발전교육원 신기술동향 차세대 화력발전 기술 2004. 08. 19 한국전력공사 전력연구원

목 차 기술개발 개요 기술개발의 필요성 기술개발 목표 기술개발 내용 추진방법 기술개발 효과

1. 기술개발 개요 연구배경 석탄화력 발전 값싼 전기의 안정적 공급 환경친화적 발전 2015년 : 24,340MW(30.9%) 1. 기술개발 개요 연구배경 석탄화력 발전 2015년 : 24,340MW(30.9%) 풍부한 매장량 및 공급 안정성 장점 단점 우수한 신뢰성 및 입증된 경제성 SOx, NOx 공해물질 발생 분진, CO2 값싼 전기의 안정적 공급 환경친화적 발전 초초입계압 화력발전 Ultra Super Critical 석탄가스화 복합발전 Integrated Gasfication Combined Cycle 가압유동층 복합발전 Pressurized Fluidized Bed Combustion 2004년 : 17,465MW(29.8%) 제1차 전력수급 기본계획(’02.08)

2. 초초임계압 화력발전 USC ? USC를 통한 효율 향상 아임계 초임계 초초임계 2. 초초임계압 화력발전 USC ? P: 225.6 kg/cm2 T: 374 ℃ T: 566 ℃ 이상 아임계 초임계 초초임계 USC를 통한 효율 향상 석탄 62,534 ton/yr 절감 (이용율 90%기준) 241 bar/538 C/538 C, 효율 : 39.90 % 효율 1% 향상시 (1,000MW 기준) 260 bar/610 C/621 C, 효율 : 45.02 % dQ = T ds, Eff = W/Q = 1 – Q’/Q CO2감소량: 15만톤/yr

3. 기술개발의 필요성(1/2) 전력수급 안정적 측면 입지확보 곤란 초초임계압 화력발전 발전소건설 규모의 경제성 제고 석탄화력 3. 기술개발의 필요성(1/2) 전력수급 안정적 측면 발전소건설 입지확보 곤란 규모의 경제성 제고 초초임계압 화력발전 석탄화력 점유율 25~30% 유지 예상 전력소비율 년 4~5% 증가 예상 (향후 20년) 화력 5개사 발전사간 경쟁체제 경제성 추구

3. 기술개발의 필요성(2/2) 국내 기술개발의 필요성 차세대 화력발전소 기술 확립 건설/운전 비용상승 발전원가 상승 3. 기술개발의 필요성(2/2) 국내 기술개발의 필요성 차세대 화력발전소 기술 확립 건설/운전 비용상승 발전원가 상승 선진국의 국내시장 점유 국내산업 경쟁력 저하 발전설비 연관산업 붕괴 초기 투자비 상승억제 신규건설/기자재비 국부유출 방지 No ! Yes ! 국제 경쟁력 제고 발전설비산업 고용창출 기술확보 ? 해외 플랜트 시장 진출의 교두보 확보

4. 기술개발 목표 1000MW급 차세대 화력발전기술개발 최종목표 1단계 2단계 3단계 4. 기술개발 목표 1000MW급 차세대 화력발전기술개발 (증기조건: 265㎏/㎠/610℃/621℃) 최종목표 1단계(02.9~04.8): 차세대 화력발전 기반기술 구축 차세대 화력발전소 모델 선정 USC 발전설비용 신뢰성 평가 요소기술 개발 성능평가 이론정립 및 계측 시스템 제작 USC 보일러/터빈/발전기 설계/제작 핵심기술 개발 차세대 화력발전 제어시스템 개념 설계 1단계 2단계(04.9~06.8): 차세대 화력발전 설계기술 개발 차세대 화력발전소 기본 상세설계 신뢰성 평가시스템 설계 및 제작 성능평가시스템 기본 및 상세모델 개발 USC 보일러/터빈/발전기 모델 개념 설계 USC 제어시스템 상세 설계 2단계 3단계(06.9~08.8): 차세대 화력발전 기술표준화 및 검증 USC 발전시스템 설계 검증 및 최적화 신뢰성평가 및 종합분석 기술체계 구축 개발 시스템 성능 검증 USC 보일러/터빈/발전기 모델 개발 USC 제어시스템 설계 검증 3단계

