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문제 정의
- 따라서 본 논문에는 탄종별 경제성 분석을 위하여 먼저 최근 3년간(2010-2012년) 국내 5개 발전사에서 수입한 총 1755종의 탄종별 입하탄 자료를 수집하여 열량, 성상, 탄질 및 가격의 분포를 분석하였다. 그리고 분석 자료에서 열량대별 26종의 탄종을 선별하여 이에 대한 연소열성능 해석기법을 적용하여 탄종별 발전효율을 계산하고 열량 및 효율저하에 따른 석탄소요량 증가 및 발전소 소내소비 동력 증가분 등을 고려하여 탄종별 기초 경제성 평가를 수행하였다.
- 표준화력 발전소 연소열성능 해석 모델에 대한 구성요소 각각에 대한 물리적인 모사는 내용이 매우 방대하므로 본 논문의 목적상 생략하고, 이에 대한 예시로서 화로모듈의 일부분에 대한 간략한 기술을 하고자 한다.
제안 방법
- 따라서 본 논문에는 탄종별 경제성 분석을 위하여 먼저 최근 3년간(2010-2012년) 국내 5개 발전사에서 수입한 총 1755종의 탄종별 입하탄 자료를 수집하여 열량, 성상, 탄질 및 가격의 분포를 분석하였다. 그리고 분석 자료에서 열량대별 26종의 탄종을 선별하여 이에 대한 연소열성능 해석기법을 적용하여 탄종별 발전효율을 계산하고 열량 및 효율저하에 따른 석탄소요량 증가 및 발전소 소내소비 동력 증가분 등을 고려하여 탄종별 기초 경제성 평가를 수행하였다. 그러나 이번 논문의 범위에서는 탄종별 설비에 수명에 미치는 영향성과 발전소 고장 정비비용 등에 대한 평가는 현시점에서는 정량적인 평가기준이 불확실하기 때문에 제외하였다.
- 국내에 20 unit가 운전되고 있는 500 MW 표준화력 발전소에 대하여 보일러 화로, 열교환기, 터빈 및 터빈 보조기기를 상용코드인 PROATE[2]를 활용하여 모델링 하고, 탄종별 연소열성능 변화를 비교 분석하였다.
- 주요 단위 모듈은 보일러 화로본체, 열교환기, 보일러 보조기기(송풍기, 공기예열기, 과열저감기등), 고/중/저압터빈 및 터빈보조기(복수기, 급수가열기, 탈기기, 펌프류등) 등으로 구성하였다.
- 보일러 화로모델은 화로의 높이별 zone을 나누어 블록화된 다수의 화로 모듈을 연결하여 구성하였으며 각각의 화로 모듈은 가스흐름 입출력, 복사에너지 입출력 값을 서로 주고받는데 화로중 복사열전달 구역은 14개 zone으로 나누었고 대류열전달 구역은 8개 zone으로 나누어 구성하였다.
- 한편 수냉벽 튜브의 유체온도는 화로모듈의 벽면온도로 설정된다. 각각의 화로모델에는 실제 보일러의 해당부위의 형상, 치수, 반응이 입력 모사되며 다른 유틸리티 모듈과(화로 공연비제어, 화로 파울링, 수냉벽 섹션온도, 온도제어 등) 상호 연결되어 계산을 수행한다.
- BPF에서 요구되는 축동력은 보조터빈에 필요한 증기 엔탈피 및 유량으로 환산되어 터빈 추기량이 제어된다. 급수가열기도 설정된 조건을 만족시키는 추기 증기를 터빈에서 받도록 모델링하였다.
- 화로 벽면에서의 복사와 대류에 의한 열전달량은 stream 130에 의해 스팀측 모듈에 연결되어 water/steam stream에 energy를 부가하게 된다. 화로 단위섹션모델의 입력창에는 각종 형상정보, 벽면조건, 입출력 stream이 정의되며 다른 몇 개의 사용자연산 모듈 및 유틸리티 모듈과 연계되도록 정의하여 반응, 경계조건 설정 및 각종 모듈제어 기능이 구현되도록 처리 하였다.
