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문제 정의
- 본 연구에서 저급탄을 사용하는 순환유동층 보일러 발전설비의 경제성 평가와 분석을 위하여 고급탄을 사용하는 동급의 미분탄연소 보일러 발전설비와의 경제성을 내부수익율, 순현가, 회수기간을 바탕으로 비교하였다.
- 본 연구에서는 유동층 보일러 구조와 기술, 그리고 국내 실적을 알아보고, 저급탄 연료의 사용이 가능한 순환유동층 보일러 발전설비의 경제성을 분석하여 순환유동층 보일러 발전설비의 유용성을 평가하여 석탄연료의 다변화 확대를 위한 가치 있는 발전설비로서 제시하고자 한다.
제안 방법
- 3%로 기준하여 매년 물가상승률을 적용하였고, 연료비는 미분탄연소 보일러 발전설비의 연료인 고급유연탄을 2010년도 한국전력도입 평균가인 미화 94불로 설정하고, 순환유동층 보일러 발전설비는 발열량 4,200 kcal/kg인 인도네시아 석탄 판매가격 미화 54불을 기준으로 연간 물가상승률을 적용하였다. 감가상각비는 총투자비용 중 사업주운영비와 부지비를 제외한 금액을 운전기간인 30년 동안 균등분할하여 배분하는 것으로 적용하였다. 운전기간 중 수입은 전기판매비용과 용량요금의 합계인 수입에서 지출비용인 연료비와 운전비, 그리고 감각상각비를 뺀 금액이다.
- 사용되는 연료비는, 고급유연탄은 2010년 한국전력도입 평균단가와 저급탄은 인도네시아 석탄의 2008년도 판매단가를 기준으로 물가상승률을 적용하였다. 건설 기간은 4년, 운영기간은 30년으로 하였으며 물가상승률과 할인율은 각각 3%, 7%를 기준으로 하여 각각의 설비의 내부수익률과 순현가 그리고 회수기간을 산출하여 상대비교 분석하였다. 설비비와 연료비를 제외하고 적용하는 수치는 각각의 설비에 동일하게 적용하여 비교분석을 위한 객관성을 유지하도록 하였으며 국내외 문헌연구, 도서 및 웹사이트를 활용하여 진행하였다.
- 건설비용은 500 MW급 석탄화력 2기의 총 1000 MW 발전설비를 기준으로 각각의 설비의 유사사업 사업비를 기준으로 건설비용을 포함한 총투자비용을 산정하였다. 건설비(EPC)는 미분탄연소 발전설비는 180만 원/kW을 기준으로 하여 1조 8,000억 원을 설정하였고, 순환유동층 보일러는 약 10% 높은 2조 원으로 설정 하였다. 이외에 기타비용은 사업준비비와 타당성조사 그리고 인허가비용 등의 사업개발비(project development cost), 설계 및 자문용역비(consulting cost)로서 유사사업 사례를 참고하여 설정하였다.
- Table 4는 각 설비의 총투자비용이다. 건설비용은 500 MW급 석탄화력 2기의 총 1000 MW 발전설비를 기준으로 각각의 설비의 유사사업 사업비를 기준으로 건설비용을 포함한 총투자비용을 산정하였다. 건설비(EPC)는 미분탄연소 발전설비는 180만 원/kW을 기준으로 하여 1조 8,000억 원을 설정하였고, 순환유동층 보일러는 약 10% 높은 2조 원으로 설정 하였다.
- 경제성 분석은 저급탄을 사용하는 순환유동층 보일러 발전설비와 고급탄을 사용하는 미분탄연소 보일러 발전설비의 경제성을 분석하여 비교 평가하였다. Table 4는 각 설비의 총투자비용이다.
- 전력요금은 초년도 98원/kWh으로 단계별 인상가를 적용하여 최고 126원/kWh를 적용하고, 연료비의 경우 미분탄 발전설비용 고급유연탄은 2010년 한국전력도입 평균단가 발열량 6,000 kcal/kg인 석탄의 미화 94불, 순환유동층 보일러 발전설비용 저급탄은 발열량 4200kcal /kg인 인도네시아 석탄 판매가격인 미화 54불을 기준으로 연간 물가상승률을 적용하였다. 경제성 분석을 위하여 각 설비별 사업기간 동안에 총투자비와 전기판매수입 및 발전소운영비용을 배분하여 현금흐름을 작성하고 경제성 지표를 산출하였다. 미분탄연소 발전소의 내부수익률이 12.
