열병합 발전설비*

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★★예비전원

열병합 발전설비

목차(열병합 발전설비)

열병합 발전설비

❓열병합 발전설비

• 전력과 열을 동시에 생산하고 이용하는 고효율 종합 에너지 공급시스템
• 기존의 발전기에서 폐열되는 열을 이용하여 냉난방 온수시스템으로 변환하여 에너지 효율을 극대화할 수 있는 시스템

1️⃣열병합 발전설비 시스템 구성및 효율

1)구성도

• 원동기
  디젤엔진, 가스엔진, 가스터빈엔빈, 연료전지 등이 있다
• 폐열보일러 증기보일러

2)효율

• 발전기 효율 : 약 25%
• 증기효율 : 약 48%
• 손실 : 약27%

2️⃣장단점(특징)

1)장점

• 높은 에너지 효율: 전력과 열에너지를 동시에 생산하며 배열을 효과적으로 이용함으로써 종합에너지 이용효율이 향상(총효율 75~90%)
• 에너지 다변화: 분산형 전원으로 하절기 피크컷용으로 이용가능하여 안정된 전력수급에 기여
• 원격지 전력 송전에 의한 설비비 및 송전손실비용을 줄임
• 전력자체생산으로 계약전력 감소로 전력요금 저감및 전력회사 역판매 시 전력 판매 수입 가능
• 전력 수급대책의 하나로 민간의 열병합 발전 참여에 의한 전력회사 자체의 신규 발전설비 소요를 감소시킬 수 있음
• 환경 친화적: 청정연료인 도시가스 이용시 이산화탄소 억제 및 환경공해 문제에 기여
• 지역난방: 생산된 열을 이용하여 지역난방을 공급할 수 있어 에너지 효율을 더욱 높일 수 있다.

2)단점

• 높은 초기 투자 비용: 투자비가 비교적 크고 시설단위가 전력회사의 기존발전설비에 비해 매우작으며 화석연료를 주로 사용함으로써, 향후 연료비의 불확실성, 규모의 비경제에 따른 사업 참여 위험성이 있음
• 부하변동에 대한 민감도: 열 및 전력수요의 비율이 적절치 않거나 수요 변동의 불확실성이 클 경우 에너지 이용효율에 의한 이득이 투자비의 자본회수 소요를 초과할 가능성이 있다
• 유지보수비용증가

3️⃣전력계통과의 연계

1)전력계통과의 연계시 장점

• 시스템의 효율 향상
• 예비전력 확보 등 전원의 이중화에 의한 신뢰성 향상
• 전원 품질 향상
• 시스템의 단순화

2)계통연계 시 주의사항

• 적정시스템의 운전방식 채택
• 운전시간의 계획
• 시스템의 전기회로 구성
• 계통연계상의 제어문제

4️⃣열병합 시스템의 열전비

1)정의

• 열전비란 열과 전기를 동시에 생산하는 집단에너지 발전시설(열병합 발전소)에서의 열 생산용량에 대한 전력생산용량의 비
• 집잔에너지 사업법에서는 열과 전기를 동시에 생산하는 시설의 열 생산용량이 전기 생산용량보다 커야만(열전비 1 이상)집단에너지 발전시설로 규정

2)열전비 공식

5️⃣구역형 집단에너지 사업

1)정의

• 집단에너지 사업이란 집단에너지사업법에 의하여 일정한 지역의 소규모 집단에너지공급시스템 또는 구역형 집단에너지 공급시스템
• 통상 가스엔진 또는 가스터빈등의 열병합 발전설비 가동 시 전력생산과정에서 발생하는 고온의 배기가스 열을 폐열회수장치를 통하여 증기 또는 온수 형태로 회수하여 일전한 구역에 전기 및 냉난방에너지를 공급관리하는사업

2)법적인 개념

• 현행 집단에너지사업법에 의하여 가영하거나 냉각한 물, 증기, 기타 열매체를 열수송관으로 공급하되 열 생산량이 시간당 300만[kcal] 이상인 것으로 표현

