화력발전의 과거·현재 그리고 미래
마삼선 한전 전력연구원 수석연구원
19세기 말 비싼 가격으로 인해 사치품 취급을 받던 전기는 증기터빈과 교류송전 기술 개발로 전환기를 맞는다. 이후 전력 비즈니스모델 창시자인 사무엘 인설이 자연독점과 가격규제를 제시하면서 누구나 값싸고 풍부한 전기를 사용할 수 있게 됐다.
경쟁적 전력시장이 도입된 지금은 발전사업자의 적정이익 보장과 서비스 차별 금지 원칙이 무너지는 한편 신재생에너지 보급이 확대되면서 화력발전이 큰 위기에 처해 있다.
돌이 없어 석기시대가 끝난 것이 아니라 더 나은 기술인 청동기가 등장함으로써 돌의 효용가치가 줄어들었듯이, 현재 주력 에너지인 화력연료가 고갈되기 전에 새로운 기술이 도입된다면 시대적 위기도 극복할 수 있을 것이다.
화력발전은 초초임계압발전, 석탄가스화발전, 순산소발전 등 새로운 형태의 기술개발로 지속적인 경쟁력을 갖출 것으로 기대된다.
재생에너지 발전 현황 및 미래 전망
이상훈 한국신재생에너지학회 녹색에너지전략연구소 소장
에너지 분야는 에너지 공급의 안정성 외에도 기후변화라는 새로운 도전에 직면해 있다. 세계는 에너지를 안정적으로 공급하면서 동시에 지구 평균 기온 상승을 2℃ 이내에서 억제하도록 온실가스 배출을 줄여야 한다.
IEA의 에너지기술전망(2014)에 따르면 발전부문은 감축 잠재력이 가장 커 에너지부문에서 감축해야 할 총량의 41%를 줄일 수 있을 것으로 평가된다. 기술별 에너지부문 온실가스 감축 기여도를 평가하면 재생에너지가 34%로 가장 높게 나타난다.
재생에너지는 발전부문에서 이미 대세를 형성하고 있다.
REN21에 따르면 이미 세계 전력생산의 약 23%를 수력을 포함한 풍력, 태양광, 바이오매스발전 등 재생에너지가 차지하고 있다. 국내 재생에너지 산업뿐만 아니라 발전산업도 재생에너지 개발과 활용을 강화하는 전략을 추구해야 한다.
온실가스 감축을 위한 감축사업
한광춘 한국서부발전 팀장
우리나라는 올해부터 온실가스 배출권거래제를 시행하면서 자발적 시장에서 규제시장으로 본격 전환됐다. 따라서 발전산업은 저탄소·고효율 발전기술 도입, 신재생에너지 발전 확대 등의 자체감축 노력과 더불어 외부감축 사업 또한 적극적으로 추진하고 있다.
서부발전은 2010년부터 30개 중소기업을 대상으로 에너지 진단과 에너지 저감시설비 지원, 탄소성적표지 인증 지원 등을 시행하는 그린크레딧 사업을 추진해 왔다. 또 4개 회사에 대해서는 온실가스 감축사업을 발굴해 지원함으로써 배출권을 확보하고 있다.
올해부터는 기업과 농업인, 정부기관 및 지방자치단체가 협력하는 새로운 방식의 농업부문 온실가스 외부감축사업을 발굴해 추진하고 있다.
이 사업은 서부발전이 태안으로 이전하면서 지역과의 상생협력을 위해 추진하는 사업으로서 5년간 약 100억원의 사업비를 지원하고 약 30~50만톤의 배출권을 확보한다는 계획이다.
전력계통 주파수와 발전기 출력제어 관계
최인규 한전 전력연구원 부장
전력계통의 주파수는 전압과 함께 전기품질의 척도다.
전력계통에 있어서 주파수의 변동은 유효전력 수급 불균형의 결과로 나타난다. 즉 유효전력 발생량이 소비량보다 많으면 주파수는 상승하고, 발생량이 소비량보다 적으면 주파수는 낮아진다.
