[논문]화력발전 소재 및 제조기술 개발

이경운; 공병욱; 김민수; 강정윤

doi:10.20466/kpvp.2016.12.1.141

화력발전 소재 및 제조기술 개발
Development trend of material and manufacturing process for fossil power generation 원문보기

한국압력기기공학회 논문집 = Transactions of the Korean Society of Pressure Vessels and Piping, v.12 no.1, 2016년, pp.141 - 148

이경운 (두산중공업(주)) , 공병욱 (두산중공업(주)) , 김민수 (두산중공업(주)) , 강정윤 (부산대학교)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents an overview of worldwide electric power development and National $700^{\circ}C$ Hyper Supercritical coal-fired power generation(HSC) focus on materials and manufacturing process. To Increase the efficiency of electric power generation, It is necessary to increase steam temperature and pressure. In that case, New material and manufacturing process shall be developed for boiler and turbine component in high temperature and pressure operating condition. Therefore, Much Efforts in worldwide are progressing to develop materials and manufacturing technology and to build and operate an HSC.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

2008년 부터 정부 주도로 “Cool Earth Program”을 가동하여 700℃급 친환경 발전소 건설을 위한 연구를 시작하였으며, 보일러, 터빈 및 밸브재료 개발, 신뢰성 평가 및 실증시험을 목표로 하였다.
궁극적으로 10톤 이상 규모로 편석을 제어한 로타 소재를 목표로 하고 있다. LTES 및 TOS1X는 약 10톤 크기로 제작하여 Ferrite계 내열강과의 용접을 통해 최종적으로 약 30~40톤 규모의 용접형 로타 제작이 목표이다. LTES 700R은 MHI에서 개발되었으며, 12Cr과 열팽창계수가 비슷하다.
본 논문에서는 국내, 외적으로 사용되고 있으며, 개발이 진행되고 있는 발전 설비 소재 및 제조기술 개발 동향에 대해 기술하였다.

제안 방법

AD 700 프로젝트를 통해 700℃급 소재 선정, 실기 규모 시제품 제작 및 장시간 물성평가를 수행하였다.
25%Cr-Mo 강이 사용되고 있으며, 593℃ 이상의 증기온도에서는 10CrMoVNbN계의 합금이 주로 사용되고 있다. 유럽의 COST 프로그램에서 개발된 COST CB2 소재를 개량하여 USC(Ultra Super Critical) 조건에서 사용이 가능한 케이싱 소재를 자체 개발하였다.
터빈 로타 소재는 보일러의 Grade 91 소재와 유사한 X12CrMoWVNbN10 11(COST E) 및 고온강도 향상을 위해 B, Co를 첨가시킨 X12CrMoCoB9(COST FB2)를 개발하였다. 케이싱 소재는 9%Cr 을 기본으로 한 GX10CrMoVNbN 9-1을 상용화 하였으며, GX10CrMoVNbN 9-1 대비 탄소 함량을 높이고 Co를 첨가하여 고온에서 보다 안정적으로 사용할 수 있는 COST CB2가 개발 및 상용화 되었다.
터빈 로타 소재는 증기온도가 566℃ 이하인 초임계압(SC, Super Critical) 조건에서는 모두 1CrMoV강을 사용하고 있으며 유럽의 COST 프로그램에서 개발된 COST F, E 및 FB2 소재를 개량하여 USC(Ultra Super Critical) 조건에서 사용이 가능한 9~12Cr 로타 소재 3종을 자체 개발하여 현재 상용화 단계에 접어들었다.
터빈 케이싱 소재는 9%Cr 계열인 MJC12, MJC12 소재에 W을 첨가한 TOS 302, TOS 302 소재에서 Mo 함량을 낮추고 W 및 Co를 첨가한 TOS 303을 개발하였다.

대상 데이터

TOS1X는 Alloy 617을 개량한 것으로 이 초기 버전을 TO1X-I으로 통칭하며, Al 및 Ti함량을 증가시킨 TOS1X-II 개발하였으며, 13톤 규모의 mock up 제작이 완료되었다. 케이싱 후보소재는 Alloy740, Alloy 625 및 Alloy 617소재이다.
보일러용 소재는 Inconel 740H, Inconel 617 소재 평가가 주로 수행 되어졌으며, 터빈 로타 소재는 Nimonic 263, 케이싱 소재는 Nimonic 263, Inconel 740H 및 Haynes 282 소재에 대한 평가가 이루어졌다.
TOS1X는 Alloy 617을 개량한 것으로 이 초기 버전을 TO1X-I으로 통칭하며, Al 및 Ti함량을 증가시킨 TOS1X-II 개발하였으며, 13톤 규모의 mock up 제작이 완료되었다. 케이싱 후보소재는 Alloy740, Alloy 625 및 Alloy 617소재이다. 2013년 실기규모의 케이싱 및 밸브 등이 제작되었으며, 건전성 평가가 진행 중이다.

