초초임계압 화력발전기술

 
'한계’에 도전하는 인간의 모습은 아름답다.
게다가 많은 사람들이 불가능하다고 여기는 한계에 도전하여 성공을 거두는 경우는 더욱 더 큰 감동과 기쁨을 안겨준다.
가령, 마라톤의 예에서도 쉽게 찾아볼 수 있을 것이다.
미국의 마라토너 존 헤이스가 1908년에 2시간 55분이라는 기록을 세운 이래로 무려 30년이란 세월동안 아무도 그 기록을
갱신하지 못할 것이라 여겼었다.
점점 불가능한 일이라고 여겨지던 그 때, 1936년 한국의 손기정 선수는 그‘불가능’을‘가능’으로 바꾸는데 성공한다.
2시간 29분 19초라는 기록은 당시 암울했던 우리 민족 전체와 전 세계에 신선한 충격과 기쁨이 아닐 수 없었다.
이러한 '한계'에 대한 도전은 끊임없이 이어져 2003년 9월 케냐 의 폴 터갓은 2시간 4분 55초라는 상상초월의 ‘가능’을 이루었다.
이처럼 불가능이란 끊임없이 자기 개발을 하는 자에겐 무용지물의 단어에 불과한 것이며 무한한계로의 도전만이 존재할뿐이다.

화력발전 분야에도 끊임없이 도전해야만하는 한계가 있다. 바로 증기의 압력과 온도이다.
압력과 온도를 높이면 높일수록 화력발전소의 효율은 높아진다.
이렇게 되면 에너지의 절약과 아울러 운전비용과 자원을 절약할 수 있고, 이산화탄소 배출량을 감소 시킬 수 있다.
그러나 반대급부로 위험도가 높아지기 때문에 한계 고온·고압에 견딜수 있는 재질과 설계, 제작 기술의 개발이 시급하다 한다.
그래서 쉽게 넘을 수 없는 임계점(Critical Point)이 존재한다.
이 임계점을 기준으로 아임계(Sub-critical) 화력발전소가 1950년대부터 개발하여 1980년대초까지 온도와 압력을 높였다.
국내에 건설 되었던 아임계 화력발전소는 167bar/540 ℃/540℃의 증기조건까지 높일 수 있게 되었다.
그 후 임계점을 넘어선 초임계(Super Critical) 화력발전소가 개발되어 국내 표준석탄화력으로 자리잡아 안정적으로 운전되고 있다.
국내외적으로 고온·고압화에 대한 노력은 더욱 치열해져서 초초임계압 (Ultra Super Critical) 화력발전기술이 개발되고 있다.
무한 한계로의 도전이 화력발전 기술에서도 이뤄지고 있는 것이다.


    P: Pressure   T: Temperature







아마 국민들이 일반적으로 할 수 있는 질문일 것이다. 친환경적이면서도 풍부한 풍력, 태양광, 조력 등의 재생 및 대체에너지를 이용하여
전기 에너지를 얻으면 될 것이라고 생각한다.
물론 재생 및 대체 에너지를활용하고자 하는 노력을 국내외적으로 계속 하고 있으며 많은 발전과 성과를 안겨 주고 있는 것은 사실이다.
그러나 절대적인 양이 부족하며 전력 생산의단가 면에서도 10배 이상이나 되는 고가로서 아직은 비경제적인것이 현실이다.
따라서 국민들에게 저렴하고도 안정적으로 전기에너지를 공급하기 위한 최선의 방법은 대규모 친환경 석탄화력발전소라고 할 수 있다.
우리나라의 전력 소비량은 선진국에 비하여 낮은 상태이다.
2000년 기준 우리나라 국민 1인당 평균 전력소비량은 4,167 kWh 로 대만의 6,462 kWh, 프랑스 6,511 kWh, 일본 6,317 kWh,
미국의 12,434 kWh 보다 훨씬 낮은 전력소비량을 보이고 있다.
국내 에너지연구 전문기관에 의하면 우리나라가 일본수준의 전력소비량에 도달하는 시점은 2020년 이후로 예상되기 때문에 우리나라
전력수요는 향후 20년 이상 지속적으로 증가할 것으로 보인다.
또한 국민의 문화수준 은 계속적으로 증가하고 있기 때문에 전기 에너지 사용은 앞으로 10년 동안 연평균 4%이상 증가할 것으로
예상되고 있다.
그렇다면 석탄화력의 장점은 무엇인가?
석탄의 매장량이 풍부하다는 것이다.
전 세계적으로 측정된 매장량은 88조톤이며 확인된 채굴 가능 매장량은 1조3천억 톤으로서 약 320년 이상 이용이 가능한 것으로
보고 되고 있다.
또한 생산지역이 각 대륙별로 고루 분포되어 있고 생산국들이 비교적 정치, 경제적으로 안정되어 있다는 것도 장점이다.
게다가 국내 자본에 의한 해외 탄광 개발이 활발히 이루어져 왔으며 오랜 기간의 수입에 따라 수송체계가 완비되어 있어
연료가격 및 수급상의 많은 장점이 화력발전에 의한 안정적 전기 에너지의 확보 방법임을 알 수 있다.


