[발송배전기술사 실전문제해설] [문제29] 열병합 발전프랜트의 종류 및 구성방식을 설명하고 열병합 발전소의 운영에 따른 효과와 문제점을 논하시오.

이미지출처 : 매일경제

 

본 글은 신들의 정원 – 강화풀밭농원 (최진만 기술사)에게서 가져왔음을 알린다.

 

 

[문제29] 열병합 발전프랜트의 종류 및 구성방식을 설명하고 열병합 발전소의 운영에 따른 효과와 문제점을 논하시오.

 

1.열병합발전의 정의

 

열병합 발전방식이란 모든 필요한 에너지 즉 열과 전력을 단일원으로 부터 공급시키는 하나의 Total Energy System을 의미한다.

외국단체에서는 하나의 연료원으로부터 전기 및 열에너지,혹은 유용한 일의 연속적인 생산을 할수 있는 방법으로 표현하고 있으며 미국의 DOE에서는 “열병합발전이란 전력 및 산업체,업무용 및 난방등의 목적으로 사용되어지는 유용한 에너지의 어떤 다른형태 즉 증기,가스 혹은 열등을 생산하는 발전소 혹은 주요 연소장치를 뜻하며, 열병합 발전설비로부터 생산되는 전력은 이 설비로부터 생산되는 총 유효에너지의 10% 이상, 90%미만에 해당하여야 한다.” 라고 정의 하고있다.

 

2.열병합발전의 목적

 

열병합 발전의 목적은 화석연료를 절감하고 대체에너지 사용으로 에너지원의 다양화, 집중연소 효과로 인한 연소효율의 증대 및 공해의 감소등을 목적으로 한다. 특히 전기사업자의 측면에서는 수요지 근방의 전원입지확보로 전원설비의 입지확보 문제 해결 및 계통운전에 유리한 효과가 있다.

* 복합발전에서 전력과 열을 동시에 공급하는 경우 종합열효율이 75%이상인 것으로 알려지고 있다.

 

3.열병합발전의 종류

 

열병합발전은 일반적으로 생산된 전기 및 열의 사용목적과 플랜트의 연료원에 따라 다음과 같이 구분할수 있다.

 

 3-1.열의 사용목적에 따른 분류

 

  ○ 열병합발전 지역난방

열병합발전 지역난방은 주거 및 상업지역에 난방 및 급탕용 증기 또는 온수를 공급하기 위한 목적을 갖는 열원 프랜트 방식의 하나이다. 이들 지역난방용 열원프랜트를 방식별로 구분하면 아래와 같다. 

       

열원프랜트	병용 열플랜트	열병합발전
		쓰레기 소각로
		공업용보일러 겸용
	전용열플랜트

 

 

  ○ 산업체 열병합발전

산업체 열병합발전은 산업공정의 여열,폐열 또는 산업폐기물을 이용하여 전기나 열을 생산하는 Bottoming사이클 개념과 산업체의 공정에 필요한 열을 공급하기 위하여 유용도가 높은 증기를 생산하여 전기를 생산한후 산업 공정용으로 사용하는 Topping사이클 개념이 있다.(전기사업용은 주로 후자임)

 

 3-2.발전설비의 종류에 따른 분류

 

① 증기터어빈

   가장 잘 알려진 기술로서 산업용으로 널리 사용되고 있는 방식이다. 전기와 열부하의 비율에 따라 배압터빈식,복수터빈식 및 배압․복수터빈의 조합식으로 대별되며 터빈에서 증기가 팽창되는 도중 일부를 추기하는 방식에 따라 추기․배압터빈식과 추기복수식으로 세분된다. 

② 가스터어빈방식

   가스터빈을 돌리고 나오는 고온의 배기열을 이용하여 증기나 온수를 열원으로 사용하는 방식이다. 개방사이클과 밀폐사이클로 분류된다.

③ 복합(가스/증기)발전방식

   최근 신도시를 중심으로 적극도입된 방식으로 가스터빈에서 나오는 고온의 배기가스를 증기보일러에 공급하여 생산된 증기로 터빈을 돌리고 팽창과정에서 증기 일부를 추출하여 열원으로 사용하는 방식이다.

