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에너지관리공단 부장 / 기술사 한 원 희

에너지관리 진단 사례. 2005. 10.28. 에너지관리공단 부장 / 기술사 한 원 희. 목 차. ◇ 열병합발전 보일러 배기가스열 회수 ◇ GTG HRSG 계통 탈기기 운전압력 감압 ◇ 보일러 용수 예열 ( 복수기 냉각수열 이용 ) ◇ 증기보일러 배가스열회수 ( 내식성열교환기 설치 ) ◇ TBN-DRIVER 운전조건 개선 or 교체 ◇ Steam turbine 복수 진공도 개선 ◇ 보일러 급수시스템 개선. St'm 3.0K. BFW. 122ata. TO HDR. 525℃.

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에너지관리공단 부장 / 기술사 한 원 희

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  1. 에너지관리 진단 사례 2005. 10.28 에너지관리공단 부장/기술사 한 원 희

  2. 목 차 ◇ 열병합발전 보일러 배기가스열 회수 ◇ GTG HRSG 계통 탈기기 운전압력 감압 ◇ 보일러 용수 예열(복수기 냉각수열 이용) ◇ 증기보일러 배가스열회수(내식성열교환기 설치) ◇ TBN-DRIVER 운전조건 개선 or 교체 ◇ Steam turbine복수 진공도 개선 ◇ 보일러 급수시스템 개선

  3. St'm 3.0K BFW 122ata TO HDR 525℃ S H/R PIC LIC 탈기기 MS HP H/R 205℃ ID. FAN 414℃ 131℃ (195℃) E/P O 2 .4vol% fule 2 Boiler 133℃ vol% O 9.5 CBD 2 Stack BFW Pump COMB. AIR GAH SAH 41.9℃ 25℃ 289℃ • 열병합발전 보일러 배기가스열 회수 ◇계통 운전현황 ☞ 융그스트롬형 GAH AIR LEAK율 : 38%

  4. 열병합발전 보일러 배기가스열 회수 ◇주요 문제점 • GAH 설계 AIR LEAK율은10% 정도 이나, 노후 및 • 저부하 운전으로AIR LEAK율이 38%로 매우 높음 • GAH 출구 배가스온도는 131℃(9.5 vol% O2) 이나, • AIR 누설이 없는 것으로 가정 한다면 실제 온도는 • 195℃로 매우 높아 열손실이 큼

  5. 열병합발전 보일러 배기가스열 회수 <GAH공기누설 증가에 따른 문제점> • 배기 열손실이 과대 해짐(GAH 냉단온도 관리효율 저하) • F.D FAN 의Load 증가로전력사용 부하 증대. • SAH(Steam air heater)에서 가열된 공기 중 일부 공기 • 가 누설로열손실 발생(증기부하 가중)

  6. 열병합발전 보일러 배기가스열 회수 ◇착안 관점 • GAH의 설비 노후와 구조적인 누설 증가로폐열회수 열 • 교환 성능저하 현상이 심화되어 있지 않나, • 공기누설이 전혀 없는절탄기(Economizer)로 교체하는 • 방안이 배가스열을 최대한 회수 할 수 있지 않을까.

  7. 열병합발전 보일러 배기가스열 회수 ◇개선 방향(대책) • 공기누설이 전혀 없는 절탄기(Economizer)로 교체 • 전기집진기(EP) 후단에 내식성열교환기를 별도로 추가 • 설치 함으로서 배가스열을 최대한 회수(연소용공기 예 • 열 열원)

  8. St'm 3.0 K BFW to HDR 122 ata, 525℃ PIC 탈기기 LIC MS HP HTR 205℃ 내식성 절탄기 197℃ 133℃ Economizer E/P fule 110℃ Boiler 160℃ ID. FAN Stack O 2.4 % 2 O 2.4 % 2 BFW Pump 414℃ 90℃ H/W HTR 20℃ 75℃ 70℃ • 열병합발전 보일러 배기가스열 회수 ◇개선방안

  9. 개선 대책 연료절감량 (㎘/년) 절감예상액 (백만원/년) GAH→ 절탄기 2,946 1,015 3,474 1,197 내식성열교환기 설치 • 열병합발전 보일러 배기가스열 회수 ◇개선효과 ☞ GAH→Economizer 경우 누설방지로 SAH 증기 절감효과를 포함된 것임(13,162 ton/년)

