[논문]운용상태를 고려한 집단에너지설비의 최적용량 산정 알고리즘의 개발에 관한 연구

김창식; 송명호; 염지훈; 신정열

doi:10.5855/energy.2019.28.4.094

운용상태를 고려한 집단에너지설비의 최적용량 산정 알고리즘의 개발에 관한 연구
A Study on the Development of the Optimal Capacity Estimation Algorithm of Intergrated Energy Facilities Based on Operating Conditions 원문보기

에너지공학 = Journal of energy engineering, v.28 no.4, 2019년, pp.94 - 102

김창식 (한국에너지공단) , 송명호 (동국대학교 기계로봇에너지공학과) , 염지훈 (한국에너지공단) , 신정열 (한국에너지공단)

초록
AI-Helper

본 연구는 집단에너지 사업자들의 최대 열수요가 발생할 때의 열원설비 운영현황을 분석하여, 이를 수익 최대화 관점에서 현재 설치되어 있는 설비의 운영 최적화 방안을 도출하여 제시하고, 도출된 결과를 토대로 해당 열부하에 대한 CHP(Combined Heat and Power), PLB(Peak Load Boiler) 등의 최적 설비용량 구성방안을 제시함으로서 사업자들이 운용상태까지 고려해서 보다 경제적으로 설비투자를 할 수 있는 가이드라인을 제공하고자 하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study is to propose a method for optimizing heat generation facilities to maximize revenue by investigating their operational status during times of maximum heat demand for district heating. Based on the derived result, this study also proposes a method for determining a given power plant's optimal equipment, such as combined heat and power plant(CHP), peak load boilers (PLB), heat accumulators, and so on, depending on heat demand and facility capacities. It also offers a guide for how to operate facilities more economically by considering the operational status of district heating companies.

주제어

표/그림 (14)

표 Table 1. Heat sources contributions for major district heating companies in korea
표 Table 2. Estimated contributions of facilities to total capacities of domestic district heating (end of 2018)
표 Table 3. Estimated contributions of facilities to heat production of domestic district heating (2018)
그림 Fig. 1. Procedures for estimating optimal capacities
표 Table 4. Contents of input data
표 Table 5. Criteria for calculating alternatives
그림 Fig. 2. Heat load and external supply of waste heat during test period
표 Table 6. CHP and PLB characteristics of pertinent district heating company
표 Table 7. ACC characteristics of pertinent district heating company
그림 Fig. 3. Transient change in System Marginal Price during test period
그림 Fig. 4. Simulation result for optimal operation
표 Table 8. Mean value and standard deviation of heat load
표 Table 9. Result of calculating alternatives for estimating optimal capacity
표 Table 10. Predicted changes of construction cost and profit for different alternatives

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

미활용 에너지원이 점차 감소하는 상황에서 집단에너지설비의 과다투자는 집단에너지 사업자의 적자누적 등 경영악화를 초래한다. 본 연구는 우선 기존설비가 주어진 열부하에서 운영수익을 최대화하는 설비운영 알고리즘을 개발하고, 이를 확장하여 주어진 열부하에서 수익을 최대로 하는 열병합발전설비(CHP) 및 첨두부하 보일러(PLB) 등의 설비용량을 결정하는 알고리즘을 개발하였다. 향후 지역난방 사업자들이 최적 설비용량을 구성하는데 활용토록 함으로써 설비의 효율적 운영을 통한 수익성 개선에 목적을 두었다.
본 연구에서는 공급지역증가와 열수요 증가 및 전력생산량 증대에 대비하여 설비용량을 과대설치하고 이로 인해 가동률 저하 및 경영에 많은 어려움을 겪고 있는 집단에너지 사업자가 CHP, PLB 등 각 설비별 최적 용량을 결정할 수 있는 알고리즘을 개발하여 제시하였다.
본 연구는 우선 기존설비가 주어진 열부하에서 운영수익을 최대화하는 설비운영 알고리즘을 개발하고, 이를 확장하여 주어진 열부하에서 수익을 최대로 하는 열병합발전설비(CHP) 및 첨두부하 보일러(PLB) 등의 설비용량을 결정하는 알고리즘을 개발하였다. 향후 지역난방 사업자들이 최적 설비용량을 구성하는데 활용토록 함으로써 설비의 효율적 운영을 통한 수익성 개선에 목적을 두었다. 본 연구에서 제안한 알고리즘을 실제 운영되고 있는 사업장에 적용하여 유용성을 검증하였다.

