전기협회, 전력연구원-(주)에네스지와 공동 ‘2015 KEPIC 성능시험 세미나’
오는 22일 대전 리베라호텔서…2개 분야로 맞춤형 세션 '업계 호응도' 확산
성능시험은 사실상 국제적으로 ASME PTC(미국기계학회 성능시험표)가 국제표준으로 통용되고 있다. 이에 대한전기협회를 중심으로 산학연이 함께 보일러 및 증기터빈에 대한 성능시험 표준을 개발해 KEPIC(전력산업기술기준) 2010년 판에 발표했으며, 이 표준은 발전소 인수성능시험, 성능진단 및 발전비용평가 시험 등에 적용되고 있다.
또 2011년부터 성능시험 기술자들이 고급기술을 공유하고 교류할 수 있는 ‘기술세미나’를 마련해 산업계의 큰 호응을 받고 있다.
대한전기협회(회장 조환익)는 한전 전력연구원, (주)에네스지(대표 양종대)과 공동으로 오는 22일 대전시 유성구 소재 리베라호텔에서 ‘2015 KEPIC 성능시험 세미나’를 개최한다고 밝혔다. 이번 세미나는 당초 지난 6월 16일에 개최될 예정이었지만 중동호흡기증후군으로 연기된 바 있다.
올해 5회째를 맞이한 이번 KEPIC 성능시험 세미나는 전년도와 같이 공통 관심사 위주의 오전 합동세션 이후 오후세션을 성능시험 ‘실제’와 ‘기본’ 2개 분야로 분리, 운영해 현장 기술자들이 더 다양한 지식을 습득할 수 있도록 구성했다.
먼저 오전 통합세션에서는 ▲‘국가 전력산업 발전방향/복합화력 전망’에 대한 특강에 이어 ▲국내 전력시장 운영현황 ▲KEPIC의 현황과 적용에 대한 주제가 발표된다.
또 오후 세션 중 성능시험 실제 분야에서는 ▲석탄화력 플랜트 열성능 시험사례 I ▲석탄화력 플랜트 열성능 시험사례 II ▲기화냉각 기술을 이용한 복합 발전출력 증대 ▲HRSG 성능개선을 통한 플랜트 효율향상 사례 ▲해외 ROMM 사업지원 성능평가 모델(PEPSE) 개발사례 등의 주제가 발표될 예정이다. 더불어 성능시험 기본 분야에서는 ▲성능시험 일반 ▲증기터빈 성능시험 I ▲증기터빈 성능시험 II ▲보일러 성능시험 ▲보일러 보조기기 성능시험 등에 대한 주제발표로 진행된다.
한편 이번 세미나를 공동주관하는 (주)에네스지는 한국수력원자력과 공동으로 2010년 3월부터 전력기반조성사업센터 전력기술기반사업으로 ‘원자력 주급수 유량계 교정 인정기관설비구축’ 연구과제로 국내 원자력발전소의 주급수 유량계를 교정할 수 있는 설비 구축에 돌입했다.
2011년 1월부터 지난해 8월까지 미국 Alden사의 기술을 이전받아 드디어 지난해 10월 국가공인기관인 한국표준과학연구원으로부터 국가간 상호인증체계인 ‘KOLAS 인증’을 취득해 교정인정기관으로의 체제를 확립하고, 지난 4월 22일 세계에게 두 번째로 ‘유량계 교정센터’를 설립했다.
