서 론

정부의 탄소중립을 위한 에너지전환 정책으로 풍력, 태양광 등 신재생 발전원이 증가하고, 동시에 화력발전은 단계적으로 축소되고 있다. 신재생 발전원은 지역, 계절 등 환경적인 특성에 따라 변동성이 크기 때문에 이를 보완하기 위해 ESS, GT 단독 기동, 화력발전 유연운전 등 다양한 전력망 안정화 자원들이 개발되고 도입되고 있다. 이 중 화력발전 유연운전은 신재생 발전원의 출력변동성에 대응하기 위해 계통에서 요구하는 출력에 맞추어 운전하는 것을 말한다.
 
기존의 화력발전은 저렴한 연료비로 많은 양의 전력을 생산할 수 있는 이점을 활용하기 위해 전력계통에서 기저부하를 담당하여 대부분 정격 출력으로 운전되었지만, 에너지전환 정책으로 인해 신재생 발전원이 대폭 증가하고 미세먼지, 온실가스 등 환경 문제로 인해 이용률이 하락하고 있다. 이러한 시대적 상황에 따라 화력발전은 기존의 기저부하 운전에서 전력망 안정화 자원으로의 역할 전환을 꾀하고 있다.

또 발전설비를 포함한 기계설비는 정격 출력에서 가장 높은 성능을 낸다. 발전소에  유연 운전을 적용하면 발전설비들은 기저부하 운전에 비해 가혹한 환경에서 운전되기 때문에 신뢰성 확보를 위한 적절한 유지관리가 필요하다. 고온·고압의 증기를 생산해내는 보일러, 고속으로 회전하는 터빈 등 가혹한 환경에서 운전되는 발전설비는 설계 단계에서는 크리프, 피로 등을 고려한 충분한 운전 수명을 검토하고, 운영 단계에서는 적절한 운전 절차 및 상태를 감시하고, 주기적인 진단을 통해 신뢰성을 확보한다.
 
본고에서는 유연 운전을 적용함에 따라 변화된 환경에서 운전되는 발전설비의 신뢰성을 확보하기 위한 설비 감시/관리 시스템을 소개한다.    

본 론

(1) 기존의 발전설비 신뢰성 확보 방법
현재까지 개발되고 적용되고 있는 설비 신뢰성 평가 방법은 매우 다양하지만, 일반적으로 적용되고 방법은 운전 환경에서의 설비의 구조해석(유한요소해석, 이론해석 등)을 통해 응력, 변형률 등의 결과를 도출한다. 이렇게 얻어진 값들을 해당 재료의 크리프 시험 및 피로 시험 데이터에 적용하여 크리프 수명과 피로 수명을 계산할 수 있다. 이렇게 얻어진 크리프 및 피로 수명에 크리프-피로 상호작용을 고려한 설비의 운전 수명을 도출한다.
발전소는 설계 단계에서 규정된 절차에 따라 운전되므로 수명 기간 동안 경험하는 기동/정지 및 출력변동 이벤트를 합산하여 설비에 누적된 손상률을 계산할 수 있다. 유연 운전 등 운전 환경 및 절차가 변경되는 경우에는 변경 사항을 적용한 신뢰성 평가가 필요한데, 기저부하 운전에 운전 환경이 가혹해지고, 이력이 복잡해져 정확도 높은 신뢰성 평가가 필요하다. 또한 에너지전환 정책 추진과 전력수급 상황 등에 따라 추후에 유연 운전 특성이 다시 바뀔 가능성이 크기 때문에, 이러한 변화에 대응하기 위한 신뢰성 평가 및 감시 시스템의 구축이 필요하다.

