KR20060038232A - 복합화력 온라인 열소비율 분담시스템 - Google Patents

복합화력 온라인 열소비율 분담시스템 Download PDF

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KR20060038232A
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주용진
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Abstract

본 발명은 복합화력 발전설비의 성능관리지표인 열소비율을 최소로 유지할 수 있도록 하기 위한 열소비율 분담시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명은 실시간으로 운전자료를 취득하여 현재 운전조건에서의 실제 열소비율과 기대 열소비율을 정량적으로 계산하여 손실분을 복합화력 발전시스템 구성기기(가스터빈, 배열회수보일러, 증기터빈, 복수기, 냉각탑)로 분담시킴으로써 비효율적으로 운전되는 기기나 성능열화가 많은 기기를 규명하여 조치함으로서 발전소 열소비율을 최적으로 유지할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.
복합화력, 열소비율, 온라인, 분담방법

Description

복합화력 온라인 열소비율 분담시스템 {A Technique of the On-Line Heat Rate Allocation for Combined-Cycle Power Plant}
도 1은 본 발명의 전체 시스템 구성 계층도,
도 2는 일반적인 복합화력 에너지 흐름을 보인 계통도.
*도면의 주요부분에 대한 부호에 대한 설명*
1 : 발전소 분산제어계층 2 : 데이터 취득/저장계층
3 : 열정산 시뮬레이션계층 4 : 열소비율 분석계층
5 : 사용자 인터페이스계층 6 : 실측데이터 통신 인터페이스
6-10:데이터 통신채널 11 : 가스터빈 발전기
12 : 압축기 13 : 연소기
14 : 가스터빈 15 : 배열회수보일러(HRSG)
16 : 증기터빈 17 : 증기터빈 발전기
18 : 복수기 19 : 급수펌프
20 : 복수펌프 21 : 냉각탑
본 발명은 복합화력 발전설비의 성능관리지표인 열소비율을 최소로 유지할 수 있도록 하기 위한 열소비율 분담시스템 및 방법에 관한 것이다.
국내 발전설비중 복합화력설비가 차지하는 비중이 점차 증대되고 있으며, 국내 전력시장도 자유경쟁에 의한 전력거래 체재로 변화됨에 따라 핵심 경쟁요소인 연료비 및 운전비용절감을 위한 발전소 최적 성능 유지에 많은 관심이 집중되고 있다.
발전소 성능지표라 할 수 있는 열소비율 산정을 위해서는 성능시험을 실시하고 규정된 코드나 표준에 의거하여 수계산으로 성능계산을 수행한 후 전체 발전소의 열소비율을 확인할 수 있다. 성능시험 후 전체 발전소에 대한 실제 열소비율(단위 전력생산당 투입되는 연료에너지 비)은 계산될 수 있으나, 전체 열소비율의 목표치라 할 수 있는 기대치는 어느 정도이고 이러한 기대치와 실제치의 편차가 어느 구성기기에서 얼마만큼 발생되는지에 대한 분석은 어려운 실정이다.
또한, 온라인 실시간으로 열소비율의 변화가 제공되지 못해 열소비율이 증가된 경우에도 조기에 감지될 수 없어 운전비용이 높은 상태로 운전될 수 밖에 없었다. 이와 같은 단위기기에 대한 상세한 성능열화 분석정보가 불충분하여 전체 발전설비 및 단위기기에 대한 예측정비가 불가능하였고, 주기적인 예방정비를 실시하거나 시행착오 방법에 의해 비효율적인 요소의 파악이 수행됨으로써 막대한 정비비용 과 시간이 소요되어야 했다.