- 경제성 분석을 위한 현금흐름은 총투자비용과 수입의 원천인 전기판매수입 그리고 연료비와 발전소 운전비용으로 구성된 운영비를 사업기간 동안에 배분하여 작성하였다. 사업주비용은 사업 준비기간 6년에 나누어 비용을 배분하였고, 건설비는 1차년도 5%, 2차년도 30%, 3차년도 50%, 4차년도 15%로 공정율을 고려하여 투자되는 것으로 작성하였다.
- 경제성 분석을 위해 본 연구에서는 사업준비기간을 포함한 사업기간 동안에 순환유동층 보일러 발전설비와 미분탄연소 보일러 발전설비 각각의 투자비와 전기판매수입 그리고 발전소 운영비용의 현금흐름을 작성하고 각 설비별 현금흐름에 따른 내부수익률, 자본회수기간, 순현가를 산출하여 경제성을 비교 평가하였다.
- 순환유동층 보일러의 설계인자로는 연소용 공기의 주입량, 유입구 위치선정 및 연료의 휘발분과 고정탄소의 함량을 고려하고 연소용 공기가 균일하게 유입되도록 하며, 연료의 안정성과 효율의 증대를 위하여 온도, 체류시간 그리고 유동조건을 만족시키는 방안으로 연소개념을 갖고 설계한다. 또한 회분의 용융, 응착 그리고 융착은 사용연료의 특성과 연소실 내의 온도조건 등을 고려하여 설비의 운전 신뢰도를 제고할 수 있도록 하고 마모와 부식 문제에 유의하여 돌출부를 줄이거나 내마모성 재질을 선택하여 설계한다.
- 발전소 운영비(O&M cost)는 건설비의 2.3%을 기준으로 하였고, 연료비는 미분탄연소 보일러 발전설비의 연료인 고급유연탄은 2010년도 한전도입 평균가인 미화 94불로 설정하고 순환유동층 보일러 발전설비는 발열량 4,200 kcal/kg인 인도네시아 석탄 판매가격인 미화 54불을 기준으로 연간 물가상승률을 적용하였다.
- 본 논문의 연구방법은 저급탄 연료를 사용하는 순환유동층 보일러 발전설비와 고급탄 연료인 유연탄을 사용하는 미분탄연소 보일러 발전설비의 경제성을 비교하여 평가하였고, 경제성 평가기준은 500 MW 동급용량을 기준으로 각 설비의 최근 수행 및 계획되고 있는 사업들의 건설비와 성능을 준용하였으며, 전력비는 현재의 기저부하용 에너지전력단가와 용량단가에 단계별 인상율을 추정하여 적용하였다. 사용되는 연료비는, 고급유연탄은 2010년 한국전력도입 평균단가와 저급탄은 인도네시아 석탄의 2008년도 판매단가를 기준으로 물가상승률을 적용하였다.
- 사업주운영비(operation expense), 시운전비(pre operation cost)도 유사사례의 수치를 기준으로 하고, 건설비의 3.5%를 예비비(contingency), 금융자문 및 금융조달 수수료(financing related fees), 그리고 건설 중 이자(interest during construction)도 포함하여 구성하였다. 총투자비용은 순환유동층 보일러 발전설비는 2조 6,125억원, 미분탄연소 보일러 발전설비는 약 10% 적은 2조 3,855억 원으로 산정하였다.
- 사업준비기간은 총 6년으로 나누어 비용을 배분하였고, 건설기간은 4년으로 건설비의 배분은 1차년도 5%, 2차년도 30%, 3차년도 50%, 4차년도 15%로 설정하고 설비의 운전기간은 30년으로 하였다.
- 건설 기간은 4년, 운영기간은 30년으로 하였으며 물가상승률과 할인율은 각각 3%, 7%를 기준으로 하여 각각의 설비의 내부수익률과 순현가 그리고 회수기간을 산출하여 상대비교 분석하였다. 설비비와 연료비를 제외하고 적용하는 수치는 각각의 설비에 동일하게 적용하여 비교분석을 위한 객관성을 유지하도록 하였으며 국내외 문헌연구, 도서 및 웹사이트를 활용하여 진행하였다.
- 수익의 현재가치 총합과 비용의 현재가치 총합의 차이로 식 (2)에서와 같이 계산하였다. 순현재가치는 총투자에 대한 가치를 현재가치로 환산하여 그 크기로 경제성 판단의 지표로 삼을 수 있으며 순환유동층 보일러 발전설비와 미분탄연소 보일러 발전설비의 비교를 통한 경제성 선정에 활용하였다.
