O O 병원

소형 가스열병합발전 도입 검토보고서

2004년  5월

에 너 지 관 리 공 단

목          차

요  약  문	1

1. 검토주요취지	1

2. 일반개요	1

3. 에너지 사용현황	2

4. 주요 에너지 설비현황	2

5. 에너지 시스템의 구성 및 부하분석	2

6. 경제성 평가 결과 및 분석	4

7. 검토 결과 종합	5

제1장 사업의 개요	6

1. 추진배경	6

2. 기   간	6

3. 일반현황	6

4. 건물현황	6

제2장 열병합발전기술의 분류	7

1. 가스 열병합발전의 정의	7

2. 에너지이용 시스템개요	9

제3장 가스 열병합발전 도입 타당성 분석기준	13

1. 도입타당성 검토방법	13

2. 적용 에너지단가	14

제 4 장 시스템의 부하분석 및 최적화 설계	16

1. 에너지 시스템의 구성 및 부하분석	16

2. 에너지 부하 분석	17

3. 에너지 시스템의 특성 검토 및 최적화	23

제 5 장 경제성 평가 결과 및 분석	26

1. 투자비 내역	26

2. 경제성 평가 결과 및 분석	26

제 6 장 검토 결과 종합	28

제 7 장 참고자료	29

1. 열병합발전 도입시 열부하 산정	29

2. 발전부하율 산정	31

3. 에너지 절감량 산출내역	32

4. 사업전후 연료 및 전기 사용량	35

5. 산출기준	36

요  약  문

1. 검토주요취지

분산형 전원산업의 확산에 따른 하절기 첨두 전력 경감으로 발전소 건설비용 저감과 하절기 가스수요창출로 가스저장탱크의 건설비용저감을 도모하고 열병합 발전 보급활성화를 촉진시키기 위한 열병합발전 도입타당성분석 기술지원사업의 일환으로 “OO병원”을 대상으로 가스 열병합발전기술의 도입타당성분석을 실시 기존의 시스템을 최대한 활용하면서 기대되는 에너지 절약기법을 도출하고 또한 기대되는 제반사항을 도출하는 것이다.

2. 일반개요

● 대상 건물 명 : OO병원

● 소   재   지 : 부산광역시 진구 개금동 633-165번지

● 규    모

― 준공일자 : 1990년 11월

― 대지면적 :  12,000m2

― 연 면 적 :  42,503m2

― 병 상 수 :  820병상

― 냉난방 면적

동 별	연면적(m2)	난방면적(m2)	냉방면적(m2)	비 고
A동	26,685	21,348	18,680	병원
B동	10,638	8,510	7,447	학교
P동	4,119	3,295	2,883	병원
기타	1,061	-	-	개별 냉난방
합 계	42,503	33,153	29,010

3. 에너지 사용현황

에너지종별	단 위	에너지사용량	에너지비용(백만원)	비 고
연료(LNG)	천Nm3	829.6	393.2	2003년도
전력(한전)	MWh	8,460.2	796.8	2003년도
합 계	TOE	2,986.1	1,190.0

4. 주요 에너지 설비현황

설비명	형 식	용 량	수 량	비 고
증기 보일러	노통연관	4t/h	4대
수 전 설 비		2,500kVA	1 LOT

5. 에너지 시스템의 구성 및 부하분석

가. 에너지 시스템 구성

수요처의 에너지 부하에 대응하여 에너지를 공급하기 위하여 설치되어 있는 현재의 에너지 공급 시스템 구성의 개략을 그림으로 나타내면 아래와 같다.

수변전 (22.9kV)

수전 2500KVA × 1식

배전  500KVA × 3식

배전  400KVA × 2식

배전  300KVA × 2식

전기부하

(병원)

전기부하

(기타)

보일러

(4t/h)

보일러

(4t/h)

증기

급탕탱크

난방

열교환기

증기(소독용, 주방)

급탕부하

난방부하

나. 부하 분석

열병합발전시스템의 도입 타당성 검토는 당 병원의 년간 운전 실적을 분석하여 년 간 월별, 일별, 시간별로 부하 추출이 가능한 분야별 운전일지를 기초자료로 사용하였다.

에너지 사용현황에서 기술한 바와 같이 매월의 전력 및 에너지 총 사용량의 년간 실측값 을 기준으로 에너지 부하 패턴 곡선을 작성하고 이를 도입 타당검토의 기준으로 하였다.

현재의 열원공급 및 운전 방식에 의한 수요처의 연중 에너지 부하를 그림으로 나타내 보면 아래와 같다.

다. 시스템 구성의 최적화 방안

열병합발전시스템은 사용 원동기별로 구분하면 여러 가지가 있겠으나, 수요처의 열, 전기부하특성 및 유효 출력(발전효율)을 감안하여 가스엔진 열병합발전시스템을 채택하고, 검토 대상으로 하였다.

가스 열병합 발전 시스템의 도입시의 에너지 공급 시스템은 다음 그림과 같다.

흡수식 냉동기

(1기)

도시가스

병원용전력

급탕부하

기타용전력

난방부하

급탕탱크

열병합발전기

(1기)

보 일 러

(2기)

수전변압기

(2,500kVA 1식)

한전병렬운전

난방

열교환기

냉방부하

* 시스템 개요

- 가스엔진 발전기 : 700kW × 1대

- 발전배열 회수열량 : 1,150,000kcal/h

- 흡수식냉동기 : 200RT × 1대

6. 경제성 평가 결과 및 분석

당 병원의 월별, 일별 전력부하변동곡선을 작성하여 발전기의 용량 및 대수를 산정한 결과 가스엔진발전기 700kW*1대로 한전계통과 병렬 운전하는 것을 전제로 하여 경제성을 평가하였다.

< 가스엔진 열병합발전 경제성 검토 결과 >

구 분		기존설비 (백만원)	열병합발전 (백만원)	손이익액 (백만원)
투 자 비 용			1,400	▲ 1,400
운전비	수전비	729	338	▼ 391
	연료비	391	559 (발전+보조보일러)	▲ 168
	계	1,120	897
절 감 금 액		▼ 223
단순투자회수기간		6.3년

7. 검토 결과 종합

OO병원을 대상으로 가스엔진 열병합발전시스템 도입타당성을 검토한 결과 현재의 에너지 요금 체계 하에서 가스엔진 열병합 발전시스템을 도입하면 에너지 절감은 물론 전기요금 저감으로 경제성 확보 측면에서 양호한 것으로 나타난다.

