[논문]500MW급 표준석탄화력 Retrofit 실증사업

송병훈

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송병훈 (한국중부발전(주) 발전처 기술기획팀)

이 글에서는 우리나라 500MW 표준 석탄화력발전소의 효시인 보령화력 3호기를 대상으로 국내 최초로 시도되는 Retrofit 실증사업에 대해 소개하고자 한다.

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문제 정의

첫 번째 성능개선(Retrofit), 설비 일부의 개조 및 교체를 통해 수명을 연장하게 되는 데, 이 경우에는 단순하게 현효율 및 출력을 유지하여 성능개선을 할 지, 효율 및 출력을 향상시킨 격상 성능개선을 할지로 나눠질 수 있다. 두 번째 성능회복(Repowering), 구조물은 재사용하고 설비 전체를 신품으로 교체하여 설비의 30년 수명과 성능을 100% 회복하는 것을 목적으로 할 수 있다. 마지막으로 폐지 혹은 대체건설, 앞의 두 가지 방안이 결국 경제성면에서 낮다고 판단되거나 정부정책, 기술적 문제 등으로 인해 불가능하다고 여겨질 경우 폐지 수순으로 가게 되나, 대체건 설은 많은 후속조치가 필요하여 일반적으로 폐지는 우선적으로 고려하지 않는다.
이에 보령화력 3호기는 발전소 수명관리 지침을 바탕으로 수명진단, 타당성 조사를 거쳐 설계수명 도달 전에 성능개선을 시행하여 수명을 연장하고 출력 및 효율을 향상시켜 설비 이용률을 높이고 나아가 국내 표준 석탄화력 발전소 Retrofit의 표준을 만들고자 한다.

제안 방법

계획예방정비기간을 이용 보일러 튜브, 터빈 본체, 주요배관, 발전기, 고압 전동기 등 주요 설비에 대해 수명소비를 진단하고 수명 소진 예상시기를 산출한 다. 수명연장의 타당성을 검토하기 위하여 각각의 방안을 준비하고 경제성 및 효과 등을 고려 수명연장계획을 확정한 다.
당초 잔여수명이 설계수명 이상일 경우에는 2025년까지 수명연장을 시행하고, 설계수명 이내일 경우는 2019년까지 수명연장을 시행하는 검토 방안에 따라 수명연장을 2019년까지 시행하기로 결정하였다. 또한 단순한 설비 교체를 통한 수명연장은 저소비탄 소비 증대, 배출권 거래제로 인한 CO₂ 배출감소 의무, 고효율 발전소의 시장진입으로 인한 급전순위 하락에 대처하기 어려운 게 사실 이며, Retrofit과 Repowering 공사에 교체 되는 설비가 사실상 큰 차이가 없다는 점과 최신 기술을 적용한 저열량탄 연소 확대, 탄소배출량 감소, 츨력증대, 효율 향상 등 경쟁우위를 확보할 수 있는 효율과 출력을 향상시키는 Retrofit을 추진하기로 결정하였다.
발전소 개조 범위는 보일러, 터빈, 주요배관, 발전기, 고압전동기 등으로 크게 구분할 수 있으며, 수명진단 결과 보일러, 터빈은 열화 중기 단계(수명소비 60%), 주요 배관은 열화 말기 진입(수명소비 69%)으로 진단되어 각 부분 별로 상세하게 일부 개조·교체·보강, 전량 교체 등을 결정하여 범위를 확정하였다.
성능격상 Retrofit(이하 Retrofit)은 국내 에서 최초 시도되는 사업으로 선행 연구개발과제가 성공적이었다 하더라도 실증사업은 상당한 Risk를 수반하고 있어 쉽게 실증을 결정하기 어려운 면이 있다. 이에 정부와 중부발전은 Retrofit을 위한 주기기 효율향상 실증 기술개발과 실증사업을 병행하기로 결정하고 핵심부분은 국가연구개발과제로 시행하고 기기 제작은 중부발전 자체사업으로 추진하여 Risk를 감소하기로 결정하였으며, 국내 기업의 기술개발 참여를 통해 기술력 향상에 기여하고 중소/중견기업과 Supply Chain 구축을 통해 인프라를 구축하고 국내 중소/중견기업의 경쟁력 강화 지원도 병행하기로 하였다. 국가연구개발과제는 주관기관인 두산중공업을 비롯하여 중부발전 등 9개 기관이 참여하고 있다.