석탄 연료를 이용 하여 전기를 생산하는데 있어서 발생하는 가장 큰 문제는 환경문제이다.
환경문제는 세계적인 이슈로서 CO2, NOx, SO2, 분진 등에 관한 환경기준이 강화되고 있다.
이러한 환경기준 및 세계적 요구에 충족할 수 있는 청정석탄 화력발전 기술이 다양하게 개발되고 있다.
청정석탄을 이용한 차세대 화력 기술 중에는 가압유동층 발전(PFBC, Pressurized Fludized Bed Combustion) 및
석탄가스化 복합발전(IGCC, Integrated Gasification Combined Cycle)과 초초임계압(Ultra Super Critical)발전기술이 있다.
가압유동층 발전과 석탄가스化 복합발전 기술은 청정석탄의 신기술로서 각광을 받고 있지만 아직까지는
설비용량 제한이 있으며 초기의 높은 투자비가 걸림돌이 되고 있어 현재에도 아직 개발단계에 있다.
따라서 석탄화력 발전시스템의 증기온도와 압력을 획기적으로 올린 차세대 화력발전기술이 초초임계압(USC, Ultra Super Critical)
화력 발전기술이다.
초초임계압 화력발전 시스템은 대용량, 고효율, 환경친화형으로 혁신 기술에 꼽히고 있다.
21세기형 발전산업의 주력기종으로 선진외국에서 기술개발 및 상용화가 진행되고 있다.
국내에서도 향후 안정적인 국내 산업발전에 기여하고 국제 경쟁력을 확보하고자 현재 정부의 기술개발 지원과 함께 산학연이
협동하여 개발에 박차를 가하고 있다.
여기에서는 “1000MW 급 차세대 화력발전 기술인 초초 임계압 발전기술”에 비중을 두고자 한다.


 화력발전소의 증기 온도와 압력은 그림과 같이 1900년부터 2000년에 걸쳐 계속 증가하여 발전소 효율이 44.2% 수준까지
꾸준하게 향상되었다.
1960년대부터 1990년대까지 30년 동안 초임계압(Super Critical) 증기조건의 발전시기를 거쳐 1990년代부터 초초임계압
화력발전기술이 실용화 단계에 접어들었으며 2020년에는 초초임계압 화력발전기술이 화력발전의 주력 기종으로 자리잡을 전망이다.





미국은 1956년에 세계최초로 AEP(American Gas & Electric Service Corp.)의 Philo No. 6 와 1962년에 Philadelphia Electric Co.의
Eddystone No.1의 증기조건을 증기 압력/주증기온도/1단재열증기온도/2단재열 증기온도를 각각 314bar/621/565/538℃ 및
345bar/649/565/565℃의 초초임계압 조건으로 상업운전을 개시하였다.
Eddystone 발전소의 1호기(설계효율 : 43%)의 운전은 보일러 고온부와 주증기관에서 발생하는 손상사고로 인하여 현재에는
증기조건을 낮추어 운전하고 있다.

1978년부터 미국의 전력중앙연구소인 EPRI(Electric Power Research Institute) 주관으로 증기조건을 높이기 위한 연구가 시작되어
발전소가 비교적 적은 연구비로도 안전하고 장시간동안에도 발전소 효율을 향상시킬 수 있는 증기조건을 제시하였다.
바로 2단 재열방식의 311bar/593/593/593℃의 증기조건을 제시한 것이다.
EPRI의 제안은 일본, 유럽에서의 초초임계압 발전기술연구의 기폭제가 되어 시스템 설계 및 재료분야 연구자들은 593℃를 목표에
도전하게 되었다.

1986년부터는 2단 재열방식인 310bar/ 593/593/593℃ 조건의 터빈설계 및 재료개발을 위해 발전설비의 선진 제작회사인
GE, Toshiba, Alstom, MAN 社가 공동으로 참여하였다.
2002년 에는 미국에서 수행중인 초초임계압  발전기술 개발관련 프로그램 중에서도 “Power Plant Improvement Initiative”
프로그램은 6년 동안 2억 달러 규모의 연구 프로그램으로 주로 석탄이용 연구에 초점이 맞춰진 것이었다.
이 연구에서는 발전효율향상, 공해배출 물질감소, 미국발전기술의 가격경쟁력 확보를 주요목표로 하여 아시아등의 시장에서
직접 발전소를 수주, 건설하여 신뢰성 평가까지 하는 것을 계획하고 있다.

