한국남부발전(주)_복합화력 가시매연 저감 신기술 개발

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한국남부발전(주)_복합화력 가시매연 저감 신기술 개발

2005년 3월 31일 (목) 22:35:00 | 지면 발행 ( 2005년 2월호 - 전체 보기 )

복합화력 가시매연 저감 신기술 개발서론우리나라의 발전설비는 크게 원자력, 화력, 수력발전설비로 구성되어 있으며, 화력발전설비는 화석연료를 에너지원으로 이용하여 전기를 생산하는 방식으로 사용하는 연료에 따라 유연탄 및 무연탄을 사용하는 석탄화력 발전소, 중유 및 보일러 등유를 사용하는 유전소(油全燒) 발전소, 청정연료인 액화천연가스(LNG)를 주 연료로 사용하는 복합화력 발전소, 그리고 최근 우리나라에 도입하기 시작하여 사용 중인 오리멀젼 발전소 등으로 나누어진다.우리나라의 발전 설비용량은 1945년 약 200MW에서부터 시작해 1991년 약 21,000MW까지 경제성장과 더불어 꾸준히 증가하여 왔으며, 1991년 이후 급증하는 전력수요에 대응하기 위해 매년 300∼400만㎾ 상당의 발전설비를 지속적으로 건설하여 2003년 현재 약 54,700MW까지 급증했다.

1960∼70년대에는 황 함량이 3% 이상인 고황분의 국내 무연탄과 중유가 주 에너지원이었으나 1980년대 초부터 에너지 다변화 정책을 추진하여 황분이 비교적 낮은 수입 유연탄과 LNG를 사용하기 시작했으며, 1992년 이후 정부의 환경규제 강화, 전력수요의 급격한 증가 및 수도권 신도시 개발에 따른 에너지이용 합리화 정책에 의거 LNG를 연료로 사용하는 복합화력 발전소가 상당수 신설됐다.복합화력 발전이란 청정연료인 액화천연가스(LNG)를 연료로 사용, 가스터빈 발전기를 운전하여 1차 전력을 생산하고, 배열회수보일러(HRSG)에서 가스터빈을 운전하고 배출되는 배기가스 중의 여열을 회수, 증기를 생산하여 증기터빈 발전기를 운전함으로써 2차 전력을 생산하는 발전방식이다.지난 1991년, 우리나라의 복합화력 발전설비는 15기, 약 760MW에 불과하였으나 92년 한 해 동안 24기의 가스터빈 및 증기터빈이 준공되면서 복합화력 설비용량이 3,706MW로 약 5배 증가했으며, 그 이후로도 꾸준히 증가하여 2003년 현재 106기, 13,086MW의 설비용량으로 우리나라 전체 발전설비 용량의 약 24%를 점유하고 있는 중요한 발전설비이다.복합화력 발전 설비용량이 급증한 이유는 건설단가가 저렴하고 건설공기가 짧아 급격한 전력수요 증가에 신속히 대처할 수 있을 뿐 만 아니라 일일 기동정지가 용이하며 청정연료의 사용으로 환경문제에 대한 장점이 부각되어 수도권 지역의 대단위 아파트 단지 인근에 건설할 수 있기 때문이다. 이러한 이유로 복합화력 발전설비는 국내에서 뿐 만 아니라 해외에서도 급증하는 전력수요에 대응하여 선택이 용이한 발전설비로 인식되고 있다.그러나 청정연료인 LNG를 사용하는 복합화력 발전설비도 황산화물이나 먼지 등에 의한 환경오염문제는 없으나 공기 중의 질소가 연소과정에서 Thermal NOx로 생성되어 배출되는 질소산화물(NOx)은 여전히 문제가 되고 있다. 특히 가스터빈 기동·정지 시와 같은 저 부하 운전 시 배출되는 NO2는 가시매연(Yellow Plume)을 발생시켜 수도권 지역 발전소 주변지역 주민들에게 시각공해로 인한 민원을 유발하여 발전설비의 안정적 운영에 상당한 지장을 초래하고 있는 실정이다.따라서 본 연구에서는 복합화력 발전소 기동·정지 시 발생하는 가시매연을 저감할 수 있는 방안을 연구, 제시함으로써 복합화력 발전소 주변 지역주민의 민원예방은 물론 발전설비의 안정적 운영에 기여하고자 한다.

