A Study on the Optimization of Power Supply Equipment for Plate Mill Plant in Steelworks

제철소 후판공장 전원공급설비의 용량 최적화에 관한 연구

Abstract

In this paper, we suggest an optimization method which can save about 5[%] of the cost though the optimizing of configuration and capacity for the facility. To achieve this goal, we compared the design data of the power, motor and drive system with the actual operation data of the plate mill plant in K-Steelworks. Therefore we measured the actual loading data by facilities considering the operating conditions of the plate mill plant in K-Steelworks, after that analyzed these data. In addition, we review the optimal capacity for transformer, switchgear and drive, and also reconfigured the electrical room and power single line diagram through the validation of motor data by equipment and the confirmation of process data considering the load characteristics. Consequently, the optimization method of capacity for the facilities shall have effectiveness in building new plate mill plant to further reduce costs at future.

1. 서 론

기존 제철소 후판공장 EIC(Electrical/Instrument and Control/Computation) 설비 중 차단기 및 변압기 등 전원공급설비(Power Supply Equipment) 및 가열로/전단/정정설비의 전원구동설비(Power/Drive System)의 용량은 기계 데이터에 의한 부하 계산 및 기존의 기준 값(Reference Value) 비교 등을 통하여 선정하여 적용하고 있다[1-4]. 그러나, 최근 자력 엔지니어링(Engineering)에 대한 검증 및 공장 규모에 따른 설비별 용량설계 기준 정립의 필요성이 대두되고 있으며, 이러한 설비용량 최적화를 통한 원가 절감 및 수주 경쟁력 확보가 필요한 실정이다. 구체적으로 2005년 준공된 A제철소 2 후판공장의 수·배전설비는 A건설에서 엔지니어링, 제작, 공급 및 시운전을 수행하였으나 단순히 기존 설비를 참조하였으며, 전원구동설비는 A건설에서 기술적 설계 (Technical Design)를 하고, Siemens에서 기본 설계와 시운전을 수행하였다. 또한, 2010년 준공된 K-제철소와 현재 진행 중인 인도네시아 후판공장 수·배전설비의 경우에도 A제철소 후판공장을 모델로 하였으며, 전원구동설비는 A건설에서 기술적 설계와 기본 설계 및 시운전을 수행하였다. 그러나, 실제 설비용량 대비 적은 부하로 운전되는 경우가 발생하고 있으며, 전원공급설비 중 고압전원 단상라인(Power Single Line Diagram)은 유사설비 및 운전/제어방안에 따른 부하 재 그룹(Grouping)으로 설비물량의 축소가 가능하고 변압기 및 전원구동설비는 설계 데이터와 실제 운전 데이터와의 검증이 이루어지지 않았으며 설계계산식 및 경험 데이 터와의 부적합, 운전 중 Process 데이터 변경 등으로 이에 따른 실제 여유용량이 많은 설비가 있는 것으로 판단된다. 또한, EIC 설비 중 전원공급설비 및 전원구동설비가 차지하는 비율이 50[%] 이상으로 이러한 설비의 사양을 최적화하는 경우 원가절감의 효과가 클 것으로 사료된다.

따라서 본 논문에서는 먼저 현재까지의 제철소 후판공장 전원공급설비 및 전원구동설비의 데이터를 수집하고 과용량 잠재원인을 분석한다. 다음으로 이러한 데이터 수집과 과용 량 원인 분석을 바탕으로 최적용량을 선정하고 선정된 최적용량의 경제성을 검토한다. 이를 위하여 먼저 데이터 검증이 가능한 K-제철소 후판공장 전원공급설비 및 전원구동설비의 설계 데이터와 실제 운전 데이터를 비교하여 설비 구성 및 용량 최적화를 통하여 수량 및 용량에 있어서 약 5[%]의 물량 절감 목표치를 선정한다. 또한 K-제철소 후판공장 운전상황 및 각 설비별 실제 부하를 측정하고, 운전상황 및 설비용량에 대한 최적부하를 검토 및 분석하여 수·배전설비 구성의 최적화, 변압기 및 구동설비 용량의 최적화, 전동기(Motor) 데이터 검증 및 Process 데이터 확인 등을 통하여 부하특성에 따른 설비의 최적용량을 검토한다.

