연구개발

연구분야 발전 연구개발

초초임계압 화력발전소 통합 운영지원 및 감시시스템 개발 연구

대용량 발전소의 고장으로 인한 불시정지는 전력공급에 미치는 영향이 크고 발전수익의 감소와 복구비용 및 기동비용의 손실이 수반되기 때문에 이를 예방하기 위해서는 고장의 징후를 조기에 감지하고 적절한 진단과 분석을 통해 효과적인 대응을 수행하는 것이 중요하다. 본 프로젝트는 USC 발전소 운영 시스템으로 실시간 상태감시 및 진단시스템을 통합 개발을 목표로 1단계‘( 10년 9월 ~ ’12년 8월) 개념설계 및 기본설계를 완료하고, 현재 2단계‘( 12년 9월 ~ ’15년 8월) 중 3차 년도 연구개발이 진행 중이며 개별감시시스템 7개 분야(보일러 손상, 고압전동기, 주변압기, 발전기, 보일러진동, 회전체 진동 및 성능분야) 개발이 완료되었으며, 개발된 실시간 터빈 진동감시 시스템은 2013년 6월 보령화력 4호기를 대상으로 현장 적용시험을 실시하여 진동감시 설비에 연결된 DIM의 현장 적용의 적정성을 및 신뢰성을 확인하였다. 또한 보일러 손상감시 시스템의 경우 시스템 구동 및 적정성을 확인하기 위하여 2014년 태안화력 1~4호기를 대상으로 현장 시험을 실시하여 진단엔진 및 통합 운영지원 플랫폼간의 입·출력 연계성을 점검하였다. 2015년 6월 통합감시시스템의 연계시험 완료 이후 신보령 1호기(준공 : 2016년 6월)에 현장설치 후 현장데이터 취득 및 시스템 최적화를 진행할 예정이다. USC 통합감시시스템의 개발로 인하여 향후 USC 설비 조기 안정화로 세계 최고성능의 발전설비 국산화 개발, 발전설비 사고예방 및 운전 안정화에 기여할 전망이다.

USC발전소 통합운영지원 및 감시시스템

개발품 설치

501F급 가스터빈 고온부품 국산화 개발 및 신뢰성 평가

가스터빈 고온부품 국산화의 일환으로 추진되어 본 과제에서 개발된 가스터빈 고온부품은 Westing house형 501F 1, 2단 블레이드 및 2단 베인이며, 현재 사용되고 있는 WH 501F 기종에 최근의 기술개발 동향을 반영하여 기존 부품보다 성능이 우수한 부품을 개발 하였다. 본 과제에서 개발된 가스터빈 고온부품의 차별화된 주요 기술은 1단 블레이드 일방향 응고형 초내열합금 소재 적용, 냉각성능 향상을 위하여 개선된 냉각유로 적용, EB-PVD 코팅을 대체할 수 있는 Bond Coat 적용, Ultra Dense Cracked 열차폐 코팅(UDC-TBC) 개발 및 적용 등이 있다. 본 과제 에서 개발된 가스터빈 고온부품의 품질 및 신뢰성 확보를 위하여 가스터빈 고온부품 정비 전문 업체인 Liburdi 및 가스터빈 고온부품 신뢰성 평가를 수행하는 가스터빈 수명평가 전문업체인 LPTI와 개발품에 대한 cross-evaluation을 수행하여 품질 및 신뢰성에 대한 평가를 성공적으로 완료하고 객관성을 확보하였다.
본 과제의 결과물인 가스터빈 고온부품 1,2단 블레이드의 경우 냉각 및 코팅성능 향상과 관련하여 새롭게 개발한 기술의 우수성을 인정받아 NET(New excellent technology)인증을 수여하고, 과제 수행 중 개발된 지적재산권인 가스터빈 정밀 주조관련 기술을 유상 기술이전하여 전력 연구원의 기술력을 제고하였다. 본 연구과제에서는 1,2단 블레이드와 2단 베인을 각각 1/4set씩 최종 개발하였으며 현재 개발한 2단 베인 고온부품을 2014년 11월 울산화력 6호기에 적용하여 현장실증 운전 중에 있다. 현재 수행 중인 가스터빈 고온부품의 현장실증이 성공적으로 마무리 되는 경우 가스터빈 고온부품 상업화를 이끌어낼 수 있을 것으로 기대된다.

501F급 1단/2단 블레이드 및 2단 베인 형상

2단 베인

IGCC/SNG 연계공정 및 고유 CO2 포집 흡수제 개발

IGCC(석탄가스화 복합발전)와 SNG(대체천연가스) 플랜트를 대상으로 단위공정을 연계하여 공정 최적화 작업을 수행하였다. 이를 통해 IGCC의 경우 44.1%의 발전효율, SNG의 경우 64.7% 전환효율을 기대할 수 있게 되었다. 이는 ㈜켑코우데의 가스화공정부터 최종 발전공정까지 맞춤형 표준모델에 대한 개념설계를 수립하여 한전의 석탄가스화 사업 수주에 활용이 가능하게 되었다. 이와 더불어 IGCC 플랜트에서 발생하는 CO2와 H2S 등 산성가스를 가스터빈 연소 전에 효율적으로 포집하는 연소전 습식 CO2 포집 기술도 개발하였다. 이는 상용 산성가스 처리 공정들에 대한 기술성 및 경제성을 평가하여 최적공정을 선정한 후, 0.1MW급 KEPCO-IGCC CO2 포집 공정 구축을 위한 개념설계를 완료하였다. 또한, 상용흡수제 대비 흡수능 17%, 감압 탈거량 17%, 물질전달속도 49% 등의 향상되고 에너지 사용량 또한 8% 절감이 예상되는 고유 흡수제(KEA : KEPCO Enhanced Absorbent)를 개발하였다. 본 연구개발을 통해 신발전사업과 대체천연가스사업의 글로벌 그린에너지 시장의 주도권을 확보하고자 한다.

