고위발열량(HHV) vs 저위발열량(LHV): 개념 및 효율 계산 적용 방법 열병합발전소의 핵심 설비인 가스터빈 및 배열회수보일러의 효율을 논할 때, 연료의 발열량 기준을 명확히 하는 것은 매우 중요합니다. 연료의 발열량은 고위발열량(HHV, Higher Heating Value)과 저위발열량(LHV, Lower Heating Value)으로 나뉘며, 어떤 기준을 사용하느냐에 따라 효율 값이 달라지기 때문입니다. 본 자료에서는 두 발열량의 정의와 차이점, 그리고 효율 계산 시 적용 방법을 상세히 설명합니다.
- 고위발열량(HHV)과 저위발열량(LHV)의 정의 연료가 연소하면 열과 함께 연소 가스가 발생하며, 이 가스에는 수증기(H_2O)가 포함됩니다. 고위발열량과 저위발열량의 근본적인 차이는 이 수증기의 응축열(증발잠열)을 포함하는지 여부에 있습니다. 고위발열량 (HHV, Higher Heating Value / Gross Calorific Value, GCV) 연료가 완전히 연소된 후, 연소 가스 중의 수증기가 모두 응축하여 물(液)로 변할 때 방출하는 총 열량을 의미합니다. 즉, 연소 반응열에 수증기의 응축열까지 더한 값입니다. 이론적으로 연료가 가진 모든 에너지를 측정하는 개념이라고 할 수 있습니다. 저위발열량 (LHV, Lower Heating Value / Net Calorific Value, NCV) 고위발열량에서 수증기의 증발잠열(응축열)을 제외한 열량을 의미합니다. 실제 대부분의 연소기기(가스터빈, 보일러, 엔진 등)에서는 연소 가스가 높은 온도로 배출되므로 수증기가 응축되지 않고 기체 상태로 외부로 빠져나갑니다. 따라서 이 수증기의 응축열은 실제 설비에서 유효하게 사용하기 어렵습니다. 저위발열량은 이렇게 실제적으로 이용 가능한 열량을 나타내는 척도로 사용됩니다. 관계식: \text{LHV} = \text{HHV} – (\text{수증기의 증발잠열} \times \text{생성된 수증기의 질량}) 연료 중의 수소(H) 성분이 많을수록 연소 시 생성되는 수증기의 양이 많아져 HHV와 LHV의 차이는 더 커집니다. 예를 들어, 천연가스(LNG)의 주성분인 메탄(CH_4)은 수소 함량이 높아 HHV와 LHV의 차이가 약 10~11% 정도 발생합니다.
- 열효율 계산 시 적용 방법 열효율은 투입된 에너지 대비 생산된 유효 에너지의 비율(\text{효율} = \frac{\text{출력 (Output)}}{\text{입력 (Input)}})로 정의됩니다. 여기서 ‘입력’에 해당하는 연료의 발열량을 HHV로 할지, LHV로 할지에 따라 효율 값이 달라집니다. 가스터빈 및 일반적인 보일러 효율 계산: 저위발열량(LHV) 기준 열병합발전소의 가스터빈과 대부분의 산업용 보일러의 효율은 저위발열량(LHV)을 기준으로 계산하는 것이 일반적입니다. 적용 이유: 가스터빈과 일반적인 배열회수보일러(HRSG)의 배기 가스는 수증기의 이슬점(dew point)보다 훨씬 높은 온도로 대기 중에 방출됩니다. 따라서 배기 가스 내 수증기는 응축될 기회가 없으며, 수증기의 잠열은 회수하여 동력 생산에 사용할 수 없습니다. 만약 회수 불가능한 응축열까지 포함하는 HHV를 기준으로 효율을 계산하면, 실제 이용 가능한 에너지 이상을 분모로 사용하게 되어 효율이 비현실적으로 낮게 평가됩니다. 따라서 실제 회수하여 사용 가능한 열량만을 고려하는 LHV를 기준으로 효율을 표기하는 것이 합리적입니다. 계산 예시 (가스터빈): \text{가스터빈 효율 (LHV 기준)} = \frac{\text{가스터빈 출력 (kW)}}{\text{연료소비량 (kg/s)} \times \text{연료의 LHV (kJ/kg)}} \times 100 (\%) 엔지니어링 관점에서, 제작사는 자사 터빈의 성능을 더 매력적으로 보이기 위해 LHV 기준 효율을 사용하는 경향이 있기도 합니다. 하지만 이는 업계의 오랜 관행이며, 서로 다른 설비의 성능을 동일한 잣대로 비교하기 위한 표준으로 자리 잡았습니다. 고효율 응축형 보일러: 고위발열량(HHV) 기준 반면, 응축형 보일러(Condensing Boiler) 와 같이 배기 가스 중의 수증기를 의도적으로 응축시켜 잠열까지 회수하는 고효율 설비의 경우, 효율을 고위발열량(HHV) 기준으로 표기하기도 합니다. 적용 이유: 이러한 설비는 잠열 회수 장치(예: 이코노마이저)를 통해 배기 가스의 온도를 수증기의 이슬점 이하로 낮추어 응축열을 적극적으로 회수합니다. 회수한 열은 급수를 예열하는 등의 용도로 사용하여 전체 시스템의 효율을 높입니다. 따라서 응축열까지 실제로 활용하므로, HHV를 기준으로 효율을 산정해야 그 설비의 진정한 성능을 평가할 수 있습니다. LHV 기준으로 100%를 초과하는 비현실적인 효율이 나오는 것을 방지하는 목적도 있습니다.
- 실무적 관점 및 요약 열병합발전소 기계 엔지니어의 입장에서 다음 사항을 명확히 인지하는 것이 중요합니다. 결론적으로, 현재 담당하고 계신 가스터빈 및 배열회수보일러의 성능 보증(Performance Guarantee) 및 운전 효율을 계산하고 평가할 때는 특별한 언급이 없는 한 ‘저위발열량(LHV)’ 기준을 사용하는 것이 업계 표준입니다. 계약서, 성능 데이터 시트, 기술 사양서 등에 명시된 효율 값이 어떤 발열량 기준인지 반드시 확인하고, 만약 기준이 명시되지 않았다면 LHV 기준일 가능성이 매우 높습니다. 서로 다른 제작사의 장비를 비교하거나 효율을 논의할 때는 반드시 동일한 발열량 기준으로 환산하여 비교해야 올바른 판단을 내릴 수 있습니다.