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‘기계공학의 꽃’ 발전용 가스터빈 대한민국 최초 독자모델 완성

두산중공업, 첨단 기계공학 집약 발전용 대형 가스터빈 6년 만에 완성 앞둬

‘기계공학의 꽃’ 발전용 가스터빈  대한민국 최초 독자모델 완성
두산중공업 직원들이 발전용 대형 가스터빈의 최종조립 작업을 진행하고 있다.
[산업일보]

총 연구개발비 1조원을 투자, 첨단 기계공학을 집약한 대한민국 최초의 발전용 대형 가스터빈 독자모델 완성이 눈 앞에 와 있다.

두산중공업은 산업통상자원부와 한국에너지기술평가원의 지원을 받아 국책과제로 개발 중인 ‘발전용 대형 가스터빈’ 초도품의 최종조립 행사를 창원 본사에서 가졌다고 19일 밝혔다.

현재 약 95% 수준 제조 공정율 보이고 있는 가운데, 연내 사내 성능시험에 돌입할 예정이다. 시험에 성공하면 한국은 미국, 독일, 일본, 이탈리아와 함께 발전용 대형 가스터빈 기술을 보유한 5개 국가에 이름을 올리게 된다.

두산중공업은 지난 2013년 정부가 추진한 한국형 표준 가스터빈 모델 개발 국책과제에 주도적으로 참여했다. 그 동안 해외 제품에 의존했던 발전용 가스터빈의 국산화를 목적으로 실시한 과제다.

정부가 약 600억 원을 투자했고 두산중공업도 자체적으로 총 1조원 규모의 연구개발비를 투자 중이다. 이번 국책과제에는 두산중공업과 함께 21개의 국내 대학, 4개의 정부 출연연구소, 13개의 중소/중견기업과 발전사가 함께 참여하고 있어 산·학·연 협력을 통한 기술개발의 성공사례로 평가 받고 있다.

항공 제트엔진보다 높은 기술력 요구
두산중공업이 개발한 DGT6-300H S1 모델은 출력 270MW, 복합발전효율 60% 이상의 대용량, 고효율 가스터빈이다. 부품 수만 4만여 개에 이른다. 가스터빈 내부에 450개가 넘는 블레이드(날개)가 있는데 블레이드 1개 가격이 중형차 1대 가격과 맞먹는다. 가스발전(LNG)의 초미세먼지(PM 2.5) 배출은 석탄발전의 8분의 1, 직접 배출되는 황산화물, 질소산화물 등의 대기오염물질은 석탄발전의 3분의 1 이하 수준으로 친환경 운전이 가능하다.

발전용 가스터빈은 ‘기계공학의 꽃’이라 불릴 정도로 여러 분야에서 고도의 기술을 필요로 한다. 최신 가스터빈의 경우 핵심 기술은 ▲1500℃ 이상의 가혹한 운전조건에서 지속적으로 견디는 ‘초내열 합금 소재 기술’ ▲복잡한 형상의 고온용 부품을 구현하는 ‘정밀 주조 기술’ ▲대량의 공기를 24:1(최신 압축기 모델 기준)까지 압축하는 ‘축류형 압축기 기술’ ▲배출가스를 최소화하는 ‘연소기 기술’ ▲압축기/연소기/터빈의 핵심 구성품을 조합시키는 ‘시스템 인테그레이션 기술’이 조화된 최고 난이도 기계기술의 복합체다.

두산중공업 기술연구원 이종욱 박사(상무)는 “발전용 가스터빈은 항공기 제트엔진을 모태로 출발했지만 시장의 요구에 따라 급격한 기술발전을 이뤄냈다”며 “1천500℃가 넘는 고온에서 안정성과 내구성을 보증하는 첨단소재 기술 등 이번에 개발한 270MW 모델에 적용한 일부 기술은 항공용 제트엔진의 기술력을 넘어섰다”고 말했다.

이번에 공개한 국책과제 모델은 한국서부발전이 추진하고 있는 500MW급 김포열병합발전소에 공급돼 2023년부터 상업운전에 돌입할 예정이다. 두산중공업은 이 모델 외에도 시장 변화를 선제적으로 반영한 최신 사양의 후속 가스터빈 모델(380MW급), 신재생 발전의 단점으로 꼽히는 간헐성을 보완하기 위한 100MW급 중형 모델 개발도 함께 추진하고 있다.

