가스터빈과 스팀터빈 차이는 터빈 날개를 지나며 일을 하는 물질과, 그 물질에 열을 공급하는 방식에 있습니다. 일반적인 발전용 가스터빈은 연료를 태워 만든 고온의 연소가스로 돌고, 스팀터빈은 다른 설비에서 공급받은 증기로 돕니다. 스팀터빈과 증기터빈은 같은 장비를 가리키는 말입니다.
연료와 작동 유체는 어떻게 다른가요?
연료는 열을 얻기 위해 태우는 물질이고, 작동 유체는 터빈을 통과하며 회전력을 만들어 내는 물질입니다. 유체는 흐를 수 있는 액체와 기체를 함께 부르는 말입니다. 이 둘을 구분하면 가스터빈 증기터빈 비교가 훨씬 쉬워집니다.
예를 들어 천연가스를 태우는 발전소라도 터빈에 들어가는 것이 반드시 천연가스 자체는 아닙니다. 가스터빈에서는 압축한 공기에 연료를 섞어 태운 뒤, 만들어진 뜨거운 가스가 터빈으로 들어갑니다. 연소가스는 이산화탄소만을 뜻하지 않으며, 공기에서 온 질소와 연소로 생긴 수증기 등 여러 기체가 섞인 흐름입니다.
천연가스를 보일러에서 태워 물을 가열한다면 이야기가 달라집니다. 보일러에서 만든 증기를 증기터빈에 공급할 수 있기 때문입니다. 같은 연료를 쓰더라도 터빈을 통과하는 작동 유체가 달라질 수 있으므로, 발전소의 연료 이름만으로 터빈 종류를 판단하면 안 됩니다.
가스터빈은 압축한 공기에 연료를 태워 열을 더합니다
일반적인 발전용 가스터빈의 기본 구성은 압축기, 연소기, 터빈부입니다. 압축기는 외부 공기를 빨아들여 압력을 높입니다. 연소기는 이 공기에 연료를 공급해 태우면서 온도를 높이고, 터빈부는 뜨거운 가스가 팽창하며 내놓는 에너지로 회전합니다. 공기의 압력을 높이는 주된 장치는 압축기이며, 연소기가 압축기를 대신하는 것은 아닙니다.
터빈이 만들어 낸 회전력의 일부는 압축기를 돌리는 데 쓰이고, 발전용 설비에서는 나머지 유효한 축동력을 발전기에 전달합니다. 터빈과 발전기의 역할도 다릅니다. 터빈은 유체의 에너지를 회전 운동으로 바꾸고, 발전기는 그 회전을 전기로 바꿉니다. 따라서 터빈에서 나온 회전력이 전부 판매할 전기가 되는 것은 아닙니다.
미국 에너지부의 가스터빈 작동 설명도 압축기·연소계통·터빈부를 구분하고, 터빈이 압축기와 발전기를 구동하는 관계를 설명합니다.
발전소에서는 이 장치들에 흡기·배기 계통과 제어·윤활 설비 등이 더해집니다. 아래는 가스터빈 발전설비의 실제 현장 자료 사진입니다. 외부 덮개와 주변 설비를 보여 주는 사진이므로 내부 날개의 모양이나 특정 모델의 구조를 판독하는 자료로 쓰지는 않습니다.
증기터빈은 외부에서 만든 증기를 공급받습니다
증기터빈은 터빈 안에서 연료를 태워 증기를 만드는 장비가 아닙니다. 보일러나 다른 증기 공급 설비에서 받은 증기가 터빈 내부를 지나며 팽창하고, 압력이 낮아지는 과정에서 회전력을 전달합니다. 증기를 만드는 부분과 증기로 회전력을 얻는 부분이 구분되어 있습니다.
연료를 태우는 보일러에서는 뜨거운 연소가스의 열이 전열면을 통해 물·증기 쪽으로 전달됩니다. 정상적인 간접 가열 구조에서는 연소가스와 물·증기를 섞지 않습니다. 증기터빈으로 들어가는 것은 그 과정에서 에너지를 받은 증기이며, 보일러의 연소가스는 별도 경로로 흐릅니다.
아래 실제 사진은 지멘스 공장에서 증기터빈 회전자에 날개를 조립하는 모습입니다. 회전자는 축과 함께 도는 부분을 뜻합니다. 사진의 정확한 모델은 확인되지 않았으므로 특정 현행 제품의 외형이나 크기를 대표한다고 보기는 어렵습니다.
증기를 만드는 열원은 한 가지로 정해져 있지 않습니다. 연료를 태우는 보일러뿐 아니라 가스터빈의 배기열, 산업 공정의 폐열, 집광형 태양열 등도 증기 생산에 활용할 수 있습니다. 따라서 증기터빈이라는 이름은 특정 연료가 아니라 터빈을 구동하는 유체를 설명합니다.
Siemens Energy의 산업용 증기터빈 안내에는 복합화력, 열병합, 집광형 태양열, 바이오매스와 폐열 회수 등의 적용 분야가 소개되어 있습니다.
사용한 증기는 모두 물로 돌아가나요?