안정적으로 전력을 공급한다는 것은 전력계통의 모든 발전기 및 부하가 서로 평형상태를 유지하며 전력을 수수하고 있음을 의미한다.
통상 전력계통에서는 동기발전기를 사용하고 있으므로 전력계통 내의 발전기가 정상상태에 있으면 모든 발전기들은 전자기적으로 결합돼 전기적으로 동일 속도, 즉 동기속도로 운전되며 부하에 전력을 공급한다.
안정된 부하 분배 계통에서는 일정한 주파수가 반드시 필요하며 동기발전기의 특성으로 인해 부하 증가시 회전수가 감소하고 부하 감소시 회전수가 증가하는 특징이 있다.
전력계통의 주파수 동특성과 정특성에 대해 살펴본 후 발전기의 부하추종운전과 전력거래소의 자동발전제어에 관해 알아본다.
저등급 석탄 수분 빼 고급탄 탈바꿈
정영갑 한국남동발전 부장
저품위 석탄은 고유수분 20%에 표면수분 10%를 포함해 총 30% 이상의 수분을 함유하고 있어 발열량 또한 4,500kcal/kg 이하로 낮고, 자연발화 가능성이 커 발전연료로 사용하는데 어려움이 있다.
재열증기방식 석탄건조 설비는 수분이 많이 포함된 저품질의 석탄을 300~700℃에 이르는 고열의 증기로 수분을 증발시켜 고품질 석탄으로 업그레이드시키는 장비다.
현재 독일·일본 등 몇몇 국가에서만 상용설비를 갖추고 있고, 순수 국내 기술로 100t/h 규모의 건조설비를 준공한 경우는 영흥본부가 최초다.
유동층, 마이크로웨이브, Steam Tube Dryer 등 다른 건조기술 대비 재열증기방식의 가장 큰 장점 중 하나는 화재위험이 현저히 낮다는 점이다.
건조기 내부에 5% 이하 수준의 산소만 존재하는 상태에서 석탄 건조작업이 진행되기 때문에 화재발생률이 거의 없다.
가스터빈·복합화력의 성능분석과 관리
김동섭 인하대학교 기계공학과 교수
LNG복합화력발전의 주기기인 가스터빈과 발전플랜트 전체의 성능(performance)을 분석하고 관리하는 방법에 대해 소개한다.
우선 LNG복합화력발전의 성능설계 기본원리를 살펴보고, 주요 OEM 기업들에서 주력하고 있는 기술개발 이슈를 포함한 최신 기술개발 트렌드를 중심으로 가스터빈 기술개발 현황을 알아본다.
또 가스터빈 성능이 변화하는 이론과 변화를 가져오는 인자들, 그 영향을 예측하는 방법을 설명한다. 마지막으로 성능진단(performance diagnosis)과 성능보정(performance correction) 및 발전용량 예측 등 성능변화 예측기법의 활용 분야에 대해 사례 중심으로 살펴본다.
CCS 기술, 온실가스 감축목표 일조
한종훈 서울대학교 교수
기후변화 영향이 심각해짐에 따라 전 세계적으로 기후변화 대책 수립에 대한 목소리가 커지고 있는 추세다.
화석 연료는 신재생 에너지원들보다 가격 경쟁력이 월등히 높지만, 상대적으로 많은 온실 가스를 방출하기 때문에 우리나라와 같이 대량의 고급 전력을 조달해야 하는 나라에서는 온실가스 배출량을 대폭 줄일 수 있는 이산화탄소 포집 및 저장 기술 개발이 필수적이다.
선진국의 경우도 각국의 온실가스 감축목표 달성을 위해 CCS 기술 개발이 활발하게 진행되고 있으며 한국도 2010년 국가 CCS 종합 추진 계획을 수립하고 범부처가 협력해 체계적이고 조직적으로 CCS 기술을 개발해 왔다.