- 열병합발전설비 설치에 따른 공간확보 및 기존설비와 시스템 연계 등으로 인하여 기존 열원 공급설비의 일부 변경이 수반되어야 할 것이므로 차제에 열효율을 제고시킬 수 있는 방안을 검토하여 설계에 반영시키는 것이 바람직할 것이다.

- 투자비는 열병합발전 방식에 따라 다소 차이는 있겠지만 기존설비의 일부변경을 고려하여 포함하면 약 14억원 정도가 소요될 것으로 예상 되며, 연간 에너지비용 절감액은 2억 2천 3백만원, 단순 투자회수기간은 약 6.3년으로 경제성이 약간 미흡한 것으로 분석되었으나, 전기사용요금이 저렴한 경부하 시간대에 열병합발전기의 운전을 지향할 경우 경제성은 5년이내로 단축될 것으로 판단된다.

- 따라서 국가적인 측면에서 분산형 전원산업이 절실히 요구되고 있는 시점에서 볼 때 열병합 발전 설비 도입은 정부시책에 부응할 뿐만 아니라 OO병원의 운전경비를 절감시킬 수 있을 것이라 판단된다.

제1장 사업의 개요

1. 추진배경

국내 건물 및 산업분야에 대한 하절기 첨두전력 경감을 위해 가스 열병합발전 설비의 확대 보급을 통하여 전력생산시설 및 송전설비를 줄이고 가스의 계절별 수요격차를 완화시켜 가스저장시설의 추가건설을 최소화하는 한편, 에너지의 합리적 이용으로 계절별 전기와 가스의 수급 불균형 등을 해소시키고 국가경쟁력을 향상시킴과 동시에 아울러 가스 열병합발전 보급촉진을 도모하기 위해 계획업체로부터의 기술적 애로사항을 해결하여 제시함으로서 도입에 따른 기술적 부담감을 해결하고자 수용가에 대한 도입타당성 분석 등 열병합발전에 기술지원을 실시하였다.

2. 기   간 : 2004년 5월

3. 일반현황

◦ 대상업체 : OO병원

◦ 소 재 지 : 부산광역시

◦ 검 토 자 : (주) 아텍에너지 조 충 연

4. 건물현황

◦ 건 물 명 : OO병원

◦ 소 재 지 : 부산광역시

◦ 규    모

― 준공일자 :  1979년

― 대지면적 :  12,000m2

― 병 상 수 :  820병상

― 연면적 및 냉난방 면적

동 별	연면적(m2)	난방면적(m2)	냉방면적(m2)	비 고
A동	26,685	21,348	18,680	병원
B동	10,638	8,510	7,447	학교
P동	4,119	3,295	2,883	병원
기타	1,061	-	-	개별 냉난방
합 계	42,503	33,153	29,010

제2장 열병합발전기술의 분류

1. 가스 열병합발전의 정의

열병합발전 시스템(Cogeneration System)은 하나의 에너지원으로부터 전력과 열을 동시에 발생시키는 종합에너지 시스템(Total Energy System)으로 발전에 수반하여 발생하는 배열을 회수하여 이용하므로 에너지의 종합 열 이용효율을 높이는 것이 가능하기 때문에 산업체, 민생용 건축물 등의 전력 및 열원으로서 주목받고 있다. 즉, 열병합 발전시스템은 산업체, 건물 등에 필요한 전기․열에너지를 보일러 가동 및 외부 전력회사의 수전에 의존하지 않고 자체 발전시설을 이용하여 일차적으로 전력을 생산한 후 배출되는 폐열을 회수하여 이용하므로 기존 방식보다 30~40%의 에너지 절약효과를 거둘 수 있는 고효율 에너지 이용기술이다.

2차에너지

전력

열

엔진/터빈

발전기

폐열보일러

1차에너지

LNG

LPG

등 유

B-C

경 유

업무용(건물)

산업용(공장)

급탕/냉방/난방

냉방/난방

산업체공정용

용 도

온수

증기

< 열병합발전 시스템의 에너지 전환 >

최근 화력발전소의 발전효율은 약 40% 정도이고 이것을 송전하는데 발생하는 손실을 감안하면  이용효율은 35% 정도이나, 열병합발전 시스템으로부터의 발전효율은 발전기 형식, 용량 등에 따라 차이는 있으나 25~40% 범위 내에 있고, 또한 발전시의 배열은 발전량보다 1.5~2배정도  발생이 되며 이것을 유효에너지로 회수할 경우 총 이용효율은 80~90%까지 향상 된다.

기존의 열원공급방식과 열병합발전 방식의 이용 효율을 비교해보면 아래 그림과 같으며, 그림에서 알 수 있는 바와 같이 열병합발전 시스템을 도입하면 약 40~ 50%정도의 에너지 이용 효율  향상을 기대할 수 있다.

< 기존 화력발전방식과 열병합발전시스템의 에너지이용효율 >

2. 에너지이용 시스템개요

가. 열병합발전의 분류

열병합발전 시스템은 구성기기, 대응하는 부하, 운전방식 등에 따라 여러 가지로 분류할 수  있으며 주요사항에 대한 분류는 다음과 같다.

1) 원동기 종류에 따른 분류

◦ 증기터빈 방식 : 산업용 대용량

◦ 가스터빈 방식 : 산업용, 건물용

◦ 디젤엔진 방식 : 산업용, 건물용

◦ 가스엔진 방식 : 건물용

2) 적용대상에 따른 분류

◦ 산업체 : 증기와 전기를 많이 쓰는 염색, 피혁, 화공, 식품, 제지, 목재 업종에 주로 적용

◦ 건  물 : 열을 많이 쓰는 호텔, 병원, 백화점, 스포츠 시설 등에 주로 적용

3) 적용형태에 따른 분류

◦ 자가발전 방식 : 산업체 자가용 열병합발전, 건물자가용 열병합발전

◦ 집단에너지 공급방식 : 공업단지 열병합발전, 지역난방, 소집단 지역 냉난방시스템

나. 가스 열병합시스템 장단점 비교

가스 열병합발전은 넓은 의미로 1차 에너지에서 연속적으로 2종류 이상의 2차 에너지를 발생시키는 시스템이라고 정의할 수 있다. 실제로는 액화석유가스, 천연가스, 석유등의 연료로 가스엔진, 디젤엔진, 가스터빈 등의 원동기를 구동하여 그 동력과 배열을 유효하게 이용하는 시스템으로 장단점을 살펴보면 다음과 같다.

