[논문]몬테카를로 시뮬레이션을 통한 노후 디젤발전설비 교체기준 고찰

박명수; 송기욱; 서상일; 원동주

doi:10.3795/ksme-c.2014.2.2.089

몬테카를로 시뮬레이션을 통한 노후 디젤발전설비 교체기준 고찰
Investigation on Replacement Criteria for Aged Diesel Driven Power Generation Facility by Monte Carlo Simulation 원문보기

대한기계학회 논문집. C, 산업기술과 혁신, v.2 no.2, 2014년, pp.89 - 97

박명수 (한국전력공사 전력연구원) , 송기욱 (한국전력공사 전력연구원) , 서상일 (한국전력공사 배전운영처) , 원동주 (한국전력공사 배전운영처)

초록
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내륙의 주전력 공급계통과 단절되어 있는 도서지역은 대부분의 전력공급을 디젤발전설비가 담당하고 있다. 디젤발전설비는 특성상 예방정비 및 유지보수를 통해 사용수명을 연장시킬 수 있으나, 계속 사용에 따른 기계설비의 노후화 및 발전 효율 감소로 인해 운영비가 증가한다. 즉, 적기에 노후 발전설비를 교체할 경우 발전소 운영비용을 줄일 수 있다. 이에 본 연구에서는 디젤발전설비의 상태를 대표할 수 있는 지표를 도출하고, 몬테카를로 시뮬레이션을 이용하여 각 지표별 민감도 분석을 수행하고자 한다. 이를 통해 디젤발전설비의 현상태를 정량적으로 나타낼 수 있는 상태점수를 정의하고 이를 바탕으로 설비 교체의 기준을 마련하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

The diesel driven power generation facility provides most of electricity of island region where is isolated from the main land power supply system. It is possible to extend the life of diesel driven power generation facility by periodic maintenance. However, the long-term use of diesel driven power generation facility increases the operating cost due to aging hardware and reduced plant efficiency. In other words, on-time replacement of aging diesel driven power generation facility reduces plant operation cost. The purpose of this study presents major indicators to represent the characteristics of the diesel generator and conducts sensitivity analysis using Monte Carlo analysis. In addition, status core which indicates quantitatively the state of the diesel driven power generation facility is defined and prepare the replacement criteria based on the state score.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한, 몬테카를로 분석법과 실험계획법등의 통계적 기법을 이용하여 항목별 민감도 분석 및 발전설비의 상태점수 분포를 예측하였다. 그 결과를 바탕으로 노후화로 인해 교체가 필요한 설비의 기준점을 제시하였다. 본 연구를 통해 도서지역 디젤발전설비를 적기에 교체함으로써 도서지역 발전소의 운영비용이 절감되고, 정비 효율성이 증대되어 안정적 전력공급에 기여할 것으로 예상된다.
이에 본 연구에서는 디젤발전설비의 특성을 파악하여 노후화를 대표할 수 있는 지표를 도출하고자 한다. 또한, 몬테카를로 분석법을 이용하여 각 지표의 민감도 분석을 수행하고 이를 바탕으로 디젤발전설비의 현상태를 정량적으로 나타낼 수 있는 상태점수를 파악하여 적절한 디젤발전설비의 교체기준 정립에 이바지 하고자 한다.
본 연구에서는 도서지역의 전력공급을 위해 주로 사용되고 있는 디젤발전설비의 특징을 살펴보았다. 그 결과 장기 사용 시 설비 노후화에 따른 효율저하, 정비비용 증가 등과 같이 운영효율성이 떨어짐을 확인하였다.
그러나 디젤발전설비 전체에 대한 노후화 진행정도 및 상태를 정량적으로 확인하고 그 결과를 바탕으로 교체시기를 판단하는 등의 연구 활동은 활발하지 않았다. 이에 본 연구에서는 디젤발전설비의 특성을 파악하여 노후화를 대표할 수 있는 지표를 도출하고자 한다. 또한, 몬테카를로 분석법을 이용하여 각 지표의 민감도 분석을 수행하고 이를 바탕으로 디젤발전설비의 현상태를 정량적으로 나타낼 수 있는 상태점수를 파악하여 적절한 디젤발전설비의 교체기준 정립에 이바지 하고자 한다.