미국은 캘리포니아 전력 비상사태와 같은 전력부족 사태를 근본적으로 방지하기 위해서는 미국의 가장 풍부한 에너지자원이며
향후 200년 이상 안정적으로 공급 가능한 에너지源으로 석탄사용이 불가피함을 인식하고
“Power Plant Improvement Initiative” 연구프로그램을 시작하게되었다.


유럽에서는 1950년대부터 초초임계압 발전소를 건설하기 시작하여 Hattingen 3, 4 호기 주증기 온도는 600℃에 도달하였다.
미국에서는 1960년代 가동된 초초임계압 발전소 운전실적이 양호하지 못하였지만, 독일에서는 화학설비에 증기와 전기를
동시에 공급하는 작은 용량의 발전소로서 부하가 일정하고 기동정지가 거의 없기 때문에 양호한 운전실적을 가질 수 있었다.

유럽의 초초임계압 화력발전기술 연구는 1983~1997년 동안 COST (European Collaboration in Scientific Research) 501
연구 프로그램을 시작으로 화력발전소의 효율향상에 대한 연구가 진행되었다.

COST501은 터빈 및 보일러 설계 및 제작자, 관련 재료 제조업체, 전력회사, 대학 및 연구소등의 공동참여로 진행되었으며
도달목표는 300bar/600/600℃로 설정되었다.
한편 COST 501 완료 후 1998~2003년 기간에 300bar/620/650℃를 최종목표로 하여 COST 522 연구
프로그램이 진행되었다.
또한 유럽에서는 증기조건 300bar/700/ 720℃, 발전소 효율 55%, 설비용량 400~1000MW 로 2010년 까지 상업운전개시를 목표로
COST 522 프로그램과 별도의 Thermie 프로그램을 추진하고 있다.
300bar/600℃ (COST501 프로그램) 개발 이후에 유럽의 발전설비 제작회사와 선도적인 전력회사는 700℃ 증기온도의
석탄발전소에 대한 기획 연구를 수행하였다.
이 기획 탐색연구를 통해 핵심기술의 개발 가능성과 상용화에 따른 경제성을 면밀히 검토한 결과
긍정적인 결론에 이르러 Thermie 프로 그램을 시작하였다.
이 프로그램은 보일러, 터빈, 발전기 공정의 세 그룹으로서 총 40여개의 유럽업체가 개발에 참여하고 있다.

1998년에 연구가 시작되어, 현재는 2003년까지 Ⅰ단계가 완료되었으며, 증기조건 75bar/700/720/720℃, 발전 소효율은 55%,
발전소 용량은 400~1,000 MW이다.
Thermie 프로그램은 초고온·고압 발전플랜트에 적합한 차세대 초초임계압 발전시스템 모델 개발에 집중하고 있다.
한 가지 예로 Siemens 社에서 제안하고 있는 차세대 보일러의 경우를 보면, 기존 보일러 개념을 혁신적으로 수정한
수평형 화로 보일러 (Horizontal Furnace Boiler)이다.
초고 온·고압에 따른 초고온부의 재료비 상승에 따른 부담을 줄이기 위해 보일러의 높이를 낮추고 화로의 단면을 보다 크게 하여
안정적인 화로운전을 가능하게 하고 전통적으로 유럽에서 채택하던 박스형 보일러를 수평연 소형 보일러로 형태를 과감하게 변경 하였다.

 

보일러 부분의 개발과 더불어 터빈/발전기 설계기술개발도 증기조 건의 향상에 따른 활발한 연구가 있었다.
고효율화를 위한 전체 시스템의 최적화와, 고온화 에 따른 신개념의 고온부 부품을 설계하는데 주력하고 있다.
효율 극대화를 위한 고압 및 중압부의 고효율 3차원 블레이드를 개발하고 1200MW 출력까지 감당할 수 있는 대용량 모델의 개발 등이
진행되고 있다.
Siemens 社, Alstom 社 등에서는 620℃ 의 증기온도 및 대용량에 대한 터빈/발전기 설계기술을 보유 하고 있으며 더 높은 온도에 대한
설계 및 모델을 개발 중에 있다.

<사진1, 2>는 2002년도 상업운전을 개시한 독일 RWE 사의 초초임계압 설비인 Niederaussem 발전소(쾰른 소재) 모습이며 발전소
설비용량은 1025 MW, 증기조건은 278bar/580/600℃이고 보일러는 Alstom 社, 터빈은 Siemens 社에서 제작, 설치하였다.