 

2. 데이터 수집 및 과용량 원인 분석

2.1 데이터 수집

최적용량 선정을 위한 데이터 수집은 수·배전설비, 변압기를 사용부하의 측정 및 전원구동(Power/Drive)부하 데이터 확보로 이루어진다. 먼저 수·배전설비는 K제철소 후판공장 수·배전설비와 벤치마킹(Bench Marking) 자료로 활용하기 위하여 최근에 준공된 H제철 1, 2후판공장 및 B지역 후판공장의 수·배전설비의 구성을 비교하였다. 다음으로 변압기 사용부하 측정은 K-제철소 후판공장의 변압기 설비용량에 따른 가동조건을 고려하여 사용부하를 측정하고 설비용량과 부하용량의 차이를 확인하였다. 마지막으로 전원구동 부하 데이터의 확보는 K-제철소 후판공장 전원구동 설비용량에 따른 Process 데이터 및 운전방안 변경에 따른 변경 부하용량의 차이를 확인하였다. 데이터 수집 결과 K-제철소 후판공장의 고압 차단기 대수는 103개이었으며, 변압기 용량은 134,550[kVA], C/B(Cooling Bed) 전원구동용량은 11,415 [kW]이었다.

설계 데이터와 실제 운전 데이터를 비교 분석한 결과 K-제철소 후판공장 수·배전설비의 경우 그림 1(a)와 같이 고조파를 제거하고 역률을 개선하기 위하여 6.6[kV] 모선에 5, 7, 11 고조파용 필터 설비가 각각 설치되어 3개의 고압반 피더(Feeder)가 필요하였으나, 벤치마킹 자료로 활용한 H제철 후판공장의 경우에는 그림 1(b)와 같이 역률 개선을 위하여 6.6[kV] 모선에 진상용 콘덴서가 설치되어 1개의 고압반 피더로 구성되어 있음을 알 수 있었다. 따라서, 1개의 피더로 역률보상설비를 구성할 수 있는지에 대한 상세 검토가 필요하며, 이를 통하여 역률보상설비 및 고압반 4면의 감소 요인이 발생할 것으로 예상되었다. 또한, 그림 2와 같이 NO.2 C/B 전기실과 Shear 전기실을 통합할 경우 각 전기실에서 나가던 피더를 하나의 통합된 전기실에서 구성하기 때문에 인입(Incoming) 차단기 및 보조전원피더(Auxiliary Power Feeder)의 감소요인이 발생할 것으로 예상되었다.

그림 1전력품질 설비 Fig. 1 Power quality equipment

그림 2전기실 재구성 Fig. 2 Reconfiguration of the electrical room

다음으로 변압기의 용량을 결정하는 경우, 최초 설계 시 최대수요전력에 따른 수용률, 부등률 등을 도출하여 변압기 용량을 선정하는 것이 타당하나, 현재 운영 중인 공장의 경우는 최적 변압기 용량 선정에 있어서 이의 보완 개념으로 운영 중인 변압기의 부하율을 측정하여 설비 용량에 있어서 얼마나 여유 율을 가지고 있으며 이러한 여유용량을 어떻게 활용하느냐에 따라서 변압기의 효율적인 활용이 가능하고 설비용량을 줄일 수 있다. 따라서 발주처에서 적정 부하율을 피크부하 시 100[%]에서 부하율 60[%]로 적용할 것을 권고하고 있기 때문에 부하율을 60[%]로 선정하고, 설비용량에 대하여 현재 사용하는 부하 데이터를 비교 분석한 결과 표 1과 같이 변압기 용량산정 시 절감 가능한 여유용량이 존재하고 변압기의 용량 감소가 가능한 부하개소를 선정할 수 있었다.

표 1변압기 설비용량에 대한 사용부하 데이터 Table 1 Actual loading data of transformer against transformer design capacity

마지막으로 Process 데이터 변경 적용에 따른 전원구동(Power/Drive) 용량의 적정성을 검토한 결과, 그림 3과 같이 C/B Walking Beam Motor Line 속도의 경우 발주자의 요청으로 30[mpm]으로 설계 되었으나 운전 중 설비 불안정으로 15[mpm]으로 변경하여 사용하고 있었으며, 15[mpm]으로 운전 시에도 목표생산량 달성을 위한 정상 운전 및 조업이 가능함을 알 수 있었다.