  ④ 디젤엔진,산업폐열발전방식

  ⑤ 연료전지 배열방식 , 원자력방식

   * 즉 수력을 제외한 모든 발전방식을 열병합발전방식으로 사용가능하다.

 

 3-3. 기타분류방식

   - 부하형태별           : 기저부하용,변동부하용

   - 생산전력의 처리형태별: 전력판매형, 잉여전력 판매형,전량자가소비형

 

3.열병합발전 설비의 구성(증기터어빈발전소를 중심으로)

 

 3-1.배압터어빈식

 

 

 

 

   - SYSTEM이 간단하다.

   - 효율이 높고 가장 경제적이다.

   - 냉각수가 필요없다.

 

☞ 열부하의 변동이 클경우 설비이용율이 저하됨 따라서 열부하 변화가 시간별,계절별로 적고 전력수요와 열수요가 평행하게 변하는 경우에 적용하는 것이 가장 유리하다.

 

 3-2.추기배압식

 

 

    - SYSTEM의 제어 복잡

    - 2 종류이상의 증기가 필요한 공업용으로 많이 사용 　

    - 열부하변동이 클경우 설비이용율 저하

 

 3-3.추기복수식

 

 

     - 열부하변동에 대한 적응성 양호

    - 대량의 냉각수 필요  

    ※　기존발전소의 개조시 유리　

 

4.열병합발전의 효과

 

  4-1.에너지자원의 유효이용

기존발전설비를 개조하여 열병합발전을 하는 경우 열효율이 35%정도에서 65%이상으로 제고되어 막대한량의 에너지 및 외화절약의 효과가 있으며 폐기물의 활용등으로 폐자원의 재생과 연료사용의 다변화에 기여할 수 있다.

 

     [참고] 열병합발전방식과 재래식 발전방식의 효율비교

                                                                                              [ 단위 : % ]     

구        분	열병합발전	재래식발전
[  연료투입  ]  전 기 출 력  열   출   력  기계전기손실  냉각수손실  연돌배기손실	100   28    57     3     0    12	100    38     0     3    47    12

 

  4-2.쾌적한 환경 조성

기존 개별난방의 경우보다 총 연료소비량이 감소되어 대기공해가 상대적으로 낮아지며 주거공간의 유효이용과 연속난방으로 쾌적성 재고,주거공간확대등의 효과가 있다.

 

  4-3.전력계통의 효율적 운영

수요지의 부하 중심지에 개발이 가능하여 송전설비비,전력손실등을 대폭절감할수 있으며 계통의 안정운영에 기여할 수 있다.

 

  4-4.사회성

전원개발 측면에서 일반발전소의 건설보다 국민들의 거부감이 적으며 집단에너지의 공급으로 열공급가격이 유리하여 사회적으로 호응도가 높다.

 

  4-5.경제성

개별난방과 비교하여 국가적으로 볼때 전체 투자비의 절감은 물론 인적,물적자원의 대폭적인 절약이 가능하다.

 

5.문 제 점

 

 - 열매체의 이송을 위한 공급배관 건설비등 선행투자가 막대하다.

 - 적용지역이 신도시,집단공업지역등 열수요가 고밀도로 집중된 지역을 제외

   하고는 경제성을 얻기가 어렵다.

 - 에너지의 종합 이용효율은 양호하나 전력용의 발전효율은 일반전기사업용

   발전보다 높지 않다.

 - 집중화에 수반되는 사회인식, 소음등 2차공해가 발생할 수 있다.

 - 증기 및 전력부하에 대비한 예비설비가 갖추어 져야 한다.

 

6.향후과제

 

열병합발전은 국가적으로 자원의 통합관리라는 견지에서 많은 이점이 있으나 운영주체가 개인이 되는 경우 비교적 부하율이 좋은 양질의 전력수요만을 잠식하고 일반전기사업자는 민간 열병합 발전소를 위한 예비력만을 부담하게 되므로 열병합발전의 이점이 특정지역에 수혜되는 양태로 나타날수 있다.