  10. A H.S Header L.S(4.5k) 3.9t/h 41k, 364℃ 112℃ 69.8t/h, 탈기기 Fuel C3/C4 LPG STACK 3.96ata + C HRSG 9 By pass Stack AIR B.F.P B U PRE 170℃ N S.H2 S.H1 EVA ECO HEAT N ER E G R 38.32MW Gas 25.3℃ Turbine Demi.Water • GTG HRSG 계통 탈기기 감압운전 ◇계통 운전현황: ☞ 설계 발전출력: 42.2MW

  11. GTG HRSG 계통 탈기기 감압운전 ◇설계조건의 운전조건과 비교

  12. GTG HRSG 계통 탈기기 감압운전 ◇주요 문제점 • HRSG 최종 배가스(Exh.Gas) 온도는 170℃(100% 부하 • 시 174.5℃)로서 설계 정격운전 조건보다 약 20℃ 이상 • 높게 배출되고 있음 • HRSG 최종단 열교환기인 Preheater(절탄기)에서 • Heat-Duty가 저하 되어 탈기기에서 증기사용 부하가 • 증대되고 있음( 설계 2.6t/h, 현재 3.9t/h)

  13. GTG HRSG 계통 탈기기 감압운전 ◇착안 관점 • 최종 배가스온도를 설계조건 이하로 배출되도록 개선방 • 안을 강구할 필요가 있지 않는가 • 특히, 사용연료 특성 상 배가스 성분 중 부식을 유발하 • 는 산가스(SOX)가 거의 무시할 정도로 없어HRSG의 • 배가스열을 추가로 회수 할 여지는 충분히 있지 않는가

  14. GTG HRSG 계통 탈기기 감압운전 ◇개선 방향(대책) • HRSG 탈기기 감압운전(1안) HRSG 설비의 운전조건을 변경하여(탈기기 압력 감압)절탄기(Economizer)의 열교환 능력을 향상시켜 배가스 온도를 낮추는 방안 • HRSG 배기가스 덕트 또는 Stack 에 열교환기 신설(2안) HRSG의 연도 또는 Stack에 별도의 열교환기를 삽입하여 배가스열을 추가회수 함으로써 배가스 온도를 최대한 낮추는 방안.

  15. A H.S Header L.S(4.5k) 1.8t/h 106℃ 탈기기 Fuel C3/C4 LPG STACK 2.0ata + C HRSG 9 By pass Stack AIR BFP B U PRE 165℃ N S.H2 S.H1 EVA ECO HEAT N ER E G R 43.9ata 122.4℃ 74.7t/h 44.79MW Gas 25.3℃, 73t/h Turbine Demi.Water • GTG HRSG 계통 탈기기 감압운전 ◇개선방안(1안 : HRSG 탈기기 감압운전) 74t/h ☞ THERMOFLEX 프로그램을 이용한 시뮬레이션 실시 결과

  16. GTG HRSG 계통 탈기기 감압운전 ◇THERMOFLEX 프로그램을 이용한 시뮬레이션 실시 • GTG ,HRSG 설계 운전조건(42.2MW) 모사 모델 작성 • GTG, HRSG 현제 운전조건(38.32MW)모사 모델 작성 • GTG , HRSG 향후 가동 설계부하 조건으로 개선시의 • 예상 운전상태 시뮬레에션(38.32MW → 44.79MW) • 탈기기 감압운전 할 경우(3.96ata → 2ata)예상되는 • 운전상태 시뮬레이션(100% 부하44.79MW 출력 기준)

