가스 및 증기 터빈의 극한 고온 환경을 위한 FFKM 및 FKM 오링 솔루션

현대 발전 분야에서 효율성에 대한 끊임없는 추구는 복합사이클 가스터빈(CCGT)과 고급 등급 증기터빈의 광범위한 채택을 이끌어냈습니다. 이러한 기기는 놀라운 열효율로 작동하지만, 동시에 밀봉 부품이 견뎌야 하는 가장 극한의 환경을 만들어냅니다. 가스터빈 윤활유 시스템 내 온도는 터빈 케이싱으로부터 전달되는 열 침투(heat soak)로 인해 일반적으로 150–180 °°C에 달하며, 증기터빈 밸브 스템 및 글랜드 밀봉 시스템은 300°C를 넘는 과열 증기에 노출될 수 있습니다. °이러한 환경에서는 표준 엘라스토머가 급속히 열화되어 윤활유 누출, 증기 누출, 오염, 그리고 막대한 재정적 손실을 수반하는 강제 정비 정지(Forced Outage)를 초래합니다.

플루오로카본(FKM) 엘라스토머는 터빈 내 고온 밀봉을 위한 첫 번째 방어선입니다. 이들은 최대 230°C까지의 우수한 내열성과 °C형(간헐적) 및 합성 에스터 계 터빈 오일(예: ISO VG 32, 46)에 대한 화학적 내성은 윤활유 및 제어 오일 시스템 내 대부분의 정적 및 동적 실링 부품으로서 이들을 표준 선택 사양으로 만든다. 일반적인 적용 분야로는 보조 펌프의 샤프트 실, 필터 하우징 및 밸브 액추에이터의 O-링, 그리고 관측 유리창의 개스킷 등이 있다. AS109 표준은 항공우주 및 산업용 터빈 응용 분야에서 일반적으로 사용되는 FKM 화합물을 규정하여 최소한의 성능 기준을 보장한다. 이러한 고온 오일에 노출되는 동적 실링 부품에 추가적인 기계적 강도가 요구될 경우, 때때로 수소첨가 아크릴로니트릴 고무(HNBR)가 대체재로 사용되며, 이는 우수한 마모 저항성과 약 150℃까지 양호한 오일 적합성을 제공한다. °C.

그러나 극한 고온 구역에서는 칼레즈®(Kalrez®) 또는 케므라즈®(Chemraz®)와 같은 퍼플루오로엘라스토머(FFKM)만이 충분한 성능을 발휘한다. FFKM 부품은 단순히 개선된 FKM이 아니라, 완전히 불소화된 폴리머 구조를 갖는 완전히 다른 종류의 재료이다. 이는 FFKM에 두 가지 초월적인 특성을 부여한다:

1. 300°C 이상의 지속 작동 온도를 지원하여, 증기 배관 및 고온 가스 흐름 경로와 직접 인접한 위치에서 작동 가능 °증기 배관 및 고온 가스 흐름 경로와 직접 인접한 위치에서 작동 가능.

터빈 오일, 열전달 유체, 공정 가스 등 FKM을 시간이 지남에 따라 열화시키는 강력한 화학 물질에 대한 사실상의 내화학성.

비용이 높기 때문에(보통 FKM 대비 50~100배) 적용 분야가 매우 특화되어 있으며, 주요 적용 위치는 다음과 같습니다:

· 증기 터빈 주 정지 밸브 및 제어 밸브 스템 실드: 고압·고온 증기에 직접 노출됨. 이 부위에서 누출이 발생하면 사이클 효율이 직접적으로 저하될 뿐만 아니라 안전 위험도 초래함.

· 가스 터빈 연료 가스 밸브 실드: 고온 연료 가스에 노출되며, 강력한 화합물이 응축될 가능성도 있음.

· 고온 터빈 케이싱을 관통하는 감지 및 계측용 배관의 실드.

GE, 지멘스, 미쓰비시 파워와 같은 OEM은 이러한 핵심 부위에 대해 명시적인 재료 사양을 제공한다. 선정 로직은 고장 원인, 영향 및 중대도 분석(FMECA)에 근거한다. 엔지니어는 고장의 심각도, 발생 가능성, 그리고 탐지 용이성에 따라 각 밀봉 부위에 위험 우선순위 번호(RPN)를 부여한다. RPN이 높은 부위의 경우, FFKM의 우수한 성능이 그 비용을 정당화한다.

이 원칙은 전 세계적으로 적용된다. 바레인에서는 고온 사막 환경에서 CCGT 발전소가 기저 부하 전력을 공급하기 때문에 냉각 효율이 낮아져 오일 및 표면 온도가 더욱 상승한다. 핵심 밸브 스템에 FFKM을 지정하는 것은 신뢰성 향상을 위한 선제적 투자이다. 필리핀에서는 노후된 증기 터빈을 사용하는 지열 및 석탄 화력 발전소에서 만성적인 증기 누출을 차단하기 위해 FFKM 실링을 성공적으로 개조하여 발전소 효율과 현장 인력의 안전성을 개선하였다. 미국에서는 누출로 인한 휘발성 유기화합물(VOC) 배출에 관한 엄격한 환경 규제(LDAR 프로그램)로 인해, FFKM의 비누출 성능이 비의도적 배출( fugitive emission) 응용 분야에서 경제적으로 매력적인 선택이 되고 있다. 총 소유비용(TCO) 산정 시에는 단순히 실링 제품 가격뿐 아니라, 발전 손실로 인한 손실 비용, 수리 인건비, 환경 규제 준수 비용 등이 회피된 금액 역시 반드시 고려해야 한다.