소형 열 병합 발전 시스템 개요

2004. 7.

한국가스공사 연구개발원이용기기 연구센터

○ 고효율 에너지 시스템

대형발전소의 발전효율 30∼35%

⇒ 총효율 70∼85% 의 열병합발전시스템의 보급활성화 필요

○ 기존 대형발전소는 석탄 , 원자력의 부산물에 의한 환경공해 발생

⇒ 천연가스 열병합 보급시 환경공해문제 및 기후변화 협약에 대처

○ 천연가스의 계절별 수요편차 및 하절기 전력난 해소 대안

⇒ 계절별 수요편차 (TDR) 는 약 4.5∼5.0 : 1 로서 부하관리 어려움

⇒ 가스냉방의 보급활성 화 와 병행 필요

보급활성화 필요성 개요

0 2 4 6 8 10 120

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

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가스와 전력의 년간 수요형태

냉방

’03 년도 천연가스 수요TDR=4.0

’02 년도 전력 (kW) 수요TDR=1.2

○ 열병합 시스템 (Cogeneration System)이란

⇒ 하나의 에너지원으로부터 전력과 열을 동시에 발생시키는 종합에너지시스템 (Total Energy System)

○ 열병합 발전시스템

열병합 시스템의 정의

µµ½Ã°¡½º

Àü·Â ÈíÀÔ°ø±â

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열병합시스템 효율

○ 효율은 입력과 출력의 비로 표시

⇒ 발전효율 = 발전전력 (B) / 소비연료 (A)

⇒ 열회수효율 = 회수열 (C) / 소비연료 (A)

⇒ 종합효율 = [발전전력 (B) + 회수열 (C)] / 소비연료 (A)

⇒ 이용효율 = [이용전력 (F) + 이용열 (G)] / 소비연료 (A)

¿¬ ·á(A)

¹ßÀü ÀåÄ¡

발전(B) 전력

회수열(C)

배열(D)

보기(E) 전력

이용(F) 전력

이용열(G)

미이용(G) 열

열병합시스템 효율 (개념 )

1 차 에너지 2 차 에너지 용 도

¿£Áø/°¡½ºÅͺó

Æó¿ º¸ÀÏ·¯

¹ßÀü±â Àü ·Â

¿

온수

증기

. ( )업무용 건물. ( )산업용 공장

.급탕. /냉방 난방

. /냉방 난방

.건조.산업체공정용

LNG, °æÀ¯LPG, ÁßÀ¯

열병합시스템 분류 (규모별 )

구 분 주 요 내 용 실 예1. 대 형 가 스 발 전 소 (가 스 복 합 화 력 발전소 )

· 총효율 40∼50%( 전력만 생산 )· 가스터빈 + 스팀터빈· 용량 : 50∼150MW

·서인천화력 , 평 택 복합화 력 발 전소

2. 중형 가스발 전소 ( 가스복

합 열병합 발전소 )

· 총효율 60%이상 ( 전력 및 열생산 )· 가스터빈 + 증기터빈으로 복합· 용량 : 50∼100MW

·분당 , 안양 , 부천등

3. 중소형 가스발전소 ( 산업체

열병합 발전소 )

· 총효율 60% 이상 ( 전력 및 열생산 )· 폐열은 회수 , 공장프로세스용으로 사용· 용량 : 3∼30MW

·KOGAS 인 천 인수기지 ,

포항 제철 , LG정유등

4. 소 형 열 병 합 발 전 시스템

· 총효율 70∼85%이상 ( 전력 및 열생산 )· 가스터빈 및 엔진으로 발전· 용량 : 5MW 이하

·KOGAS 본사 , 롯데월드 , 센터 , 롯데호텔등

열병합시스템 분류 (원동기별 )

항 목 마이크로가스터빈

가스엔진 가스터빈 연료전지

기본 사이클 Brayton Cycle

Otto Cycle Brayton Cycle

-

연소방식 연속연소 Spark 점화 연속 연소 연속반응

발전단 효율 (%) 25∼35 26∼36 15∼25 40~50

출력범위 (kW) 20∼300 10∼1000 500∼100,000

1~200

종합 열효율 (%) 75∼90 80∼90 75∼80 80~90

NOX 50 이하 150 이하 100 이하 50 이하

엔진가격 중 저 고 고

소음 (dBA) 80 이하 95∼105 95∼110 60 이하

열전비 약 2 약 1.5 약 2 약 1.0

○ 국내 (1000kW 이하 )

