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에너지및자원개발

열병합 발전

주제유형
하위주제
  • 집필 내용은 국가기록원의 공식입장과 다를 수 있습니다.
주제설명
근거
「집단에너지사업법」
배경
지역냉난방사업에 있어서 열 생산설비는 다양하게 나타날 수 있다. 열만 생산하는 경우와 열과 전기를 동시에 생산하는 경우, 그리고 쓰레기 소각열이나 산업체 폐열을 이용하는 경우 등에 따라 열원설비의 형식 및 설비규모는 다르게 설정된다. 열병합발전(CHP)은 열과 전력을 동시에 생산함으로써 에너지의 이용효율을 높일 수 있고, 소비지 인근에 건설되므로 송전투자 비용과 송전손실을 감소시킬 수 있다. 따라서 CHP는 산업부문과 가정상업부문에서 지구온난화 가스의 배출을 줄이는 기술적 대안으로 정부의 기후변화협약대응 전략 마련에 기여할 것으로 기대되고 있다.
경과
열병합발전방식은 동일한 투입연료로부터 열과 전기를 동시에 생산하는 방식으로 Cogeneration이라고도 불린다. 열병합발전의 종류는 증기터빈발전, 가스터빈발전, 디젤엔진발전으로 구분될 수 있으며, 국내에서는 증기터빈발전 및 가스터빈발전이 가장 많이 활용된다. 예를 들면 증기터빈발전방식은 보일러에서 생산된 고온고압의 증기가 터빈발전기를 통과하면서 전기를 생산하고 발전기를 빠져 나온 고온의 증기가 열교환기를 통해 난방용 온수를 생산함으로써 에너지이용 효율을 높이는 방식이다.
내용
열병합발전은 가스터빈 복합발전방식의 경우, 열교환기를 장착하여 그 열을 난방열로 활용함으로써 에너지 이용효율을 높일 수 있다. 즉 보일러에서 생산된 고온고압의 증기는 전기를 생산한 후, 그 배열은 열교환기를 통하여 지역냉난방용 또는 생산 공정용으로 이용할 수 있게 하고 다시 원래의 보일러로 되돌아간다. 이와 같이 열병합발전에는 일반발전소에서 복수기를 통하여 버리는 열을 활용함으로써 효율을 극대화하고 있다. 집단에너지용 열병합발전 방식에는 가스/디젤엔진 방식, 증기터빈 방식, 가스터빈 방식으로 구분된다. 국내에서 가장 많이 활용되고 있는 방식은 증기 및 가스터빈발전 방식이다. 


디젤엔진 또는 가스엔진에 의한 방식은 소규모 열과 전기를 공급하는 구역형 집단에너지(CES)에 활용되고 있다. 이 방식은 설비가 간단하여 전력위주의 생산에 유리하다. 그러나 이용 가능한 열에너지가 적고 회수할 수 있는 온도도 낮아 대규모 열에너지를 필요로 하는 지역의 지역냉난방 열원방식으로는 적합하지 않다. 


국내 대규모 지역냉난방 열병합시스템은 증기터빈과 가스터빈 방식이 대부분이다. 증기터빈 방식은 터빈의 형식에 따라 크게 배압터빈, 추기배압터빈, 추기복수터빈, 배압터빈과 복수터빈의 조합 등의 네 방식으로 세분할 수 있다. 


배압터빈 방식은 보일러에서 생산한 고온고압의 증기를 터빈의 각 단(Blade)에서 팽창시킨 다음 열 낙차를 이용해 발전을 하고, 터빈의 마지막 단에서 배출되는 배기증기를 지역냉난방용 열에너지로 이용하는 방식이다. 이 때 배기증기의 압력, 즉 배압은 냉난방에서 필요로 하는 증기의 압력에 의하여 정해진다. 이 배압터빈 방식은 발생하는 증기량과 전력의 비, 즉 열 생산량과 발전량의 비율(열전비)을 조정하기가 쉽지 않다. 따라서 에너지수요에 용이하게 대응하기 위하여 열을 저장하는 축열조, 온도와 압력을 낮추는 감온 및 감압장치, 대기방출 또는 냉각장치를 활용하는 한편, 수전설비를 두어 전력계통망의 전력을 활용하거나 전력계통망에 전력을 공급할 수 있도록 시스템을 구축할 수 있다. 


