Advanced Ultra-Supercritical Turbine Cycle (초초초임계압 터빈 사이클)

현재 상용 발전소에서 적용하고 있는 Ultra-Supercritical(초초 임계압) 터빈 사이클에서 사용하고 있는 온도는 600 oC (1100 oF) 대의 증기 온도입니다.    

국내에서도 최근 600 oC 증기 온도를 사용하는 1000 MW 석탄 화력 발전소가 건설 중에 있으며, 이들 1000 MW 급의 석탄 화력 발전소 기술은 주로 일본 업체들이 주도하고 있습니다.

미국 및 유럽 업체들도 유사한 발전소들을 건설하고 있지만, 미국이나 유럽에서는 보다 엄격한 환경 규제에 따른 비 경제성과 더불어 석탄 연료 사용에 대한 배타적인 국민 정서상의 문제로 인하여, 그동안 1000 MW 규모의 Ultra-Supercritical 석탄 화력 발전소 건설이나 기술 발전에 있어서 일본보다 뒤쳐지는 느낌을 주고 있습니다.

1000 MW 규모의 Ultra-Supercritical 석탄 화력 발전소는 일본, 한국, 대만, 말레이시아 등과 같은 동남아 국가에서 주로 건설되고 있는데, 그 이유는 환경 문제보다는 국가의 전력 안정성 확보와 경제성이 우선시되기 때문인 것으로 판단됩니다.

그와 함께 미국 및 유럽, 일본에서는 +700 oC 의 증기 온도를 사용하는 Advanced Ultra-Supercritical 발전소에 대한 연구도 활발히 진행되고 있습니다.   더 높은 증기 온도를 사용하고자 하는 목적은, 결국 사이클 효율은 높여서 단위 생산 전력 당 환경 배출 양을 줄이기 위함 입니다.

+700 oC의 증기를 사용하기 위해서 풀어야 할 가장 중요한 문제는 해당 온도에서 사용할 수 있는 상용 합금 재료(Commercial Alloy Material)를 확보하는 일입니다.   

상용(Commercial)이라는 의미는, 제한적인 작업 환경에서만 사용할 수 있는 재료가 아니고, 일반 산업 작업 환경에서 사용할 수 있는 재료이어야 한다는 의미입니다.   재료가 상용화되는 시점은, 해당 재료의 물성이나 생산 규격 등이 국가 설계 규격(Design Code)에 의해 받아 들여지는 시점으로 보아야 할 것입니다.

현재 미국이나 유럽 그리고 일본에서는 +700 oC에서 사용할 수 있는 보일러 및 터빈 재료들의 규격화 작업이 진행 중에 있습니다.

이러한 재료의 상용화와 더불어 +700 oC의 증기를 사용하는 Advanced Ultra-Supercritical 터빈 사이클에 대한 연구도 함께 진행되고 있습니다.   

참고 문헌 [1]은 2012년도 10월에 태국 방콕에서 개최된 Power-Gen Asia에서, 미국 보일러 업체인 Babcock & Wilcox 사와 일본 터빈 업체인 Toshiba 사가 발표한 Advanced Ultra-Supercritical 발전소의 연구 진행 내용으로, 자세하지는 않지만 양 사가 공동으로 연구 중인 Advanced Ultra-Supercritical 터빈 사이클의 주요 설계 자료들이 기술되어 있습니다.

ENGSOFT 연구소에서는, ES_Rankine 소프트웨어를 사용하여 현재 연구 진행 중인 Advanced Ultra-Supercritical 터빈 사이클을 모사해 보고, 더 개선할 부분은 없는지 등을 연구해 보았습니다.

연구 결과, 현재 연구 진행 중인 Advanced Ultra-Supercritical 발전소의 설계 증기 조건들은 최적의 증기 조건을 찾아 진행 중인 것으로 파악되었습니다.   우리나라에서 Advanced Ultra-Supercritical 발전소에 대한 연구를 진행할 때 참고가 되었으면 합니다.

 

Advanced Ultra-Supercritical 터빈 사이클 설계 변수

참고 문헌 [1]에 기술된 Advanced Ultra-Supercritical 터빈 사이클의 주요 설계 변수는 다음과 같습니다.