가시매연 발생 현황 및 문제점1. 가시매연 발생원인연료의 연소에 의해 발생되는 질소산화물(NOx)은 질소와 산소의 결합상태에 따라 NO, NO2, N2O, N2O4 등의 형태로 존재하며 배기가스 중의 NOx는 대부분 NO와 NO2이다. NO2는 NO보다 독성이 강하며, LNG를 연료로 사용하는 가스터빈의 경우 가시매연(Yellow Plume)을 발생시켜 시각적 공해를 유발한다. 질소산화물 발생경로에는 연료 중에 존재하는 질소성분의 산화에 의해 생성되는 Fuel NOx, 연료중의 탄화수소가 공기 중의 질소와 반응하여 생성되는 Prompt NOx, 공기 중의 질소가 고온영역에서 유리되어 생성되는 Thermal NOx 등이 있으며, 이들 중 Thermal NOx가 대부분을 차지한다.NO2는 아래와 같은 ‘HO2 mechanism’에 의해 생성된다고 알려져 있다.NO + HO2 → NO2 + OH여기에서 HO2 자유기는 다음과 같은 경로로 생성되며 HO2의 농도 증가에 따라 NO가 NO2로 전환되는 정도가 증가하게 된다. H + O2 + M → HO2 + M복합화력의 경우 연소초기 NO2 농도가 크게 증가하는 이유는 기동 시 불완전한 연소조건에 의해서 다량의 미연탄화수소분이 생성되고 연소용 공기와 화염과의 온도차에 의하여 NO가 NO2로 빠르게 산화되기 때문인 것으로 사료된다. NO2에 의해 생성되는 가시매연은 연소로에서부터 배출구까지의 체류시간이 길고 연돌의 직경이 클수록 심해지며, NO2 농도가 약 11∼15ppm 이상일 때부터 나타나기 시작하는 것으로 알려져 있다. 복합화력은 전력의 부하변동에 능동적으로 대처하기 위해 연소기의 기동 및 정지를 자주 반복하는데, 이때 주입되는 연료 및 운전조건 등이 급격히 변화하게 됨에 따라 불완전연소가 발생하여 가시매연이 발생하게 된다.2. 가시매연 발생 현황국내 복합화력 발전소의 경우 발전소에 따라 약간의 차이는 있지만 저 NOx 버너(Low NOx Burner)를 설치하지 않은 일산 및 평택 복합화력은 질소산화물을150ppm 이상 배출하는 반면, DLN 과 같은 저 NOx 버너를 설치한 신인천, 부산 및 서인천 복합화력 등은 수십 ppm의 질소산화물을 배출하고 있는 것으로 조사됐다. 그러나 가시매연은 발전소에 따라 차이는 있지만 기동·정지 시 저부하에서 모든 발전소에서 발생하고 있는 것으로 조사됐다. 〈표 2-1〉은 국내 복합화력 발전소의 가시매연 발생현황을 나타내고 있다. 복합화력 발전소 NOX 배출량은 정상운전 시에는 약 30ppm 으로 환경성이 아주 좋은 것으로 나타나고 있으나, 기동·정지 시에는 가시매연이 발생되어 발전소 인근 주민 및 환경단체로부터의 민원이 수시로 제기되고 있는 실정이다.최근에 준공된 부산복합의 경우 기기 제작사인 GE사 자료에 의하면 기동 시 NO2 배출농도가 20∼30ppm 정도로 가시매연 발생 예상농도 범위인 11∼15ppm을 초과하여 가시매연이 발생될 것으로 예측됐으며, 준공 후 실제 운전 시 기동초기 약 30∼80MW에서 가시매연이 발생되는 것을 확인할 수 있었다.

