[논문]군산복합화력 가스터빈 고온부품 국산화 사례

김용섭

군산복합화력 가스터빈 고온부품 국산화 사례 원문보기

김용섭 (한국서부발전(주) 발전처 발전운영팀)

이 글에서는 군산복합화력의 가스터빈 구성부품 중 고온에서 운용되는 Ring Segment 1,2단 국산화 사례를 소개하고자 한다.

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문제 정의

국내에서 운영 중인 1,500℃급의 가스터빈에 사용되는 Ring Segment는 현재 국내 개발사례는 없으며, MHI 및 SIEMENS 등 해외 제작사에서는 국가적 차원에서 기술이전을 회피하는 고가의 제품으로 전량 수입하여 사용하고 있는 실정이다. 따라서, 본 제품의 개발 내용을 설명하기에 앞서 가스터빈 고온부품 제조에 사용되는 몇 가지 기술들에 대해 알아보자.

제안 방법

마지막으로 Air Flow Test를 시행하는 데 냉각유로를 가지고 있는 부품은 반드시 공기유량을 측정하여 일정 이상의 유량이 흘러야 한다. 당사가 보유한 Air Flow Tester를 통하여 1, 2단 Ring Segment의 유량을 측정하였으며 측정기준은 OEM 사의 제품과 비교하여 결정하였다.
이상의 방법으로 최대한 부품이 고온에서 오래 견딜 수 있도록 설계되어 있으며, 소재의 재질과 형상, 표면상태 그리고 현미경 조직관찰로 미루어 제작공법은 진공정밀주조로 기초 형상을 만들고 가공과 열차폐 코팅으로 마무리 되었음을 알 수 있었다. 아울러 소재 물성치 검사와 NDT를 통하여 열처리조건과 코팅조건 그리고 결함의 수준 등을 파악할 수 있었다. 위와 같은 제품의 특성을 파악하기 위하여 시행되었던 시험은 표 1과 같다.
다음으로 TBC(Thermal Barrier Coatings)를 시행하는데, 1단과 2단 Ring Segment 중 비교적 높은 온도에 노출되는 1단은 세라믹 분말을 표면에 코팅하고, 2단은 세라믹 분말 코팅은 하지 않고 기초 코팅인 Bond 코팅만 적용한다. 즉 1단 Ring Segment는 HVOF 방법으로 금속 분말인 CoNiCrAlY를 융착시키는 Bond 코팅과 그 위에 APS방법으로 세라믹 분말인 Y2O3-ZrO2를 밀착시키는 Top 코팅을 실시한다. 2단은 Bond 코팅만 실시하고 Top 코팅은 실시하지 않는다.

대상 데이터

즉 1단 Blade 끝 단과 2단 Blade 끝 단을 막아서 기체와 열의 손실을 최대한 막아 주는 역할을 한다. 발전기의 기종은 M501G로 연소온도 1,500℃, 배기온도 609.7℃, 터빈단수는 4단으로 이루어져 있으며, 개발 대상품인 1단 및 2단 Ring Segment는 한 호기당 각 48개가 설치되어 있으며, 인접 Ring Segment와는 Seal plate로 조립되어 있다. 제품의 측면에는 냉각용 Hole이 있으며 Gas Path 면에는 TBC Coating이 적용되어 있고, 재질은 MGA2400으로서 Inconel 939와 유사재질이다.
이 부품은 고온에 노출되어 사용되어 지는 부품이므로 금속의 소재는 고온 내열에 탁월한 니켈베이스의 초내열합금(Super alloy)을 사용한다. 그리고 고온 기체가 닿은 표면부는 열차폐코팅(TBC)을 하여 초내열합금의 소재를 보호하고 부품의 내부로 냉각공기가 흐를 수 있도록 구멍을 만들어 냉각공기에 의한 부품 냉각을 추구하고 있다.
7℃, 터빈단수는 4단으로 이루어져 있으며, 개발 대상품인 1단 및 2단 Ring Segment는 한 호기당 각 48개가 설치되어 있으며, 인접 Ring Segment와는 Seal plate로 조립되어 있다. 제품의 측면에는 냉각용 Hole이 있으며 Gas Path 면에는 TBC Coating이 적용되어 있고, 재질은 MGA2400으로서 Inconel 939와 유사재질이다. 제품 설치 시에는 Rotor나 Blade와의 misalignment에 의한 Rubbing 방지를 위해 약 2.