복수식 발전설비에서는 터빈을 나온 증기를 복수기에서 식혀 물로 바꾸고, 펌프로 다시 증기 발생 설비 쪽에 보냅니다. 복수기는 증기를 물로 응축시키는 장치입니다. 물을 회수해 순환시키는 역할과 함께 터빈 출구의 낮은 압력을 유지하는 데도 관여합니다.
하지만 모든 증기터빈의 출구에 같은 구성을 적용하는 것은 아닙니다. 배압식은 터빈을 지난 증기에 남은 열과 압력을 공장의 가열 공정 등에 활용합니다. 추기식은 터빈의 중간에서 증기 일부를 뽑아 쓰는 방식입니다. 따라서 증기터빈을 비교할 때는 발전량뿐 아니라 공정에 필요한 증기까지 함께 봐야 합니다.
가스터빈과 증기터빈을 같은 기준으로 비교하면
가스터빈 증기터빈 비교에서 출발점은 연료 이름보다 유체와 열의 이동 경로입니다. 아래 표는 일반적인 연소식 가스터빈과 증기터빈의 차이를 정리한 것으로, 특정 모델의 성능이나 설비 전체 구성을 보증하는 사양표는 아닙니다.
| 비교 기준 | 가스터빈 | 증기터빈 |
|---|---|---|
| 작동 유체 | 고온의 연소가스임 | 수증기임 |
| 열 공급 | 압축 공기에 연료를 태워 열을 더함 | 외부 열원으로 만든 증기를 공급받음 |
| 연료와의 관계 | 연소계통에 연료가 공급됨 | 연료는 증기를 만드는 열원 쪽에서 결정됨 |
| 기본 설비 | 압축기·연소기·터빈부로 구성됨 | 증기 공급 설비·터빈이 필요함 |
| 배출 유체 활용 | 배기가스의 열을 회수할 수 있음 | 응축하거나 공정용 열로 활용함 |
| 복합화력 역할 | 먼저 발전하고 배기열을 제공함 | 배기열로 만든 증기로 추가 발전함 |
복합화력에서는 두 터빈이 어떻게 함께 일하나요?
복합화력 발전은 가스터빈을 통과한 배기가스의 열을 회수해 증기를 만들고, 그 증기로 증기터빈도 돌리는 방식입니다. 가스터빈이 일을 하고 나온 가스에도 열에너지가 남아 있기 때문에 이를 한 번 더 활용하는 것입니다.
두 계통 사이에는 배열회수보일러가 있습니다. 영어로 Heat Recovery Steam Generator, 줄여서 HRSG라고 합니다. 이 장치는 배기가스의 열을 물·증기 쪽으로 전달합니다. 배기가스가 그대로 증기터빈으로 들어가거나, 연소가스 자체가 수증기로 변하는 것은 아닙니다. 가스 경로와 물·증기 경로는 분리되어 있고 열이 그 사이를 건넙니다.
기본적인 배기열 회수만으로도 증기를 만들 수 있으므로, 증기터빈이 추가됐다고 해서 별도 보일러에서 반드시 연료를 한 번 더 태워야 하는 것은 아닙니다. 다만 설계에 따라 배열회수보일러에 추가 연소 설비를 두기도 합니다. 추가 연료가 있는지 여부는 실제 발전소 구성을 구분해서 설명해야 합니다.
이 관계에서 두 터빈은 서로 대체하기만 하는 장비가 아닙니다. 한 발전소 안에서 서로 다른 온도 수준의 열을 이어 활용하는 장비이기도 합니다. 복합화력의 효율을 가스터빈 한 대만의 효율로 소개하거나, 발전소 전체 출력과 증기터빈 단독 출력을 같은 기준으로 비교하면 오해가 생깁니다.
어떤 방식이 더 좋은지는 무엇으로 판단하나요?
이름만으로 어느 터빈이 항상 더 효율적이라고 결론 낼 수는 없습니다. 가스터빈 단순발전인지, 증기터빈까지 연결한 복합발전인지 먼저 구분해야 합니다. 공장에서 열까지 쓰는 열병합 설비라면 전기만을 기준으로 한 효율과 전기·유효열을 합친 효율도 분리해서 봐야 합니다.
설비 자료를 읽을 때는 터빈 입구로 들어가는 유체, 그 유체를 가열하는 장치, 출구 유체의 다음 목적지를 차례로 보면 됩니다. 연소가스가 터빈으로 직접 흐르면 가스터빈 계통이고, 보일러 등에서 공급된 증기가 흐르면 증기터빈 계통입니다. 배기가스가 HRSG로 이어지고 그곳에서 나온 증기가 다른 터빈으로 간다면 두 방식을 결합한 복합화력 구조입니다.
가스터빈과 스팀터빈 차이를 이해하는 핵심은 무엇을 태우느냐만 보는 데서 그치지 않고, 무엇이 터빈을 통과하며 어디서 열을 받는지 함께 보는 것입니다. 이 기준을 잡으면 같은 천연가스를 쓰는 발전소에 서로 다른 터빈이 있거나, 두 종류가 함께 설치되는 이유도 설명할 수 있습니다.