<다음은 이번 세미나에서 소개된 주제발표 내용을 요약했다.>
산업통상자원부는 지난 7월 안정적 전력수급, 수요전망의 정밀성과 객관성 확보, 에너지 신산업을 활용한 수요관리, 온실가스 감축을 위한 저탄소 전원믹스 강화, 분산형 전원 확산기반 구축을 기본방향으로 설정한 제 7차 전력수급기본계획을 발표하였다. 이미 잘 알려진 것과 같이 이번 계획에서 발전설비는 신규 원전 2기가 건설되고 6차 전력수급기본계획에서 반영되었던 석탄화력설비인 영흥 7,8호기와 동부 하슬라 1,2호기는 고체연료 사용 및 송전선로 문제 등으로 인해 철회된다. 그 결과 2029년 전원별 발전설비 비중은 정격용량 기준으로 석탄 26.7%, 원전 23.7%, 액화천연가스(LNG) 20.5%, 신재생 20.2% 순이 될 전망이며 6차 수급계획과 비교할 경우 석탄 비중은 2.5%P 감소하고 원전과 LNG 비중은 각각 1.1%P, 0.4%P 각각 늘어나며 신재생에너지비중도 0.1%P 증가할 예정이다. 특히 안정적 전력수급이라는 최대목표를 위한 22% 수준의 설비예비율을 설정했으며 온실가스 배출을 줄이기 위해 신재생보급을 현재보다 설비용량 기준으로 약 5배, 발전량 기준으로는 4배 정도를 증가시킬 계획을 수립하였다.
올해 여름 최대전력은 7691만kW에 그치며 7차 전력수급기본계획에서 예상한 8067만kW에 미치지 못하였고 이에 따라 수요예측의 정확성이 더욱 중요해졌다. 최근 전력수요는 지난 2년간 증가세가 둔화되고 있으며 구조적변화가 감지되고 있는 만큼 정부의 지속적인 모니터링을 통해 수요변화의 요인을 분석할 필요가 있다. 또한 지속적인 전력수요 성장을 예상하였지만 에너지효율향상, 산업구조변화 ,전기요금 인상 등 지속적 전력수요 성장 억제 요인이 상존하고 있어 이에 대한 면밀한 분석이 뒤따라야 할 것이다. 특히 에너지신산업을 통한 수요관리정책이 추진될 경우 전력수요에 미치는 영향 분석도 필요하다. 온실가스 감축정책은 궁극적으로 발전부문에 상당한 영향을 줄 전망이지만 국내 전원 구성상 신속한 대응이 쉽지 않을 것으로 보여진다. 여기에 대한 구체적인 대책 및 정책적 지원이 고려되어야 할 것이다.
◆국내 전력시장 운영 현황=노상호 전력거래소 시장운영처 팀장
1999년 1월에 정부가 ‘전력산업구조개편 기본계획’을 확정하고, 2001년 4월에 1단계 구조개편이 단행되면서 우리나라의 전력시장이 출범하였으며, 전력시장 운영기관인 전력거래소와 규제기관인 전기위원회가 설립되었다.
현재의 전력시장은 CBP(Cost Based Pool) 전력시장으로 변동비 반영 전력시장이라고 한다. 각 발전사가 소유하고 있는 발전기의 발전단가가 싼 발전기부터 비싼 발전기까지 순서를 정한 다음, 전력수요와 일치하는 발전기의 발전단가를 시장가격으로 정하게 된다. 이렇게 산정된 시장가격에 전력거래량을 곱하여 전력거래대금을 산정 후 지급하게 된다. 또한, 입찰한 공급가능용량에 사전에 정해진 용량가격을 곱하여 용량정산금을 지급하는데 고정비의 보상 성격으로 지급하는 대금이다.
기술적 특성자료와 입찰자료, 수요예측자료는 발전계획프로그램에 입력하여 가격결정발전계획을 수립하게 되며, 계통한계가격(SMP)을 결정 후 거래일 전일 15시까지 발표 한다.
전력시장에 참여하기 위해서는 우선 전력거래소에 회원 가입을 신청하여야 하며, 회원가입이 승인되면 발전기를 등록하게 된다. 입찰에 참여하는 중앙급전발전기는 거래시간대별 공급가능용량을 제출하게 된다.
전력시장의 회원사는 시장이 개설된 2001년도에 19개사였으나, 최근에는 태양광발전사업자 등 신재생에너지사업자의 회원가입이 급증하면서 2014년말 기준으로 880개사로 증가하였으며, 2015년 8월말 현재 1,137개사가 가입되어 있다.
한편, 2015년 8월의 평균 SMP는 88.59원/kWh인데 유가하락 등의 요인으로 인해 작년 8월의 SMP인 128.60원/kWh 대비 31.1% 하락하였다.
