“ 최상의 발전소 가동위해 발전사, 설계 · 제작 · 시공사가 모였다”
대전 유성구 소재 계룡스파텔에서 국내 발전소의 최신기술과 정보를 공유하고 신기술을 교류하는 ‘제9회 KEPIC 성능시험 워크숍’이 개최, 전력산업계로부터 큰 이목을 받고 있다.
대한전기협회(회장 김종갑), 한전 전력연구원(원장 김숙철)와 에네스지(대표 양종대)가 28일 공동 주최한 이번 KEPIC 인증시험 워크숍은 발전사, 설계 · 제작 · 시공사 등 성능시험 유관기관 관계자 159여명이 참석했다.
이에 본지는 손정락 한국기계연구원 박사를 비롯 주요 발표자들의 주제발표내용을 발취해 독자들에게 소개했다. <편집자 주>
손정락 책임연구원 한국기계연구원 에너지변환기계연구실
발전용 가스터빈 기술 및 산업 동향
원자력, 석탄과 함께 세계 3대 발전원 중의 하나인 천연가스는 최근 비 전통가스인 셰일가스 공급의 확대와 함께 그 비중이 점차 증대되고 있다. 특히, 지구온난화 문제 해결을 위해서는 전 세계적으로 발전량의 70%가량을 담당하고 있는 화석연료의 청정화가 필수적이고, 그에 따라 천연가스 의존도는 앞으로 더욱 높아질 전망이다. 전량 액화천연가스(LNG) 형태로 해외수입에 의존하는 국내 천연가스(LNG) 발전의 비중은 정부의 제8차 전력수급계획이 발표되던 2017년 당시 약 37GW를 차지하고 있었으나, 앞으로 환경급전의 중요성과 함께 더욱 증대될 것으로 예상된다. 이러한 상황에서 LNG 복합발전의 주기기인 발전용 가스터빈의 기술 및 산업 동향을 살펴보는 것은 큰 의미가 있다고 하겠다.
2차 세계대전 이후로 항공기 추진기관으로 주로 사용되어 오던 가스터빈은 1980년대 이후 전 세계 발전시장의 환경 친화성이 강조되면서 발전용으로 시장이 확장되기 시작하였다. 그 후 10년 주기의 기술 혁신 과정을 거치면서 2020년대에는 H급에 해당하는 제4대 기술을 뛰어 넘어 5세대 기술이 적용된 발전효율 65%이상의 제품이 출시될 것으로 기대하고 있다. 이러한 가스터빈 기술 혁신 중에서도 가장 중요한 역할을 한 기술은 고온에서 장시간 견딜 수 있는 터빈 블레이드 기술이라고 할 수 있겠다.
초내열합금, 단결정 진공 주조, 고효율 공기 냉각 기술이 적용된 터빈 블레이드는 금속의 용융온도를 훨씬 뛰어 넘는 1,500°C 수준에서 36,000시간 이상 운전이 가능한 수준으로 진화되었다.
한편, 발전용 가스터빈의 시장 확대는 항공용 엔진사업에 주력해 오던 미국의 GE와 같은 회사들로 하여금 발전용 시장 진입이 가능하게 했으며, 현재로는 GE와 함께 100년 이상의 역사를 가진 독일 Siemens, 일본 Mitsubishi와 같인 세계적인 회사들의 주력 사업으로 자리 잡고 있다.
이들 산업체들은 최근 들어 국제적인 발전설비 시장의 침체와 함께 극심한 불황에 시달리고 있으나 미국 셰일 가스 수출이 더욱 확대될 것으로 전망되는 2020년대 중반에는 세계 경기가 회복될 것이라는 기대로 신기술 적용에 의한 제품 경쟁력 확보에 더욱 박차를 가하고 있다.
백세현 책임연구원 한전 전력연구원
노후 화력발전소의 고효율 친환경 성능개선을 위한 Repowering 설계개념
석탄화력 발전소는 오랜기간 경제적이고 안정적인 전력공급원으로서 매우 중요한 역할을 담당해 왔으나, 최근에는 온실가스, 미세먼지 및 질소산화물 배출의 주범이라는 여론이 형성되고 있으며, 이에 따라 폐지 또는 다른 청정 에너지원으로의 전환을 요구받고 있다. 그러나 막대한 비용으로 건설된 기존의 석탄화력 발전소를 폐지하는 것은 경제적으로나 안정적 에너지수급 측면에서 큰 손실이 예상된다.
따라서 본 발표에서는 국내 노후 석탄화력 발전소에 대한 친환경 고효율 성능개선을 위한 최적의 Repowering 기법을 소개하고자 한다.
일반적인 Repowering 방법에는 Full Repowering, Hot wind box Repowering, Feedwater Repowering 및 Parallel Repowering 등이 있는데, 국내 발전소들의 경우에는 부지제약, 인허가, 송전용량등 부대여건 및 기술성과 투자비를 고려하면 Hot windbox 방식이 유리할 것으로 판단된다.
