경제성·발전 효율 높은 친환경 발전기술, 초초임계압

1,000MW 초초임계압(USC, Ultra Super Critical) 화력발전소는 동일한 양의 화석연료로 더 많은 전기를 생산한다. 또한 이산화탄소와 황산가스, 질산가스 등 유해물질 배출이 적은 고효율·친환경 첨단 발전설비다.

석탄화력 발전시장이 점차 대형화·고효율화 되는 추세와 함께 세계 대부분 국가들은 환경 규제를 강화하고 이산화탄소 배출을 줄이기 위한 노력을 하고 있다. 때문에 1,000MW 초초임계압 화력발전소는 더욱 각광받을 것으로 보인다.

초초임계압발전소는 터빈에 유입되는 증기 압력이 246kg/cm² 이상이고 증기온도가 593℃ 이상인 발전소를 말한다. 이 기술은 증기 압력과 온도가 높을수록 발전 효율이 높아져 연료소비를 줄일 수 있는 최신 기술이다.

독일·일본 등 세계 각국에서 초초임계압 기술 개발
신보령화력 1·2호기, 내년 준공 목표로 건설 중

증기온도 10℃ 상승시 발전 효율 0.5% 상승
화력발전소는 보일러에서 물을 끓여 만들어진 증기를 이용해 터빈발전기를 돌림으로써 전기를 생산하는 중요한 산업시설이다.

화력발전소는 ▲아임계압 ▲초임계압 ▲초초임계압으로 분류된다. 일반적으로 물은 대기압 100℃에서 끓지만 물의 압력을 높이면 끓는 온도는 높아지게 된다.

임계점(압력 225.6kg/cm², 온도 374℃)이라 부르는 일정지점에 이르면 증발 잠열 없이 증기로 변하게 되며 연료 사용량을 줄이는 효과를 보게 된다.

한편 사용압력에 따라 증기 압력이 임계점 이하인 아임계압, 그리고 임계점 이상인 초임계압 보일러로 구분된다. 아임계압의 경우 1980년대 보령, 삼천포 1·2호기 등에 건설됐으며 아직까지 전 세계 석탄화력발전소의 약 2/3가 효율이 낮은 아임계압 발전소다.

1990년대 국내에서는 이런 임계점보다 높은 증기온도와 압력 하에서 운전되는 초임계압 기술이 일반화 됐다. 보령화력 3~6호기를 비롯해 태안화력, 당진화력, 하동화력 등 많은 초임계압 석탄화력발전소들이 건설됐다.

또한 발전 효율이 높으면 연료 사용량이 감소하고 온실가스 배출을 줄이는 등 많은 이점이 있다. 이와 관련해 각 발전소에서는 효율을 높이기 위해 다양한 노력이 있었다.

효율을 높이는 데 가장 효과적인 방법은 증기온도와 압력을 높이는 것인데 통상 증기온도가 10℃ 상승할 때 0.5%, 압력 10bar 상승할 때 0.2%의 효율이 상승한다.

하지만 금속소재 기술 및 관련기술의 발전이 수반돼야 함에 따라 1990년대까지는 증기압력 245kg/cm², 증기온도 538℃의 초임계압 기술이 일반적으로 적용됐다.

국내 초초임계압, 2002년부터 기술개발 시작
온실효과 및 환경관련 이슈로 인해 발전소 효율을 더욱 높여야한다는 필요성이 제기된 바 있다.

이에 따라 세계 각국에서는 초임계압발전소보다 더욱 증기조건이 엄격한 초초임계압 기술이 개발됐으며 독일, 일본 등에서는 2000년 초중반 초초임계압 기술이 상용화됐다. 우리나라는 2000년 초반부터 관련기술 개발이 시작됐다.

국내 초초임계압 발전기술은 2002년부터 정부 주도로 산업계·학계를 포함한 기술개발이 시작됐다. 1차 기술개발이 2008년 종료되면서 실증화 사업이 신보령화력 1·2호기에 적용돼 2011년 건설사업이 시작됐다.

국내에 초초임계압 기술을 적용해 건설 중인 발전소는 ▲신보령화력 1·2호기 ▲태안화력 9·10호기 ▲당진화력 9·10호기 등이 있다.

국내 타 프로젝트 대비 석탄절감 등 기대
한국중부발전 신보령화력 1·2호기 건설공사는 2011년 11월 착공해 2017년 6월 준공 예정이다.

66개월의 건설공기와 총 사업비 약 2조8,000억원에 이르는 초대형 1,000MW급 석탄화력 건설 프로젝트로, 현재 보령시 주교면 일원에서 진행 중에 있다.

주 설비는 최초 국내기술로 개발된 초초임계압 발전기술을 적용해 증기조건과 열 효율면에서 세계적인 우수성을 자랑한다. 동급 용량으로 건설 중인 국내 타 프로젝트 대비 연간 약 7만톤의 석탄절감 및 연료비 약 74억원의 절감효과가 예상되고 있다.

또한 발전소 운영비의 많은 부분을 차지하는 연료비 절감을 위해 보일러 노 크기를 크게 함으로써 저열량탄부터 고열량탄까지 다양하게 연소할 수 있도록 설계됐다.

보일러 튜브의 경우 최신 소재의 고온·고압 내열 합금강을 사용해 발전소 고장정지를 최소화할 수 있도록 설계됐다.

한편 최근 이슈가 되고 있는 미세먼지 감축에 선제적으로 대응하기 위해 총 건설비의 약 1/3이상(약 1조원)이 신보령화력 1·2호기 환경설비에 투입됐다.

중부발전은 배출가스 중 미세한 먼지를 제거하는 ▲전기집진기(효율 99.9%) ▲탈황(효율 95.5%)·탈질설비 ▲폐수처리설비를 설치해 오염물질 배출을 최소화할 방침이다.

이와 함께 원격모니터링을 통해 배출상황을 실시간으로 감시하는 등 지속적으로 대기 상태를 관리할 예정이다.

이외에도 석탄저장고를 옥내형으로 실내화 한 가운데 운송 계통(하역·저탄)도 밀폐구조로 설치해 전혀 분진이 발생하지 않도록 하는 등 발전소로 인한 민원과 혐오감을 해소하기 위해 집중하고 있다.