최근에 전력시장은 정부승인 차액계약제도가 도입되고, 경제성 DR(Demand Response)을 통한 수요자원시장이 활성화 되는 등 계속하여 발전하고 있으며, 새로운 시장제도의 도입으로 비즈니스 모델들이 계속하여 출현하고 있다.
◆석탄화력 발전소 정밀 열성능진단=구도훈 ㈜에네스지 성능기술팀 수석연구원
국내 기저부하용 석탄화력 발전소는 발전설비 가동년수 증가와 저열량탄 사용 비율의 증가로 지속적인 성능저하가 진행되고 있는 반면, 향후 전력수급 기본계획에 의거 대규모 기저설비 확충 시 급전우선순위 하락에 따른 발전소 이용률 감소가 예상됨에 따라 성능관리의 중요성이 증대되고 있다.
이에 500MW급 표준 석탄화력 호기를 대상으로 최초 상업운전 당시 수행된 인수성능시험과 동일 불확도 수준의 성능진단을 통해 설비 노후화를 반영한 발전소 기준 성능지표 (Benchmark) 를 재 정립하고, 발전소 이용률 감소 및 성능저하 등 경제성에 악 영향을 초래하는 요인들을 발굴 및 개선한 사례를 소개 하고자 한다.
발전소 정밀 열성능진단 프로그램에서는 ①최초 상업운전 시 수행된 인수성능시험과 동일 불확도 (Uncertainty) 수준의 정밀 열성능진단 ②정밀 열성능진단 결과를 반영한 실제성능(as-is) 기반 터빈사이클 열평형도 모델링 및 시뮬레이션 프로그램 개발 ③소내계측기(PI 시스템)를 이용한 간이성능시험 프로그램 개발 ④실제성능(as-is) 기반 터빈 사이클 열평형도 시뮬레이션 프로그램을 이용한 단위기기별 성능보정곡선 작성 ⑤발전소 효율관리 및 터빈사이클 열평형도 시뮬레이션 프로그램 교육 등과 같은 Activity들이 수행되었다.
석탄화력 발전소의 정밀 열성능진단은 KEPIC을 통해 개발 완료 및 진행 중인 성능시험기술규격(MPT)이 모두 적용되는 성능시험의 종합 선물세트라고 할 수 있을 정도로 다양한 기기들로 구성되어 있으므로 이들에 대한 이해를 필요로 한다. 발전소 및 단위기기별 성능분석을 위해 사용되는 주요 기술규격은 다음과 같다.
- KEPIC MPT 46 (Overall Power Plant)
- KEPIC MPT 4.0 (Fired Steam Generator)
- KEPIC MPT 4.3 (Air Heater)
- KEPIC MPT 6 (Seam Turbine)
- KEPIC MPT 12.1 (Closed Feedwater Heater)
- KEPIC MPT 12.2 (Steam Surface Condenser)
이들 기술 규정은 인수성능시험과 성능진단에 공통으로 적용된다. 반면 인수성능시험의 경우 단순히 시험결과를 숫자로만 표시하고 보증성능 만족여부만 확인하는 것으로 종료되지만, 성능진단에서는 숫자에 대한 Why가 동시에 논리적으로 설명되어야 하므로 인수성능시험 보다는 한 차원 높은 기술수준과 현장 경험을 요구한다.
◆기화증발 기술을 이용한 복합발전 출력증대=서형일 한국중부발전(주) 인천화력본부 기계기술팀 차장
2011년 9월 15일 전력공급 부족에 의해 사상유례 없는 광역 순환정전 사태이후. 중부발전 인천복합에서는 증발기화 기술을 이용한 가스터빈 입구공기 냉각장치를 자체적으로 고안하여 대기온도가 상승하는 하절기 및 간절기에 가스터빈의 출력증대로 전력공급능력을 20~30 MW 확충하여 안정적인 전력공급에 노력을 기울이고 있다.
이번에 고안한 기화냉각장치는 순수 국내 기술로 개발하여 외국제품 대비 20%이하의 저렴한 비용으로 설치가 가능하며, 복합발전소들의 공급능력 확충에 기여할것으로 기대된다.
