지난 2001년 9월부터 시작된 ‘1000㎿급 USC(초초임계압)터빈 발전기 개발과제’가 내달이면 완료된다. 이미 고압터빈의 경우 두산중공업 창원공장에서 테스트를 마쳤으며 저압터빈 마지막 블레이드는 GE에서 테스트를 완료한 바 있다. 1000㎿급 초초입계압 터빈발전기 개발은 전력연구원을 주관기관으로 두산중공업, 엔지니어링 부문은 한국전력기술 등과 국내 여러 협력·연구기관이 참여하는 과제다.
이번 1000㎿급 초초임계압 터빈발전기의 개발은 당진 9, 10호기와 태안 9,10호기 등 1000㎿급으로 건설될 예정인 국내 화력발전소 적용을 목표로 진행됐다는 점에서 그 의미가 큰 개발과제다. 특히 올 8월 중 개발이 완료되고 지식경제부가 한국에너지자원기술기획평가원에 일임한 개발과제 평가가 완료된 시점인 올 10~11월 경 실용화과제로 채택, 진행될 예정이다.

이번 1000㎿급 초초임계압 터빈발전기 개발을 주도해왔던 두산중공업측은 실용화를 위해 이미 지경부에 과제입찰제안서(RFP)를 제출한 바 있다. 향후 실용화과제가 진행되면 두산중공업측은 향후 건설될 석탄화력발전소에 현물·기자재 투자방향으로 진행될 전망이다.
특히 오는 11~12월경 당진화력 9,10호기에 이번 초초입계압 터빈발전기를 적용할 계약이 추진될 예정이다. 당진화력 9, 10호기의 경우 총 공사비가 2조9000억원 이상되는 대형 국책사업으로 2010년 5월경 착공해 9호기가 2014년 12월에, 10호기가 2015년 12월에 준공될 예정이다.
이번 1000㎿급 초초입계압 터빈발전기 개발에는 약 500~600억원 가량이 투자됐다.

초초임계압 석탄화력 건설의 필요성
현재 석탄화력발전과 함께 화력발전시스템의 주종을 이루고 있는 복합화력발전(CCPP : Combined Cycle Power Plant)은 저렴한 초기투자비, 고효율, 짧은 건설공기, 환경친화 측면에서 석탄화력발전보다 매력적인 장점도 있지만, 실증플랜트의 용량제한, 천연가스(LNG) 매장량의 한계, 고가의 연료비 등의 관점에서 중간부하(Intermediate Load) 혹은 첨두부하(Peak Load)용 발전소로서 그 역할이 제한된다. 또 석탄이용 차세대 화력발전방식 중에서 가압유동층 복합발전(PFBC : Pressurized Fluidized Bed Combustion) 및 석탄가스화복합발전(IGCC : Integrated Gasification Combined Cycle)은 석탄청정화기술(CCT : Clean Coal Technology)로서는 각광을 받고 있지만 용량제한과 상대적으로 높은 투자비 때문에 주력기종을 담당하기는 어려울 것으로 보인다.

차세대 석탄화력발전소를 대용량 USC 발전소로 건설 시 기존 초임계압 발전소 대비 이산화탄소 저감량은 호기당 연간 약 17만 톤 정도로 기대된다. 두산중공업의 기술개발 프로그램 추진계획에 의하면 현재 개념설계 및 요소설계 기술개발이 진행되고 있는 발전설비 모델에 대해 올 8월까지는 검증시험을 완료할 것으로 예상돼 조만간 국내에서도 1000㎿급 차세대 초초임계압 발전설비 모델을 보유할 것으로 기대된다.

1000㎿ USC 터빈발전기 개발은
최근 환경보호 강화, 석탄가격의 급등, 온난화가스 배출 감소 등의 발전산업의 여려 변화되는 환경하에 보다 진보된 기술, 고온과 고효율 등이 필요한 초초임계압 스팀조건이 필요하게 됐다. 두산중공업과 GE가 공동으로 개발한 1000㎿급 초초입계압(USC) 터빈발전기는 공칭출력은 1000㎿급이며 최대출력은 약 1100㎿급에 달한다. 또한 메인 스팀 압력이 260기압, 610℃에 달한다. 회전속도는 약 60~3600rpm이다.

