[기술노트] 폐압회수 터빈 국산화

폐압회수 터빈 국산화 ㈜엑서지엔지니어링_박명호 대표 (031)425-7815 / www.exergy.co.kr 기술 개발 개요 1. 배경 발전플랜트 보조증기 계통 및 대부분의 산업체 증기계통에서는 사용처의 다양한 증기 압력에 따라 감압밸브를 이용하여 고압 증기를 감압한 후 사용처에 공급한다. 이때 감압밸브 후단의 엔탈피는 전단과 동일하지만 엑서지는 감소하게 된다. ㈜엑서지엔지니어링은 감압밸브를 폐압회수 터빈으로 교체하면 증기 사용처에 알맞은 압력의 증기를 공급함과 동시에 전기를 생산하여 에너지 이용을 극대화할 수 있는 것에 착안, 이 기술을 개발하게 됐다. 2. 목표 이 제품은 발전플랜트 및 산업공정에서 버려지는 폐압을 회수하기 위한 소형 폐압회수 터빈 발전시스템으로, 세부적으로는 소형 증기터빈 핵심 부품인 노즐 및 로터 설계 기술을 개발, 제작하여 상용화하기 위한 것이다. 이를 위하여 소형 폐압회수 터빈 발전시스템의 성능해석 기법을 개발하고 개발된 소형 폐압회수 터빈 성능을 검증했다. 3. 의의 첫째, 기술적 측면에서 소형 폐압회수 터빈 발전시스템의 최적 운영 방안을 제시할 수 있으며, 폐압 회수를 위한 핵심 중 소형 증기터빈 제작 기술 개발로 95% 이상 국산화를 실현할 수 있게 됐다. 또한 감속기, 터빈 및 발전기 제어 기술, 안전장치 등의 주변기기로 기술 파급을 기대할 수 있다. 둘째, 산업·경제적 측면에서 폐압을 회수하여 전력을 생산함으로써 사업장의 에너지 비용과 발전소 연료 사용량을 절감할 수 있다. 또한 소형 폐압회수 터빈의 국내 제작을 통해 터빈 수입의 대체 및 수입품 가격인하 효과를 얻을 수 있음과 동시에 국내 제조업 활성화가 가능하다. 셋째, 정책적 측면에서 사업장 전력 사용을 줄임으로써 화석연료 사용량을 절감, 궁극적으로 온실가스 발생량을 줄일 수 있다. 이로 인해 기후변화협약(교토의정서)에 따른 의무 온실가스 감축뿐 아니라 발전소 건설 회피에 기여할 수 있다. 폐압회수 터빈 1. 원리

[그림 1] 감압밸브와 폐압회수 터빈의 공정 흐름 및 H-S선도

폐압회수 터빈은 <그림 1>과 같이 증기 배관에 위치한 감압밸브(Pressure Reducing Valve, PRV) 대신 설치한다. 감압밸브 전후에서 발생하는 압력 손실을 버리는대신, 폐압회수 터빈에서는 이를 회수하여 전력을 생산하고 후단에서 감압밸브를 통과한 경우와 동일한 압력을 이용할 수 있도록 한다. 이때 폐압 터빈을 통과한 증기는 감압밸브를 통과한 증기에 비해 엔탈피가 감소하지만, 대부분의 보조 증기계통에서 감압공정과 감온공정이 동시에 이루어지므로 설치 시 이에 대한 보정이 필요하다. 2. 구조 <그림 2>는 폐압회수 터빈의 구성도를 나타낸 것이다.

[그림 2] 폐압회수 터빈 구성

3. 적용 예 ① 발전소 보조증기 계통 발전소 보조증기 계통에는 대부분 고압증기를 감압하여 저압증기를 사용하는데, 이때 <그림 3>과 같이 폐압회수 터빈을 이용하여 전기를 생산할 수 있다. ② 태양열을 이용한 응축형 증기터빈 발전시스템 태양열을 열원으로 하여 증기를 생산, 증기 사이클을 연계한 응축형 증기터빈 발전시스템에 적용 가능하다. ③ 연료전지 배열회수를 이용한 연료전지 복합발 전 시스템은 기존 발전용 연료전지 후단의 중온 배기가스를 이용하여 증기를 생산하는 저압 증기 사이클 연계 시스템이다. 버려지던 중온의 배기가스로부터 전력을 생산함으로써 연료전지 발전시스템의 발전 효율을 약 5% 향상시킬 수 있다. ④ 증발농축공정 ⑤ 소각장 탈기기 증기감압변 ⑥ 증기헤더 간 감압밸브 대체 ⑦ 지역난방 보조보일러 감압대체 ⑧ 화학공정 유량조절밸브 대체 ⑨ 증류공정 재비기 유량조절밸브 대체

[그림 3] 발전소 보조증기 계통에서의 폐압횟 터빈 이용

기술개발 성과 및 향후 과제 1. 기술개발 성과 국내에서 대형 터빈은 유일하게 두산중공업이 생산하고 있으나, 중소형 증기터빈의 경우 과거에는 경제성이 없어 제작 및 상용화 사례가 전무한 상태다. 그러나 에너지 비용 상승으로 인해, 소형 증기터빈(2㎿ 이하) 활용의 경제성이 증가함에 따라 미국, 유럽, 일본, 인도, 중국의 상용화된 소형 증기터빈이 국내에 유입될 전망이다. 따라서 소형 증기터빈을 국내에서 제작하면 수입대체 효과, 수입품 가격인하 효과 및 관련 기반기술 개발 및 상용화로 인한 제조업 활성화가 가능하다. 중소형 증기터빈 제작 국산화로 중소형 증기터빈을 적용하여 폐압을 전력 생산에 활용할 수 있다. 따라서 미활용 에너지를 이용, 전력을 생산함으로써 사업장 소비전력을 대체하거나 기존 한전 송전망에 전력을 공급하여 분산형 전원 역할 수행이 가능하다. 또한 화석연료의 추가 없이 미활용 에너지를 이용 발전함으로써 온실가스 발생량을 감소시킬 수 있어 기후변화협약에 따른 의무 온실가스 감축에 기여할 수 있다. 한편으로는 국산 폐압회수 터빈을 발전소 및 다양한 산업체들에 적용하여 에스코 사업 및 CDM사업 등과의 연계 속에서 폐압회수 설비 사업을 진행시켜 나갈 필요가 있다. 본 기술은 현재까지 국내에 존재하지 않던 새로운 시장으로, 단기간에 시장 인지도를 높이기 위해서는 정부 정책 중 에너지 절약 및 기후변화협약과 연계하고 에너지 진단 의무화 시책과 연동 추진하여 효과를 극대화시켜야 한다. 박명호(朴銘虎) 1966년생. 아주대학교 에너지공학과 석·박사. 1994년 한국전력공사 전력연구원. 1998년 베를린공대 에너지공학연구소 초청연구원. 1999년부터 현재 ㈜엑서지엔지니어링 대표이사 · 참고 문헌 1. Sean Casten, Thomas O’Brien, “Free Electricity From Steam Turbine-Generators” 2. Sean Casten, “Recycling waste pressure into electricity” 3. Sean Casten, “Creating Value from Steam Pressure”