1. 서 론

국내에서 석탄화력 발전소는 그동안 안정적이고 경제적으로 전력을 공급하는 중용한 역할을 하고 있으나, 최근에는 미세먼지, 질소산화물 및 온실가스 배출 등 환경문제가 대두되고 있다. 한편 우리나라 정부는 2030년까지 온실가스를 37%의 감축하고자 하는 정책을 수립하였고[1], 이에 따라 노후 석탄화력 발전소를 조기에 폐지하고자 하는 정책을 발표하였다[2].

그러나 이들 발전소는 그동안 지속적인 설비보강에 따라 물리적인 상태가 양호하므로, 단순한 설비 폐지에 따른 잔존 자산 가치 손실을 최소화하기 위하여 연료를 천연가스로 전환하는 대안도 검토하고는 있으나 발전원가가 상승되는 문제점이 예상된다.

따라서 본 연구에서는 국내 노후 석탄화력 발전소의 석탄 사용량 및 CO₂와 환경 배출물들을 획기적으로 저감하면서, 발전성능 및 출력은 향상시킬 수 있는 repowering 기법을 검토하고자 한다.

2. Repowering 기술개요

2.1. 검토배경

최근 우리나라는 온실가스, 미세먼지 및 대기환경 배출물 관련 우려에 따라 30년 이상 경과된 노후 석탄화력 발전소에 대한 폐지 및 석탄발전소에 대한 감축을 계획하고 있다.

국내의 주요 대용량 노후 석탄화력 발전소의 현황은 Table 1과 같으며, 특히 500MW 표준 석탄화력 발전소 20개 호기의 운전년수도 2019년 현시점에서 20-26년차에 해당되는바, 불과 몇 년 이내에는 폐지 대상에 포함된다.

Table 1. Domestic old coal-fired power plant

그러나 현재 물리적으로 큰 문제없이 운영되고 있는 석탄화력 발전소를 폐지하는 것은 발전회사는 물론이고 국가 경제적으로 큰 손실부담이 되고 있다. 이에 대한 대책으로는 석탄화력 발전소의 단순 연료전환(석탄 → 가스) 또는 혼소(석탄 + 가스) 방안도 제안되고 있으나, 이 방법은 고가의 천연가스를 열역학적 효율이 낮은 rankine cycle에서 운전하게 되므로 경제성이 매우 낮은 문제점이 있다[3]. 또한 기존 석탄화력 발전소에 가스연료를 혼소 또는 전소하기 위해서는 보일러 설비의 개조(연료공급계통, 버너시스템, 전열면 일부, 송풍기)에 따른 비용지출이 발생된다. 아울러 설비 개조후에도 석탄과 가스의 성상차이에 따라 연소, 열전달 특성의 변화 및 보일러 효율저하(잠열손실 및 배가스온도 상승에 따른 손실)가 불가피하다. 따라서 석탄화력 발전소의 가스연료 전환을 위한 개조에 수반되는 기술적 문제점들과 rankine cycle의 제약에 따른 경제적인 한계를 극복하기 위해서, 새로운 접근방법으로서 기존 석탄화력 발전소 보일러에 가스터빈을 결합하여 combined cycle을 구성하는 방법의 repowering 기법에 대한 연구가 필요하다.

2.2. Repowering 기법 종류

Repowering은 다소 많은 투자비 지출을 수반하는 반면, 획기적인 출력증강 및 성능격상이 가능한데 그 기법에는 CT based full repowering, Hot wind box repowering, Feedwater repowering 및 Parallel repowering등이 있다.

Table 2는 일반적인 repowering 기법에 대한 개요 및 장단점을 요약한 내용이며, 프로젝트의 목적에 따라 다른 변수를 적용하여 추가적인 효율증감, 출력증감, 비용증감 설계 방안 도출이 가능 하다.

