분산형 마이크로터빈 열병합발전 시스템 개발

분산형 마이크로터빈 열병합발전 시스템 개발

㈜ 뉴로스

2 Turbo Energy Research Center

발표순서 과제 일반사항

기술개발 결과

기술개발 효과

응용분야 및 시장전망

사업성과의 활용 계획


과제 일반사항 : 개요 개발 목표

목표 : 마이크로터빈을 이용한 55KW 급 분산형 열병합 발전시스템 개발 개발기간 : 총 6 년 ( 기술확립 3 년 & 실용화 보급 3 년 ) 개발비 : 1 단계 56 억원 ( 계약금액 )

세부 목표 발전 출력 : 55kW 급 (@ Hot Day 기준 ) 주요 기능 : 단독 /병렬 (계통연계 ) 운전 , 열병합 이용 냉 /난방 공급 발전 효율 : 25% ( 레큐퍼레이터 장착 시 , 열효율 28% 이상 ) 열병합 효율 : 75% 이상 Emission : 10 ppm NOx 이하 ( 가스연료 @ 15% O2) 사용 연료 : 가스 및 액체 연료 무급유 공기 베어링 및 고속 발전기 적용 수명 : 30,000 시간 이상 (Overhaul 기준 ) 소음 : 65 db @ 10 m 판가 : 100 만원 이하 /KW


과제 일반사항 : 단계별 연구개발 내용 기술 확립 단계 (3 년 )

시스템 규격 /Layout/ 유지보수 분석 /마이크로 터빈 설계 마이크로 터빈 코아 및 구성품 개발 /시제작 /조립 저공해 연소기 및 고효율 레큐퍼레이터 개발 고효율 고속 발전기 겸 모터 & 전력변환장치 개발 시스템 성능 최적화 연구 및 열병합 주변기기 개발

☞☞ 시스템 시스템 & & 마이크로 터빈 성능 검증마이크로 터빈 성능 검증

실용화 보급 단계 (3 년 ) 마이크로 터빈 및 시스템 성능 /내구성 /환경 /Field 시험평가 구성품 성능 개량 및 국산화 , 수명 /신뢰도 평가 , 양산공정 개발 시스템 인증 , 마케팅 및 보급 활성화 추진

☞☞ 시장 진입시장 진입


과제 일반사항 : 개발비 세부과제별 개발비

항 목 1차년도 2차년도 3차년도 계 비 고총괄 20 35 20 75

1 세부과제 497 1,028 948 2,473

2 세부과제 360 590 550 1,500

3 세부과제 188 343 343 874

4 세부과제 288 298 298 884

합계(정부지원금 )

1,353(875)

2,294(1,562

)

2,159(1,457

)

5,806(3,894)

[ 단위 : 백만원 ]


과제 일반사항 : 개발 체계

구 분 개발범위 주관기관 참여기업 위탁연구기관

총 괄 열병합 발전 시스템 뉴로스

1세부 마이크로터빈 코아 뉴로스 엘트론 /내열코팅KIMM/고온소재수명KAIST/회전체유동

2세부저공해 연소기 및

열교환기항공우주연구원

뉴로스 /연소기한국 PHE/열교환기

서울대 /연소해석한국전력연구원 /연소진동

3세부고속발전기 및 전력변환장치

전기연구원

경주전장 /고속발전기매그플러스 /전력변환장치

충남대 /모터전자기해석

4세부시스템 최적화 및냉온수 발생기

에너지연구원

경동보일러 /냉온수발생기지역난방공사 /현장적용시험

◦ 관련 요소기술 중심 산 /학 /연 개발 체계 구축 ( 총 15 개 기관 컨소시엄 ) ◦ 핵심 세부과제 주관기관이 총괄 관리기관을 담당 , 확실한 Ownership 으로 적극적인 추진 ◦ 관련 핵심 요소기술과 인프라 보유 국책 출연 연구원의 주도적인 참여 ◦ 개발 분야와 참여기업의 고유 업종 동일 , 개발 분야가 중복되는 업체 없음