  17. GTG HRSG 계통 탈기기 감압운전 • GTG ,HRSG 설계 운전조건(42.2MW) 모사 모델(기준)

  18. GTG HRSG 계통 탈기기 감압운전 • GTG, HRSG 현제 운전조건(38.32MW)모사 모델

  19. GTG HRSG 계통 탈기기 감압운전 • GTG HRSG 설계 운전부하 변화시 (38.32MW → 44.79MW)

  20. GTG HRSG 계통 탈기기 감압운전 • 탈기기 감압운전 SIMULATION 결과(3.96ata → 2ata)

  21. GTG HRSG 계통 탈기기 감압운전 ▣ ◇개선효과 개선 대책 연료절감량 (toe/년) 절감예상액 (백만원/년) 감압운전(1안) 1,196 478 ☞ 2안 방안 (배가스 열교환기 추가 설치) 은 에너지절감 효과는 매우 크나 ( 24억, 130℃) 설치공간 확보 곤란 으로 추진하는데 현실적인 어려움이 있음

  22. 보일러 용수 예열(복수기 냉각수열 이용) ◇공장 전체 수처리 시스템 공정 • 일부 여과수, 순수를사용업체(End user)공급 • 초순수 제조과정을 거친 초순수는보일러 급수용 공급

  23. 보일러 용수 예열(복수기 냉각수열 이용) ◇터빈복수 냉각수 및 여과수 온도PROFILE • 터빈복수기별 냉각수유량 3000~ 4000㎥/h, 냉각수온도 36.6℃(ave) • 초순수용 여과수량 330㎥/h, 여과수 평균온도15.4℃(4.9 ~24.8℃) • (복수 냉각수 환수온도와는 약 20.2℃ 정도 온도차 있음)

  24. 보일러 용수 예열(복수기 냉각수열 이용) ◇착안 관점 • 여과수의 공급온도를 올리면 결국 초순수온도가 높아져 탈기 • 기계통으로 공급하는 과정 중에 저온급수가열기에서 증기사 • 용 부하를 줄일 수 있지 않는가 • 터빈 복수기의 냉각수온도가 여과수(원수)온도보다 약 20℃ • 이상 높으므로 이를 열원으로 활용하면 여과수 온도를 올릴 • 수 있는 여지는 충분히 있지 않는가

  25. 보일러 용수 예열(복수기 냉각수열 이용) ◇개선방안 (보일러 급수용 여과수를 터빈 복수기 출구냉각수로 승온)

  26. 보일러 용수 예열(복수기 냉각수열 이용) ◇개선효과 증기절감량 (ton/년) 절감예상액 (백만원/년) 개선 대책 692 복수기 냉각수열회수 43,134 ☞ 복수기 냉각열을 회수 이용에 따른 C/T 냉각부하 감소(3.25 Gcal/hr) 로 냉각수순환계통에서 전력절감 효과도 기대 됨

  27. 보일러 배가스열회수(내식성열교환기 설치) ◇배기스계통 운전현황

  28. 보일러 배가스열회수(내식성열교환기 설치) ◇월별 GAH 출구측 배가스온도 현황 • GAH 냉단온도 관리로 GAH 출구측 배가스온도는 거의 일정하며, 년평균 배가스온도는 168℃(A, B 보일러) 정도 됨 B-C유 BLR 유연탄 BLR

  29. 보일러 배가스열회수(내식성열교환기 설치) • 유연탄을 연료로 사용하는 기력력발전소 보일러의 월별 배가스 온도Profile을 나타낸 것으로 계절별로 온도변화 폭이 큼

  30. 보일러 배가스열회수(내식성열교환기 설치) ◇주요 문제점 • 탈황설비 입구 배가스온도(160℃)를 다량의 냉각수로 • 90℃ 이하로 낮추어야 하기 때문에 냉각열손실이 과다함 • 보일러 보충용수 온도가 40℃ 정도로 낮아 탈기기에서 • 증기 사용부하를 가중시키는 요인이 됨

  31. 보일러 배가스열회수(내식성열교환기 설치) ◇착안 관점 • A~B-BLR의 탈황설비 공급 배가스온도를 냉각수로 냉각하지 • 않고, 다른 방법으로 냉각열를 회수 이용할 수 있다면 에너지 • 절감과 탈황설비에서 냉각 부하 감소로용수, 약품비 등 부대 • 적인 효과도 기대할 수 있지 않을까 • FGD 배가스 공급계통에 내식성 재질의 급수가열기를 설치하 • 는 방안으로 개선하면 추가로 열회수가 가능하지 않을까