3)사업전망

• 열병합 발전사업보다 유리해진 사업환경
  연면적 5,000평 이상의 복합건물 보일러 5통 이상의 백화점, 호텔, 병원 등의 사업성이 충분하고 투다 회수기간은 약 4~5년 정도로 단기간에 가능
• 에너지 효율성 우수
  • 통상 엔진발전기와 가스발전기는 발전효율이 30~40%이고 고온의 배기가스 열손실이 필연적으로 수반
  • 폐열보일러 회수장치를 부착하여 증기 또는 온수형태로 회수하여 온열 또는 흡수식 냉동기를 설치하여 냉열을 인근 건물에 공급하여 에너지 효율이 75~90%가능

4)집단에너지 사업 추진 시 문제점

• 현재 3,000만[kcal] 이상을 500만[kcal] 이상으로 관계법령을 재정비하여 집단에너지 사업 허가 기준 완화 필요
• 전기 직판매 등 특정 전기 사업제도 마련
• 열병합 발전소의 중복 투자로 국가자원낭비
• 사업영역에 의한 마찰
• 집단에너지 고시지역 지정으로 지역 침범이 불가

❗열전비

• 열에너지 수요와 전기에너지 수요의 비를 말하며, 열병합 발전시스템 선정 시 중요한 요소이다

• 열/ 전기의 수요량에 따라 열병합 발전시스템의 효율이 크게 달라지므로 경제성 평가의 중요요소가 된다

1️⃣열병합 발전시스템 선정 시 열전비의 검토

1)열병합 발전 시스템

• 산업체, 건축물 등에서 필요한 열, 전기에너지를 보일러 가동 및 한전의 전력 수전에 의존하지 않고 자체 발전시설을 이용하여 일차적으로 전력을 생산하고 이차적으로 배출되는 열을 회수하여 이용하는 발전시스템
• 기존의 발전방식보다 30~40%의 에너지 절감효과를 얻을 수 있으며 보통 가스터빈, 가스엔진 발전을 이용 열병합 발전시스템 구축

2)열병합 발전시스템의 열전비

구분	열전비
가스엔진	50/30=1.7
가스터빈	50/25=2.0

3)건축물 용도별 열전비

용도	열전비	용도	열전비
호텔	1.5~2.5	사무실	0.4~0.9
병원	2.5~3.0	유흥장	1.7~1.8
스포츠 센터	2.0~2.5	음식점	2.0~2.5

목차(열병합 발전설비)

열병합 발전설비

💯기출문제

●01 최근 건설되고 있는 열병합 발전설비의 장단점과 열전비에 따른 터빈선정기준을 설명하시오

열병합 발전설비의 장단점

최근 건설되는 열병합 발전설비는 에너지 효율을 높이고 환경 오염을 줄이기 위한 노력의 일환으로 주목받고 있습니다. 열병합 발전은 연료를 연소하여 얻은 열에너지를 이용하여 전기를 생산하고, 남은 열을 난방이나 냉방 등에 활용하는 방식입니다.

장점:

• 높은 에너지 효율: 연료를 두 번 활용하여 에너지 효율이 높습니다.
• 환경 친화적: 발전 과정에서 발생하는 이산화탄소 배출량을 줄일 수 있습니다.
• 에너지 다변화: 다양한 연료를 사용할 수 있어 에너지 공급의 안정성을 높입니다.
• 지역난방: 생산된 열을 이용하여 지역난방을 공급할 수 있어 에너지 효율을 더욱 높일 수 있습니다.

단점:

• 높은 초기 투자 비용: 일반적인 발전 방식에 비해 초기 투자 비용이 높습니다.
• 부하 변동에 대한 민감도: 부하 변동에 따라 발전 효율이 변동될 수 있습니다.
• 유지보수비용증가

열전비에 따른 터빈 선정 기준

열전비는 열병합 발전에서 생산되는 열량과 전력량의 비율을 의미하며, 열병합 발전 시스템의 효율을 나타내는 중요한 지표입니다. 열전비에 따라 적합한 터빈을 선정하는 것은 열병합 발전 시스템의 성능을 좌우하는 중요한 요소입니다.