1) 장  점

- 전력과 열에너지를 동시에 생산하며, 배열을 효과적으로 이용함으로써 종합에너지 이용  효율이 향상(총 효율 80~90%)

- 분산형 전원으로 하절기 전력 PEAK-CUT용으로 이용 가능하여 안정된 전력수급에 기여

- 원격지 전력송전에 의한 설비비 및 송전손실 비용을 줄임

- 전력의 자체생산으로 계약전력의 감소에 의한 전력요금 저감 및 전력회사에 역 판매시   전력판매 수입이 가능.

- 전력수급 대책의 하나로 민간의 열병합발전 참여에 의한 전력회사 자체의 신규 발전 설비 소요를 감소시킬 수 있음.

- 청정연료인 도시가스 이용 시 이산화탄소 억제 및 환경공해 문제에 기여

2) 단  점

- 투자비가 비교적 크고, 시설단위가 전력회사의 기존 발전설비에 비해 매우 작으로, 화석  연료(가스, 유류)를 주로 사용함으로서 향후 연료비의 불확실성, 규모의 비경제에 따른   사업참여 위험성이 있음.

- 열 및 전력수요의 비율이 적절치 않거나, 수요 변동의 불확실성이 클 경우 에너지 이용  효율에 의한 이득이 투자비의 자본회수 소요를 초과할 가능성이 있음.

다. 열병합발전 방식

열병합발전 방식을 열역학적으로 구분하면 다음과 같다.

- 랭킨 사이클을 이용한 단순 열병합발전 사이클

- 사이클 효율을 증가시키기 위하여 개량한 재 열 사이클, 재생사이클 및 재생 재 열 사이클

- 브레이튼 사이클을 이용한 가스터빈의 열병합발전 사이클

- 디젤엔진 또는 가스엔진 열병합발전 사이클

1) 증기터빈방식

증기터빈방식은 가장 잘 알려진 기술일 뿐만 아니라, 가장 널리 사용되는 방식으로 배압 터빈식, 복수터빈식, 배압-복수터빈식의 조합식으로 대별되며, 터빈에서 팽창하는 도중 증기의 일부를 추가하여 열원으로 사용하는 것으로서 추기 배압터빈식과 추기 복수 터빈식으로  세분할 수 있다.

2) 복합발전방식

가스터빈 사이클과 증기터빈 사이클은 조합된 열병합 발전방식으로 가스터빈으로부터 나오는 고온의 배기가스를 이용하여 폐열보일러에서 생산되는 증기로 증기터빈을 돌리고 팽창과정중에서 증기의 일부를 추출하여 지역난방 도는 생산공정용 열원으로 사용하는 방식으로 열효율이 높다. 복합발전 열병합발전 방식의 증기터빈은 배압터빈식에 비해 추기복수식이 비경제적이나 적응성이 좋아 추기복수식이 주로 사용된다.

3) 가스터빈 발전방식

가스터빈은 근래에 와서 고온, 대형화되고 있으며 냉각수가 거의 필요치 않아 열병합발전  으로서 채택이 높아지고 있는 추세이다.

가스터빈 열병합발전 방식은 상온의 대기를 흡입하여 연소기에서 고온, 고압의 가스로 만들어 터빈을 돌린 다음 고온의 배기는 대기에 배출하게 되는데 이때의 65~75% 정도가 되는 다량의 배기손실을 회수하여 증기 또는 온수를 생산하고 이를 지역난방 또는 생산  공정의 열원으로 이용하고 있다.

4) 가스엔진발전방식

가스엔진은 전기/증기비가 높기 때문에 전기수요가 열 수요보다 상당히 많은 곳에서의 사용이 이상적이다. 온수로 열 생산을 할 경우는 전체효율이 높지만 증기만 생산할 경우 효율이 저하된다.

라. 외국의 설치 현황

1) 일본의 내연기관 열병합발전 보급현황

원동기 종별		설치건수 (건)	점유율 (%)	발전용량 (kW)	점유율 (%)	대당발전용량 (kW)
산업용	디젤엔진	598	53.3	1,466.165	39.2	2,450
	가스터빈	279	24.8	2,104.792	56.2	7,544
	가스엔진	246	21.9	173,594	4.6	706
	소 계	1,123	100.0	3,744,551	100.0	3,334
민생용	디젤엔진	836	50.5	444,541	50.4	532
	가스터빈	52	3.1	182,002	20.6	3,500
	가스엔진	769	46.4	255,778	29.0	333
	소 계	1,657	100.0	882,320	100.0	532
합 계		2,780	-	4,626,871	-	1,664

2) 원동기별 특성비교

구 분	가스터빈	가스엔진	디젤엔진	증기터빈
원동기기본사이클	(단순사이클) 연료 C T ～ 발전기 공기 배가스	엔진 ～ 발전기 연료 냉각수 배가스	좌 동	증기 B T ～ 발전기 연료 증기
발전효율	20~35%	28~40%	30~40%	약 11%
열전비 (회수가능폐열량/발전량)	약 3	약 1.5	약 1.5	8~10
연 료	등유, 경유, 가스, A중유	가스	경유, A중유	중유,가스
공기비	3.0~3.5	1.0~2.0	2.0~2.5
진동․소음	적다	크다	크다	크다
대기오염 (SOx,NOx배출)	적다	가스터빈보다크다	가스엔진보다크다	크다
가 격	가스엔진보다 비쌈	디젤엔진보다 비쌈	싸다	비싸다
보수비	싸다	비싸다	비싸다	비싸다

제3장 가스 열병합발전 도입 타당성 분석기준

1. 도입타당성 검토방법

가. 열병합발전 시스템의 최적계획

열병합발전 시스템 도입 검토도 모든 설비 도입 검토 시와 마찬가지로 “기획→기본계획→기본설계→실시설계→시공”이라는 동일한 절차를 따르고 있다. 또한 각 단계에 필요한 각종 검토의 반복을 통하여 협의, 평가 및 판단 등을 수행하고 수요자와 설계자간의 합의에 도달하면 검토가 완료된다는 것도 동일하다.

