1. 서 론

한국가스공사는 해외 생산국으로부터 천연가스를 도입하여 생산기지에 보관하였다가 기화하여 전국 약 5,000km의 주배관망을 통해 각 지점의 정압기지로 송출한다. 생산기지에서는 장거리 수송이 가능하도록 기화된 고압의 천연가스를 송출하며 각 지역의 정압기지에서는 수요처의(도시가스사, 발전소 등) 요구에 맞춰 중·저압의 천연가스를 공급한다. 이때 정압기지에서는 고압의(약 60bar) 천연가스를 감압밸브를 통해 35bar ~ 8bar로 감압시켜 수요처로 송출하게 되는데 이 과정에서의 감압 에너지는 미활용 되고 있다. 터보팽창형 정압기는 정압기지의 천연가스 감압 과정에서 미활용 압력 에너지를 활용하여 전력을 생산하는 발전시스템이며 그림 1은 터보팽창형 정압설비의 원리이다^[1].

2020년 기준 한국가스공사 정압기지는 전국 약 150개소이며 대표적인 수요처는 발전소 및 도시가스사로, 송출되는 압력 및 용도에 따라 구분 된다. 발전소 공급을 위한 천연가스 정압기지에 터보팽창형 정압기를 설치할 경우 약 1.6MW 전력생산이 가능하며(송출 유량 50ton/hr, 압력 60bar에서 25bar로 감압) 도시가스사 공급을 위한 정압기지의 경우 약 3.8MW 의 발전이 가능하다.(송출 유량 50ton/hr, 압력 60bar에서 8bar로 감압) 기존 천연가스 정압기지 인프라를 활용하는 터보팽창형 정압기는 발전소 건설에 따른 추가 구축비용 및 민원발생 가능성이 상대적으로 적어 향후 분산형 전원으로 확대될 수 있을 것이라 판단되며, 신에너지로써 확대 적용이 필요하다^[2].

한국가스공사는 2018년부터 정압기지 운영 효율 향상과 분산형 전원 적용 가능성 확인을 위해 터보팽창형 정압기 국산화 개발을 시작하여 2023년 경기남부의 정압기지에서 시험 운영을 진행하고 있으며 현재 정압기지에서 운영 중인 터보팽창형 정압기의 최대 전력 생산량은 약 1,500kW이다.

그림 1. 터보팽창형 정압설비의 원리

Fig. 1. Principle of turbo expander generator

본 논문에서는 터보팽창형 정압기의 특징과 안전성 확보를 위한 성능평가 과정에 대해 설명 하고 향후 전력계통에 확대 적용 될 수 있도록 시험 결과를 제시 하고자 한다.

2. 천연가스 정압기지와 터보팽창형 정압기의 구성

앞서 언급한 바와 같이 천연가스 정압기지에서 터보 팽창형 정압기의 활용은 고압의 천연가스 압력 에너지를 회전 에너지로 전환, 발전기를 구동하여 전력을 생산하는 방식으로 정압기지에 적용되는 터보팽창형 정압기 구성은 그림 2와 같다.

그림 2. 천연가스 정압기지와 터보팽창형 정압기 구성

Fig. 2. Composition of natural gas constant pressure base and turbo expander type constant pressure device

정압기지 내 정압동의 구성은 기존 정압기와 터보팽창형 정압기를 병렬로 연결하는 구조로 고압의 천연가스를 먼저 터보팽창형 정압기로 흐르게 하고 기준 유량 약 28.8ton/hr 초과 시 병렬로 연결된 정압기로 우회 통과(by-pass) 되어 정압밸브(PCV)를 통해 감압되는 시스템이다. 또한 터보팽창형 정압기 고장 발생 시 전단의 차단밸브가 닫히고 병렬 연결된 정압기를 통해 감압 할 수 있는 긴급 차단 시스템을 구성하여 안전성을 확보하였다. 천연가스 감압과정에서는 온도보상이 필요한데 기존 정압밸브(PCV)의 감압과정(등엔탈피)의 경우 10bar 감압 시 4°C ~ 6°C 정도 내려가며 터보팽창기 감압과정(등엔트로피)에서는 10bar 감압 시 10°C ~ 20°C 내려간다^[1].