• 높은 열전비가 요구되는 경우:
  • 배압 터빈: 배기 가스의 열을 이용하여 증기를 생산하고, 이 증기를 터빈에 공급하여 전력을 생산하는 방식입니다. 열전비가 높지만, 발전 효율은 상대적으로 낮습니다.
  • 복합 사이클 터빈: 가스터빈과 증기 터빈을 결합한 방식으로, 가스터빈의 배기 가스를 이용하여 증기를 생산하고, 증기 터빈으로 추가적인 전력을 생산합니다. 높은 열전비와 발전 효율을 동시에 확보할 수 있습니다.
• 높은 발전 효율이 요구되는 경우:
  • 콘덴싱 터빈: 배기 가스를 응축시켜 재사용하는 방식으로, 발전 효율은 높지만 열전비는 낮습니다.

터빈 선정 시 고려 사항:

• 열부하: 필요한 열량에 따라 터빈의 용량을 결정
• 전력 부하: 필요한 전력량에 따라 터빈의 발전 용량을 결정
• 연료 종류: 사용하는 연료의 종류에 따라 적합한 터빈을 선정
• 환경 규제: 배기 가스 규제 등 환경 규제를 만족하는 터빈을 선정
• 경제성: 초기 투자 비용, 운전 유지비 등을 종합적으로 고려하여 경제성을 확보해야 합니다.

●02 열병합 발전방식의 하나인 CES에 대하여 개요를 설명하소 특징을 기술하시오

CES란 무엇인가?

CES는 Combined Cycle with Energy Storage의 약자로, 복합 사이클 발전과 에너지 저장 시스템을 결합한 발전 방식을 의미합니다. 기존의 복합 사이클 발전에 에너지 저장 시스템을 추가하여 발전 효율을 높이고, 전력 시스템의 안정성을 확보하는 것이 주된 목적입니다.

CES의 작동 원리

1. 복합 사이클 발전: 가스터빈과 증기 터빈을 결합하여 발전하는 방식입니다. 가스터빈에서 연소된 고온의 배기 가스를 이용하여 보일러의 물을 끓여 증기를 만들고, 이 증기를 이용하여 증기 터빈을 돌려 전력을 생산합니다.
2. 에너지 저장: 배터리, 슈퍼커패시터, 압축 공기 에너지 저장(CAES) 등 다양한 에너지 저장 시스템을 활용하여 전력을 저장하고 필요할 때 방출합니다.
3. 시너지 효과: 복합 사이클 발전의 높은 효율과 에너지 저장 시스템의 유연성을 결합하여 전체 시스템의 효율을 극대화하고, 전력 시스템의 안정성을 향상시킵니다.

CES의 특징

• 높은 발전 효율: 복합 사이클 발전의 높은 효율에 에너지 저장 시스템의 효율을 더하여 전체 시스템의 효율을 극대화할 수 있습니다.
• 유연성 향상: 에너지 저장 시스템을 통해 전력 생산량을 빠르게 조절할 수 있어 전력 시스템의 유연성이 향상됩니다.
• 피크 부하 대응: 전력 수요가 높은 피크 시간대에 저장된 에너지를 방출하여 전력을 공급할 수 있어 전력 시스템의 안정성을 확보합니다.
• 재생에너지 연계: 태양광, 풍력 등 재생에너지 발전 시스템과 연계하여 출력 변동성을 완화하고, 전력 시스템의 안정성을 높일 수 있습니다.
• 환경 친화적: 고효율 발전을 통해 온실가스 배출량을 줄일 수 있습니다.

CES의 장점

• 경제성: 높은 발전 효율을 통해 연료비를 절감하고, 전력 시스템의 운영 비용을 감소시킬 수 있습니다.
• 환경 친화성: 온실가스 배출량을 줄여 환경 보호에 기여할 수 있습니다.
• 에너지 안보: 다양한 에너지원을 활용하고 에너지 저장 시스템을 통해 에너지 공급의 안정성을 확보할 수 있습니다.

CES의 단점

• 높은 초기 투자 비용: 에너지 저장 시스템 도입으로 인해 초기 투자 비용이 증가할 수 있습니다.
• 복잡한 시스템: 복합적인 시스템으로 운영 및 관리가 어려울 수 있습니다.
• 에너지 저장 기술의 발전: 에너지 저장 기술의 발전 속도에 따라 시스템의 경제성 및 효율성이 변동될 수 있습니다.

