 가스 회로에서 생산됩니다. 이러한 유형의 설비에서 연료 소비는 주로 가스 회로에 해당하며, 여기서 공기 과잉 계수는 일반적으로 1.3-2.5이므로 터빈 작업의 상당 부분은 과잉 공기를 압축하는 데 사용됩니다[11].

그림 3: 가스 및 증기 터빈 효율 진화, McDonald(1994) [4]

IGFC(Integrated Gasification Fuel Cell) 사이클은 고체 연료 및 SOFC(고체 산화물 연료 전지)의 가스화를 기반으로 하는 전력 사이클입니다. 이는 통합형 가스화 복합화력 발전소와 유사하지만 가스터빈 발전 장치를 연료전지(SOFC와 같은 고온형) 발전 장치로 대체한다[12]. SOFC의 본질적으로 높은 에너지 효율성과 프로세스 통합을 활용함으로써 매우 높은 발전소 효율성이 가능해졌습니다. 또한 IGFC 주기에서 SOFC를 작동하여 이산화탄소가 풍부한 양극 배기 스트림을 분리할 수 있으므로 효율적인 탄소 포집을 통해 석탄 기반 발전의 온실가스 배출 문제를 해결할 수 있습니다[1]. 연료전지와 가스 터빈의 통합은 깨끗한 배기가스 배출로 발전 효율을 향상하려는 과정에서 자연스러운 진화입니다. 통합은 가스 터빈 압축기를 연료 전지의 공기 이동기로 사용하고 연료 전지의 고온 배기 가스를 사용하여 가스 터빈 연소기를 대체함으로써 달성됩니다 [13].

효율을 높이는 또 다른 방법은 가스 터빈 사이클의 온도(터빈 입구 온도)를 높이는 것입니다(그림 4). 이 경우 온도가 상승하면 특히 첫 번째 단계에서 터빈 요소의 냉각이 필요합니다. 가장 유망한 개발은 주로 항공 가스 터빈 장치에 구현되었으며 이후 전력 엔지니어링을 위한 설치에 사용됩니다. 수년간의 개발을 통해 항공기 엔진은 스트레스 수준과 열 상태 측면에서 거의 유사하지 않은 독특한 제품으로 변모했습니다. 각각의 새로운 세대의 항공기 엔진은 압력 증가 정도가 증가하고 터빈 입구의 작동 유체 온도가 증가하는 것이 특징입니다(그림 5). 고정 동력 가스 터빈 장치 및 기타 유형의 가스 터빈 장치의 경우, 오늘날 작동 사이클의 초기 가스 온도와 압축기의 열역학적으로 관련된 공기 압축 정도를 높이는 것도 관련이 있습니다. 그러나 초기 온도의 상승은 터빈 요소의 강도 문제와 더불어 환경 문제를 야기한다. 따라서 현대식 가스 터빈 장치를 제작할 때 해결해야 할 문제 중 하나는 유해 물질(질소산화물(NOx), 탄소산화물(COx), 미연소 탄화수소(CxHy 또는 UHC))의 배출을 줄이는 것입니다. 예를 들어, 천연가스를 상대적으로 높은 온도에서 연소할 때 NOx 함량이 배기가스의 독성을 90~95% 결정합니다[5].

그림 4: 초기 가스 온도에 따른 1955년부터 2005년 사이 가스 터빈 장치의 효율 변화 [6].

따라서 가스 터빈 설계의 주요 과제 중 하나는 발전 및 운송 시설의 배기 가스에서 유해한 배출을 줄이는 것입니다. 연료 준비 및 연료 공급 시스템의 합리적인 규제와 함께 작동 모드의 최적화, 적절한 모니터링 및 작동 중 가스 터빈 장치의 유지 관리는 환경 특성에 큰 영향을 미칩니다[9].