계장기술(PROCON)

기획특집 발전설비 열성능시험 기준과 평가

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작성자 최고관리자 댓글 0건 조회 1,450회 작성일 21-09-15 14:27

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ASME(American Society of Mechanical Engineers)에서는 발전설비 열성능시험을 위해 PTC(Performance Test Code)를 개발하였다. 이 Code는 자료가 방대하고, 기술적인 수준에서 탁월하여 전 세계적인 기준으로 자리잡았다. 우리나라에서는 1983년부터 이를 활용하여 발전설비 인수 성능시험은 물론 열성능 진단을 수행하고 있으며, 그 기술력을 인정받고 있다. 열성능시험은 많은 인력과 장비가 투입되어 계약보증사항을 확인하고, 설비 문제점을 진단하는 시험이다. 본고에서는 PTC를 활용하여 성능시험을 하는 기본적인 내용을 소개한다.


1. 우리나라 발전소 성능시험의 역사

중동 지역의 국제정세 변화로 1970년대에 일어난 1·2차 오일쇼크(1973년, 1979년)로 국제유가는 급등하였으며, 경제성장률은 큰 폭으로 저하되었다. 특히 2차 오일쇼크 이후에는 경제성장률이 -1.4%를 기록하였으며, 정부는 긴급 수급조정 명령을 발동하는 등 피해가 막대하였다. 당시 우리나라의 발전 연료는 일부 국내 무연탄을 포함하여 중유가 큰 비율을 차지하였다. 한전에서는 화력발전소 연료 전환(중유 → 무연탄, 유연탄)이 추진되었으며, 에너지관리공단이 설립되는 등 우리나라 에너지 절감 의식을 높이는 계기가 되었다.
(이와 같은 주변 환경에서) 당시 한전에서 운영 중인 기력발전소의 열효율이 설계치에 비해 현저히 낮게 운영되고 있어, 효율 향상에 의한 발전 원가 절감이 요구되었다(표 1). 한전에서는 1983년 발전소 열성능 진단을 위한 성능 진단 전담반이 구성되어 전체 발전설비에 대한 진단이 시행되었으며, 1984년 전력연구원에 성능진단반이 발족되었다. 그 이후 성능진단반에서는 운영 중인 발전소에 대한 주기적인 열성능 진단이 시행되었으며, 건설되는 발전설비에 대한 인수 성능시험을 하는 등 열성능 진단에 대한 기술 축적과 에너지 절감에 기여하였다. 외국에서는 발전설비 제작사가 주로 인수 성능시험 위주의 시험을 하기 때문에 우리나라와 같이 운영자에 의한 성능시험 기술 축적은 거의 전무한 상황이다. 한전에서 축적된 기술은 민간 성능시험 전문 회사로 이전되었으며, 국내외에서 에너지 절감은 물론 수익 창출에도 기여하고 있다.

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2. 성능시험 기준

성능시험은 ASME PTC를 기준으로 시행되고 있다. ASME PTC는 모든 발전설비에 대하여 설비별로 구분되어 있으며, 그 종류가 아주 방대하다. 여기서는 모든 성능시험 Code를 소개할 수 없으며, 중요 설비는 다음과 같다(표 2).
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3. 성능시험 절차 및 방법

성능시험은 ASME PTC에 따라 엄격하게 시행되어야 한다. 시험 성격에 따라 시험 결과가 발주자와 계약자에게 민감하게 영향을 미치기 때문이다. 인수 성능시험의 경우 기기 공급 계약에 따라 계약보증치를 만족시키지 못하면 페널티를 부과할 수도 있고, 심하면 설비 인수 거부 조건이 되기도 한다. 진단시험일 때는 설비 문제점을 정확히 규명하여 정비 자료로 활용되며, 정비 후 시험에서는 그 효과를 판단하는 기준이 된다. 설비 교체 또는 증설인 경우에는 경제성 평가의 기준이 되기도 한다. 또한 비용평가 성능시험인 경우에는 전력판매 단가 결정을 위한 플랜트 효율을 산정하므로 발전설비 운영 수익에 직접 영향을 미치게 된다. PTC는 ASME에서 제시하는 기준이므로 절대적인 것은 아니다. 따라서, 시험 전에 시험 당사자들의 충분한 협의를 통해 절차 및 방법을 세밀하게 검토해야 한다. 모든 시험에 있어서 가장 중요한 것은 시험용 계측기와 관련된 사항이며, 이는 다음 장(4. 성능시험용 계측기 요구조건)에서 언급하고자 한다.

가. 성능시험 계획 수립 및 시험 절차서 확정
정확한 시험 결과를 얻기 위해서는 시험 목적 및 범위에 맞는 계획을 수립해야 하며, 중요 사항으로는 운전 방법 및 절차, 측정 항목 및 위치, 계통 격리 등이 있다. 성능시험 절차서에는 PTC에서 요구하는 모든 항목이 반영되어야 하며, 계측기 설치 및 보증 항목 산정 방법 등이 기술되어야 한다. 이에 앞서 계약 전 성능 전문가의 자문을 받아 주기기 공급 계약서를 작성하는 것이 시행착오를 줄일 수 있는 방법이다.

