AD700

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AD700 기술 이니셔티브는 1990년대 초 분쇄된 연료 보일러에서 최대 700 °C(1,292 °F) 이상에서 주 온도를 올리고 증기 온도를 재가열할 수 있는 다양한 첨단 소재를 개발하자는 아이디어에서 시작되었다.^[1]

주요 기능 및 이점

• 플랜트 효율성 향상으로 연료 비용 절감
• CO
  ₂ 배출량 대폭 감소
• 기존 미임계 플랜트와 비교할 수 있는 뛰어난 가용성
• 뛰어난 부품 부하 효율성과 유연성
• NO
  _x, SO
  _x 및 미립자 배출 감소 - 교토 조약에서^[2] 이루어진 배출 감소에 대한 유럽의 약속을 지지함
• 바이오매스 공동 발화와의 호환성
• CO
  ₂ 캡처 기술 옵션과 완벽하게 통합 가능.

연구 개발 프로그램

1998년 초 개념적 타당성 조사로 시작된 6단계 노력의 일환으로 주요 R 및 D 프로그램이 수립되었다.아래 표는 6단계의 분석을 보여준다.

AD700 기술의 성공적인 개발의 열쇠는 고온 재료라는 것을 인정받았다.재료 시험, 유효성 검사 및 자격 검증에 필요한 기간이 길어져 개념 타당성 조사(1A 단계)와 재료 속성 요건 조사(1B 단계)로 구성된 1단계 프로그램을 시작했다.

이 프로그램의 1단계는 10개의 유럽 발전기, 발전소 장비 제조업체, 그리고 자재 공급 업체에서 40명의 참가자를 끌어 모았다.그 프로그램은 산업 중심이었고 유럽 위원회의 자금 지원을 받았다.

1A단계가 거의 완료된 후, 2단계는 2001년에 유럽 전역에서 34명이 참가하여 시작되었다.2A단계는 여러 가지 보일러 설계 개념을 제시하는 데 초점을 맞췄으며, 2B단계는 새로운 고온 재료에 대한 실험실 시험과 평가를 계속하였다.2004년까지, COMTES 700이라는 제목의 3단계는 상업적 규모의 주요 발전소 구성품에 대한 시범적 규모의 시험을 목표로 진행 중이었다.

본격적인 실증공장에 대한 4단계 사전공학 연구는 2006년 가을로 예정되어 있었다.

보일러 재료

AD700 프로그램은 배관 및 슈퍼히터 튜브 모두에 적용하기 위한 고온 고체-솔루션 니켈 합금(Aloy 617) 개발을 목표로 진행 중인 연구개발 프로그램과 병행하여 강수 경화 니켈 합금(Aloy 263 및 합금 740)을 조사했다.

집합적으로, 이 세 개의 합금으로 이루어진 그룹은 보일러 설계자에게 다양한 새로운 가능성을 제공한다.당시 합금 617은 강수 경화 열처리를 필요로 하지 않아 가장 쉽게 가공할 수 있는 것으로 간주되었고, 강수 합금 263과 740은 각각 우수한 크리프와 부식 저항성을 제공한다.

그러나 니켈의 고비용은 튜브에서의 광범위한 사용을 금지하고 있어, 보일러 재료 프로그램 또한 700 °C에서 10만 시간 가동을 한 후 평균 응력파열 특성 100 MPa의 고온 오스테나이트 강철 개발에 착수했다.개발된 오스테나이트 물질인 산니크로 25는 상업적인 양으로 성공적으로 생산되었고 3단계 프로그램의 일환으로 광범위한 테스트를 거쳤다.

터빈재료

보일러 재료 그룹과 마찬가지로 증기 터빈 재료 그룹의 목적은 다음과 같다.

• 적절한 고온 합금을 식별하다
• 프로토타입 제조 및 용접 시연
• 특성 및 허용 응력을 정의하다

조사된 합금의 대부분은 이전에 항공우주 및 가스 터빈과 같은 다른 산업 분야에서 사용되었지만 AD700 기술 적용의 추가 개발이 필요했다.니켈 기반 합금 617과 625는 많은 터빈 구성 요소의 주요 후보였으며 크리프, 크리프/피로 균열 성장, 주조, 단면 및 용접에 대한 저주기 피로 측면에서 그 특성화가 성공적으로 완료되었다.

재료 시험을 위한 후보 합금 시험 시료는 굿윈 스틸 캐스팅이 합금 263, 617, 625 및 155로 생산했다.

합금 617 주조에 대한 어려움으로 인해 대부분의 노력이 합금 625 주조에 집중되었다.선택 기간을 거친 후, 두 개의 본격적인 실증 밸브가 생산되었다.

