복합화력발전소개, CCPP, Gas Turbine / HRSG / Steam Turbine

What is a combined cycle power plant?
CCPP (Combined Cycle Power Plan) 복합화력발전은 전기 생산을 위해 가스 터빈과 스팀 터빈을 결합한 파워 플랜트입니다. 가스 터빈은 전기를 직접 생산하며, 배출 가스는 HRSG (Heat Recovery Steam Generator)에서 스팀을 생산하는데 쓰입니다. 생산된 스팀은 스팀 터빈을 동리며 전기를 생산합니다.

Combined cycle power plants utilize both the Rankine thermodynamic cycle, and Brayton thermodynamic cycle, hence, they are 'combined cycle' power plants. The Rankine cycle describes the thermodynamic properties of a heat engine that uses a fluid as the working fluid (typically steam), whilst the Brayton cycle describes the thermodynamic cycle of a heat engine that uses a gas as the working fluid.

What are the main parts of a combined cycle power plant?
The main parts of a CCPP are: Gas Turbine / HRSG / Steam Turbine

복합화력발전은 가스터빈, 배열회수보일러, 스팀터빈으로 구성

How Combined Cycle Power Plants Work
The following is a simplified overview of how a combined cycle power plant works:
1. Air is drawn into the gas turbine compressor.
2. The air is compressed and then mixed with fuel in the combustor section of the gas turbine.
3. The fuel-air mixture is ignited, and the hot exhaust gases are directed to the turbine section of the gas turbine.
4. The turbine section rotates, driving the gas turbine generator and producing electricity.
5. The exhaust gases from the gas turbine are directed to a HRSG.
6. As the exhaust gases pass through the HRSG, their heat passes to the HRSG pipes, which are full of water. The water is heated and turns to steam.
7. The produced steam is directed to a steam turbine.
8. The steam turbine rotates, driving a generator, thus producing electricity.
9. Exhaust steam from the steam turbine is condensed in a condenser and returned to the HRSG.
Note that both the gas turbine and steam turbine are used to generate electricity. It is however the gas turbine that produces electricity and the heat required to make steam, which is then used to drive the steam turbine.

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Gas Turbine
Market: GE, Siemens, 미쓰비시파워, 안살도, 두산에너빌리티

How gas turbine produce electricity
To generate electricity, the gas turbine heats a mixture of air and fuel at very high temperatures, causing the turbine blades to spin. The spinning turbine drives a generator that converts the energy into electricity.
The gas turbine can be used in combination with a steam turbine—in a combined-cycle power plant—to create power extremely efficiently.

https://www.gevernova.com/gas-power/resources/education/what-is-a-gas-turbine

1—Air-fuel mixture ignites
The gas turbine compresses air and mixes it with fuel that is then burned at extremely high temperatures, creating a hot gas.
2— Hot gas spins turbine blades
The hot air-and-fuel mixture moves through blades in the turbine, causing them to spin quickly.
3— Spinning blades turn the drive shaft
The fast-spinning turbine blades rotate the turbine drive shaft.
4—Turbine rotation powers the generator
The spinning turbine is connected to the rod in a generator that turns a large magnet surrounded by coils of copper wire.
5—Generator magnet causes electrons to move and creates electricity
The fast-revolving generator magnet creates a powerful magnetic field that lines up the electrons around the copper coils and causes them to move. The movement of these electrons through a wire is electricity

 

 

GE Vernova

2024.4.2 설립 (파워사업부, 윈드사업부, 전기화, 가속기 사업부)
POWER, WIND, ELECTRIFICATION, ACCELERATORS

1x1 cc와 2x1 cc는 가스터빈의 압축기(Compressor) 구성을 나타내는 용어입니다. 여기서 x는 압축기의 개수를, cc는 압축기의 용량을 나타냅니다. 1x1cc: 하나의 압축기로 구성된 가스터빈으로, 압축기의 용량이 1,000 cubic feet per minute(CFM) 이하인 소형 가스터빈에 주로 사용됩니다. 2x1cc: 두 개의 압축기로 구성된 가스터빈으로, 압축기의 용량이 1,000 CFM 이상인 대형 가스터빈에 주로 사용됩니다. 가스터빈의 순출력 (Net Output)은 가스터빈이 실제로 생산하는 전력량을 의미하며, 다음과 같은 요소들에 의해 결정됩니다.

 

 

 

SIEMENS

 

Heavy-duty gas turbines
- Robust and versatile engines specifically designed for large power plants
- Suitable for peak, intermediate, or base load duty, and cogeneration applications
- Extensive validation and testing for reliability and performance
- Engines have a proven track record in commercial operation with exceptional efficiency
(Power generation in MW(e))

 

 

 

Industrial gas turbines
- Robust and compact design for industrial power generation and mechanical drive applications
- High steam-raising capabilities with over 80% plant efficiency
- Proven with 2,250+ units sold
- Ideal for small utilities, independent power producers, and the oil and gas industry
(Power generation in MW(e) / mechanical drive in MW)

 

 

미쓰비시파워(MPW)

https://power.mhi.com/products/gasturbines

H-24 Series

H-100 Series

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Replacement
Replacing worn gas turbines with H-100 Series ones will result in reduced nitrogen oxide (NOx) and carbon dioxide (CO2) emissions as well as lower fuel consumption after improvement of plant efficiency. Replacement of gas turbines paves the way for making the most of existing plant equipment and it is applicable not only for simple cycle plants but also for combined cycle plants.

