- 실시간 시뮬레이션을 통한 최적 운영방안 제시 

- 화력발전 분야 4차 산업혁명 기술 보급 기대

■ 국가과학기술연구회가 지원하는 FEP융합연구단*(단장 한국에너지기술연구원 이재구 책임연구원)이 화력발전 보일러의 운영 상황을 실시간으로 해석할 수 있는  ‘발전 플랜트 운영 지원 소프트웨어 기술’을 독자적으로 개발했다.

* FEP(Future Energy Plant) 융합연구단 : 온실가스 배출 저감 기술 개발을 위한 국가과학기술연구회 미래선도형 융합연구단 사업. 주관 기관인 한국에너지기술연구원과 한국생산기술연구원, 한국표준과학연구원, 한국기계연구원, 이외 위탁기관, 참여기업 등이 협동 연구를 수행 중

□ 그동안 석탄 화력발전소는 저열량탄 사용의 확대, 재생 연료 이용을 위한 바이오매스 혼소 등 기존 설계와 다른 조건으로 운전돼 많은 문제가 발생했다. 최근 강화된 대기오염 배출허용기준 달성을 위해서는 환경설비의 대대적 보완과 함께 보일러에서 배출되는 황산화물, 질소산화물 등 2차 미세먼지 발생원의 원천 저감이 필수며 이를 위해 발전소 운영 기술이 점점 고도화 되고 있다.

■ 연구진은 시뮬레이션 기술을 바탕으로 다양한 연료 및 운전조건에 대해 화력발전 보일러의 운영 상황을 실시간으로 해석하고 이를 발전소 운전에 적용할 수 있는 운영 지원 소프트웨어를 개발하는데 성공했다. 이 기술을 이용하면 시뮬레이션의 비전문가들도 손쉽게 발전소 수치해석을 수행하고 그 결과를 활용할 수 있다.

□ 화력발전소는 보일러, 터빈, 환경설비를 포함해 수많은 시스템으로 구성된 대규모 복합설비로, 플랜트 전체를 해석하기 위해 다양한 방법이 개발돼 왔다. 최근 시뮬레이션 기술의 진보로 발전소 핵심설비인 보일러에 대한 3차원 수치 해석을 활용한 운영 지원 사례가 크게 증가하고 있으나, 3차원 해석에는 많은 시간이 필요해 사후 대책 마련을 위한 용도로 주로 이용되어 왔으며 발전소 운전과 동시에 활용하는 것이 불가능했다.

□ 이를 해결하기 위해 연구진은 1차원 시뮬레이션을 통해 보일러의 실시간 수치해석이 가능한 기술을 개발했다. 1차원으로 단순화된 수치해석의 정확성을 높이기 위해 FEP 융합연구단 실증 플랜트의 실험결과와 발전사에서 제공한 운전결과를 모델개발에 활용하고, 동일 조건에서 수행된 3차원 수치해석 결과를 모델 개선과 검증에 이용했다. 개발된 모델을 적용하면 다양한 운전 조건에서 실험결과 대비 10% 이내의 오차율을 갖는 수치해석을 실시간으로 진행할 수 있다.  

□ 그러나 정확한 수치해석이 가능하다 하더라도 발전소 운영자가 이를 활용하기 위해서는 전문적인 지식을 갖추어야 하므로 이를 직접 이용하기에 어려움이 있다. 이를 극복하기 위해 FEP 융합연구단은 GUI(Graphical User Interface) 구축을 통해 사용자에게 익숙한 환경에서 손쉽게 사용할 수 있는 소프트웨어 개발로 문제를 해결했다. 

□ GUI 개발과정에서 남동발전, 남부발전 등 실제 유동층 보일러를 운영 중인 주요 발전사 담당자의 의견을 반영했으며 초보자와 전문가 모드로 나눈 사용자 환경을 제공해 비전문가와 전문가 모두 사용할 수 있도록 했다. 현재 연구진은 발전소 전체 공정해석, 운영 조건 변화에 따른 경제성 평가 모듈이 추가된 발전소 통합 운영 솔루션으로 소프트웨어를 확장함과 동시에, 다양한 형태의 보일러에도 적용할 수 있도록 추가모델 개발을 진행 하고 있다.

■ FEP 융합연구단 이재구 단장은 “발전소의 문제를 시뮬레이션을 통해 해결하기 위한 다양한 시도가 진행됐지만, 본 연구에서와 같이 보일러 해석 결과를 바탕으로 운영자가 실시간으로 운전조건의 영향을 평가할 수 있는 사례는 찾아보기 어렵다.”며 “현재 화력발전이 직면한 문제를 해결하며 발전분야에 4차 산업혁명 기술 적용을 위한 기반을 제공할 수 있는 핵심기술을 확보했다는데 큰 의의가 있다.”고 밝혔다. 

□ 또, 연구책임자인 이은도 수석연구원은 “개발된 기술은 시범 적용을 통해 국내 화력발전소에 우선 보급될 계획이며, 보일러 및 발전소 설계에 활용을 위해 발전 플랜트 제작사들과 활발히 논의 중” 이라며, “발전소 실시간 시뮬레이션은 발전소 내 다양한 사물인터넷 센서에서 계측되는 빅데이터와 연계해, 보다 확장된 형태로 이용이 가능하며 궁극적으로 발전소의 4차 산업혁명 적용에 중추적인 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.