현재 한국에서 진행되고 있는 이산화탄소 포집·수송·저장기술을 소개하고 향후 전망에 대해 살펴본다.
장재열 한국동서발전 차장
터빈 제어밸브 스트로크에 대한 전형적인 유량 특성은 평방근 특성과 유사하다. 따라서 캠 또는 전기적인 기능을 사용해 이를 직선화시키지만 그 결과에 어느 정도의 비직선성이 남아 있다.
제어밸브 스트로크가 100%에 가까우면 스트로크가 증가해도 증기유량이 거의 증가되지 않는다. 이런 점에서는 출력이 잘 변하지 않는다.
반대로 제어밸브의 Cracking Point 바로 지난 지점에서는 적은 스트로크의 변화에도 유량변화가 커서 출력이 크게 변한다.
장재열 한국동서발전 차장은 터빈 제어밸브 특성 커브조정에 대해 소개한다. 또 터빈 제어밸브 튜닝 사례로 당진1호기과 동해1·2호기 조정내용을 소개한다.
이병화 두산중공업 선임연구원
플랜트 운영 시 혼소를 주로 하는 국내 사정상 빠르고 정확하게 슬래깅성을 예측할 수 있는 프로그램을 요구하는 고객들이 늘어나고 있다.
이번에 소개할 프로그램은 석탄화력발전소에서 문제가 되고 있는 석탄 종류에 따른 슬래깅성을 예측할 수 있도록 개발됐다. Ash(재) 내에 포함돼 있는 성분의 화학적 평형에 의해 MT를 도출했고, 다양한 실험으로 프로그램의 정합성을 검증했다.
기존 혼소 시 예측하지 못했던 탄종의 비선형성을 파악할 수 있게 돼 더 정확한 탄종의 슬래깅성을 예측할 수 있게 됐다. 이에 따라 발전소로 들어오던 기존 석탄뿐만 아니라 새로 입하되는 석탄에 대해서도 슬래깅 특성을 파악할 수 있게 됐다.
이 프로그램은 발전소 운전 시 슬래깅 방지를 위한 석탄 선정 및 혼탄 비율 결정에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.
윤홍철 GE코리아 상무
GE가 개발한 7HA 가스터빈은 3D프린팅과 같은 첨단 제조기법과 IT가 결합돼 만들어진 최신 발전기다. 단순화된 공기 냉각방식 설계와 첨단 소재, 검증된 운전성과 신뢰성으로 MW당 최저 생애비용을 유지한다.
500MW 고밀도 출력이 만들어내는 경제효과와 61% 이상에 달하는 운전효율은 최저 비용으로 발전을 가능케 해 발전사업자들이 변동성이 커지는 전력시장에 대응할 수 있도록 지원한다.
GE의 HA 가스터빈 시리즈는 지금까지 전 세계에 70GW 상당 공급됐다. 미국과 유럽연합 등 저탄소정책을 펼치고 있는 국가에서 적용이 검토되고 있는 추세다.
우리나라의 경우 GS파워가 안양열병합발전소에 2기 도입하기로 했다. 이는 90만 가구에 전력을 공급할 수 있는 규모로 안양 및 과천지역 지역난방 공급능력 증대에 기여할 전망이다.
이상학 휴비스워터 기술이사
산업부 WPM 연구단 및 국토부 FORO 연구단 등 정부주도 아래 FO 공정을 해수담수화에 응용하는 연구를 진행하고 있다.
FO-RO hybrid 공정은 RO의 전력소비량과 막오염 정도를 낮춰줘 운전유지비가 낮아지는 효과는 있지만 비교적 고가의 FO 공정을 RO 공정과 결합시켜야 해서 이 공정의 전체적인 경제성은 면밀히 검토해봐야 한다.
이런 목적으로 휴비스워터에서는 1㎥/hr 처리용량의 FO-RO hybrid pilot plant를 제작해 현재 건설이 진행 중인 삼척그린파워 발전소에 설치해 약 5개월간 운전했다. 운전결과 SWRO의 전체적인 O&M 비용의 감소는 직접 확인할 수 있었다.