617과 합금 625는 모두 성공적으로 단조에 성공했으며 HP와 IP 로터 단면에 적합한 것으로 간주되었다.용접 로터 제조는 AD700 터빈 기술의 핵심 특징이 될 것이다.시제품 조인트는 니켈 기반 합금에 10% 크롬 강철을 용접하여 성공적으로 제조되었다.이동형 및 정지형 터빈 블레이드 생산은 가공 및 인베스트먼트 주조 제조 방법 모두에 의해 탐구되었다.볼트 재료가 식별되고 특성화되었다.고체 입자 침식은 터빈 날개의 알려진 잠재적 문제이며 보호 코팅의 적용도 입증되었다.

보일러 및 터빈 설계

보일러 설계 활동에서는, 2개의 새로운 배치를 이용하여 주탑의 단축과 증기선을 재가열하는 것을 고려함으로써 잠재적 비용 절감 효과를 확인하였다.첫째, 1차 타워에서 발화가 일어나 고온 연소 가스가 2차 타워로 내려가고 2차 타워로 이동하는 트윈 타워 또는 역 2-패스 보일러 설계를 고려했다.최종 슈퍼히터 및 리히터는 두 번째 타워 하단에 배치되며 출구 모관은 터빈에 가깝게 위치한다.이 배치는 보일러와 증기선 사이의 열 이동을 최소화하여 400 MW 기준 발전소의 각 끈에 대해 증기 배관 길이를 25 m와 30 m로 크게 줄였다.대안으로 보일러 위에 배출구 헤더를 얹어 설계한 수평보일러 개념을 고려했다.낮은 높이의 보일러 설계 배치는 400 MW 기준 발전소의 각 끈에 대해 증기선을 약 35 m에서 40 m로 유사한 단축을 초래했다.

보일러 배치가 다른 보일러 개념(타워형, 투패스형, 역트윈타워, 수평로형)과 출력 차이(400MWe망, 총 1,000MWe), 공정주기 차이(단일 재가열, 이중재열)와 화재시스템 차이(접전식, 벽식 발화 반대)가 총 10건 조사되었다.터빈 설계는 높은 수준의 신뢰성을 보장하기 위해 비교적 전통적인 터빈 구조에 기초한다.니켈 합금 부품의 사용을 최소화하고, 비용을 절감하며, 제한된 공급 용량을 수용하기 위해, 새로운 터빈 설계는 용접 로터와 주조물을 통합할 것이며, 니켈 합금은 최고 온도 영역에만 제한될 것이다.

3단계 - COMTES 700

AD700 프로그램의 현재 단계인 COMTES 700은 저렴한 비용으로 발전소 구성요소를 시험할 수 있는 부품시험설비(CTF)에 대한 일반적인 기술 개념이다.

2003년에 시작된 COMTES 700은 AD700 프로그램의 3단계를 대표하며, 재료, 자금 조달 가능성 및 정치적 제약에 대한 종합적인 시험 프로그램의 요건에 대한 공급업체와 발전기 그룹 간의 합의다.프로젝트의 전체적인 목표는 다음의 발전소 구성품을 시험할 수 있는 설비의 설계, 제조, 설치 및 운영이었다.

위 이미지는 독일 겔센키르헨(Gelsenkirchen)에 위치한 석탄화력발전소 숄벤 F에 설치된 CTF의 흐름도다.2,200 t/h의 증기 흐름은 676 MW의 순 출력 용량을 생산한다. CTF(12 kg/s)의 시험 목적을 위한 증기는 슈퍼히터의 입구 헤더(SH1)에서 채취하여 증발기 패널로 유도되며, 여기서 600 °C(1,112 °F)로 가열된다.수증기는 고압 바이패스 테스트 밸브에 들어가기 전에 705°C까지 시험 슈퍼히터 내에서 추가로 가열되거나 냉각되어 주 슈퍼히터 증기(SH 4)와 혼합된다.첫 번째 경우에는 고압 바이패스 시험밸브를 떠난 후 증기가 냉각되어 재히터(RH 1) 출구모관을 통과한다.

부품시험설비(굿윈합금 625밸브 포함)는 독일 겔센키르헨(Gelsenkirchen)에 위치한 석탄화력발전소 '스콜벤 F'에 설치된다.밸브 주조는 705 °C(1,301 °F)에서 가동되고 있으며, 2009년에는 2만 시간 가동 후 성능 점검을 위해 오프라인으로 전환되었다.