본 발명은 상기한 종래 문제를 해결하기 위한 것으로, 상세하게는 전체 발전소에 대한 열소비율 및 효율식으로부터 각 구성기기에 대한 열소비율 분담식을 개발하여 전체 발전소 열소비율의 실제치와 기대치 사이의 편차, 즉 열소비율 손실을 각 구성기기별로 정량적으로 분담하여 구성기기가 전체 발전소 열소비율 손실에 미치는 영향을 정량화함으로써 발전설비의 최적 운전성능유지 및 운전비용을 절감할 수 있도록 하는 복합화력 온라인 열소비율 분담시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 실시간, 온라인(On-line)으로 방대한 성능변수를 효과적으로 취득/관리하기 위해 실시간 데이터 취득관리시스템(Data Acquisition & Historian System)을 발전소 분산제어시스템(Distributed Control System)과 연계하여 계산에 필요한 성능변수를 취득하고 저장할 수 있는 기능을 제공한다. 또한, 발전소 실제 열소비율 계산은 물론 동일한 현재 운전조건에서 기대 열소비율 계산에 필요한 성능 변수값을 기기 공급자가 제공하는 보정곡선 및 개발된 상관식을 상용 성능분석모듈을 이용하여 구성한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명 한다.
도 1은 본 발명에 따른 시스템 계층 구조를 보인 계층도이다. 도면을 참조하면, 본 발명은 크게 5개의 계층으로 구성되어 있다. 구성계층은 발전소 분산제어계층(1), 데이터 취득/저장계층(2), 열정산 시뮬레이션계층(3), 열소비율 분석계층(4) 그래픽 사용자 인터페이스 계층(5)으로 구성된다.
상기 데이터 취득/저장계층(2)의 데이터 취득/저장모듈(2a)은 발전소 분산제어계층(1)으로부터 실시간으로 실측데이터를 추출하여 저장하거나 발전소 열정산 계산 및 열소비율 계산에 필요한 데이터를 제공하는 동시에 방대한 발전소 실측 데이터 및 계산 데이터를 효과적으로 저장하고 신속하게 추적할 수 있는 기능을 제공한다. 따라서 장기간에 걸친 과거 운전 데이터에 접근할 수 있어 현재 운전 데이터와 비교함으로서 열소비율 추이를 파악할 수 있는 기능을 제공한다.
상기 열정산 시뮬레이션 계층(3)의 열정산 시뮬레이션 모듈(3a)은 실제 열소비율 계산에 필요한 실측데이터와 기대 열소비율 계산에 필요한 기대 성능데이터를 제공하는 역할을 담당한다. 실측 데이터는 현장 계측기의 교정 및 유지보수의 부족으로 데이터의 정확도가 떨어질 수 있으므로 전체 발전소 및 구성기기에 대해 질량 및 에너지 밸런스 식으로 이루어진 수학적 모델을 구성하고, 실측 데이터를 근간으로 밸런스 식을 만족하는 유효 실측치(validated value)를 제공하여 실측 데이터에 오류를 포함하는 경우 이를 대체하여 실제 열소비율을 계산함으로써 보다 정확한 결과를 제공할 수 있도록 한다.
기대 성능데이터 제공은 현재 운전조건을 기준으로 기기 공급자가 제공하는 설계 데이터, 성능보정곡선 및 개발된 상관식을 이용하여 개발된 시뮬레이션 모델로부터 계산되어 제공된다.
열소비율 분담계산계층(4)의 열소비 분담 계산모듈(4a)는 열정산 시뮬레이션 모듈(3a)에서 제공된 정확한 실제 운전치와 기대 성능치를 제공받아 아래의 개발된 열소비율 분담식에 의거해 계산을 수행하는 역할을 담당한다.
도 2는 일반적인 복합화력 에너지 흐름을 보인 계통도이다. 도면을 참조하면, 복합화력 발전은 가스터빈 발전기(11)와 증기터빈 발전기(17)를 포함하며, 가스터빈 발전기(11)는 주입된 에너지를 연소기(13)에 의해 연소시켜 연소시 발생되는 열에 의해 가스터빈(14)을 구동하고, 가스터빈(14)의 구동에 의해 압축된 열을 이용하여 가스터빈 발전기(11)를 구동하게 된다.
배열회수 보일러(15)는 상기 가스터빈(14)이 구동할 때 배출되는 열을 회수하고, 그 회수된 열로 냉각수를 가열하고, 가열시 발생하는 증기로 증기터빈(16)을 구동하는 것에 의해 증기터빈 발전기(17)를 구동한다.
증기터빈(16)을 구동한 증기는 복수펌프(20)의 펌핑력에 의해 복수기(18)를 통해 냉각탑(21)으로 이송되어 냉각된 후 급수펌프(19)에 의해 상기 배령회수 보일러(15)로 순환하게 된다.