Table 2. Comparasion of repowering methods [4]

Note	Full Repowering	Hot wind box Repowering
method
	- Adding GT & HRSG - Steam flow changing - Boiler demolition	- Adding GT, duct, etc - Wind box remodeling - Remove fan & GAH
Advan tage	- High output increase - High perfomance - Less technical risk	- Low investment cost - Reusing assert
Dis advan tage	- Large investment - Grid limitation - Requires extra site	- Complex operation control logic
Note	Feedwater Repowering	Parallel Repowering
method
	- Adding Gas turbine & gas/water heater	- Adding GT & HRSG - Adding piping
Advan tage	- little investment - Less technical risk	- Entire existing facility could recycled
Dis advan tage	- Insufficient efficient, generating power improvement	- Complex control logic - Unbalanced at partial load

이와 같은 repowering은 시행시 적용하는 기법(Full, Hot WB, FW repower, Hybrid), 가스터빈용량 및 조합방법, 가스터빈 부속설비 채택여부, HRSG 형식선정(1압, 2압, 3압, 덕트버너 유무등) 및 증기터빈의 운전모드등 여러 변수에 따라 출력증강 및 효율이 다르게 영향을 미치는데, 각각의 repowering 방법별로 최적설계 기법이 존재한다. 따라서 목적과 적정 투자비를 고려하여 최상의 결과(관점에 따라 출력, 효율, 신뢰성등)를 얻기 위한 설계를 채택하는 것이 필요하다.

Repowering 적용 시, 결과에 대한 평가방법은 repowering efficiency 및 gas turbine leverage 등을 활용 할 수 있다.

Repowering Efficiency는 repowering후 추가로 투입되는 연료의 열량에 대한, 발전출력 증가의 비율의 백분율로 정의되며, gas turbine leverage는 추가되는 가스터빈의 용량 대비 repowering후 증가 되는 발전출력의 백분율로 정의된다[5].

${\eta }_{Repowering}=\frac{Poweroutputafterrepowering-Poweroutputoforiginalplant}{Fuelinputafterrepowering-originalFuelinput}$

$G{T}_{leverage}=\frac{Poweroutputafterrepowering-Poweroutputoforiginalplant}{GTpoweroutput}$

3. Repowering 시뮬레이션 및 결과

3.1. 대상 발전소 및 repowering 방법

Repowerig 효과를 검토하는 대상 발전소는 Gross 출력 500MW 표준석탄화력 발전소들이며 주요 설비 규격은 Table 3과 같다.

Table 3. Domestic old coal-fired power plant [6]

500MW 표준석탄화력 발전소의 경우에는 full repowering을 적용하면 터빈 설비 외에는 재활용이 불가능하고 부지제약 및 송전용량 문제점이 있으며, feedwater repowering 방법은 성능개선 효과가 크지 않다. 그리고 parallel repowering은 설비구성 및 운전 제어가 매우 복잡한 단점이 있다.

반면 hot windbox repowering을 적용하면 기존 보일러 및 터빈설비들을 최대한 재활용 가능하고, 부지제약, 인허가 및 송전용량 측면에서도 유리하며 특히 가스터빈, 덕트 및 열교환기 일부등 최소한의 투자비로 높은 성능개선 및 환경배출물 저감 효과를 얻을 수 있는 장점이 있는 것으로 판단된다.

Hot windbox repowering은 기존의 보일러에 가스터빈을 조합하는 방식으로서, 가스터빈 출구가스를 보일러의 연소용 가스로 활용한다. 천연가스를 기존 보일러의 연소계통에서 연소하지 않고, 먼저 가스터빈 연소기에서 연소하여 brayton cycle을 구성하고 별개의 전기출력을 얻는다. 그 후 가스 터빈에서 배출되는 가스는 고온의 상태이며, 약 10-14% 내외의 산소를 포함하기 때문에 기존 석탄화력 발전소 rankine cycle의 열원 및 연소용 공기로서 활용하여 스팀 사이클을 구성하고 또 다른 별개의 전기출력을 얻게 된다. 이때 기존 보일러에서는 가스터빈 출구가스에 포함된 산소량에 맞추어 연료를 공급한다. 그리고 보일러에서 배출되는 고온의 연소 가스는 급수 및 복수를 가열하도록 하여 버려지는 열량을 재생하게 한다[7].