과제 일반사항 : 개발일정

연구개발 내용 기관 2002 년 2003 년 2004 년 비 고

1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4

엔진 / 시스템 설계 뉴로스

각종 구성품 개발 시험 뉴로스

압축기 성능시험 (1,2 차 ) KARI

주조개발 / 고온소재 특성시험 KIMM

엔진 조립 및 성능시험 뉴로스

시스템 조립 및 성능시험 뉴로스

저공해 연소기 설계 / 시험 KARI

연소기 상세설계 / 시제작 뉴로스

열교환기 시제작 (1 차 & 2 차 ) 한 PHE

발전기 개발 (1,2 & 3 차 ) KERI

전력변환기기 개발 (1,2 & 3 차 ) KERI

온수발생기 설계 / 제작 / 시험 KIER

냉수발생기 설계 / 제작 / 시험 KIER

방음 Package 설계 / 제작 KIER


기술개발 결과 : 목표 달성도

구 분 목 표 결 과 비 고

발전 출력 55kWe 65kWe 55kWe 시험 적용

발전 효율 25% 29% 26% 시험 확인

열 병합 효율 75% 72%

수명 30,000hr 30,000hr 이상 수명 예측

Emission 10ppm NOx 9 – 11ppm 연소기 성능 시험 결과

소음 65dB @10m 달성 가능


기술개발 결과 : 개발 사양 발전출력 : 55 kW 단독 / 병렬 ( 계통연계 ) 운전 , 열병합 이용 냉 / 난방 공급 발전효율 : 25% 이상 (Recuperator 장착 ) 열병합 효율 : 75% 이상 Emission : 10ppm NOx 이하 ( 가스연료 @ 15% O2) 사용연료 : 가스 및 액체 연료 베어링 형식 : 공기 베어링 수명 : 30,000 시간 (Overhaul 기준 ) 소음 : 65dB @10m


기술개발 결과 : Performance

EGT Control: 635C

Load Control: 67kW

C T

B

G

P

202 C413kPa

588 C405kPa

907 C384kPa

638 C107kPa

15 C101kPa

20 C99kPa

265 C101kPa

C T

B

G

P

202 C413kPa

588 C405kPa

907 C384kPa

638 C107kPa

15 C101kPa

20 C99kPa

265 C101kPa

압축기 효율 : 81%

터어빈 효율 : 84%

열 교환기 : 0.88

발전기 효율 : 95%

전력 변환기 : 95%


기술개발 결과 : CompressorDesign Parameter Target Achievement

Inlet Total Pressure (MPa) 0.0993Inlet Total Temperature (K) 293.15Corrected Mass Flow Rate (kg/sec) 0.605 0.608

Compression Ratio (Total-to-Total) 4.2 4.308

Adiabatic Efficiency (%) 0.81 0.81

Surge Margin (%) >10 > 20

Consumed Power (kW) 111.39 114.457

Rotational Speed (RPM) 61265


기술개발 결과 : Compressor


기술개발 결과 : Combustor

Pilot Burner Radial Swirl type Premixing Burner Can type Combustor No Film Cooling Dilution Air Injection NOx Emission on Natural Gas

Corrected to 15% O2

5 ~ 6 ppm (@ test condition) 9 ~ 11 ppm (expected @ engine condition)

Frontal Device

Combustor Ass’y


기술개발 결과 : Turbine

Design Specification

Pt1/Pt2 = 384.43/106.59

tt = 0.84 including Exhaust Diffuser Loss No Swirl Design

Aerodynamic Features

t1N/ N =61265/ 1180

t1m

t1

Q T 0.604 1180=

P 384.43

3D 온도해석

Turbine Surface Grid

Static Pressure Distribution


기술개발 결과 : Turbine

Rotor Spin Test : 73,200rpm (120%)

Mechanical Features Nozzle : INCO 713LC Rotor : MAR-M-247 Life Span 30,000hr 시제제작 : 주조개발 (R/P)

기계가공 ( 난삭 )


기술개발 결과 : Heat Exchanger Effectiveness : 88% 전압력 손실 : < 저온부 저온부 1%, <1%, < 고온부 고온부 3% (header loss 3% (header loss 제제