하지만 FO 공정이 본격적으로 해수담수화공정에 응용되기 위해선 분리막 및 분리막 모듈의 내구성, 수명 등이 제조사로부터 확인돼야 하며 그와 함께 모듈 가격이 막면적 대비 현재 RO 가격 이하로 판매돼야 가능할 것으로 판단됐다.
황영하 한국서부발전 차장
2015년 2월 대용량 석탄발전소 2호기의 열교환기를 정비하고 출력 증가 이후 발전기 수소가스 소모량이 증가하는 현상이 발생했다.
설비진단 결과 고정자권선을 통한 수소가스 누설 가능성을 확인했고 시간이 경과됨에 따라 수소가스 누설량은 계속 증가했다.
확인결과 고정자권선 상부 출구측 냉각수 호스에서 변형현상이 발견됐으며 이는 2014년 11월 노후 고정자권선을 신품교체 정비하면서 함께 개조 변경한 테프론호스(냉각수관)가 운전 중 수소가스 압력과 냉각수 압력을 견디지 못하고 변형·균열이 원인이었다.
타 발전기의 동일 제작사 납품 제품에서도 유사현상이 발견됐으며, 테프론호스의 손상원인 분석과 조치방안을 수립해 1호기 계획예방정비시 디자인 개선 및 보완제품으로 전량 교체했고, 2호기 발전기는 고장당시 최적 임시조치 방안으로 에폭시 테이핑으로 테프론호스의 강도보강을 시행해 차기 계획예방정비시까지 운전하는 것으로 했다.
김상돈 KAIST 교수
▲Heat changer ▲Dryer ▲Fisher Tropsch ▲UNIPOL ▲Calcination ▲Silicon for semi-conductor·solar cell ▲FINEX공정 ▲Bio-process for soy sauce 등 유동층 반응기의 산업적·물리적·화학적 응용사례들을 소개한다.
또 유동층 반응기의 기본이론이라 할 수 있는 ▲입자의 물리적 특성 ▲조업 유속범위 ▲ 유속에 따른 흐름 특성 ▲기포 특성 ▲입자의 비말동반 등을 다루고, 유동층 반응기의 기초설계 방법도 설명한다.
전력산업 분야 유망 기술로 각광받고 있는 유동층 기술로 ▲PFBC(가압유동층복합발전) ▲IGCC(석탄가스화복합발전) ▲Chemical Looping Combustion(화학회로연소) ▲Cyclic Steam-Iron Process 등이 다뤄질 예정이다.
서부춘 한국남동발전 차장
터빈의 핵심부품 고장이 전력계통에 미치는 영향을 고려했을 때 운전 중 또는 정기 보수공사 기간 중 철저한 점검과 진단이 필요하다. 터빈 베어링 손상과 고중압 터빈 FOD(Foreign Object Damage), 정비대책 등의 기술지원 사례를 살펴본다.
터빈 베어링은 Babbitt Metal이라고 불리는 연질의 주석합금으로 터빈발전기 로터 하중을 지지하는 역할을 하고, 이 Babbitt Metal이 손상될 경우 터빈 발전기 운전이 불가능하다. 터빈 발전기 감속(Coast-Down) 중 베어링 온도의 급상승(Spike) 현상을 통한 사전예측, 정비방법, 고장방지 대책 등을 소개한다.
또 터빈 운전 중 고압 또는 중압 터빈 입구의 밸브 부품이 탈락돼 고속으로 회전하는 터빈에 유입돼 블레이드 등 핵심부품을 손상시킨 사례와 예방정비 대책을 제시한다.
김동관 한국중부발전 기술연구센터 선임전문원
국내 발전용 대용량 가스터빈은 1990년대 초 수도권 열병합발전소 건설을 시작으로 점차 증가해 현재 약 130대에 이른다.