고유흡수제 최적 설계값

신재생연료 연소 최적화 기술 개발

발전자회사는 2012년부터 신·재생에너지 공급의무화제도(RPS) 시행에 따라 신재생에너지를 이용한 전력생산 의무량(REC)를 공급하기 위해, 상대적으로 경제성이 높은 화력발전소에 목재펠릿 혼소를 추진해왔다. 하지만 REC 확보 경쟁으로 목재펠릿 가격이 급상승함으로써 대체연료 발굴에 대한 요구가 증가하고 있는 실정이다. 이에 발전연구소에서는 기 보유중인 시험연소장치를 이용 하여 다양한 연료(바이오중유, 우드칩, 열매껍질, 커피찌꺼기 등)의 발전연료 적합성 평가를 수행 하였다. 뿐만 아니라 수치해석 기반의 연소열성능 해석툴을 개발하여 혼소시 연료에 적합한 발전소별 운전가이드를 도출하였다. 특히 바이오중유의 경우, 기존 중유발전소(제주, 남제주, 평택, 울산화력)에 바이오중유 연소 실증실험을 수행하였으며 세계 2번째(14년 3월), 세계 최대용량 (100MWe)으로 100% 전소 실증이라는 기록을 세웠다. 뿐만 아니라 연료다변화에 유리한 순환 유동층 발전소인 동해화력에서는 10cm이하의 가공되지 않은 목재칩을 최대 12%까지 혼소 실증 시험을 수행하였으며, 14년 말부터 상용화하여 연간 CO2 15만톤을 저감할 것으로 예상된다. 본 신재생에너지의 발전연료 상용화 실증 연구를 통해 신·재생에너지 공급의무화제도(RPS)에 이행 및 발전경제성 제고에 크게 기여할 것으로 기대된다.

초초임계압 화력발전 시뮬레이터 개발

화력발전소용 500MW급 시뮬레이터는 제어시스템 검증과 운전원 훈련을 위해 개발하여 2012년에 태안 1호기에 실증을 완료하였다. 이 경험을 바탕으로 국내 기술로 최초 건설 중인 1,000MW급 초초임계압 화력발전소인 신보령 1, 2호기의 안정적인 운전과 시운전 시 예상되는 시행착오를 줄이기 위하여 제어로직의 사전 검증과 운전원 훈련이 가능한 시뮬레이터를 개발하고 있다. 발전소 주기기 및 보조기기 설계 데이터를 이용하여 현장 기기를 모사한 공정모델을 개발하였으며, 연구원에서 보유한 버츄얼 제어기를 이용하여 제어 로직을 구현하고 통합 시험을 통해 구현한 공정모델의 충실도를 확인하였다. 본 과제는 건설 후 시운전이 완료되기 전에 시뮬레이터를 활용 하여 제어 로직 검증과 운전 훈련에 활용되어야 하므로, 시뮬레이터를 개발하는데 있어서 필요한 발전소 자료 수집이 어려운 실정이다. 이에 따라 2013년에 최초 입수한 자료로 개발한 공정모델을 2014년에 업데이트된 발전소 자료를 이용하여 공정모델을 개선하였다. 또한, 공정모델 개선에 따라 제어모델도 개선하고 출력 증발에 의한 전부하(1,023MW) 운전과 유인송풍기(IDFan) 트립에 의한 런백 시연을 통해 개발한 공정모델의 충실도를 확인하였다. 향후 개발한 공정모델과 신보령 제어시스템에 실제로 적용되어질 버츄얼 제어기와 통합 연계 시험 후, 신보령으로 이송하여 시운전 요원 훈련과 제어 로직 검증에 활용할 예정이다.

정격부하에서의 열평형 상태 시험

통합 연계 전부하 운전 및 런백 시연회

발전기 ECS 및 SFC용 기능블럭형 초고속 제어기 개발 및 실증

국내의 불안정한 전력수급상황에 대비한 가스터빈 복합발전소의 증대에 따라 가스터빈 기동장치에 대한 기술적인 필요성이 대두되어 왔다. 또한, 최근 글로벌 기업에서는 여자시스템(ECS)과 가스 터빈 기동장치(SFC)를 모두 제어할 수 있는 고속 하드웨어 플랫폼을 개발하여 발전소에 적용하고 있다. 전력연구원은 가스터빈 관련 기반기술 확보요구와 세계적인 기업의 기술트렌드에 부응하기 위해 여자시스템과 가스터빈 기동장치에 적용 가능한 범용적인 고속제어기 개발 연구과제를 진행하였다. 본 연구과제는 중부발전 협약과제로 2012년 9월부터 2015년 2월까지 수행되었으며, 순수 국내기술의 고속제어시스템을 개발하여 발전기 시뮬레이터 및 5kVA 전동발전기(M-G Set) 연계 성능시험을 완료하였다. 현재는 보령복합발전소 가스터빈 6호기 여자시스템에 실증 적용하여 상업운전 중에 있다. 이번 연구개발의 결과로 가스터빈 기동장치에도 적용 가능한 고속의 제어시스템 플랫폼을 확보하였으며, 이는 향후 가스터빈 기동장치 국산화 연구과제를 통해 국내 최초의 가스터빈 기동장치를 개발하는데 크게 기여할 것으로 기대된다.

발전기 여자시스템 블록도

운전원 제어화면
연구 개발품 설치(보령복합 GT #6)