OBT 지식교실: 가스터빈

기본 개념

"가스 터빈 어휘"(GB/T 15135-2018)에 따르면, 가스 터빈이란 열 에너지를 기계적 일로 변환하는 연속류 회전 기계(단일 기계)를 지칭하며, 압축기, 작동 유체를 가열하기 위한 장비(예: 연소실), 터빈, 제어 시스템 및 보조 장비를 포함한다.

산업용 가스 터빈 엔진은 일반적으로 가스 터빈 또는 터빈, 산업용 가스 엔진으로 언급되며 본질적으로 항공용 터빈 가스 엔진(항공 엔진이라 함)과 동일한 것이지만 적용 분야는 약간 다르다. 이들은 고압의 가스를 연소실로 압축하여 화학 에너지의 반응을 거치고, 터빈을 통해 화학 에너지를 기계적 일로 변환한다.(터빈의 음역 표현)

에너지 변환 장치로서 가스 터빈은 하늘을 비행할 때 항공 케로신을 프로펠러의 기계 에너지로 변환하는 항공기 엔진입니다. 지상에서 사용되는 가스 터빈은 천연가스와 석유를 발전기의 기계 에너지로 변환합니다.

증기 터빈, 내연기관, 그리고 가스 터빈은 처음에 전함용으로 개발되었습니다. 제1차 세계 대전 이전에 증기 터빈이 사용되었고, 제1차 및 제2차 세계 대전 동안 내연기관이 사용되었으며, 제2차 세계 대전 이후 전함용 가스 터빈이 개발되었습니다. 이는 항공기 엔진에서 변형된 것으로 주로 큰 표면 함정에 사용되었습니다.

가스 터빈은 여러 가지 특징이 있습니다:

첫째, 이론적인 에너지 전환 효율이 88%에 달할 수 있으며, 이는 현재까지 세계에서 가장 높은 에너지 전환 효율을 가진 장치입니다. 연료전지는 90%의 전환 효율을 달성할 수 있다고 알려져 있지만 아직 완전히 상용화되지는 않았습니다. 연소 엔진의 이론적 에너지 전환 효율은 88%로, 수십 년 동안 검증되었습니다.

둘째, 가스터빈의 연소 온도는 비교적 높으며, 유해 가스 배출량은 상대적으로 낮습니다.

셋째, 전력 밀도가 비교적 큽니다. 컨테이너 크기의 단일 기계로 구축함에 에너지를 공급할 수 있으며, 두 개의 컨테이너로 기본적으로 한 군의 민간 전력을 충당할 수 있습니다. 증기 터빈은 매우 크며, 예를 들어 10메가와트 이상의 디젤 엔진이나 내연기관은 수천 톤의 무게와 수십 미터 높이의 대형 장치들입니다.

네 번째로, 가스 터빈은 내연기관과 달라서 내연기관은 스토크 방식이며 4번의 스토크마다 한 번씩 작업이 이루어집니다. 가스 터빈은 연속적으로 작동하며 터빈은 소용돌이선입니다. 이는 열기관 장치 중 에너지 전환 효율이 가장 높아 화학 에너지를 열 에너지와 기계 에너지로 변환합니다.

1970년대에 가스 터빈이 미국 석유 산업에 진입하면서 산업용 가스 터빈이 등장했습니다. 항공기 엔진은 비교적 높은 성능을 요구하며 구조가 복잡하고 수명이 상대적으로 짧습니다. 반면 산업용 엔진은 무게를 줄일 필요가 없고 매우 견고하게 만들어지며 비교적 긴 수명이 요구됩니다. 1980년대 즈음해서 천연가스의 발전과 함께 전력 산업에 진출했습니다.

제2차 세계대전 이후 미국의 기술 수준은 매우 높지 않았다. 최초의 인수 대상은 유럽 내 회전기계 분야의 중심지인 이탈리아 기업들이었다. 전형적인 영국 기업으로는 항공 엔진을 제작하는 롤스로이스(Rolls-Royce)를 들 수 있다. 일반적으로 항공 엔진을 제작하는 기업들은 가스터빈도 함께 제작한다. 독일의 지멘스(Siemens)는 유럽 전역의 기업들을 인수했으며 롤스로이스의 항공 개조 사업부도 인수했다. 러시아의 가스터빈 기술은 주로 우크라이나와의 협력을 바탕으로 하고 있으며, 설계는 모두 러시아에서 이루어지고 있고 일부 제조 기지는 우크라이나 마리우폴에 위치해 있다.

최근 수십 년 동안 일본의 미쓰비시만이 진정한 중형 가스터빈을 개발했고, 가와사키는 작은 크기의 가스터빈을 제작하고 있어 여전히 일정한 기술 장벽이 존재합니다. 소형 및 중형 가스터빈은 주로 GE가 독보적이고 특히 군사용으로 많이 사용됩니다. 주류 구축함에는 대부분 GE의 LM-2500 모델이 사용됩니다. 시멘스는 영국 링컨에서 일부 소형 가스터빈을 인수했는데, 이들은 15MW 미만의 용량을 가지고 있으며, 스웨덴 핀스판에서도 일부를 생산합니다. 소형 가스터빈 분야에서 최고의 회사는 미국의 솔라(Solar)로, 이 회사는 고객과 매우 밀접한 관계를 유지하며, 15MW 미만의 소형 가스터빈 시장에서 세계 최대 점유율을 보유하고 있습니다.