국내외 보급현황

설치장소 용량(kW)

설치대수 비 고 설치년도

웨스틴 조선호텔 850 1 디젤엔진 (LNG 개조 ) 1986

가든호텔 450 2 디젤엔진 (LNG 개조 ) 1987

한국가스공사 1,000 1 가스터빈 열병합 1997

부천 성가병원 570 2 가스엔진 1999

성빈센트병원 985 1 가스엔진 2000

하나병원 70 2 가스엔진 2000

안양병원 333 1 가스엔진 2001

신병원 235 1 가스엔진 2001

신동아 아파트 279 1 가스엔진 2001

평택 삼성아파트 340 1 가스엔진 2002

마산 중리 현대아파트 340 1 가스엔진 2002

인천 만수 주공 4 단지 APT340 2

가스엔진 2002228 1

○ 국내 (1000kW 이상 )

국내외 보급현황

설치장소 용량(kW)

설치대수 비 고 설치년도

신라호텔 2,500 1 가스엔진 1986

워커힐호텔 2,100 1 가스엔진 1988

잠실 롯데월드 5,900 6 가스엔진 1988

인터콘티넨탈호텔 2,100 2 가스엔진 1988

부산 롯데 2,500 3 가스엔진 1995

삼성 에버랜드 1,500 1 가스터빈 1995

분당 테마폴리스 1,400 3 가스엔진 1998

센트럴 시티 3,000 3 가스엔진 1998

LG 강남타워 1,400 3 가스엔진 1998

수원 민자역사 1,500 3 가스엔진 2003

○ 아파트용 엔진열병합 현황

국내외 보급현황

0 100 200 300 400 5000

2

4

6

8

10

12

대수

(kW)발전용량

• 총 28 개소 39 대 설치

• MDE 사 21 개소 28대

• Lindenberg 사 6 개소 10대

• 기타 1 개소 1대

○ 설치 및 설계 장려금

⇒ 대상설비 : 가스엔진 및 가스터빈 열병합발전 시스템

⇒ 지급대상 :

- 설치지원금 : 열병합설비 신설 또는 증설한자

- 설계장려금 : 열병합설비를 설계한 설계사무소

⇒ 지급금액 : 10,000원 /kWe( 한도 1,000만원 )

⇒ 접수처 : 한국가스공사 관할지사 관리부

⇒ 신청기간 : 연중 ( 회계연도 12.31 기준 20 일전 접수분 )

국내 지원제도

○ 에너지이용 합리화 자금

⇒ 근거 : 에너지이용 합리화법에 의한 에너지절약시설 설치사업

⇒ 지원내용

- 절약시설설치사업 : 소요자금의 100%, 변동금리

(’04 년 ¾ 분기 연리 3.0%, 3 년거치 5 년 분할상환 )

○ 세액공제 ⇒ 조세특례법에 의한 제 25 조 2 에 의거 투자금액의 7% 를

법인세

또는 소득세에서 공제

국내 지원제도

○ 열병합용 가스요금

⇒ 지역별 열병합발전 요금 (’04.1.1기준 , 단위 : 원 /Nm3)

국내 지원제도

도 매 소 매구분 전국 구분 서울 경기 부산 대전 기타

냉방 227 259 270 317 303

주택난방용

424 난방 ( 개별 ) 465 472 518 522

난방 ( 중앙 ) 465 472 507 486

열병 합 및집단에너지용

393 기타 동절기 426 452 416 455

321 하절기 353 363 345 383

350 기타 383 409 374 412

지역난방

동절기 411 413

하절기 339 341

기타 368 370

가스터빈 열병합발전시스템

가스터빈 출력 : 1,100kW회전속도 : 26,600rpm시동 : 전동기

발전장치 형식 : 회전계자형 동기발전기용량 : 1,450kVA, 역률 : 0.8

폐열회수장치

형식 : 관류식 증발량 : 3,070kg/h,

8kg/cm2

제어반 가스터빈 , 발전기 , 보조기기연료공급장치

형식 : 축단구동 스크류식 소요동력 : 55kW 토출압력 : 15kg/cm2

Nox저감장치

연소실 수분사방식

○ 1992 년부터 1995 년 개발 ○ 사무용빌딩 설치 사례

설치사례

Boiler

Á¦­­¾î­­¹Ý

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­Á¦¾î½Ç

18000

11800

±Þ­­¼öÅÊ­­Å©

°ø­±â¾ÐÃà±â

Turbine

¼ø­¼öÀå­Ä¡

Áõ­­­±â­­°ø­­±Þ­­(­­8kg/cm2­)°¡­½º­­­¶ó­­ÀÎ(­1.5kg/cm2)