2030년까지 약 10조원 수입대체 효과 기대
현재 국내 발전소에서 운영되고 있는 가스터빈은 총 149기로 전량 해외 기업 제품이다. 가스터빈 구매비용 약 8.1조원에 유지보수, 부대 및 기타비용 약 4.2조원을 고려하면 약 12.3조원에 이른다. 2017년 말 발표된 8차전력수급기본계획과 노후 복합발전소, 석탄발전소 리파워링을 고려하면 가스터빈이 필요한 신규 복합발전소는 2030년까지 약 18GW 규모로 건설될 전망이다.

18GW 복합발전소 증설에 국내산 가스터빈을 사용할 경우 약 10조원의 수입대체 효과가 기대된다(kW당 USD480. 1USD=1150원 기준). 여기에 유지보수, 부품교체 등 서비스사업과 해외시장진출까지 고려하면 그 파급효과는 훨씬 커진다.

미국의 IHS 케임브리지에너지연구소(CERA)는 전 세계적으로 2018년부터 2028년까지 총 432GW의 가스발전이 신규 설치될 것으로 전망했다. 두산중공업은 국내외 적극적인 수주활동을 통해 2026년까지 가스터빈 사업을 연 매출 3조원, 연 3만 명 이상의 고용유발효과를 창출하는 주요사업으로 육성해나갈 계획이다.

가스터빈 서비스 시장 공략 '가자~'
두산중공업은 가스터빈을 회사의 주력 사업으로 키우고자 꾸준한 노력을 기울였다. 창원 본사는 물론 미국 플로리다, 스위스 바덴에 발전용 대형 가스터빈 개발을 위한 별도의 R&D센터를 설립했다. 또한 1천억 원 이상을 투자해 창원 본사에 정격부하(Full Speed Full Load) 시험장을 준공했다. 이 곳에서 3천 개 이상의 센서를 통해 가스터빈의 진동, 응력, 압력, 유체와 금속의 온도를 모니터링 하는 등 종합적인 성능시험을 진행할 수 있다.

두산중공업은 가스터빈 서비스 시장 공략도 일찌감치 준비하고 있다. 가스터빈 제조사들은 기기 공급뿐만 아니라 공급 후 유지보수, 부품교체 등의 서비스 사업을 통해 지속적인 수익을 창출하고 있다. 두산중공업은 2017년 미국에서 가스터빈 핵심부품에 대한 정비, 부품교체, 성능개선 등 서비스 사업을 운영하는 DTS(Doosan Turbomachinery Services)를 인수했다. DTS는 현재 국내 상업운전중인 대부분 가스터빈 모델에 서비스를 제공할 수 있는 기술력을 보유하고 있다.

박지원 두산중공업 회장은 “격변하는 시장환경 속에서 사업 포트폴리오를 확대하고 다각화하는 노력을 펼쳐왔는데, 오랜 노력 끝에 발전용 가스터빈을 개발하게 됨으로써 매우 중대한 하나의 결실을 맺었다”면서 “지속적인 변화와 혁신을 통해 다른 분야에서도 의미 있는 성과를 내놓을 것”이라고 말했다. 이어 “이번 가스터빈 개발은, 국내 230여 개 중소/중견기업이 참여하는 산업 생태계 구축으로 이어진다는 점에서도 의의가 크다”고 덧붙였다.

발전용 가스터빈이란
발전용 가스터빈은 압축된 공기와 연료(국내는 통상 LNG 사용)를 혼합/연소시켜 발생하는 고온/고압의 연소가스[thermal energy]를 터빈의 블레이드를 통해 회전력[mechanical energy]으로 전환시키고, 이때 터빈에 연결된 발전기를 통해 최종적으로 전기에너지[electric energy]를 생성하는 내연기관이다. 가스터빈은 최첨단 기계기술로 통칭되는 항공기 제트 엔진과 동일한 기술을 기반으로 하다. 발전용 가스터빈은 터빈에서 생성된 회전력으로 발전기를 구동하고, 제트 엔진은 추진력으로 활용하는 차이가 있다.
‘기계공학의 꽃’ 발전용 가스터빈  대한민국 최초 독자모델 완성
가스터빈의 핵심 구성품인 로터 조립체

