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가스터빈 출력 증대설비 설치로 하절기 전력수급 안정화 기여를
2013년 07월 16일 (화) 12:36:54 전력경제 epetimes@epetimes.com

   
김정구 그린이파워 대표
반복되는 전력수급의 불균형
최근의 원자력 사태 및 갑작스런 기온 상승 등으로 인하여 전력수급 안정에 많은 어려움을 겪고 있으며, 정부 및 전력수급 관련 각 기관에서는 수요관리 및 부하조절, 절전운동 등 다양한 대책을 연일 발표하고 있으나 국민들은 정전에 대한 불안감 및 생활 속의 많은 불편을 감수하면서 전력당국에 대하여 많은 불만을 가지고 있는 것도 또한 사실이다.
매년 반복되는 공급설비 부족원인은 한두 가지 원인에서 찾을 수 있는 것은 아니리고 생각되며 , 공급 부족 문제는 당분간 지속될 것으로 보인다.
우리나라는 2010년까지는 세계적으로 최고의 전기품질 및 공급의 안정성을 유지하고 있었으나 2011년 9월15일 순환정전사태 이후 공급의 안정성에 많은 어려움을 겪고 있으며, 동하절기 피크시간대에는 전기품질 또한 최고의 품질은 아니라고 본다.

매년 수요관리에만 매달릴 것인가?
전력수급에 대한 근본적인 해결책은 없는 것일까? 정부에서는 전력산업기반기금을 이용, 매년 막대한 비용을 투입하여 비상시 수요조절 등 전력부하관리에 총력을 기울이고 있지만 이는 임시 방편적이며, 효과 대비 비용도 너무 많이 소요된다고 생각된다. 매년 수요관리 예산을 통해 수요를 억제하는 방법밖에는 없는 것인가를 고민해야 한다.
  □ 최근 3년간 부하관리사업 예산 현황
   
(단위 : 백만원)
 강제적인 수요관리는 임시방편에 불과한 것이다. 전기가 부족하여 생산설비를 정지 또는 감축한다는 것은 국가경제적인 측면에서 매우 불합리한 제도이다

국내 발전소의 비중은 전력생산원가가 상대적으로 저렴한 원자력(25%) 및 석탄(31%) 발전소가 기저부하 수요를 담당하고 있는 반면 생산원가가 상대적으로 높은 LNG 및 유류발전소(33%)는 중간 및 첨두부하를 담당하여 부하 변동에 탄력적으로 운용하고 있다.
[발전원별 설비용량(2012. 12, 전력거래소]

   
 

그 중에서 LNG 및 유류 복합화력(가스터빈) 발전소는 대기온도가 높아지면 연소에 필요한 공기밀도가 낮아져서 출력이 낮아지는 특성을 가지고 있다. 즉 대기온도가 높은 하절기에는 가스터빈의 최대출력이 약 20%가량 떨어지게 된다. 이는 곧 설비 용량대비 전력공급 능력의 저하를 초래한다는 것을 의미한다.
개선의 여지는 가스터빈에서
외기 온도에 따라 발전기출력이 변화하는 가스터빈은 가스터빈의 압축기 입구에 공기 냉각을 위한 설비를 설치함으로써 가스터빈 출력을 증대시킬 수 있다.
가스터빈 발전기의 출력을 높이는 방법은 이미 1884년 말기에 발명되고 1904년 최초 적용되었다. 발전을 거듭하여 현재의 방법은 미세한 크기의 물입자(입자크기 20미크론 이하인 안개와 같은 형태)를 가스터빈 압축기입구에 분사하여, 공기를 냉각시키는 방법이다.
공기가 냉각된다는 것은 연소에 필요한 공기의 질량을 높이는 효과를 가져와 결론적으로 봄, 가을과 같은 날씨의 운전조건과 같은 효과를 내는 것이다.
60, 70년대에는 항공기를 비롯하여 대형선박의 터보젯트 엔진에 적용되었다. 1980년 이후, 가스터빈 발전소가 출력증대를 위해 물분무 장치를 채택하고 있다.

