초록 ▼

Ⅳ. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
본 과제의 1단계 3년간 200 bar급 연소기 설계 및 시험을 통한 초임계압 연소의 특성을 비교 분석하고 핵심원천기술을 확보하는 연구를 수행하였다. 초임계 순산소 연소기 개발을 위한 핵심 기술로서 고부하 연소 달성, 연소 안정성 확보 및 내열 내압 연소기 설계의 세부 목표를 설정하고, 다중 연료 노즐을 갖는 스월 연소기를 설계하였다. CFD 해석을 통해 연소기 형상 및 스월 강도에 따른 연소 특성을 비교 분석하였으며, 그 결과를 바탕으로 200 bar급 연소기를 제작하였다. 당초 계획

Ⅳ. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
본 과제의 1단계 3년간 200 bar급 연소기 설계 및 시험을 통한 초임계압 연소의 특성을 비교 분석하고 핵심원천기술을 확보하는 연구를 수행하였다. 초임계 순산소 연소기 개발을 위한 핵심 기술로서 고부하 연소 달성, 연소 안정성 확보 및 내열 내압 연소기 설계의 세부 목표를 설정하고, 다중 연료 노즐을 갖는 스월 연소기를 설계하였다. CFD 해석을 통해 연소기 형상 및 스월 강도에 따른 연소 특성을 비교 분석하였으며, 그 결과를 바탕으로 200 bar급 연소기를 제작하였다. 당초 계획한 0.5 MW_th급 연소 부하에서 200 bar의 연소 압력은 달성하지 못하였으나, 최대 330 kW_th의 연소 부하에서 연소 압력 117 bar를 달성하고 안정적인 운전을 확인하였다. 내시경 카메라를 이용한 화염 가시화를 수행하여 30 bar 이상의 아임계 고압 조건에서도 인젝터 근방에 화염이 안정적으로 유지되는 것을 확인하였다. 또한 CO₂의 임계점 근방에서의 급격한 물성 변화에도 불구하고, 아임계압에서 초임계압으로 변화하는 압력 74bar 근방에서 화염 안정성에 있어서 정성적인 변화가 발생하지 않음을 확인하였다. 연소 조건에 따른 배기가스 분석으로부터 배기가스 중 산소 농도 2% 수준에서도 CO 농도는 250 ppm 이하 수준으로 완전 연소를 달성할 수 있었다. CO₂ 농도는 97.5%로 파이프라인 이송을 위한 조건에 매우 근접하였으며, 산화제 중 O₂ 농도가 30% 이하일 때 NOx는 1 ppm 수준으로 우려와 달리 극미량만이 배출되었다.
2단계 2년간은 Allam cycle을 대상으로 한 연소 조건에 부합하도록 300 bar급 초임계 순산소 연소기의 설계 기술을 확보하기 위한 연구를 수행하였다. 특히 초고압의 연소 조건에서의 혼합 지연을 극복하기 위한 설계로서 연료 공급에 다중 노즐을 채용하고 O₂/CO₂ 산화제 공급에 Duel swirler 노즐을 채택하였다. 초고압 운전을 위해 소형화된 연소기 크기에 맞춰 다수의 연료 및 산화제 노즐을 소형화하고 연소기 헤드에 장착하는 기구적 설계에 어려움이 있었다. 특히 제한된 공간 내에서 100 bar 이상의 차압과 함께 –50℃ 이하의 저온에서 최대 약 300℃의 고온을 오가는 가혹한 조건 하에서 누설을 차단할 수 있는 밀봉재의 선택과 설치 방법이 매우 중요하였다. 자체 개발한 초임계 순산소 연소기의 시험 결과 최종적으로 302 bar의 압력을 달성하였으며, 260 bar 이상의 고압에서 1시간 이상의 안정적인 장기운전에 성공하였다. 연소기 출구온도의 제어 측면에서 Allam cycle의 연소기 조건에 반응물의 예열이 없다고 가정할 경우에 부합하는 800℃ 근방에서 약 ±20℃ 이내의 편차를 유지하였다. 배기가스 성분의 경우 CO₂ 농도 96% 이상, CO는 400 ppm 이하로 유지하였고, NO는 가스 분석기의 측정 하한 이하의 1 ppm 수준으로 검출되었다.
이와 같이 본 과제를 통해 국내 최초로 초임계 순산소 연소 연구를 시작하여 준상용급 초임계 가스터빈에 대응할 수 있는 300 bar급 초임계 순산소 연소기의 개발에 성공하였다. 2050 탄소중립의 목표를 달성하기 위해서는 재생에너지 발전량의 지속적인 확대와 함께 저탄소 연료인 천연가스를 활용한 기저부하의 확보가 반드시 필요하다. 기존의 천연가스 복합발전의 경우 배기가스 중 CO₂의 농도가 낮아서 현재 상용화된 포집기술로서는 그 비용을 현재 수준 이하로 낮추는 것이 매우 어려운 실정이다. 이러한 측면에서 고효율 발전과 함께 저비용으로 CO₂를 포집할 수 있는 초임계 순산소 연소 가스터빈 발전기술은 탄소중립 시대에 그 역할이 더욱 부각될 것으로 판단된다. 본 과제에서 확보한 주기기 설계기술을 바탕으로 국내에서도 발전 사이클 실증 및 상용화를 위한 후속 연구가 지속되어야 할 것이다.

