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수소가스터빈 연구의 현황과 발전방향
주성필(Joo Seong-pil)(국방과학연구소 박사)/seongpil at snu.ac.kr/
1. 본인의 연구에 대해서 대략적인 소개를 부탁드립니다.

- 안녕하세요 국방과학연구소 미사일 연구원에서 근무하고 있는 주성필 선임연구원입니다. 2012년부터 서울대학교 기계항공우주공학부에서 가스터빈 연소기의 수소 연료에 대한 연소특성과 연소 불안정 원인 및 특성을 약 12년간 연구하였고, 현재는 국방과학연구소에서 다양한 추진기관에 대한 내탄도 분석과 성능 분석 연구를 수행하고 있습니다. 수소가스 터빈은 현재 국제적으로 규제하고 있는 저탄소 정책에 대한 유일한 대응책으로 현재까지 많은 연구가 이루어져왔고 앞으로도 폭넓은 연구가 이루어져야 할 분야입니다. 현재 수소가스 터빈을 위하여 생산하는 수소의 생산단가가 수소 터빈에서 발생하는 전기 단가와 유사한 수준이기 때문에 경제성 이슈에 직면하고 있지만 이를 해결하기 위한 다양한 방법과 연구가 수행되고 있기 때문에 머지않은 미래에서는 수소 터빈이 많은 발전 시스템을 대체할 것이라고 예상하고 있습니다.



2. 수소가스 터빈의 연소 불안정 모델링 수행과 주파수 등을 예측하는 연구를 수행하고 계신 걸로 알고 있습니다. 소개를 부탁드립니다.

- 일반적인 연소시스템은 모두 연소 불안정이 발생할 수 있는 환경이 조성되어 있습니다. 특정 조건과 환경이 맞아 떨어진다면 연소 불안정이 발생할 수 있고, 연소 불안정이 발생할 경우 강한 화염이 떨리면서 이로 인한 압력장에 영향을 주어 작동을 멈추게 되는 상황이 발생할 수 있고, 극한 경우에는 연소기의 직접적인 파손 원인이 되기도 합니다.



이러한 연소 불안정을 효과적으로 제어하기 위해서는 발생 원인을 정확하게 파악하고 그 특성을 이해해야 합니다. 제 연구는 가스 터빈 연소기 중 최근에 각광받고 있는 수소 연료를 다른 연료와 혼소했을 때, 전소했을 때 발생하는 연소특성과 연소 불안정 특성에 대한 실험적, 수학적 접근의 연구입니다. 수소는 다른 연료들과 다르게 매우 빠른 연소속도를 갖고 있기 때문에 메탄 연료에 비하여 연소 불안정이 발생하였을 때 그 주파수가 고주파 영역을 갖고 있습니다. 이 고주파 영역의 연소 진동은 약한 세기를 갖더라도 지속적인 피해를 입는다면 피로파괴로 이어질 수 있고, 그 세기가 약하기 때문에 사전적인 모니터링도 상대적으로 어렵습니다.



수소가스 터빈에 대한 실험적인 연구는 많이 이루어지고 있지만 막대한 금액이 투입되어야 하는 한계 때문에 최근에는 CFD나 수학적인 접근을 통하여 연소 불안정 연구를 수행하고 있습니다. 저도 수소가스 터빈에서 발생하는 연소 불안정의 주파수와 크기를 예측하기 위하여 1-D Lumped method를 채택하여 활용하였고, 높은 정확도를 갖는 툴을 개발하고, 신뢰도 높은 수학적 기법을 도출하였습니다.


3. 또한 머신러닝을 활용하여 사전에 연소 불안정을 감지할 수 있는 기법을 개발하셨다고 하셨는데 이에 대한 소개를 부탁드립니다.