상기한 복합화력 발전시스템에서의 에너지 흐름은 도 2와 같이 투입 에너지, 출력, 구성기기의 효율간의 상관관계로 표시될 수 있다. 발전시스템에 투입되는 열 입력은 연료가 갖는 에너지이며 각 기기별로 에너지의 입출력을 표시할 수 있다. 대상 시스템에서 발생되는 총 출력은 n대로 구성된 가스터빈 각각에서 나온 출력과 1대의 증기터빈의 출력의 합으로 수학식 1과 표현할 수 있다.
(수학식 1)
Figure 112004050119396-PAT00001
그리고 도 2에 도시한 바와 같이 수학식 1은 가스터빈(14)으로 유입되는 연료에너지와 각 구성기기의 효율로서 표현하면 수학식 2와 같이 표현할 수 있다. 여기서 F는 가스터빈(14)에 공급되는 연료에 의한 입열량(kJ/h)을 의미하며, 연료 입열량은 연료의 발열량과 공급연료유량의 곱으로 나타낼 수 있다.
(수학식 2)
Figure 112004050119396-PAT00002
전체 복합화력 시스템의 열소비율은 투입된 연료에너지와 총 출력의 항으로 다음의 수학식 3과 같이 표현할 수 있다.
(수학식 3)
Figure 112004050119396-PAT00003
전체 복합발전시스템의 효율은 열소비율의 역수관계에 있고, 전체 복합시스템의 열소비율 수학식 3을 이용하여 나타내면 다음의 수학식 4와 같이 표현할 수 있다.
(수학식 4)
Figure 112004050119396-PAT00004
수학식 3과 수학식 4에서 알 수 있는 바와 같이 전체 발전소 열소비율 및 효율은 구성기기인 가스터빈(14), 배열회수보일러(15) 및 증기터빈사이클의 함수임을 알 수 있다. 따라서 이들 해당기기의 성능변화에 의한 전체 발전소 효율 및 열소비율에 미치는 영향을 유도할 수 있다.
다음은 가스터빈(14)에서의 열소비율 손실분담에 대해 설명한다.
전체 열소비율 중 j번째 가스터빈에 의해 발생되는 열소비율 손실 분담식을 구하기 위해 복합화력 전체 효율을 표기한 수학식 4를 j번째 가스터빈에 대하여 편미분하고 이를 정리하면 다음의 수학식 5와 같이 표현된다.
(수학식 5)
Figure 112004050119396-PAT00005
j번째 가스터빈의 성능변화가 전체 복합화력의 효율 및 열소비율에 미치는 영향은 다음의 수학식 6과 수학식 7과 같은 관계를 갖는다.
(수학식 6)
Figure 112004050119396-PAT00006
(수학식 7)
Figure 112004050119396-PAT00007
HRACT는 현재 운전조건에서 실제 계측기로부터 계측되는 연료유입량, 발열량, 출력을 이용하여 계산되는 열소비율이고, HREXP는 기대 열소비율로서 기기성능이 제작사 사양을 기준으로 계산하거나 계획예방정비 직후의 기기의 성능이 최상일 경우 현재 발전소 운전조건(부하조건, 대기조건)에서 발전시스템이 발휘할 수 있는 최소 열소비율이다. 그러므로 HRACT와 HREXP와의 차가 (+) 값이면 이는 해당 가스터빈이 최적으로 운전되지 못함에 의해 발생되는 손실을 의미한다.
다음은 배열회수 보일러(15)에서의 열소비율 손실분담을 설명한다.
각 배열회수 보일러(15)의 성능이 전체 발전시스템 열소비율에 미치는 영향을 정량화하기 위해 가스터빈(14)에서 유도한 방법과 유사하게 유도하면 수학식 8과 같다.
(수학식 8)
Figure 112004050119396-PAT00008
위의 수학식 8과 수학식 6을 이용하여 다시 쓰면 다음의 수학식 9와 같이 표현될 수 있다.
(수학식 9)
Figure 112004050119396-PAT00009
다음은 증기터빈 사이클에서의 열소비율 손실분담을 설명한다.