핵심 부품의 확장 시험은 성능 데이터(제조, 벤딩 및 용접)가 T24, HCm12, TP310 N, HR3c, 합금 714, 합금 617 및 합금 740을 포함한 다양한 고급 재료에 수집될 수 있도록 하기 위한 것이다.약 20,000시간의 시험 프로그램은 다음에 대한 데이터를 제공한다.

• 소내 모니터링
• 잔여 근무 수명의 결정 및 평가
• 현직 검사
• 튜브, 파이프 및 밸브에 대한 Ni 기반 합금의 작동 시험
• 내부 리프팅 튜브의 늑골 자석 층에 대한 정보 수집
• 모든 구성 요소의 작동 동작 평가
• 재료의 연도 가스 부식 및 증기 산화 거동의 결정
• 그을음 분사로 인한 침식 효과 파악

CTF 연산의 테스트 결과를 평가한다.

COMTES 700 프로젝트의 원동력은 EMAX 발전소 이니셔티브로 알려진 유럽의 발전기 그룹이었다.이 그룹으로부터 상당한 재정적 기여를 받아 사업을 지원하기 위한 컨소시엄이 구성되었다.이 컨소시엄의 구성원은 EDF(프랑스), 일렉트라벨(벨기에), 엘삼(덴마크), 엔BW(독일), PPC(그리스), RWE(독일), 바텐폴(스웨덴/독일) 등이다.이 프로젝트는 COMTES700 파트너 컨소시엄이 주도하고 VGB가 공동주문한다.

프로젝트 참가자

AD700 프로그램은 전체적으로 유럽 전역에서 수많은 참가자들을 참여시켰다.여기에는 발전소 장비 공급과 개발을 전문으로 하는 회사, 재료시험기관, 주요 전력회사 등이 포함된다.

참가자

AD700 프로그램 2단계 프로젝트 참여자는 다음과 같다.

• 기술 A/s
• 알스톰 (스위스랜드) 주식회사
• ALS톰 파워보일러 Gmbh
• 알스톰 파워 주식회사
• 알스톰 파워
• 안살도 칼다이
• 안살도 리케르체
• 밥콕히타치유럽gmbh
• BOHLER Edelstahl GmbH & Co KG
• 버마이스터 & 웨인 에너지 A/S
• 센트로 스빌루포 마테라티 S.P.A.
• CESI 스파
• Doncasters FVC Ltd.
• EDF 연구개발
• EDF-SETEEN
• 아인트호벤 공과대학교
• ENEA CRF
• 에네르기 E2 A/S
• EPPSA
• 포툼 파워와 히트 오이
• 굿윈 스틸 캐스팅 주식회사
• GRUPO EDP - 포르투갈 전기자극
• 홀터 레겔라마처린 Gmb & Co KG
• KEMA Nederland B.v
• 미쓰이밥콕 에너지 유한회사
• RWE 파워 AG
• 사르슈미데 Gmbh
• 셈펠 AG
• 지멘스 악티엔젤샤프트
• 테크니프 독일 Gmbh
• VGB PowerTech e.V.
• VOEST-ALPine GIESSEREI LINZ Gmbh
• VOEST-APLINE GIESSEREI TRAIEN GmbH.

결론들

700 °C의 증기 발전소를 바이오매스와 결합하여 운영할 수 있는 개발로 현재 가동 중인 첨단 USC 발전소와 비교해 CO
₂ 배출량이 약 40% 감소할 수 있을 것이다.이를 통해 복합 석탄 바이오매스 연소 700 °C 발전소의 배출량이 가스 연소식 복합 사이클 발전소 수치와 거의 근접하게 된다.700 °C 증기 발전소는 세계에서 가장 신뢰할 수 있는 에너지원인 석탄을 기반으로 한 이산화탄소 배출량을
₂ 최소화한 유연한 기술을 제공한다.또한 예측 불가능한 재생 에너지 입력량이 많은 그리드를 안정화하기 위해 요구되는 생산 유연성을 제공한다.700 °C 증기 발전소의 기술적 실현은 첨단 페리틱스, 오스테나틱 및 니 기반 합금의 성공적인 개발과 검증에 달려 있다.오스테나이트와 니에 기반한 합금에 관해서, 유망한 결과가 달성되었다.700 °C 증기 발전소 실현을 위한 경제 기준은 현실적인 예산 가격이다.값비싼 니 기반 합금을 대량으로 소비하는 것은 이러한 측면에서 상당한 영향을 미치고, 최대 650 °C의 온도에서 사용될 개선된 철강의 성공적인 개발은 상황을 개선할 것이다.^[3]

참조