- 위에서 기술한 것처럼 연소 불안정은 연소기를 파손에 이르게 하는 열-음향학적인 섭동에 의한 현상으로 실증 가스터빈 연소기, 내연기관 등 연소를 음향학적으로 닫힌계에서 반드시 피해야 할 현상입니다. 연소 불안정이 발생하면 시스템 내의 음향 섭동이 특정 패턴을 갖게 되고, 이러한 패턴을 정확하게 분석할 수 있는 알고리즘이 만들어진다면, 사전에 연소조건을 변동하는 등의 해결책으로 연소 불안정이 증폭되는 현상을 방지할 수 있게 됩니다. 저는 이러한 연소 불안정을 발현하기 직전에 사전에 감지할 수 있는 기법을 개발하고, 실험제 적용하여 실증적인 효과를 발휘할 수 있는 가능성을 제시하고자 하였습니다.


연소 불안정이 발현하였을 때의 패턴을 파악하기 위하여 인공신경망 기법 중 하나인 spectral centroid와 spread를 활용하였습니다.. 빅데이터 기법은 입력값의 개수가 많아야 높은 신뢰도를 확보할 수 있는데 이를 위하여 약 8년간 누적해온 실증형 가스터빈 실험 데이터를 활용하였습니다. 그 결과 연소 불안정이 발생했을 때 연소 동압의 평균값에 대한 분산과 표준편차가 일정 값으로 수렴하는 것을 파악할 수 있었고, 이 때 연소기의 특성에 맞는 쓰레스 홀드 값을 지정해 주면 연소 불안정을 사전에 감지할 수 있는 시스템이 구축되도록 시스템을 구성하였습니다. 이로부터 실제 연소 불안정이 발생하는 시점보다 이전 시점에 연소 불안정을 효율적으로 감지할 수 있었습니다. 하지만 만약 연소 불안정이 single mode가 아닌 multi-mode로 발현할 경우 기존의 알고리즘을 그대로 채택하여 활용하지 못하기 때문에 저는 연소기 내에서 발생하는 정압과 본 연구에서 새롭게 제시하는 파라미터를 제안하여 multi-mode 연소 불안정도 정확하게 사전에 감지할 수 있는 알고리즘을 제안하였습니다.


4. 추가로 소개하고 싶은 연구가 있으시다면 소개를 부탁드립니다.

- 연소 불안정은 동압과 화염의 커플링으로 발생하는 특성상, 이를 정확하게 예측하기 위해서는 화염의 떨림과 그로부터 발생하는 동압의 떨림을 정확하게 계측해야 합니다. 이를 수학적으로 정의한 것이 화염 전달 함수인데 연소기 내의 자발 불안정을 배제한 시스템을 구축하고 오직 음향 가진에 의하여 발생되는 화염의 떨림을 계측하는 방법입니다. 화염 전달함수 계측은 주파수에 따라 수소/메탄의 비율이 25:75, 50:50, 75:25에서 수행을 하였고, 가진기의 스펙에 따라 10Hz 단위로 500 Hz까지 가진을 하여 화염에 대한 음향학적 응답 특성을 파악하고자 하였습니다. 수소의 비율이 증가함에 따라 화염전달함수의 증폭값인 gain값이 감소하는 것을 확인하였고, 이는 화염이 짧아짐에 따라 화염의 강인함이 높아지고 이에 따라 가진에 대한 응답특성이 낮아지기 때문임을 밝혀냈습니다.

뿐만 아니라 화염 전달함수의 응답 지연인 phase는 점점 작아지는 경향성을 나타내는데 이는 음향가진이 화염까지 전달되는 시간을 의미하고 실제 화염까지의 거리가 phase의 기울기와 일치하는 것을 확인하였습니다. 연소 불안정의 주파수를 예측하는 모델링을 수행하기 위해서는 화염전달함수가 활용이 되는데, 예혼합 연소기에서는 정확한 화염 전달함수를 계측하는 방법이 존재하지 않습니다. 저는 예혼합 연소기에서도 정확하게 화염 전달함수를 계측하는 방법을 제시하였고, 이에 따라 연소 불안정의 주파수를 정확하게 예측하는 모델링을 수행하였습니다. 이를 위하여 새로운 전달함수 개념인 Cold-flow transfer function (CTF)을 제안하였고, 정확도 및 신뢰도가 향상된 화염전달함수 계산 방법을 통해 이전의 방법으로 계측한 화염전달함수와 비교하여 모델링의 신뢰도를 분석하고 비교하여 뛰어난 연소 불안정 예측 기법을 개발하였습니다.