증기터빈사이클(Rankine Cycle)에서 발생되는 열소비율의 손실은 앞서 유도한 방식과 유사하게 유도될 수 있다. 그러나 증기터빈사이클은 도 2에서 보는 바와 같이 증기터빈(16), 복수기(18) 및 냉각탑(21)으로 구성되어 있다. 따라서 증기터빈사이클에 의한 열소비율 분담식을 먼저 유도하고 구성기기별 성능변화에 의해 증기터빈 사이클의 열소비율에 미치는 영향을 더 세분화할 필요가 있다. 증기터빈사이클에 의한 열소비율 분담식은 다음의 수학식 10과 같이 유도될 수 있다.
(수학식 10)
Figure 112004050119396-PAT00010
위의 수학식 10과 수학식 6을 이용하여 다시 쓰면 다음의 수학식 11과 같이 표현될 수 있다.
(수학식 11)
Figure 112004050119396-PAT00011
먼저 복수기의 성능변화에 의한 증기터빈사이클에 미치는 열소비율 영향을 살펴보면, 증기터빈사이클의 성능, 즉 출력은 복수기의 배압에 의해 크게 영향을 받는다. 그러므로 증기터빈사이클의 효율 및 열소비율은 복수기(18)에 공급되는 냉각수의 실제온도를 기준으로 해서 복수기의 실측 배압과 기대되는 복수기(18)의 배압의 차이에 의해 발생된다. 따라서 위의 증기터빈사이클의 열소비율 분담식으로부터 다음의 수학식 12와 같이 나타낼 수 있다.
(수학식 12)
Figure 112004050119396-PAT00012
여기서,
Figure 112004050119396-PAT00013
는 실제 공급되는 냉각수 온도를 기준으로 기대되는 복수기(18) 배압에서의 증기터빈사이클 효율을 각각 의미하며,
Figure 112004050119396-PAT00014
는 실제 공급되는 냉각수 온도에서 복수기 실제 배압에서의 증기터빈사이클 효율을 각각 의미한다.
다음으로 냉각탑(21)의 성능이 열소비율에 미치는 영향은 복수기(18)에 공급되는 냉각수의 실제온도와 기대온도의 차이에 의해 발생된다. 다시 말해, 냉각탑(21)은 현재 대기조건에서 냉각탑의 성능에 따라 복수기로 공급되는 냉각수의 온도에 차이가 발생되고 이는 복수기(18)의 배압에 직접적인 영향을 미치기 때문이다.
(수학식 13)
Figure 112004050119396-PAT00015
여기서,
Figure 112004050119396-PAT00016
는 현재 대기조건하에서 냉각탑(21)으로부터 공급되는 냉각수 온도 기대치를 기준으로 기대되는 복수기(18) 배압에서의 증기터빈사이클 효율을 의미한다.
다음은 증기터빈(16)에서의 열소비율 손실분담(HR loss ST)을 설명한다.
증기터빈사이클에서 증기터빈에 의한 열소비율 분담은 전체 증기터빈사이클의 열소비율 분담중에 복수기(18) 및 냉각탑(21)에 기인하는 열소비율 편차를 제함으로써 구할 수 있다.
(수학식 14)
Figure 112004050119396-PAT00017
복합화력 온라인 열소비율 분담분석 시스템을 이용한 분석정보 결과를 발전소 근무자나 경영자가 쉽게 접근하여 정보를 열람할 수 있도록 완전한 클라이언트/서버 구조를 갖도록 하드웨어적으로 구성하여 활용성 및 이용률을 제고하였다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 운전중 온라인 방법을 통해 실시간으로 전체 발전소 및 단위기기의 열소비율 편차를 제공할 수 있는 시스템으로 분석결과를 이용하여 복합화력 발전설비의 실시간 성능평가, 성능열화 감시 및 성능향상 방안을 제시할 수 있다. 종래의 Off-Line 방식이나 수동으로 발전소 성능관리지표인 열소비율을 평가하는 방식에서 On-Line 실시간 방식으로 전환함에 따라 지속적으로 열소비율을 감시할 수 있어 설비 결함을 조기에 발견하여 조치함으로서 설비의 성능열화를 최소화함으로써, 운전비용(연료비)을 절감할 수 있다. 또한, 종래의 주기적인 유지보수에서 벗어나 설비의 열소비율 편차 정도에 따라 설비의 정비를 결정할 수 있어 주기적인 정비에서 벗어나 정비주기의 장주기화가 가능하여 정기보수를 위한 발전소 정지 기간의 단축으로 발전설비의 이용률 제고는 물론 유지보수 비용을 절감할 수 있다.