그러나, 열병합발전 시스템의 특성이 하나의 에너지원으로부터 전기 및 열에너지를 동시에 생산하는 것이므로 열병합발전 시스템으로부터 얻어지는 전기 및 열에너지를 유용하게 이용하는 것이 도입 경제성 확보의 필수 요건이다. 따라서 기존에는 열병합발전 시스템 도입을 위한 경제성 검토시에 전력 및 난방부하를 동시에 고려하는 것만으로 충분하다고 인식되어 왔으나, 최근에는 전기에너지를 사용하는 터보냉동기, 증기 또는 온수와 같은 온열을 사용하는 흡수식 냉동기, 가스 에너지를 사용하는 가스 직화식 냉온수기의 경우 하나의 에너지 시스템으로 온열 또는 냉열을 제조하여 공급할 수 있는 시스템도 도입되어 운전되고 있다.

이들 에너지 시스템을 네트워크로 연계시켜 수요처의 부하에 따른 실시간 운전모드 해석을 통하여 최적 시스템 조합 및 용량을 산정하고 그 해석 결과를 이용하여 경제성을 검토하고 타당성 분석을 실시하였다.

나. 병합발전 시스템 도입 타당성 분석방법

금번 도입 타당성 분석은 OO병원의 2003년도 에너지사용량을 토대로 부하를 산정하고 최대 또는 최소 에너지 부하량, 전체적인 부하 패턴 등을 고려하여 열병합발전설비 용량을 적절히 결정하고, 년간 부하율, 가동율, 운전시간 등을 전년도 운전행태를 기준으로 에너지절감량 및 절감액을 계산하고 그 결과를 활용하여 도입 타당성분석을 검토하였다.

따라서 본 검토에서는 OO병원에서 사용한 전년도 전력사용량을 기준으로 일별, 월별 부하변동곡선을 작성하여 이를 근거로 에너지절감 및 에너지비용 저감을 극대화시킬 수 있는 발전기 용량, 대수를 산정하여 경제성 분석을 실시하였다.

향후 좀 더 상세한 경제성 분석은 2단계 기술지원시 전문적인 엔지니어링사를 통하여 실시하기로 하고 여기서는 간이적인 경제성 분석을 실시하였다.

2. 적용 에너지단가

가. 전력요금 적용단가(일반용 을 고압A 선택Ⅱ)

< 일반용 을 전력요금표 >

구 분		기본요금 (원/kW)	전 력 량 요 금(원/kWh)
			시간대	여름철 (7~8월)	봄,가을철 (4~6,9월)	겨울철 (10~3월)
고압A	선택Ⅰ	5,330	경 부 하	41.30	41.30	41.30
			중간부하	86.20	64.20	73.20
			최대부하	148.10	86.20	101.40
	선택Ⅱ	6,130
			경 부 하	37.20	37.20	37.20
			중간부하	82.10	60.10	69.10
			최대부하	144.10	82.10	97.30
고압B	선택Ⅰ	5,330
			경 부 하	40.10	40.10	40.10
			중간부하	83.40	62.20	70.80
			최대부하	143.00	83.40	97.90
	선택Ⅱ	6,130
			경 부 하	36.00	36.00	36.00
			중간부하	79.30	58.10	66.70
			최대부하	138.90	79.30	93.80

나. 연료비 적용단가

대상 수요처에 대한 열병합 시스템 도입 검토시 적용한 가스요금은 아래의 표와 같다.

열병합발전용 요금은 현재 고시되어 있는 가격기준을 그대로 사용하였다.

< 연료요금(한국가스공사 부산지역 2004. 3월 요금단가적용) >

구 분	열병합발전시스템		보일러
연료단가 (원/Nm3,VAT제외)	동절기	416.80	470.82 (영업용, 난방용)
	하절기	345.01
	기타월	374.02

다. 보일러 효율적용

구 분	기존보일러	비 고
사용연료	LNG
적용효율	85%

제 4 장 시스템의 부하분석 및 최적화 설계

1. 에너지 시스템의 구성 및 부하분석

병원의 에너지 부하에 대응하여 에너지를 공급하기 위하여 기존 설치되어 있는 에너지 시스템의 구성을 개략적으로 나타내면 아래 그림과 같다.

수변전 (22.9kV)

수전 2500KVA × 1식

배전  500KVA × 3식

배전  400KVA × 2식

배전  300KVA × 2식

전기부하

(병원)

전기부하

(기타)

보일러

(4t/h)

보일러

(4t/h)

증기

급탕탱크

난방

열교환기

증기(소독용, 주방)

급탕부하

난방부하

< 에너지 시스템 구성 >

그림에서 알 수 있듯이 대상 수요처에서는 노통연관식 증기보일러를 이용, 증기를 생산하여 주로 열교환기에 의해 약 60℃정도의 온수를 생산하여 급탕 및 난방부하 공급에 이용하고 일부는 주방 및 소독용으로 증기를 직접 공급하고 있다.

2. 에너지 부하 분석

에너지 시스템의 도입 검토에 있어서 매우 중요한 에너지부하를 년간의 운전실적을 분석하여 계절별, 일별, 시간별 부하를 분석하여 발전용량 산정 및 경제성분석의 기초자료로 활용하였다.

에너지 수요량은 다음과 같이 매월의 전력 및 에너지 총 사용량의 실측값을 기준으로 에너지 부하패턴을 산정하고 산정된 부하기준으로 에너지 비용을 산출하였다.

□  전   력   부   하 :   2003년 1월~2003년 12월까지의 전기사용량

□  난방 및 급탕 부하 :   2003년 1월~2003년 12월까지의 열사용량

가. 전기부하 분석

2003년도 전력사용현황은 다음과 같으며, 연간 8,460MWh를 사용하고 최대전력과 평균전력은 각각 2,227kW와 966kW로 나타났다.