- 개발된 표준화력 모델의 신뢰성 검증을 위하여 먼저 D화력 발전소 3호기의 기술규격에 명시된 performance data sheet와 비교 검증하였으며 적용된 탄종의 성상은 Table 4와 같다.
- 또한 실제 운전중인 발전소의 운전 data를 취득하여 모델의 신뢰도를 검증하는 방법도 시행하였다. 대상발전소는 D화력 1호기이며 준공후 약 14년을 운전한 상태이며 실측 data 취득을 위하여 발전소의 운전정보시스템(PI)에서 자동으로 운전 data를 취득할 수 있는 엑셀 매크로를 구성하여 총 720 set(10분 간격 point별 1분 평균치)를 취득하였다.
- 탄종별로 정격출력을 내기위한 조건으로 3항 ‘탄종/열량별 연소열성능 시뮬레이션’의 결과를 토대로 설계탄과의 발열량차이 및 발전효율 차이를 고려하여 평가하였으며 소내소비율은 발전소의 운전자료에서 도출한 소내동력소비 추세선 수식을 활용 하였다.
- 탄종별로 정격출력을 내기위한 조건으로 3항 ‘탄종/열량별 연소열성능 시뮬레이션’의 결과를 토대로 설계탄과의 발열량차이 및 발전효율 차이를 고려하여 평가하였으며 소내소비율은 발전소의 운전자료에서 도출한 소내동력소비 추세선 수식을 활용 하였다. 이러한 기준으로 겉보기 수입연료비 단가에 다음과 같은 보정지수를 적용하여 실제 비용을 나타내는 보정 연료비 단가를 산출하였다.
- 2.1항 ‘2010-2012년 국내도입탄종 분석결과’에서 나타난 바와 같이 탄종, 시점 및 조건별 수입가격의 편차가 심하므로, 일반적인 경향예측을 위하여 26개 탄종에 대한 수입가격을 실제 수입가격이 아닌, Fig. 1에서 도출한 발열량별 수입단가의 추세선 수식을 활용하여 일반적인 예상단가로 적용한 후 평가를 수행하였다.
- 소내동력 소비율 보정은 Fig. 15와 같이 표준화력인 국내 H 발전소에서 실측된 석탄 발열량별 소내소비 동력 data[4]를 활용하여 보일러및 터빈은 물론 탈황, 회처리, 집진설비등 전체 보조기기를 고려하였다.
대상 데이터
- 최근 국내에 도입되고 있는 탄종을 분석하기 위하여 2010-2012년 기간중 국내 5개 발전사가수입한 입하탄 자료의 대부분을 확보하였다.
- 수집된 입하탄 자료는 총 1,755종이며 인수식 고위 발열량 기준으로 약 4,000-6,500 kcal/kg의 범위에 분포되고 있었다. 분석결과 Fig.
- 표준화력 발전소 계통에 대한 연소열성능 해석 모델은 보일러 및 터빈계통 전체에 대한 해석을 위하여 Fig. 6과 같이 공정모듈(화로, 열교환기, 공기예열기 등)은 총 240개, 제어모듈(효율계산, 변수제어, 사용자 연산, 모듈제어 기능 등)은 총 104개가 사용되었으며 각각의 모듈들을 가스, 증기, 파워 및 제어 stream으로 연결하였다.
- 또한 실제 운전중인 발전소의 운전 data를 취득하여 모델의 신뢰도를 검증하는 방법도 시행하였다. 대상발전소는 D화력 1호기이며 준공후 약 14년을 운전한 상태이며 실측 data 취득을 위하여 발전소의 운전정보시스템(PI)에서 자동으로 운전 data를 취득할 수 있는 엑셀 매크로를 구성하여 총 720 set(10분 간격 point별 1분 평균치)를 취득하였다. 다음의 결과는 2013년 1월 11일 오전 10시에 대한신뢰도 검증결과이다.
