원문: https://zhuanlan.zhihu.com/p/917795411

우리나라가 자체 개발한 300MW급 F급 고성능 가스 터빈의 가동에 성공했습니다. 이 터빈은 세계적으로 어느 수준에 도달했을까요?

더 유용한 정보를 원하시면 저희 위챗 공식 계정인 '전기 지식 교실'을 팔로우하세요.
92명이 이 기사에 좋아요를 눌렀습니다.

10월 7일, 중국이 자체 개발한 300MW급 F급 중형 가스 터빈이 상하이 링강에서 처음으로 성공적으로 점화되었다. 이 300MW급 F급 중형 가스 터빈은 중국이 자체 개발한 최고 출력 및 기술 수준의 중형 가스 터빈으로, 기술 사양은 국제 주류 F급 중형 가스 터빈과 기본적으로 동등한 수준인 것으로 알려졌다.


+300MW급 F급 대형 가스 터빈의 실제 사진

그렇다면 300MW급 F급 고성능 가스 터빈은 전 세계적으로 어떤 위치에 있을까요?

고성능 가스 터빈은 발전 분야의 최고급 장비입니다. 모든 기계 장비 중에서 기술적 내용과 설계 및 제조 난이도가 가장 높습니다. 기계 제조 산업의 최상단에 위치하며 국가 경제 및 에너지·전력 산업에서 중요한 전략적 위치를 차지합니다.

현재 전 세계 발전량의 5분의 1을 가스 터빈 복합발전이 차지하고 있으며(유럽과 미국에서는 3분의 1 이상), 최첨단 H/J급 가스 터빈은 단일 사이클 및 복합 사이클 효율이 각각 40~41%와 60~61%에 달해 모든 발전 방식 중 최고 수준을 자랑합니다. 천연가스를 사용하는 가스 터빈 발전소는 오염 물질 배출량이 극히 적어 이산화탄소 배출량이 초임계 석탄 화력 발전소의 절반 수준입니다. 천연가스 발전의 적극적인 개발은 중국을 비롯한 전 세계 국가들이 환경을 보호하고 파리 협정의 온실 가스 감축 목표를 달성하기 위해 추진하는 주요 조치 중 하나입니다.

세계 최초의 고성능 발전용 가스 터빈은 1939년 스위스 BBC사에서 탄생했으며, 이는 발전 산업이 증기 터빈에서 가스 터빈으로 전환되는 계기가 되었습니다. 지난 70년간 전 세계 고성능 가스 터빈의 개발은 크게 다섯 단계로 나눌 수 있습니다.


초기 단계(1939년~1950년대 후반): 고성능 가스 터빈이 막 등장하던 시기였으며, BBC만이 연구 개발을 진행했습니다. 당시 생산된 제품들은 출력(4MW 이하)이 낮고, 가스 온도(800℃ 이하)도 낮았으며, 열효율은 20% 미만이었습니다. 제2차 세계 대전 중에는 개발이 정체되었습니다.

초기 단계(1950년대 ~ 1970년대 후반): 제2차 세계 대전 후, 미국의 GE와 독일의 지멘스는 독창적인 혁신을 바탕으로 고성능 가스 터빈 개발에 착수했습니다. 미쓰비시는 1960년대에 수입 기술을 도입, 소화, 흡수한 후 이를 기반으로 혁신하는 방식을 택하여 고성능 가스 터빈 개발에 참여했습니다. 세 회사 모두 1970년대 후반에 25MW 미만의 출력을 내는 시제 가스 터빈 개발을 완료하여 1,000℃의 가스 온도와 약 26%의 효율을 달성했습니다. 시제 가스 터빈 개발의 주요 목표는 핵심 기술을 돌파하고 확보하는 것, 주력 가스 터빈의 기본 구조, 특히 로터 구조를 선정하는 것, 시험 설비를 구축하는 것, 그리고 관련 인력을 양성하는 것이었습니다.

세계 시장의 1단계(1980년대~1990년대 중반): E급 기술의 개발 및 성숙. 1980년대 초반, 기본 E급 모델은 단일 유닛 출력 31~105MW(50Hz, 이하 동일), 가스 온도 1100℃, 효율 약 30%를 나타냈다. 1990년대 중반에 이르러 단일 유닛 출력은 37~130MW로 증가하고, 가스 온도는 1200℃에 도달했으며, 효율은 약 32%에 이르러 세계 중형 가스 터빈 시장의 주류 제품으로 자리 잡았다. 1978년부터 1995년까지 1MW 이상의 용량을 가진 가스 터빈 약 9,000대가 전 세계적으로 판매되었으며(참고: 25MW 미만은 항공기 엔진 기반 가스 터빈 및 소형 가스 터빈이고, 25MW 이상은 주로 대형 가스 터빈임), 총 발전량은 7억 3천만 킬로와트에 달하여 세계 가스 터빈 시장 형성의 시작을 알렸습니다.

세계 시장의 두 번째 단계(1990년대 중반 ~ 2010년): F급 기술의 개발 및 성숙. 1990년대 중반에 출시된 기본 모델은 단일 유닛 출력 225~235MW, 가스 온도 1320~1350℃, 효율 약 34%를 특징으로 했습니다. 2010년에는 단일 유닛 출력이 285~300MW로 증가하고 효율은 36~37%에 달했습니다. F급 가스 터빈은 세계 시장에서 E급 터빈을 대체하는 주력 상품으로 자리 잡았습니다. 1996년부터 2010년까지 1MW 이상 용량의 가스 터빈이 전 세계적으로 약 13,000대 판매되었으며, 총 발전 용량은 10억 킬로와트를 넘어섰습니다. 2010년에는 가스 터빈 발전이 전 세계 전력 생산량의 약 20%를 차지하며 세계 발전 산업에서 없어서는 안 될 중요한 요소로 자리매김했습니다.


세계 시장의 세 번째 단계(2010년~현재): H/J급 기술이 등장하여 개발이 진행 중입니다. 현재 시판 중인 H/J급 가스 터빈은 단일 유닛 출력 400~520MW, 가스 온도 1550~1600℃, 열효율 40~41% 수준입니다. 2015년에는 북미 시장에서 H/J급 가스 터빈이 거의 절반을 차지했으며, 세계적인 H/J급 시대가 도래하고 있습니다. 천연가스 발전은 전 세계 발전량의 20% 이상을 차지하며 꾸준히 증가하고 있으며, 세계에너지기구(WEO)는 2030년까지 이 비중이 25%를 넘어설 것으로 예측하고 있습니다.

다시 말해, 우리나라는 H급 중형 가스 터빈의 독자적인 개발에 있어서 여전히 뒤처져 있다는 사실을 인정해야 합니다. 하지만 따라잡는 과정은 분명히 빠르게 진행될 것입니다.