(출처 : 요약문 6p)

Abstract ▼

Ⅳ. Result and Recommendations
In the first stage of this project, research was conducted to compare and analyze the characteristics of supercritical pressure combustion through the design and test of a 200 bar-class combustor for 3 years and then to secure core technology. As a key technology for

Ⅳ. Result and Recommendations
In the first stage of this project, research was conducted to compare and analyze the characteristics of supercritical pressure combustion through the design and test of a 200 bar-class combustor for 3 years and then to secure core technology. As a key technology for the development of a supercritical oxy-combustor, the detailed goals of achieving high-load combustion, securing combustion stability, and designing a heat-resistant and pressure-resistant combustor were set, and a swirl combustor with multiple fuel nozzles was designed. Combustion characteristics according to combustor shape and swirl strength were compared and analyzed through CFD analysis, and based on the results, a 200 bar-class combustor was manufactured. Although the combustion pressure of 200 bar was not achieved at the originally planned 0.5 MW_th combustion load, a combustion pressure of 117 bar was achieved at a maximum combustion load of 330 kW_th, and stable operation was confirmed. By performing flame visualization using an endoscope camera, it was confirmed that the flame stability was maintained near the injector even under subcritical high-pressure conditions of 30 bar or more. In addition, no qualitative difference in the flame stability was found near the pressure of 74 bar with being changed from subcritical to supercritical pressure, despite the rapid change in physical properties near the critical point of CO₂. From the exhaust gas analysis with respect to the combustion conditions, complete combustion was achieved with CO mole fraction of 250 ppm or less even when the oxygen concentration in the exhaust gas was 2%. The CO₂ mole fraction was 97.5%, which was very close to the conditions for pipeline transfer. When the O₂ mole fraction in the oxidizer stream was 30% or less, a very small amount of NOx was emitted at the level of 1 ppm.
For two years in the second stage, research was conducted to secure the design technology of a 300 bar supercritical oxy-fuel combustor to meet the combustion conditions for the Allam cycle. In particular, as a design to overcome the mixing delay under ultra-high pressure combustion conditions, multiple nozzles were adopted for fuel supply and a duel swirler nozzle was adopted for O₂/CO₂ oxidizer supply. There was a difficulty in mechanical design of miniaturizing a number of fuel and oxidant nozzles to match the size of the small combustor for ultra-high pressure operation and of mounting them on the combustor head. In particular, it was very important to select a sealing material that can block leakage and install it under harsh conditions of going from a low temperature of -50 ℃ or less to a maximum of about 300 ℃ with a differential pressure of 100 bar or more in a confined space. As a result, a pressure of 302 bar was finally achieved, and stable long-term operation of more than 1 hour at a high pressure over 260 bar was successful. In terms of controlling the outlet temperature of the combustor, a deviation within about ±20 ℃ was maintained around 800 ℃, which corresponds to the combustor condition of the Allam cycle if the reactants are not preheated. Exhaust gas analysis revealed that CO₂ concentration was maintained at 96% or more, CO was maintained at 400 ppm or less, and NO was detected at a level of 1 ppm below the lower measurement limit of the gas analyzer.
In this project, we started research on supercritical oxy-combustion for the first time in Korea and succeeded in developing a 300 bar supercritical oxy-fuel combustor of which scale is responsible to semi-commercial supercritical gas turbines. In order to achieve the 2050 goal of carbon neutrality, it is necessary to continuously expand the amount of renewable energy generation and, simultaneously, to secure base load using a low-carbon fuel like natural gas. In the case of commercial natural gas-fired combined cycle power generation, the CO₂ mole fraction in exhaust stream is low, so it is very difficult to reduce the CO₂ capture cost below the current level of the currently commercialized technology. Therefore, the supercritical oxy-fuel combustion gas turbine power generation technology, which can capture CO₂ at low cost along with high-efficiency power generation, is expected to play a more prominent role in the carbon-neutral era. Based on the main equipment design technology developed in this project, a subsequent research for the demonstration and commercialization of the power generation cycle should be followed in Korea.