 

 

 

 

두산에너빌리티(구 두산중공업)
https://www.doosanenerbility.com/kr/business/gas_turbine_product

2022년 3월 29일 정기주주총희 의결을 통해 두산중공업에서 두산에너빌리티로 사명을 변경했다. 이는 지난 2001년 두산에 인수된 후 약 21년 만의 사명 변경이다. 에너빌리티(Enerbility)는 에너지(Energy)와 서스테이너빌리티(Sustainability, 지속가능성)를 결합한 조합어이며, 그 결합을 가능하게 한다는 '에네이블(Enable)'의 의미도 내포되고 있다.

발전용 가스터빈이란?
발전용 가스터빈은 고온고압의 가스로 터빈을 가동시키는 회전형 열기관으로 터빈에 연결된 발전기를 통해 전기에너지를 생산합니다. 가스발전(LNG)의 초미세먼지(PM 2.5) 배출은 석탄발전의 9분의 1, 직접 배출되는 황산화물, 질소산화물 등의 대기오염물질은 석탄발전의 3분의 1 이하 수준으로 친환경 운전이 가능합니다.

DGT6-300H S1 – 대한민국 최초 H Class 60Hz 가스터빈 모델 (270MW, >40% 단순발전효율, >60% 복합발전효율, 기동시간 12분, 부하상승률 40MW/min)

 

 

 

 

DGT6-300H S2 – H+ Class 가스터빈 (380MW, >43% 단순발전효율, >63% 복합발전효율, 기동시간 12분, 부하상승률 50MW/min)
DGT-100 – 부하간헐성 대응을 위한 90MW 중형 가스터빈 (90MW, <39% 효율, 가동시간10분, 부하상승률 20MW/min)
DGT-5 – 저 발열량 연로에 적용가능한 소형 가스터빈 (5MW, >29% 단순발전효율)

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HRSG

HRSG 시장 - Vogt Power(USA), John Cockerill(벨기에), AC Boilers, SNT Energy, BHI

HRSG란?
화력발전소에서 가스터빈을 돌린 후 배출되는 가스의 열을 재활용하여 스팀을 생산하는 역할을 합니다. 이렇게 생산된 스팀은 다시 스팀터빈을 돌려 전기를 생산하는 데 사용되며, 이를 통해 에너지 효율성을 높이고 이산화탄소 배출량을 줄일 수 있습니다. 
주로 복합화력발전소에 설치되어 사용되며, 전 세계적으로 환경 문제가 대두되면서 HRSG의 중요성이 더욱 높아지고 있습니다.
HRSG(Heat Recovery Steam Generator)는 스팀 제너레이터, 화학 플랜트, 제철 플랜트, 소각로 시스템 등의 산업 Plant분야 열회수의 중요한 공정에 사용되는 Fin Tube Type 열교환기로서 가스터빈 배출가스의 여열을 회수하여 발전용 및 공정용 증기를 발생시키는 폐열회수장치입니다. LNG를 주원료로 기존 화력발전의 가스터빈을 가동시키면서, 동시에 이 때 발생하는 고열의 폐가스를 HRSG 설비를 통해 회수하여 스팀터빈을 가동함으로써 2단계에 걸친 효율적인 전력생산을 가능케하는 환경친화적 성격의 발전형태인 복합화력발전소의 핵심설비입니다.
https://www.bhi.co.kr/menu2_1_3

Heat Recovery Steam Generator (배열회수보일러)
복합화력발전소는 LNG를 주원료로 사용하며, 기존 화력발전의 가스터빈 가동과 이 때 발생하는 고열의 폐가스를 이용하여 스팀을 발생시켜 스팀터빈을 가동함으로써 2단계에 걸친 효율적인 전력생산을 가능케하는 환경친화적 성격의 발전형태입니다.
배열회수보일러는 폐열을 이용하여 스팀터빈의 발전에 필요한 증기를 생성시키는 설비로 고주파 핀튜브의 품질과 설계, 제작 등에 따른 노하우 등이 품질에 중요한 영향을 끼치게 됩니다.
SNT 에너지의 창원 본사 공장은 세계 최대의 H.R.S.G. 생산공장으로 고주파 핀튜브의 생산에 이은 H.R.S.G. Module의 생산이 연속적으로 가능하게끔 설계되어 있어 시간 및 비용의 단축효과가 상당히 우수합니다. 연간 약 3,640개의 Panel 제작능력을 보유하고 있습니다.
https://www.hisnt.com/kor/business/hrsg.html

 

SNT

 

 

 

 

SNT

 

Vogt Power (USA)
A HRSG converts gas turbine exhaust into power for the steam turbine in a combined-cycle power plant. 60 years after producing the very first HRSG, Vogt is the one-stop source for Excellence-In-Heat-Recovery® to operators of more than 600 HRSGs in over 40 countries.

