2.1 TEG의 원리

TEG의 구조 및 작동원리는 그림1과 같다. Radial 방향에서 유입되는 고압의 가스는 터빈을 통과하면서 터빈을 회전시킴으로써 일을 얻게 되며, 고압의 가스는 감압이 이루어지며 축방향으로 빠져나가게 된다. 터빈 입구의 VGN(Variable geometry nozzle)은 각도를 조절하여 유입량을 조정함으로써 TEG 후단의 압력을 조정한다. 즉, TEG는 정압과 전력생산의 두 가지 기능을 동시에 수행하게 된다.

2.2 천연가스 감압과정의 열역학

고압 P1에서 저압 P2로 감압되는 과정에서 정압밸브를 통과하는 기존 관리소의 감압과정은 그림2의 H-S 선도에서 수평방향으로 이동하는 등엔탈피 과정이지만 TEG를 통과하는 유동은 그림2의 H-S 선도에서 수직방향으로 이동하는 등엔트로피 과정이된다. P1에서 정압밸브를 통과하여 감압된 유체와 TEG를 통과하여 감압된 유체는 등압선 P2 상에 위치할 지라도 서로 온도는 다르다. 정압밸브(PCV)에 의한 정압과정은 교축과정(Throttle process)으로 등엔탈피 과정이며, 등엔탈피 과정에서는 줄-톰슨 효과로 정압기 후단의 온도가 내려가게 된다. 반면 TEG에 의한 정압과정은 등엔트로피 과정이며, 유체의 온도는 정압밸브의 줄-톰슨 효과에 의한 온도강하보다 많은 온도가 강하가 발생된다. 천연가스 감압과정의 경우 성분과 상태에 따라 등엔탈피 과정인 정압밸브 교축감압 과정에서는 대략 10bar 감압시 4.5 ~ 6°C 내려가게 되고 등엔트로피 과정인 터보팽창기 감압과정에서는 10bar 감압 시 15 ~ 20°C 내려가게 된다⁽³⁾.

2.3 TEG 시스템의 구성

TEG 설치는 아래 그림 3과 같이 기존에 설치되어 있는 정압기 중 하나를 TEG로 대체하여, TEG와 정압기를 병렬로 구성한다. 천연가스는 우선적으로 TEG로 흐르게 하고 TEG 기저부하 초과 시 정압기 쪽으로 흐를 수 있게 시스템을 구성하였다. 기저부하의 천연가스 유량은 TEG로 정압을 수행하면서 전력을 생산하고 TEG에서 처리하지 않는 천연가스는 병렬 연결된 정압기로 by-pass되어 정압밸브(PCV)를 통해 정압하는 개념으로 운영된다. 또한 TEG에 고장이 발생하게 되면 TEG 부의 차단밸브가 닫히고 병렬 연결된 정압기가 작동하는 안정적인 시스템이다.

정압기와 마찬가지로 TEG도 천연가스 송출시 가스의 온도를 0°C 이상으로 수요처에 공급해야하며 이를 위해 히터를 설치하게 되는데 히터의 위치는 TEG 전단에 설치한다. 이 때 예열에 소요되는 연료의 열량은 아래식과 같이 계산된다.

Q:예열에 필요한 열량

$\dot m$:연료의 질량

h:엔탈피

Cp:연료의 열용량

T:온도

4.1 TEG의 한전 계통 연계

실증사업을 통해 TEG를 설치하는데 있어서 예상 설치시점은 2021년이고 본격적인 가동은 2022년에 시행되게 된다. 따라서 본 분석에 활용한 데이터는 한전 계통 2022년 DB를 사용하였다. 또한 정안사업소는 위치상 154kV 화성변전소와 연계되게 되므로 화성변전소에 TEG 발전기를 연계하여 계통의 영향을 살펴보도록 한다.

잘 알려져 있는 대로, 화성변전소는 345kV에서 154kV로 변압하는 변전소이며, 아산 변전소로부터 상당히 많은 양의 조류가 집중되는 변전소로써 전력계통에서는 취약 모선에 해당한다. 따라서 전압 불안정에 대한 가능성도 높은 편이며, TEG가 무효전력을 추가로 소모하는 형태이므로 계통연계에서 불리하게 작용할 수 있다.

실증사업에 사용되는 TEG는 앞서 언급한대로 유도 발전기이고, 무효전력을 소비하는 형태이며 전압 제어능력과 주파수 제어 능력이 없기 때문에 계통해석을 위해서는 발전기로 모델링 하는 것보다는 부하로 모델링을 하여 유효전력 부하값은 음수로, 무효전력 부하값은 양수로 하여 유도 발전기의 형태를 나타내는 것이 타당하다.

