Performance Analysis and Efficiency Optimization of Off-Gas Power Plants at Iron and Steel Works

Master본 연구의 의도는 글로벌 기후변화에 대응하기 위한 방안 중의 하나로 제철소에서 발생되는 부생가스를 이용하여 부생기력 발전소의 성능을 분석 및 최적화하고 제철소 내에서의 에너지 사용에 대한 효율성을 수치적으로 확인해 보고자 하였다. 또한, 경제성 분석을 통해 발전소의 운영 타당성을 검토해 보고 연료의 비용과 전력 생산 단가의 변화에 따라 내부 수익률에 있어서 어느 정도의 변동 폭을 가지는지 예측해 보았다. 본 논문에서는 부생기력 발전소의 성능을 분석하기 위한 전산 모델로 현재 인도네시아에서 상업 운전 중인 Krakatau Steel 내 100MW 부생기력 발전소의 열평형도와 기본 자료들을 바탕으로 한 시뮬레이션 모델을 사용하여 발전 출력 및 열소비율 등 주요 성능 지표들을 생성하였고, 보일러 출구 측 증기의 압력과 온도를 변화시켜 가면서 발전기의 출력과 플랜트의 효율 및 열소비율의 변화를 확인하였다. 아울러 성능 분석의 신뢰성을 높이기 위하여 전력생산량과 증기 및 연료의 열역학적 가치를 간략한 수식으로 계산하였고, 모델링에 의해 분석된 결과와 비교하여 어느 정도의 차이가 있는지 또한 어느 부분에서 그런 차이가 발생하는지에 대하여 확인해 보았다. 경제성 분석 기법으로는 순현재가치법, 내부수익률법, 할인된 회수기간법을 활용하여 부생기력 발전소가 어느 정도 경제성을 가지고 있는지 확인해 보고, 연료비용과 전력생산 단가에 따른 내부 수익률의 변동 폭을 예측 하고자 하였다. 결과에 의하면 100MW 부생기력 발전소의 최적화된 모델은 실제 구현 가능한 범위 내에서 103.2MW의 출력을 달성하였고, 이는 100MW 2기를 기준으로 하였을 때 투자비 400,437 백만 원, 할인율 5.5%를 기준으로 25년 시점에서의 순현재가치 294,327 백만 원, 내부수익률 12.3%에서 순현재가치 339,664 백만 원에 내부수익률 13.2%로 상승된 것이 예측 되었다. 수익률의 변동성에 대해서는 연료비용이 Gcal 당 27,000원인 경우 또는 전력 판매단가가 kWh 당 71.4원인 경우 내부 수익률이 3.1%까지 내려간 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 발전사업을 지속하기 위해서 투자비와 연료비용, 전력판매단가에 따른 투자 적정범위를 확실하게 검토하고, 탄소배출량을 기준치 이하로 절감할 수 있는 발전방식의 개발로 국내 및 국제사회에서도 화력 발전사업에 대한 금융지원을 받을 수 있도록 해야 할 것이다.The international community is exploring alternative sources of energy, according to governments, owing to concern about pollution and climate change caused by the use of fossil fuels. This research aims to seek ways to counter climate change, which has become a serious and important global issue these days. There are three ways that support the point of view presented in this study. First, optimize and analyze the performance of off-gas power plants making use of off-gas at an integrated steel mill. Second, thermodynamically calculate the energy efficiency. Finally, evaluate the economic feasibility of off-gas power plants and predict fluctuation of the internal rate of return depending on the fuel cost and system marginal price. In this thesis, a computational model of the subcritical steam cycle for 100 MW off-gas power plants was developed. The characteristics of the subcritical steam cycle were then analyzed by using this model. The subcritical steam cycle was simulated by analyzing the effects of pressure and temperature changes in the main and reheat steams. The measurement of performance and efficiency of the off-gas power plants could thus be performed using the simulation model. In addition, the value of the thermodynamics of the steam and the produced electric power were calculated to increase reliability. It was finally confirmed that the fluctuation of the fuel cost and unit cost of the electricity produced were as predicted. From the results of the investigation, the performance of the 100 MW off-gas power plants was determined to be optimized to 103.2 MW in the temperature design maximum. Moreover, the internal rate of return was predicted to be 13.2% at the optimized output of 103.2 MW, which was better than 12.3% for the 100 MW output when the capital expenditure was ￦400,437 million; the present annual discount rate was 5.5% based on 100 MW × 2 units. However, fluctuations in the fuel cost and the unit cost of electricity produced were always present. Therefore, engineers must consider the correlation of the internal rate of return and the fuel cost and the unit cost of the electricity produced as well as carbon dioxide emissions to garner financial support from the international community