터빈 제작의 디지털화

디지털화는 터빈 엔지니어링 분야에도 적용되고 있다. 크고 무거운 부품을 조립할 때 최고의 정밀도가 필요하다. 광범위한 블레이드 휠 지오메트리 시뮬레이션은 하우징 블랭크의 재료별 데이터와 3D 스캔을 저장하는 것만큼 중요하다.

토마스 이젠부르크(Thomas Isenburg)

감수: SIEMENS 마케팅부 황효진 과장

증기 터빈 제작은 크고 무거운 부품을 다루는 정밀 작업이다. SIEMENS AG는 지난 10월 괴를리츠 터빈 공장에서 모로코 와르자자트(morocco ouarzazate)의 태양열 발전소 Noor II에 사용할 증기 터빈의 하우징과 로터가 결합되는 장면을 공개하였다. 이 증기 터빈은 태양열 발전소 비용의 약 15%를 절감할 목적으로 제작되었다.

독일 동부에 위치한 괴를리츠의 110년 된 이 공장에는 900여명의 직원들이 증기 터빈 제작에 몰두하고 있다. SIEMENS AG는 1992년 초에 자체 생산 설비, 광범위한 엔지니어링 노하우 그리고 R&D 부서를 갖춘 이 공장을 인수하였다. 로날드 슈미트는 산업 엔지니어로서 20여년 전부터 지멘스에서 생산을 책임지고 있으며, 3년 전부터는 이곳 괴를리츠에서 일하고 있다. 다음과 같은 언급에서 제품에 대한 그의 열정을 느낄 수 있다. “터빈 제작은 대단한 작업입니다. 거대한 치수의 부품을 시계를 만들 때의 정밀도로 조립해야 하기 때문입니다. 기술적으로 환상적인 광경입니다. 이러한 작업은 결국은 고객의 이익에 목적이 있습니다.” 하우징에 터빈 로터를 넣는 과정은 그야말로 장관이다. 세계가 주목하는 대형 프로젝트의 경우 더욱 그러하다. 현재 모로코의 와르자자트에는 580MW 용량의 태양열 발전소 복합 단지를 건설하고 있다. 3개의 태양열 발전소가 이 곳에 있으며, SIEMENS는 총 6개의 터빈(각각 2개의 증기 터빈을 채용한 터보 세트 3개)를 모로코에 공급할 계획이다. 이 터보 세트는 다른 발전소에도 유연하게 설치할 수 있다. 다시 괴를리츠로 가보자. 로터와 하우징은 수십 밀리미터 수준으로 서로 잘 맞추어져 있다. 로터와 하우징이 정확하게 조립되기 위해서는 공장 하부에 화강암 정도의 극도로 안정적인 기초작업이 선행되어야 한다.

발전소 기술의 핵심 요소

길이가 8.20m이고 무게가 톤 단위인 Noor II 발전소 로터는 극단적인 조건에 노출된다. 수십 년 작동하는 동안 105bar의 압력이 380 °C 온도로 터빈 내부를 지배한다. “로터는 정말 멋진 물건입니다. 로터가 터빈 건설을 특별하게 만들고, 큰 만족감을 줍니다.“ 먼저 크고 무거운 로터 반제품은 고품질의 정교한 기계적 생산 과정을 거친다. 이 과정은 증기 터빈이 발전소의 핵심 요소인데, 증기 터빈이 고장 나면 발전소 운전 시 상당한 손실을 초래하기 때문에 꼭 필요한 과정이다. 태양열 발전소에서는 과열된 수증기 안에 태양열을 저장하기 때문에 연속 운전의 조건은 아주 극심하다. 발전기가 전류를 생산하기 전에, 터빈이 이 태양열을 운동 에너지로 변환한다.

키르스텐 로덴(Kirsten Roden)은 기계 공학자로 SIEMENS의 국제 스테이션을 거쳐 현재는 산업용 증기 터빈 개발을 담당하고 있다. 에너지 변환에 있어서 관건은 효율 증대이기 때문에 증기 터빈 개발은 증기 터빈 제작에 있어서 광범위한 역할을 담당한다.

