GE Vernova의 DLN AFS 기술 상세 분석
열병합발전소 엔지니어의 관점에서 GE Vernova의 DLN AFS(Dry Low NOx Axial Fuel Staging) 기술에 대해 심층적으로 설명해 드리겠습니다. 이 기술은 가스터빈의 운영 유연성과 배출가스 규제 대응 능력을 획기적으로 향상시킨 핵심적인 연소 시스템 업그레이드입니다.
- AFS 기술의 정의 및 핵심 목표
AFS는 ‘축방향 연료 다단화(Axial Fuel Staging)’의 약자입니다. 이름에서 알 수 있듯이, 기존 연소기의 주 연소 영역 외에, 가스 흐름의 축(Axial) 방향 후단에 추가적인 연료 분사 단계(Stage)를 설치하는 기술입니다. 이 기술은 GE의 대표적인 저녹스 연소 시스템인 DLN 2.6+의 업그레이드 버전(7F 기종) 또는 최신 기종인 HA 클래스(DLN 2.6e)에 기본적으로 통합되어 있습니다. 핵심 목표: AFS의 가장 중요한 목표는 배출가스(NOx, CO) 규제치를 준수하면서 운전 가능한 최저 부하(Minimum Emissions Compliant Load, MECL)를 낮추는 것입니다. 즉, 터빈의 출력 감발 운전(Turndown) 범위를 대폭 확대하는 것입니다. 기존 DLN 2.6+: 약 40% 부하까지 배출가스 규제 준수 가능 AFS 적용 시: 약 25% 부하까지 배출가스 규제 준수 가능 이러한 유연성은 신재생에너지의 간헐성 보완, 전력망 안정화, 급격한 부하 변동 대응에 매우 유리하며, 발전소의 수익성과 경쟁력을 높이는 핵심 요소로 작용합니다.
- AFS의 구조 및 하드웨어 구성
AFS 기술의 핵심은 연소기 구조 변경에 있습니다. 설치 위치: 기존 연소기(Combustor Can)와 터빈 1단 노즐(Turbine Nozzle)을 연결하는 전이관(Transition Piece) 내벽에 설치됩니다. 이는 연소 과정이 끝나는 지점의 후방에 해당합니다. 핵심 부품: AFS 인젝터(AFS Injector)가 설치되며, 이는 새로운 5번째 연료 회로(5th Fuel Circuit)에 연결됩니다. 이 인젝터는 연료와 공기를 미리 혼합하여 전이관 내부로 분사하는 역할을 합니다. 제어 시스템: AFS의 정교한 제어를 위해 GE Mark™ VIe 제어 시스템과 OpFlex 소프트웨어 패키지가 필수적입니다. [개념도] DLN 2.6+ 연소기와 AFS의 위치
[연소기 헤드엔드] [전이관 (Transition Piece)] [터빈 1단 노즐]+-------------------------+ +-------------------------------+ +---------------+| | | | | || PM1, PM2, PM3 노즐 |-----> (1차 연소) ----> | (2차 연소) | 고온 가스 흐름 || (주 연소 영역) | | | | |+-------------------------+ +-------------------------------+ +---------------+ ^ ^ ^ ^ | | | | 연료 회로 1,2,3,4 연료 회로 5 (AFS)PM(Pre-Mixing Nozzle)은 DLN 2.6+ 연소기를 구성하는 주요 노즐 그룹을 의미합니다.
- AFS의 작동 원리: 부하별 연소 전략
AFS의 진정한 가치는 부하에 따라 연소 방식을 동적으로 변경하는 데 있습니다.
가. 고부하 운전 시 (약 40% ~ 100% 부하)
연료 분배: 기존의 헤드엔드 노즐(PM1/2/3)과 AFS 인젝터 모두에 연료가 공급됩니다. 연소 방식: 축방향 2단 연소(Axial Two-Stage Combustion)가 이루어집니다. 1차 연소 (주 연소 영역): 헤드엔드에서 희박 예혼합(Lean Pre-mixed) 연소가 발생합니다. 2차 연소 (AFS 영역): 1차 연소를 마친 고온의 가스가 전이관을 지날 때, AFS 인젝터에서 분사된 연료/공기 혼합기가 추가로 연소됩니다. 효과: 전체 연소 영역을 활용하여 최대 출력을 달성하면서도, 각 연소 영역의 화염 온도를 최적으로 제어하여 NOx 배출을 낮은 수준으로 유지합니다.