3. 가시매연 발생시 문제점 복합화력 발전소 기동·정지 시 배출되는 질소산화물은 배출허용기준보다 훨씬 낮은 농도로 배출되어 환경보전법상으로는 문제가 되지 않으나, 배기가스 중의 NO2에 의한 가시매연 발생으로 발전소 주변지역 주민들이 지속적으로 시각적 공해에 대한 민원을 제기하고 있어 발전설비의 안정적 운영에 지장을 초래하고 있다.따라서 발전소 주변지역 주민들의 민원을 예방하고 발전설비의 안정적 운영을 위해 복합화력 발전소의 가시매연 저감방안을 강구하고자 한다.가시매연 저감 신기술 개발1. 가시매연 저감방안에 대한 고찰 일반적으로 발전소에서 발생하는 질소산화물의 저감기술로는 연료 중 질소성분 함유량이 적은 연료를 사용하는 연료개선에 의한 방법, 공연비·체류시간·연소온도·버너 개선에 의한 연소기술 개선에 의한 방법, 배기가스 중의 질소산화물을 제거하는 배연탈질에 의한 방법 등으로 분류된다.질소산화물 저감을 위한 배연탈질방법은 크게 선택적촉매환원법(Selective Catalytic Reduction, SCR), 선택적무촉매환원법(Selective Non-catalytic Reduction, SNCR) 등으로 구분된다. 2001년부터 신규로 건설되는 발전소는 2005년 이후 강화되는 질소산화물 배출허용기준 준수를 위하여 최근 대부분의 발전설비가 배연탈질설비설치를 추진하고 있으며 대부분은 선택적촉매환원법을 채택하고 있다. 암모니아 또는 HC류 환원제를 이용한 선택적 촉매환원법은 기술적·경제적 측면에서 가장 타당한 방법으로 인식되고 있는 추세이나, 복합화력 발전소와 같이 촉매의 부피와 통풍계통의 압력손실이 부담이 될 경우엔 연소로에 암모니아 등의 환원제를 직접 주입하는 선택적무촉매환원법이 이용되고 있다.선택적촉매환원법은 300∼400℃ 온도에서 배기가스와 환원제가 촉매 층에서 접촉함으로써 배기가스내의 NOx를 환원제(NH3)와의 선택적 반응에 의해 인체에 무해한 질소(N2)와 수증기(H2O)로 환원시키는 방법이다. 환원제로는 무수 암모니아, Urea 용액 등이 주로 사용되고 탈질촉매로는 V2O5/TiO2계 촉매가 대표적이며, 300∼450℃ 에서 최적 활성을 보이고 있다. 복합화력의 경우 SCR을 적용하기 위해서는 촉매 설치위치가 HRSG 후단부로 한정이 되고, HRSG 내부 공간이 좁아 적정 공간속도를 확보하기 위해서는 더 넓은 촉매설치공간이 요구된다. 따라서 기존 복합화력의 배연탈질을 위해 NH3-SCR 설비를 추가로 설치할 경우에는 장기간의 발전정지 및 대규모 개조공사가 불가피한 실정이다.선택적무촉매환원법은 촉매를 사용하지 않고 870∼1,200℃ 온도영역에 환원제인 암모니아 또는 Urea 용액을 주입하여 NOx를 질소와 수증기로 환원시키는 방법이다. SNCR 기술은 촉매를 설치할 필요가 없어 투자비가 낮고 공정이 단순하다는 장점이 있으나 탈질효율이 온도에 의해 영향을 받기 쉬우며 탈질효율이 50% 이하로 낮다는 단점이 있다. 복합화력의 경우 NH3-SNCR을 적용하기 위해서는 환원제를 900℃ 이상의 고온영역에 분사하여야 하나 HRSG 입구 배기가스 온도가 630℃ 이하인 복합화력에는 적용이 곤란하며, 적정온도를 벗어나 암모니아를 주입할 경우에는 NH3 Slip으로 인한 악취발생 등 2차 오염이 발생한다.2. 복합화력 가시매연 저감 방안 연구질소산화물 저감기술에는 여러 가지가 있지만 복합화력 가시매연의 원인물질인 NO2를 저감할 수 있는 기술은 아직까지 개발되지 않은 상태이다. 일부 복합화력에서는 기동시간의 단축 및 연소기 노즐 개선 등의 노력을 기울이고 있지만 만족할 만한 수준은 아니므로 복합화력발전 전체적인 차원에서 가시매연을 저감할 수 있는 방안이 모색되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 국내외 가시매연 저감사례 조사 결과 국내에서 유일하게 백금촉매 및 LNG 환원제를 이용하여 가시매연을 제거한 사실을 알아내고 기존의 SNCR을 응용한 HC-SNCR 방법으로 가시매연을 저감할 수 있는지 연구하기로 했다.(1) 적정 환원제 선정을 위한 기초실험적정 환원제 선정을 위해 시험에 이용한 환원제는 에탄올, 아세톤, NH3, H2O2 등이며, 복합화력 발전소의 배기가스와 비슷한 조건에서 각 환원제의 저감특성을 시험한 결과는 다음과 같다.

