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문제 정의
- 대용량 전력 수요지에 위치한 서울화력발전소 제5호기는 전력예비율 조절을 위하여 매년 평균 40회의 주말기동정지를 시행하고 있는데 기동정지의 반복에 따라 많은 양의 에너지가 소비된다. 따라서 본 연구에서는 서울화력발전소 제5호기 온간기동 프로세스의 보일러 강제순환펌프 입구 관수온도 상승률에 대한 분석을 통하여 이를 개선함으로써 기동시간을 단축하고 안정적 전력수급에 대한 융통성을 증대하고자 한다.
- 본 연구에서는 발전소 기동시간을 단축하기 위하여 기동 시간과 밀접한 관련이 있는 강제순환펌프 입구 관수온도 상승률을 개선하기 위하여 연구대상 발전설비인 서울화력발전소 제5호기의 관수온도 상승률을 분석하여 개선하고 기동시간예측과 실적관리를 위하여 기동시간 종합관리 프로그램을 적용하였으며 그 결과로 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- 2에 표시하였다. 개선 전 그림은 2009년도 12회의 온간기동 실적을, 개선 후 그림은 2010년도 26회의 온간기동 실적을 분석하였다. 도표의 X축은 기동에 소요되는 시간을 분단위로 표시하고, Y축은 기동횟수를 표시하고 있다.
- 따라서 관수온도 상승률의 개선은 추가비용 없이 기동시간 단축에 크게 기여할 것으로 판단되며 기존 운전조작설명서에 명시된 관수 및 증기온도 상승률 70℃/h를 상향조정하고자 전력기술 전문기관인 두산중공업, 전력연구원, 제너럴일렉트릭에서 상승률에 대한 설계기준 자료를 확인할 수 없어 전력그룹사 산하의 발전기 온도상승률 조사결과 드럼형식이면서 강제순환 보일러가 있는 삼천포 1~4호기, 서천 1, 2호기, 보령 1, 2호기의 수냉벽 튜브재질은 탄소강계열인 SA210(STB)을 사용하고 관수온도 온도상승률은 110℃/h로 규정하고 있으며, 관류형 보일러인 보령 3~8호기, 삼천포 5~8호기, 영흥 1~4호기, 당진 1~6호기, 태안 1~6호기, 하동 1~8호기의 수냉벽 튜브재질은 합금강 계열인 15MO313CRM을 사용하고 관수온도 상승률은 220℃/h로 규정하고 있고, 드럼형식이면서 강제순환펌프가 없는 서울화력발전소 제4호기의 경우 52℃/h로 규정하고 있음을 확인하였다. 따라서 발전회사에 설치된 다양한 형식의 보일러와 수냉벽 튜브재질 온도상승률 규정을 분석한 결과를 바탕으로 드럼 형식이면서 탄소강계열의 수냉벽 튜브를 사용한 강제순환 보일러인 서울화력발전소 제5호기의 온도상승률을 110℃/h로 변경하기로 결정하였다. 하지만 서울화력발전소 제5호기는 1969년 준공 이후 40년간 장기간 운영된 발전소로 계획예방정비공사 기간 중 보일러 튜브의 부분적인 교체 공사와 1993년 주연료를 저유황유에서 천연가스로 연료전환공사를 시행하면서 수냉벽 튜브의 점검결과 양호한 것으로 판단되어 연소특성을 고려한 과열기와 재열기 튜브만을 교체하였으므로 40년인 보일러 튜브설계수명이 거의 소진되었기에 보일러 설계의 경우 일반적으로 적용되는 여유 13.
- 분사 당시에는 발전회사 최고의 경영목표가 발전설비의 안정적 운영이었으나 2010년도에 시장형 공기업으로 지정되어 경영실적 평가기관이 한전에서 기획재정부로 변경된 이후 발전설비 운영비용 절감 또한 중요한 목표로 자리매김을 하였다. 따라서 본 연구에서는 서울화력발전소 제5호기의 온간기동 프로세스의 보일러 관수온도 상승률을 증가시켜 온간기동 프로세스의 기동시간을 단축한 것으로 총 5개의 장으로 구성되어 있으며 각 장의 연구내용은 다음과 같다. 1장은 서론으로서 연구 배경 및 목적을 기술하였다.