Output

: 840 MW Gross

HP Steam

:

- Pressure

: 300 bara (4350 psia)

- Temperature

: 700 oC (1292 oF)

Reheat Steam

 (Single Reheat)

- Pressure

: 60 bara (870 psia)

- Temperature

: 730 oC (1346 oF)

Condenser Pressure

: 3 inch Hg abs.

Final Feed Water Temp.

: 330 oC (626 oF)

No. of FW Heaters

: 9 (4 HP Heaters, 1 Deaerator, 4 LP Heaters, 1 or 2 De-superheaters)

LP Turbine

: 1 x Double Flows

Last Stage Blade

: 48 inch, 3000 rpm

Thermal Efficiency

: 6% Improvement comparing with 600 oC Class Ultra-Supercritical Turbine Cycle

 

Ultra-Supercritical 과 Advanced Ultra-Supercritical 의 설계 변수 비교

850 MW Ultra-Supercritical Turbine Cycle 의 다른 설계 변수를 그대로 유지한 상태에서, Advanced Ultra-Supercritical의 상기 설계 변수를 적용하여 ES_Rankine으로 Simulation한 결과는 다음과 같습니다.   ENGSOFT Smart Run 데이터에 추가하기 위하여 840 MW를 850 MW 용량으로 수정하였으며, Condenser Pressure를 3 inch Hg abs.에서 1.5 inch Hg abs.로 수정하였습니다.

항목

850 MW Ultra-Supercritical

850 MW Advanced Ultra-Supercritical

HP Steam

 

 

- Pressure, bara

246

300

- Temperature, oC

600

700

Reheat Steam

(Single Reheat)

(Single Reheat)

- Pressure, bara

46

60

- Temperature, oC

600

730

Condenser Pressure, in Hg abs.

1.5

1.5

Final Feed Water Temperature, oC

294

330

No. of FW Heaters, each

8 (3 HP Heaters, 1 Deaerator, 4 LP Heaters

9 (4 HP Heaters, 1 Deaerator, 4 LP Heaters

LP Turbine

2 x Double Flows

2 x Double Flows

Last Stage Blade

48 inch, 3600 rpm

48 inch, 3000 rpm

Turbine Wheel Efficiency, %

HP : 89.5, Reheat : 92

HP : 89.5, Reheat : 92

Gross Heat Rate, kJ/kWh

7415.6 (48.55 % Eff.)

7060.6 (50.99 % Eff.)

Thermal Efficiency

Base

4.8% Improvement

 * 참고 문헌 [1]에서는 Advanced Ultra-Supercritical의 Thermal Efficiency Improvement가 Ultra-Supercritical 대비 6%라고 기술되어 있지만, ES_Rankine으로 분석할 결과로는 4.8% 로 나타났습니다.  참고 문헌에서 기준한 Ultra-Supercritical의 기타 설계 변수를 알 수 없기에 그 차이의 원인을 추정하는 것이 쉽지 않았습니다.

 

Advanced Ultra-Supercritical 최적화

ES_Rankine의 Optimum Enthalpy Rise Run 기능과 Smart Run 기능을 사용하여 참고 문헌 [1]에서 적용한 재열 압력과 최종 급수 온도의 적정성을 검토한 결과, 참고 문헌 [1]에서 적용한 설계 변수가 최적화된 설계 변수임을 알 수 있었습니다. (아래 표 참조)

ES_Rankine을 사용한 분석 결과에 따르면, 최적의 재열 증기 압력 및 최종 급수 온도가 76 bara에 340 oC 인 것으로 분석이 되었으나, 그에 따른 Thermal Efficiency Improvement가 0.1 % 에 불과해서, 재열 압력 상승에 따른 보일러 및 재열 증기 배관의 자재비 상승을 고려할 때, 굳이 최적화된 변수들을 적용할 필요는 없는 것으로 판단되었습니다.

한가지 중요한 점은, 재열 증기 압력과 최종 급수 온도를 76 bara 및 340 oC 이상으로 높이면 사이클 열 효율이 감소하기 시작하므로, 그 이상으로 재열 압력과 최종 급수 온도를 높이지 않아야 하는 것으로 파악되었습니다.