따라서 일반수요자에게 전력요금상의 악화를 가중시키게 되지 않도록 열병합발전사업 주체에 대한 정책적 배려가 필요하다고 본다. 또한 열병합발전의 사용연료로서 대도시지역의 가연성 쓰레기등 폐기자원을 재생 이용할 수 있도록 다원화하여 자원의 절약은 물론 대도시지역의 환경장애요인을 대폭적으로 감소시킬수 있는 방향으로 추진되어야 할 것 이다.

 

☞ 비교적 높은 원가의 LNG연료를 사용하는 가스터빈 열병합발전소

최근에 건설되는 신도시의 열병합 발전소는 주로 LNG가스를 사용하고있다. 이는  주된 열수요가 주거난방용으로 한정된 상태에서 계절적으로 열수요가 급격히 감소되는 경우(여름철등) 발전원가의 불가피한 상승이 우려된다.  따라서 효과적인 열저장 시스템이나 보조열공급 시스템을 설치하여 열부하의 감소에 따르는 원가상승을 억제하여야 한다.

 

<참고사항>

 

[ 참고 ] 전력용 발전소와 열병합 발전소의 비교

 

구   분	전력용 발전소	열병합 발전소
용   도	순수 전력 생산용	전력 및 증기의 생산
특   징	터빈을 가동한 폐증기는 대기압이하 까지 강하 응축수로 회수	터빈 가동중 또는 가동후 폐증기를 지역난방이나 공장의 제품생산 공정용으로 사용
생산방식	복수 터어빈 방식	배압식,추기배압식,추기복수식
효   율	40 %	84% (전기:28%,열이용:56%)
용   량	대용량	소용량
운   전	전력계통의 전력수급 계획에 따라 운전	산업체 또는 지역난방의 열부하 에 따라 운전
건설공기	대용량으로 5-8년 소요	소용량으로 1-3년 단기간

 

 

신도시내 집단에너지 공급 체제

 [ ‘94년도 정부의 보도자료를 기준으로 작성됨 ]

 

1.집단에너지공급시설의 각 시설별 기능 및 역할

 

열병합발전소는 무공해 청정연료인 액화천연가스(LNG)를 연료로 하여 전력과 난방열을 동시에 생산하는 시설로서 생산된 전력은 신도시 전지역에 공급하고도 여분이 남기 때문에 수도권의 잉여전력으로서의 공급기능까지 갖게 되며, 생산된 열은 지역난방으로 공급하게 된다.

 

지역난방설비는 열병합발전소에서 경제적으로 생산된 열을 배관망을 통하여 일괄적으로 수만 세대의 수요자에 난방을 공급하는 시설로서 자체 보조 보일러에 의해서도 열을 생산.공급할 수 있도록 설비가 갖추어져 있다.

 

본래 지역난방은 날씨가 추운 핀란드, 덴마크 등 북유럽국가를 중심으로 에너지절약과 환경개선 차원에서 보편적인 도시난방방식으로 발달되어온 난방방식으로서 기존의 유류 또는 가스보일러에 의한 개별적인 난방방식과는 달리 1개소에 집중된 대규모 열원시설에서 경제적으로 생산된 열을 공급하는 지역적인 난방체제이다.

 

우리나라에서는 최초로 서울 목동 APT지구에 시범적으로 적용하여 현재 공급중에 있으며 지역난방열(120도씨)을 이용하여 지역냉방공급이 가능하기 때문에 현재 신도시내 업무 또는 상업지구에 공급키 위해 추진중에 있다.

 

도시가스공급설비는 열병합발전소의 발전용 연료공급과 신도시 수요자에 대한 취사용 가스의 공급기능을 갖게 됨.

쓰레기 소각설비는 신도시내 발생되는 가연성 쓰레기를 소각처리하는 시설로서 쓰레기 소각으로 인해 발생되는 폐열을 이용, 전기 또는 열을 생산하여 수용가에 공급하도록 계획되어 있다.

 

2.기대효과

 

 2-1.지역난방의 공급으로

 

- 에너지 이용효율이 획기적으로 높아짐 : 일반 발전전용시의 발전효율이 48%이나 열병합발전시는 84%로 향상됨.