- 하지만 주5일제 근무 등으로 생활방식이 변화하면서 주중의 전력수요는 급증하고 주말에는 급감하면서 매주 기동정지를 반복하므로 기동시간과 운영비용에 대한 검토를 시행하여 2009년에 보일러 강제 순환펌프 입구의 관수온도 및 증기온도 상승률을 70℃/h에서 95℃/h로 변경하게 되었다. 또한 매주 기동과 정지를 함으로써 설비상태에 따른 기동시간을 예측하고 실적관리를 위하여 기동시간 종합관리 프로그램을 운영하여 기동 관리에 적용하였다. 보일러 강제순환펌프 입구 관수온도 상승률 개선 및 기동실적 관리프로그램의 적용 이후 효과 분석표를 Fig.
- 서울화력발전소 제5호기는 매년 빈번한 주말정지를 시행하며 온간기동을 시행함에도 온간기동 프로세스에 대한 전체적인 시간과 연료비, 수전전력비 등 실적관리와 실적에 대한 분석이 미흡함을 확인하였으며 이를 종합적으로 관리할 수 있도록 프로그램을 구성하여 운영하였다. 프로그램의 주요 구성내역은 온간기동 프로세스에 있어 보일러 점화에서 보일러 강제순환펌프 입구 관수온도 350℃, 복수기 진공도 650 mmHg, 터빈구동에서 병입까지 3개의 구간으로 나누어 기준시간을 설정하여 표준으로 운영하였다.
- 좌측은 비교변수를 우측은 개선 전후 변수의 효과를 나타내고 있는데 평균 기동 시간, 표준편차, 분산, 왜도, 첨도 등 모든 변수가 개선되었음을 나타내고 있다. 이 표에서 최댓값과 최솟값이 평균에서 비교적 많이 떨어져 있으므로 Grubbs Test로 신뢰할 수 있는 값인지 확인하였다. 아래 식(3)은 Grubbs Test 식을 나타내고 있다[6].
- 둘째는 보일러 튜브 내에 불순물이 적어 불순물에 의한 과열의 우려가 거의 없다. 즉 매주 주말정지를 시행하여 복수기 내부를 주기적으로 청소함으로써 복수기를 포함한 복수 및 급수 그리고 증기사이클 내부가 청결하고 불순물이 없으므로 튜브의 국부과열을 예방한다. 셋째는 과거 20년 동안의 튜브 손상사례가 거의 발견되지 않았음을 확인하였다.
- 서울화력발전소 제5호기는 매년 빈번한 주말정지를 시행하며 온간기동을 시행함에도 온간기동 프로세스에 대한 전체적인 시간과 연료비, 수전전력비 등 실적관리와 실적에 대한 분석이 미흡함을 확인하였으며 이를 종합적으로 관리할 수 있도록 프로그램을 구성하여 운영하였다. 프로그램의 주요 구성내역은 온간기동 프로세스에 있어 보일러 점화에서 보일러 강제순환펌프 입구 관수온도 350℃, 복수기 진공도 650 mmHg, 터빈구동에서 병입까지 3개의 구간으로 나누어 기준시간을 설정하여 표준으로 운영하였다.
- 따라서 발전회사에 설치된 다양한 형식의 보일러와 수냉벽 튜브재질 온도상승률 규정을 분석한 결과를 바탕으로 드럼 형식이면서 탄소강계열의 수냉벽 튜브를 사용한 강제순환 보일러인 서울화력발전소 제5호기의 온도상승률을 110℃/h로 변경하기로 결정하였다. 하지만 서울화력발전소 제5호기는 1969년 준공 이후 40년간 장기간 운영된 발전소로 계획예방정비공사 기간 중 보일러 튜브의 부분적인 교체 공사와 1993년 주연료를 저유황유에서 천연가스로 연료전환공사를 시행하면서 수냉벽 튜브의 점검결과 양호한 것으로 판단되어 연소특성을 고려한 과열기와 재열기 튜브만을 교체하였으므로 40년인 보일러 튜브설계수명이 거의 소진되었기에 보일러 설계의 경우 일반적으로 적용되는 여유 13.6%를 고려하여 110℃/h의 13.6%인 15℃/h를 낮추어 95℃/h의 상승률로 개선할 것을 제안하고자 한다.