5. 여러 분야에서 수소를 연료로 한 여러 가지 연구가 진행되고 있는데요. 연료로서 수소를 사용해야 하는 이유와 이를 위해서 극복해야 할 과제가 있다면?

- 발전 시스템에서 발생되는 탄소 산화물은 대기 온난화의 주요한 원인이며, 기후변화의 핵심요소입니다. 그렇기 때문에 보편적으로 활용되고 있는 메탄 연료를 대체 가능한 연료로 전환하는 추세가 현재 이루어지고 있습니다. 그 중 수소 연료는 메탄과 연료특성을 무차원화한 Wobbe index가 매우 유사하고, 탄소화합물이 아니기 때문에 대체 가능한 연료로 각광받고 있습니다. 하지만 수소 연료는 기체의 특성상 저장과 이동이 쉽지 않아 다양한 고압기체 저장기술에 대한 연구가 이루어지고 있습니다. 뿐만 아니라 수소가스 터빈의 설치비용, 인건비와 운영비용, 수소연료자체의 연료비용이라는 해결해야 하는 문제들이 봉착하고 있고, 이를 해결하기 위한 연구들도 활발하게 이루어지고 있습니다. 이러한 경제적인 문제와 더불어 운용상 발생할 가능성이 높은 화염의 역화 현상, 고주파 연소 불안정 이슈도 반드시 해결해야 하는 이슈사항입니다.


6. 현재 소속 된 국방과학연구소의 미사일 연구원에 대한 소개를 부탁드립니다.

- 제가 재직 중인 국방과학연구소는 국방에 필요한 무기 및 국방과학기술에 대한 기술적 조사, 연구, 개발 및 시험 등을 담당하고 있습니다. 뿐만 아니라 무기체계 및 관련 기술 연구·개발 및 시험평가, 기술 지원 군용물자에 관한 연구 위탁, 연구보조 지원, 민·군 겸용기술 개발사업 및 민간장비 시험평가 지원 등의 기능을 하고 있습니다.



특히 미사일 연구원은 핵, WMD 대응을 위한 미사일 연구개발의 능력을 지속적으로 강화하기 위한 다양한 연구가 이루어지고 있습니다. 특히 추진기관에 관심이 있고 연구 중인 다양한 연구자분들이 지원할 수 있고 국방력 강화에 대한 꿈을 키워나갈 수 있는 좋은 직장입니다.

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7. 그동안 영향을 받은 연구자가 많으실 거 같습니다. 어떤연구자 분들의 어떤 영향을 받으셨는지 궁금합니다.

- 석/박사 지도 교수님인 서울대학교의 윤영빈 교수님께 연구적인 측면에서 많은 영향을 받았지만 연구뿐만이 아니라 대외적인 태도, 사람과 사람 간의 관계 등 많은 부분을 알려주셨던 분이 계십니다. 대학원 생활을 함께했던 현재 인천대학교의 교원인 이민철 교수님입니다. 이민철 교수님께서는 기업체에서 재직 생활을 하셨던 경험과 노하우로 기업 과제를 수행할 때 연구원들에게 대하는 태도와 말의 중요성을 항상 중요하게 생각하셨고, 많은 연구, 실적과 부가적인 경험들은 훌륭한 연구자로 발돋움할 수 있게 함을 가르쳐주셨습니다. 인천대학교로 부임하신 후에도 후배양성에 힘쓰시며, 직접 실험에도 참여하는 등 여전히 다양한 활동을 하고 계십니다. 연구적인 측면에서는 현재 같은 연구소에서 재직중인 윤지수 박사에게도 많은 영향을 받았습니다. 석/박사과정 직속 선배이자 친구로 함께 연구를 해봤다면 모두에게 인정받는 연구자로 제 연구생활의 가장 큰 모토가 되기도 했습니다. 현재도 같은 부서에서 일을 하는 동료로서 존경하고, 항상 도움을 받는 선배로 직장생활을 하고 있습니다. 저는 약 10년이 넘는 연구 기간 동안 느끼는 포인트는 좋은 연구분야를 찾는 것도 중요하지만 좋은 사람을 만나는 것 또한 매우 중요한 기회라고 생각합니다.