본 논문의 경우 수요처 가스공급 온도가 0°C 이상인 점을 감안하여 터보팽창형 정압기 전단에 열교환기를 추가 설치하여 가스 온도를 보상하였으며 시스템 구성은 그림 3과 같다. 이 때 소요되는 열량은 $\dot{Q=}\dot{m}\triangle h=\dot{m}c_{p}\triangle T$ 로 계산된다. 여기에서 m은 질량, Δh는 단위 질량당 엔탈피의 변화, Cp는 정압비열, ΔT는 시스템의 온도 변화량을 나타낸다.

그림 3. 터보팽창형 정압기의 온도보상

Fig. 3. Temperature compensation of turbo expander type constant pressure machine

3. 터보팽창형 정압기의 성능 평가

앞서 언급한 바와 같이 천연가스 정압기지의 운영 현황 및 설비 특성 검토를 바탕으로 기본 설계 및 상세 설계를 진행 하였고 다양한 개발 과정을 거쳐 터보팽창형 정압기 제작을 완료하였다. 이렇게 제작된 터보팽창형 정압기의 실증 운전을 위해 2년 동안 성능 평가 시험 및 인증 절차에 맞춰 관련 개발을 진행 하였으며 관련 시험 및 인증은 크게 공장시험(FAT, Factory Acceptance Test)과 현장시험(SAT, Site Acceptance Test)으로 구분된다. 공장시험을 통해 실증 현장 설치 전 설비의 성능 및 안전성을 검증하였고 현장시험에서는 현장 설치 후 상업운전 시 발생 될 수 있는 다양한 문제점을 보완하여 관련 기관의 검사를 통과 하였다.

3.1 터보팽창형 정압기의 공장시험(FAT, Factory Acceptance Test)

먼저 공장 시험은 크게 세 가지로 구분되어 실시하였다. 첫째 터보팽창형 정압기 기계적(구동부) 안전성 검증을 위한 작동성 시험(Mechanical Run Test)과 둘째 발전 및 정압 성능을 검증을 위한 성능 시험(Performance Test) 마지막으로 안전성 검증을 위한 기밀검사 및 안전 장치 작동 검사(Interlock test)이다. 터보팽창형 정압기의 공장 시험은 그림 4의 공장 검사용 시험설비에서 진행되었으며 KGS-FS452-PC15 (2020)와 ASME PTC-10 및 API 617등의 기준을 준수하여 시험을 진행하였다^[5].

그림 4. 공장 검사용 시험설비

Fig. 4. Test equipment for factory inspection

4. 결 론

본 논문에서는 기존 정압기지의 천연가스 감압과정에서 활용되지 못했던 미활용 압력에너지를 활용하여 전력을 생산하는 터보팽창형 정압기의 설계와 개발 과정에 대해 살펴보았으며, 상업운전 안정성 확보를 위한 공장 시험과 현장 시험 과정에 대해 면밀히 검토하였다. 공장시험을 통하여 현장 설치 전 터보팽창형 정압기의 성능 및 안전성을 검증하였으며 현장 시험에서는 현장 설치 후 상업운전 시 발생 될 수 있는 다양한 문제점을 보완하여 관련 기관의 검사를 통과 하였다.

터보팽창형 정압기는 기존 정압시설 인프라를 활용하는 발전시설로 석탄화력 발전 대비 온실가스 배출량이 적고 신규 발전소 건설에 따른 구축 비용 및 민원발생 가능성이 적어 향후 소규모 분산형 전원으로써 국가적으로 매우 유용한 에너지원이 될 것으로 확신한다. 본 수행결과를 바탕으로 탄소중립 사회 실현을 위한 신에너지원으로써 터보팽창형 정압기가 더욱 확대 될 필요가 있다고 판단된다. 향후 분산전원 특별법 등 분산전원에 대한 역할이 더욱 커지고 이에 대한 보상방안 또는 시장이 개설된다면 터보팽창형 정압기의 설치는 더욱 활발해 질 것으로 기대된다. 대용량 또는 다수의 터보팽창형 정압기가 설치되는 환경에서 전력계통에 대한 기여 및 사회적 기여에 대한 연구를 지속적으로 수행할 계획이다.