석유화학

주입 가스 오염으로 인한 터보 기계 성능 저하

문제 구역

주입 가스가 액체 및 고체로 오염되어 있으면 터빈과 컴프레서 블레이드가 부식 및 침식되며 결과적으로 효율성과 사용 수명이 단축됩니다. 다음은 터빈 블레이드에서 발견되는 오염 유형의 예입니다.

일반적인 터보 기계 블레이드


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부식

부식이란 기계 구성요소 사이의 케미컬 반응 및
가스 스트림, 연료 시스템 또는 용수/증기 주입 시스템을 통해 가스 터빈에 들어올 수 있는 오염물질로 인한
소재 손실을 말합니다. 염소 및 산화황 등의 가스, 나트륨, 바나듐과 같은 엘리먼트, 소금, 무기산이
수분과 결합하여 부식을 일으키며, 특히

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침식

침식은 가스 스트림에 낀 고형 입자가 마찰을 일으켜 재질을 갉아 내는 현상입니다. 침식을 야기하는 입자는 대체로 지름이 10마이크론 이상입니다. 지름 5마이크론 ~ 10마이크론 사이의 입자는 파울링과 침식 사이의 전환 구역에 해당됩니다.

터빈과 컴프레서 블레이드의 침식에 대해서는 많은 연구가 이루어져 문서로 발표되었습니다.(1) 입자의 지름과 밀도, 흐름 전환 및 가스 속도가 늘어날수록, 블레이드의 크기가 작을수록 침식 피해도 커지는 것으로 알려져 있습니다. 터빈과 컴프레서 제조업체는 날개 뒷전의 두께를 늘리고 현장에서 재현 가능한 실드를 설치하며 향상된 합금을 사용하는 방식으로 침식을 최소화합니다. 그럼에도 불구하고 이들은 모두 단단한 입자의 터빈 진입을 막기 위해서는 주입구의 미세 여과를 권장합니다.

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파울링

파울링은 입자나 액적이 터보기계 날 표면에 부착되는 현상입니다. 이러한 현상으로 유량이 저하되고 단기간에 효율이 낮아집니다. 파울링은 일반적으로 세정을 통해 원상복구할 수 있으나 이를 위해서는 운전정지타임이 필요한 경우가 많습니다. 특히 끈적끈적한 탄화수소 에어로졸이 도처에 존재하는 오일 가스 산업에서 파울링은 심각한 문제입니다. 지금까지는 터빈 설계 시 입자 함유 가스 스트림의 침전 성향을 견뎌내기 위한 대책은 고려되지 않았습니다. 일부 터빈 블레이드에 대한 침전 궤도를 예상할 수는 있지만 실제 파울링은 주입 가스의 청정도에 따라 큰 차이를 보이며, 이러한 청정도는 제어되지 않을 경우 항시 달라집니다.

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블레이드 파울링 방식

터빈 내 입자 전달의 주요 방식은 관성 충돌, 난류 확산, 브라운 운동입니다.

그림 1: 블레이드의 오염물질


스테이터/로터

관성 충돌의 경우 흐름의 방향이 바뀌는 구역에서 입자의 관성으로 인해 궤도가 흐름에서 탈선하게 됩니다. 이때 입자가 블레이드 표면에 충돌합니다(그림 1). 이러한 방식으로 인한 질량 유속(도착일)은 입자 지름이 작을수록 줄어들며 1마이크론 미만 입자의 관성은 매우 작습니다.

난류 확산의 경우 입자가 난류 경계층의 소용돌이 안에 혼입되어 블레이드와 베인 표면으로 휩쓸려 갑니다. 작은 입자(0.1µm ~ 1.0µm)는 속도가 떨어지면서 경계층의 점성 인력에 갇히게 됩니다.

브라운 운동의 경우 아주 작은 입자(0.1µm 이하)는 무작위로 터빈 표면까지 이동됩니다. 입자(에어로졸) 크기와 밀도가 낮아지면 브라운 운동으로 인해 침전율이 높아집니다.

온도 기울기(열 이동)로 인해 터빈 블레이드에 아주 작은 입자(0.01µm ~ 0.1µm)가 침전되는 형태도 있으나 이는 저온 어플리케이션에서는 보통 무시할 수 있는 정도입니다. 이는 오일 가스 산업에서 흔히 나타나는 현상입니다.

입자와 액적이 가스 스트림에 넓게(0.1µm ~ 10µm) 퍼져있기 때문에 위 방식 거의 대부분이 터빈 블레이드의 파울링에 작용합니다.(2)

낮은 용융점 공융혼합물의 형성은 유체 촉매 분해 장치에 사용되는 전력 회수 고온 가스 확대장치에서 중요한 파울링 방식입니다.(3)

그림 2: 컴프레서 파울링과 가스 터빈 성능에 미치는 영향(3 참조)


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터빈 출력 저하

침전의 주요한 악영향은 베인의 목과 블레이드 통로에서 흐름이 막히는 현상입니다.(4) 터빈 노즐을 통과하는 가스 유량이 이처럼 낮아지면 결과적으로 가스 터빈의 출력이 손실됩니다. 그림 2는 일반 가스 터빈 효율과 출력에 대한 파울링의 영향을 보여 줍니다. 출력 손실을 보상하기 위해 터빈이 연료를 추가로 소모하므로 그림 2에서 보는 바와 같이 착화 온도가 높아지고 불필요한 열 소비율이 높아집니다.