제안 방법

이때의 효율은 초기 발전효율인 26% 대비 약 5% point 감소한 21%임을 알 수 있다. B 발전소 모델의 경우 과거 일시적으로 유량계를 이용하여 호기별 연료사용량을 기록한 자료를 확보하여 개별효율을 산정하였다. 그 결과 Fig.
그리고 분석번호별 상태점수를 산출하기 위해 몬테카를로 해석법을 적용하였다. 각 분석번호에 해당하는 항목별 배점기준으로 3만 셋트의 임의의 지표값을 구성하고 셋트별 상태점수를 계산한 후 그 평균값을 분석번호에 해당하는 상태점수로 사용하였다. 그리고 항목별로 배점이 25점인 경우와 35점인 경우의 비율을 이용하여 Table 5와 같이 항목별 민감도를 얻을 수 있다.
중속 모델은 상대적으로 효율이 우수하며, 대용량 설비에 사용된다. 따라서 기존에는 선박 추진용과 같이 이동 설비중 대용량의 구동력이 필요한 곳에 중속모델을 적용하였다. 이에 반해 상대적으로 소용량이 요구되는 일반 산업계 및 발전설비에는 저속 모델을 사용하였다.
이에 디젤발전설비의 상태를 나타낼 수 있는 상태변수를 설비의 운영 경험 등을 토대로 사용성, 내구성, 경제성 항목으로 구분하여 도출하고 설비의 노후도를 정량적으로 나타낼 수 있는 상태점수를 정의하였다. 또한, 몬테카를로 분석법과 실험계획법등의 통계적 기법을 이용하여 항목별 민감도 분석 및 발전설비의 상태점수 분포를 예측하였다. 그 결과를 바탕으로 노후화로 인해 교체가 필요한 설비의 기준점을 제시하였다.
도서지역 발전설비의 노후 상태는 앞서 살펴본 설비의 특징 고려시 운전기간 등의 사용성, 발전효율 등의 내구성, 정비비용 등의 경제성 항목으로 나누어 표현이 가능하다. 발전설비의 노후화를 정량적으로 표현하기 위해 도서발전소의 운영경험을 토대로 발전설비의 항목별 노후 상태를 나타내는 요소를 지표변수로, 그리고 각 지표변수를 이용하여 설비의 현상태를 정량적으로 나타낸 값의 합을 상태점수로 정의하고 하였다. 각 항목별로 지표변수를 알아보면 다음과 같다.
이렇게 생성된 3만개 발전설비의 상태지표 및 노후도 평가표를 이용하여 각 발전설비의 상태점수를 산출하였다. 그리고 계산된 3만개의 상태점수를 토대로 Fig.
그 결과 장기 사용 시 설비 노후화에 따른 효율저하, 정비비용 증가 등과 같이 운영효율성이 떨어짐을 확인하였다. 이에 디젤발전설비의 상태를 나타낼 수 있는 상태변수를 설비의 운영 경험 등을 토대로 사용성, 내구성, 경제성 항목으로 구분하여 도출하고 설비의 노후도를 정량적으로 나타낼 수 있는 상태점수를 정의하였다. 또한, 몬테카를로 분석법과 실험계획법등의 통계적 기법을 이용하여 항목별 민감도 분석 및 발전설비의 상태점수 분포를 예측하였다.