암모니아의 경우 약 700℃ 정도의 고온영역에서는 NO2 저감효율이 높았으나 500∼600℃ 부근의 저온영역에서는 저감효율이 낮은 것으로 나타났으며, 과산화수소의 경우 NO2 저감경향은 NH3와 유사한 경향을 보였으나 NH3에 비해 저감효율이 10% 정도 낮아짐을 볼 수 있다. 에탄올은 500∼600℃ 영역에서 NO2 저감효율이 약 45∼60%인 것으로 나타났으나 온도가 상승할수록 점차 감소하여 약 700℃ 에서는 저감효율이 약 10%까지 감소했다.아세톤은 에탄올과 마찬가지로 온도가 상승할수록 NO2 저감효율은 완만하게 감소하는 것으로 나타났으나 에탄올에 비해 고온영역인 600∼700℃ 영역에서는 높은 효율을 나타냈다.상기 환원제의 NO2 저감경향을 살펴보면 500∼600℃ 에서는 에탄올>아세톤>NH3>H2O2 순이었으며, 600℃ 이상의 고온영역에서는 아세톤>에탄올>NH2>H2O2 순으로 나타났다. 따라서 이상과 같은 시험결과를 통해 복합화력 HRSG 내부 온도영역인 600℃ 이하에서 가장 적합한 환원제로 에탄올을 선정했으며, 에탄올은 다음 반응식에 의해 가시매연 원인물질인 NO2를 NO 및 N2로 환원시켜 제거한다.C2H5OH + NO2 + 4 O2 → NO + 2 CO2 + 3 H2OC2H5OH + 2 NO2 + O2 → N2 + 2 CO2 + 3 H2O(2) 환원제 주입방식 선정을 위한 Pilot Test가시매연 제거성능에 가장 큰 영향을 미치는 인자 중의 하나가 환원제와 배기가스의 혼합상태이다. 본 연구에서는 환원제 주입 시 HRSG에 미치는 영향을 최소화하면서 안정적이고 효율적으로 환원제와 배기가스를 혼합시킬 수 있는 방안을 알아보기 위해 다음과 같은 3개의 안에 대하여 Pilot Test를 실시했다.복합화력 배기가스 조성을 모사하기 위해 LPG 버너를 이용하여 배기가스 온도 및 CO 농도를 조절하였으며, NO, NO2 가스 등을 정량적으로 주입, 혼합했다. 이후 Gas Distributor를 통하여 가스를 반응기로 유입하였으며 반응기에는 EIG(Ethanol Injection Grid) 및 Spray노즐을 설치, 탈착할 수 있도록 제작됐다. 환원제는 정량펌프를 이용하여 주입하고 가스성상은 배기가스 배출덕트에 따라 설치된 다수의 측정구에서 측정 및 분석했다.시험방법은 1, 2, 3안 각 조건에서 LPG Burner를 기동하여 반응기 내부온도를 350, 450, 550℃ 로 조절하고, 각 온도에서 반응기 내부의 가스조성 및 온도가 안정화되면 환원제를 주입하여 주입몰비(EtOH:NO2)를 변화시키면서 시험했다.EIG(Ethanol Injection Grid)를 이용한 주입시험 결과 450℃ 에서 가장 높은 효율(80%)을 보였으며 350℃, 550℃ 에서는 효율이 떨어지는 경향을 보였다. 특정 온도영역에서 주입몰비를 증가시키면 저감효율도 증가하는 경향을 보였으며, 몰비 0.5에서 2.0까지는 몰비를 증가시킴에 따라 효율개선이 두드러졌으나 몰비 2.0∼3.0에서는 약간의 개선효과만 나타났다.

일류체 노즐을 이용하여 시험한 결과 기상주입 시험과는 다르게 주입몰비를 증가시켜도 효율이 크게 개선되는 현상은 나타나지 않았으며, 350℃ 에서 최대효율(63.4%)을 보였다가 450℃ 이상이 되면서 효율은 급격히 감소했다.