외외 ) ) Life : 40,000 hrs Plate-Fin Type : Counter Flow 배치

구 분구 분 저온부저온부 고온부고온부

핀 형상핀 형상 사각형 일반 핀사각형 일반 핀(plain fin)(plain fin)

다공질 사각 일반 핀다공질 사각 일반 핀(perforated plain fin)(perforated plain fin)

핀 높이핀 높이 3.0 mm3.0 mm 6.0 mm6.0 mm핀 간격핀 간격 2.0 mm2.0 mm 2.0 mm2.0 mm

인치 당 핀 개수인치 당 핀 개수 12.7 12.7 개개 12.7 12.7 개개핀 두께핀 두께 0.2 mm0.2 mm 0.2 mm0.2 mm

hydraulic diameterhydraulic diameter 2.191 mm2.191 mm 2.747 mm2.747 mmβ(β( 열전달 면적열전달 면적 // 부부

피피 )) 1316 m1316 m22/m/m33 1082 m1082 m22/m/m33

핀 표면적핀 표면적 // 총 표면적총 표면적 0.8110.811 0.8690.869판 두께판 두께 0.4 mm0.4 mm


기술개발 결과 : Generator 냉각설계 Generator 발열량 ( 전기연구원 )

주유로 ( 냉각핀 ) + 2 차유로 ( 냉각팬 ) : 부가적인 냉각장치 없음 .

냉각수 & Shop-Air 를 이용하여 설계 데이터 확보 중

냉각 설계 냉각 설계 SchemeScheme 냉각 시험 냉각 시험 SchemeScheme


기술개발 결과 : Power Head 냉각설계

Thrust Bearing + Journal Bearing 베어링 냉각을 위한 냉각공기 공급 Impeller 출구 + Turbine 입구

PressurePressure

TemperatureTemperature


기술개발 결과 : Rotordynamics

Vibration Free Rotor System Oil Free System

Foil Gas Bearing Flexible Coupling Design

Critical Speeds

1 차 2 차 3 차 4 차 5 차해석 11,760 12,150 15,160 19,387 140,260

시험 10,300 10,650 14,970 17,970

( 단위 : RPM)

Autospectrum(Gap3:Y1) - InputWorking : Input : Multi-buffer 1 : Order Analyzer

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 5500060000

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

[RPM] (Average Speed - RPM)

[um] Autospectrum(Gap3:Y1) - InputWorking : Input : Multi-buffer 1 : Order Analyzer

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 5500060000

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

[RPM] (Average Speed - RPM)

[um]

Rotor 진동

Flexible Coupling


기술개발 결과 : Air Foil Bearing

Bump Type Hydrodynamic Non-Contact Bearing High Temp. Coating (PS304) : ~ 600 C Rotor Weight : 12 kg

Test Rig


기술개발 결과 : Material

SELECTION OF MATERIALS

Components Materials Requirements

IMPELLER 17-4 PH

-Specific Tensile and Stiffness-Fatigue and Creep-Corrosion Resistance

TURBINE ROTOR

TURBINE NOZZLE

MAR-M 247

INCO 713LC

-Specific Tensile Strength-Creep and Fatigue-Corrosion and Erosion

COMBUSTOR LINER INCO 625

-Heat-Resistant -Creep and Fatigue-Easy Joining


기술개발 결과 : 고온부 수명 평가 Mar M247 CREEP-FATIGUE 상호작용 평가 터빈로터 수명예측 수행

마이크로터빈 수명예측

0 1 2 3 4 5 60

200

400

600

800

1000

1200

Str

ess(

MP

a)

Strain(%)

Room

350oC

550oC

650oC

760oC

870oC

980oC

10-1 100 1010.000

0.002

0.004

0.006

0.008

0.010

0.012

Temp. : 760oCApplied stress : 720MPa

Cre

ep s

trai

n

Time(hour)

Test Omega method 4-projection Sinh method

0.1 1 10 100 10000.00

0.01

0.02

0.03

0.04

Tests : symbolsCalculations : line

Cre

ep s

trai

n

Time(hour)

Temperature = 760oC 720MPa 650MPa 587MPa

-0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6-1500

-1000

-500

0

500

1000

Str

ess

(MP

a)

Strain (%)