그동안 가스터빈의 출력증대장치는 선진 외국의 3~4개의 회사에서 독점하고 있었으나 금번 개발로 출력증대장치 국산화의 기틀을 마련했다는데에도 크나 큰 의의가 있겠다.
복합화력의 가스터빈의 출력특성은 대기온도가가 높으면 발전출력이 크게 저하되고, 대기온도가 낮으면 발전출력이 높아지는 특성이 있다.
대기온도가 높아지는 5월~9월동안 복합발전소는 기준출력보다 저하되는데 기화냉각기술을 이용할 경우 하절기에도 호기당 10MW정도의 발전출력을 더낼수 있어 복합화력의 공급능력을 확충으로 안정적인 전력공급에 만전을 기할수 있을것으로 기대된다.
◆배열회수보일러 성능개선을 통한 플랜트 효율향상 사례=김일동 두산건설 HRSG제품개발팀 과장
배열회수보일러(Heat Recovery Steam Generator, HRGS)는 가스터빈을 통해 나온 고온의 배기 가스열을 회수하여 증기를 생산해 내는 보일러를 통칭하며, 용도별로는 배열회수보일러를 통해 증기터빈을 구동시켜 전기를 생산하는 복합화력발전소와 열원으로 지역난방 등에 활용하는 열병합발전소등에 사용되고 있다.
배열회수보일러의 성능개선 기술은 운영중인 플랜트의 현장 계측 기술을 통해 성능데이터를 분석하고 정합성 확보를 위한 성능해석 및 유로망 해석을 통해 배열회수보일러 출력저하의 근원적 요인을 파악하며, 구조개선 방법 및 범위 선정에 따른 효과를 평가하고 최적의 성능을 확보하는 구조 개선 모델을 개발하는 기술로 한정된 공간에 구조개선 설계, 부품 교체 방법 등 성능개선 및 개조공사 전체의 운용 기술을 포함한다.
성능개선 개조공사의 경우 대부분의 발전 플랜트가 상업운전 상태이므로 고객들은 단 납기를 요구하고 있으며, 납기 준수를 위해서는 기존 구조물을 최대한 재활용하여 교체 범위를 최소화하는 신규 설치 공법이 적용되어야 한다.
배열회수보일러의 성능개선 기술이 확보됨에 따라 플랜트의 성능 상태 분석, 운전상 발생 문제의 분석, 구성 기기간의 구조상 성능감소 식별, 운전 전략상의 평가 분석, 보수관리에 의한 영향 평가 수행 등 기술 활용 성이 가능하게 되었으며, 신규 시장 대비 부가가치가 높은 서비스 사업(보수/개조/진단/수명연장) 영역의 폭을 넓힘으로써 고객의 다양한 요구에 대응할 수 있는 역량을 확보하게 되었다.
◆해외 ROMM사업지원 성능평가 모델 개발사례=김시문 전력연구원 발전기술지원센터 선임연구원
KEPCO 해외사업 2020비전에 따라 화력발전부문 글로벌 사업영역확장 추진을 위해 해외 ROMM(Rehabilitation, Operation, Maintenance & Management, 노후발전소 성능복구후 일정기간 설비운전 및 유지 관리) 사업수익 목표 달성이 필요하다(2020년까지 1.6조원). 세계 화력발전 설비중 60%가 20년 이상 노후 설비로 성능복구 및 유지보수 시장은 250억불 규모로 파악되었으며, 기존 IPP사업 외 신사업으로 ROMM개발사업의 적극적인 추진을 통해 수익창출을 기하고자 한다.