대상 데이터
- 전력산업구조개편에 따라 2001년 4월에 한국중부발전(주), 한국동서발전(주), 한국서부발전(주), 한국남부발전(주), 한국남동발전(주) 등 5개의 화력발전회사가 한국전력으로부터 분사를 하였다. 분사 당시에는 발전회사 최고의 경영목표가 발전설비의 안정적 운영이었으나 2010년도에 시장형 공기업으로 지정되어 경영실적 평가기관이 한전에서 기획재정부로 변경된 이후 발전설비 운영비용 절감 또한 중요한 목표로 자리매김을 하였다.
성능/효과
- 왜도의 경우에도 개선 전보다 개선 후의 값이 0에 가까워 데이터 분포의 치우침이 덜하면서 매 기동시간이 평균에 근접하였고, 첨도 또한 개선 후 0에 가까운 값을 가지면서 표준정규분포와 비슷한 분포를 나타내었다. 결과적으로 관수 및 증기온도 상승률 개선에 따라 평균 기동시간이 개선 전 270분에서 개선 후 206.65분으로 23% 단축되었음을 확인할 수 있었다.
- 20년 동안 튜브 손상 사례 분석결과 총 11건의 손상사례가 있었는데 부식손상 5건, 침식손상 2건, 용접불량이 3건 및 단시간 과열에 의한 손상은 1건 밖에 발생하지 않았다. 따라서 관수온도 상승률의 개선은 추가비용 없이 기동시간 단축에 크게 기여할 것으로 판단되며 기존 운전조작설명서에 명시된 관수 및 증기온도 상승률 70℃/h를 상향조정하고자 전력기술 전문기관인 두산중공업, 전력연구원, 제너럴일렉트릭에서 상승률에 대한 설계기준 자료를 확인할 수 없어 전력그룹사 산하의 발전기 온도상승률 조사결과 드럼형식이면서 강제순환 보일러가 있는 삼천포 1~4호기, 서천 1, 2호기, 보령 1, 2호기의 수냉벽 튜브재질은 탄소강계열인 SA210(STB)을 사용하고 관수온도 온도상승률은 110℃/h로 규정하고 있으며, 관류형 보일러인 보령 3~8호기, 삼천포 5~8호기, 영흥 1~4호기, 당진 1~6호기, 태안 1~6호기, 하동 1~8호기의 수냉벽 튜브재질은 합금강 계열인 15MO313CRM을 사용하고 관수온도 상승률은 220℃/h로 규정하고 있고, 드럼형식이면서 강제순환펌프가 없는 서울화력발전소 제4호기의 경우 52℃/h로 규정하고 있음을 확인하였다. 따라서 발전회사에 설치된 다양한 형식의 보일러와 수냉벽 튜브재질 온도상승률 규정을 분석한 결과를 바탕으로 드럼 형식이면서 탄소강계열의 수냉벽 튜브를 사용한 강제순환 보일러인 서울화력발전소 제5호기의 온도상승률을 110℃/h로 변경하기로 결정하였다.
- 보일러 관수온도 상승률을 상향조정하기 위해서는 현재 사용하고 있는 탄소강 계열인 STB35보다 고온에서 사용이 가능한 고가의 합금강 튜브로 교체하는 방법이 있으나 튜브의 교체를 위해서는 재료구입비 등 경제적 비용과 교체에 따른 발전정지로 기회비용이 크게 발생된다. 따라서 서울화력발전소 제5호기는 설비노후화가 심하여 전력수급 계획에 의거 2016년도에 폐지 예정임을 감안하여 보일러 튜브의 교체보다는 현재 사용하고 있는 튜브의 온도상승률을 상향조정할 경우 기동시간의 단축과 전력거래의 융통성 확대 그리고 기동비용의 절감이 크게 기대될 것으로 판단하였다. 그 근거로 첫째는 서울화력발전소 제5호기는 강제순환 보일러이므로 보일러 순환력에 여유가 있어 과열의 우려가 적다.