< 월별 전력사용현황(2003년도) >

월별	사용량 (kWh)	금액 (천원)	Peak (kW)	평균부하 (kW)
1월	619,164	53,186	1,233	832
2월	556,008	48,539	1,140	827
3월	610,992	52,095	1,128	821
4월	612,336	49,642	1,166	850
5월	616,440	49,649	1,601	829
6월	730,464	57,665	1,889	1,015
7월	852,888	88,783	2,042	1,146
8월	992,808	98,691	2,220	1,334
9월	819,312	63,573	2,227	1,138
10월	740,088	54,357	1,721	995
11월	629,136	54,581	1,262	874
12월	680,568	58,034	1,310	915
합계	8,460,204	728,795	최대 2,227	평균 966

월별 전력사용량과 Peak전력은 하절기인 7,8월에 크게 증가하여 나타나고 있으며, 동절기 및 춘추절기에는 큰 변화 없이 동일하게 나타나고 있다. 이는 하절기 터보냉동기의 가동 때문이다.

시간대별 전기 부하 변동을 분석한 결과 1월 기준 전기부하가 630~1,050kW로 420kW의 편차를 보이고 있으며, 8~18시에 전기부하가 높고 그 외 시간대에는 낮게 나타나고 있다.

나. 열부하 분석

증기보일러로 증기를 발생하여 열교환기로 온수를 생산하여 난방 및 급탕을 공급하고 있다. 2003년도 연료사용현황은 아래와 같이 LNG를 년간 829,600Nm3를 사용하고 평균 95Nm3/h를 사용하고 있다.

< 월별 연료사용현황(2003년도) >

월별	사용량 (Nm3)	금액 (천원)	평균부하 (Nm3/h)	비 고
1월	130,830	62,131	176
2월	116,903	55,528	174
3월	99,445	49,638	134
4월	71,050	34,151	99
5월	39,716	19,125	53
6월	26,852	12,955	37
7월	30,896	14,546	42
8월	29,845	13,454	40
9월	32,916	14,071	46
10월	42,003	19,110	56
11월	73,704	34,735	102
12월	135,440	63,799	182
합계	829,600	393,243	평균 95

난방부하가 없는 하절기에는 연료사용량이 크게 줄어 동절기의 약 23%로 동절기와 큰 편차를 보이고 있으며, 열병합발전의 도입시 하절기 운전부하율 상승을 위해 흡수식 냉동기의 적용 등을 고려해야 한다.

시간대별 열부하 변동을 분석한 결과 동절기에는 외기온도에 따라 난방부하가 크게 변화하여 1월 기준 열부하가 930~2,110Mcal/h로 큰 편차를 보이고 있으며, 하절기에는 난방부하가 없어 부하가 매우 낮고 편차가 크지 않게 나타나고 있다.

3. 에너지 시스템의 특성 검토 및 최적화

가.  검토 대상 열병합 발전 시스템의 특성 검토

도입 대상 열병합발전시스템은 수요처의 부하형태와 기존에 사용되고 있는 에너지 공급 및 이용기기의 특성, 도입 대상 에너지 시스템의 다양성, 유지 보수성 등에 따라서 달라 질 수 있으며, 이들 여러 요소를 검토하고 요약하여 정리하면 아래 표와 같다.

< 열병합발전 시스템의 특징 >

구분	Gas Engine	Gas Turbine
에너지 밸런스	전기 도시가스 G/E 온수 발전기 증기 급수 배가스	전기 도시가스 G/T 발전기 HRSG 증기 배가스
열회수	∘온수회수 ∘온수 및 증기회수	∘온수회수 ∘증기회수
공급가능	∘생산범위 : 30~6,000kW ∘경쟁력범위 : ~1,500kW	∘생산범위 : 500kW ~ ∘경쟁력범위 : 5,000kW
효율	∘발전단효율 : 30~38% ∘종합열효율 : 75~85%	∘발전단효율 : 20~35% ∘종합열효율 : 75~85%
설비비 및 유지보수비	∘설비비 : 가스터빈보다 싸다 ∘유지보수비 : 가스터빈보다 비싸다	∘설비비 : 가스엔진보다 비싸다 ∘유지보수비 : 가스엔진보다 싸다
특징	∘도심의 소규모 열병합에 적합 ∘배출규제에 대응 : △	∘도심의 대규모 및 산업용열병합에 적합 ∘배출규제에 대응 : ○

위 그림에서 알 수 있는 바와 같이 대상 열병합발전시스템의 열회수 특성 및 수요처의 열부하 특성을 기준으로 하는 경우에는 가스터빈 열병합발전시스템, 열병합발전시스템의 공급 가능 범위 및 특징을 기준으로 하는 경우 건물 부분에 시설비가 적고 발전효율이 높은 가스 엔진 열병합발전시스템에 대하여 검토대상으로 하였다.

그리고, 수요분석에서 최대 전력부하가 2,227kW임을 감안하고 설비의 유지보수, 부하 대응의 유연성 등을 고려하여 기종이 다양한 가스엔진 발전기를 대상으로 열병합발전시스템에 대한 최적 계획을 수행하였다.

나. 에너지시스템의 최적화

앞에서 기술한 OO병원의 연중 에너지 부하패턴, 경제변수와 기 설치된 에너지  시스템 및 다양한 열병합발전 시스템을 대상으로 에너지 시스템의 최적시스템 검토한 결과 최적시스템은 가스엔진 열병합으로서 시스템의 용량은 700kW×１대로 선정하였으며, 발전기와 한전간의 동기 병열운전을 하여 기저부하는 발전기에 공급하고 나머지 변동부하는 한전 공급전력으로 흡수하도록 하는 것이 플랜트효율을 높이는 동시에 경제적인 운전을 할 수 있을 것이다.

가스엔진 열병합발전시스템 도입시의 에너지공급 시스템구성은 아래 그림과 같다.

흡수식 냉동기

(1기)

도시가스

병원용전력

급탕부하

기타용전력

난방부하

급탕탱크

열병합발전기

(1기)

보 일 러

(2기)

수전변압기

(2,500kVA 1식)

한전병렬운전

난방

열교환기

냉방부하

< 에너지 시스템 구성도 >

위 그림에서 알 수 있는 바와 같이 가스엔진 열병합발전 시스템에서 냉각수 및 배기가스 폐열을 이용한 약 95℃온수를 생산하여 병원의 급탕 또는 난방부하를 분담하는 것으로 구성하였다.