분류

구조 형식 및 출력 전력에 따라 가스 터빈은 마이크로, 경형, 중형의 세 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 이 중 마이크로 및 경형 가스 터빈은 항공기 엔진(일명 "항공기 개조용")에서 개조할 수 있으며, 일반적으로 출력은 50MW 이하이고 산업용 발전, 선박 추진, 송유관 부스팅, 탱크 기관차, 분산형 발전 및 열병합 발전에 사용될 수 있습니다. 중형 가스 터빈은 출력이 50MW 이상이며 주로 도시 전력망과 같은 육상 고정형 발전기로 사용됩니다.

중형 가스 터빈은 일반적으로 온도에 따라 분류됩니다. E급, F급, G급, H급은 각각 다른 연소 온도에 대응합니다. 공학적 관점에서 볼 때 합금의 내열 용량을 기준으로 분류하는 것이 더 적절합니다.

중국에서는 소형 가스터빈이 있습니다. 소형 가스터빈은 일반적으로 구조에 따라 단일축, 이중축, 삼중축, 항공개량형, 산업용으로 분류되며, 온도가 중형 가스터빈에 비해 그렇게 높지 않기 때문에 온도에 따른 분류는 거의 사용되지 않습니다. 30메가와트 이하의 출력을 갖는 것은 등축정이며, 즉 E등급입니다. 이는 절대적인 것이 아니며 일부 보다 발전된 제품들은 이미 F등급에 도달했습니다. E등급은 중국에서 1995년에 시제품 생산을 시작했습니다. 약 50메가와트에 해당하는 것은 F등급인 것으로 추정되며 이는 지향성 결정입니다. 중국은 2005년에 이 등급의 시제품 생산에 성공했으며 현재 이러한 소재들을 모두 확보하고 있습니다. 가장 최신 가스터빈은 H등급에 도달했으며 현재 우리는 2세대 단결정 소재를 보유하고 있습니다.

일반적으로 1MW 이하의 가스터빈은 마이크로 가스터빈이라고 합니다. 해외의 마이크로 가스터빈은 온도가 낮기 때문에 그렇게 우수한 합금을 사용하지 않습니다. 특수강을 사용하는 경우가 있고, 등축정을 거의 사용하지 않습니다. 약 15MW 급은 소형 가스터빈으로 분류되며 주로 등축정을 사용합니다. 해외에는 특수강을 사용하는 일부 특수기업들이 있는데, 코팅 기술이 특히 뛰어나기 때문에 더 나은 제품을 제작할 수 있습니다. 중소형 30~50MW급은 주로 지향성 결정을 더 많이 사용하며, 이는 F등급입니다. 보다 큰 규모에서는 1세대 및 2세대 단결정을 사용하는데, 이것이 우리 국내 브랜드에서 제작하는 것입니다.

소형 및 중형 마이크로 가스터빈은 주로 분산발전과 열병합발전에 사용된다. 30MW와 15MW 이하급은 주로 쓰촨성에서 사용되며, 7MW 이하급은 주로 충칭에서 사용된다. 이는 해당 지역의 산업단지 규모와 관련이 있다. 약 30MW 급은 주로 장쑤성에서 사용되며, 50MW에서 100MW 급은 일반적으로 광둥성의 산업단지에서 분산발전 또는 열병합발전 목적으로 사용된다. 100MW 이상의 급은 대규모 전력망의 피크 조절이나 기저부하 발전소로 활용된다. 석유 및 가스 산업에서는 소형 기종을 사용하며, 상류 채굴 산업에서는 주로 7MW와 15MW가 사용되고, 중류의 파이프라인 운송 부문에서는 주로 15MW와 30MW가 사용된다.

30MW 이하의 가스 터빈 설계 시스템은 비교적 성숙하고, 공정 재료 시스템도 비교적 성숙하다. OBT의 수율은 85%에 달할 수 있다. 산업용 가스 터빈은 여전히 경제성, 기술 경제 평가 또는 비용 대비 성능에 초점을 맞춰야 하며, 주요 평가 지표는 수율이다.

중소형 가스터빈의 경우, 우리는(국내가) 설계 소프트웨어, 설계 사양 및 일부 재료와 공정에 대한 데이터베이스의 축적이 거의 없어 설계 시스템이 아직 매우 성숙하지 못하며 수율도 높지 않습니다. F레벨 또는 지향성 결정은 분기점입니다. 지향성 결정 이하에서는 국제 경쟁에 충분히 참여할 자신이 있지만, 지향성 결정 이상에서는 산업 차원에서 여전히 일정한 격차가 있습니다. 이 분야는 국가팀에 맡겨져 있으며, 여러 중앙기업에서 기초 연구 개발을 진행하고 있으며 기초 재료와 기초 공정에 대한 투자가 막대합니다.