- 연속적인 난방공급으로 쾌적한 주거환경이 조성됨 (실내온도 일정 유지)

- 청정연료(LNG) 사용으로 공해가 억제되며, 오염원의 집중관리로 공해물질의 배출이 감소하게 됨.

- 또한, 지역난방열을 이용하여 흡수식 냉동기 가동에 의한 지역냉방공급이 가능하게 되므로 하절기 전력소비량을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 프레온가스를 사용하지 않아 환경보호에도 크게 기여하게 됨.

- 또한, 신도시에 굴뚝이 없어지므로 도시미관이 개선됨.

- 그리고 기존의 중앙난방방식과 비교할 시 내용연수가 훨씬 길어지므로 투자비가 절감되며, 저렴한 열공급이 가능함.

       * . 내용연수 : 기존 중앙난방방식 : 10년

                     지역난방 방식     : 20년

- 지역난방의 열요금은 기존의 중앙난방방식에 비해 20～25% 정도 저렴함

 

 2-2. 신도시 발생 쓰레기가 소각처리됨에 따라

 

- 신도시내에서 발생되는 생활쓰레기가 위생적이고 경제적으로 처리되므로 쾌적하고 안정적인 신도시의 생활환경이 조성되며,

- 도시환경의 오염방지는 물론, 수도권의 심각한 쓰레기 매립지난 해소에 기여하게 되며,

- 쓰레기의 소각과정에서 발생되는 폐열을 회수하여 지역난방 또는 전기공급에 이용하므로써 자원이용효과의 극대화가 도모됨.

 ※ 쓰레기 소각에 의한 폐열은 쓰레기 1Kg당 40Kcal 발생

 

3.시설별 사업규모 및 추진현황

 

 3-1.열병합발전소

분당, 일산의 전력생산규모는 각 60만Kw,안양(평촌, 산본) 및 중동의 전력생산규모는 각 45만Kw 규모임

 

 3-2.지역난방 공급설비

분당, 일산의 열공급규모는 각 850～890Gcal 안양(평촌, 산본) 및 중동의 열공급규모는 각 550～590Gcal로서 분당, 평촌 및 산본은 우선 시범단지 등 초기 입주세대의 난방공급에 대비, 자체 보조보일러설비를 미리 설치(분당 : '91.8월, 평촌 및 산본 : '92.2월)하여 지역난방을 공급해 왔으나 현재는 지역난방의 주공급원인 열병합발전소로부터 열을 받아 지역난방을 공급하고 있으며, 일산과 중동도 초기 입주(일산: '91.8, 중동: '92.12)에 대비, 자체 보조보일러 설비를 가동, 공급중에 있으며 열병합발전소가 완공될 시에는 발전소로부터 열(증기)을 받아 난방을 공급하게 됨.

 

 3-3.가스공급설비

분당, 일산의 도시가스 공급규모는 각 하루 400천입방미터 안양(평촌, 산본)과 중동은 각 하루 310천입방미터 규모로서 분당, 안양(평촌, 산본)은 평택 LNG 인수기지로부터 가스배관공사를 이미 완료하여 '92.1월부터 도시가스를 공급중에 있음

 

 3-4.쓰레기 소각장 설비

분당, 일산의 쓰레기 소각설비 규모는 각 하루 600톤 평촌, 산본 및 중동은 각 하루 200톤의 시설규모로서 분당은 '95년도에 준공,'93.7월에 준공산본은 '95.10월에 준공예정임. 일산은 1단계로 시설규모 하루 300톤을 우선 착공하여 '95.5월에 준공하고, 2단계로 하루 300톤 규모를 '97.10월까지 완공하여 총 하루 600톤을 가동.운용할 계획임

 

[참고] 지역난방의 성립조건

 

- 기후적인 조건으로 온방度日이 일정수준 이상이어야 한다.

  (실내 난방온도 18℃를 기준으로 년간 2000度日이상)

- 대상지역의 열수요가 밀집되어 열부하 밀도 20Gcal/K㎡h 이상이어야 함

- 사회적 여건으로 대상지역 주민의 생활이 일정수준 이상이어야 함

- 관련설비의 막대한 선행투자가 가능해야 하며 자치단체의 협조 필요