항목

참고 문헌 [1] 기준

Optimized by ES_Rankine

HP Steam

 

 

- Pressure, bara

300

300

- Temperature, oC

700

700

Reheat Steam

(Single Reheat)

(Single Reheat)

- Pressure, bara

60

76

- Temperature, oC

730

730

Condenser Pressure, in Hg abs.

1.5

1.5

Final Feed Water Temperature, oC

330

340

No. of FW Heaters, each

9 (4 HP Heaters, 1 Deaerator, 4 LP Heaters

9 (4 HP Heaters, 1 Deaerator, 4 LP Heaters

LP Turbine

2 x Double Flows

2 x Double Flows

Last Stage Blade

48 inch, 3000 rpm

48 inch, 3000 rpm

Turbine Wheel Efficiency, %

HP : 89.5, Reheat : 92

HP : 89.5, Reheat : 92

Gross Heat Rate, kJ/kWh

7060.6 (50.99 % Eff.)

7054.2 (51.03 % Eff.)

Thermal Efficiency

Base

0.1% Improvement

 

ES_Rankine의 Optimum Enthalpy Rise Run 자료

아래 그림은 상기 "참고 문헌 [1] 기준" 상태에서, ES_Rankine의 Optimum Enthalpy Rise Run을 실행한 결과입니다.   

분석 결과, 338.78 oC에서 7057.1 kJ/kWh의 최저 열 소비율, 즉 최고 효율을 나타내는 것으로 분석되었습니다.   

ES_Rankine의 Optimum Enthalpy Rise Run은 각 급수 가열기에서의 Enthalpy Rise가 모두 같도록 한 상태에서 분석하므로, 실제 Heat Balance 계산과는 약간 다른 결과를 나타낼 수 있습니다.   하지만, 어느 최종 급수 온도 부근에서 열 효율이 정점을 이루는지는 알 수 있는 결과입니다.

 

ES_Rankine의 Smart Run 자료

아래 그림은 상기 "참고 문헌 [1] 기준" 상태에서, ES_Rankine의 Smart Run 기능의 Final Feed Water & Reheat Pressure optimized 옵션으로 실행한 결과입니다.   

분석 결과, 재열 증기 압력 76 bara, 최종 급수 온도 340 oC에서 7054.3 kJ/kWh의 최저 열 소비율, 즉 최고 효율을 나타내는 것으로 분석되었습니다.

한가지 눈 여겨 볼 점은, 76 bara 재열 압력이 30.57% Reheat AEEP Level 인 점으로, 대부분의 재열 사이클이 30% Reheat AEEP Level에서 최저 열효율을 나타낸다는 점입니다.   앞으로 재열 사이클을 설계할 때 이 점을 잘 기억해 두면 매우 유용하게 사용하실 수 있을 것입니다.

 

850MW Advanced Ultra-Supercritical 터빈 사이클 Heat Balance Diagram

ES_Rankine으로 모사한 850MW Advanced Ultra-Supercritical 터빈 사이클의 Heat Balance Diagram입니다.

 

Optimized 850MW Advanced Ultra-Supercritical 터빈 사이클 Heat Balance Diagram

ES_Rankine으로 최적화한 850MW Advanced Ultra-Supercritical 터빈 사이클의 Heat Balance Diagram입니다.

 

850MW Ultra-Supercritical 터빈 사이클 Heat Balance Diagram

ES_Rankine으로 모사한 850MW Ultra-Supercritical 터빈 사이클의 Heat Balance Diagram입니다.

 

참고 문헌 :

1. BR-1884, Advanced Ultra-Supercritical Power Plant (700 to 760 oC) Design for Indian Coal, Technical Paper presented at Power-Gen Asia held in Bangkok, Thailand dated October 3-5, 2012, by P.S. Weitzel, J.M. Tanzosh, B. Boring of Babcock & Wilcox U.S.A. and N. Okita, T. Takahashi, N. Ishikawa of Toshiba Corp. Japan


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