ROMM 입찰사업 특성상 점검기간이 짧고 성능진단을 위한 성능시험도 불가능한 상황에서 현재 상태의 정확한 발전소 성능평가가 요구된다. 설비별 상태평가 시스템과 설비별 수명평가 프로그램을 통해 최종 교체/정비범위가 확정되면 그에 따른 성능을 예측하여 최적 성능복구 목표를 계산할 수 있는 있도록 개발하였다. 30년간 전력연구원에서 수행한 인수성능시험 및 주기기 성능시험 자료를 데이터베이스화 하고 상용 성능모사 소프트웨어를 이용, 발전형식 및 용량별로 기본 모델을 개발하여 대상 노후발전소 성능평가 및 복구목표를 정확하게 평가할 수 있는 성능평가 프로그램을 개발하였다. 성능평가 모델은 상용 성능모사 프로그램인 PEPSE 프로그램을 이용하여 성능평가 기본모델 개발(기력모델 9개, 복합모델 5개), 대기조건, 연료조건 등 운전 조건(Operating Condition) 변화와 단위기기 노후화 및 설비교체에 따른 성능평가 가능한 예측모델을 개발하였다.
개발된 모델을 이용하여 현재성능 및 운전조건 변화에 따른 기대성능을 평가할 수 있고, 설비교체 전후의 성능 및 효율 평가가 가능하도록 하여 해외사업 타당성 분석시 노후설비 교체에 따른 성능평가가 가능하여 비용평가 산출의 기초자료로 활용될 수 있다.
◆성능시험일반=김의환 전력연구원 플랜트성능진단팀장
국내의 발전설비 용량은 성장을 거듭하여 2015년도 현재 약 1억KW 돌파를 눈앞에 두고 있다. 그간의 성장 추세를 고려할 때 내년 쯤에는 그 이상으로 돌파가 전망되고 있다. 산업의 발달과 문화생활의 고도화에 따른 전력소비는 앞으로도 지속적인 증가가 예상되므로 여기에 맞춰, 발전설비도 증설할 수밖에 없는 실정이다. 하지만 발전설비를 건설하기 위해서는 대규모의 자본과 입지선정에 따른 민원발생 등 장애요인이 만만치 않으므로 설비의 증설만이 상책은 아니다. 기존 발전설비를 어떻게 효율적으로 운영할 것인가에 대해서도 관심을 가지고 접근하는 것이 중요하다. 대용량의 발전설비를 운영하기 위해서는 다량의 화석연료를 소비하게되는데 화석연료의 대부분을 외국에서 수입하고 있는 국내사정을 고려할 때 발전소의 효율적인 운영은 경제적 관점에서 매우 중요하다. 특히 발전설비에서 전력을 생산하기 위한 에너지의 변환과정에는 손실이 발생하게 되는데, 손실을 저감하고 발전설비를 최적으로 운영하기 위해서는 발전설비의 성능을 정확하게 파악하여야 한다. 성능진단기술은 성능시험을 통하여 발전설비의 효율저하요인을 규명하여 향상방안을 제시함으로써 연료비의 절감 및 설비의 최적운전을 구현할 수 있다. 본 발표에서는 상기에서 제시한 일련의 발전설비 성능시험에 대한 개념과 계측기설치 및 데이터취득 방법, 성능시험 절차 및 방법, 계산 및 분석방법 등 성능시험 전반에 걸쳐 소개함으로서 관계자들의 이해를 돕고자 한다.
◆증기터빈 성능시험Ⅰ,Ⅱ=김한주 두산중공업 터빈/발전기 Field Engineering팀 과장
KEPIC MPT 6는 증기터빈의 정확한 성능을 확인하기 위한 절차를 제공하며 국내/외 대형 석탄화력 및 원자력 증기터빈 계약 성능보증시험 수행을 위한 기술 기준으로 활용되고 있다. MPT 6에서는 성능시험 불확도를 최소화 하기 위해 정밀한 계측기 사용 및 측정 기법을 권장하고 있다. MPT 6는 성능시험 절차를 2가지로 구분하며 Full Scale Test(전범위성능시험)와 Alternative Test(대체성능시험)가 있다. Full Scale Test의 경우 고압, 중압, 저압 터빈 및 터빈사이클에 포함된 열교환기, 펌프, 복수기 등의 성능 지표를 모두 확인할 수 있지만 터빈사이클 내부의 광범위한 계측기 설치 및 복잡한 계산을 필요로 하며 성능시험 수행 비용이 높다. 반면 Alternative Test의 경우 소요 계측기 수량이 상대적으로 적고 설계 보정곡선을 사용하므로 성능계산이 단순하고 비용이 낮은 장점이 있지만 터빈사이클 전체의 열소비율 및 전기출력에 대한 성능 수준 확인만 가능하며 주요 단위기기 개별 성능 확인은 불가능하고 상대적으로 시험 불확도가 높은 단점이 있다.
