배열회수보일러 HRSG란 무엇인가?

HRSG 전경

배열회수보일러 HRSG에 대한 정보를 찾고 있나요? 이 글을 통해서 배열회수보일러가 어떤 것인지 좀더 쉽게 알게 될 것입니다. 지금 바로 발전 효율 핵심설비인 HRSG에 대하여 원리 및 주요 구성을 확인하세요!

글의 순서

1. 복합발전

복합발전플랜트

일반적으로 대부분 발전소가 가스터빈 엔진을 주요 동력으로 사용합니다. 여기서 단순 발전SCPP(Simple Cycle Power Plant)는 가스 터빈(Gas Turbine)만 이용하여 전력을 생산하는 발전 플랜트를 말하며, 복합 발전 CCPP(Combined Cycle Power Plant)는 단순 발전(Single Cycle)과 배열회수 보일러를 통해 생성된 증기를 이용한 증기 스팀 터빈(Steam Turbine) 발전으로 전력을 생산하는 플랜트를 말합니다. 즉, 1차적으로 가스터빈 발전을 하고, 2차적으로 증기터빈 발전을 조합하여 복합 사이클로 발전하는 것을 말합니다.

CCPP를 좀 더 설명드리면 주원료인 액화천연가스(LNG)를 태운 에너지로 가스 터빈(Gas Turbine)을 가동해 1차 전기를 만들고 이때 가스 터빈에서 발생하는 고온의 배기가스가 배열회수보일러 내부 유입으로 Tube를 통과하게 되면 각각의 Drum에서 고온의 고압 증기가 생산되고 생산된 증기는 스팀터빈(Steam Turbine)을 가동해 2차 전기를 만듭니다.

2. 원리

HRSG Money

HRSG는 Heat Recovery Steam Generator의 약자로서 가스터빈(Gas Turbine)에서 배출되는 고온의 배기가스(Exhaust Gas)의 열(Heat)을 회수(Recovery) 해서 물을 데워 증기(Steam)를 생성하며, 생성된 스팀은 배관을 통해 스팀터빈(Steam Turbine)으로 보내는 설비로서 높은 압력을 가진 증기의 힘으로 스팀 터빈에 날개를 회전시키고 이 운동에너지로 전기를 생산합니다.

일종의 열 교환 장치로서 열회수증기발전기 또는 증기 발생기(Steam Generator)라고도 할 수 있으며 주로 복합화력발전소, 열병합발전소, 담수플랜트, 석탄가스화복합발전소 등에 설치됩니다.

HRSG를 사용하는 가장 큰 이유는 고온의 배기가스를(Exhaust Gas) 버리면 환경 및 에너지 손실이 크기 때문에 생산성(출력)과 효율성 및 자원 재사용에 따른 원가절감(돈)에 있습니다.

  • 단순 방식의 경우(GT): 25~40% 효율
  • 복합 방식의 경우(GT+HRSG+ST): 55~60% 효율

3. 공정 흐름도 및 구성

HRSG-공정-흐름도

용량에 따른 구분

  1. 단압(one Pressure)
  2. 중압(Two Pressure)
  3. 삼중압(Three Pressure)
  4. 삼중압(Three Pressure)+재열기(ReHeater)

참고로 외부에서 드럼이 설치되어 있는 메인 플랫폼의 드럼 숫자가 하나일 경우 One Pressure, 두 개일경우 Two Pressure, 셋일 경우 Three Pressure입니다.