- 순환유동층 보일러의 설계인자로는 연소용 공기의 주입량, 유입구 위치선정 및 연료의 휘발분과 고정탄소의 함량을 고려하고 연소용 공기가 균일하게 유입되도록 하며, 연료의 안정성과 효율의 증대를 위하여 온도, 체류시간 그리고 유동조건을 만족시키는 방안으로 연소개념을 갖고 설계한다. 또한 회분의 용융, 응착 그리고 융착은 사용연료의 특성과 연소실 내의 온도조건 등을 고려하여 설비의 운전 신뢰도를 제고할 수 있도록 하고 마모와 부식 문제에 유의하여 돌출부를 줄이거나 내마모성 재질을 선택하여 설계한다.
- 운전기간 중 수입은 전기판매비용과 용량요금의 합계인 수입에서 지출비용인 연료비와 운전비, 그리고 감각상각비를 뺀 금액이다. 실제 현금흐름은 운전기간의 수입을 기준으로 부과된 세금을 뺀 실제수입에 회계상의 비용인 감가상각비를 더하여 산출하였다. 각 설비별 현금흐름은 Table 5와 Table 6으로 요약하여 작성하였다.
- 운전비용으로 발전소 운영비(O&M cost)는 건설비의 2.3%로 기준하여 매년 물가상승률을 적용하였고, 연료비는 미분탄연소 보일러 발전설비의 연료인 고급유연탄을 2010년도 한국전력도입 평균가인 미화 94불로 설정하고, 순환유동층 보일러 발전설비는 발열량 4,200 kcal/kg인 인도네시아 석탄 판매가격 미화 54불을 기준으로 연간 물가상승률을 적용하였다.
- 이중 동해화력발전소는 발전전용 보일러로서 국내 무연탄(anthracite)을 연료로한 국내 최초의 순환유동층 보일러를 적용하였으며, 순환유동층 보일러는 Alstom사에서 설계한 것이다. 운전특성을 고려하여 30% 부하에서부터 100% 부하까지 부하변동을 할 수 있는 기저 부하용으로 설계하여 건설하였다. 최근 준공한 여수 2호기는 기존의 노후화된 석유보일러를 순환유동층 보일러로 교체한 경우로 용량이 340 MW급으로 국내 최대 순환유동층 보일러로서 Foster Wheeler사의 설계를 채택하여 국내 두산중공업에서 제작/공급하였다.
- 사업준비기간 2년, 건설기간은 4년 그리고 운전 기간은 30년을 기준으로 하였으며, 할인율과 물가상승률은 7%와 3%를 기준으로 하였다. 전력요금은 초년도 98원/kWh으로 단계별 인상가를 적용하여 최고 126원/kWh를 적용하고, 연료비의 경우 미분탄 발전설비용 고급유연탄은 2010년 한국전력도입 평균단가 발열량 6,000 kcal/kg인 석탄의 미화 94불, 순환유동층 보일러 발전설비용 저급탄은 발열량 4200kcal /kg인 인도네시아 석탄 판매가격인 미화 54불을 기준으로 연간 물가상승률을 적용하였다. 경제성 분석을 위하여 각 설비별 사업기간 동안에 총투자비와 전기판매수입 및 발전소운영비용을 배분하여 현금흐름을 작성하고 경제성 지표를 산출하였다.
- 발전설비 효율은 송전단 기준으로 41%로 동일하게 보았다. 할인율과 이자율은 각각 7%와 3%을 기준으로 전력요금은 초년도 97원/kWh를 기준으로 단계적 상승하여 126원/kWh까지 상승하는 것으로 전기판매요금을 동일하게 적용하였다.
대상 데이터
- 최근 준공한 여수 2호기는 기존의 노후화된 석유보일러를 순환유동층 보일러로 교체한 경우로 용량이 340 MW급으로 국내 최대 순환유동층 보일러로서 Foster Wheeler사의 설계를 채택하여 국내 두산중공업에서 제작/공급하였다. 보일러 노의 크기는 45 m, 높이 9.5 m, 폭 25 m 넓이이며 유동입자 분리장치의 크기는 직경 5.08 m이다. 설계기간을 포함하여 약 39개월 가량 소요된다.