Strain-controlled LCF, R=-1

Temperature= 550oCTotal strain range=1.2%

1st cycle stabilized cycle(Nf/2)

Mar-M247 기계적 특성 평가


기술개발 결과 : 엔진시험

Engine TestEngine Test

Test Cell Test Cell 전경전경 Control RoomControl Room

Engine AssemblyEngine Assembly


기술개발 결과 : Instrumentation

Instrumentation Pressure : 36 Ch Temperature : 53 Ch Control : RPM, Fuel Flow, Load Bank, Motor Driver…

Engine Engine 외부 외부 InstrumentationInstrumentation

Engine Engine 내부 내부 InstrumentationInstrumentation


기술개발 결과 : 엔진시험 100% RPM 에서 65kW 까지 부하적용 Recuperator 열 관성으로 인하여 시험평가 시간 많이 소요됨


기술개발 결과 : 엔진시험 Critical Speed 는 20% RPM 이하에만 존재 엔진 점화 속도인 30% RPM 이상에서는 진동 특성 양호 100% RPM 에서 진동 크기 : 50 m, p-p 이하


기술개발 효과 : 기술 측면 국내외 거대 신규시장 조성이 예상되는 분산형 마이크로 발전시스템

적용 핵심 기술 확보 및 Line-Up 개발 시스템 구축

기술적 파급효과 100% 종속된 발전용 가스터빈 엔진의 국내 개발기술 확보와 인프라 구축 하이브리드 발전시스템 및 차량엔진 , 기타 에너지원 등 타 산업

분야로의 제품 및 기술 적용 가능 터보기계 , 정밀기계 , 고속회전체 관련 제품 Upgrade 등 기술적인

시너지 효과 지대함 차세대 분산 발전 시스템 국제 시장 참여 기반 구축


기술개발 효과 : 에너지 절약 / 환경 측면 에너지 절약 측면

송전 손실과 폐열 방출에 의한 에너지 효율 저하 방지 및 에너지 사용 효율 30% 향상 에너지 효율 증가로 인한 년간 350 억원 에너지 비용 절감

환경 측면 가스 연료 사용으로 대기 오염 절감 및 천연가스 수요 발생 CO2 감량 85 만톤 예상

[ 근거 / 산출자료 ] 대체발전량 270MW ( 국내 분산열병합 수요 10%) & 5,000 시간 운용 가정 및

시스템 전기효율 25%, 열병합 회수율 50% 일 경우 발전용 천연가스 수요 발생분 : 464,400 TOE 열병합 회수로 인한 에너지 절감액 (232,000 TOE) : 350 억원 절감된 천연가스 232,200 TOE, 연료내 C 의 구성비 85% & 열효율 85% 가정


기술개발 효과 : 산업 경제적 측면 기후의 영향을 받지 않으며 설치 및 유지보수가 간단하여 낙도 및 오지의 전기

제공이 유용하므로 전 국토의 균형있는 발전에 기여

대형 발전소 건설과 송전 손실에 따른 막대한 자금을 다른 산업에 투자할 수 있고 , 발전 설비의 공사 기간 단축으로 전력수요에 능동적인 대처 가능

연구개발 인력 양성 및 연구 경험 , 산학연 연구개발 컨소시움 및 관련 인프라는 산업계에 파급효과가 큰 고성능 터보기기의 개발에 유연하게 적용 가능

천연가스를 주 연료로 사용할 수 있어 석유 의존도를 낮춤으로써 무역수지 개선에 많은 효과를 얻을 수 있고 , 기존에 구축되어 있는 지역난방 배관망 및 가스관을 사용하여 설비 투자비를 최소화 함


응용 분야 및 시장 전망 : 응용 분야 마이크로터빈 열병합 발전 시스템 구성 및 응용 분야

Microturbine CGS 발전출력 : 30 ~ 500 kW 터보샤프트 엔진 분산형 열병합 발전 단순구조 / 고신뢰도 고효율 / 가격경쟁력 확보 연료의 다양성 친환경성 / 저공해 Multi-Pack 확장성 소규모 열병합 발전 ( 빌딩 , 낙도 등 ) 폐가스 이용한 독립적 발전 ( 유정 , 탄광 ) 정전대비 비상용 발전 Hybrid 연료전지 가스터빈 발전 자동차용 Hybrid 엔진


