에너지/환경

2차 재열 발전기술 분야에서 세계선도

발행일 : 2019 / 09 / 04

최근, 중국국가에너지투자그룹 쑤쳰(宿遷)회사(이하 쑤쳰회사로 약칭)의 660MW 초초임계 2차 재열(Reheat) 발전장치 프로젝트 점화에 성공했다. 2019년 8월 28일까지 해당 프로젝트의 2대 발전장치의 발전량은 22.67억 kWh에 달했다. 해당 발전장치의 발전 석탄 소비량은 ≤256g/kWh, 발전효율은 ≥48%이고 환경지표는 세계 최고 수준에 도달했다.

해당 프로젝트의 2차 재열 탑식 보일러, 고효율 증기터빈 및 맞춤형 부속 설비, 지능형 발전 제어 시스템, 선진적인 친환경 설비 등 핵심 기술은 독자적 활용을 구현했다. 이는 중국의 고효율 유연성 2차 재열 발전 기술이 세계 앞자리를 차지했음을 의미한다.

석탄 생산/소비 및 전력(Electric power) 수요가 세계 1위인 중국의 화력발전 기술은 21세기에 들어서서 지속적인 발전을 거듭했다. 2004년, 중국은 60만 kW 초임계 발전소를 구축했고 2006년, 100만 kW 초초임계 발전소를 구축했으며 2015년, 100만 kW 초초임계 2차 재열 발전소를 구축했다. 예측에 의하면 2030년 및 2050년에 이르러 중국의 총 1차 에너지 소비에서 석탄이 차지하는 비율은 50% 및 40%로 하강될 전망이다. 다시 말해서 중국의 에너지 구조에서 석탄의 지배적 위치는 변화지 않으며 화력발전 기술은 중국에서 도태되지 않을 전망이다. 초초임계 발전장치는 더욱 높은 증기 온도 및 압력을 기반으로 하기에 준임계 열효율이 5%~7% 향상되고 2차 재열 기술을 적용한 후 열효율을 2%~3% 더한층 향상시킬 수 있다. 더욱 높은 열효율은 더욱 적은 석탄 소비 및 오염물질 배출을 의미한다.

2015년, 중국궈뎬(國電)그룹회사 장쑤(江蘇)타이저우(泰州)발전소 2단계 2차 재열 시범 프로젝트가 생산에 들어감으로써 전력공급 석탄소비가 세계 동일 유형 장치에 비하여 13.7g/kWh 감소되어 중국이 해당 분야에서 선도적 지위를 차지하는데 기반을 마련했다. 하지만 2차 재열 발전장치는 비교적 큰 부하 변화 범위에서 경제적 운행 보장 및 피크기 조절 능력이 부족한 문제점이 존재한다. 따라서 “고효율 유연성 2차 재열 발전장치 개발 및 프로젝트 시범”은 중국 “13차 5개년” 계획의 중점 연구개발 계획으로 선정됐다.

2016년 10월부터 궈뎬(國電)그룹은 화베이(華北)전력대학, 화둥(華東)전력설계원, 상하이전기(電氣)그룹 등 14개 기관과 공동으로 평균 연령이 39세인 148명으로 구성된 연구팀을 구축하여 2차 재열 발전 기술 연구를 수행했다. “유연성” 및 “고효율”을 구현하려면 보일러, 증기터빈, 시스템 설계 및 제어 시스템 최적화 등 핵심 기술을 파악해야 한다.

기존의 재료로 보일러 출구 증기 파라미터의 32.24MPa(a)/605℃/623℃/623℃ 도달은 한계점이다. 쑤쳰회사는 탑식 보일러를 채택함과 아울러 보일러 핵심 기술 파악을 통해 전열면(Heating surface) 배치를 최적화하고 온도 편차를 감소시킴으로써 광범위 부하 범위에서의 장기간 설계 파라미터 도달을 구현했다. 연구팀은 또한 2차 재열 발전장치의 고효율 열공급 핵심 기술을 파악했고 최초로 화력발전 분야에서 “증기-전기 더블드라이브(Steam-electric double drive)” 흡출 송풍기(Induced draft fan) 고효율 유연성 열공급 기술을 응용함으로써 대형 발전장치에 작은 보일러로 열공급하는데 양질적인 방안을 제공했다. 이외에도 연구팀은 2차 재열 발전장치의 불충분한 온도 조절 등 핵심 기술을 파악함과 아울러 역가열, 진공, 바이패스(Bypass), 주파수 변조 등 일련의 혁신 기술을 통합하여 최적화함으로써 발전장치의 쾌속 구동/정지, 심층적 피크기 조절, 고효율 유연성 등 핵심 지표를 구현했다.

쑤쳰회사의 고효율 유연성 2차 재열 기술은 완전한 자체 지식재산권을 보유하고 있으며 세계 선진 수준에 도달했다. 또한 정보 및 제어 시스템의 완전한 독자적 활용을 구현함과 아울러 최초로 석탄화력발전 분야에 지능형 발전 기술을 적용함으로써 2대의 66만 kW 발전장치의 운전을 제어하는데 10명의 인력이면 충분하고 전력망의 실시간 피크기 조절 요구도 만족시킬 수 있다.

연구팀은 지능형 발전 운행 제어 시스템(ICS) 및 지능형 발전 공공서비스 시스템(IMS)의 구조 및 기본 기능에 대한 심층적 개발 및 검증을 기반으로 4대 지능형 제어, 6대 지능형 관리 및 7대 지능형 센터를 구축하여 ICS 시스템이 운영된 후 해당 프로젝트의 고효율 운행, 선진적 제어, 지능형 모니터링 및 진단에 유력한 지원을 제공함으로써 발전장치 성능의 충분한 발휘를 보장하는 조건에서 일상 조작 작업량을 60%이상 효과적으로 감소시켰다.

현재 중국의 화력발전 설계, 장비 제조, 운영 유지보수 관리 등 기술은 세계 선진수준에 도달했으며 친환경 오염물질 배출도 세계 최고 수준에 도달함으로써 연도가스 탈황/탈질/먼지 초저배출, 탈황폐수 무배출, 고체폐기물 100% 재활용을 구현했다.