○03 열병합 발전시스템의 주요 구성을 도식으로그리고 그 특징을 5가지 열거하시오

슬라이드 1: 열병합 발전 시스템 개요

• 제목: 열병합 발전 시스템 개요
• 내용:
  • 연료 연소를 통해 열에너지를 발생시킵니다.
  • 발생된 열에너지를 이용하여 증기를 생산합니다.
  • 증기를 이용하여 터빈을 회전시켜 전기를 생산합니다.
  • 터빈에서 배출된 폐열을 이용하여 난방, 냉방 등에 활용합니다.
• 이미지: 열병합 발전 시스템 전체 구성도 (연료, 연소기, 보일러, 터빈, 발전기, 폐열 회수 장치 등을 포함)
• 스피커 노트: 열병합 발전 시스템은 연료를 연소하여 얻은 열에너지를 이용하여 전기를 생산하고, 남은 열을 유용하게 활용하는 고효율 에너지 시스템입니다. 이는 단순히 전력만을 생산하는 일반적인 발전 방식과 달리, 에너지 효율을 극대화하고 환경 오염을 줄일 수 있다는 장점이 있습니다.

슬라이드 2: 열병합 발전 시스템 주요 구성 요소

• 제목: 열병합 발전 시스템 주요 구성 요소
• 내용:
  • 연소기: 연료를 연소시켜 열에너지를 발생시키는 장치
  • 보일러: 연소열을 이용하여 물을 끓여 증기를 생산하는 장치
  • 터빈: 증기의 힘을 이용하여 회전하여 발전기를 구동하는 장치
  • 발전기: 터빈의 회전 에너지를 전기에너지로 변환하는 장치
  • 폐열 회수 장치: 터빈에서 배출된 폐열을 회수하여 난방, 냉방 등에 활용하는 장치
• 이미지: 각 구성 요소별 사진 또는 그림
• 스피커 노트: 각 구성 요소는 유기적으로 연결되어 열에너지를 전기에너지로 변환하고, 폐열을 회수하여 활용하는 역할을 수행합니다. 연소기의 효율, 보일러의 증기 생산 능력, 터빈의 회전 효율, 발전기의 변환 효율, 폐열 회수 장치의 회수율 등이 전체 시스템의 효율에 영향을 미칩니다.

슬라이드 3: 열병합 발전 방식의 종류

• 제목: 열병합 발전 방식의 종류
• 내용:
  • 배압 방식: 터빈에서 배출된 증기를 난방에 직접 사용하는 방식
  • 추출 터빈 방식: 터빈 중간에서 일부 증기를 추출하여 난방에 사용하고, 나머지 증기로 발전하는 방식
  • 복합 사이클 방식: 가스터빈과 증기 터빈을 결합하여 발전 효율을 높이는 방식
• 이미지: 각 방식별 개략도
• 스피커 노트: 열병합 발전 방식은 크게 배압 방식, 추출 터빈 방식, 복합 사이클 방식으로 나눌 수 있습니다. 각 방식마다 장단점이 다르므로, 건물의 규모, 열 부하, 전력 부하 등을 고려하여 적절한 방식을 선택해야 합니다.

슬라이드 4: 열병합 발전의 장점

• 제목: 열병합 발전의 장점
• 내용:
  • 높은 에너지 효율
  • 환경 친화적
  • 에너지 다변화
  • 지역 난방 가능
  • 전력 안정성 향상
• 이미지: 각 장점을 시각적으로 표현한 그래프나 이미지
• 스피커 노트: 열병합 발전은 높은 에너지 효율과 환경 친화성을 갖춘 미래형 에너지 시스템입니다. 또한, 에너지 다변화를 통해 에너지 공급의 안정성을 높이고, 지역 난방을 통해 도시 열에너지 시스템을 구축하는 데 기여할 수 있습니다.

슬라이드 5: 열병합 발전의 전망

• 제목: 열병합 발전의 전망
• 내용:
  • 정부의 친환경 정책 확대
  • 에너지 가격 상승
  • 도시화 및 산업 발전
  • 스마트 시티 구축
• 이미지: 미래 도시의 모습이나 열병합 발전 시스템의 확대를 나타내는 이미지
• 스피커 노트: 정부의 친환경 정책 확대와 에너지 가격 상승 등으로 인해 열병합 발전의 중요성이 더욱 커질 것으로 예상됩니다. 특히, 도시화와 산업 발전에 따라 열과 전력 수요가 증가하고, 스마트 시티 구축을 위한 필수적인 기술로 자리매김할 것으로 기대됩니다.