제안 방법

9단계에서 산출된 데이터를 활용하여 단위 수익변화에 따른 증분건설비를 산출하여 설비별 최적용량 대안을 선정한다
열원설비를 최적으로 운전하려면 어떤 열원설비를 투입하고, 투입된 설비가 각 얼마씩 열생산해야 목적을 달성할 수 있는지 결정해야 한다. 따라서 본 연구에서는 이를 반영하기 위하여 가능한 모든 열원설비 조합을 구성하고 각 조합에 대하여 EHLD를 수행한다.
본 연구는 경제 열부하 배분(EHLD: Economic Heat Load Dispatch)과 동적 계획법(DP: Dynamic Programming)의 이론을 병용하여 열수요에 대응하는 최적 설비운영 방안을 도출한 후 최적 설비용량을 산정하는 알고리즘을 제시하였다.
본 연구에서는 경제 열부하 배분에 따라 열원 설비간의 최적부하배분을 한 후 축열조와의 최적 운영조합을 찾아가는 과정에 동적계획법을 사용하였으며, 1주 168시간에 대해 시뮬레이션을 수행하였다. CHP와 PLB의 열출력을 산정하고 축열조의 초기 열수위와 최종시점의 열수위가 같도록 하여 수익이 최대화되는 경로를 탐색하였으며, 초기 열수위에서 t=1의 시간대로 천이하는데 변동하는 열부하는 식 (6)과 같이 계산하였다.
본 연구의 경제 열부하 배분 문제는 목적함수와 제약조건을 Lagrange 승수법으로 확대목적함수를 구성하여 등증분연료비 방법으로 각 열원설비의 최적 열출력을 구하였으며, 각 열원설비의 증분연료비가 동일한 점을 찾아 최적 열부하 배분을 함으로써 경제성을 극대화하도록 하였다.
셋째, 도출된 최적 운영조합의 CHP 및 PLB 설치용량 변경을 통한 건설비 증감 및 수익성과의 관계를 분석하여 집단에너지설비의 최적용량 구성방안을 제안하였다.
이를 위해 첫째, 경제 열부하 배분(EHLD) 및 동적계획법(DP)을 활용하여 입력데이터 구성부터 최적용량 산정까지 10단계에 걸친 프로세스를 정립하였으며,

대상 데이터

본 연구의 알고리즘을 약 17만 세대에 지역난방열을 공급하는 사업장에 적용하였다. 해당 집단 에너지사업자는 CHP 1대, PLB 2대, ACC 2대를 보유하고 있으며, 열원설비 특성은 Table 6 및 Table 7과 같다.
해당 사업장의 2018년 기간 중 최대열부하가 발생한 시기는 1월 4주차이며, 총 168시간(월요일 오전 0시부터 일요일 자정까지)의 운전데이터를 분석하였다. 이 기간의 열부하는 Fig.

성능/효과

따라서 설비별 최적용량 구성을 위한 투자 경제성을 판단하기 위해 수익변화에 따른 증분건설비를 구하면 대안 1이 단위 수익 변화당 건설비가 가장 많이 감소하고 대안 6이 가장 많이 증가하는 것으로 나타나 수익성 개선을 위해서는 대안 1과 같이 현재보다 CHP용량은 줄이고 PLB용량을 더 키우는 것이 필요한 것으로 나타났다.

후속연구

본 연구에서 제시한 방법론이 향후 집단에너지 사업자들이 CHP 및 PLB 등에 대한 최적의 설비용량을 구성하는데 활용될 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	동적계획법이란?	동적계획법은 시간적인 흐름을 고려하여야 하는 문제일 경우, 그 문제를 여러 단계로 나누어 최적의 결과를 얻는 방법으로 문제를 해결하는 각 단계(Stage)마다 수많은 상태(State)가 존재하며, 각 단계에서의 상태를 다음 단계와 관련된 상태로 천이시킴으로써 기간 전체의 최적해를 구하는 방법이다.
	열원설비는 무엇으로 구성되어 있는가?	Table 1은 현재 집단에너지사업자 중 지역난방을 공급중인 주요 사업자의 사업장별 열원설비구성을 나타낸 것이다. 열원설비는 주로 CHP, PLB, ACC(축열조 : Accumulator), 폐열수열 등으로 구성되어 있으며, 인근 타사업자와 열을 거래하는 열연계가 큰 비중을 차지하는 사업자도 있다. 특히 2000년 이전에 설비를 설치한 사업장들은 CHP용량보다 PLB용량이 훨씬 크게 설치되어 있지만, 2000년 이후 전력시장의 SMP(System Marginal Price)가 높을 때 설비를 설치한 사업자들은 대용량 CHP를 설치한 경우가 많았다.
	사업장별 열원설비구성요소의 비중은 어떻게 변하였는가?	열원설비는 주로 CHP, PLB, ACC(축열조 : Accumulator), 폐열수열 등으로 구성되어 있으며, 인근 타사업자와 열을 거래하는 열연계가 큰 비중을 차지하는 사업자도 있다. 특히 2000년 이전에 설비를 설치한 사업장들은 CHP용량보다 PLB용량이 훨씬 크게 설치되어 있지만, 2000년 이후 전력시장의 SMP(System Marginal Price)가 높을 때 설비를 설치한 사업자들은 대용량 CHP를 설치한 경우가 많았다. 대용량 CHP를 설치한 사업자들은 CHP의 활용성을 높이기 위하여 가동시 생산된 열을 사업자간 열연계를 통하여 타사업자에 공급하고, PLB의 비중이 큰 사업자는 열을 받는 형태의 열연계로 열원설비를 경제적으로 이용하기 위해 노력하고 있다.

참고문헌 (7)

Ministry of Trade, Industry and Energy, 2019, 제3차 국가에너지기본계획
Ministry of Trade, Industry and Energy, 2017, 제8차 전력수급기본계획
Ministry of Trade, Industry and Energy, 2014, 제4차 집단에너지공급기본계획
Korea Energy Agency, 2019, 집단에너지사업편람
Ministry of Trade, Industry and Energy, Intergrated Energy Act(집단에너지사업법)
Jae Seung Lee, Shin Young Im, Jun Soo Oh, Bong Jin Youm, 2015, A Study on the Deduction of Additional Key Factor for Heat Supply Forecast Using the Analysis of Heat Demand Characteristics, Proceedings of the SAREK 2015 Summer Annual Conference pp 659-662
Sang Hwa Song, Jae Seung Lee, Hyun Chul Kim, Chang Koo Ahn, 2017, A Study on the Analysis of Heat Transfer and Trade Characteristics in District Heating Networks, The SAREK 2017 Summer Annual Conference pp 418-422

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증