  32. 보일러 배가스열회수(내식성열교환기 설치) ◇개선방안(내식성 절탄기를 설치하여 보일러용 용수 예열) ☞ 국내 5개 사업장에 내식성열교환기 설치 운용 중

  33. 보일러 배가스열회수(내식성열교환기 설치) ▣ ◇개선효과 보일러 연료절감량 (toe/년) 절감예상액 (백만원/년) 30,260 A-BLR 360 33,833 402 B-BLR ☞ 탈황설비 입구온도가 낮아져 냉각탑의 냉각부하 감소 및 약품비 절감 등 부대적인 효과 예상

  34. 1.364 108 4.9 30.0 6,800 24.88 108.1 30.2 16.4 269.4 133 1.364 24.88 709.1 24.88 654.3 32 4.0 1,525 32.1 • TBN-DRIVER 운전조건 개선 or 교체 ◇현재 운전현황 • 냉각수 펌프로써 2T1M으로 구성되어 있고, 2T를 주 가동기기 • 로1M은 예비 또는 비상용으로 운용하고 있음(하절기 2T, 기타 1T) ☞ 터빈 축동력: 1,587kW (설계조건: 1,429kW)

  35. TBN-DRIVER 운전조건 개선 or 교체 ◇TBN-DRIVER의 설계 및 실제 운전상태 비교

  36. TBN-DRIVER 운전조건 개선 or 교체 ◇주요 문제점 • 설계조건보다 복수압력 조건과 단열효율이 악화로 터빈의 • 열낙차가 저하되어(약 13%)터빈 증기공급량 증가의 주 요인 • 으로 작용 • 터빈 복수기 냉각수 공급조건을 냉각탑 냉각수로 하지 않고, • 공정용으로 1차 사용한 냉각수(CWI: 38℃)를 공급조건으로 • 하여 복수압력을 대기압 이상으로 높게 설계됨으로써 터빈의 • 공급증기가 구조적으로 많이 소요될 수 밖에 없게 되어 있음

  37. TBN-DRIVER 운전조건 개선 or 교체 ◇착안 관점 • 복수 증기터빈의 복수기 압력이 높으면 열낙차가 작게 형성 • 되어 동일 축동력을 내기 위해서는 구조적으로 터빈의 공급 • 증기량이 가중될 수 밖에 없지 않는가 • 현재, 복수기의 대기압 압력조건을 진공압력 조건으로 개선 • 하여 운전하면 터빈공급증기를 절감할 수 있지 않을까

  38. TBN-DRIVER 운전조건 개선 or 교체 ◇개선 방향 • <검토 방안> • 1안 : 진공복수 발전 터빈 개조(AC→VC)  TBN 본체 교체, 복수기 진공 시스템 보완, 냉각수펌프 신설 • 2안 : 기존 설비 복수 운전 최적화, 진공 시스템 보완 • 진공시스템 보완, 냉각수 공급조건 개선, 냉각수 펌프 신설 • 3안 : AC 증기열 직접회수 이용방안 검토 • TBN Exh.증기 응축열 회수 이용(보일러수 예열열원 활용) • 4안 : TBN-DRIVER 가동 금지(비상용 Motor 펌프로 대체 가동)

  39. TBN-DRIVER 운전조건 개선 or 교체 • <개선 추진 시나리오> • 상기 검토 방안 중 1안과 2안이 가장 현실적인 검토방안 임 • 단기적으로는 2안 방안“기존 설비 복수 운전 최적화, 진공 • 시스템 보완”으로 우선 추진하고, • 1안 방안 “진공복수 발전 터빈 개조(AC→VC)”가 근본적인 • 개선대안이므로 중 장기적으로 추진

  40. TBN-DRIVER 운전조건 개선 or 교체 ◇개선방안-1: 2안 기존설비 복수계통 운전조건 최적화(AC→VC운전) ◆ TBN Exh. Steam 운전압력 개선(AC→VC) 1. 냉각수 용수원 변경(CWI → CWS) 16.4 269.4 0.817 110.6 21.23 709.1 21.23 644.9 1587kW 27 4.0 1,525 27.12 ※ 냉각열량: 13.6 Gcal →11.7 G cal ※ TBN inlet 스팀 : 24.9t/h → 21.2t/h.