성능/효과

전 세계 에너지 가운데 석탄화력 발전이 차지하는 비중은 약 40.6%(미국, 48%) 정도이며, 현재의 석탄 소비량 추이를 반영하면 향후 150년 정도 사용할 수 있을 것으로 추정되며, 석탄 화력 발전은 향후에도 지속적으로 유지 될 것으로 판단된다.^(1-3)

후속연구

700℃ HSC(Hyper Super Critical) 발전소는 Ni 초내열합금이 사용되기 때문에 더욱 더 정교한 단조, 주조, 용접, 열처리 및 비파괴 검사 기술의 개발이 요구된다.
증기 조건의 고온/고압하에 따라 높은 Creep 강도와 Creep 파단 연신율이 더욱 더 중요해지고 있다. 또한 증기온도 700℃ 이상의 친환경 발전 설비에는 Ni기 초내열 합금이 사용되며, 대형 후육 소재의 제조 용이성 및 용접성이 요구된다.
최근 정부에서는 HSC 터빈 소재개발의 중요성을 인식해 국내에서 터빈소재 제조가 가능할 수 있도록 2015년 6월부터, 5년간 총 150억원의 자금을 지원해 두산중공업을 중심으로 산업계, 연구소 및 학계의 전문가로 구성된 “HSC 로타/케이싱용 초내열합금 소재 및 제조공정 기술개발” 연구과제를 시작하였으며 주요 내용은 다음과 같다. 향후 이를 통해 HSC 대형 단조품 로타와 주조품 Casing 소재 및 제조기술이 확보될 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	화력발전 설비의 증기조건 고온, 고압화가 이루어지는 이유는?	최근 전세계 화력발전 설비는 전력산업의 경쟁심화와 환경규제 강화 등의 이유로 발전 효율을 향상하기 위하여 증기조건의 고온, 고압화가 이루어지고 있다.(4)
	세계 에너지 가운데 석탄화력 발전이 차지하는 비중은?	전 세계 에너지 가운데 석탄화력 발전이 차지하는 비중은 약 40.6%(미국, 48%) 정도이며, 현재의 석탄 소비량 추이를 반영하면 향후 150년 정도 사용할 수 있을 것으로 추정되며, 석탄 화력 발전은 향후에도 지속적으로 유지 될 것으로 판단된다.(1-3)
	EPRI 주관하 발전소 연구의 주된 목표는?	1978~80년 까지 2년간의 타당성 연구를 거쳐 증기 온도 593℃, 압력 316 bar를 목표로 한 기술개발을 1986년부터 5년 기간으로 시작하였으며, EPRI 주관 하에 일본 및 유럽 발전 제작 업체가 참여 하였다. 주로 발전소 효율, 신뢰성 향상을 목표로 하였다.

참고문헌 (14)

2012, "The CURC-EPRI Coal Technology Roadmap"
2012, International Energy Agency (C) OECD/IEA
B. Diczfalusy, September 2012, "HELE Coal Technology Roadmap.", IEA Clean Coal Centre Workshop: on Advanced ultra supercritical coal-fired Power Plants, Vienna, Austria, pp. 12-20.
Masuyama Fujimitsu, 2001, "History of power plants and progress in heat resistant steels", ISIJ international, Vol. 41, No. 6, pp. 612-625.

상세보기
2007, "The Challenge of Carbon Capture", EPRI, p.15.
R. Viswanathan, R. Purgert, U. Rao, 2002, "Materials for Advanced Power Engineering 2002", Proceedings Part II, pp. 1109-1129.
2011, "U.S Department of Energy and Ohio Coal Development Office Advanced Ultra-Supercritical Materials Project for Boiler and Steam Turbines" EPRI, Report No. 1022770.
R. Viswananthan, J.F. Henry, J. Tanzosh, G. Stanko, J. Shingledecker, B. Vitalis, R. Purgert, June 2005, "U.S. Program on Materials Technology for Ultra-Supercritical Coal Power Plants." Journal of Materials Engineering and Performance, Vol. 14, No. 3, pp. 281-292.

상세보기
J.P. Shingle decker, I.G. Wright, 2006, "Evaluation of the Materials Technology Required for a $760^{\circ}C$ Power Steam Boiler." Proceedings to the 8th Liege Conference on Materials for Advanced Power Engineering, pp. 107-120.
P.J. Maziasz et al., August 2010, "High Temperature Mechanical Properties and Microstructure of Cast Ni-Based Superalloys for Steam Turbine Casting Applications", 6th International Conference on Advances in Materials Technology for Fossil Power Plants, Santa Fe, New Mexico.
Masafumi Fukuda et al., October 2013, "Advanced USC technology development in Japan", Proceedings from the Seventh International Conference.
Zhengdong LIU et al., October 2013, "Material advancement used for $700^{\circ}C$ A-USC-PP in China", Proceedings from the Seventh International Conference.
J. Shingle decker et al., October 2013, "Current status of the U.S. DOE/OCDO A-USC materials technology research and development program", Proceedings from the Seventh International Conference.
S. Birks et al., October 2013, "Advances in Materials Technology for Fossil Power Plants, Proceedings from the Seventh International Conference.

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