운전 압력에 따른 구분

  1. 저압(LP, Low Pressure): 약 5 Bar 정도
  2. 중압(IP, Intermediate Pressure): 약 30 Bar 정도
  3. 고압(HP, High Pressure): 약 75~160 Bar 정도
  • 절탄기(Economizer): 보일러로 유입되는 저온의 물을 가열하는 영역
  • 증발기(Evaporator): 절탄기에서 가열된 고온의 물을 증기로 변환하는 영역
  • 과열기(Superheater): 증발기에서 증발된 증기를 증기하는 영역
  • 재열기(Reheater): 고압 증기 터빈을 거쳐 나온 증기를 재가열하는 영역

고압(HP), 중압(IP), 저압(LP) 영역은 각각의 과열기(Superheater), 증발기(Evaporator), 절탄기(Economizer)로 구성되며 중압(IP)은 재열기(Reheater) 시스템을 포함합니다.

참고로 DH(District Heating) 영역과 CPH(Condensate Preheater) 영역이 있으며, 설계 사항에 따라 반영됩니다.

4. 주요 구조

HRSG 조감도

압력부(Pressure Parts)

운전 중 내부에 압력(Pressure)을 갖는 설비로 물과 증기의 유체가 있는 경로(Water & Steam Circuits)에 해당됩니다.
ex) 핀튜브(Finned Tubes), 헤더(Header), 하프(Harp), 드럼(Drum), 모듈(Module), 배관(Piping) 등

비압력부(Non-Pressure Parts)

운전 중 내부에 압력(Pressure)이 없는 설비입니다.
ex) 덕트(Duct), 케이싱(Casing), 구조물(Structure Steel), 스택(Stack) 등

보조기기(Auxiliary Equipment)

운전에 필요한 부가적인 설비입니다.
ex) 제어(Control), 안전(Safety), 소음(Noise), 환경(Environment) 등

5. 설계 도구

HRSG Design Tool
HRSG Design Tool etc

Design Tools

  1. 3D Design by Tekla
  2. 3D Piping Design by Smart Plant 3D
  3. Structure Design: Auto Pipe, Caesar2, PV-Elite, Ansys, Staad Pro, Midas

Design Point

  1. HRSG에서 배기가스의 압력강하(△P)가 적을 것
  2. Total Gas Side Pressure drop 을 고려한 HRSG 폭 결정
  3. 열 회수율이 높을 것
  4. 저온 부식이 발생하지 않을 것
  5. Required Performance 만족 시 Tube Thickness 조정할 것(Corrosion Allowance 고려)
  6. Tube / Header / Drum 등의 최적의 강도 계산할 것
  7. Pinch Temperature와 Approach Temperature를 확인할 것

6. 종류

HRSG 종류

HRSG Type은 대표적으로 3가지가 있습니다.

1. 자연순환(Natural Circulation)

배기가스의 흐름이 수평 방향으로 유동하면서 열교환 되는 형식으로 수평형(Horizontal Type)에 주로 적용됩니다.

  • 자연 순환 증발되기에 순환 펌프 필요 없습니다.
  • 상부 지지 장치의 수직 튜브는 어느 한계치까지 제한 없이 아래쪽으로 확장할 수 있습니다.
  • 케이싱 및 철골 구조물은 일체형입니다.
  • 수평형 대비 시공 면적은 넓지만 설치비가 낮고, 설치 기간이 짧습니다.

2. 강제순환(Forced Circulation)

배기가스의 흐름이 수직 방향으로 유동하면서 열교환 되는 형식으로 수직형(Vertical Type)에 주로 적용됩니다.

  • 드럼 내의 보일러수가 순환되기 위해 별도의 순환 펌프 필요.
  • 케이싱 및 철골 구조물은 독립형입니다.
  • 수평형 대비 시공 면적은 넓지만 설치비가 낮고, 설치 기간이 짧습니다.

3. 관류형(Once Through)

Horizontal Type에 적용되며 HP Drum이 없기에 Start-up 시간이 단축됩니다. 수요는 많지 않습니다.

7. 배기가스 흐름도

HRSG 배기가스 흐름

고온의 배기가스가 HRSG Inlet Duct를 통해 지나가는 모습입니다. 배기가스는 전체적으로 상, 하부 골고루 퍼져서 흘러야지만 계산된 성능이 나옵니다.

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