또한, 병원은 산업체와 달리 하절기에 열부하가 거의 없고 냉방부하가 크므로 기존에 터보냉동기(400RT×1대, 80,60,30RT×1대, 40RT×2대)에 의해 냉수를 생산하여 냉방실시 하였으나, 열병합발전 시스템 도입시에는 흡수식냉동기 200RT ×1대를 도입하여 일부의 냉방부하를 담당하도록 하였다.

제 5 장 경제성 평가 결과 및 분석

1. 투자비 내역

열병합발전기 및 기타 투자비용은 단순견적에 의해 산출 한 것으로 아래와 같다.

구 분	투자비(백만원)	비 고
열병합발전설비	900	폐열회수장치 포함
흡수식냉동기	100	관련 부대장치 포함
기타 부대비용	400
합 계	1,400

2. 경제성 평가 결과 및 분석

에너지 부하분석을 통하여 최적 용량으로 선정된 열병합 발전 시스템의 용량은 가스엔진 열병합발전 시스템 700kW급이며, 이에 대한 경제성 검토 결과를 정리하면 아래의 표와 같다.

< 가스엔진 열병합발전 경제성 검토 결과 >

구 분		기존설비 (백만원)	열병합발전 (백만원)	손이익액 (백만원)
투 자 비 용			1,400	▲ 1,400
운전비	수전비	729	338	▼ 391
	연료비	391	559 (발전+보조보일러)	▲ 168
	계	1,120	897
절 감 금 액		▼ 223
단순투자회수기간		6.3년

※ 별첨 : 에너지 절감량 산출 내역

위의 표 에서 알 수 있는 바와 같이 700kW급×1대의 가스엔진 열병합발전 시스템을 도입하는 경우에 단순투자 회수기간은 6.3년으로 투자 경제성이 약간 미흡한 것으로 분석된다. 그러나 상기 경제성 분석은 전기사용요금이 매우저렴한 경부하시간대에도 열병합발전기를 운전한 것이며 경부하 시간대를 제외시 경제성은 5년이내로 단축될 것으로 판단된다.

발전용량 산정은 OO병원의 전기부하의 변동이 크지 않고 발전용량이 클수록 발전효율이 높아지므로 효율적으로 운전토록 하기 위해 발전기 용량을 700kW급×1대로 선정하였으며, 시간별 평균부하(≒966kW), 월별 일별 전기부하 및 열부하 변동곡선에 따라 전력을 최대한으로 생산토록 하였을 때 발전 평균부하는 약 524kW정도로 분석되었다.

결과적으로 한전계통과 병렬운전을 기하여 병원에 소요되는 전체 전력(약8,460MWh/년)의 약 57.1%(4,834MWh)를 발전전력과 발전배열을 이용한 흡수식냉동기에 의해 공급하고 나머지 42.9%(약3,626MWh)를 한전수전 전력으로 대처토록 하였다.

제 6 장 검토 결과 종합

OO병원을 대상으로 가스엔진 열병합발전시스템 도입타당성을 검토한 결과 현재의 에너지 요금 체계 하에서 가스엔진 열병합 발전시스템을 도입하면 에너지 절감은 물론 전기요금 저감으로 경제성 확보 측면에서 양호한 것으로 나타난다.

- 열병합발전설비 설치에 따른 공간확보 및 기존설비와 시스템 연계 등으로 인하여 기존 열원 공급설비의 일부 변경이 수반되어야 할 것이므로 차제에 열효율을 제고시킬 수 있는 방안을 검토하여 설계에 반영시키는 것이 바람직할 것이다.

- 투자비는 열병합발전 방식에 따라 다소 차이는 있겠지만 기존설비의 일부변경을 고려하여 포함하면 약 14억원 정도가 소요될 것으로 예상 되며, 연간 에너지비용 절감액은 2억 2천 3백만원, 단순 투자회수기간은 약 6.3년으로 경제성이 약간 미흡한 것으로 분석되었으나, 전기사용요금이 저렴한 경부하 시간대에 열병합발전기의 운전을 지양할 경우 경제성은 5년이내로 단축될 것으로 판단된다. 또한 향후 년차적인 에너지가격 인상을 고려할 때 본 사업의 경제성은 보다 좋아질 것으로 예상된다

- 따라서 국가적인 측면에서 분산형 전원산업이 절실히 요구되고 있는 시점에서 볼 때 열병합 발전 설비 도입은 정부시책에 부응할 뿐만 아니라 OO병원의 운전경비를 절감시킬 수 있을 것이라 판단된다.

※ 본 보고서는 간이 경제성분석으로 투자비 회수기간, 발전량, 폐열회수량, 절감액 등은 제시된 기준에 따라 산출 된 것이며, 실적이 없는 기준 데이터는 타 병원에서 운전되고 있는 실적치를 기준으로 산출한 것이므로, 당 병원에 대한 세부적 데이타를 근거로 산정시 본 보고서 내용과 다를 수 있으므로 정밀 경제성 분석 검토가 필요함.

제 7 장 참고자료

1. 열병합발전 도입시 열부하 산정

가. 흡수식냉동기 필요열량 분석

본 병원에 적용되는 열병합발전시스템은 열수요가 매우 적은 하절기(6,7,8,9월)에 발전 배열을 흡수식냉동기에 이용해 발전부하율을 높이고 터보냉동기에 공급되는 전력을 대체하도록 하였다.

열병합발전기의 배열을 이용할 수 있는 200RT급 1중효용 흡수식냉동기 도입시 흡수식냉동기와 관련 냉수펌프, 냉각수펌프, 냉각탑의 신규설치가 필요하며, 1중효용 흡수식냉동기의 필요열량은 다음과 같다.

ㅇ 열병합발전 및 흡수식냉동기 효율

-  발전효율 : 33.96%

-  폐열이용효율 : 55.82%

-  흡수식냉동기 COP : 0.7

ㅇ 1중효용 흡수식냉동기 열원 : 700KW급×1대 가스엔진 발전배열

= 700(kW) ÷ 33.96% × 55.82% × 860(kcal/kWh)

≒ 1,150,000 kcal/h

ㅇ 신규 200RT 1중효용 흡수식냉동기 필요열량

= 200(RT) × 3,024(kcal/RT) ÷ 0.7(COP)

= 864,000 kcal/h

나. 열병합발전 도입시 열부하

200RT급 1중효용 흡수식냉동기 도입하여 400RT 터보냉동기 냉방부하의 일부(기저부하)를 흡수식냉동기에 의해 담당도록 함으로써 열수요처가 없는 하절기의 발전부하율을 증가할 수 있다.