- 또한 통계적 분석을 위하여 Grubbs Test를 적용하여 의심스러운 값의 신뢰도 확인 후 개선 전과 개선 후의 표준편차, 왜도, 첨도를 비교하였으며 개선 전후 표준편차가 19.72에서 17.56으로 감소된 것으로 보아 개선 후 매 기동 시간이 평균시간인 206.65분에 가까워졌음을 확인할 수 있었다. 왜도의 경우에도 개선 전보다 개선 후의 값이 0에 가까워 데이터 분포의 치우침이 덜하면서 매 기동시간이 평균에 근접하였고, 첨도 또한 개선 후 0에 가까운 값을 가지면서 표준정규분포와 비슷한 분포를 나타내었다.
- 발전소 기동에 있어 관수 및 증기온도 상승률은 보일러 형식에 따라 다르지만 드럼타입의 강제순환 보일러인 서울화력발전소 제5호기의 관수 및 증기온도 상승률을 시간당 70℃에서 95℃로 25℃ 상향조정 후 2010년부터 3년간 과열에 의한 보일러 튜브손상 없이 운영을 하였다, 따라서 상향 조정된 관수 및 증기온도는 보일러 튜브의 손상에 영향이 없음을 확인할 수 있었다.
- 복수기에서 공급되어 보일러 급수펌프와 절탄기로부터 드럼에 유입된 보일러 급수는 강수관을 통하여 급수의 비중차에 의하여 보일러 노내로 유입되는데 노내에서 연소열을 흡수하면 비중이 감소하면서 순환력이 적어지므로 순환력을 높여주기 위하여 노 입구에 보일러 강제순환펌프가 설치되었으며 이때 강제순환펌프 입구온도가 관수온도의 기준이 되기도 한다. 서울화력발전소 제5호기의 관수온도 상승률은 70℃/h로 규정하고 있는데 이는 강제순환펌프가 설치된 발전회사의 보일러와 관류보일러의 관수온도 상승률 분석 결과 낮게 규정되어 필요 이상의 기동비용이 지출되고 있으며 또한 운영효율저하의 원인이 되고 있음을 확인하였다. 또한 과거 20년간 서울화력발전소 제5호기의 튜브 및 드럼의 손상사례 분석결과 튜브과열에 의한 손상은 1건으로 거의 발생되지 않았으므로 온도상승률의 개선으로 기동시간의 단축과 운영비용 절감이 필요하다.
- 즉 매주 주말정지를 시행하여 복수기 내부를 주기적으로 청소함으로써 복수기를 포함한 복수 및 급수 그리고 증기사이클 내부가 청결하고 불순물이 없으므로 튜브의 국부과열을 예방한다. 셋째는 과거 20년 동안의 튜브 손상사례가 거의 발견되지 않았음을 확인하였다. 20년 동안 튜브 손상 사례 분석결과 총 11건의 손상사례가 있었는데 부식손상 5건, 침식손상 2건, 용접불량이 3건 및 단시간 과열에 의한 손상은 1건 밖에 발생하지 않았다.
- 65분에 가까워졌음을 확인할 수 있었다. 왜도의 경우에도 개선 전보다 개선 후의 값이 0에 가까워 데이터 분포의 치우침이 덜하면서 매 기동시간이 평균에 근접하였고, 첨도 또한 개선 후 0에 가까운 값을 가지면서 표준정규분포와 비슷한 분포를 나타내었다. 결과적으로 관수 및 증기온도 상승률 개선에 따라 평균 기동시간이 개선 전 270분에서 개선 후 206.
- 56으로 감소하였다. 이는 기동시간 종합관리 프로그램을 적용하여 점화시간, 관수온도 상승률, 진공도 상승시간 등의 공정을 엄격히 시행함으로써 매 기동시간이 평균값에서 벗어나는 정도가 줄었음을 알 수 있다. 분산은 개선전 380.
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