대상 데이터

발전용 디젤엔진은 크게 피스톤, 크랭크축과 같은 구동부, 실린더 및 실린더헤드와 같은 정지부, 그 외의 연료공급설비, 냉각설비와 같은 부속설비 등으로 구성되어 있다. 이중 장기 사용에 따라 건전성에 문제가 발생하는 부분은 주로 각 부품의 연결부와 연료분사노즐, 각종 밸브와 같은 연료유·윤활유의 마지막 배출부 및 피스톤링, 실린더 라이너와 같은 구동부내 상대운동이 발생하는 부분이다.
이러한 현상을 확인하기 위해 현재 운영중인 2개 도서 발전소의 효율 변화 추이를 분석하였다. A 발전소는 1994년도에 설치된 80kW 급 모델 3개 호기가 운영중이며, B 발전소에는 1993년도에 설치된 450kW급 모델이 운영중이다.

이론/모형

우선 사용성, 내구성, 경제성 항목의 배점을 2가지 수준으로 나누어 Table 4와 같이 실험계획표를 구성하였다. 그리고 분석번호별 상태점수를 산출하기 위해 몬테카를로 해석법을 적용하였다. 각 분석번호에 해당하는 항목별 배점기준으로 3만 셋트의 임의의 지표값을 구성하고 셋트별 상태점수를 계산한 후 그 평균값을 분석번호에 해당하는 상태점수로 사용하였다.
그러나 발전설비의 노후화는 지표변수들간의 관계를 수식과 같은 분석적 방법으로 표현할 수 없다. 이에 다변수가 하나의 결과에 미치는 영향을 평가하는데 유용한 통계적 기법인 몬테카를로 분석법⁽⁵⁾과 실험계획법을 적용하였다. 우선 사용성, 내구성, 경제성 항목의 배점을 2가지 수준으로 나누어 Table 4와 같이 실험계획표를 구성하였다.
그러나 현재 운전되고 있는 발전설비의 수를 고려할 경우, 평가표 상의 지표변수인 운전시간, 발전효율 등의 7가지 변수가 다양하게 분포되어 있는 실제 발전설비를 찾는 것은 매우 어렵다. 이에 대한 해결책으로 몬테카를로 해석법을 이용하여 다양한 상태변수값을 갖는 발전설비를 생성하였다. 임의의 3만개 발전설비를 생성하되 각 발전설비를 7개의 상태지표로 나타내었다.

성능/효과

B 발전소 모델의 경우 과거 일시적으로 유량계를 이용하여 호기별 연료사용량을 기록한 자료를 확보하여 개별효율을 산정하였다. 그 결과 Fig. 7과 같이 1993년 설치 당시 인수 성능검사보고서를 통해 확인된 초기 설치 시 효율 32.3%와 1999년 31.7%에서 2002년 29.4%로 감소한 효율을 바탕으로 경험식을 추정한 결과 2013년 B 발전소 해당호기의 발전효율은 26%에 이를 것으로 예상되었다. 이는 초기 효율 32.
본 연구에서는 도서지역의 전력공급을 위해 주로 사용되고 있는 디젤발전설비의 특징을 살펴보았다. 그 결과 장기 사용 시 설비 노후화에 따른 효율저하, 정비비용 증가 등과 같이 운영효율성이 떨어짐을 확인하였다. 이에 디젤발전설비의 상태를 나타낼 수 있는 상태변수를 설비의 운영 경험 등을 토대로 사용성, 내구성, 경제성 항목으로 구분하여 도출하고 설비의 노후도를 정량적으로 나타낼 수 있는 상태점수를 정의하였다.
본 연구에서 제시한 교체 기준인 1σ 수준, 상태 점수 70점에 해당하는 설비는 중속모델 기준으로 약 7.7만 시간 운전되었고, 교체부품의 조달 소요기간이 65.7일에 이르는 등 현장에서 계속 운전 시 정비가 어렵고, 신형 모델 대비 발전효율이 낮아 경제성이 떨어지는 것을 확인하였다.
Table 2 및 Table 3은 국내에서 약 20년간 운전된 80kW 및 450kW 용량 디젤발전설비의 주요 소모성 부품 단가 및 유사 용량의 최근 생산되고 있는 모델의 부품 단가를 비교한 것이다. 분석 결과 품목별로 다소 차이는 있으나 80kW 모델의 경우 평균 9.6배, 450kW 모델의 경우 평균 3.8배의 조달비용 차이가 발생한다. 이는 상기 모델이 모두 단종된 모델로 시장에서 해당 모델의 부품에 대한 수요량이 적어 공급자가 가격 주도권을 확보하기 때문이다.
6과 같이 시간이 경과함에 따라 감소하는 경향을 보인 후 2009년부터 큰 변화가 없었다. 즉, A 발전소는 준공 후 약 15년, 5만 5천 시간 운전 후 발전효율이 저점 포화됨을 확인하였다. 이때의 효율은 초기 발전효율인 26% 대비 약 5% point 감소한 21%임을 알 수 있다.