산업 연관

국내 가스터빈 산업 체인의 상류에는 고온합금, 티타늄 합금, 복합소재, 알루미늄 합금 및 일반 강재 제조사들이 있으며, 강연고나(Gangyan Gaona), 부순특수강(Fushun Special Steel), 바오티그룹(Baoti Group) 등이 있습니다. 중류의 부품 제조 과정에서는 소재를 주조하거나 단조하는 등의 공정을 통해 터빈 블레이드와 샤프트 등의 부품을 제작하게 됩니다. 특히 블레이드 등의 부품은 주조 공정을 통해 형성됩니다. 국내 주요 주조 및 단조 제조사로는 인류(Yingliu) 유한회사, 완쩌(Wanze) 유한회사, 툰난(Tunan) 유한회사 등이 있습니다. 이후 하류의 완제기 제조사들은 다양한 부품들을 조립하여 완제기로 생산하게 되며, 주요 제조사로는 AECC(중국항공발전기), 상하이일렉트릭(Shanghai Electric), 허란터빈(Helan Turbine), 하얼빈일렉트릭(Harbin Electric) 등이 있습니다.

상류 산업, 특히 고온 합금, 고온 티타늄 합금, 열 장벽 코팅 및 선진 세라믹 복합 소재와 같은 제품은 국방 산업과 고급 장비 제조를 촉진하는 데 중요한 역할을 합니다. 국내 가스 터빈은 주로 발전에 사용되며, 일부는 석유 및 가스⽥의 수압 주입, 공기 흡입, 압력 증가 및 선박과 탱크 파워에 사용됩니다. 중점은 분산형 발전, 열병합발전, 천연가스 파이프라인 운송, 선박 추진 및 기계 구동입니다. 우리 나라의 가스 터빈은 분산 에너지 공급, 압력 증대소, 산업 발전 등 다양한 분야에서 막대한 잠재 시장을 가지고 있으며, 정책적인 지원으로 인해 산업이 급속히 발전하고 있습니다. 현재 진행 중인 "서부에서 동부로 가스 전송", "서부에서 동부로 전력 전송", "남부에서 북부로 물 유도"와 같은 대규모 프로젝트와 함께 우리 나라 조선 산업의 급속한 발전으로 인해 가스 터빈에 대한 수요가 급증하고 있습니다.

산업 정책

'14차 5개년 계획'의 현대 에너지 시스템에서는 가스터빈을 핵심 핵심기술로 명시하고 있으며, 이는 원자력, 신규 전력 시스템, 에너지 저장, 수소에너지 등과 거의 동등한 수준에 위치시키는 것을 의미합니다.

국가 전력 투자 회사는 두 가지 특수 프로젝트를 진행했습니다. 하나는 중형 가스 터빈을 포함한 주요 프로젝트로, 수소 혼합 가스 터빈도 포함됩니다. 순수 수소 터빈은 내몽골에 건설되었지만 아직 운영되지 않고 있습니다. 경문 발전소에서는 15%의 혼합을 실현했습니다. 하얼빈 전기와 광동 전기 그룹(광동 에너지 그룹)은 대아만에서 수소 혼합 프로젝트를 진행했으며, 항저우 증기 터빈과 지멘스는 주산에서 수소 혼합 프로젝트를 진행했습니다.

가스 터빈은 서동가스관선 및 해상 석유 플랫폼에서 널리 사용되고 있습니다. 군사 관련 기업인 중국해유(CNOOC)도 미국의 제재를 받았으며, 공급 중단의 위험에 직면해 있습니다. 러시아-우크라이나 전쟁 동안 러시아가 구매한 지멘스 가스 터빈이 수리 목적으로 캐나다로 보내졌을 때 억류되어 에너지 안보에 영향을 미쳤습니다. 국산화는 가능한 한 빨리 이루어져야 합니다.

시장 공간

2022년 우리 나라의 가스 터빈 생산량은 405만6300킬로와트이며, 수요는 약 679만8600킬로와트입니다.

통계에 따르면 2022년 우리 나라의 가스 터빈 시장 규모는 616억6900만 위안으로, 이중 미니 가스 터빈 시장 규모는 8억9300만 위안, 경형 가스 터빈 시장 규모는 565억6900만 위안, 중형 가스 터빈 시장 규모는 42억700만 위안입니다.

우리나라는 이제 50MW 이하의 소형 가스터빈을 독자적으로 생산할 수 있게 되었으며, 저가형 제품은 수출까지 가능하지만, 50MW 이상의 대형 가스터빈은 여전히 수입에 크게 의존하고 있습니다. 핵심 기술은 미국의 GE, 일본의 미쓰비시(Mitsubishi), 독일의 지멘스(Siemens) 등 글로벌 제조사들에 의해 사실상 독점되어 있어 국내 시장에서 '기술적 억압'의 위험이 있습니다. 해관총서(General Administration of Customs)의 자료에 따르면 2022년 가스터빈 수입액은 41억6100만 달러, 수출액은 7억3500만 달러였습니다.