이류체 노즐을 이용하여 시험한 결과 주입몰비를 증가시킴에 따라 효율이 개선되는 것으로 나타났으며, 450℃ 부근에서 가장 높은 효율을 보이다가 450℃ 이상의 온도에서는 효율이 오히려 감소하는 것으로 나타났다.

환원제 주입방식을 결정하기 위하여 실시한 1, 2, 3안에 대한 Pilot Test 시험결과 기상 주입방식으로 반응온도 350∼550℃ 영역에서 주입몰비를 2.0이상으로 했을 때 가장 효율적으로 이산화질소를 저감할 수 있는 것을 알 수 있었다.(3) 가시매연 저감 실증설비 시험① 시험장치 구성 및 시험방법상기 Pilot Test 에서 나타난 시험결과가 현장 실증설비에서도 동일한 효과가 나타나는지 확인하기 위해 부산복합 2호기 HRSG에 가시매연 저감설비를 설치하여 실증시험을 수행했으며 시험장치 개략도 및 전경은 다음과 같다.

환원제로는 에탄올을 사용했으며 주입방법은 Pilot Test 에서 가장 효과가 큰 것으로 나타난 기상주입방식으로 시험했다. 액상 에탄올은 기화기를 거치면서 기화되고 HRSG 후단에서 취출한 배기가스와 혼합되어 에탄올 적정 반응온도 영역인 HRSG 중간부위에 주입했다.에탄올 최적 주입조건 선정을 위해 에탄올 분사방식을 A, B, C형으로 나누어 시험했으며, A형은 Ethanol Injection Grid의 노즐 1,680개 전부를 Open하여 시험했고, B형은 1/2정도인 896개의 노즐을 Open하여 시험했으며, 마지막으로 C형은 1/3정도인 480개의 노즐을 Open하여 에탄올을 NO2 농도대비 1∼2.5배 주입하면서 가시매연 저감정도를 기록, 확인했다.시험방법은 가시매연이 발생하기 시작하는 가스터빈 기동 시부터 출력 증가에 따라 가시매연이 사라지는 약 80MW까지 20, 40, 60, 80MW 각 단계별로 에탄올을 주입하면서 시험했으며, 상기의 각 조건에서 가시매연 발생정도를 확인하기 위해 에탄올 주입점 및 연돌에서 NO2, NO, O2, CO, 배출가스량 등을 측정했다.② 실증설비 시험내용에탄올 주입에 의한 가시매연 저감상태 확인을 위해 먼저 에탄올 주입전 가시매연 발생현황 조사를 위한 시험을 먼저 수행했다. 환원제 미주입 조건에서는 출력 20MW, NO2 농도 약 12ppm정도에서 경미하게 발생하기 시작해 40MW일때 최대 63ppm으로 가장 심하게 발생했으며, 출력이 증가함에 따라 NO2 농도가 감소하면서 80MW이상에서는 가시매연이 사라지는 현상을 나타냈다.

EIG의 노즐 1,680개 전부를 Open하여 에탄올을 주입하는 A형 시험시 주입몰비(EtOH:NO2) 1:1 정도로 주입했을 때 가시매연이 발생하는 발전부하 전 구간에서 대부분의 NO2가 균일하게 제거됐으며, 주입몰비(EtOH:NO2)를 1.2:1로 하는 경우 가시매연 발생이 가장 심각한 출력 40㎿에서도 이산화질소 제거효율이 85% 이상을 나타내면서 가시매연이 완전히 제거되는 것을 확인할 수 있었다.

EIG의 전체 노즐 1,680개 중 1/2 정도인 896개의 노즐을 Open하여 에탄올을 주입하는 B형 시험 시 주입몰비(EtOH:NO2)를 2.5:1까지 주입하여도 가시매연 발생이 가장 심각한 출력 40MW에서 이산화질소가 약 20ppm 이상으로 배출되면서 가시매연이 거의 저감되지 않았다. 이러한 현상은 노즐사이의 간격이 넓어 에탄올이 배기가스와 접촉하지 못하는 Dead Zone이 생겨 에탄올이 배기가스 중의 NO2와 고르게 혼합되지 않아 저감효율이 감소하여 나타난 현상으로 판단된다.