추기배압터빈 방식은 터빈 중간단에서 증기 배출량(추기량)을 조정함으로써 추기하지 않는 배압터빈 방식보다 전력 및 증기부하의 조절이 용이하다. 추기복수터빈 방식은 증기터빈 내에서 팽창 중인 증기의 일부를 추출하여 생산 공정용으로 공급하고, 나머지 증기를 복수기로 보낸다. 추기량과 복수량을 조절할 수가 있으므로 전력과 열의 생산비율을 한쪽을 100%, 다른 쪽을 0%에 가깝게 운전할 수 있다. 추기단수도 1단, 2단, 3단 등으로 하여 여러 종류의 증기 열부하를 공급할 수 있다.


배압터빈과 복수터빈의 조합방식은 위의 두 방식이 갖는 특징을 동시에 갖춘 것으로, 열부하가 큰 경우에는 배압터빈만을 운전해 배기증기를 이용하여 난방열을 공급하고, 열부하가 작은 경우에는 배압터빈의 배기증기를 복수터빈으로 보내 발전량을 증가시키는 방식으로 운전한다. 이 방식은 난방열과 전력 생산에 대한 제어범위가 넓은 것이 장점이다.


가스터빈 방식은 공기를 흡입하여 압축한 뒤 이를 연소기에서 연료와 함께 연소시킬 때 발생하는 고온·고압의 가스를 이용해 터빈을 구동시켜 전기를 생산하고, 이때 대기로 배출되는 고온가스를 배열회수보일러(Heat Recovery Steam Generator, HRSG)를 통해 난방열을 생산하는 방식이다. 이 방식은 가스터빈과 배열회수보일러가 조합되어 열병합설비가 구성되므로 이를 복합방식(또는 Combined Cycle)이라고 한다. 이 방식은 터빈에 냉각수가 거의 필요 없고 또한 기동과 정지가 용이해 대규모의 열병합발전에 많이 채택되고 있다. 


2006년 말, 국내에 도입되어 운전 중인 지역난방용 열병합발전 설비는 서울지역 열병합발전소와 신도시 열병합발전소(분당, 일산, 안양, 부천), 한국지역난방공사 열병합발전소(수원, 안산, 대구, 청주), 그리고 인천공항에너지 열병합발전소가 있다. 이 중 분당과 일산의 열병합발전 설비는 한국전력공사가 발전설비를, 한난이 열생산설비를 각각 분리·소유하고 있다. 그리고 안양과 부천의 열병합발전 설비는 GS(주)가, 그리고 인천의 설비는 인천공항에너지(주)가 소유하고 있다. 현재 가동중인 한난 소유의 열병합발전소는 모두 중규모로 유류를 주 연료로 사용하고 있으나, 2006년 말 파주와 화성지역에 천연가스를 연료로 하는 대규모 열병합발전을 건설하고 있다. 


한편 현행 우리나라의「집단에너지사업법」에는 사업자가 CHP를 도입할 경우 열의 생산이 전기생산보다 많은 설비를 설치하도록 규정하고 있다.(「집단에너지사업법시행령」제2조 2항)
참고자료
에너지관리공단,《열병합발전 기술 가이드 북》, 2003

한국전력공사,《발전용어사전》, 1995

한국지역난방공사,《지역난방기술실무》, 2007
집필자
최병렬(에너지경제연구원 에너지정책연구부 연구위원)
최초 주제 집필
2007. 12. 01
최초 주제 수정
2007. 12. 01