열병합발전 도입시 흡수식냉동기 열부하를 포함한 열부하 변동 및 누적곡선은 아래 그림과 같으며, 흡수식냉동기가 기저부하를 담당하게 되므로 냉방기간인 6,7,8,9월에 864Mcal/h의 열부하가 증가되는 것으로 산정하였다.

2. 발전부하율 산정

열병합발전도입시의 경제성은 발전부하율과 배열이용율에 따라 달라지므로 발전부하율 산정은 매우 중요하다. 본 검토에서는 대부분의 전기부하가 발전용량을 상회하므로 열병합발전시스템 운전방식을 열부하 추종 방식으로 하여 검토하였다.

발전부하율을 산정시 주방과 소독기에 증기로 공급되는 열부하(150Mcal/h)를 제외한 연간 열부하에 해당하는 열부하에서만 발전하는 것으로 산정하였다.

아래 그림에서와 같이 연간 열부하를 분석하여 발전부하율을 산정한 결과 부하율이이 74.8%이며, 발전부하는 평균 524kW로 분석되었다.

※ 발전부하율 산정 결과

◦ 열병합발전 용량 : 전기 700kW / 열 1,150,000(kcal/h)

◦ 발전부하율 : 74.8% (평균 524kW)

◦ 발전배열이용율 : 100% (평균 860,000kcal/h)

150

발전부하율 74.8%

1,300

3. 에너지 절감량 산출내역

가. 에너지절감량 산출 총괄

구 분		기존설비시스템	열병합발전시스템	비 고
전력사용량 (kWh)	한국전력	8,460,204	3,625,938	기존 수전량의 57.1%를 발전 및 흡수식냉동기에 의해 분담
	열병합발전	-	4,260,409
	흡수식냉동기 절감전력	-	573,857
	계	8,460,204	8,460,204
전력비 (천원)	한국전력	728,808	337,690
연료사용량 (Nm3)	열병합발전	-	1,130,925
	보조보일러	829,600	270,757
	계	829,600	1,401,682
연료비 (천원)	열병합발전	-	431,087
	보조보일러	390,592	127,478
	계	390,592	558,565
종합에너지비 (천원)		1,119,400	896,255	▽ 223,145
폐열회수량	LNG(N㎥)		863,145
	TOE		906.3

나. 열병합발전기 전력생산에 따른 한전요금부과액

구 분			1월	2월	3월	4월	5월	6월	7월	8월	9월	10월	11월	12월	합 계
전력 사용 량	사업전	한전전력 (kWh)	619,164	556,008	610,992	612,336	616,440	730,464	852,888	992,808	819,312	740,088	629,136	680,568	8,460,204
	사업후	발전전력 (kWh)	462,325	407,977	370,823	256,462	115,707	397,703	467,709	469,834	462,032	125,903	267,940	455,994	4,260,409
		흡식냉동기 절감전력 (kWh)	0	0	0	0	0	130,203	149,492	149,492	144,670	0	0	0	573,857
		한전전력 (kWh)	156,839	148,031	240,169	355,874	500,733	202,558	235,687	373,482	212,610	614,185	361,196	224,574	3,625,938
Peak 전력	사업전 Peak (kW)		1,233	1,140	1,128	1,166	1,601	1,889	2,042	2,220	2,227	1,721	1,262	1,310
	사업후 Peak (kW)		545	460	576	770	1,429	1,075	1,213	1,389	1,385	1,534	849	631
한전 전력 단가	기본요금단가 (원/kW)		6,130	6,130	6,130	6,130	6,130	6,130	6,130	6,130	6,130	6,130	6,130	6,130
	사용량요금단가 (원/kW)		63.85	62.75	62.92	58.78	58.40	60.25	88.09	85.66	60.93	55.00	65.06	65.21
한전 전력 요금	사업전	기본요금 (천원)	13,652	13,652	13,652	13,652	13,652	13,652	13,652	13,652	13,652	13,652	13,652	13,652	163,824
		사용량요금 (천원)	39,534	34,890	38,444	35,993	36,000	44,010	75,131	85,044	49,921	40,705	40,932	44,380	564,984
		전력요금 계 (천원)	53,186	48,542	52,096	49,645	49,652	57,662	88,783	98,696	63,573	54,357	54,584	58,032	728,808
	사업후	기본요금 (천원)	8,512	8,512	8,512	8,512	8,759	8,512	8,512	8,512	8,512	9,401	8,512	8,512	103,280
		사용량요금 (천원)	10,014	9,289	15,111	20,918	29,243	12,204	20,762	31,992	12,954	33,780	23,499	14,644	234,410
		전력요금 계 (천원)	18,526	17,801	23,623	29,430	38,002	20,716	29,274	40,504	21,466	43,181	32,011	23,156	337,690