- 시뮬레이션에 적용된 석탄 탄종은 Table 3과 같이 2010-2012년 국내 발전사가 수입한 탄종중 열량대별로 26종을 선별하여 발췌하였으며, 기존 국내 500MW급 석탄화력 발전소의 설계 기준탄과의 비교를 통하여 평가하였다.
이론/모형
- 따라서 ASME PTC 4 기초로 손실법[3]을 사용하여 효율저하 원인을 분석하였다.
성능/효과
- 2와 같이열량과 수분함량이 반비례하고 회분은 비례하는 분포가 나타나므로 국내 수입되는 저 열량탄은 전형적인 아역청탄 계열들로 판단되었다. 아역청탄을 사용할수록 연료비 단가는 절감되나, 열량 및 효율저하에 따른 석탄사용량 증가 및 수송비 증가를 고려해야 됨을 알 수 있었다. 또한 석탄사용량 증가에 따라 송풍기, 미분기등 보조기기 동력 및 하역/석탄이송 설비의 전력소모량 증가를 고려해야 할 것이다.
- 전체 모델에 적용된 방정식의 개수와 변수의 개수는 일치해야 하며, 해석 대상의 목적에 따라 상수와 변수를 적절하게 변경지정 할 수 있다. 예를 들면 어떤 특정 전열면의 입 출구에 대한 발전소 실측 운전 data를 받아 상수로 입력하고 기기 모델링 data를 변수로 계산하면 실측성능 분석 및 상태 평가용으로 활용가능하고, 반대로 입구조건과 기기상태를 상수로 지정하면 해당조건에서의 출구측 상태를 예측하는 기능으로 활용할 수 있다.
- 표준화력 모델에는 다양한 부하에서의 모사를 가능하게 하기 위해서 각각의 단위기기 모듈에 부하별 성능커브를 입력하였으며 실제 발전소의 운전제어 특성을 반영한 모듈제어 기능을 구성하였다. 이에 대한 신뢰성 검증을 위하여 100% 부하는 물론 110% 75% 50% 부하등 다양한 부하조건에서 performance data 값과 해석 값을 비교하였고, 그 결과 Table 5에 나타난 바와 같이 모델의 예측 신뢰도가 양호한 것으로 판단할 수 있었다.
- 한편 표준 화력에 대한 모델은 신품발전소를 가정한 상태이나, 실제 D 발전소는 오랜 시간 운전되어 기기의 열화가 있는 상태이고 실제운전 조건에 따라 각 전열면 내부 및 외부의 오염상태의 변화에 의해 압력저항 및 열저항이 변화된 상태이다. 따라서 실측 data를 활용한 해석 모델 튜닝 기법을 적용하였다(예: 최종과열기의 전후단 증기압력 실측 data를 활용하여 해석모델 최종과열기 모듈의 압력저항 계수를 튜닝) 상기기법을 적용하여 모델을 튜닝하면 더욱 정확한 모사가 가능한 것으로 나타났다.
- 국내 발전사의 수입 탄종별(열량순) 보일러효율 및 발전소 효율을 분석결과 Fig. 9 및 10과 같이 저열량탄 일수록 수분손실, 배가스 손실 등의 증가로 인하여 효율감소 경향이 크게 나타났다. 저열량탄은 효율 저하 및 낮은 발열량에 의한 영향에 따라 석탄의 소모량이 기준치 대비 증가되며 이에 따라 보조기기 소모동력이 증가된다.
- 국내 발전사의 수입 탄종은 Fig. 11과 같이 저열량탄 일수록 주요 수분 손실이 효율 저하의 주요인으로 파악되었으며, 그 외에 수소손실 및 건 배기가스 손실이 증가 되는 경향이 나타났다.
- 보일러의 폐열을 회수하는 공기예열기의 출구측 배기가스 온도역시 Fig. 12와 같이 저열량탄 일수록 선형적으로 증가되는 경향을 보였다. 그리고 운전측면에서는 Fig.