발전용 가스터빈은 전 세계적으로도 미국, 독일, 일본, 이탈리아 정도만 기술을 보유하고 있으며, 이들 국가는 핵심적인 국가 전략상품으로 기술유출을 극도로 제한하고 있다. 일례로, 국내 발전소에서 가스터빈 보수작업시 해외 메이커에서는 국내 발전소 고객사 마저도 작업상황을 볼 수 없도록 차단막을 치고 작업을 할 정도다. 산업용 가스터빈은 통상 5~20MW급을 소형, 30~150MW급을 중형, 150~300MW급을 대형, 300MW급 이상을 초대형 가스터빈으로 구분하고, 가스터빈에 적용된 기술의 수준이나 터빈 입구온도에 따라 D급~H급으로 분류하고 있다.

가스터빈 기술은 왜 기술 난이도가 높은가
발전용 가스터빈은 ‘기계공학의 꽃’이라 불릴 정도로 여러 분야에서 고도의 기술을 필요로 하다. 최신 가스터빈의 경우 핵심 기술은 1천500도 이상의 가혹한 운전조건에서 지속적으로 견디는 초내열 합금 소재 기술, 복잡한 형상의 고온부품을 구현하는 정밀 주조 기술, 대량의 공기를 24:1(최신 압축기 모델 기준)까지 압축하는 축류형 압축기 기술, 배출가스[NOx, CO]를 최소화하는 연소기 기술, 압축기/연소기/터빈의 핵심 구성품을 조합시키는 시스템 인테그레이션 기술이 조화된 최고 난이도 기계기술의 복합체이다. 세계적으로도 이 기술을 보유한 회사는 제트기 엔진 3대 메이커 (GE, 롤스로이스, P&W)와 발전용 가스터빈 메이커 (일본 MHPS, 미국 GE, 독일 지멘스)로 매우 제한적이다.

발전용 가스터빈 사업의 시장전망은
전 세계적으로 환경과 안전에 대한 중요성이 부각되며 현재 석탄화력 등 전통방식의 fuel에서 신재생에너지로 주요 fuel이 전환하고 있는 추세다. 그 과정에서 신재생에너지의 단점으로 꼽히는 간헐성은 물론 석탄의 환경이슈 등을 극복할 수 있는 fuel로 가스발전이 각광받고 있다.
IHS 케임브리지에너지연구소(CERA) 2018에 따르면 전세계 가스발전 시장은 2018년 1천757GW→2023년 1천976GW→2028년 2천189GW으로 매년 40GW 이상이 추가 설치될 것으로 전망된다. 국내 발전시장도 복합화력 및 열병합발전이 확대될 것으로 보이다. 2017년 말 발표된 8차전력수급기본계획과 노후 복합발전소 및 석탄발전소 리파워링을 고려하면 2030년까지 약 18GW의 신규 복합발전소 건설이 전망된다.

두산중공업 가스터빈의 경쟁력 및 비전은
글로벌 가스터빈 시장은 GE, SIEMENS, MHPS 등 소수 가스터빈 OEM사들의 과점 상태로 발전사들은 후발주자에 대한 needs가 있다. 이번에 최종조립을 실시한 DGT6-300H S1 모델은 H급 270MW 모델로 경쟁사 제품과 마찬가지로 단순 효율 40%, 복합 효율 60%로 설계, 제작되고 있다. 현재 H+급의 DGT6-300H S2(380MW) 모델을 병행 개발 중이고, 신재생 발전 증가에 따른 간헐성 대응을 위한 전략 모델로 중형(100MW 모델)도 개발 검토 중이다. 두산중공업은 발전플랜트 전반에 걸쳐 기술과 실적을 보유한 회사로 국내외 주요 발주처들과 Network이 구축돼 있다.

가스터빈 사업은 안정적 운전을 위해 Aftermarket 서비스가 매우 중요하다. 두산중공업이 2017년 인수한 미국 DTS는 각종 가스터빈 모델에 대한 서비스 사업 역량이 있다. 두산중공업이 자체 보유한 가스터빈 설계, 제작 역량과 DTS 서비스 역량과의 시너지를 통해 그 동안 OEM사들이 독점하던 핵심부품 공급 및 포괄 정비가 가능하다.