Àü­·Â­­¹×­­½Å­­È£­­¶ó­­­À

Î

Àü·Â­°ø±Þ(380V,­1056kW)

¹è­±â­°¡­½º

°¡­½º¾Ð­Ãà­­±â

설비 개요 ( 냉난방 계통도 )

Áõ±â Çì´õ

Á÷È ½Ä ³Ãµ¿ ±â320RT X 3±â

¿ ±³È¯±â810Mcal/h X 3±â

Èí¼ö½Ä ³Ãµ¿ ±â320RT X 3±â

º¸Á¶ º¸ÀÏ·¯ º¸Á¶ º¸ÀÏ·¯

3.07T/h

8kg/cm

8kg/cm2

1.5T/h 1.5T/h

8kg/cm2

¿ º´ÇÕ ½Ã½ºÅÛ ( Àü·Â 1056kW )

FCU

³ ¹æ

: ¹°¶óÀÎ

: Áõ±â¶óÀÎ

³Ã¹æ2

설비 개요 ( 전력계통도 )

FROM­:­KEPCO­3P­4W­22.9KV­AC­60Hz

M.­O.­F 32P

Y Y

Y YG

G

cogeneration

emergency

ÀϹݵ¿·Â ÀϹݺñ»óµ¿·Â­¹×­¼Ò¹æµ¿·Â Àüµî.Àü¿­ O.A­¹×­Àü»ê

1000kVA 1000kVA1056kW

1000kW

500kVA 500kVA

VCB

32Q 51 67N

가스엔진 열병합발전시스템

○ 1992 년부터 1995 년 개발 ○ 가스과학관 설치 가 스 엔 진

형식 I 형 , 6실린더

bore x stroke

137x165

출력 226kW 배기량 14litter

회전수

1800RPM

연료소모량 58.18Nm3/h

과급장치

turbo-charger

연료공급압력

1.5∼5PSIG

압축비

10 : 1 사용연료 천연가스

시동방식

전기식(DC24V)

배기가스온도

561℃

가스엔진 ( 설치사례 )

○ 연간 8000 시간 , 약 10 년 이상의 신뢰성 ○ 산업용 , 정치용 , 미국 Caterpillar 사   3406SITA

시스템 개요도

6CY-14L 33%Generator(380/220V)

Muffler

304BHP*226kW1800RPM

p

p

p

p

p

200kW Gas Engine

Co-generationSystem Heat Balance

Enclosure outside 74dB Exh 2340m3/hc=264Kcal/Kg-Cr=0.42Kg/m3

Elec.

561 C.

Gas Engine

99dB

AL-TRONIC 210kW

93 C..

.

96 C

89 C

180 C

89 C

88 C

80 C

32 C

32.5 C

Fuel supply12-20psi(1.5-5psi)58.2m3/h

99,000Kcal/h242,000Kcal/h

...

.

.

.

20m3/h

5.5kW*2

5.5kW*2

26m3/h3HPCoolingTower

347,000Kcal/h(89 C RT)

MAX TCV-1

HeatBalanceH.E

Max50 C

T>80

Cooling

11kW*248m3/h

CV-3

12 C

CV-1

32 C

80 C

Chiller

37.5 C

CoolingTower7.5HP

547,000Kcal/h(147 C RT)

10 C

TCV-2

Heating

4.8m3/h3.7kW*2

CV-2

93 C

80 C338,000kcal/h

Heatingexchanger

19kw*2105m3/h

.

..

.

.

.

.

.

.7 C 78RT

COP=7

.

.

.