본 시스템과 발전소 네트워크와 연계하여 서버/클라이언트 구조를 구축함으로서 발전소 운전원, 성능담당직원 및 관리자가 편리하게 본인의 PC에서 열소비율 정보를 열람할 수 있어 최적 의사결정을 도모할 수 있다.












Claims (6)

  1. 발전소 분산제어계층(1), 데이터 취득/저장계층(2), 열정산 시뮬레이션계층(3), 열소비율 분석계층(4) 및 사용자 인터페이스 계층(5)을 갖고, 각 계층별로 데이터 취측/저장모듈(2a), 열정산 시뮬레이션 모듈(3a) 및 열소비율 분담모듈(4a)를 포함하며,
    상기 데이터 취득/저장모듈(2a)은 발전소 분산제어계층(1)으로부터 실시간으로 실측데이터를 추출하여 저장하거나 발전소 열정산 계산 및 열소비율 계산에 필요한 데이터를 제공하는 동시에 발전소 실측 데이터 및 계산 데이터를 저장하고;
    상기 열정산 시뮬레이션 모듈(3a)은 실제 열소비율 계산에 필요한 실측데이터와 기대 열소비율 계산에 필요한 기대 성능데이터를 제공하고;
    상기 열소비율 분담 계산모듈(4a)은 상기 열정산 시뮬레이션 모듈(3a)에서 제공된 정확한 실제 운전치와 기대 성능치를 제공받아 다음의 열소비율 분담식에 의거해 계산을 수행하는 것을 특징으로 하는 복합화력 온라인 열소비율 분담시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 열정산 시뮬레이션 모듈(3a)은
    전체 발전소 및 구성기기에 대해 질량 및 에너지 밸런스 식으로 이루어진 수학식을 구성하고, 실측 데이터를 근간으로 밸런스 식을 만족하는 유효 실측치를 제공하여 실측 데이터에 오류를 포함하는 경우 이를 대체하여 실제 열소비율을 계산 하는 것을 특징으로 하는 복합화력 온라인 열소비율 분담시스템.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 기대 성능데이터는,
    현재 운전조건을 기준으로 기기 공급자가 제공하는 설계 데이터, 성능보정곡선 및 상관식을 이용하여 시뮬레이션 모듈로부터 계산되는 것을 특징으로 하는 복합화력 온라인 열소비율 분담시스템.
  4. 복합화력 발전설비의 최적 운전성능 유지 및 운전비용 절감을 위하여 온라인 실시간으로 전체 발전소 및 단위기기별 운전데이터를 취득하여 열정산 시뮬레이션 모듈에서 구해진 성능분석 결과를 토대로 현재 운전조건에서의 전체 발전소의 실제 열소비율 및 기대 열소비율을 편차를 구성기기별로 정량적으로 분담하는 것을 특징으로 하는 실시간 열소비율 분담방법.
  5. 제 4항에 있어서, 성능분석을 통한 실시간 열소비율 계산을 위해 발전소 실측 데이터를 발전소 질량 및 에너지 밸런스 식으로 구성된 수학식을 이용하여 검증하고, 데이터 오류발생시 모델에서 구한 유효치를 이용하여 실제 열소비율을 구하며, 기대 열소비율은 설계데이터, 성능보정곡선 및 개발된 상관식을 이용하여 모델을 구축하고 현재의 운전조건에서 기대되는 성능데이터를 계산하여 기대 열소비율을 계산하는 것을 특징으로 하는 실시간 열소비율 분담방법.
  6. 제 4항에 있어서, 전체 발전소 열소비율 편차를 복합화력 발전소 구성기기인 가스터빈, 배열회수보일러, 증기터빈, 복수기, 냉각탑에 정량적으로 분담하는 것을 특징으로 하는 실시간 열소비율 분담방법.
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