가스터빈 사업은 신재생, 발전서비스 등과 함께 두산중공업의 중장기 신성장 동력 중 하나이다. 두산중공업은 발전용 가스터빈 사업을 오는 2026년까지 연매출 3조원 이상의 수출 산업으로 육성해 세계 가스터빈 시장 점유율 7% 달성을 목표로 하고 있다. 이를 통해 2026년 연평균 3만 명 이상의 고용효과(한국은행 산업연관표의 고용유발효과 8.3명/10억 원 적용)를 기대하고 있다.

이번에 개발한 가스터빈의 실증사업 계획은
현재 개발 중인 초도품의 자체 성능시험이 완료되면 서부발전의 김포열병합발전소(500MW)에서 실증을 수행할 예정이다. 이를 위해 서부발전과 주기기 계약을 앞두고 있다. 2021년 가스터빈 출하 및 설치, 시운전을 거쳐 2023년부터 상업운전을 실시할 예정이다.


가스터빈 산업에 늦게 뛰어든 일본은 실증사업을 활용해 단숨에 Global Player로 도약한 바 있다. 일본 MHPS사는 최신 M501J모델 개발 후, 일본 간사이 전력의 Himeji발전소에 6기 대량 공급을 하며 제품의 성능·품질을 조기에 안정화하고, 이를 바탕으로 전세계 시장에서 56기를 수주했다. 초도 개발한 최신 가스터빈으로 일본 내 가스터빈 산업을 구축했을 뿐만 아니라 글로벌 시장에서 GE등 경쟁사를 단숨에 따라 잡을 수 있었다. 미국의 GE도 7FA 초기 모델을 국내 서인천/신인천 복합화력에 16기 대량 공급했는데, 이를 바탕으로 전세계 시장에 진출해 900기 이상의 7FA계열 가스터빈을 판매했다.

우리나라도 두산중공업이 230여 개 중소/중견기업과 함께 개발중인 후속 모델(380MW급)에 대해 대량 제작 기회가 조기에 확보된다면 대한민국 가스터빈산업이 글로벌 강자로 자리매김하는 초석이 될 수 있다. 이를 위해 ‘대규모 한국형 표준 복합화력 실증 발전소’라는 정부의 정책적인 배려가 9차 전력수급기본계획에 반영되는 것이 중요하다.

가스터빈 개발을 통해 조성된 국내 산업 생태계 현황은
가스터빈 개발과제 참여업체 16개, 가공제관 54개, 소재 17개, 기자재 141개, 보조기기 10여 개 업체 등 약 230개 이상의 국내업체가 가스터빈 제작 Supply Chain으로 참여 중이다.

이번에 개발한 가스터빈의 국산화율은? 최근 일본의 화이트리스트 배제로 인한 영향은 없는지
현재 일부 전기제어센서를 제외하면 전부 국산화를 달성했다. 설계자립화 100%, 국산화율 90% 이상이다. 일부 고온부품을 일본에서 공급받고 있으나 발전 분야는 핵심 전략물자 대상에 해당되지 않아 현재로선 영향이 없다. 만약 추후 핵심 전략물자 대상에 변동이 생기더라도 일본 공급사가 ICP(내부 자율준수 규정) 등록을 하면 기존처럼 신속하게 수입 가능할 것으로 예상된다.

가스발전의 대기오염물질 배출 수준은
가스발전(LNG)은 황산화물 및 먼지를 거의 배출하지 않아, 석탄발전에 비해 초미세먼지(PM 2.5) 및 대기오염물질 배출이 적다. 산업부가 공개한 ‘발전원별 대기오염물질 비교’ 자료에 따르면 가스발전(LNG)의 초미세먼지(PM 2.5) 배출은 석탄발전의 1/8배, 직접 배출되는 황산화물, 질소산화물 등의 대기오염물질은 석탄발전의 1/3 이하 수준으로 나타났다.
김우겸 기자 kyeom@kidd.co.kr

국제산업부 김우겸 기자입니다. 독일과 미국 등지의 산업현안 이슈들을 정확하면서도 신속히 보도하겠습니다.

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