일반적으로 화력발전소 증기터빈 성능시험은 Full Scale과 Alternative Test를 선택적으로 적용 가능한 반면 원자력발전소 2차 계통의 경우 대부분의 증기 사이클이 포화증기 영역에서 운전되어 Full Scale Test 수행을 위해서는 증기의 습분량 확인을 위해 추가로 Tracer Technique(트레이서 기법) 적용이 필요하며 현실적으로 높은 비용과 엄격한 요구 조건으로 적용이 어려워 Alternative Test가 빈번하게 적용되고 있다.
본 세미나에서는 MPT 6에 따라 성능보증시험 수행을 위한 주요 계측기 사양 및 검교정, 성능시험 계산 절차를 소개하며 Full Scale과 Alternative Test 차이점에 대해 설명한다.
◆KEPIC MPT 4 보일러 성능시험=최치영 포스코에너지 발전엔니지어링그룹장
보일러 성능시험을 수행함에 있어 시험당사자가 알아야 할 성능시험의 기본 개념, 특기사항 및 주요 변경사항을 설명하고, 시험절차 이해를 통해 시험당사자의 지식을 향상시킨다.
본 성능시험 절차를 적용하는데 있어 기존 보일러 성능시험 절차 기준 주요 변경내용 및 특기사항을 설명하여 시험당사자의 본 지식을 향상시키고 시험영역, 효율 측정방법별 장단점을 비교설명하며, 시험적용절차 및 보고서 작성 기준을 제시하고 시험 정확도를 높이기 위한 유량, 압력 등 주요 시험계측기 설치 및 분석기준을 설명한다.
또한, 성능시험의 품질을 확보하고 시험결과의 정확도를 정량화하기 위해 추가된 시험불확도 개념을 설명하고, 이해를 통하여 성능시험을 수행하는 동안 잠재적인 측정문제를 찾아내어 비용효율이 높은 시험이 되도록 한다.
◆보일러 보조기기 성능진단=신일수 전력연구원 플랜트성능진단팀 선임전문원
보일러 보조기기 중 플랜트 효율에 가장 많은 영향을 주는 설비인 공기예열기는 배기가스(Flue Gas)의 여열을 대기로 배출되기 전에 회수하여 연소용 공기를 예열함으로써, 배기가스 손실을 감소시켜 보일러의 열효율을 높이는(5~10%) 장치이다. 또한 공기예열기를 이용함으로써 연소용 공기 온도의 상승으로 연료의 연소 효율이 향상되며, 연소 속도가 증대하여 노의 열발생율이 커져 보일러 체적을 작게 할 수 있는 이점도 있다.
공기예열기의 성능 진단에는 가스측 온도효율, 공기누설율, X-Ratio, 열회수율 및 열관류율 등의 지표를 사용한다. 이 때 공기예열기 전·후단 공기 및 가스의 온도를 측정해야 하는데, 온도 분포가 고르지 않고 유로의 단면적이 크기 때문에 정확한 성능진단을 위해서 성능진단 주요 포인트 중 가장 많은 수의 계측기가 설치되는 곳이 바로 공기예열기 부분이다.
보일러 보조기기의 건전한 성능 관리를 위해서는 공기예열기 냉단 평균온도, Seal 간극, Draft Loss, 배기가스 온도, 입·출구 O2(%) 등의 Data를 지속적으로 측정 및 분석함으로써, 최적 주기의 Soot Blowing을 시행하여 열소자 오염 및 부식을 방지하고, 보일러 상태에 따른 적정 과잉공기비를 유지해야 한다.
일반적으로 배기가스 온도를 22℃ 낮춤에 따라 보일러 효율은 약 1% 상승하는 것으로 알려져 있다. 안정적이고 경제적인 설비운영을 위해서는 주기적인 성능진단을 통하여 보일러 보조기기가 항상 최적의 상태로 운전될 수 있도록 해야 한다.