나. 저부하 운전 시 (약 25% ~ 40% 부하)
연료 분배: 부하가 감소함에 따라, 제어 시스템은 AFS 인젝터로 가는 연료를 먼저 차단(Unfueled)합니다. 연소 방식: 오직 헤드엔드 노즐에서만 1차 연소가 이루어집니다. 핵심 효과 (저부하 운전의 한계 극복): 문제점: 기존 방식에서는 터빈 전체 부하가 낮아지면, 각 연소기로 들어가는 연료량도 줄어들어 화염 온도가 지나치게 낮아집니다. 이는 NOx는 줄지만 불완전 연소로 인해 CO(일산화탄소) 배출량이 급증하고, 연소 불안정성(Combustion Dynamics)이 커지는 문제를 야기합니다. AFS의 해결책: AFS로 가는 연료를 차단하는 대신, 제한된 총 연료량을 헤드엔드 노즐에 집중시킵니다. 따라서 주 연소 영역은 더 낮은 총 부하에서도 상대적으로 높은 화염 온도를 유지할 수 있습니다. 결과: 낮은 터빈 부하에서도 주 연소 영역은 안정적이고 완전 연소에 가까운 상태(낮은 CO, 낮은 연소 진동)를 유지하면서 배출가스 규제치를 만족시킬 수 있게 됩니다.
- 기술적 의의 및 엔지니어 관점의 주요 고려사항
가. 연소 동특성 관리 (Combustion Dynamics Management)
2단 연소는 새로운 연소 진동 모드를 유발할 수 있습니다. GE는 이를 제어하기 위해 OpFlex AutoTune 소프트웨어를 사용합니다. AutoTune의 역할: 연소기 내의 압력 동요(Dynamics)를 실시간으로 감지하고, 이 피드백을 바탕으로 물리 기반 모델(Model-Based Control)을 통해 연료 회로 간의 분배율(Fuel Split)을 1초에 수십 번씩 미세 조정합니다. 이를 통해 연소 불안정 영역을 회피하며 안정적인 운전을 보장합니다.
나. 터빈 및 배열회수 보일러(HRSG)에 미치는 영향
터빈 입구 온도 분포: 2단 연소는 터빈 1단 노즐로 들어가는 가스의 온도 분포(Profile)를 변화시킬 수 있습니다. GE는 AFS 인젝터의 설계와 위치, 제어 로직을 최적화하여 온도 분포가 허용 범위 내에 있도록 관리합니다. 이는 터빈 블레이드와 같은 고온 부품의 수명(Life time)에 직접적인 영향을 주므로 매우 중요한 요소입니다. AFS 적용 시에도 기존의 정비 주기(Maintenance Interval)가 유지된다고 발표하는 것은 이 부분에 대한 제어가 성공적임을 의미합니다. HRSG 영향: AFS는 터빈의 배기 온도 자체를 바꾸기보다는, 저부하 운전이 가능해짐으로써 HRSG 운영에 영향을 줍니다. 즉, 가스터빈을 정지-기동하는 횟수를 줄이고 낮은 출력으로 운전을 지속할 수 있게 해줍니다. 이는 HRSG의 열응력(Thermal Stress) 누적을 감소시켜 수명 연장에 긍정적인 영향을 줄 수 있습니다. 또한, 낮은 부하에서도 배기가스 규제를 만족하므로, 추가적인 SCR 운전 부담을 줄일 수 있습니다.
다. 수소 혼소로의 확장성: NG-AFS
AFS 기술은 미래의 탈탄소 연료 전환에도 핵심적인 역할을 합니다. GE는 수소 혼소 및 전소를 위해 DLN Evo라는 차세대 연소 시스템을 개발 중이며, 여기에 NG-AFS(Next Gen Axial Fuel Staging)가 포함됩니다. 수소의 과제: 수소는 화염 속도가 매우 빠르고 화염 온도가 높아 기존 예혼합 방식으로는 역화(Flashback) 위험과 NOx 배출 증가 문제가 있습니다. NG-AFS의 역할: 주 연소 영역에서는 더 희박하게 연소하여 역화를 방지하고, 후단의 NG-AFS에서 수소 연료를 추가 분사하여 안정적으로 연소를 완료하는 전략을 통해 높은 수소 혼소율을 달성하고자 합니다.
결론
GE Vernova의 DLN AFS 기술은 단순히 연료 노즐을 추가한 개념을 넘어, 정교한 하드웨어, 동적 제어 로직, 그리고 물리 기반 소프트웨어가 결합된 통합 솔루션입니다. 열병합 발전소 엔지니어의 입장에서 이 기술은 다음과 같은 중요한 의미를 가집니다. 운영 유연성의 극대화: 더 낮은 부하까지 운전이 가능해져 전력 시장 변화에 능동적으로 대응하고 수익을 창출할 기회를 넓힙니다. 배출가스 규제 준수: CO와 NOx 배출을 낮은 수준으로 유지하여 환경 규제에 효과적으로 대응합니다. 설비 신뢰성 및 수명 관리: AutoTune을 통한 안정적인 연소 제어와 최적화된 온도 프로파일 관리를 통해 터빈 및 HRSG 설비의 신뢰성을 확보합니다. 미래 연료 전환의 교두보: 현재의 운영 효율 개선은 물론, 향후 수소 혼소 시대를 대비하는 핵심 기반 기술로서의 가치를 지닙니다.