전력 손실률이 10%에 이르면 터빈을 정지하고 세정 작업을 수행하는 것이 관행입니다. 이러한 다운타임은 자주 발생할 수 있으며 그 비용도 엄청납니다. 그림 3은 주 작업자와 두 곳의 주요 터빈 제조업체가 수행한 현장 연구에 바탕을 둔 것으로 터빈 파울링에 대한 흥미로운 정보를 보여줍니다.(5) 연소 터빈은 단일 샤프트 기계로,출력은 약 50MW, 압력 비율은 약 10:1, 주입구 온도는 871°C(1,600°F)입니다.

그림 3: 압력 비율이 10:1인 터빈의 침전으로 인한 출력 저하(2 참조)

이 그래프(그림 3)는 출력 손실이 주입 가스 오염도와 비례한다는 것을 분명히 보여 줍니다. 가스 오염도가 549ppm인 경우 출력이 90%로 떨어지는 데 가동 시간이 단 20시간 밖에 걸리지 않습니다. 중간 정도의 오염(58ppm)에서는 250시간 후에 10% 손실이 발생했습니다. 90% ~ 100% 범위에서는 출력 유지를 위해 세정 작업이 필요했습니다. 과립 필터(19.5ppm)로 가스를 추가 세정한 경우 10% 출력 손실이 540시간 지연되었습니다.

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주입 가스 여과

최근 가스에서 고체 입자와 유착 에어로졸을 여과하는 방식이 발전되면서 터빈 주입 가스를 경제적으로 여과하여 함량을 0.01ppm 이하로 낮추고 입자 크기는 0.3µm으로 줄일 수 있게 되었습니다. 이를 통해 침식 위험이 완전히 방지됩니다. 10% 출력 손실을 가동 시간 20,000시간 이후로 제한하도록 파울링을 제어할 수 있으며 이는 일반적인 공장 정지 한도를 넘어서는 것입니다. 이 수치는 그림 3의 오른쪽 상단 선에서 추정할 수 있습니다.
부식 제어와 관계 없이 입자 필터와 액체 가스 코어레서는 기계적인 격막이므로 연료 가스의 부식성 증기와 가스를 분리하지 못합니다. 그러나 대부분의 부식성 소금은 액체 에어로졸로 용해되어 전달됩니다. 대부분의 에어로졸은 0.1µm ~ 0.6µm 사이이며 미세한 액체/가스 코어레서로 상당 부분 제거할 수 있습니다. 이를 통해 미세 여과 덕분에 부식을 완전히 제거하지는 못하지만 줄일 수 있습니다.

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해결책

청정 연료로 작동되는 가스 터빈의 일반적인 블레이드 설계 수명은 45,000시간이 넘으며 주요 정밀검사 주기는 최소 25,000시간입니다.(4) 이는 일련의 효율적인 하이드로사이클론과 과립형 베드 필터로 달성할 수 있으나 이때 베드 필터가 미디어 다운스트림을 통과시키지 않아야 합니다. 실제로 미디어 필터는 파울링을 줄이는 데 도움이 될 수 있으나 다운스트림 과정에서 떨어져 나오는 모래 입자가 미디어가 필터를 통과하여 이동하는 과정에서 침식 발생률이 높아질 수 있습니다.

Pall은 컴프레서와 터빈의 효율 손실을 방지하기 위한 1단계 액체/가스 코어레서를 제공합니다. This coalescer rated at 0.3µm (99.98% efficient by aerosols count method)(6) will consistently give an effluent of less than 0.01 ppm (liquids and solids). 이를 통해 터빈 출력 손실이 가동 시간 25,000시간 이상에서 10% 미만으로 제한됩니다. 결과적으로 침식과 파울링으로 인한 블레이드 개량 작업의 필요성은 제조업체의 예상 기간(예: 25,000시간) 중에 발생하지 않습니다.

FCC 장치 전력 회수 트레인에 사용되는 고온 가스 확대장치의 경우 Pall은 다공성 스테인리스강 역류 필터를 권장합니다. 1µm 절대 등급의 필터 엘리먼트는 케이크 형성으로 인해 더 미세한 여과 효과를 제공합니다. 제거 효율은 중량 99.9%를 초과합니다.

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참고문헌

  1. M. Menguturk, D. Gunes, M. Erten, E.F. Sverdrup, "Multistage Turbine Erosion", ASME Paper 86-GT-238, ASME 국제 가스 터빈 컨퍼런스 및 전시회(서독 뒤셀도르프)에서 발표, 1986년 6월 8일 ~ 12일
  2. R.A. Wenglarz, "An Assessment of Deposition in PFBC Power Plant Turbines", Trans. ASME, J. of Eng., Power, 103권, 1981년 7월, 페이지 552 ~ 560
  3. D.H. Linden, "Catalyst Deposits in FCCU Power Recovery Systems Can Be Controlled", Oil and Gas Journal, 1986년 12월 15일
  4. M.K. Pulimood, "Field Experience with Gas Turbine Inlet Air Filtration", ASME Paper 81-GT-193, ASME 가스 터빈 컨퍼런스 제품 전시회에서 발표, 1981년 3월 9일 ~ 12일, 텍사스 주 휴스턴
  5. R.A. Wenglarz, "Rugged Turbines for PFBC Power Plants", 1982 AIAA/ASME 통합 유체, 플라즈마, 열물성학 및 열 전도 컨퍼런스에서 발표, 미주리 주 세인트루이스, 1982년 6월 7일 ~ 11일
  6. K. Williamson, S. Tousi, R. Hashemi, "Recent Development in Performance of Gas/Liquid Coalescers", 미국여과협회 1차 연례총회에서 발표, 메릴랜드 주 오션시티, 1988년 3월 21일 ~ 25일

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