8. 연구 활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

- 내가 하고 있는 연구와 결과가 실제로 사용되거나 다른 논문에서 언급이 될 때 가장 큰 보람을 느끼는 것 같습니다. 학위과정 때 연구했던 결과가 실제 발전소의 작동 매뉴얼의 일부로 사용되고 있으며, 머신러닝을 활용한 연소 불안정 모니터링 시스템을 모 기업의 실시간 감시 시스템으로 활용되고 있고, 효과나 활용도적인 측면에서 우수하다는 평가를 받을 때는 힘들었던 과거의 연구과정을 보상받는 기분이 들기도 합니다. 뿐만 아니라 연구적인 측면에서 끝나는 것 들도 그에 합당한 가치를 평가받기도 하지만 실제 시스템이나 현장에서 활용된다는 피드백을 받을 때 연구에 대하여 강한 자부심을 느끼게 됩니다.




9. 이 분야로 진학(사업) 하려는 후배들에게 조언해 주신다면?

- 실험 분야는 한 결과를 획득하기 위하여 매우 많은 시간과 노력이 투자되어야 합니다. 목적하는 연구결과를 만족하는 시험 장치를 설계하고 제작하는 데만 길게는 1년 넘게 걸리며 실험으로부터 획득된 데이터를 분석하고 문제점을 발견하고 수정하는데에 추가적인 시간이 소요될 수도 있습니다. 하지만 그러한 시간과 노력을 투자한다면 다른 어떤 연구자도 수행해 보지 못한 결과가 나올 수도 있으며 그 결과는 논문 혹은 특허라는 결실로 맺어지게 됩니다. 졸업 후 취업시장에 뛰어들때도 실험을 경험한 학위과정 학생은 그 과정을 인정해 주어 좋은 직장, 좋은 연구소에 취업할 수 있고, 어떠한 일, 프로젝트를 맡더라도 이전의 과정에 대한 경험이 시행착오의 시간을 줄여줄 수 있습니다. 그 과정이 힘들어 중도에 포기하는 분들도 꽤나 많습니다. 그 과정을 즐기라고는 못하겠습니다. 즐길 수 없거든요.. 끊임없이 탐구하고 시간을 투자한다면, 어디에서도 얻을 수 없는 달콤한 결실을 획득할 수 있을 겁니다.


10. 다른 하시고 싶은 이야기들.

- 메릭 세미나에 초대해 주셔서 감사합니다. 혼자만 하고 있다고 생각한 혼자만 알고 있다고 생각한 제 연구들이 많은 사람에게 영감을 주고 많은 관심을 받게 될지 몰랐습니다. 연구에 대하여 정진할 수 있는 새로운 기회가 되었던것같습니다. 11월 중순에 더욱 심화된 내용으로 세미나를 하게 될 것 같은데 그때도 많은 관심 부탁드립니다. 감사합니다.


*. 주성필 박사의 최근 대표 논문들.

- Experimental and numerical analysis of effect of fuel line length on combustion instability for H2/CH4 gas turbine combustor
- Thermoacoustic instability and flame transfer function in a lean direct injection model gas turbine combustor
- Prognosis of combustion instability in a gas turbine combustor using spectral centroid & spread
- A novel diagnostic method based on filter bank theory for fast and accurate detection of thermoacoustic instability
- Zero-crossing rate method as an efficient tool for combustion instability diagnosis.
  • Gas turbine
  • Combustion instability
  • Hydrogen combustion
  • Synthetic natural gas
  • Flame transfer function
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