그림 3C/B Walking Beam Motor Line 속도 Fig. 3 C/B Walking beam motor line speed

2.2 과용량 원인 분석

현재까지의 제철소 후판공장 전원공급설비 및 전원구동설비의 용량 선정은 설비 Process 데이터 확정 이후 전동기 및 부하용량을 선정하며, 수용률과 부하율을 고려하여 차단기 및 변압기 용량을 선정한 후 전장품 구매와 공사설계가 이루어졌다[5-7]. 즉, 발주처의 운전/정비담당자에 대한 편의성 확보와 향후 부하가 증대될 것을 감안하여 여유 있는 설비 용량을 확보하려 하며, 경제성 있는 설계요소(Factor)를 도출하고 검증하는데 다소 시간이 걸리기 때문에 최초 후판공장 건설시 빠른 건설을 위하여 기존공장의 설계요소를 복사(Copy) 하는 형태로 경제성 있는 설비용량을 도출하지 못하였다. 따라서, 실제 운전 데이터를 바탕으로 전원용량 선정이 최적화 되지 못하였으며, 이러한 과용량의 잠재원인은 표 2와 같이 발주자의 요청, 전기 및 기계적 원인에 의한 것이다.

표 2잠재원인 변수 도출 Table 2 Potential source parameters

이러한 잠재원인 변수에 우선순위를 두어 분석한 결과 과용량의 주요원인은 사양선정 시 상향 선정 경향, 엔지니어링과정(Engineering Process)의 체계성 부족, 설계를 위한 기본 데이터의 과대요구 및 엔지니어링 데이터의 신뢰성 미흡에 의한 것이며 세부적인 원인은 다음과 같다.사양선정 시 상향 선정 경향 - 안전율의 과대 적용 - 발주자의 설비 사양 상향 요구엔지니어링 과정의 체계성 미흡 - 설비 정상화 이후 설계 데이터 미확인설계를 위한 기본 데이터의 과대요구 - C/B Line 속도상승에 따른 설비 불안정을 유발하는 것과 같은 발주자의 운전경험에 따른 과대설비 요구 - 5, 7, 11 고조파를 제거하기 위한 전력설비 품질 향상 을 위한 과대 요구엔지니어링 데이터의 신뢰성 미흡 - 기존공장의 엔지니어링 복사에 의한 수·배전설비 구성이 최적화 되어 있지 않음 - 설계요소의 과대 적용으로 설비용량 대비 사용부하간의 차이 발생 - 설비 정상화 이후 설계 데이터 미확인

따라서, 과용량의 주요원인 중 사양선정 시 상향 선정 경향은 설계 기본 데이터의 과대요구 및 엔지니어링 데이터의 신뢰성 미흡 항목에 포함시킬 수 있으며, 엔지니어링 과정의 체계성 미흡은 엔지니어링 데이터의 신뢰성 미흡 항목에 포함시킬 수 있다. 따라서 최종적으로 최적용량 선정을 위한 과용량의 주요원인은 설계 기본 데이터 과대요구와 엔지니어링 데이터의 신뢰성 미흡에 의한 것으로 분석할 수 있으며, 이러한 원인 분석을 바탕으로 최적용량을 선정한다.

 

3. 최적용량 선정 및 경제성 검토

데이터 수집 및 과 용량의 원인 분석을 바탕으로 5[%]의 원가를 절감하기 위하여 각각의 가중치를 고압차단기 대수는 0.1, 변압기 용량은 0.3, 전원구동용량(Power/Drive)은 0.6으로 선정하면 고압차단기 대수의 경우 기존 103개에서 98개로, 변압기 용량의 경우에는 기존 134,550[kVA]에서 127,820[kVA]로, 마지막으로 전원구동용량은 11,415[kW]에서 10,844[kW]로 저감 목표치를 선정할 수 있다.

이러한 목표치를 달성하기 위한 최적용량 선정방법은 다음과 같다. 먼저 설계 기본 데이터 과대요구 중 발주자의 운전경험에 따른 과대설비 요구는 Process 데이터 변경적용에 따른 Drive 용량의 적정성을 검토한 결과, 계약 사양서 내용과 설계내용의 불일치로 확인되어 최적화 대상에서 제외하였으며, 전력설비 품질 향상을 위한 과대 요구는 타사 후판공장과 K-제철소 후판공장 수·배전설비의 검토를 통하여 최적안을 수립하였다. 다음으로 엔지니어링 데이터의 신뢰성 미흡 중 수·배전설비 구성이 최적화 되지 못한 것은 전기실 재구성에 따른 피더 최적화를 수립하였으며, 설비용량 대비 사용부하 간의 차이 발생 및 설비 정상화 이후 설계 데이터 미확인은 K-제철소 후판공장 전력사용량의 설계용량에 대한 실제 데이터를 분석하여 최적화를 수립하였다.