이 방식은 기존 발전소의 약 30~55% 출력범위의 가스터빈을 추가하여 보일러와 조합하는데, 가스 터빈에서 배출되는 가스는 고온의 상태이며 12%내외의 산소를 포함하기 때문에 이를 기존 보일러의 열원 및 연소용 공기로서 활용한다. 그리고 보일러에서 배출되는 고온의 연소가스는 급수 및 복수를 가열하여 회수한다. 상기방법을 적용시 효과는 대략적으로 발전효율 6%p 증가, 출력 30% 증가, 석탄사용량 50% 감소, CO2 30% 저감 그리고 분진 및 황산물 배출농도 45% 감소 정도로 예상된다.
김태형 부장 한국남동발전 인재기술개발원
R&M(ROMM) 사업의 이해 및 성능진단
최근 세계 경제성장률 둔화, 국내 에너지 전환 정책 등으로 신규 프로젝트에 힘을 기울여야 할 국내 EPC사 및 발전사업자, 정비업체, 성능시험 업체 모두 노후 발전소 성능복구 사업인 ROMM 사업에 뛰어들어 생존을 위한 자구책 마련을 위해 힘쓰고 있다.
그러나, 이러한 세계 화력발전 성능복구 시장에서는 우리 국내업체만의 경쟁이 아니라 GE, 지멘스, ABB 등 글로벌 OEM사는 물론 가격 경쟁력이 있는 다수의 중국기업들도 참여하고 있어 체계적인 전략을 가지고 접근해야 한다.
이번 KEPIC 성능시험 세미나에서는 Retrofit, Rehabilitation, Re-powering 등 여러 가지 ROMM 사업의 종류별 개념 및 초기 진단에서부터의 사업접근 전략을 위주로 성능업무가 가장 중요한 역할을 수행해야하는 필요성을 ROMM사업 참여를 원하는 기업들의 이해를 도모하고, 해외 발전소 ROMM사업 초기 진단 사례 소개를 통해 각 분야의 점검과는 다른 전체 플랜트의 근본적인 문제점에 대한 접근 위주인 성능업무의 차별성을 소개하고자 한다.
김동영 실장 ㈜에네스지 성능기술실
증기터빈 성능시험(MPT 6.0 vs MPT 6.2)
증기터빈 성능시험코드는 기력발전 및 원자력의 경우 MPT 6.0의 기준을 적용하며, 복합화력발전의 경우는 MPT 6.2의 기준을 따른다. 시험코드가 두 가지로 분리되어 발행된 배경은 사이클의 특성에 기인한다. 전통적인 기력발전의 경우는 재생/재열사이클(Reheat/Regeneration Cycle)로 설계되며, 이러한 사이클에서 작동되는 터빈은 급수가열 히터나 펌프 구동용 터빈으로 증기가 공급되는 추기식 터빈(Extraction Type Turbine)으로 설계된다. 추기식 터빈은 동일한 터빈입구의 증기조건에서 비추기식 터빈과 비교할 경우 출력은 감소하지만 사이클 효율은 개선되는 특성을 가진다. 이러한 사이클 특성 때문에 터빈의 성능지표를 출력용량(Output Capacity)과 규정된 출력에서의 효율(열소비율: Heat Rate)로 분리하여 구분한다. 그러나 원자력발전의 경우 기력발전과 동일한 재생/재열사이클이지만 규정된 원자로열출력에서 계산된 터빈출력을 성능지표로 한다. 기력발전에서의 출력용량(Output Capacity)은 터빈으로 공급되는 압력 및 온도 만을 기준으로 하며 공급유량은 고려하지 않기 때문에 용량(Capacity)의 개념을 가진다. 그러나 원자력 터빈은 규정된 1차측 열출력에서 계산된 터빈출력을 고려하기 때문에 출력자체가 효율의 속성을 가진다는 점에서 기력발전과는 구분된다.
최근 복합화력발전에 적용되는 터빈은 급수히터가 적용되지 않은 비추기식 재열터빈 (Non-extraction, Reheat Turbine)이 일반적이다. 복합화력발전용 터빈은 사이클로부터 공급되는 온도 및 압력과 더불어 유량의 변화에 따른 출력을 보정한다는 점에서 원자력의 보정방법과 유사한 개념이다. 그러나 위 3가지 인자만으로 보정되지 않는 부분이 고압터빈의 효율변화에 따른 터빈 배기엔탈피의 변화 및 재열기의 압력강하의 차이로 발생한 재열기의 열부하의 변화가 터빈의 출력에 미치는 영향이다. 재열기의 열부하의 변화량이 터빈출력에 미치는 영향을 이해하기는 간단하지 않지만 열성능모델링을 통한 분석적 접근을 통해 사용할 수 있는 방법이 MPT 6.2에 △7 및 △8의 보정항목으로 소개되어 있다.