- 26개 탄종에 대한 실 수입단가 적용 평가결과 Fig. 14 및 Table 9와 같이 저열량 탄일수록 가격이 저렴(기준대비 최저 64%) 하였으나, 열량, 효율 및 소내 소비동력을 고려한 보정단가에서는 탄종별로 가격경향이 다르게 나왔으며, 전체적으로 열량, 효율 및 소내동력을 고려하면 수입단가의 가격절감 효과가 대폭 감소하는 것으로 예측되었다.
- 그 결과 Fig. 16 및 Table 10에 나타난 바와 같이 겉보기 수입가격으로 단순 비교하면 약 4,000 kcal/kg의 저열량탄의 경우 기존 6,080 kcal/kg인 설계탄 대비 약 57.9% 정도로 가격이 저렴한 것으로 예상된다.
- 1) 열량대별 탄종 26종에 대한 열성능해석 결과, 저 열량탄일수록 주요 수분 손실이 효율 저하의 주 요인으로 파악되었으며, 그 외에 수소손실 및 건 배기가스 손실이 증가 되는 경향이 나타났다.
- 2) 저 열량탄일수록 겉보기 단가는 저렴(기준 설계탄 대비 최저 57.9%, 4,000 kcal/kg급) 하였으나, 열량, 효율 및 소내동력 소비를 고려한 보정단가에서는 기준대비 90.7%로 평가되는 등 가격절감 효과가 대폭 감소되어 설계탄 대비 약 9.3%로 예측되는바 저 열량탄의 경제성이 당초 기대 만큼 크지는 않았다.
- 그러나 열량저하, 발전효율 및 소내동력 소비증가분을 고려하여 보정후 연료비 단가를 재 평가하면 약 90.7%로 계산되는바, 가격절감 효과는 불과 설계탄 대비 9.3% 정도로서 당초 기대보다 대폭 감소되는 것으로 나타났다. 상기 결과는 발전소 수명감소 및 고장정지 비용의 증감은 고려되지 않은 결과이며, 향후 이를 고려하면 탄종별 가격절감 효과는 더욱 감소되어 평가 될 수 있을 것이다.
후속연구
- 아역청탄을 사용할수록 연료비 단가는 절감되나, 열량 및 효율저하에 따른 석탄사용량 증가 및 수송비 증가를 고려해야 됨을 알 수 있었다. 또한 석탄사용량 증가에 따라 송풍기, 미분기등 보조기기 동력 및 하역/석탄이송 설비의 전력소모량 증가를 고려해야 할 것이다.
- 이에 따라 보일러 설비에 슬랭깅에 의한 장애발생이 예상된다. 또한 수분증가 및 회분감소에 따라 복사열전달은 감소하고 보일러 후부 대류 전열면에서의 열 흡수량이 증가되는 문제점을 고려해야 할 것이다. 한편 수입된 저열량탄은 Fig.
- 3% 정도로서 당초 기대보다 대폭 감소되는 것으로 나타났다. 상기 결과는 발전소 수명감소 및 고장정지 비용의 증감은 고려되지 않은 결과이며, 향후 이를 고려하면 탄종별 가격절감 효과는 더욱 감소되어 평가 될 수 있을 것이다.
- 3) 석탄 수입 단가 검토시 겉보기 단가에 추가하여 발전효율, 발열량, 수송비 및 소내 소비율을 고려한 보정단가 개념을 도입하여 전략적인 계약관리를 시행하는 것이 필요하다. 이를 위하여 탄종별 열성능 해석을 활용한 탄종 경제성 평가기법이 유용한 도구가 될 수 있을 것이다.
- 3) 석탄 수입 단가 검토시 겉보기 단가에 추가하여 발전효율, 발열량, 수송비 및 소내 소비율을 고려한 보정단가 개념을 도입하여 전략적인 계약관리를 시행하는 것이 필요하다. 이를 위하여 탄종별 열성능 해석을 활용한 탄종 경제성 평가기법이 유용한 도구가 될 수 있을 것이다.
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