다. 에너지절감량 산출 종합

구 분			1월	2월	3월	4월	5월	6월	7월	8월	9월	10월	11월	12월	합 계
사업전	전력	한전 수전량 (kWh)	619,164	556,008	610,992	612,336	616,440	730,464	852,888	992,808	819,312	740,088	629,136	680,568	8,460,204
		사용금액 (천원)	53,186	48,542	52,096	49,645	49,652	57,662	88,783	98,696	63,573	54,357	54,584	58,032	728,808
	보일러	연료사용량 (N㎥)	130,830	116,903	99,445	71,050	39,716	26,852	30,896	29,845	32,916	42,003	73,704	135,440	829,600
		사용열량 (Mcal)	1,060,900	947,966	806,400	576,144	322,057	217,743	250,536	242,013	266,916	340,602	597,666	1,098,283	6,727,226
		사용금액 (천원)	61,597	55,040	46,821	33,452	18,699	12,642	14,546	14,052	15,498	19,776	34,701	63,768	390,592
	총 에너지 사용금액 (천원)		114,783	103,582	98,917	83,097	68,351	70,304	103,329	112,748	79,071	74,133	89,285	121,800	1,119,400
사업후	전력	발전량 (kWh)	462,325	407,977	370,823	256,462	115,707	397,703	467,709	469,834	462,032	125,903	267,940	455,994	4,260,409
		흡식냉동기 절감전력(kWh)	0	0	0	0	0	130,203	149,492	149,492	144,670	0	0	0	573,857
		한전 수전량 (kWh)	156,839	148,031	240,169	355,874	500,733	202,558	235,687	373,482	212,610	614,185	361,196	224,574	3,625,938
		사용금액 (천원)	18,526	17,801	23,623	29,430	38,002	20,716	29,274	40,504	21,466	43,181	32,011	23,156	337,690
	열병합	폐열회수량 (Mcal)	759,534	670,248	609,210	421,330	190,090	653,369	768,378	771,870	759,052	206,841	440,187	749,134	6,999,243
		연료사용량 (N㎥)	122,724	108,297	98,435	68,078	30,714	105,570	124,153	124,717	122,646	33,421	71,125	121,044	1,130,925
		사용금액 (천원)	51,151	45,138	41,028	25,462	10,597	36,423	42,834	43,029	45,872	12,500	26,602	50,451	431,087
	보일러	생산열량 (Mcal)	301,366	277,718	197,190	154,814	131,967	124,246	124,973	112,960	129,944	133,762	157,479	349,149	2,195,568
		연료사용량 (N㎥)	37,164	34,248	24,317	19,092	16,274	15,322	15,412	13,930	16,025	16,495	19,420	43,057	270,757
		사용금액 (천원)	17,498	16,125	11,449	8,989	7,662	7,214	7,256	6,559	7,545	7,766	9,143	20,272	127,478
	총 에너지 사용금액 (천원)		87,175	79,064	76,100	63,881	56,261	64,353	79,364	90,091	74,883	63,447	67,756	93,879	896,255
에너지 절감금액 (천원)			27,608	24,518	22,817	19,216	12,090	5,952	23,965	22,656	4,188	10,685	21,529	27,921	223,145
폐열회수량 LNG 환산 (N㎥)			93,666	82,655	75,128	51,958	23,442	80,573	94,756	95,187	93,606	25,508	54,284	92,383	863,145

4. 사업전후 연료 및 전기 사용량

5. 산출기준

가. 전력요금 적용단가(일반용 을 고압A 선택Ⅱ)

< 일반용 을 전력요금표 >

구 분		기본요금 (원/kW)	전 력 량 요 금(원/kWh)
			시간대	여름철 (7~8월)	봄,가을철 (4~6,9월)	겨울철 (10~3월)
고압A	선택Ⅰ	5,330	경 부 하	41.30	41.30	41.30
			중간부하	86.20	64.20	73.20
			최대부하	148.10	86.20	101.40
	선택Ⅱ	6,130	경 부 하	37.20	37.20	37.20
			중간부하	82.10	60.10	69.10
			최대부하	144.10	82.10	97.30
고압B	선택Ⅰ	5,330	경 부 하	40.10	40.10	40.10
			중간부하	83.40	62.20	70.80
			최대부하	143.00	83.40	97.90
	선택Ⅱ	6,130	경 부 하	36.00	36.00	36.00
			중간부하	79.30	58.10	66.70
			최대부하	138.90	79.30	93.80

나. 연료비 적용단가

대상 수요처에 대한 열병합 시스템 도입 검토시 적용한 가스요금은 아래의 표와 같다.

열병합발전용 요금은 현재 고시되어 있는 가격기준을 그대로 사용하였다.

- 사용연료 : LNG(LHV : 9,540Kcal/Nm3)

< LNG 요금(한국가스공사 부산지역 2004. 3월 요금단가적용) >

구 분	열병합발전시스템		보일러
연료단가 (원/Nm3,VAT제외)	동절기	416.80	470.82 (영업용, 난방용)
	하절기	345.01
	기타월	374.02

다. 보일러 효율적용

구 분	기존보일러	비 고
사용연료	LNG
적용효율	85%

라. 전기 및 열의 일부하 변동곡선 산정근거

1) 전기부하 변동곡선

OO병원의 수전일지를 샘플링하여 일일 시간대별로 패턴곡선을 작성하였고 실제 월별 전력사용량을 조사하여 이 Patten 곡선에 대입시켜 시간별 부하량을 구하였다.

일일 시간별 발전기 운전은 전력부하에 따라 수전전력과 계통연계 운전을 하는 것으로 하여 절감량 및 발전량을 계산하였음.

2) 열부하 변동곡선

OO병원의 보일러 운전일지에는 시간대별 연료 및 증기발생량을 기록하지 않는 관계로 지역난방을 공급받고 있는 서울 소재 모병원의 실제 열부하을 조사한 것을 OO병원의 실제 월별 연료사용량을 기준으로 합성하여 시간별 부하변동곡선을 작성하였다.

마. 열병합발전 시스템 도입 에너지절감 산출기준

1) 열병합발전 시스템 적용 효율

독일 MDE사의 모델 ME3042L1의 Technical data를 참고로 하여 가스엔진의 발전효율, 폐열이용효율을 계산하였음.(MDE사의 모델 ME3042L1의 Technical data 참고)

ㅇ 발전효율 : 33.96%

ㅇ 폐열이용효율 : 55.82%

< MDE사의 모델 ME3042L1의 Technical data >

2) 열병합발전기 발전량

= 발전용량 × 월별 발전부하율(평균 93.5%) × 월별 가동일수 × 24h/일

※ 월별 가동일수 : - 7,8,9월을 제외한 월 : (월별 일수 - 3일) 적용

- 7,8,9월 : 월별 일수 적용

3) 한전수전량 : 사업전사용량 - 발전기발전량

4) 전력사용금액계산

- 기본요금 단가 : 6,130원/kW

- 사용량 요금단가 : 전년도 월별 평균 사용량요금 단가 적용

- 기본요금 산정 : 당월 포함한 직전 12개월 중 7,8,9월 및 당월중의 최대 Peak를 요금적용 Peak로 하여 기본요금산정.

- 사용량요금 산정 : 전력사용량 × 평균 단가

5) 발전기연료사용량

= [{월전력생산량(kWh) ÷ 발전기전기효율(%)} × 860Kcal/kWh] ÷ 9,540Kcal/Nm3

6) 발전기 폐열발생량

= {발전기연료사용량(Nm3) × 발전기열효율(%)} × 9,540Kcal/Nm3

7) 보일러연료사용량

= 보일러 생산열량(Mcal)/(연료발열량×보일러효율)