2.3 증분비 곡선 개선 방안
EMS의 경제급전 증분비 곡선에서 사용하는 GT의 두 좌표를 A(GX1,GY1), B(GX2,GY2)라 하고 ST의 두 좌표를 A'(SX1,SY1), B'(SX2,SY2) 라고 한다.
GT의 두 좌표 A,B를 지나는 직선을 방정식(증분비 곡선)을 구한다. GT가 PGT 만큼 출력을 내고 있을 때의 증분비 곡선은
이다.
A 좌표는 GT의 무부하 비용에 대한 증분비를 나타내므로 A(0,GT1)이 되어 GT의 증분비 곡선은 다음과 같다.
PGT:GT출력, FGT(PGT) : GT가 PGT만큼 출력의 낼 때의 증분비
ST(CC 전체 조합 N:1) 의 두 좌표 A',B'를 지나는 직선을 방정식을 구한다.
A' 좌표는 CC의 무부하 비용에 대한 증분비를 나타내므로 A'(0,SY1이 되어 ST의 증분비 곡선은 다음과 같다.
식(8)에 GT B의 X 좌표인 GX2를 대입하여 CC 전체 조합의 증분비 곡선에 있는 새로운 두 번째 Y 좌표를 구한다. 두 점 A'(SX1,SY1), B"(GX2,FST(GX2)) 또한 ST(CC 전체 조합)의 증분비 곡선 (8) 위의 좌표다.
(8)에 의해
이다.
본 논문에서는 1:0과 N:1 복합발전기의 증분비 곡선을 발전기 특성 정보로 입력 받아 1:1~(N-1):1 부분 조합의 증분비 곡선을 계산한다.
아래 표 2는 N:1의 복합발전기에서 GT 일부가 꺼진 1:1~(N-1):1인 경우에 대해 X 좌표는 그대로 두고 Y 좌표를 계산한다. 결과적으로 (GX1,FST(GX1)), (GX2,FST(GX2))에서 GX1=0 이므로 ST의 증분비 곡선의 좌표는 같은 곡선위에서 (0,FST(0)), (GX2,FST(GX2))로 변경된다.
여러 구간을 고려한다면 A의 X 좌표 GX1을 0으로 놓지 않는다.
본 논문에서는 아래 표 2와 같이 N:1 복합발전기에서 GT 일부가 꺼진 CC 부분 조합에 대한 Y 좌표 계산식을 제안한다. 또한 부분 조합의 증분비 곡선 계산 후 발전기
출력 Pi로 적분하여 비용곡선을 계산할 수 있다. 식(1)에서 기동비용 c는 GT/ST 비율에 따라 계산할 수 있다.
표 2. GT/ST 증분비 곡선에 대한 좌표
Table 2. GT/ST IHR Curve Coordinate
좌표
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좌표 계산식
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Y1 좌표
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Y1,k:1:(k:1) 발전기의 첫 번째 Y 좌표
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Y2 좌표
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Y2,k:1:(k:1) 발전기의 두 번째 Y 좌표
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N: GT총 대수
k=1,2,...,(N-1), 기동 중인 GT 대수
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표 2의 계산식은 다음과 같은 전제 조건을 말한다(3).
- CC의 기울기가 GT의 기울기보다 클 수 없다. ⇒CC는 출력이 높아질수록 효율이 향상됨
- 정상 출력을 내고 있는 상황에서 GT의 증분비는 CC 보다 쌀 수 없다. ⇒CC는 정격 출력 시 효율이 최대
- 증분비 곡선은 단조 증가 함수이다.⇒ 출력을 높임에 따라 비용도 올라감
GT A의 X1 좌표 GX1(=0)에 대한 Y1 좌표(N:1 복합 발전기에서 주어진 조합별 Y1 좌표)는 표 2 계산식을 통해 아래와 같이 계산한다.
GT/ST가 1:1 조합인 경우(k=1)
GT/ST가 2:1 조합인 경우(k=2)
GT/ST가 (N-1):1 조합인 경우(k=N-1)
GT A의 X2 좌표 GX2에 대한 Y2 좌표(N:1 복합발전기에서 주어진 조합별 Y2 좌표)는 표 2 계산식을 통해 아래와 같이 계산한다.
GT/ST가 1:1 조합인 경우(k=1)
GT/ST가 2:1 조합인 경우(k=2)
GT/ST가 (N-1):1 조합인 경우(k=N-1)
N:1 복합발전기에서 1:1 조합의 두 좌표는 (0,Y1,1:1), (GX2,Y2,1:1)이고, N:1 복합발전기에서 (N-1):1 조합의 두 좌표는 (0,Y1,N-1:1), (GX2,Y2,N-1:1)이 된다.