- 본 논문의 연구방법은 저급탄 연료를 사용하는 순환유동층 보일러 발전설비와 고급탄 연료인 유연탄을 사용하는 미분탄연소 보일러 발전설비의 경제성을 비교하여 평가하였고, 경제성 평가기준은 500 MW 동급용량을 기준으로 각 설비의 최근 수행 및 계획되고 있는 사업들의 건설비와 성능을 준용하였으며, 전력비는 현재의 기저부하용 에너지전력단가와 용량단가에 단계별 인상율을 추정하여 적용하였다. 사용되는 연료비는, 고급유연탄은 2010년 한국전력도입 평균단가와 저급탄은 인도네시아 석탄의 2008년도 판매단가를 기준으로 물가상승률을 적용하였다. 건설 기간은 4년, 운영기간은 30년으로 하였으며 물가상승률과 할인율은 각각 3%, 7%를 기준으로 하여 각각의 설비의 내부수익률과 순현가 그리고 회수기간을 산출하여 상대비교 분석하였다.
- 주요 순환유동층 보일러 기술은 주요 보일러 제작사인 Lurgi, Alstom 그리고 Foster Wheeler에서 기술을 보유하고 있고 현대중공업에서 Alstom의 기술을 제공받아 다수 사업에 공급하였고 이후 여수화력과 삼척화력에는 Foster Wheeler사의 설계기술을 도입하였다. 사용연료는 주로 수입 유연탄인 역청탄(bituminous coal)이나 아역청탄(sub bituminous coal) 그리고 석유부산물(pet coke)과 국내 무연탄(anthracite)을 연료로 사용하고 있다. 이중 동해화력발전소는 발전전용 보일러로서 국내 무연탄(anthracite)을 연료로한 국내 최초의 순환유동층 보일러를 적용하였으며, 순환유동층 보일러는 Alstom사에서 설계한 것이다.
성능/효과
- Table 7은 각 설비별 현금흐름에 따라 내부수익률과 순현가, 그리고 자본회수기간을 산출한 경제성 지표 결과이다. 고급탄을 연료로 하는 미분탄연소 보일러 발전설비의 경우 내부수익률이 12.95%, 순현가는 1조 3,959억원 그리고 자본회수기간은 6.26년으로 내부수익률이 할인율 7%를 상회하고 순현가도 양수로 나타나서 투자대비 사업성이 있음을 알 수 있었다. 저급탄을 연료로 하는 유동층보일러 발전설비는 미분탄연소 보일러 발전설비보다 내부수익률에서 0.
- 26년으로 기준 할인율 7%를 상회하며 투자대비 사업성이 있는 것으로 분석되었다. 또한, 순환유동층 보일러 발전설비의 내부수익률이 13.54%, 순현가는 1조 7,043억 원, 자본회수기간은 6.02년으로 기준 할인율 7%를 상회하여 두 종류의 석탄화력 발전설비 투자대비 사업성을 확보하고 있으나, 순환유동층 보일러 발전설비가 미분탄연소 보일러 발전설비보다 내부수익률이 0.59%, 순현가는 3,084억 원 높은 것으로 분석되었고 자본회수기간은 0.24년 짧아 모든 평가지표에서 경제성이 높은 것으로 평가되었다.
- 경제성 분석을 위하여 각 설비별 사업기간 동안에 총투자비와 전기판매수입 및 발전소운영비용을 배분하여 현금흐름을 작성하고 경제성 지표를 산출하였다. 미분탄연소 발전소의 내부수익률이 12.95%, 순현가는 1조 3,959억 원, 자본회수기간은 6.26년으로 기준 할인율 7%를 상회하며 투자대비 사업성이 있는 것으로 분석되었다. 또한, 순환유동층 보일러 발전설비의 내부수익률이 13.
- 26년으로 내부수익률이 할인율 7%를 상회하고 순현가도 양수로 나타나서 투자대비 사업성이 있음을 알 수 있었다. 저급탄을 연료로 하는 유동층보일러 발전설비는 미분탄연소 보일러 발전설비보다 내부수익률에서 0.59% 높은 13.54%이며, 순현가도 3,084억 원 많은 1조 7,043억 원, 자본회수기간은 0.24년 짧은 6.02년으로 평가되었다.
- 주요분석 기준은 동일용량의 500 MW급 2기를 기준으로 순환유동층 보일러 발전설비와 미분탄연소 보일러 발전설비의 총투자비용을 각각 2조 6,125억 원과 2조 3,855억 원으로 순환유동층 보일러 발전설비를 약 10% 높게 설정하였다. 사업준비기간 2년, 건설기간은 4년 그리고 운전 기간은 30년을 기준으로 하였으며, 할인율과 물가상승률은 7%와 3%를 기준으로 하였다.
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