핵심 거점 확보 기술 265㎏/㎠/610℃/621℃급 1,000MW 시스템 설계 증기조건 최적화 한국형 표준 석탄화력 시스템 설계 증기조건 최적화 터빈, 발전기 배열형식 및 용량 발전소 기동, 부하변동 패턴 및 제어 고온용 부품 신뢰성평가 대용량화 고온/고압화 건설 운영 설계 22기 주기기 설계 시스템 화로설계 및 성능해석 최적 전열면적 설계 보일러 동특성 해석 Steam Path 성능 향상 고효율 터빈 블레이드 설계 축계 동특성/안정성 증대 246㎏/㎠/538℃/538℃급/ 500MW

5. 기술개발 내용(1/2) 1단계: 기반기술 구축 기본 설계 및 타당성 검토 차세대 화력발전소 용량 및 증기조건 선정 5. 기술개발 내용(1/2) 기본 설계 및 타당성 검토 차세대 화력발전소 용량 및 증기조건 선정 USC 발전설비 주요 계통 설계기준 검토 신뢰성 평가 핵심 기본요소 기술 도출 및 개발 실증신뢰성 평가기술 및 실증 신뢰성 시험 기본설계 재질신뢰성 평가: 로터, 대형 주강품, Bucket, Stud & Nut, Valve 등 성능해석 시스템 설계 및 신뢰성 평가 1단계: 기반기술 구축 차세대 화력발전소 보일러/터빈/발전기 설계/제작 핵심기술 개발 차세대 화력발전 제어시스템 개념설계 USC 화력발전 제어계통 기능 분석 USC 화력발전 제어시스템 개념 설계

5. 기술개발 내용(2/2) 1단계: 기반기술 구축 시스템 설계 및 신뢰성 평가 보일러 차세대 화력발전소 보일러/터빈/발전기 5. 기술개발 내용(2/2) 시스템 설계 및 신뢰성 평가 동특성 해석기술 저 Nox 연소시스템 화로설계기술 구조설계기술 소음/진동 해석기술 기본 설계시스템 구축 1단계: 기반기술 구축 보일러 USC 모델 개발 통합 설계시스템 성능향상 구조/강도해석 동특성 및 안정성 차세대 화력발전소 보일러/터빈/발전기 설계/제작 핵심기술 개발 터 빈 전자기장 해석기술 고정자 권선 절연테이프 국산화 및 절연수명 평가기술 신뢰성 평가시스템 발전기 차세대 화력발전 제어시스템 개념설계

6. 2 단계 기술개발 내용(1/2) 2단계: 설계기술 개발 발전소 종합설계분야 운전/제어개념 검토 6. 2 단계 기술개발 내용(1/2) 발전소 종합설계분야 운전/제어개념 검토 주요계통 및 보조계통 기술규격서 작성 3차원 설계 모델 작성 성능평가 시스템 구성 종합 및 부속기기 실험시스템 제작 및 실험 성능모델 기기별 인터페이스 구축 시스템 설계 및 신뢰성 평가 2단계: 설계기술 개발 차세대 화력발전소 보일러/터빈/발전기 설계/제작 핵심기술 개발 기본 터빈제어 프로그램 개발 디지털 시스템 구성 및 시험 제어계통 모의시험 통합 제어계통 통합시스템 구축 및 연계시험 차세대 화력발전 제어시스템 개념설계

6. 2단계 기술개발 내용(2/2) 2단계: 설계기술개발 시스템 설계 및 신뢰성 평가 보일러 차세대 화력발전소 6. 2단계 기술개발 내용(2/2) 시스템 설계 및 신뢰성 평가 보일러설계 및 운전결과 분석 을 통한 연소방법비교검토 각종 보일러 성능계산 최적 보일러 형상결정 보일러 본체 기본계획 2단계: 설계기술개발 보일러 터빈/발전기 기기별 설계해석 저압터빈 블레이드 설계시스템 구축 고압터빈 블레이드 설계 검증시험 고 안정성 Seal 모델 개발 축계 진동해석 프로그램 보완개발 차세대 화력발전소 보일러/터빈/발전기 설계/제작 핵심기술 개발 터 빈 발전기 전자계 구조해석 발전기 계통연계 특성해석 고정자 구조해석 기술검증 및 실증 시험 발전기 차세대 화력발전 제어시스템 개념설계

