보일러 하면 흔히 가정용 보일러 정도의 규모를 떠올리게 마련이지만, 발전소 등에서 사용하는 산업용 보일러는 폭만 20미터가 넘을 정도로 덩치가 크다.
그렇다 보니 보일러를 통해 얻어지는 에너지의 양 또한 방대하며, 이 에너지에 좌지우지되는 산업 분야나 시설 등도 부지기수다. 이런 이유로 발전용 보일러에 대한 철저한 관리는 줄곧 중요한 이슈로 부각돼왔지만 이렇다 할 진척은 없는 실정이었다.
보일러 관리의 핵심인 연료의 완전 연소와 에너지 효율 증대를 위해서는 보일러 반응 조건 분석이 선행되어야 하는데, 이때 온도 분포 계측은 필수적이다. 하지만 안타깝게도 국내에서는 지금껏 발전용 보일러 내의 온도를 정확하게 재는 방법이 제시된 바 없다. 이 분야의 연구를 시작하게 된 배경이다.
발전용 보일러 내부의 온도 측정이 어려운 데는 나름의 이유가 있다. 일단 온도를 측정하는 서모 커플(Thermocouple)이라는 센서가 있지만, 고작 1~2미터밖에 들어가지 못해 20미터 폭의 보일러 내부를 측정하는 데는 역부족이다. 더욱이 석탄을 연료로 쓰다 보니 연소과정에서 애쉬(ash) 같은 작은 고체가 떠다녀 센서의 잦은 고장을 유발한다. 그래서 적잖은 발전소에서는 으레 보일러 내부의 온도 측정은 불가능한 것으로 치부해버릴 정도였다.
하지만 온도 분포 측정이 가능해졌을 때 얻을 수 있는 기대효과를 살펴보면 마냥 간과할 수만은 없는 문제다. 보일러 내 온도 측정이 가능해지면, 분석 데이터를 활용한 연소 제어를 통해 연료 절감과 에너지 효율 증대는 물론이고 온실가스 배출 저감에도 기여할 수 있다. 또한 실시간 계측을 통해 보일러 내 화염쏠림 등으로 인한 보일러 수관과 노즐 등의 파괴에 따른 손실을 사전에 예방하거나 대처할 수 있게 된다. 이에 이창엽 선임연구원팀은 이러한 장점들을 국내 대형 연소시스템에 접목시키고자 ‘연소시스템의 온도 분포 실시간 분석을 위한 TDLAS 계측시스템’ 개발이라는 목표 아래 지난해 8월부터 연구를 진행해오고 있다.
사실 이번 연구는 지난 2010년 6월부터 작년 5월까지 진행한 연구의 바통을 이어받은 것이다. 이때 진행한 1단계 연구개발의 최종 목표는 ‘다이오드 레이저를 이용한 고효율 친환경 O2·CO·CO2 농도 실시간 계측 및 현장 적용을 통한 장치 상용화 기술 개발’에 있었다. 즉 발전용 보일러 같은 대형 연소시스템 내부의 산소, 일산화탄소, 이산화탄소의 농도를 측정하는 데 초점을 두었다. 온도와 마찬가지로 이들 가스 또한 에너지 효율과 직결돼 있기 때문이다. 특히 산소의 경우에는 농도를 1%만 낮추어도 1년에 수백억 원의 절감 효과를 얻을 수 있어 개발에 성공할 경우 상당한 파급효과를 가져온다.
이러한 니즈를 바탕으로 개발한 것이 바로 TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)를 이용해 측정하는 센서다. 파장 가변형 다이오드 레이저를 보일러에 쏜 후 이를 통과해 나오는 레이저 양을 통해 가스의 농도를 측정하는 것이다. 고정된 파장 값이 아니라 가변형으로 변화를 부여함으로써 흡수하는 모양까지 측정 가능해 정밀도까지 높였다.
국내에서는 다소 낯설지만, TDLAS를 이용해 온도와 농도를 재는 이론은 이미 1900년대 중반에 정립되었다. 따라서 이러한 기초이론을 적용해 실시간으로 분석을 잘하는 게 차별화된 기술력이라 할 수 있다. 실제의 농도가 10%라 했을 때, 센서를 이용해 측정한 값 또한 10%가 나오게끔 하는 게 핵심인 것. 이창엽 선임연구원은 1단계 연구개발을 종료할 무렵 이에 근접하는 결과를 손에 넣었고, 현재 국내 한 발전소에서 실증 단계에 있다.
국내 최초이자 유일의 기술 선내 온도 분할 측정은 세계 최초
기계과에서도 우주항공이 주력분야였던 이창엽 선임연구원이 광학시스템 연구에 접근하게 된 데에는 우연한 계기가 작용했다. 로켓추진에 관한 정보를 찾기 위해 미국 NASA 관련 자료를 보던 중 고온 상태의 온도를 잴 때 TDLAS를 이용한다는 미국 스탠포드대학의 논문을 발견한 것이다. 이런 시스템을 발전용 보일러에 적용할 수 있다는 데이터도 스탠포드대학 자료를 통해 알게 되었다. 1단계부터 이어온 연구개발의 단초는 여기에서 비롯된 셈이다.
물론 1단계 연구개발을 시작할 때만 해도 TDLAS를 이용한 농도 측정에만 목표를 두었다. 그런데 보일러에 비해 상대적으로 온도가 낮은 배수구 쪽 온도 계측에 성공함으로써 기초증거를 확보할 수 있었고, 이를 통해 2단계 연구개발의 물꼬를 트
게 되었다. 말하자면 현재 진행 중인 2단계 연구개발은 1단계에서 얻은 성과를 바탕으로 보다 업그레이드된 결과를 도출하는 데 의미를 둔 것. 1단계에서 미국 스탠포드대학을 비롯한 선진기관과 비슷한 수준의 기술성과를 획득했다면, 2단계에서는 이를 뛰어넘는 데 목표를 두었다.
이창엽 선임연구원팀이 2단계 연구개발의 꽃으로 꼽는 ‘선내 온도 분할 측정’은 성공할 경우 이 목표를 거뜬히 달성하게 해줄 핵심 기술이다. 사실 TDLAS를 이용해 대형 연소시스템 내부의 농도와 온도를 재는 방법은 미국 스탠포드대학을 비롯
해 선진국에서 시행하고 있는 방법이다. 다만, 이들은 레이저가 지나간 라인의 평균 농도와 온도를 계측하는 이른바 ‘선평균 측정’에 머물러있다. 그에 반해 이창엽 선임연구원팀이 개발한 방법은 평균값을 재는 게 아니라 레이저가 지나간 라인 안
에서도 부분적으로 나누어 온도를 잴 수 있다. 이처럼 선내 온도 분할 측정을 하면 좀 더 세분화된 3D 콘투어맵(Contour map)으로 정밀한 측정이 가능해져 보다 정확한 연소 제어를 통해 극대화된 에너지 효율을 꾀할 수 있게 된다.
이 기술은 국내 최초이자 유일은 물론이고, 성공할 경우 세계 최초의 자리까지 꿰차게 된다. 하지만 이보다 더 큰 보람은 기술실용화를 통해 기술 중심의 중소기업 육성에 도움을 줄 수 있다는 부분이다. 이는 생기원의 취지와도 맞닿아 이창엽 선
임연구원을 비롯한 연구원들에게 뿌듯한 긍지를 심어주는 한편, 연구개발에 대한 열정을 더욱 샘솟게 한다.