C형 시험은 EIG의 전체 노즐 1,680개 중 1/3 정도인 896개의 노즐을 Open한 후 출력 40MW에서 에탄올을 2:1까지 주입했으나, 이산화질소의 농도가 30ppm 이상 배출되면서 가시매연 저감효과는 나타나지 않았다. 이러한 현상은 B형 시험과 마찬가지로 에탄올 주입점에서 Dead Zone이 생겨 NO2 저감효율이 감소해 나타난 현상으로 판단된다.

상기 실험결과에서 보듯이 B, C형 분사방식은 반응구역 내에서 Dead Zone이 발생하여 에탄올이 배기가스 중의 NO2와 고르게 혼합되지 않아 가시매연이 심하게 발생하는 출력 40∼50MW에서는 환원제 주입비율(EtOH:NO2)을 2.5:1까지 상승시켜도 가시매연이 완전히 제거되지 않고 일부 배출되는 것으로 나타났다. 그러나 환원제와 이산화질소의 효과적인 반응을 위해서 Spray Nozzle을 전 구간 Open하여 분사하는 방식인 A형을 적용했을 경우 환원제 주입비율(EtOH:NO2) 1.2:1 이상 주입 시 전체 출력에서 가시매연이 성공적으로 사라지는 것을 확인할 수 있었으며, 실제 운전 시에는 운전조건의 변동, 여유 율 등을 감안하여 환원제 주입비율(EtOH:NO2)을 1.3:1 정도 주입하면 가시매연을 안정적으로 제거할 수 있을 것으로 판단된다.결론1991년 이후 우리나라의 급격한 전력수요 증가 및 정부의 환경규제 강화에 대응하기 위해 청정연료인 액화천연가스(LNG)를 연료로 사용하는 복합화력 발전소의 설비용량은 꾸준히 증가하고 있다. 도심지 인근에 위치한 복합화력은 가스터빈 기동·정지시 발생하는 가시매연(Yellow Plume)으로 인해 발전소 주변지역 주민들의 민원을 야기시켜 발전설비의 안정적 운영에 지장을 초래하고 있다. 따라서 본 연구에서는 복합화력발전의 현안으로 대두되고 있는 가시매연을 저감할 수 있는 기술개발을 위해 기존의 SNCR(선택적무촉매환원법)을 응용한 HC-SNCR에 의한 가시매연 저감방안을 연구했다.먼저 HC-SNCR에 적용가능한 적정 환원제 선정을 위하여 에탄올, 아세톤, NH3, H2O2에 대하여 비교 실험한 결과 에탄올이 복합화력 HRSG 내부 배기가스 온도영역에서 가장 높은 NO2 저감효율을 나타내는 것을 확인할 수 있었으며, 다음반응식에 의해 NO2를 NO 및 N2로 환원시켜 제거한다.C2H5OH + NO2 + 4 O2 → NO + 2 CO2 + 3 H2OC2H5OH + 2 NO2 + O2 → N2 + 2 CO2 + 3 H2O가시매연 저감 성능에 가장 큰 영향을 미치는 환원제와 배기가스의 적정 혼합방법 연구를 위해 일류체 액상주입, 기상주입, 이류체 액상주입방법에 대한 Pilot Test 시험을 실시한 결과 기상주입방법으로 반응온도 350∼550℃ 영역에서 주입몰비를 2.0 이상으로 했을 때 가장 효율적으로 NO2를 저감할 수 있다는 것을 알 수 있었다. 위의 시험결과를 토대로 현장 실증설비에서도 동일한 효과가 나타나는지 확인하기 위해 EIG(Ethanol Injection Grid) 노즐 Open 방법에 따라 A형, B형, C형으로 실증시험을 실시한 결과 EIG 노즐 1,680개 전부를 Open하여 에탄올을 주입하는 A형 주입방법으로 환원제 주입비율(EtOH:NO2) 1.2:1 이상 주입시 전체 출력에서 가시매연이 성공적으로 사라지는 것을 확인할 수 있었다.따라서 위의 실험결과로 에탄올을 기화하여 주입하는 HC-SNCR 방법으로 복합화력 가시매연을 효과적으로 저감할 수 있다는 사실을 확인했으며, 향후 본 연구에서 개발된 기술을 국내 복합화력에 적용할 경우 발전소 주변지역 주민들의 민원예방은 물론 발전설비의 안정적 운영에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.