8.6Kcal/h

시장 전망시장 전망

마이크로터빈 시장 전망

050

100150200250300

2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

년도

kW만

-가스열병합발전 누적 -마이크로터빈 누적-1가스열병합발전 년기준 -1마이크로터빈 년기준

MGT 열병합 소개

­­Model330­Model330­ 성능사양성능사양

Capstone­Model­330

Parameter Description

Power* 28kW­NET(±1)

Efficiency­(LHV) 25%(±2)

Heat­Rate­(LHV) 14,400kJ/kWh

Emissions­(NOX) <­9ppmV­@­15%­O2

Fuel­Flow(NG­HHV) 440,000kJ/hr

Exhaust­Gas­Temp. 275℃

Mass­Flow 0.31kg/s

Total­Exhaust­Energy 327,000kJ/hr

Sound 65dBA­@­10m

­※ Full­load­spec.­@­ISO­conditions(15 ,­℃5psig)

＊ Low­Pressure­Type­:­Compressor 동력으로 2kW­자체소비됨

DPC

MicroTurbine

공기 흡입구

배기

제어판

유저 커넥션부

고전압 단자

연료 공급부

MicroTurbine™ 시스템 Overview

MGT 열수지 시스템 기술

연소기

터 빈발전기

인버터

재생

열교환기

압 축 기

1600Hz 교류출력

28kW 60Hz

연료

연료가스

컴프레서

배기

공기 15℃

273 ℃

850℃

534℃

205℃

593℃

96000rpm

Air­BearingAir­Bearing

Spring

Foil

Shaft

Spring

Foil

Shaft

•MTG 내 유일한 Moving­part­→­ 구동부의 수명증가

• 축속도 20,000rpm 이상시 공기막형성되며 Bearing → 을 띄워줌 Max.­

96,000rpm

• 윤활부가 필요없으며 그로인한 단순화 ,­ 정기점검생략으로 비용감소효과가 커짐

마이크로터빈 핵심 기술 - Air Bearing

스프링

Foil­

샤프트

Air Bearing 단면도30kW 로터 어셈블리

• 신뢰성• 제품의 단순화• 윤활유 및 냉각수의 불필요• 고속 운전 (96,000rpm)• 낮은 운전비용• 주기적 점검의 불필요• 제품 과열에 따른 성능저하를 예방

마이크로터빈 핵심 기술 -레큐퍼레이터

• 가스터빈 소형화에 따른 효율 저하 극복의 핵심 기술

• 100% 기술 보유 및 자체 생산• 생산 자동화로 인한 신뢰도 향상

MGT­MGT­ 및 수소흡장 냉동기 및 수소흡장 냉동기

• 약 275℃ 의 MGT 배가스를 열원으로하여 ,

• 수소가 수소흡장합금 (Metal Hydride) 에 흡수시 발열반응 ,

• 방출시 흡열반응원리를 이용하여 약 -10℃ 의 냉열매체를 생산하여 냉동 , 냉

장에 이용하는 기기임 (일본 , JSW 사 개발 )

MGT

냉각탑

냉동창고

수소흡장냉동기 (MHR)

280 0.99MPa

0.05MPa

수소

수소

Metal

hydride

발열

판영열교환기

hydride

Metal

-15 흡열

흡열

40 발열

냉각탑

MGT­MGT­ 및 수소흡장 냉동기 및 수소흡장 냉동기

Parameter Description

배가스유량 / 입구온도

800Nm3/h / 270℃

냉동출력 2JRT(6,640kcal/h)

Brine 온도 -5℃

Brine45 /min (30% ℓ메탄올수용액 )

냉각수 120 /min ℓ(32℃ 이하 )

배가스 흡수식 냉난방기 개발 배가스 흡수식 냉난방기 개발

배가스를 일중+ 이중효용 사이클• 배가스의 고온부는 이중효용 사이클에서 저온부는 일중효용

사이클에서 회수하는 시스템

• 회수열량 :  48.4kW ( 회수온도 261℃→115℃)

- 이중효용사이클 : 30.3kW × COP(1.0) = 30.3kW

- 일중효용사이클 : 18.4kW × COP(0.6~0.65) = 11~12kW

배가스흡수식 냉난방기 배가스흡수식 냉난방기

배가스입구

보조열교환기

용액펌프

흡수기증발기

저온재생기

용액펌프

저온열교환기

고온열교환기

고온재생기 보조재생기

배가스출구

응축기

hexh1 hexh2 hexh3

7

45

33

9

34

1

8

3

41

6 5

32

31

36

35

1

24

1

4

44

46

9s

422

43

10

MGT출구

보조연소

hexh,in

hc,in

MGT­MGT­ 성능평가장치 성능평가장치

MGT­MGT­ 실험장치 설치 현장실험장치 설치 현장