  41. TBN-DRIVER 운전조건 개선 or 교체 ◇개선방안-1: 2안 기존설비 복수계통 운전조건 최적화(AC→VC운전) ◆TBN Exh, steam 운전 압력 개선(AC→VC) 2. 냉각수 공급유량 증대( 1,525 t/h → 1,804 t/h ) 16.4 269.4 0.53 93.91 19.13 709.1 19.13 637.8 1587kW 27 4.0 1,804 27.12 ※ 냉각열량: 11.7 Gcal→10.6 Gcal ※ TBN inlet 스팀 21.2t/h → 19.1t/h

  42. TBN-DRIVER 운전조건 개선 or 교체 ◇개선방안-2: 1안 VC형 TBN-DRIVER로 교체 0.382 16.4 269.4 74.31 14.7 709.1 14.7 616.3 1587kW 27 4.0 1525.1 ※ 냉각열량: 13.6 Gcal →8 Gcal ※ TBN inlet 스팀 24.9 t/h → 14.6 t/h

  43. TBN-DRIVER 운전조건 개선 or 교체 ◇개선효과 개선 대책 연료절감량 (toe/년) 절감예상액 (백만원/년) 냉각부하 감소 (Gcal/h) ① CWI→ CWS 1,824 729 1.9 2,695 1,076 3.0 ② CWS 유량 증대 4,666 1,863 5.6 ③ 터빈 신규 교체

  44. Steam turbine 복수 진공도 개선 ◇증기터빈 복수압력 운전현황 • 복수압력 설계조건: #4 T/G 684mmhg, #5 T/G 693mmhg • 진단 당시 복수압력 : #4 T/G 647mmhg, #5 T/G 686mmhg

  45. Steam turbine 복수 진공도 개선 ◇주요 문제점 • #4호 STG 경우 외기온도 조건과 무관하게1월 부터 • 경시적으로 진공도가 현저히 저하되고 있음 • 진단 시 #4 T/G 복수기의 Exhaust Steam의 압력은 • 0.15ata(56.4℃)로 설계조건(0.1 ata, 45.5℃)보다 • 악화된 상태로 운전되고 있음

  46. Steam turbine 복수 진공도 개선 ◇착안 관점 • 복수기의 진공도가 저하될 경우 Exhaust Steam의 보유 • 엔탈피가 증가 함에 따라 발전손실 및 복수기 냉각부하 • 증가는 필연적이지 않는가 • 복수기의 진공압력 조건을개선하면 열낙차 증가로 발전 • 출력을 향상 시킬 수 있지 않는가

  47. Steam turbine 복수 진공도 개선 ◇일반적인 복수기 진공도 저하 요인 • 외부에서의 공기 유입, • 냉각수 튜브 내면 오염 • 공기추출기(진공펌프, 에젝터) 성능 저하 • 복수기 수실 상부 공기 누적 • 냉각수 온도 이상 상승, 냉각수 부족 등

  48. Steam turbine 복수 진공도 개선 ◇ #4 STG 진공도 저하 주요 요인(의심) • 외부에서의 공기 유입, • 그랜드 팩킹 등 실링상태 불량 • 공기추출기(진공펌프) 성능 저하 • 복수기 수실 상부 공기 누적 • 냉각수 튜브 내면 오염 등 ☞ 실측한 결과 냉각수의 유량과 온도는 각각 3,283t/h, 27℃→ 36℃ 로 설계조건(3,095.3t/h, 30℃ → 40℃)를 충족하고 있고, 열교환기 전열성능을 분석결과 냉각수 부족과 냉각수온도 이상 상승 등의 요인은 아닌 것으로 판단 됨

  49. Steam turbine 복수 진공도 개선 ☞ ◇개선대책(점검대상) • 복수기 연결/체결 부위 실링 강화 • 진공펌프 성능 재검토 • 복수기 수실(WaterBox) Air Venting • 냉각수 튜브 내면 오염상태 등

  50. Steam turbine 복수 진공도 개선 ◇타 기력발전소 복수기 진공도 운전현황(참고자료) ㆍ동절기 과진공 운전과 하절기 일부 운전 조건를 제외하고는 대체로 양호한 상태로 운전

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