1. 서 론
 
탄소중립 이행을 위해 풍력, 태양광 등 신재생 발전원의 비중이 급속도로 증가하고 있는 가운데, 신재생 발전원의 불안정성 및 간헐성 대책으로 유연성 자원의 도입이 필요하다. 국내의 경우 태양광 발전의 비중이 높기 때문에 맑은 날 낮시간대에는 태양광 발전의 출력이 충분하지만, 일몰 후에는 출력이 급격하게 저하되기 때문에 석탄화력 발전소에 유연운전이 시행된다. 석탄화력 발전소는 기존에는 기저부하용으로 정격 출력에서 주로 운전되었지만, 전력계통의 상황에 따라 첨두부하 및 부분 부하로 운영되고 있으며, 최근 2~3년간 기동 정지 및 부하 변동 횟수가 급격하게 증가하고 있다. 
대부분의 기계설비는 정격 출력에서 가장 높은 효율과 안정성을 갖기 때문에 잦은 기동 정지 및 부하 변동 시 가혹한 운전 환경으로 인해 설비 손상 증가가 예상되며, 국내 석탄화력 발전소에서도 설비 손상으로 인한 발전소 정지 사례가 증가하고 있다. 가혹해진 운전 환경이 설비에 영향을 미치고, 눈에 띄는 징후로 나타나는데 적지 않은 시간이 필요하다는 점을 고려할 때 향후 발전설비 손상 사례는 지속적으로 증가할 것이다.
 
유연운전에 의한 발전설비의 손상 주요 원인은 기동 정지 및 출력 변동 등 과도 상태에서 온도 및 압력의 불안정에 의해 발생하는 것으로, 손상을 방지하기 위한 주요 대책으로는 연료 연소 및 제어 시스템을 최적화하여 발전 시스템에서 과도 현상이 발생하지 않도록 예방하는 방법과 주요 설비의 상태를 보다 면밀하게 분석하는 감시 방법이 있다. 
본고에서는 발전설비의 상태를 면밀하게 분석하는 감시 방법 중 하나인 석탄화력 발전소 보일러 압력부 건전성 확보를 위한 운전 데이터 기반의 관리 시스템을 소개한다.

 
2. 본 론

1) 보일러 압력부 일반 사항
석탄화력 발전소에서 손상이 빈번하게 발생하는 설비는 보일러 튜브로서, 연료인 석탄을 연소시켜 생성되는 열을 보일러 튜브를 통해 전달받아 튜브 내 물을 고온·고압의 증기로 만들고, 터빈을 돌려(터빈과 같이 맞물려서) 회전하는 발전기를 통해 전력을 생산한다. 보일러 내에 설치된 튜브는 번들 당 수백 개의 열로 구성되고, 튜브의 총 길이는 발전소 1기당 수백 킬로미터에 달한다. 하지만 작은 균열만으로도 발전소를 정지해야 하기 때문에 발전소 신뢰성 확보를 위해 핵심이 되는 설비다.
보일러 튜브는 원통 실린더 형태이고, 내부 작동 유체는 고온·고압의 증기이기 때문에 높은 온도에 의한 열적 하중과 높은 압력에 의한 압력 하중을 동시에 받는다. 열적 하중과 압력 하중에 발생하는 3가지 응력 성분 중 가장 큰 후프 응력은 방향에 따라 다음과 같이 구할 수 있다.

금속 재료의 손상은 크게 크리프와 피로로 구분할 수 있다. 크리프는 재료에 일정한 하중이 지속적으로 가해질 때 발생하는 손상이며, 피로는 재료에 변동되는 하중이 반복적으로 가해질 때 발생하는 손상을 말한다. 발전설비에 적용하면 크리프 손상은 발전소가 고정 출력을 유지할 때 정상 상태에서 발생되어 누적되며, 피로는 기동 정지나 출력 변동 등 과도 상태에서 발생되어 누적된다. 크리프와 피로는 아래의 대표적인 관계식으로 각각의 손상 정도를 평가할 수 있으며, 두 가지 손상의 상호작용을 고려한 종합 수명을 평가하는 것이 현수준에서 가장 신뢰도 높은 설비 수명 평가 방법이다. 

2) 시스템의 구성 및 주요 기능
시스템은 크게 운전 데이터 분석 모듈과 평가 모듈로 구성된다. 데이터 분석 모듈에서는 보일러 튜브의 온도, 압력, 유량 등의 데이터를 분석하여 튜브의 상태를 분석해주는 기능을 제공한다. 그림 2와 같이 통계 둘을 이용하여 각 튜브의 열의 주요 운전 이력을 시각화하여 문제가 될만한 이벤트를 검출한다. 각 튜브 열이 적정 온도에서 운전되었는지, 과열이나 열 충격 같은 비정상적인 상황이 발생되었는지, 얼마나 빈번하게 비정상적인 상황이 발생되었는지 분석하여 사용자에게 관련된 정보를 제공한다. 또 여러 튜브 열의 온도 분포를 시각화하여 수백 개의 튜브 열 중 과열 등 비정상적이거나 특이점이 있는 열에 대한 정보를 제공하여 사용자는 해당 튜브 열의 상세 운전 이력을 검토하여 필요한 조치를 취할 수 있다.

평가 모듈에서는 운전 데이터 분석 결과를 이용하여 설비의 상태를 평가하는 후처리 기능을 제공한다. 평가 모듈은 다시 건전성 평가와 수평 평가로 나눌 수 있는데, 건전성 평가는 각 튜브의 온도, 압력, 유량 등 운전 데이터를 분석하여 발전설비 제작사나 관련 규격에서 제공하는 허용 기준(최대 온도 구배, 재료의 최대 사용 온도, 최대 크리프 응력 등)을 만족하는지 확인하고 그 결과를 사용자에게 제공한다. 이 단계에서 제공되는 정보는 발전설비의 즉각적인 손상을 유발할 수 있는 내용을 포함하기 때문에 이러한 정보를 이용하여 사용자는 정밀 점검, 정비, 교체 등의 계획을 수립할 수 있다.
평가 모듈의 수명 평가 기능은 운전 데이터를 이용하고, 재료에 작용하는 응력을 계산하여 크리프 및 피로 수명을 각각 도출한다. 설비에 누적된 손상이 크리프나 피로 등 한 가지 손상에 지배적이지 않다면, 크리프-피로의 상호작용을 고려한 설비의 종합 수명 소비율을 도출한다. 

3. 결 론

변동성 높은 신재생 발전원 증가로 인해 전력계통에서 화력발전소의 역할은 기존의 기저부하 담당 자원에서 계통에 유연성을 제공하는 유연성 자원으로의 역할 전환이 필요한 상황이다. 향후 전력계통에 신재생 발전원의 비중이 지속적으로 증가하고, 화력발전소의 운전 환경은 더욱 가혹해질 것으로 예상됨에 따라 사용 수명까지 안정적으로 화력발전소를 운영하기 위해서는 저비용 고효율의 기술 개발이 필요하다.

이에 본고에서는 화력발전소 핵심 설비인 보일러 압력부의 신뢰성 확보를 위한 운전 데이터 분석을 이용한 건전성 및 수명 평가 방법을 제시하였다. 무엇보다 별도의 설비 신설이나 개선 없이 중앙 제어실에서 다루는 기존의 운전 데이터를 활용하는 방법으로(적은 비용으로) 체계적인 설비 관리가 가능할 것이다.

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