또한 한전 계통 DB에는 154kV 변전소 까지만 계통에 구성되어 있고, 22.9kV 배전선로에 대해서는 모델링 되어 있지 않기 때문에, 실제로 TEG가 연계되는 22.9kV 배전선로에 대한 모델링도 필요하다. 본 해석에서는 최악의 상황을 고려하기 위하여, TEG가 설치되는 위치가 배전선로 말단에 위치하여 배전계통 송전전압보다 약 10% 감소한 지점에서 연계되는 것으로 가정한다.

4.2 전압제어 방안

분산전원 연계 기술기준에 의하면 발전기를 배전선로에 연계하게 될 때 상시 전압변동률은 3% 이하로 가져가야한다. 이는 배전계통에 어떠한 발전기가 갑자기 투입되거나 갑자기 탈락하게 되더라도 전력계통에 주는 영향이 작아야 한다는 의미로써 상승 3%, 하강 3%를 모두 만족해야 한다. TEG 발전기는 유도형 발전기이고 발전할 때 무효전력을 생성하는 것이 아닌 소비하는 형태이므로, 투입시에는 무효전력 소비로 인한 전압 강하가 예상되며, 탈락시에는 전압

상승이 예상된다. 이와 같은 모든 상황에서 전압변동은 3% 이하로 되어야 하며, 계통의 상황에 따라 추가적인 무효전력 보상이 필요할지 아닐지가 결정되게 된다.

전압강하와 상승을 모두 고려하는 보상장치를 생각하여, STATCOM 설치하는 방안을 가정해 보고자 한다. 실제로 TEG 실증사업에서 무효전력 보상장치를 무엇으로 할 것 인지는 결정되지 않았지만, 계통의 전압을 변동시키지 않는 효과적인 보상방안으로 캐패시터와 리액터 성분을 모두 지니고 있는 STATCOM으로 전압을 제어 하는 방안을 고려해 보도록 한다. 기본적인 STATCOM 회로는 아래 그림과 같다⁽⁵⁾.

설치를 계획 중인 TEG는 무효전력을 소비하는 형태의 유도발전기이지만 용량이 1.5MW에 불과하기 때문에 사실상 계통에 미치는 영향은 거의 없는 것으로 나타났다. TEG를 계통에 연계한 상태에서 갑자기 탈락을 시키는 해석을 수행한 결과 나타나는 전압 변동은 약 0.1%이하로 순시전압 변동률 3%보다 크게 작은 수치이다. 따라서 TEG가 계통에 연계되더라도 전압 문제로 인한 계통에 대한 영향은 거의 없는 것으로 보아도 무방할 것으로 판단된다.

하지만 연계된 배전선로의 갑작스런 부하 변동 등 외부 요인에 의한 변동이 발생하였을 때, 특히 밤늦은 시간 경부하 또는 한낮의 중부하 시간대에는 전압 변동의 요소가 다소 더 늘어날 수 있기 때문에 약간의 전압제어 장치 또는 무효전력 보상장치를 설치해야 할 것으로 판단된다. TEG가 소비하는 최대 무효전력 소비량이 1.125MVar이므로 이에 해당하는 양을 설치한다면 전혀 문제가 없겠지만, 위 값은 역률을 0.8로 가져가는 최악의 상황을 고려한 값이므로 이보다는 다소 작게 가져가더라도 전혀 문제가 없을 것이다. 또한 계통에서 제공되는 무효전력 값도 충분하므로 무효전력 보상은 다소 작아도 문제가 없을 것으로 판단된다.

그림 7에는 TEG가 갑자기 고장으로 트립되었을 때 무효전력 보상량 변화에 따른 위상 변동에 대한 그래프이다. 표4는 무효전력 보상량 변화에 따른 화성 모선의 전압변화를 보여준다. 그림7과 표4에 따르면 무효전력 보상이 전압 개선에 효과가 있음을 알 수 있다. 무효전력 보상량이 더 많이 투입 될수록 전압개선의 효과는 더 좋아지고 있지만, 경제적인 측면에서 보았을 때 무효전력 보상의 투입량을 늘리는 것이 그 효과대비 유리하다고 할 수는 없다. 따라서 이 부분에 대해서는 향후 프로젝트가 진행됨에 따라서 실제 필요한 용량을 적절히 산정하고 이에 따라 무효전력 보상량이 추가될 필요가 있다.