두산중공업은 8월경 USC(Ultra Super Critical, 초초임계압) 1000㎿급 터빈발전기 개발을 눈앞에 두고 있다. 이와 함께 1000㎿급 발전소 모델 구축을 목표로 ▲최적의 발전설비 및 환경설비 시스템의 구성 ▲최신 설비의 선정 및 효율적인 발전설비의 배치 ▲최적의 건설추진 방향 및 건설공정의 제시 ▲참여사와 연계해 신뢰성 확보방안의 공동 모색 등의 사항을 포함한 발전소 건설 전반에 대한 기술 개발이 추진됐다.

선진 외국의 경우 설계와 제작기술의 향상과 더불어 전력수요의 증대에 따른 발전소 규모의 경제성 제고를 위해 석탄화력 발전소를 격상하여 건설하고 있으며, 미국의 경우 800㎿급과 900㎿급이 1967년 계통에 투입됐으며, 그 이후 단계적으로 1100㎿급과 1300㎿급으로 용량 격상이 이뤄졌다. 일본은 500㎿, 700㎿, 1000㎿급 순으로 단계적으로 용량을 격상했으며, 독일은 750㎿, 800㎿, 1000㎿가 현재 운전중이다.

국내서는 주증기 압력 246㎏/㎠.g, 주증기 온도538℃, 재열증기 온도 538℃의 500㎿급 초임계압 표준석탄화력 발전소 22기를 운영하고 있으며, 1993년도에 주증기 압력 246㎏/㎠.g, 주증기 온도 566℃, 재열증기 온도 566℃의 800㎿급 초임계압 발전소 설계를 시작해 2004년도에 상업운전에 들어갔다. 최근에는 이보다 한 단계 온도를 상승시킨 주증기 온도 566℃, 재열증기 온도 593℃의 500㎿ 및 800㎿급의 발전소를 건설 중으로 2005년도에 500㎿급 최초 호기가 계통에 투입됐다. 특히 향후 당진 9~10호기 등이 1000㎿로 건설될 예정으로 초초입계압(USC) 모델의 국내 적용이 가능할 전망이다.

초초임계압 터빈 - 터빈형식과 최종익(LSB) 길이는 터빈 싸이클의 효율, 터빈 건물의 규모 및 배치에 많은 영향을 미친다. 터빈 형식은 크게 직렬배열의 Tandem Compound(TC) 형식과 병렬배열의 Cross Compound(CC) 형식으로 나눌 수 있다.
1000㎿급 차세대 화력발전의 터빈 형식은 최종익의 개발현황, 경제성과 운영측면 등을 종합적으로 고려해 가장 적합한 형식으로 판단되는 45″이상의 최종익을 적용하는 Tandem Compound의 4 Flow(TC-4F) 형식을 적용했다. 두산중공업은 USC터빈 독자설계 능력을 내년까지 확보할 예정이며 터빈의 경우 400억 이상을 투자한 성능실증설비 DOOPEX가 준공돼 실험에 들어감으로써 기술 상용화를 단축할 수 있을 것으로 보고 있다.

초초임계압 발전기 - USC 발전기는 3상, Y결선, 60Hz의 전폐형 동기 발전기로 터빈 최대 출력(VWO) 시 정격전압 및 정격 주파수에서 연속운전에 적합한 용량으로 설계된다. 또한 수소 냉각계통 중 한 구역이 고장나는 경우에도 ANSI C50.13에 규정된 발전기 온도 상승요건을 만족하면서 발전기가 정격 출력의 80% 이상을 낼 수 있도록 설계됐다. 차세대 화력발전소의 통합제어설비에 터빈 제어설비가 포함돼 운전의 편이성을 제고했다는 것이 가장 큰 특징이라고 볼 수 있다.