○04 열병합 발전설비시스템에서 사용되는 열전비를 설명하시오

열전비란 무엇인가요?

열병합 발전은 연료를 연소하여 얻은 열에너지를 이용하여 전기를 생산하고, 남은 열을 난방이나 냉방 등에 활용하는 고효율 에너지 시스템입니다. 이때 열전비는 열병합 발전 시스템이 생산하는 열량과 전력량의 비율을 의미합니다. 즉, 생산된 열량 대비 전력량이 얼마나 되는지를 나타내는 지표입니다.

열전비의 중요성

• 시스템 효율성 평가: 열전비는 열병합 발전 시스템의 전체적인 에너지 효율을 평가하는 중요한 지표입니다. 열전비가 높을수록 열에너지를 전기에너지로 전환하는 효율이 높다는 것을 의미합니다.
• 시스템 설계: 열전비는 시스템 설계 시 중요한 고려 요소입니다. 열 부하와 전력 부하의 비율에 따라 적절한 열전비를 설정해야 시스템의 경제성을 확보할 수 있습니다.
• 정책 수립: 정부는 열전비 규제를 통해 열병합 발전 시스템의 열에너지 활용을 장려하고 에너지 효율을 높이려고 합니다.

열전비에 영향을 미치는 요인

• 터빈 종류: 배압 터빈, 추출 터빈, 복합 사이클 터빈 등 사용되는 터빈의 종류에 따라 열전비가 달라집니다.
• 연료 종류: 사용하는 연료의 종류에 따라 연소 효율이 달라지고, 이는 열전비에 영향을 미칩니다.
• 부하 변동: 열 부하와 전력 부하의 변동은 열전비에 영향을 미칠 수 있습니다.
• 시스템 효율: 보일러 효율, 터빈 효율, 펌프 효율 등 각 구성 요소의 효율이 전체 시스템의 열전비에 영향을 미칩니다.

열전비를 높이는 방법

• 고효율 터빈 도입: 발전 효율이 높은 터빈을 도입하여 전력 생산량을 늘릴 수 있습니다.
• 폐열 회수 시스템 개선: 폐열 회수율을 높여 열에너지 손실을 줄일 수 있습니다.
• 연소 효율 향상: 연료를 효율적으로 연소시켜 열에너지 손실을 줄일 수 있습니다.
• 부하 관리: 열 부하와 전력 부하를 효율적으로 관리하여 시스템의 운전 조건을 최적화할 수 있습니다.

○05 구역형 집단에너니사업에 대하여 개요 관련규정 및 사업내용을 설명하시오

구역형 집단에너지사업이란?

구역형 집단에너지사업은 특정 지역(구역)에 열과 전기를 동시에 공급하는 사업입니다. 한 곳에서 에너지를 생산하여 여러 건물에 열과 전기를 공급함으로써 에너지 효율을 높이고, 환경 오염을 줄이는 효과를 거둘 수 있습니다.

관련 규정

구역형 집단에너지사업은 「집단에너지사업법」에 따라 규제되고 있습니다. 이 법에서는 사업 허가 기준, 시설 기준, 열 공급 의무 등 사업 운영에 필요한 제반 사항을 규정하고 있습니다. 또한, 각 지자체는 도시계획 조례 등을 통해 구역형 집단에너지사업에 대한 세부적인 규정을 정하고 있습니다.

사업 내용

• 열원 시설: 연료를 연소하여 열에너지를 생산하는 시설입니다. 일반적으로 보일러, 가스터빈 등이 사용됩니다.
• 열 공급 시설: 생산된 열을 건물에 공급하기 위한 배관망, 열교환기 등으로 구성됩니다.
• 발전 시설: 열에너지를 이용하여 전기를 생산하는 시설입니다. 일반적으로 증기 터빈, 가스터빈 등이 사용됩니다.
• 전력 공급 시설: 생산된 전기를 건물에 공급하기 위한 변전소, 배전선 등으로 구성됩니다.