성능/효과

그리고 고온 기체가 닿은 표면부는 열차폐코팅(TBC)을 하여 초내열합금의 소재를 보호하고 부품의 내부로 냉각공기가 흐를 수 있도록 구멍을 만들어 냉각공기에 의한 부품 냉각을 추구하고 있다. 이상의 방법으로 최대한 부품이 고온에서 오래 견딜 수 있도록 설계되어 있으며, 소재의 재질과 형상, 표면상태 그리고 현미경 조직관찰로 미루어 제작공법은 진공정밀주조로 기초 형상을 만들고 가공과 열차폐 코팅으로 마무리 되었음을 알 수 있었다. 아울러 소재 물성치 검사와 NDT를 통하여 열처리조건과 코팅조건 그리고 결함의 수준 등을 파악할 수 있었다.

후속연구

가스터빈 부품의 재생정비 가격은 통상 신품가격의 20~40% 미만의 비용으로 가능하기 때문에 결과적으로 가스터빈 부품의 수명을 연장하는 효과를 가져와 가스 터빈 User의 유지비용을 절감하는 데 큰 기여를 하므로, 국산화 개발을 통하여 상용화하는 데 반드시 개발하여야 할 필수 기술이다.
물론 국산화 과정에서 부품의 설계, 제작, 조립 등 제품의 노하우를 축적하게 되며, 부품의 성능향상을 꾀할 수도 있다. 따라서, 국내 기업들의 국산화 개발과 해외시장 진출이 가능하도록 Trackrecord 기반 조성이 필요하며, 본 사례 소개를 통해 보다 많은 기업들이 국산화 개발이 이루어지기를 기대한다.
Combustor Section의 경우 현재 각 OEM들은 연소실 부품에 TBC 코팅을 적용하여 점검기간을 12,000EOH 이상으로 권장하고 있으나, 최근 GE측에서는 점검기간을 늘린 24,000EOH를 권장하는“Super B”코팅을 개발 하여 운용하고 있다. 이는 기존의 TBC 코팅의 두께 개념을 초월한(약 1㎜까지 가능)것이며 모재의 온도를 약 500℃정도 낮출 수 있는 것이어서 향후 대용량 가스터빈 연소실 부품의 코팅은 대부분 Super B 코팅으로 대치될 것이다.
이상에서 기술한 바와 같이 가스터빈 고온부품 국산화를 위해 본 연구과제에서는 정밀주조 공법을 이용하였으며, 특히 진공 정밀주조 공법은 가스터빈의 고온 부품을 개발 생산하는 데 필수적인 공법으로 자리 잡고 있으므로 이에 대한 기술개발은 국내 정밀주조 기술을 한단계 진보시킬 것으로 판단된다.
이와 같은 국산화 개발 노력들이 결실을 맺어 가스터빈의 부품들이 국내 생산으로 자리매김하고, 최고의 기술을 요구하는 최신 가스터빈 Blade와 Vane의 국산화 기술까지 확보된다면 국내 가스터빈 개발과 해외 시장진출 등 국내 경제발전에 크게 일조할 것으로 기대해 본다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

군산복합화력이란?

군산복합화력은 2010년 5월에 준공된 총 718.4MW(가스터빈 2대, 스팀터빈 1대)의 복합설비로서 가스터빈 정비에 사용되는 정비자재들은 대부분 수입에 의존하고 있다. 특히 준공 이후인 2010년부터 2015년 현재까지 투자된 정비비용 중 고온부품 구매와 재생정비로 해외 제작사에 지출되는 비용이 총 정비비용의 54%를 차지하고 있어 고온부품에 대한 국산화 개발이 발전소 운영에 중요한 경영요소로 부각되고 있다.

부품 국산화의 의미는?

부품 국산화의 의미는 자국 내에서 어떤 기기의 부품을 생산하여 수급 받을 수 있는 것을 말한다. 부품의 자립은 수입을 통한 외화 유출을 방지할 뿐만 아니라 부품 교체의 신속성, 재고의 최소화, 조립기술 확보 등 많은 파급 효과를 불러 일으킨다.

링세그먼트의 역할은?

그림 1~3과 같이 링세그먼트(Ring segment)는 발전기의 중심 회전체인 Rotor의 Blade 끝 단을 감싸 안은 형태로 조립되는 부품이다. 즉 1단 Blade 끝 단과 2단 Blade 끝 단을 막아서 기체와 열의 손실을 최대한 막아 주는 역할을 한다. 발전기의 기종은 M501G로 연소온도 1,500℃, 배기온도 609.

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