3.2. Simulation 방법

국내 500MW급 표준석탄화력 발전소에 대한 repowering 적용 시 성능, 출력, 환경배출물 변화 및 설비영향성을 예측을 위하여 상용 프로세스 시뮬레이션 프로그램인 Thermoflow를 활용하여 발전소 보일러 및 터빈계통의 전체 설비들에 대하여 모델링을 시행하였다. 그 후 주요 설비 위치에 대하여 발전소의 performance specification data와 계산 값을 비교하여 시뮬레이션 모델을 튜닝하고 신뢰도를 검증하였다. 이때 적용된 탄종의 성상은 Table 4와 같다.

Table 4. Design coal of 500MW standard coal-fired power plant

Fig. 1은 기존상태의 500MW 표준화력 발전소에 대한 프로세스 모델링 결과이고, Fig. 2는 기존상태의 500MW 표준화력 발전소에 대한 프로세스 모델을 탈설계 모드로 전환 후 적절한 용량의 가스터빈 및 배가스 폐열재생 계통을 추가하여 hot wind box Repowering 모델링을 수행한 결과이다.

Fig. 1.

Heat & mass balance simulation model of Existing power plant.

Fig. 2.

Heat & mass balance simulation model of after repowering power plant.

3.3. 설계변수 민감도 분석

Fig. 3은 500MW 표준화력 발전소에 hot wind box repoweing 적용 시 가스터빈의 용량이 미치는 영향을 분석한 결과이다. 기존 발전시스템의 전기출력 대비 repowering에 적용되는 가스터빈의 용량비율에 따른 영향을 분석하였다.

Fig. 3.

Effect of gas turbine capacity on hot wind box Repowering of 500MW Standard Power plant.

분석에 적용한 가스터빈은 용량에 대한 민감도분석의 목적상 특정 제작사의 실제모델을 적용하지 않고 대신 프로그램에 내장된 가스터빈 라이브러리 data를 user defined gas turbine model로 변환하여 활용하였고 각각의 가스터빈 efficiency는 LHV 기준 39.04% 배기가스 온도는 610℃를 동일하게 적용하였다.

그래프에서 가로축은 기존 발전시스템의 용량 대비 repowering에 적용되는 가스터빈의 용량비율이고 세로축은 각각의 조건에서 repowering 후의 연소가스유량, 주증기유량, 순출력을 기존 발전시스템에 대한 비율로 나타낸 결과이다. Hot wind box repowering에서 보일러 설비는 큰 변화 없이 재활용하므로 연소가스 유량의 경우 기존 보일러의 설계용량 대비 약 120% 유량이상은 수용하기 어려울 것으로 예상되며, 주증기 유량이 현격하게 감소되면 고압터빈 1단의 효율감소도 증가되고 터빈설비의 재활용도 측면에서도 불리하다. 따라서 500MW 표준화력 발전소의 hot wind box repowering에 적정한 가스터빈의 용량은 대략 35-50% 정도로 판단할 수 있다.

Fig. 4는 기존 발전시스템의 출력 대비 repowering에 적용한 가스터빈의 용량비율에 따른 repowering efficiency 및 gas turbine leverage의 경향을 분석한 결과로서, repowering efficiency와 gas turbine leverage는 상반되는 경향을 가지는바, repowering의 목적에 따라서 최적의 가스터빈 용량선정에 참고 할 수 있다.

Fig. 4.

Effect of gas turbine capacity on repowering Efficiency & gas turbine leverage.

3.4. 500MW 표준석탄화력의 repowering 효과 예측

국내 500MW 표준석탄화력 발전소들에 대한 repowering 효과예측에는 3.3의 결과를 참조하여 연소가스 및 증기유량 변화의 제약을 참고하고, repowering efficiency 및 gas turbine leverage 측면에서 상대적으로 유리한 용량을 고려하여 기존 발전출력의 약 45%인 225MW급(ISO 기준) 가스터빈을 조합하는 것을 가정하였다.

3.4.1. Plant 성능 및 출력

Table 5는 repowering 전 후의 fuel energy input 및 generated power를 비교한 도표이며 repowering efficiency 72.5%이고 가스터빈 leverage는 79%로 예측되었다.