백영진 책임연구원 한국에너지기술연구원(KIER)
초임계 이산화탄소 발전기술 연구 동향
이달 초 확정된 제3차 에너지기본계획(2019∼2040)은 우리나라의 미래 에너지 수급 정책이 어떻게 추진될지를 보여주는 이정표로서 지난 제8차 전력수급기본계획과 함께 원전 및 석탄발전 감축, 재생에너지 비중 확대를 큰 방향으로 제시하고 있으며, 이러한 상황은 글로벌 트렌드이기도 하다. 이와 더불어 새로운 성장동력으로 주목받고 있는 4차 산업혁명은 모든 분야에서의 패러다임 전환을 예고하고 있는 가운데, 발전 산업 분야에서는 분산전원 기반의 지능형 전력망 구현을 비젼으로 하는 강력한 재생에너지 드라이브를 주축으로 하는 변화의 물결이 일어나기 시작하고 있다.
이에 따라 전통적인 발전원들은 온실가스 감축, 미세먼지 저감 등 기존의 친환경성 요구와 더불어 최근에는 탄력성(resilience), 유연성(flexibility) 등 더욱 다양한 요구를 마주하고 있으며, 이에 따라 소형 모듈화, Near-zero 배출, 에너지 저장 설비와의 상호 적합성 및 빠른 부하 응답성 등을 키워드로 하는 기술이 향후 시장을 주도할 것으로 예상되고 있다.
이러한 흐름과 맥을 함께 하고 있는 기술로서, 초임계 이산화탄소 발전기술은 소형화 및 고효율화 잠재력으로 인해 최근 관심이 증가하고 있다. 초임계 이산화탄소 발전기술은 스팀이나 공기(연소가스)로 터빈을 회전시켜 전기를 생산하는 기존 발전 방식과는 달리, 고온 고압 초임계 상태의 이산화탄소로 터빈을 구동, 전기를 생산하는 고효율 소형화 전력 생산 기술이다. 기존 기술 대비 발전효율을 2~5%p 향상 시킬 수 있고 소형화가 가능(설치면적 약 35% 감소)하여, 전력생산단가를 5~15% 낮출 수 있는 잠재력을 가진 것으로 평가되고 있다.
본 발표에서는 초임계 이산화탄소 발전기술의 특징과 응용분야, 그리고 국내외 연구동향과 향후 전망에 대해 소개한다.
이종선 차장 한국전력기술 에너지신사업본부 기계배관환경기술실
1,000MW 화력발전 주기기 특성 및 매칭 설계
국내 1,000MW급 화력발전은 2010년대 초반 당진 9, 10호기를 시작으로 삼척그린파워 1, 2호기, 신보령 1, 2호기, 태안 9, 10호기, 신서천화력, 강릉에코파워 1, 2호기, 고성하이 1, 2호기, 삼척화력 1, 2호기까지 총 15기의 1,000MW 화력발전소가 준공 및 건설 중에 있다. 이들 1,000MW급 화력발전소는 고효율, 친환경적 발전소 건설을 위해 기존 500MW, 800M급 발전소대비 용량격상 뿐 아니라 보다 높은 압력(250barg 이상)과 온도(600℃이상)의 USC(Ultra Super Critical, 초초임계) 증기조건을 적용하여 발전효율을 높였고, 이를 통해 연료 소비를 줄임으로서 사회적으로 이슈가 되고 있는 CO2 발생량 저감, 환경 물질 배출저감 및 미세먼지 배출저감의 근본적인 방안을 마련할 수 있다.
특히 1,000MW USC 화력발전소의 터빈발전기는 45inch이상 급의 LSB를 적용한 TC-4F (Tandem Compound)형식이 적용되었고, 대용량 터빈제작사의 Long LSB 기술경쟁 각축장이 될 만큼 다양한 메이커들이 입찰하였고 계약되었다. Long LSB를 포함한 대용량터빈의 효율향상을 위한 기술들은 기대와 우려 속에 설계 및 운전경험이 축척되며 점차 성숙되고 있고, 지금도 최선을 다하고 있는 발전플랜트 담당자들의 노력으로 계속해서 발전되고 있다.
기존 대부분의 발전소 보일러, 터빈은 동일제작사에서 계약이 되어 주기기의 특징을 서로 쉽게 파악하고 매칭이 가능하였으나, 일부 1,000MW급 화력발전소의 경우 보일러와 터빈 계약사가 다르거나 새로운 주기기 조합방식 및 신기술이 적용되어 각 주기기사들의 기술적 특징을 계약 이전단계부터 조율해 가며 매칭을 하고 설계에 반영하는 것이 필요하였다.
보일러, 터빈의 매칭은 각각의 주기기가 제시한 기동 및 정지커브를 기준으로 서로 주고받는 조건들을 순환계산 함으로서 가장 최적화된 정합성을 찾는 것이다. 보일러에 급수를 공급할 수 있는 최저온도부터 보일러에서 생산되는 증기의 온도증가율, 터빈이 받아들일 수 있는 증기온도 및 압력, 보일러와 터빈의 부하승속률(%), 터빈의 회전속도율(%) 등을 매칭하며 발전소가 운전되기까지의 다양한 경우를 지속적으로 Cross check하며 일치시켜 나가야 한다. 발전설계에서 기기들의 매칭은 주기기를 포함한 발전소의 모든 기기들을 유기적으로 소통시켜주는 시발점으로 설계초기 단계부터 설계에 반영하고 있다.