응용 분야 및 시장 전망 : 응용 분야 Capstone( 미국 ) 자료

Landfill Landfill GasGas

Flare Flare GasGas

HEHEVV

DigesterDigester

CHPCHP

Stand-Alone Stand-Alone PowerPower


응용 분야 및 시장 전망 : 시장 전망 시장 규모

구분 2007년 2009년 2011년 2013년

세계시장물량 (대 ) 17,350 25,400 37,200 54,500

금액 (백만 $) 2,982 4,233 6,200 9,083

국내시장발전용량 (MW) 270 297 327 360

금액 (억원 ) 2,000 2,200 2,420 2,660

매출 규모 및 경제적 효과구분 2009년 2010년 2011년 2012년 2013년 계내수 110 173 242 254 266 1,045

수출 - 261 620 1,146 1,817 3,842

계 (억원 ) 110 434 862 1,400 2,083 4,887

[ 근거 / 산출자료 ] 1. Technology Roadmap, 소형에너지 소스 , 산업자원부 / 한국산업기술재단 , 204-03-20

2. 소형 열병합발전 기술연구회 활동보고서 , 산업자원부 , 2004.8 월 - 국내 :2012 년까지 270 만 KW 보급계획 ( 년간 27 만 kW)

[ 근거 ] - 국내 수요 10% 점유 , 해외 수요 약 0.5~2% 점유 가정


응용 분야 및 시장 전망 : 기술 동향

Capstone Elliot IR Turbec Bowman DTech Toyota Neuros*

Spool 11 11 22 11 11 22 11 11

발전출력(kW) 2828/6060/200 4545/6060/8080 7070/250 100100 2525/5050/8080 350350 5050 5555

발전효율 (%) 2626 25-3025-30 2929 3030 22.522.5 2929 N/AN/A 28.528.5

회전수 (RPM) 96,00096,000 110,000-110,000-

68,00068,000 60,00060,000 90,00090,000 99,75099,750 30,00030,000 80,00080,000 61,00061,000

압축비 3.23.2 3.73.7 3.33.3 4.54.5 4.34.3 8.08.0 4.64.6 4.24.2

TIT (K) 1,1131,113 1,2031,203 1,1431,143 1,2231,223 N/AN/A N/AN/A N/AN/A 11801180

NOx (ppm) 99 15-2415-24 99 1515 2525 1010 N/AN/A 1010

베어링형식 공기공기 오일오일 오일오일 오일오일 오일오일 공기공기 오일오일 공기공기

Capstone Elliot IR DTech

1998 년 미국의 Capstone 사가 30kW 마이크로터빈 발전시스템 최초 상용화 30 ~ 350 kW 급의 다양한 제품이 초기 시장 형성 중 : Genset 또는 Cogen 소형화 , 신뢰성 확보 , 유지보수 비용 절감 및 배기가스 오염물질 감소 개발 추세


응용 분야 및 시장 전망 : 미국연구개발 동향


사업성과의 활용 계획 국내외 분산 열병합 발전시장 여건 조성에 따른 상품화 개발

적극 추진 본과제 2 단계 추진 Line-Up 개발 (200kW 급 ) 착수 검토[ 기획자료 ] Technology Roadmap, 소형에너지 소스 , 산업자원부 / 한국산업기술재단 , 204-03-20

실용화 위한 시장 / 적용처 조사 및 마케팅 소규모 빌딩 및 상업단지 , 소형호텔 및 여관 , 학교 /기숙사 , 농촌 집단 부락

등 Multi-Package 경우 , 중규모 빌딩 및 상업단지로 확대 가능

정부 차원의 국내 활성화 방안 건의 환경 규제법 완화 ( 유지보수 , 비상발전기 , 열공급 허가 등 ) 전력 특례 규정 신설 ( 계통연계 가이드라인 , 잉여전력판매 등 ) 보상 및 금융지원 확대 ( 가스요금인하 , 시설지원 등 )

분산형 마이크로터빈 열병합발전 시스템 개발

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