6. 추진체계 총 괄 차세대 화력발전 기술개발 수행기관 한전 전력연구원 과 제 명 시스템설계 및 신뢰성 평가기술 개발 수행기관 6. 추진체계 총 괄 차세대 화력발전 기술개발 수행기관 한전 전력연구원 과 제 명 시스템설계 및 신뢰성 평가기술 개발 수행기관 한전 전력연구원 주기기 설계 및 제작기술 개발 두산중공업 (주) 제어계통 설계기술 개발 한전 전력연구원 USC 발전 제어시스템 기본개념 설계 USC 시뮬레이터 기반 시스템 구축 발전소 종합설계 신뢰성 평가기술 개발 차세대 화력발전소 모델 선정 신뢰성 평가 요소기술 개발 USC 발전설비 개념 및 기본설계 평가시스템 개념 및 보일러 설계 및 제작기술 개발 터빈 설계 화로설계 기술정립 USC 터빈 설계 및 제작기술 개발 및 정립 동특성 해석 터빈 통합설계 시스템 구축

7. 기술개발 효과 초초임계압 화력발전 기술개발 전력 산업 발전 측면 국가 경쟁력 제고 측면 발전소 운영, 유지비 절감 효과 7. 기술개발 효과 초초임계압 화력발전 기술개발 전력 산업 발전 측면 차세대 화력발전기술 적용으로 발전원가 절감 선진국과 경쟁 가능한 발전산업 경쟁력 확보 국가 경쟁력 제고 측면 발전효율 향상으로 연료절감 및 에너지 수입량 감소 CO2 발생/배출량 저감, 지구온난화 방지 발전소 운영, 유지비 절감 효과 해외기술 의존시 대비 유지 보수기간 및 비용절감 단위 출력당 초기 건설 투자비 절감 발전소 수명연장 및 Retrofit 비용절감 신뢰성/경제성 있는 설비 운용 가능 노후 발전소 교체 비용 절감 수출 및 수입 대체 효과 신규 발전소건설에 따른 국내생산 유발 및 수입대체 해외 발전 플랜트 시장 진출

7. 기술개발 효과 (석탄절감액) 항 목 금액효과 (억원) 산 출 근 거 효율상승에 의한 석탄 절감량 ( 210 억원 ) 7. 기술개발 효과 (석탄절감액) 항 목 금액효과 (억원) 산 출 근 거 효율상승분: 5.12%(45.02-39.90) 1%상승 효과: 62,534ton/yr 절감 (이용율 90%기준) 석탄 수입가: 65,000원/ton 기준 채탄원가 : 56% 상승 (’03 – 36,000원, ‘04 – 56,000원) 효율상승에 의한 석탄 절감량 ( 210 억원 )

첨부 자료 외국 USC 발전 연구개발 및 발전소 건설현황

일본의 USC 발전소 건설실적 및 계획

일본의 USC 발전소 건설 실적 및 계획 259 bar / 600 / 610℃, 1,050 MW 6 13,14 Phase I 251 bar / 593 / 593℃, 1,000 MW 300 bar / 630 / 630℃ 1981 ? Phase II (J Power) 600/600~610 593 / 593 566 / 593 566 / 566 538 / 593 STM COND.(241~255 bar) (o C) 538 / 566 1993 94 95 96 97 98 99 2000 01 02 03 04 05 이전 Year 2 3 5 10 12 19 16,18 11 7 6 8,9 13,14 20 21 15 17 4 1 영 당 500 MW 600~800 MW 900~1,050 MW Matsuura # 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Hekinann # 3 Nanao ohta # 1 Matsuura # 2 Misumi # 1 Noshuiro # 2 Reihoku # 1 Haramachi # 1 Haramachi # 2 Nanao ohta # 2 Tachibanawan Tsuruga # 2 Tachibanawan # 1 Tachibanawan # 2 Hekinann # 4 苦東厚眞 # 4 Hekinann # 5 Isogo New # 1 Reihoku # 2 Hitachinaka # 1 Maizuni # 1 21

석탄화력 발전소 건설계획 (‘02. 8 제 1차 전력수급 기본계획(안)) (용량 : 천 kW) ※ 증기조건 - 영흥#1, 2 : 246kg/cm2, 566/566℃, 당진 #5, 6 : 246kg/cm2, 566/593℃