세라믹가스터빈 (Ceramic Gas Turbine)
1. CGT302 개발의 개요
CGT302는 cogeneration용 재생 2축(shaft)식의 세라믹가스터빈이다. 개발 목표는 터빈 입구온도 1350℃, 열효율 42%이상, 배기가스의 NOx농도는 법령기준치 (70ppm)이하로 하여 소형 가스터빈의 열효율을 비약적으로 개선한 에너지절감 및 환경유해요소의 감소이다.
개발과정에서 여러 가지 어려움에 직면하였지만, 최종적으로 목표를 상회하는 열효율 42.1%, 출력 322kW, NOx농도 31.7ppm를 달성하였다. 이 열효율은 소형 가스터빈임에도 불구하고 최대급의 가스터빈과 디젤엔진에 필적하는 획기적인 결과이다.
2. 가스터빈의 효율개선과 세라믹스
(1) 가스터빈의 효율을 지배하는 인자
재생식 가스터빈(배열 재생 열 교환기를 이용 고온의 배기 가스로 연소용 공기를 예열하여 연료소비를 삭감하는 방식)의 열 효율을 규정하는 주요 인자로서, 터빈입구 온도, 작동압력(압력비), 재생 열 교환기의 온도효율 등 가스터빈의 열 순환에 관여하는 것과 압축기와 터빈, 연소기 등의 주요구성 요소 그 자체의 효율이라고 생각된다.
(2) 열 cycle 개선에 따른 고 효율화
가스터빈의 열 효율을 개선하기 위해서는 터빈 입구온도를 가능한 높게 함으로서(이와 동시에 최적의 압력비와 열교환기 효율을 선정하는 것도 필요) 열 순환 효율을 개선하는 방법이 가장 적절하며, 본 연구에서는 터빈의 날개를 중공(inside empty)으로 하여 복잡한 통로를 만들어 공기냉각을 함으로서 고온화를 달성 하였다. 가스터빈의 효율개선의 역사는 금속재료의 내열성 향상과 이러한 냉각기술 개선의 역사 그 자체라고 말할 수 있다.
또한, 주요 구성요소인 압축기와 터빈 등의 회전형(속도형) 유체기계의 효율개선은 소형 가스터빈에 있어서 필수적이다. 그러나, 소형 가스터빈은 크기의 제약 등으로 냉각익(날개)의 제작이 어려워, 고온화가 어렵고 열효율 개선의 연구가 진척되지 않고 있다. 이것이 뛰어난 내열재료인 세라믹스로 무냉각 터빈날개를 제작함으로서 위의 어려움을 해결 할 수 있는 가장 유망한 수단으로서 기대되는 이유이다. 또한, 냉각용 공기는 가스터빈 자체에서 발생하는 동력에 의하여 압축한 공기의 일부를 사용하며, 이것을 최소화함으로서 열손실을 감소시켜 효율을 향상시키는 것도 중요한 효과이다. 위에서 말한 세라믹스화의 효과를 정리하면 다음의 두 가지로 요약된다. (1) 터빈 입구 온도의 향상, (2) 냉각공기의 삭감 및 최소화
(3) 세라믹화에 의한 기타의 효과
터빈 입구 온도의
고온화에서 파생하는 갖가지의 문제가 생기지만, 이것을 해결하는 수단으로서도 세라믹스의
특성이 유효하며 그 효과는 다음과 같다.
(1) 터빈 효율의 향상
(2) NOx 생성의 저감
(3) 배기 가스온도의 고온화에의 적응 (열교환기의 사용)
3. CGT302의 성과에 기여한 세라믹스의 역할
세라믹스화의 효과에 대하여 CGT302의 사례를 소개한다.
(1) 터빈입구 온도의 향상
종래의 금속제 소형 가스터빈에서는, 터빈 입구온도가 950℃정도이었지만 CGT302에서는 이것을 1350℃까지 높일 수 있었다. 이 온도는 사업용 대형 가스터빈에서는 여러해 동안의 개발에 의하여 최근 실현되었지만 소형 가스터빈에서는 CGT의 개발시점에서부터 11년이 경과한 현재에서도 금속에서는 도저히 실현되지 않는 온도이며 단번에 400℃라는 고온화를 이루기 위해서는 세라믹스의 응용과 그 특성 개선이 필수조건이었다.
(2) 냉각공기의 삭감 및 최소화
세라믹가스터빈에서도 많은 금속제 부품이 쓰여지고 있다. 특히 세라믹 부품을 직접 접촉하는 금속 부품을 적절히 냉각 해줄 필요가 있어 가스터빈 전체의 냉각 공기 사용을 완전히 제거하는 것은 불가능하다. 그러나 냉각공기를 대량으로 소비하는 구성 요소는 터빈과 연소기이며, 이것들을 무냉각화 함으로서 위의 손실을 최소화시킬 수 있었다.
(3) 터빈 효율의 향상 및 NOx생성의 저감
이런 세라믹화의 효과는 다른 모든 성과에 이어지고 있다. 예를 들면, 내마멸성을 부여한 Turbine Shroud를 사용함으로서 터빈 날개의 끝부분 간격을 0.1mm까지 최소화 할 수 있었고, 이것은 종래의 고온강도 개선 연구의 관점과 완전히 다른 발상이며 세라믹스 용도의 다양성을 암시하는 것이다.
또 연소기의 요소 시험에서 정적조건(규격에 정해진 조건)하에 9ppm이라는 매우 낮은 NOx배출 농도를 얻게되었고 이것은 예열 혼합 희박 연소방식에 세라믹스를 결합함으로서 실현된 것이다.
4. 향후 전망
현재 전세계적으로 CO2배출 저감을 위한 새로운 에너지 개발과 에너지 절감을 위한 기술개발이 진행되고있다. 가스터빈은 천연 가스와 수소 등 탄소 함유량이 적은 연료에도 적용 가능한 환경파괴가 적은 원동기이다. 세라믹스는 소형 가스터빈의 유일한 약점인 낮은 열효율을 해결하는 수단으로 기대되어 근 30년 가까이 세라믹 가스터빈의 연구 개발이 일본, 미국, 유럽에서 행하여졌지만 지금까지 열효율 개선의 가능성과 내구성을 발전시킨 획기적인 성과는 얻지 못했다. 그러나 본 연구개발에서 종래의 엔진보다 2배 이상이나 되는 열효율을 달성함과 동시에 뛰어난 배기 가스특성을 실현하여, 2100시간에 이르는 내구시험을 통해 장래의 실용화 가능성을 나타낼 수 있었다.
이 결과는 세라믹
부품을 실제로 가스터빈의 운전 환경에서 사용하여 금속으로서는 도저히 대응할 수
없는 고온에서의 무냉각 운전에 의한 고효율화, 저공해화를 이룩한 것으로 세계의
세라믹스 관계자에게 가능성을 열어주었고, 구조용 세라믹재료의 실용화를 촉진했다고
생각한다. 앞으로도 에너지 절약을 위한 열에너지의 효율적인 이용과 발전분야의
분산화, 소형화가 필요하리라 예상되지만, 세라믹가스터빈은 이런 필요성에 가장
적합한 원동기라 할 수 있다.
참고문헌
1. T. Tatsumi, "300 kW Class Ceramic Gas Turbine CGT 302," Ceramics 35 [1] 54-55 (2000).
2000년 6월 19일 김영욱