(2) 유연 운전 발전소에 대한 신뢰성 확보 방법
가혹해진 운전 환경과 복잡한 운전 이력에 대응하여 발전설비의 신뢰성을 확보하기 위해 유연 운전 발전설비 수명관리 시스템을 구축하면 보다 더 안정적인 설비관리가 가능하다. 기존의 신뢰성 평가와의 차이점은 변화된 운전 특성을 반영한다는 것이다. 상용 유한요소해석 소프트웨어를 이용하여 주요 설비에 대한 구조해석 DB를 구축한다. 온도, 압력, 유량 등 주요 운전 데이터 기록을 기동/정지 및 출력변동 이벤트마다 분석하고 구축된 구조해석 DB에 반영하여 새로운 해석을 통해 해당 이벤트에서 발생하는 응력 및 변형률 값을 계산한다. 계산된 응력 및 변형률 값으로 크리프 수명소비율과 피로 수명소비율을 구하고, 각각의 수명과 크리프-피로 상호작용을 고려한 수명소비율을 도출해낸다. 이렇게 매 이벤트마다 계산된 수명소비율을 누적하여 안전율을 고려한 한계 수명(80%)에 도달할 때까지 기록하여 설비 수명을 관리한다.
이러한 관리 시스템에는 정확도 높은 감시 및 분석 계통이 필요하다. 유연 운전되는 동안 온도, 압력, 유량 등이 짧은 시간에 비정상적으로 변화하는 상황이 발생할 수 있기 때문에 이러한 운전 이력을 감시하는 것이 필수적이다. 기존의 발전소 중앙제어실에서 운전원이 관리하는 운전 데이터를 활용하는 방법도 있으며, 추가적인 감시/분석 시스템을 도입하면 더 높은 신뢰도의 관리 시스템 구축이 가능하다. 미국, 유럽 등 에너지전환 선진국에서도 화력발전 유연 운전이 확대되면서 이러한 직간접적인 감시/분석 시스템을 도입하여 발전설비의 신뢰성을 확보하고 있다.  

(3) 유연 운전 발전설비 신뢰성 확보를 위한 감시/분석 시스템
상기와 같이 기술한 발전설비 수명관리 시스템에 도입가능한 감시/분석 시스템은 다음과 같다.
① 운전 데이터 분석 시스템
기존의 운전 관리시스템에 분석 시스템을 추가하여 주요 설비의 온도, 압력, 유량 등 운전데이터를 감시하고, 해당 구간에서 가장 가혹한 트렌드를 감지하여 구간(단위 시간)별로 분류한다.
해석 시간 단축을 위해 구간별로 트렌드를 단순화하여 구조해석 모듈에 전달하고, 이를 반영한 구조해석 및 평가를 통해 해당 이벤트의 수명소비율을 계산할 수 있다.
기존의 운전 시스템을 활용하기 때문에 시스템 구축에 소요되는 시간과 비용은 적으나, 순간적인 운전 데이터 변화에 민감하게 반응하는 데에는 한계가 있다.

② 변형량 측정 시스템
보일러 헤더, 튜브, 배관 용접부 등 각 설비의 주요 응력집중부의 변형량을 측정하기 위해 스트레인게이지를 설치한다.
각 지점의 변형량을 실시간으로 감시하고, 후처리된 변형량 데이터는 구조해석 모듈에 전달된다. 측정된 변형률을 이용하여 응력 등을 계산하고, 이를 이용하여 해당 이벤트의 수명소비율을 계산할 수 있다.
각 센서들이 정상적으로 작동한다는 가정하에 정확도 높은 운전 환경 감시가 가능하나 스트레인게이지의 허용온도에 한계가 있어 제한이 있었고, 최근 개발된 신소재 스트레인게이지를 이용하면 초고온부까지 설치 및 운용이 가능하다. 

결 론

탄소중립, 에너지 전환 등 시대적 요구에 대응하기 위해 화력발전소의 역할 변화를 위한 유연 운전 도입은 시대적으로 거스를 수 없는 필수 요구사항이 되었다.
이에 따라 더욱 가혹해지고 복잡해진 운전 환경을 반영한 관리 시스템 도입을 통해 발전설비 신뢰성을 확보해야 한다.

front.kim@kepco.co.kr