(예제) 3:1 복합발전기에 대한 부분 조합 증분비 곡선 계산 (실제 EMS에서 사용하는 증분비 곡선, 경기지역 복합발전기, 주기적으로 변경됨)
좌표 (9)에서 GT 좌표는 GT 단독(1:0)의 증분비 곡선에 대한 좌표이고, ST는 CC 전체 조합(N:1)의 증분비 곡선에 대한 좌표이다.
그림. 1에서 가로축(X 축)은 발전기 출력을 나타내고 세로축(Y 축)은 증분비(BTU 당 비용)를 나타낸다. 또한, X 축의 발전기 출력 값을 비교하기 위해
X 값을 통일하여 그림. 2와 같이 나타낸다.
그림. 1. GT(1:0)와 CC(3:1)의 증분비 곡선
Fig. 1. GT(1:0) and CC(3:1) IHR Curve
GT 단독(1:0)으로 운전할 때와 CC 전체 조합(3:1)로 운전할 때 비교를 하면 CC 전체 조합으로 운전할 경우 무부하 비용은 다소 높게 나타나고
기울기는 GT 단독일 때 보다 다소 완만함을 알 수 있다. 또한, CC 전체 조합(3:1)으로 운전할 때는 일정 시점(두 곡선의 교점)이 지나면 효율이
향상되어 GT 보다 비용이 낮아지는 것을 알 수 있다. GT 단독과 CC 전체 조합의 증분비 곡선을 비교하기 위해 다음과 같이 X 좌표를 통일하여
같은 곡선 위의 좌표 (9)를 좌표 (10)으로 변경한다. (붉은 색 점선)
그림. 2는 식(10)의 좌표를 증분비 곡선으로 표현한 그림이다.
그림. 2. GT와 CC의 증분비 곡선
Fig. 2. GT and CC IHR Curve
그림. 2는 그림. 1에서 비교를 위해 CC의 X 좌표를 동일하게 한 후 식(10)을 적용하여 Y 좌표를 계산한다.
3:1 발전기이므로 GT가 일부 꺼진 1:1, 2:1 조합별 Y1, Y2 좌표를 표 2의 계산식에 의해 계산한다.
- GT/ST가 1:1 조합인 경우,
- GT/ST가 1:1 조합인 경우,
- GT/ST가 2:1 조합인 경우,
- GT/ST가 2:1 조합인 경우,
1:1 조합의 증분비 곡선 좌표는 (0, 1.7182), (120, 2.1712)
2:1 조합의 증분비 곡선 좌표는 (0, 1.7417), (120, 2.0171)
2:1 조합이 1:1 조합 보다 기울기가 완만하고 기동비용은 다소 비싼 것을 알 수 있다.
그림. 3은 3:1 복합발전기에 대해 GT(1:0)인 경우와 CC(3:1)인 경우만을 이용해 1:1과 2:1 조합에 대한 합리적인 증분비 곡선을 계산하였다.(파란색)
또한 무부하 비용(X 좌표의 값이 0)은 3:1 조합인 경우 가장 비싸고 1:0(GT 단독)인 경우 가장 싼 것을 알 수 있다.
그림. 3. 복합발전기의 GT/ST 조합별 증분비 곡선
Fig. 3. IHR Curve of CC by GT/ST Combination
결과적으로 복합발전기 증분비 곡선은 1차식이므로 GT/ST 부분 조합에 대해서도 선형적으로 나타낼 수 있다. 모든 조합은 1:0과 3:1의 증분비
곡선의 교점 P를 지나고 기울기도 1:0과 3:1 증분비 곡선 기울기 사이에 있다.
복합발전기에서 GT 일부가 꺼진 CC 부분 조합의 증분비 곡선이 합리적으로 계산되었다.
본 논문을 통해 GT/ST의 모든 부분 조합을 고려하여 성능 시험을 하지 않고, GT 단독(1:0)과 CC 전체 조합(N:1)인 경우만을 통해 모든
부분 조합에 대한 증분비 곡선을 합리적으로 계산할 수 있게 되었다. 운영 중인 복합발전기의 GT는 대부분 동일한 특성가지고 선형적으로 나타낼 수 있으므로
그림. 3에서와 같이 GT 비율을 반영했을 때 하나의 교점 P를 지나게 된다.