성능/효과

그리하여 2014년까지 보령화력 3호기와 6호기에 대한 수명진단을 시행하고 수명관리 기본계획을 확정하였다. 2개호기 수명진단결과를 살펴보면 운전시간에 따른 수명소비는 적정수준이나, 열화 중기단계로 노후화에 따른 열화 가속 특성을 고려 시 설계수명 30년 이전에 수명이 소진될 것으로 예상되었다. 발전기는 양호하나 보일러, 터빈이 한계수명 80%를 고령한 수명소비가 60% 정도로 열화 중기단계에 있으며, 특히 주요배관은 열화 말기에 진입하고 있는 것으로 조사되었다.
다음단계로 투자비 대비 경제성이 가장 좋고, 환경영향평가 등 각종 인허가 에도 유리한 증기조건 및 출력을 선정하였는데, 현재 출력 500MW, 증기온도 538℃를 각각 550MW, 593℃로 격상시키는 게 가장 경제성이 있는 것으로 결과가 도출되었다. 이에 따라 저급탄 연소 확대(5,700→5,300kcal/kg), NOx 저감(200→150ppm), 설비효율 약 2%p 상승(노후대비 3.
2개호기 수명진단결과를 살펴보면 운전시간에 따른 수명소비는 적정수준이나, 열화 중기단계로 노후화에 따른 열화 가속 특성을 고려 시 설계수명 30년 이전에 수명이 소진될 것으로 예상되었다. 발전기는 양호하나 보일러, 터빈이 한계수명 80%를 고령한 수명소비가 60% 정도로 열화 중기단계에 있으며, 특히 주요배관은 열화 말기에 진입하고 있는 것으로 조사되었다. 당초 잔여수명이 설계수명 이상일 경우에는 2025년까지 수명연장을 시행하고, 설계수명 이내일 경우는 2019년까지 수명연장을 시행하는 검토 방안에 따라 수명연장을 2019년까지 시행하기로 결정하였다.
이에 따라 저급탄 연소 확대(5,700→5,300kcal/kg), NOx 저감(200→150ppm), 설비효율 약 2%p 상승(노후대비 3.4%p), 연료절감량 125,076t/연, CO2 저감량 263천t/연으로 B/C ratio 1.2가 도출되었다.

후속연구

기술개발을 통해 확보된 기술을 바탕으로 빠르게 성장하고 있는 국내·외 노후설비 성능개선 사업에 참여함으로써 선진발전사들의 시장선점 및 독점에 대비할 수 있을 것이다.
이를 위해서 관련기업들과 정부는 2011년부터 사전 연구과제로 “노후 500MW급 석탄화력 수명연장 및 성능향상 기술개발”을 수행하여 2014년 성공적으로 완료하였으며, 이를 바탕으로 2015년 “표준화력 500MW Retrofit (550MW)을 위한 주기기 효율향상(증기터빈/보일러) 실증 기술개발”실증과제를 한국중부발전, 두산중공업, 중소기업 등이 참여하여 보령화력 3호기를 대상으로 실증사업을 진행하고 있으며 2019년 실제 공사가 시행될 예정이다.
이와 같은 신규건설의 어려움이나 CO2 저감은 노후 표준화력 500MW 발전소의 출력증강 및 수명연장을 통해 노후 발전소의 수명을 연장시킴으로써 신규발전소 건설에 상응하는 전력을 확보할 수 있으며, 아울러 성능향상을 통해 이산화탄소 배출을 줄일 수 있으므로 노후 500MW 표준 석탄화력발전소의 수명연장 및 성능향상 기술개발은 필수적이라고 할 수 있다.
실증사업 일정으로는 기술개발은 2018년까지 진행되며 기자재 제작을 거쳐 2019년 6월 준공(실증)으로 계획 되어 있다. 이후 보령화력 4~6호기(3개호기)는 보령화력 3호기 실증사업 결과를 기반으로 2022년까지 Retrofit 사업을 연속하여 수행할 계획이다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

1990년대 건설된 표준석탄화력 500MW 발전소의 현재 상황은 어떠한가?

석탄화력 발전은 국내 전체 전력 공급량의 3분의 1을 차지하고 있으며, 그 중에서 특히 1990년대 건설된 20개 호기의 표준석탄화력 500MW 발전소 운전연수가 20년을 초과하여 노후화가 진행되고 있지만 신규건설의 어려움으로 수명연장의 필요성이 대두되고 있고, 고급탄수급의 어려움으로 인해 저급탄 연소 확대의 필요성이 증대되고 있으며, 아울러 교토 의정서에 따른 노후 발전설비의 CO2저감 필요성이 점차 부각되고 있다. 이와 같은

노후 표준화력 500MW 발전소의 성능향상 기술개발을 통해 예상되는 것은 무엇인가?

신규건설의 어려움이나 CO2 저감은 노후 표준화력 500MW 발전소의 출력증강 및 수명연장을 통해 노후 발전소의 수명을 연장시킴으로써 신규발전소 건설에 상응하는 전력을 확보할 수 있으며, 아울러 성능향상을 통해 이산화탄소 배출을 줄일 수 있으므로 노후 500MW 표준 석탄화력발전소의 수명연장 및 성능향상 기술개발은 필수적이라고 할 수 있다. 20개호기의 노후 500MW 표준 석탄화력발전소의 성능향상을 통해 에너지 절감과 5% 내외의 CO2 감소가 가능하며, 출력을 10% 증가시킬 경우 1,000MW 규모의 신규전원을 확보할 수 있게 된다. 기술개발을 통해 확보된 기술을 바탕으로 빠르게 성장하고 있는 국내·외 노후설비 성능개선 사업에 참여함으로써 선진발전사들의 시장선점 및 독점에 대비할 수있을 것이다.

석탄화력 발전이 국내 전력 공급에서 차지하는 비중은 어떠한가?

석탄화력 발전은 국내 전체 전력 공급량의 3분의 1을 차지하고 있으며, 그 중에서 특히 1990년대 건설된 20개 호기의 표준석탄화력 500MW 발전소 운전연수가 20년을 초과하여 노후화가 진행되고 있지만 신규건설의 어려움으로 수명연장의 필요성이 대두되고 있고, 고급탄수급의 어려움으로 인해 저급탄 연소 확대의 필요성이 증대되고 있으며, 아울러 교토 의정서에 따른 노후 발전설비의 CO2저감 필요성이 점차 부각되고 있다. 이와 같은

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