이를 위하여 먼저 전력품질 설비 최적화의 경우 K-제철소 후판공장은 표 3과 같이 고조파를 제거하고 역률을 개선하기 위하여 6.6[kV] 모선에 고조파 필터를 설치하였으나, 타사 후판공장은 표 4와 같이 역률을 개선하기 위하여 6.6[kV] 모선에 진상용 콘덴서를 설치한 것을 알 수 있다. 즉 표 4의 타사 후판공장은 고조파 및 역률개선 설비를 수· 배전설비 구성 시 계획만 하고 실제 운전을 통하여 고조파 및 역률 데이터를 측정, 고조파 필터 설비를 설치하지 않고 역률개선 설비만 반영하여 IEEE Std.519-1992의 고조파 전압, 전류 왜형률 규정치를 만족시키도록 구성한 예로서 투자비 측면에서 최적화된 설비 임을 알 수 있다[8]. 따라서 6.6[kV] 각 Group Line의 5, 7, 11 고조파 필터 설비를 제외하는 대신 역률개선용 콘덴서를 각 Group Line에 반영함으로써 고압차단기 피더를 9 세트에서 3 세트로 절감할 수 있었다.

표 3K-제철소 후판공장 Table 3 Plate mill plant in K-Steelworks

표 4타사 후판공장 Table 4 Plate mill plant in other steelworks

다음으로 전기실 재구성에 따른 피더 최적화를 위해서 그림 4와 같이 C/B 2전기실과 Shear 전기실을 통합하여 VCB 2개와 GPT 1개를 절감할 수 있었다.

그림 4전기실 재구성에 따른 Feeder 최적화 Fig. 4 Feeder optimization through reconfiguration of the electrical room

전력사용량 실적 분석 및 재설계를 통한 변압기 용량 최적화는 인버터 부하와 일반부하로 나누어지며, 2013년경 공장가동상황이 계획대비 108[%] 정도일 때 K-제철소 후판공장의 인버터 부하와 일반 부하를 측정한 결과는 표 5 및 6과 같다.

표 5인버터 부하 Table 5 Inverter load

표 6일반 부하 Table 6 General load

먼저 인버터 부하의 경우 표 5와 같이 각 변압기의 평균부하가 변압기 설비용량 대비 약 10[%] 이하로 현저히 낮은 수준에서 운전되고 있어 공급설비는 과용량으로 판단된다. 따라서 변동이 심한 단속적 부하특성을 고려하여 적정부하율를 60[%]로 가정하고 재검토를 한 결과, 평균부하 이용률이 2배 이상 증가한 것을 알 수 있다. 또한, 피크부하는 150 [%], 60[sec]을 초과하는 경우도 있었지만 빈도수가 많지 않아 문제가 되지 않을 것으로 판단된다. 다음으로 일반 부하의 경우 표 6과 같이 각 변압기의 평균부하가 변압기 설비용량 대비 약 30∼50[%] 정도 현저히 낮은 수준에서 운전되고 있음을 알 수 있다. 따라서 변압기 적정부하율을 60[%]로 가정하고 각 변압기 군의 Process 및 요소를 재산성하여 변압기 용량을 재검토하였다.

이러한 최적용량 선정을 통한 설비비 절감 효과는 표 7 및 8과 같다. 먼저 수·배전설비 최적화를 통한 설비비 절감은 표 7와 같이 320,962,000원 정도이며, 변압기 용량 최적화를 통한 설비비 절감은 표 8와 같이 1,021,919,000원 정도이다.

표 7수·배전설비 최적화 Table 7 Optimization of power single line diagram

표 8변압기 용량 최적화 Table 8 Optimization of transformer capacity

 

4. 결 론

현재까지의 제철소 후판공장 EIC 설비 중 전원공급설비 및 전원구동설비의 용량은 기계 데이터에 의한 부하 계산 및 기존의 기준 값과의 비교 등을 통하여 선정 및 적용하였으나, 실제 설비용량에 대하여 적은 부하로 운전되는 경우가 있었다. 따라서 본 논문에서는 각 설비별 실 부하를 확인하여 해당 설비의 최적부하를 검토하고 향후 신규설비에 적용하여 원가절감에 기여하고자 하였다. 이를 위하여 기존의 경험자료 및 발주자의 요청 내용을 검증 없이 반영하던 방식에서 후판공장 전력계통 및 전원설비의 최적화를 통하여 설비비를 절감할 수 있었으며, 이러한 설비 최적용량의 선정방법을 향후 신규설비에 적용하면 원가의 절감이 가능할 것으로 사료된다.