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문제 정의
- 본 논문에서는 1000MW급 초초임계압 발전소의 운전 안정성 향상을 위하여 퍼직 로직 및 모델 예측제어기를 적용한 부하응답 최적화 운전방법을 제얀하였다. 이를 통하여 기존 발전소 운전 방법의 문제점인 연료 계통 응답이 터빈 계통 응답보다 느린 것을 보상하고 빠른 응답성을 갖으면서안정성이 향상된 제어로직을 구현할 수 있었다.
- 그래서 초초임계압 발전소는 큰 출력 증 - 감시 주 증기/재열증기 온도 변화폭 감소 및 기타 요소들의 안전 허용 기준을 만족시켜야' 한다. 본 연구에서는 큰 폭의 부하 변동시 각 요소 및 전체 시스템의 안정성 및 신뢰성 확보를 위하여 퍼지 로직 (Fuzzy logic) 및 모델 예측 제어기 (Model Predictive Controller)로 구성되어진 부하응답 최적화 운전 방법 (URO mode)을 제안한다.
제안 방법
- 같다. Boiler Master 입력신호에 대한 Megawatts, Throttle Pressure 및 Superheater Temperature의 동특성을 전달함수로 설계하였으며 이를 통해 연료계통 비례 . 적분 .
- 모델 설계를 위하여 각 입력에 대한 각 시스템의 동특성을 시간 영역에서 측정한 후, 이를 기반으로 시스템의 차수를 선택하고 곡선 접합 방법을 이용하여 설계하였다. 각 시스템의 동특성을 파악할 때는 다른 부분의 영향을 배재하기 위하여 동특성을 파악 하는 부분을 제외하고는 다른 부분은 이론적으로 계산된 이상 값으로 고정시켜 놓았으며, ±3%의 출력 변화에 대하여 수행하였다. 또한 모델 예측 제어기 후단의 비례 .
- 또한 모델 예측 제어기[5]를 적용하여 출력 전력, Throttle Pressure 및 Feed water 제어 입력 값의 예즉을통하여 출력 증 . 감시 과도 응답 상태에서 증기 압력 및 온도의 변화를 감소할 수 있도록 하였다.
- ,e Wide Open: VWO) 1100MW로 설계되었다. 고온 재료의 개발 현황, 경제성 및 국내 발전설비 제작사의 기술 수준 등을 고려하여 주증기 압력은 265kg/cm2, 주 증기/재열증기 온도는 613℃/624℃로 설계하였다. 이는 기존의 초임계압발전소의 주증기/재열증기 온도가 565~593℃/565~593℃임을 고려할 때 2CTC 이상 향상된 값이다.
- 연구에서는 대용량 . 고효율 , 환경친화형 1000MW급초초임계압 화력발전의 새로운 운전 방법인 부하 응답 최적화 운전 방법 (Unit Response Optimizer mode: URO mode) 을 제안하였으며, 용량 증가로 안정성 및 신뢰도가 감소하는 것을 방지하기 위하여 퍼지 로직 및 모델 예측 제어기를 부하 응답 최적화 운전 방법에 적용하였다. 또한 기존에는 운전원의 발전소 운전 기술 훈련 및 숙달을 위하여 발전소 건립 후, 발전소를 기반으로 구축하였던 모사실험기를 발전소제어 로직 설계 검증용으로 선행 구축하여 부하응답 최적화 운전 방법을 검증하였다.
- 구축된 모사 실험기에 부하응답 최적화 운전 방법을 적용한 제어로직을 입력하여 초초임계압 화력발전 제어로직 검증 실험을 수행하였다. 그림 9는 1000MW에서 800MW로 출력을 감소한 후 다시 1000MW로 출력을 증가한 결과이다.
- 8384% 의 정상상태 오차가 존재한다. 두 개의 전달함수는 장 단점이 존재하기 때문에 본 연구에서는 그림 3과 같은 퍼지로직[6, 기을 적용하여 각 전달함수의 장점인 빠른 응답성을갖으면서 정상상태 오차는 0으로 수렴하는 전달함수를 설계하였으며, 이를 통하여 연료계통 응답이 터빈 밸브 응답보다 상대적으로 느린 것을 보상하였다.
- 고효율 , 환경친화형 1000MW급초초임계압 화력발전의 새로운 운전 방법인 부하 응답 최적화 운전 방법 (Unit Response Optimizer mode: URO mode) 을 제안하였으며, 용량 증가로 안정성 및 신뢰도가 감소하는 것을 방지하기 위하여 퍼지 로직 및 모델 예측 제어기를 부하 응답 최적화 운전 방법에 적용하였다. 또한 기존에는 운전원의 발전소 운전 기술 훈련 및 숙달을 위하여 발전소 건립 후, 발전소를 기반으로 구축하였던 모사실험기를 발전소제어 로직 설계 검증용으로 선행 구축하여 부하응답 최적화 운전 방법을 검증하였다.
