2015 한국유체기계학회 하계학술대회 논문집 원주 호텔인터불고, 2015. 6. 22~24
초임계 이산화탄소 종합 실험 루프 운전 현황 이제경*․조성국*․이정익*․차재은**․정흥준** Operation Status of Supercritical CO2 Integral Test Loop in KAERI Jekyoung Lee, Seong Kuk Cho, Jeong Ik Lee, Jae Eun Cha, Heungjun Chung Key Words : S-CO2 Brayton cycle (초임계 CO2 싸이클), SCIEL (초임계 이산화탄소 종합 실험 루프), Compressor performance test (압축기 성능 실험), Next generation nuclear system (차세대 원자로 시스템)

1. 서 론

최근 초임계 이산화탄소 브레이튼 싸이클에 대한 관심이 높아지고 있는 가운데 많은 나라에서 다양한 활용을 목적으로 초임계 이산화탄소 브레이튼 싸이클에 대한 연구가 진행되고 있다. 상대적으로 높지 않은 약 450~750℃의 터빈 입구 온도에서 높은 효율을 달성할 수 있고 시스템의 소형화를 달성할 수 있는 초임계 이산화탄소 브레이튼 싸이클은 원자력, 태양열, 지열, 폐열 등 다양한 열원에 활용할 수 있어 그 관심이 늘어나고 있는 추세이다. 하지만 이러한 장점에도 불구하고 다양한 연구의 필요성이 존재하는 것은 이산화탄소의 임계점 근처에서의 급격한 물성치 변화에 있다. 이러한 급격한 물성치의 변화로 인해 기존에 사용하는 해석 방법, 설계 방법론으로부터 신뢰성 있는 계산 결과를 얻기 어렵다고 알려져 있어 각 핵심기기의 설계 방법론, 해석방법론 등에 대한 다양한 연구가 진행되고 있다.

한국원자력연구원에서는 초임계 이산화탄소 종합 실험 루프를 구축하였다. 이를 활용하여 핵심기기의 성능 실험 및 싸이클 운전에 대한 연구, 기기 설계 및 해석 방법론 검증에 대한 연구가 진행 중에 있다.

*  Korea Advanced Institute of Science and Technology

** Korea Atomic Energy Research Institute

E-mail : leejaeky85@kaist.ac.kr

2. 초임계 이산화탄소 종합 실험 루프 구축

한국원자력연구원에 구축중인 초임계 이산화탄소 종합 실험 루프 (Supercritical CO2 Integral Test Loop, SCIEL) 은 단계별 구축 계획을 바탕으로 1단계 압축기 성능 실험 루프 구축을 지난 2013년 완료하였고 현재 2단계 단순 싸이클 구축이 완료된 상태이다.1 초임계 이산화탄소의 급격한 물성치 변화가 가장 많은 영향을 미치는 핵심기기는 압축기와 예냉각기이다. 따라서 Fig.1 에서 보는 바와 같이 압축기와 예냉각기가 포함된 압축기 성능실험 루프를 1단계로 구축하고, 2단계로 터빈과 히터를 추가하는 전략을 취하였다.

Fig. 1 Schematic diagrams of first and second phases of SCIEL construction

압축기 성능 실험 수행과 동시에 2단계 단순 싸이클 실험설비 구축이 이뤄졌으며 바이패스 유로를 포함하여 실험루프를 확장하였다. 따라서 1단계 루프의 유로와 2단계 루프의 유로를 전환하여 활용할 수 있도록 하여 압축기 성능 실험이 단독으로 이뤄질 수 있도록 고안하였다.

3. 초임계 이산화탄소 종합 실험 루프 운전 현황

현재 SCIEL 운전은 압축기 성능 실험 루프 운전과 단순 싸이클 운전 특성 파악에 집중하여 운영되고 있다. Shrouded 개념과 양흡입의 개념을 도입한 SCIEL의 압축기는 국내 업체를 통해 제작되었으며 현재 몇 번의 개선을 통하여 운전의 안정성을 향상시키고 있는 과정에 있다. 지속적인 운전을 통하여 압축기 성능 실험 루프 및 단순 싸이클 루프의 운전 전략 수립과 성능 실험 운전이 진행되고 있다.

Fig. 2 Test cases plotting on temperature-entropy domain with different compressor operating conditions

Fig. 3 Pressure ratio performance measurement results of gas state operation with different RPMs

Fig. 4 Efficiency performance measurement results of gas state operation with different RPMs

Fig.2-4 은 실험 데이터 중 일부를 발췌한 것이다. Fig.2 는 다양한 압축기 입구 조건과 출구조건에서의 실험 케이스들을 T-s 선도에 표시한 것이고 Fig.3 과 Fig.4 는 그 중 가스 상태 운전조건에서의 압력비와 효율 성능 측정 결과이다. 압축기 성능 실험의 목적은 Fig.3 과 Fig.4 와 같은 압축기의 성능 곡선을 얻는 것이고 현재 다양한 조건에서 압축기 성능 곡선을 얻는 것에 집중된 루프 운전이 지속적으로 수행되고 있다.

4. 요약 및 향후 계획

현재 SCIEL은 압축기 성능 실험에 초점을 맞춰 운영되고 있다. 초임계 이산화탄소 브레이튼 싸이클에서 가장 기술의 불확실성이 큰 압축기에 대한 충분한 실험을 통해 압축기에 대한 기술 및 성능을 검증하기 위함이다. 압축기 성능 실험을 통해 축적된 데이터를 바탕으로 압축기 운전 전략 수립 및 압축기의 설계, 해석 방법론 개선에 대한 연구가 추후 이뤄질 예정이다. 또한 2단계 단순 싸이클 운전을 통한 실제 전력 생산 운전을 실시할 예정에 있다.

참고문헌

(1) J. E. Cha, et al., 2014, “Installation of the Supercritical CO2 Compressor Performance Test Loop as a First Phast of the SCIEL Facility”, The 4th International Symposium - Supercritical CO2 Power Cycles, Sep 9-10, Pittsburgh, Pennsylvania, USA