야마구치현(山口縣) 우베시(宇部市)에 있는 우베코산(宇部興産) 주력 공장지대의 자가발전소인 우베코산 발전소에서는 「CO₂ 배출량 20% 절감(1990년도 대비)을 달성한다」는 전사 방침 아래 에너지원단위의 연율 1% 개선을 목표로 에너지 절감 활동을 실시하고 있다. 그러나 에너지 절감 개선에 진력을 다해 한계점에 다다른 상태이며, 또 발전설비의 플랜트 효율은 설비 도입 시의 설비구성으로 대부분 결정돼버리는 면이 있기 때문에 일반적으로 발전소 단독에서의 1% 원단위 개선을 달성하는 것은 매우 어렵다고 전해지고 있다. 그리하여 발전소 단독에서의 개선구조에 얽매이지 않는 새로운 에너지 절감 안건의 발굴 필요성이 높아지고 있다. 본고에서는 2010년도에 발전소와 인접한 우베 시멘트 공장의 폐열을 발전설비의 열원으로 회수하여 전기로서 유효이용한 에너지 절감 사례를 소개한다.
사업장 개요우베코산 발전소는 1982년에 우베(宇部) 지구의 주력 발전장치인 145MW 설비의 운전개시와 함께 창설되었다. 그 후 각 공장의 자체적으로 운전되고 있던 발전설비들을 통합하고 규모를 확장해나가 2004년도에 IPP(216MW) 설비가 운전 개시되면서 현재에 이르고 있다. 업무 내용은 자가발전으로 우베 지구 사업소 및 그룹회사에 전기 및 증기를 저렴하고 안정적으로 공급하는 것, 그리고 IPP로서 주고쿠전력 주식회사에 전기를 안정적으로 공급하는 것이다. [표 1]에 우베코산 발전소의 설비 일람을 나타냈다. 보일러 3대, 터빈 5대를 보유하고 있으며, 총 인가출력은 443.8MW이다. 이번 에너지 절감 사례와 관련한 발전설비는 4호 장치(30MW 설비)와 5호 장치(145MW)이다.
에너지 절약 실시 배경시멘트 공장에서의 폐열의 존재시멘트 공장의 제조 과정을 [그림 1]에 나타냈다. 석탄석, 점토 등을 혼합한 시멘트 원료는 NSP(New Suspension Preheater: 새로운 서스펜션 예열기) 타워의 상부에 공급되어 예열 후 로터리 킬른 내에서 1450℃ 이상의 고온으로 소성(燒成)돼 클링커(clinker)가 된다. 이 클링커는 클링커 쿨러(이하 AQC: air quenching cooler)에서 쿨러팬으로부터 들어오는 공기(대기)에 의해 급랭되어 클링커 사일로에 저장된다. AQC에서 클링커를 냉각하고 가열된 공기 중 고온부는 가소로(假燒爐) 및 로터리 킬른에서 연료의 연소용 공기로 이용된다. 그러나 저온부는 약 280℃의 AQC 배기가스(저온폐열)로 대기에 방출되어 미이용 상태였다.
능력에 여유를 준 발전설비 보유4호 30MW 설비는 중유 전소 보일러로 도입되었지만, 석탄 전소(미분탄 분소) 개조에 의해 보일러 증발량이 감소했다는 경위가 있다.(250 → 140ton/h) 이에 따라 5호 145MW 보일러에서 주증기의 공급을 받으면서 20MW 정도의 부분부하로 발전하고, 증기터빈·발전기 능력에 약 10MW의 여유를 가진 운전을 실시하여 증기원만 있으면 발전을 증가시킬 수 있었다.
에너지 절감 내용
에너지 절감 시스템
에너지 절감 시스템의 설명 흐름을 [그림 5]에 나타냈다. 또 이하의 설명문에 대한 항목번호는 그림 안의 숫자와 대응시켰다.
① 87ton/h, 34.5℃의 터빈 복수를 시멘트 공장으로 보내 158℃까지 가열함으로써 45GJ/h의 폐열회수를 실시한다.
② 기설 LPH에 공급하는 터빈 복수량이 감소한다.(-87ton/h)
③ 증기터빈에서 No.1~3의 LPH로 공급되고 있는제4~6의 터빈 추기를 절감한다.
④ 절감된 터빈 추기는 145MW 증기터빈에서 발전에 이용할 수 있게 된다.
⑤ 145MW 설비에서의 발전량을 증가시키는 것이 아닌, 145MW 증기터빈에 공급하는 주증기량을 감소시켜 그 저감분을 30MW 증기터빈으로 보낸다.
⑥ 30MW 증기터빈에서는 2.1MW의 발전량이 증가한다.
이상, 2.1MW의 발전량 증가는 45GJ/h의 폐열회수에 의한 효과이며, 보일러 연료(석탄)의 사용량은 일정하기 때문에 발전 원단위를 개선할 수 있다.
다음으로 열회수 수량(水量)으로부터 터빈 추기 절감량 및 증가 발전량의 산정 방법을 [그림 6]에 나타냈다. No.1 LPH에서의 절감 추기량은 [그림 6]의 오른쪽 아래 식으로 계산한다. 설계 복수량에 대한 열회수 수량 비율의 설계 추기량이 절감 추기량이 된다. 절감 추기량에서 증가 발전량을 산정하기 위해서는 [그림 6]에서 왼쪽 위의 식을 사용한다. 그 밖의 나머지 LPH에 대해서도 동일한 계산을 실시하여 각각의 추기 절감에 따른 발전량을 합계하면 2.1MW 발전량 증가의 에너지 절감 효과를 산정할 수 있다.
에너지 절감 효과운전 실적[그림 7]에 2010년 6월 23일(운전 개시)부터 2012년 3월 말까지의 운전 실적 추이를 나타냈다. 터빈 복수 입구온도의 연간 평균온도는 34.5℃이지만, 열회수량은 여름철이 낮고, 겨울철이 높게 나타나 계절에 따라 증감하는 경향이 있다. 제어성은 양호했으며, AQC 배기가스의 온도 변동이 크지만 폐열회수 열교환기에 도입하는 배기가스 유량 조정 등에 의해 복수의 온도 변동을 억제할 수 있었다. 2011년 9월부터의 열회수량 저하는 폐열회수 열교환기의 전열관 외면의 오염물에 의한 것으로 정기수리공사 시마다 전열관 청소를 실시함으로써 대응 가능하다. (5월, 11월은 시멘트 공장의 정기수리공사 때문에 열회수 설비를 정지시킴)
에너지 절감 효과
2010년도와 2011년도의 에너지 절감 효과를 [표 3]에 나타냈다.
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