사용자의 고효율·대용량화 수요는 가스터빈 제작의 기술발전을 견인했고, 최근에는 터빈 입구온도 1,600℃에 발전효율 55% 이상의 대형 가스터빈을 개발하기에 이르렀다.
이번 발표에서는 두 종류 대형 가스터빈에서 발생했던 압축기 파울링 현상과 성능저하 정도를 비교하고, 가스터빈 공기흡입 필터선정 시 유의점을 살펴보겠다.
최근 준공된 국내 가스터빈의 압축기 파울링에 의한 기동실패 사례는 2010년까지 발생하지 않던 압축기 오염에 따른 문제다.
대기환경의 변화로 인해 점차 심해지는 겨울철 황사에 적절히 대응하지 않는다면 향후 가스터빈 압축기 오염은 가스터빈 운전 신뢰성에 심각한 영향을 미칠 것으로 판단된다. 특히 가스터빈의 압축기 오염을 방지할 수 있는 공기흡입 시스템은 더욱 중요하게 다뤄져야 할 것이다.
윤지현 NLP 연구소장
바이오에너지는 바이오매스를 전환해 화석에너지를 대체할 수 있는 에너지다.
바이오에너지는 이산화탄소와 태양에너지를 유기물로 전환하는 광합성 작용을 통해 만들어지기 때문에 지구 환경을 보존하면서 생산할 수 있는 원천적인 에너지다.
하지만 원료인 바이오매스의 수급 문제로 바이오에너지 개발에 어려움을 겪고 있으며, 1세대 2세대 바이오매스를 거쳐 최근 3세대 바이오에너지 원으로 미세조류가 각광받고 있다.
미세조류는 육상식물에 비해 광합성 효율이 월등히 높아 국내외에서는 바이오에너지 개발 연구가 많이 진행되고 있고, 미세조류 유래 바이오디젤 분야에 집중돼 있다.
특히 미세조류의 높은 이산화탄소 고정 효율 덕분에 탄소 순환자원으로 각광받고 있으며 국내뿐 아니라 외국에서도 화력발전소와 연계해 이산화탄소 재이용 측면에서 연구되고 있다.
백운홍 두산중공업 차장
두산중공업은 대형 수냉각발전기와 중소형 수소냉각발전기를 국내외에 공급할 수 있는 모델 Line-up 구축을 완료하고, 현재는 공기냉각 발전기 모델 개발에 집중하고 있다.
1,000MW인 신보령화력 1·2호기 발전기와 화력, 원자력, 복합화력 및 Replacement 발전기를 포함해 국내외 238기를 공급 완료했고, 국내외 다수 프로젝트 발전기를 설계·제작하고 있다.
신보령 1·2호기 발전기는 국내 화력 최대용량으로 자체 기술로 설계 및 제작해 공급 완료했다. 국내 최초 단자전압 30kV가 적용돼 이에 적합한 절연 시스템이 적용됐다.
또 두산중공업은 고정자 권선 절연 시험동을 구축해 절연시스템을 개발하고 있으며, 대용량·고효율 발전기 요구에 대응하기 위해 발전기 냉각가스 수소압 증대 기술을 개발해 확보했다.
이승욱 한국서부발전 차장
지난해 1월 원자력안전법 개정으로 현장 RT(방사선투과검사)에 많은 제약이 따를 것으로 예상된다. 또 최근 보일러 비파괴검사 물량 증가는 물론 RT로 인한 손상이 빈번히 발생하고 있어 RT를 대체할 검사기술과 작업공기 준수가 요구되고 있다.
개정된 원자력안전법에 따르면 휴대용 방사선의 사용강도는 50Ci에서 20Ci로 줄어든다. 이렇게 되면 작업능률 저하로 현장 RT 시간이 지연될 뿐만 아니라 작업도 제한받게 된다.
또 시간당 방사선량 초과 구역에 대한 출입관리와 일반인 접근을 감시토록 규정하고 있어 추가적인 관리비용 발생이 불가피하다.