 John Cockerill(벨기에)
Heat Recovery Steam Generators (HRSG) are a key element in the energy performance of power plants.

AC Boilers
AC BOILERS SpA, formerly Ansaldo Caldaie, has extensive experience with Heat Recovery Steam Generators for large Combined Cycle Power Plants and has installed over 100 units in Italy and abroad.

 

SNT Energy
복합화력발전소는 LNG를 주원료로 사용하며, 기존 화력발전의 가스터빈 가동과 이 때 발생하는 고열의 폐가스를 이용하여 스팀을 발생시켜 스팀터빈을 가동함으로써 2단계에 걸친 효율적인 전력생산을 가능케하는 환경친화적 성격의 발전형태입니다.
배열회수보일러는 폐열을 이용하여 스팀터빈의 발전에 필요한 증기를 생성시키는 설비로 고주파 핀튜브의 품질과 설계, 제작 등에 따른 노하우 등이 품질에 중요한 영향을 끼치게 됩니다.

BHI
HRSG(Heat Recovery Steam Generator)는 스팀 제너레이터, 화학 플랜트, 제철 플랜트, 소각로 시스템 등의 산업 Plant분야 열회수의 중요한 공정에 사용되는 Fin Tube Type 열교환기로서 가스터빈 배출가스의 여열을 회수하여 발전용 및 공정용 증기를 발생시키는 폐열회수장치입니다.

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Steam Turbine

스팀 터빈 시장: 지멘스, 알스톰, 미쓰비시, GE, 두산중공업

 지멘스

 

 

 

 

GE

GE’s steam turbines equip 41% of the world’s combined-cycle plants. Right now there are more than 1,000 combined-cycle steam turbines operating in 70+ countries, generating more than 140 GW of power. Our steam turbines can be installed and operational in eight months or less for industry-leading commissioning.

STF-A650, STF-D650 and STF-D600 steam turbines

 

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에너지신문 – 복합화력발전

발전용 가스터빈은 한 번 설치하면 수명이 20~30년에 달한다. 게다가 원천기술 확보도 어려워 진입 장벽이 매우 높은 시장으로 꼽힌다. 가스터빈 시장은 제너럴일렉트릭(GE), 지멘스, 미쓰비시파워(MPW) 등 3대 기업이 세계 시장 점유율 80% 이상을 과점해 오고 있다.

두산중공업은 지난 2019년 11월 독자적으로 순수 국내 기술로 270MW급(DGT6-300H S1) 모델을 개발했다. GE, 지멘스, 미쓰비시, 이탈리아 안살도 에네르기아 등에 이은 세계 다섯 번째 쾌거였다.

GE의 최신 가스터빈 기종(7HA.03)과 미쓰비시의 최신 기종(M501JAC)은 2025년 50% 수소 혼소를 목표로 하고 있으며, 지멘스의 최신 기종(SGT6-9000HL)과 두산중공업의 최신기종(DGT6-300H S2+)도 2025년 30% 수소 혼소를 목표로 기술이 개발되고 있다.

 

복합화력발전 연구논문

복합 발전이란 고효율(Combined Cycle) 복합 사이클 발전 기술이다. 가스터빈 기반의 상부 사이클에서 전기를 생산할 때 발생된 고온의 배기가스를 배열 회수 증기발생기(HRSG: Heat Recovery Steam Generator) 에서 증기로 변환시켜 증기터빈 기반 하부 사이클에서 추가적으로 전기를 생산하는 방식이다

가스터빈의 특성 상 다양한 연료를 사용할 수 있지만 천연가스를 주로 사용하며, 국내에서는 액화천연가스(LNG: Liquified Natural Gas)를 주로 사용하기 때문에 LNG 복합 발전이라 부르기도 한다.

복합 발전 기술은 1980년대 이후 매 10년 주기로 진화 화고 있으며, 그 결과 2010년도 이후부터는 터빈 입구 온도 1500°C, 복합 발전 효율 60% 수준의 고효율 모델이 대세를 이루고 있다.

OEM사로는 미국의 GE가 전체 시장의 42.3%로서 가장 큰 규모를 차지하고 있으며, 독일의 Siemens(27.9%)가 그 뒤를 잇고 있다. 또한, 최근 들어 일본의 Mitsubishi(8.8%)가 주목할 만한 성장 세를 보이고 있다

국내에서는 2008년부터 5년간에 걸친 개발 기획 과정을 거쳐 국가 지원 기술 개발 사업의 형태로 F급 복합 발전용 가스터빈 개발이 착수되었다.