증기로 운전되는 펌프 Steam Turbine Drive Pump란?

Pump의 경우 필요에 맞는 용량 및 양정 확보를 위해 적절한 Motor가 필요하다. Pump Impeller를 원하는 회전수(RPM)로 돌려주기 위함이다. Motor는 전기에너지 운동에너지로 변환하는 설비이지만, 오늘은 특이하게도 고압의 Steam으로 바로 Pump를 가동할 수 있는 Steam Turbine Drive Pump에 대해 알아보고자 한다. 

Steam Turbine

 

1. 배경

1.1 검토 배경

발전소 또는 석유화학공장에서는 잉여되는 Steam을 Vent하기도 한다. 이러한 Steam Vent는 좋은 열 Source를 그대로 대기로 방출하기 때문에 버려지는 Energy이다. 이렇게 잉여되는 Steam을 버리기보다는 Turbine 등을 이용하여 에너지를 회수한다면 더욱 효율적인 공장을 구축할 수 있다. 특히, 오늘 알아볼 Steam Turbine Drive Pump는 이렇게 Steam이 풍부한 Plant에서 에너지 효율 증대를 위해 사용할 수 있는 설비 중 하나이다.

 

1.2 왜 전력을 사용하는 것 보다 Steam으로 구동하는 것이 좋은가?

간단하게 설명하면 아래와 같다. 열역학 법칙에 따라 에너지 보존 법칙에 의해 현실에서 특정 에너지를 다른 에너지로 100% 전환할 수 없다. 왜냐하면 마찰열 등으로 에너지 손실이 발생하기 때문이다. 결국 전력을 생산하는 데 여러 단계를 거치기 때문에 특정 에너지가 100%로 투입되면 End User에게는 결국 35~45%의 에너지만 전달된다. 결국 이러한 단계(Stage)를 줄여 에너지를 사용하는 것이 더 효율적인데 Steam을 바로 투입하여 Pump를 가동한다면 에너지 효율은 약 60~75%정도이기에, 이러한 Steam Turbine Drive Pump가 더 효율적인 것이다. 

전기 : 연료 → 열 → 증기 → 터빈 → 발전기 → 전기 → 모터 → 펌프 (효율 35~45%)

 

Steam Turbine Drive Pump : 연료 → 열 → 증기 → 터빈 → 펌프(효율 60~75%)

 

 

2. 원리(스팀 - 증기 터빈 - 커플링 - 임펠러)

이론적인 원리는 사실 그렇게 이해하기 어렵지는 않다. 세부적인 사항으로 들어가면 이것보다 훨씬 복잡하지만 간단하게 설명하면 아래 그림과 같다. 먼저 보일러에서 생성된 고압 Steam이 Nozzle을 통과하면서 고압의 스팀이 Jet Steam으로 변환된다. (베르누이 법칙에 의해 압력이 하락하면서 모두 운동에너지로 전환되어 Steam이 고속의 Jet Steam으로 변환됨) 이렇게 변환된 Jet Steam은 Turbine 내부 Blade와 충돌하면서 Blade를 다시 회전 운동력으로 변환시킨다. 이렇게 Blade가 회전하면서 Rotor도 회전하고 제일 오른쪽 Machine과 연결된 Coupling을 통해 동력이 전달되어 Pump가 Pumping하기 시작한다.

 

 

3. 주요 구성 요소

Steam Turbine drive Pump의 주요 구성 요소는 아래 영상을 참조하는 게 좋을 것 같다.

https://www.youtube.com/watch?v=ob1bF3G7Ty8

 

4. 실제 적용 시 유의할 점

Steam Turbine Drive Pump를 현장에서 적용할 때 유의해야할 점은 아래와 같다.

4.1 Steam이 충분히 확보되는가?

- Steam이 풍부한 조건이 가장 기본이 되어야한다. 본인이 운전하고 있는 공장에 열회수 또는 보일러를 통해 Steam을 만들고 있지 않다면 Steam Turbine을 적용하기에는 다소 무리가 있어보인다. 외부에서 Steam을 구매하여 turbine을 돌리다는 것은 자체 생산 Steam보다는 경제성이 결여될 수 있기 때문이다.

 

- 만약, Steam이 충분하다면 Boiler Feed Water(BFW) Pump로 적용하기에 해당 Scheme이 적절할 것이다. BFW의 경우 상당히 고압으로 pumping을 해야하기 때문에 고 RPM이 필요하기 때문이다.

 

4.2 Stand-By Pump는 기존 전기 Motor로 구성

- Steam Turbine으로 Pump를 가동하고자한다면 Stand-By Pump또는 Conpensating Pump는 반드시 전력으로 구동되는 System으로 해야한다. Turbine이 정전 등에 보완되지만 Boiler Trouble 등으로 Steam이 공급되지 않는 경우는 전력으로 Back-up해야하기 때문이다.

 

4.3 Steam Source 근처에 설치할 공간이 충분한가?

- 에너지 소스 자체가 Steam이기 때문에 Steam을 공급받을 수 있는 곳과 최대한 인접한 공간에 설치하는 것이 효율적이다. 만약 Boiler를 운용 중이라면 보일러 근처 부지에 해당 scheme을 적용할 수 있는지 검토해야할 것이다.

 

5. 결론

오늘은 에너지 효율을 극대화 하기 위한 Steam Turbine Dirve Pump에 대해 알아보았다. 사실 Steam Turbine은 이것보다는 더 복잡하다. Reaction Turbine, Impulse Turbine에 따른 특징과 최근 Trend에 대해서는 다음 글에서 알아보도록 하겠다. 모쪼록 에너지 효율화를 위해 이러한 Scheme도 가능하니 정확한 적용 검토는 굴지의 전문가와 검토해보기 바란다. 국내에서는 HRSG를 최초로 설계한 "SNT 에너지" 등 같은 기업이 있으니 직접 Contact해보기 바란다.