PAUT는 일정하게 배열시킨 다수의 진동자 구동을 전자적으로 제어해 송신신호의 시간과 위상을 자유롭게 바꿈으로써 각 진동자로부터 초음파를 합성하는 방법이다. 2000년대부터 RT의 대체 또는 보완으로 산업용 기술표준과 코드에 수록되기 시작했다.
육진환 한전KPS 솔루션실 선임전문원
환경에 대한 관심이 높아지면서 황산화물과 질소산화물을 제거하는 탈황·탈질설비의 설치가 증가하고 있다. 이로 인해 탈질설비 운영에 따른 문제점들이 상당수 보고되고 있다.
우선 촉매부위 온도가 320~350℃로 큰 편차를 보여 촉매 전단부에 이물질이 쌓이거나 촉매 수명을 단축시키는 문제가 발생하고 있다. Duct burner 설치 후에도 온도 편차가 줄어들지 않아 대책마련이 시급하다.
또 요소수 슬립 현상으로 탈질설비 전후의 압력강하가 크게 발생하거나 특정 위치에 재(Ash)가 쌓이고 질소산화물(NOx) 규제치를 초과하는 경우가 발생하고 있다.
발표된 다수의 논문에 따르면 촉매 상단부 유동 불균일이 이 같은 각종 문제의 근원이다. 유동해석을 통해 탈질설비 내부 구조물을 추가하거나 변경함으로써 유동 균일화를 구현할 필요가 있다.
김규보 부산대학교 연구교수
우리나라는 2030년 기준 온실가스 배출전망치에 대해 37%인 3.2억톤의 온실가스 감축목표를 선정했다.
온실가스 배출저감을 위한 다양한 기술들이 있으나 기존 석탄연료에서 탄소중립연료로 전환하는 기술은 온실가스 감축을 위한 가장 효과적인 대안이라 할 수 있다.
이미 국내에서도 탄소중립연료인 바이오매스를 석탄화력에 혼소해 적용함으로써 온실가스 배출저감을 위한 RPS를 감당하고 있다.
국내 대부분 미분탄 보일러에서는 3~5%wt 정도 바이오매스를 혼소하고 있으나 매년 RPS 기준은 증가하게 되며, 혼소비율을 높여 RPS에 대응하기 위해서는 가장 우선적으로 안정적이며 경제적인 바이오매스 연료를 확보하는 방안을 구축하는 것이다.
또 이후 기존 설비의 혼소율 증대 및 전소 전환을 위한 보일러 설비의 수정, 보완이 반드시 필요하다.
황두현 한전KPS 차장
일반적으로 발전기 수명은 25~30년 정도지만 이는 기동·정지 횟수 등 운전조건 및 환경적 요인에 의해 절연물 및 구조물 열화로 인해 기대수명은 달라진다.
따라서 안정적 전력공급을 위해선 적절한 메인터넌스 및 발전기 진단·정밀점검이 필요하다. 또 수명만기 전에 주요부품의 교체 및 재생을 통한 수명연장이 필요하다.
리트로핏을 수행하기 위해선 먼저 발전기에 나타나는 발전기 제작 중에 발생되는 마이카 절연물의 결함 현상 및 전형적인 age-ing현상에 대한 일반적인 과정 및 주요원인에 대한 충분한 이해가 필요하다.
또 발전기 정밀진단시험과 절연진단 시험에 대한 이해와 지식을 활용해 발전기의 현상태를 정확히 분석하고 판단할 수 있어야한다.
위 전제조건을 바탕으로 발전기 성능개선 시 절연물 두께, 용량증대 여부, 코로나 보호 시스템, 진동강성을 증대할 수 있는 지지시스템 및 본딩 시스템, Crevis corrosion 억제방법, 열화 및 손상이 적은 절연물 교체 등을 감안해 필요 시 디자인을 변경하고 기기운영에 있어 신뢰성을 확보해야 한다.