   
 
가스터빈 출력증대 장치, 전세계적으로 확산, 일본은 더 적극적
현재까지 전 세계적으로 설치된 물분무장치는 1000여 호기에 이른다. 미주지역은 물론 중동, 동남아 등지에 계속 확산되고 있는 실정이다. 특기할만한 점은 물분무장치에 그 동안 소극적이던 일본의 경우, 대지진 이후 출력증대의 일환으로 간사이 전력을 중심으로 적극적으로 물분무장치를 도입하고 있다(2012년2월1일 일본전기신문 참조)는 것이다.
일본의 경우 불가피한 측면이 있다 하더라도, 원전 미가동 상태에서 전력수급난을 극복하려는 적극적인 의지가 작용한 것으로 보인다.
물분무장치 도입 시 출력증대 목표는 10% 정도가 일반적이다. 정확한 목표 수치는 가스터빈의 공기질량과 출력조건 등을 감안한 시뮬레이션에 의해서 결정된다.
국내사례
2010년 서부발전주식회사 평택발전본부는 가스터빈 4호기에 입구공기 냉각을 위한 물분무 장치(Fogging System)를 설치하는 시범사업을 실시했다. 그 결과 장치 설치전.후 대비 10% 이상의 출력증대 효과를 얻었으며, 2011년 1,2,3호기 에도 이를 적용하여 전체적으로 기존 가스터빈 발전출력 대비 12%대의 출력을 더 내고 있어 어려운 하절기 전력수급안정에 커다란 기여를 하고 있다.
또한 한국지역난방 화성지사는 2012년 본 장치를 설치했으며, POSCO 광양 소재 가스터빈 발전소는 현재 설치 중에 있다.
(주)그린 이파워(대표:김정구)에서 공급·설치한 상기 물분무 장치(Fogging System)는 일부에서 우려하던 미세 물입자 가스터빈 유입 등의 문제는 하나도 발생하지 않았으며, 기대이상으로 좋은 효과를 나타내고 있다.
   
 

또한 전세계적으로 1000기 이상의 Fogging System을 설치하였지만 단 1기에서도 가스터빈 물 유입 사고는 발생하지 않았다.
전력예비율 확보 전략 및 기대 효과
국내의 주요 복합발전설비는 한전 발전자회사 및 집단에너지(열병합발전소) 164기에 설비용량 2,143만kW로 구성되어 있다.

만약 주요 복합발전소가 중.단기간에 10% 정도의 출력향상을 목표로 하여 설비를 개선한다고 가정하면 총 2,143만kW(가스터빈 1,430만kW, 증기터빈 713만kW) 중 하절기에는 가스터빈용량 1,430만kW의 10%에 해당하는 143만kW의 출력 증대를 가져올 수 있다. 이 용량 증대치는 15만kW 발전기 약 10기를 건설(하절기 기준)하는 것에 상응하는 것이다. 규모로 보면 수도권 전력수급을 위해 설립된 대형발전소인 서인천복합(8기, 180만kW)의 70% 설비를 신규로 건설하는 효과가 있는것이다.
다시 말해서 예비전력의 안전선인 500만 KW에 대해, 140만KW의 출력증대 용량은 예비력의 28.6%에 해당하는 발전능력을 추가로 확보하는 셈이라 하겠다.
복합화력발전소 100만kW를 신규로 건설할 경우 약 1조원의 건설비용이 소요되나, 동일출력을 얻기 위하여 출력증대장치를 설치할 경우에는 약 400억 - 600억원 수준이면 가능하다.
출력증대장치를 설치하기 위하여는 약 10일 정도의 기간이 필요하나 가스터빈 정지는 2일이면 충분하므로 주말정지 기간을 이용하면 설치가 가능하며, 별도로 발전기를 정지할 필요는 없다.
※ 출력증대장치는 동절기에는 출력증대 효과가 없으며, 대기온도가 15℃ 이상에서만 출력증대가 가능함
결론
주요 발전사업자 및 민간 사업자가 가까운 장래에 현재의 전력수급 불균형을 개선하기 위한 발전소 건설의향을 가지고 있다고 하더라도 이는 장기간의 건설 기간이 소요되므로 현재의 전력수급 문제에 대한 현실적인 해결책이 될 수 없다고 본다.
수요관리는 위기 시에 분명 필요한 것이다. 거기에 근본적인 해결책을 모색하는 것 또한 전력당국이 관심을 가져야 한다. 기존 발전사업자가 중.단기 전략으로 출력증대를 위해 설비를 개선하는 것이 현실적인 대안이 될 것이다. 각 발전사는 역량에 따라 단계적으로 기존 발전설비를 개선하는 사업에 착수함으로써 조기에 전력 수급 불균형을 해소 할 수 있을 것으로 본다.
한편 설비개선 사업은 개별사업자의 사정에 따라 추진력을 모두 갖추기에 부족한 면이 있을 수 있으므로 전력관련 이해 당사자 간의 협의를 통해 전력 수급 불안전 사태를 타개하는데 만전을 기해야 할 것이다.
정책당국은 전력산업기반기금과 같은 재원을 기반으로 하는 비상시 수요관리 사업을 매년 반복 시행하는 것보다는 적은 비용으로 출력증대 설비를 설치하면 하절기 수급안정에는 커다란 도움이 될 것이다.
 

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