CSP (Concentrated Solar Power, 집광형 태양열 발전) 발전소로부터 전기를 생산하는 것은 태양광 발전에 비해 고비용이기 때문에 현재 증기 터빈은 가장 중요한 인터페이스 가운데 하나이다. 따라서 이미 성숙한 기술의 효율성을 더욱 높이는 것이 중요하다. 키르스텐 로덴의 말이다. “계산에 따르면 Noor II에서 이 효율을 4% 정도 더 높일 수 있습니다.” (이 값은 종래의 출력 범위 500MW인 태양광 어플리케이션을 위한 2-하우징형 기어드 터빈 세트와 비교하여 나온 결과) 이러한 효율을 달성하기 위해 광범위한 시뮬레이션을 수행하여, 블레이드 휠의 형상을 개별적으로 설계하고 조정할 수 있다. 터빈은 외부에 단열재를 갖추고 있어 예열 상태를 유지하고 일출에 맞추어 신속하고 유연하게 전기를 생산할 수 있다.

블레이드 휠은 개별적으로 제작되는데, 사전에 광범위한 시뮬레이션 과정을 거치게 되며 디지털화 과정이 개입한다.

SIEMENS는 고품질 터빈 생산을 위해 저압 블레이드 블랭크와 하우징과 같은 반제품을 구매한다. 블레이드의 경우, 단조 부품으로 일단 절삭 가공된 다음, 연삭을 통해 최종적인 형태를 갖추게 된다. 여기에 디지털화가 개입되는데, 전체 프로세스 체인을 따라 형상과 재료 관련 데이터가 저장되고, 서비스 작업 시 직접 공장에서 불러올 수 있다. 인클로저 분야에서도 디지털화가 진행되고 있다. SIEMENS는 제작에 에너지와 비용이 많이 드는 무거운 반제품을 구입한다. 이러한 반제품은 주조 부품으로 제각각이다. 지금까지는 괘선을 그어 수동으로 생산 공정에 포함시켰다. 인더스트리 4.0 시대에 들어서 하우징 블랭크는 3D 스캔을 통해 가공된다. 하우징의 데이터가 디지털로 존재하여, 절삭가공이 훨씬 수월하다. 제조 전문가인 로날드 슈미트는 다음과 같이 설명한다. “기계의 프로그래밍이 안정적으로 수행되기 때문에 품질도 향상됩니다. 생산 중에 작업할 수 있어 안전하고 생산적인 프로세스입니다.” 창고만한 공작기계가 주조부품들을 절삭하는 장면은 매우 인상적이다. “전통이 풍부한 우리 공장의 장점은 직원들이 터빈 제작분야에서 오랜 경험을 쌓았다는 점입니다. 이런 노하우를 통해 높은 수준의 품질을 유지할 수 있어 이 또한 중요한 요소입니다.“

SIEMENS 괴를리츠 직원들은 6대의 증기 터빈을 납품하면서 모로코의 향후 플랜에 대해서 반기는 입장이다. 2020년까지 에너지의 약 42%를 재생 가능한 자연으로부터 얻겠다는 솔라 플랜 덕분에 SIEMENS 괴를리츠 공장의 수주량도 올라가고 있다. SIEMENS는 광범위한 사회 보장 보험을 제공하고 근로 조건이 좋으며, 임금 협상에 따라 임금을 지불하고 있어 이 지역에서 인기가 많다.

대기오염 물질 방출이 없는 전기 공급자

다시 모로코의 터빈으로 시야를 돌려보자. 현재 전세계가 사하라의 관문에 위치한 580 MW 발전소를 주시하고 있다. 정치 및 경제 엘리트들도 유례가 없는 이 발전소 때문에 모로코를 방문하고 있다. CSP 발전소는 기후 변화의 시기에 대기오염 물질을 방출하지 않는 전기를 제공한다. 하지만 CSP 발전소에서 생산되는 전기는 태양광 발전소나 풍력 발전소의 전기에 비해 여전히 고비용인 것이 사실이다. CSP 발전소는 재생 가능한 에너지를 저장할 수 있다는 것이 장점이다. 파리 기후보호 협약에서 의해서 이산화탄소가 발생하지 않는 발전소 혼합 형태에 CSP 발전소가 중요한 자리를 차지할 것으로 예상된다. SIEMENS는 자신들이 마켓 리더라고 판단하고, 괴를리츠 공장에 이를 위한 준비를 시작했다. 터빈은 스페인과 남아프리카의 태양열 발전소에서도 돌아가고 있다. 로날드 슈미트는 중국과 남미에도 터빈 수요가 큰 시장이 생길 것으로 예상한다. 터빈은 1847년에 이미 발명된 기술이다. 시장이 충분히 성숙했음에도 불구하고, 효율성 증대가 입증되면서, 개선 가능성에 대한 잠재력이 발견되고 있다.