Table 5. Estimated fuel input & power output of before & after Repowering

Repowering에 따른 발전효율의 변화는 Fig. 4에서 검토한 바와 같이 기존 발전소의 용량 대비 추가되는 가스터빈의 용량에 따라 영향을 받는다. 한편 본 simulation에서는 기존 hot wind box repowering 기법에 추가하여 보일러 배기 가스를 재생하는 부분이 포함되어 있기 때문에 일반적인 hot wind box repowering 대비 상대적으로 높은 효율을 얻을 수 있다.

Fig. 5는 repowering 적용 시 예상되는 발전 효율을 비교한 결과로서 NET LHV 기준으로 기존 40.8%에서 리파워링후 47.9%로 약 7.1%p 증가된다. 그리고 plant gross 출력은 Fig. 6과 같이 기존 500MW에서 repowering 후에는 676MW로 약 35.2% 증가되는 것으로 예측되었다.

Fig. 5.

Effect of repowering on plant efficiency.

Fig. 6.

Effect of repowering on gross power output.

그리고 소내전력 소비율은 기존상태 4.8%에서 repowering 후 3.5%로 감소됨이 계산되었다.

3.4.2. 석탄사용량

보일러의 석탄 사용량은 Fig. 7과 같이 기존 조건 172t/h에서 repowering 적용 시에는 116t/h으로 변경되는 것으로 예측되는데, 증가된 출력을 반영 하여 평가하면 약 기존의 석탄 소비율 대비 50% 수준으로 평가된다. 그리고 CO₂ 배출은 약 30% 정도 저감되는 효과를 얻을 수 있다.

Fig. 7.

Effect of repowering on coal consumption rate.

3.4.3. 환경배출물 저감

시뮬레이션에 사용된 프로그램인 Thermoflow는 heat & mass balance 계산 및 연소계산을 통해 발전시스템의 단위 구성요소들의 가스측 및 스팀측 각각에 대해 입출력 상태들을 도출해낸다. 한편 dust 발생량은 석탄성상의 ash 비율과 계산된 석탄 유량을 통해 계산되며 bottom ash hopper 및 economizer hopper에 포집되는 ash 유량을 제외한 나머지가 전기집진기 입구측으로 유입되어 duct 농도가 계산된다. 그리고 황 산화물의 농도도 연료별 성상의 유황분 비율을 기반으로 연소계산을 통해 얻게 된다.

Fig. 8은 repowering 적용 시 예상되는 전기집진기 입구단면의 dust 농도변화를 비교한 결과이고, Fig. 9는 탈황설비 입구 덕트의 황 산화물 농도를 비교한 결과이다.

Fig. 8.

Effect of repowering on dust concentration at ESP inlet basis.

Fig. 9.

Effect of repowering on SOx concentration at FGD inlet basis.

Repowering 시뮬레이션 결과를 기존 발전소의 배출농도와 비교하면 약 59% 정도의 배출 농도로 저감되는 것으로 예상된다. NOx 역시 유사한 경향은 있을 것으로 예상되나 일반적으로 발전소의 운전변수에 따라 배출 농도가 영향을 많이 받기 때문에 향후 별도 추가 연구를 통해 예측할 예정이다.

3.4.4. 발전운전 및 설비에 미치는 영향

500MW 표준석탄화력 발전소의 전열면의 배치는 Fig. 10과 같다. 기존 보일러에 가스터빈을 결합하는 repowering을 적용하는 경우 보일러 내부의 연소조건 및 열물질 평형에 많은 변화가 발생되므로 발전운전 및 설비에 미치는 영향을 검토하였다.

Fig. 10.

Heating surface arrangement of 500MW Standard Power plant.

보일러의 각 전열면별 열흡수는 heat & mass balance 계산을 통해 얻은 각각의 전열면별 입출구의 엔탈피 차이에 증기의 질량유량을 곱해서 파악 할 수 있다.

Hot wind box repowering을 적용하면 기존조건 대비 Fig. 7과 같이 석탄 공급량의 감소에 따라 화로내 회분입자의 농도 감소에 따른 복사열전달 효과가 저하되며, Fig. 3과 같은 연소가스유량 증가 및 화로 가스 온도의 저하에 따라 Fig. 11과 같이 보일러 화로의 복사열전달 구역에 위치하는 evaporator에서의 전열량 비율이 감소되는 경향이 나타난다. 한편 연소가스유량 증가에 따라 보일러 backpass에 위치한 reheater 및 economizer 등 대류열전달 구역에 위치한 전열면들의 전열량 비율은 증가되는 경향이 발생되게 된다.