사업의 장점

• 높은 에너지 효율: 한 곳에서 에너지를 생산하여 여러 건물에 공급함으로써 에너지 손실을 줄이고, 에너지 효율을 높일 수 있습니다.
• 환경 개선: 개별 건물에서 발생하는 대기 오염 물질을 줄여 대기 환경을 개선할 수 있습니다.
• 안정적인 에너지 공급: 중앙 집중식으로 에너지를 공급하여 공급 불안정을 해소하고, 에너지 공급의 안정성을 확보할 수 있습니다.
• 신재생에너지 연계: 태양광, 지열 등 신재생에너지를 연계하여 에너지원 다변화를 도모할 수 있습니다.
• 지역 경제 활성화: 지역 내 일자리 창출 및 지역 경제 활성화에 기여할 수 있습니다.

사업 추진 시 고려 사항

• 경제성 분석: 사업 투자비, 운영비, 수익성 등을 종합적으로 분석하여 사업의 경제성을 확보해야 합니다.
• 기술적 타당성: 사업 부지, 열원 시설, 열 공급 시설 등 기술적인 측면에서 사업 추진의 타당성을 검토해야 합니다.
• 법적 규제: 관련 법규를 면밀히 검토하고, 인허가 절차를 이행해야 합니다.
• 주민 수용성: 사업 추진 과정에서 지역 주민들의 의견을 수렴하고, 갈등을 최소화해야 합니다.

●06 소형 열병합 발전설비를 보유한 건물이 있다. 이것을 229[]배전계통에 연계하여 운전할 경우 열병합 발전소 측에 예상되는 전력계통 운영상의 기술적인 문제점 및 대책을 설명하시오

소형 열병합 발전설비 연계 시 발생 가능한 문제점

22.9kV 배전계통에 소형 열병합 발전설비를 연계하여 운전할 경우, 다음과 같은 기술적인 문제점이 발생할 수 있습니다.

• 전력 품질 저하:
  • 고조파 발생: 비선형 부하인 발전기로 인해 고조파가 발생하여 계통의 전력 품질을 저하시킬 수 있습니다.
  • 전압 변동: 발전량 변동에 따라 계통 전압이 불안정해질 수 있습니다.
  • 플리커: 발전량의 급격한 변화로 인해 조명이 깜빡이는 플리커 현상이 발생할 수 있습니다.
• 계통 안정도 저하:
  • 발전량 변동에 따른 주파수 변동: 발전량이 급격하게 변하면 계통 주파수가 불안정해질 수 있습니다.
  • 무효 전력 불균형: 발전기의 무효 전력 공급이 불안정하면 전압 안정도가 저하될 수 있습니다.
• 보호 계전기 오동작:
  • 고조파, 전압 변동 등으로 인해 보호 계전기가 오동작할 가능성이 있습니다.
• 계통 연계 문제:
  • 배전계통의 특성에 맞지 않는 발전기의 연계는 계통 고장을 유발할 수 있습니다.

문제 해결을 위한 대책

위에서 언급된 문제점들을 해결하기 위해 다음과 같은 대책을 수립할 수 있습니다.

• 전력 품질 개선:
  • 능동형 필터: 고조파를 제거하기 위해 능동형 필터를 설치합니다.
  • 무효 전력 보상 장치: 무효 전력을 보상하여 전압 안정도를 확보합니다.
  • 전압 조정기: 전압 변동을 억제하기 위해 전압 조정기를 설치합니다.
• 계통 안정도 확보:
  • 주파수 조정 시스템: 주파수 변동을 감지하고 발전량을 조절하여 주파수를 안정화시킵니다.
  • 무효 전력 제어 시스템: 무효 전력을 제어하여 전압 안정도를 확보합니다.
• 보호 계전기 설정:
  • 고조파, 전압 변동 등을 고려하여 보호 계전기를 정확하게 설정합니다.
• 계통 연계 시험:
  • 계통 연계 전에 충분한 시험을 통해 발전기와 계통의 호환성을 확인합니다.
• 운전 관리 시스템:
  • 발전기의 운전 상태를 실시간으로 모니터링하고, 이상 징후 발생 시 신속하게 대응할 수 있는 시스템을 구축합니다.

목차(열병합 발전설비)

열병합 발전설비

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