후속연구

그 결과를 바탕으로 노후화로 인해 교체가 필요한 설비의 기준점을 제시하였다. 본 연구를 통해 도서지역 디젤발전설비를 적기에 교체함으로써 도서지역 발전소의 운영비용이 절감되고, 정비 효율성이 증대되어 안정적 전력공급에 기여할 것으로 예상된다.
위에서 제시된 노후도 평가표를 근간으로 하여 가능한 한 많은 수의 발전설비를 점검 후 그 결과를 바탕으로 상태점수의 확인이 필요하다. 그러나 현재 운전되고 있는 발전설비의 수를 고려할 경우, 평가표 상의 지표변수인 운전시간, 발전효율 등의 7가지 변수가 다양하게 분포되어 있는 실제 발전설비를 찾는 것은 매우 어렵다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	발전용 디젤엔진은 어떻게 분류되는가?	발전용 디젤엔진은 운전속도에 따라 1000rpm 이하를 중속모델, 1000rpm 이상을 고속 모델로 분류한다. 중속 모델은 상대적으로 효율이 우수하며, 대용량 설비에 사용된다.
	디젤발전설비의 특성은?	내륙의 주전력 공급계통과 단절되어 있는 도서지역은 대부분의 전력공급을 디젤발전설비가 담당하고 있다. 디젤발전설비는 특성상 예방정비 및 유지보수를 통해 사용수명을 연장시킬 수 있으나, 계속 사용에 따른 기계설비의 노후화 및 발전 효율 감소로 인해 운영비가 증가한다. 즉, 적기에 노후 발전설비를 교체할 경우 발전소 운영비용을 줄일 수 있다.
	도서지역에 디젤발전설비가 운영되는 이유는?	한전에서는 백령도, 울릉도와 같은 대형 섬을 포함하여 63개 도서에 약 91MW 용량의 자가발전설비를 운영하고 있다. 도서지역은 내륙에 비하여 상대적으로 전력수요가 작아 내륙의 원자력발전이나 기력발전과 같이 대용량 발전소의 건설 및 운영이 어렵다. 이에 대부분의 전력공급을 독립적으로 운영이 가능한 디젤발전설비가 담당하고 있다.

참고문헌 (5)

Seo, S. I., 2012, "Current Status of Electric Power Business in Island Region and Electric Self-Sufficiency Island," Journal of Korean Soc. Elec. Eng., Vol. 428, pp. 38-43.
Seo, S. I., 2013, "Support for Stable Electric Power Supply to Island and Isolated Regions," Journal of Korean Soc. Elec. Eng., Vol. 444, pp. 43-47.
Bae, Y. C., 2011, "Vibration Analysis and Reduction for Large-scale Diesel Engines," Trans. Korean Soc. Mech. Eng.(B), Vol. 35, No. 10, pp. 1047-1052.

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Lee, Y. J., 2011, "A Study on Effective Management Method for Engine Generator," Proceeding. of Korean Soc. Elec. Eng., pp. 1626-1627.
Yoon, H. Y., 2008, "Evaluation for Probabilistic Distributions of Fatigue Life of Marine Propeller Materials by a Monte Carlo Simulation," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 32, No. 12, pp. 1055-1062.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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