나. 성능시험 준비
절차서가 확정되면 설계 조건에 부합되는 시험 연료를 확보하고, 시험용 계측기를 설치한다. 시험은 보정을 최소화하기 위해 정격 운전 조건에서 해야 하며, 모든 튜닝을 완료해서 설비가 안정적으로 운전되어야 한다. 성능시험 전문 회사에서는 성능 계산 프로그램을 작성하고, 미리 데이터를 취득하여 사전 검토를 해야 하며, 필요 시 개선 방안을 제시한다. 시험 전 설비 정지 기간을 활용하여 설비를 점검 및 정비하고, 시험에 필요한 자료를 준비한다. 시험과 관련된 부서 및 회사에 협조를 요청하고, 기록 및 계통 격리 요원을 선발하고 교육한다.

다. 계통 격리
계통의 격리 상태는 시험 결과에 크게 영향을 미치므로 시험 Boundary 내외부로 쓸데없이 출입되는 유량을 반드시 격리 또는 측정해야 하며, 다음 기준에 맞아야 한다.

라. 연료, Ash 등의 시료 채취 및 분석
석탄화력인 경우 시험 시간 중 석탄 및 Ash 시료를 채취하여야 하며, 가스 및 석유 연료인 경우에도 연료 시료를 채취하여야 한다. 발전설비에 대한 해당 시험 코드에 시료 채취 위치 및 방법이 기술되어 있다. 채취된 시료는 공인기관에서 분석해야 하며, 이와 같은 사항은 시험 전에 충분히 검토하고 절차서에 반영한다.

마. 예비시험
발전설비가 시험에 적합한 상태인지 여부를 판단하고, 안정되게 운전되는지, 시험을 진행하는데 문제점은 없는지의 여부를 판단하기 위해 반드시 거쳐야 하는 절차이며, 다음과 같은 사항을 확인한다.
•시험용 특설 계측기 작동, 제어 및 DAS(Data Acquisition System) 상태 점검
•계통 격리 상태 확인 및 성능시험 요원 교육
•계측 불확도 확인 및 설비 문제점 도출·시정
예비시험이 완료되면 시험 결과를 가계산하여 설비에 문제점이 있는지 파악하고, 그 내용을 설비 담당자와 협의하여 본시험 여부를 결정한다.

바. 계통 평형상태 확보
시험 전 설비 안정 시간을 충분히 확보하여 전 계통이 열적 평형상태가 유지되도록 한다. 각종 운전치는 시험 결과에 대한 보정을 최소화할 수 있도록 설계 조건에 가깝게 운전해야 하며, 코드별로 요구되는 허용편차가 제시되어 있다(표 4). 허용 운전 편차 초과 시 시험의 일부를 무효화하거나 재시험을 실시해야 한다.

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4. 성능시험용 계측기 요구조건

성능시험을 함에 있어서 정확하고 정밀한 계측은 성능시험 결과의 건전성이나 유효성에 절대적인 영향을 미친다. 따라서 사용되는 계측기에 대한 의무 요건은 각 코드의 섹션 4에 규정하고 있으며, ASME PTC 19 Series에서 자세하게 규정하고 있다.

사용되는 모든 계측기는 코드에서 요구하는 정밀도와 계측 불확도를 갖추고 있어야 한다. 또한 모든 계측기는 사전에 공인기관에서 교정 받아야 하고, 교정 결과는 해당 계측기로 측정되는 측정치를 보정하는데 사용한다.

보일러 및 가스터빈 시험 시 연소용 공기 및 배기가스 덕트 온도를 측정하기 위해서는 다측정공을 설치하여 수십 개의 온도를 동시에 측정해야 한다. 또한 이들 덕트에서 가스 농도를 분석하기 위해 다측정공과 버블러를 설치해야 한다.

시험 결과에 특히 영향을 많이 미치는 측정 인자는 전력량과 터빈에서의 기준 유량이다. 인수 시험을 비롯하여 중요한 시험 시에는 기준 유량을 정밀하게 측정하기 위해서 오리피스와 노즐 등 유량 측정 장치를 교정 받아 설치하기도 한다. 다음 그림은 PTC 6에 의한 증기터빈 성능시험 시 특설해야 할 측정 포인트이다.

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5. 시험 결과 계산 및 분석

시험 결과 계산 방법이 각 PTC 코드의 섹션 5에 나와 있으며, 이를 기준으로 시험 당사자 간에 협의하여 결정한다. PTC PM은 성능분석 지침에 대해 해설해 놓은 것으로서 분석 시 활용할 수 있지만, 더 많은 지식과 경험이 필요하다.

성능시험은 설계 조건에서 시행되기가 어려우므로 사전에 설계 조건으로 보정하는 방법이 결정되어야 한다. 발전설비 진단 시에는 설비의 문제점을 파악하여 개선 방안을 강구하는 것이 목적이므로 현장 담당자의 의견을 충분히 청취하여 분석에 활용하도록 하고, 평소에 발전설비에 대한 지식을 축적하는 것이 중요하다.


kimbgon@koiptc.com 

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