Fig. 11.

Effect of repowering on heat absorption occupation at each heating surface.

따라서 이런 현상을 완화하려면 보일러 버너의 tilt 분사각을 보일러 하부측으로 조정하고, 주로 보일러 하부측 버너를 활용하여 연소하는 것이 필요할 것이다.

Fig. 12는 repowering 전 후 보일러 전열면 위치별 가스온도를 비교한 결과이다. 보일러 내부에 위치한 각각의 전열면들의 입출구 가스온도는 Thermoflow 프로그램의 heat & mass balance계산을 통해 얻을 수 있으며 단면 평균온도 및 화학종이 계산된다.

Fig. 12.

Effect of repowering on gas temperature at each heating surface inlet plane.

Repowering을 시행하면 보일러에 공급되는 연소용 가스의 온도는 기존 조건보다 대폭 상승되는 반면, 보일러 화로 내부의 가스온도는 기존 온도조건보다 낮게 유지될 것으로 나타났다. 따라서 repowering시 보일러 튜브의 과열 및 수명 측면에서는 문제가 없을 것으로 판단된다.

Fig. 13은 repowering 전 후 보일러 전열면 위치별 water 또는 steam 온도를 비교한 결과로서 보일러 최후단 대류열전달 구역에 위치한 economizer의 출구 온도가 약간 상승하는 경향이 있으나 전반적으로 기존 설계조건을 유사하게 유지가능하다.

Fig. 13.

Effect of repowering on steam temperature at each heating surface.

증기터빈의 경우 공급되는 증기 유량이 변화되면 control valve에서의 throttle 손실 및 속도비가 달라진다[8]. 따라서 Fig. 14와 같이 HP turbine section1 internal efficiency 가 다소 저하되는 경향이 나타나게 되고 나머지 stage는 기존 설계조건과 거의 동일한 상태를 유지하게 된다.

Fig. 14.

Effect of repowering on turbine internal efficiency at each section.

Fig. 15는 Flue gas를 활용한 feed water heating 시스템의 주요 입출구 온도를 나타낸 결과로서 repowering 적용 시에는 기존 고압급수 가열기을 통과하는 급수의 약 41%, 저압급수가열기는 약 51.5%의 복수가 배기가스 재생기에서 열교환 되는데, 일반적인 탄종의 연소가스 산노점 대비 여유가 있다. 한편 파울링 및 분진 퇴적등에 대한 대비가 필요할 것이다.

Fig. 15.

Effect of repowering on Flue gas-Feed water heater.

4. 결 론

국내 500MW 표준화력 발전소에 Hot wind box 방식의 repowering을 적용하는 경우에 적정한 가스터빈의 용량은 기존 발전출력의 35-50% 범위이며, 약 45% 인 ISO 기준 22500kW 가스터빈을 조합하는 경우에 예상되는 효과는 다음과 같다.

1) 발전소 효율은 기존조건 40.8%에서 리파워링후에는 47.9%로 약 7.1%p 증가되며, Plant gross 출력은 기존 500MW에서 repowering 후에는 676MW로 약 35.2% 증가된다.
• 이 경우 리파워링 효율은 72.5%이고 가스터빈 leverage는 79%로 평가된다.
• 석탄 소비율은 기존대비 출력증가분을 보정시 50% 수준이며, 이에 따른 CO₂ 배출은 약 30% 저감가능하다.
• 분진 및 황산물 배출농도는 약 59% 수준으로 저감가능하다.

2) Hot wind box repowering 적용 시 설비에 미치는 영향 및 고려사항은 다음과 같다.
• 보일러 복사열전달 구역의 전열량이 감소되며, 반대로 후부전열면에서의 전열량이 증가되는 경향이 발생된다.
• 보일러 버너의 분사각을 하부측으로 조정하고, 보일러 하부측 버너를 활용하여 연소하는 것이 필요하다.
• 연소가스 온도가 낮아 보일러 튜브과열 및 수명측면에서 유리하며, 스팀온도 제어도 기존의 설계조건과 유사하게 유지 가능하다.