(source : Summary 9p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 3
• 요 약 문 ... 5
• SUMMARY ... 8
• CONTENTS ... 12
• 목차 ... 14
• 그림목차 ... 16
• 제 1 장 서 론 ... 19
• 제 1 절 기술 개요 ... 19
• 1. 초임계 순산소연소 가스터빈 발전 ... 19
• 2. Allam 사이클 ... 21
• 3. 초임계 순산소 연소 ... 23
• 제 2 절 과제 개요 ... 24
• 1. 연구 목표 및 주요 연구 내용 ... 24
• 2. 추진 전략 ... 25
• 제 2 장 국내외 기술 개발 현황 ... 26
• 제 1 절 국외 기술 개발 현황 ... 26
• 1. NET Power 사의 Allam 사이클 실증 Project ... 26
• 2. Toshiba 사의 초임계 터빈 및 순산소 연소기 개발 ... 29
• 3. Southwest Research Institute (SwRI) 컨소시움 ... 30
• 제 2 절 국내 기술 개발 현황 ... 31
• 1. 전력연구원 주관 Project ... 31
• 2. 순산소 연소기술 연구 ... 32
• 제 3 절 선행 기술 조사 ... 34
• 1. Allam 사이클용 초임계 순산소 연소기의 운전조건 ... 34
• 2. Toshiba의 초임계 순산소 연소기 ... 34
• 제 4 절 시사점 ... 36
• 제 3 장 연소기 설계 ... 37
• 제 1 절 초임계 순산소 연소기 설계 ... 37
• 1. 초임계 순산소 연소기 개념 설계 ... 37
• 제 2 절 CFD 해석 ... 39
• 1. 고압 열역학적 물성의 온도의존성 계산 ... 39
• 2. 화염안정화의 수치모사 ... 40
• 제 3 절 연소기 상세 설계 및 제작 ... 42
• 1. 50 bar급 연소기 ... 42
• 2. 100 bar급 연소기 ... 43
• 3. 300 bar급 연소기 ... 44
• 제 4 장 고압 연소 시험 ... 45
• 제 1 절 고압 연소 시험 설비 ... 45
• 제 2 절 초임계 순산소 연소 시험 결과 ... 48
• 1. 연도별 달성 결과 ... 48
• 2. 아임계 연소 시험 결과 ... 48
• 3. 100 bar급 초임계 연소기 시험 결과 ... 51
• 4. 300 bar급 초임계 연소기 시험 결과 ... 56
• 제 5 장 사이클 해석 ... 58
• 제 1 절 Allam cycle 해석 ... 58
• 제 2 절 냉열 연계 초임계 가스터빈 발전 시스템 공정 개발 ... 60
• 제 3 절 공정 해석 방법 ... 62
• 제 4 절 해석 결과 및 발전 시스템 개념 설계 ... 63
• 제 6 장 IP R&D ... 65
• 제 1 절 환경 분석 ... 65
• 1. 시장 현황 ... 65
• 2. 주요 기업의 기술 개발 동향 ... 66
• 제 2 절 특허분석 개요 ... 67
• 제 3 절 핵심특허 도출 및 내용 분석 ... 68
• 1. 핵심특허 도출 ... 68
• 2. 핵심특허 분석 및 전략수립 ... 68
• 3. 핵심특허 대응전략 ... 69
• 제 4 절 R&D 방향 설정 ... 70
• 1. 초고압 순산소 연소기 ... 70
• 2. 직화식 초임계 CO2 사이클 ... 70
• 제 7 장 결 론 ... 72
• 끝페이지 ... 74