- 그림 1에 도시된 것과 같이 모델 예측 제어기 적용을 위하여 각 입력에 대한 출력의 모델이 필요하다. 모델 설계를 위하여 각 입력에 대한 각 시스템의 동특성을 시간 영역에서 측정한 후, 이를 기반으로 시스템의 차수를 선택하고 곡선 접합 방법을 이용하여 설계하였다. 각 시스템의 동특성을 파악할 때는 다른 부분의 영향을 배재하기 위하여 동특성을 파악 하는 부분을 제외하고는 다른 부분은 이론적으로 계산된 이상 값으로 고정시켜 놓았으며, ±3%의 출력 변화에 대하여 수행하였다.
- 현재의 입력을 구하는 방법이다. 본 연구에서는 공정에 중요한 부분인 3개의 입력 (Turbine Master, Boiler Master, Feed water Master) 과 3개의 출력 (Magewatts, Throttle Pressure, Superheater Temperature) 에 모델 예측제어기를 적용하였다. 그림 1에 도시된 것과 같이 모델 예측 제어기 적용을 위하여 각 입력에 대한 출력의 모델이 필요하다.
- 본 연구에서는 퍼지 로직을 그림 3와 같이 설계하였으며, 두 경계 점 사이의 값은 식 (2)와 같이 T.F.S10W 및 T.F.Fast 두 개의 전달함수를 조합하였다. 식(2)에서 Diff는 자동급전 지령 신호(Automatic Dispatch System)와 Unit 부하 요구 신호(Unit Load Demand) 사이의 차이 이다.
- 설 계시 연산 시간이 증가하지만 물리적인 의미를 찾을 수 없는 고차함수 설계를 지양하고 4차 이하의 함수로 설계 하였다. 세 개의 전달함수는 부하 최적화 운전 방식에서 터빈 제어부에 포함되며 비례 ■적분 ■미분 제어기의 기준 입력 (set point)을 결정하는 역할을 한다.
- 실험을 통하여 획득한 전달함수를 모사 실험기에 설치하기 위해서는 이산화 시켜야 하기 때문에 z-전달함수로 변환시켰으며, 이때 추출 시간(sampling time)은 모사 실험기의 성능 및 용량을 고려하여 1초로 설정하였다. 모델 예측 제어기의 추가로 시스템의 신뢰성 향상 뿐만 아니라, 오차의 감소로 wind-up[9]현상을 방지할 수 있게 되었다.
- 일반적으로 제어 로직 검증을 위해 컴퓨터를 사용하여 소프트웨어적으로 모사 실험을 실시하지만, 본 연구에서는 초초임계압 발전소에 사용될 제어기로 모사 실험을 수행하기 위하여 6개의 DCS 제어기와 DCS 디지털 및 아날로그 입출력 단자 및 7개의 워크스테이션을 사용하여 표 2과 같이 모사 실험 기 (Simulator)를 제작하였으며 그림 8에 구성도가 도시되어 있다.
- 전격출력이 기존 발전소에 비해 2배 증가하였기 때문에 출력증 감 폭도 기존 발전소에 비하여 2배 증가했지만 현재 운영 중인 발전소와 동일한 운전 허용 기준을 적용하였다. 그래서 초초임계압 발전소는 큰 출력 증 - 감시 주 증기/재열증기 온도 변화폭 감소 및 기타 요소들의 안전 허용 기준을 만족시켜야' 한다.
- 출력 증 감시 설계 허용 온도 변화는 표 1과 같이 당진 화력 5 - 6호기 500MW 발전소와 동일하게 설계하였다. 전격출력이 기존 발전소에 비해 2배 증가하였기 때문에 출력증 감 폭도 기존 발전소에 비하여 2배 증가했지만 현재 운영 중인 발전소와 동일한 운전 허용 기준을 적용하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 개발 중인 초초임계압 화력발전소는 전격출력 (Maximum Guaranteed Rate: MGR) 1024MW, 최대 출력 (Val.,e Wide Open: VWO) 1100MW로 설계되었다. 고온 재료의 개발 현황, 경제성 및 국내 발전설비 제작사의 기술 수준 등을 고려하여 주증기 압력은 265kg/cm2, 주 증기/재열증기 온도는 613℃/624℃로 설계하였다.
이론/모형
- 적분 . 미분 제어기는 Ziegler-Nichols 방법[4]을 사용하여 최적화 하였다.
성능/효과
- 동특성을 측정한 값을 기준으로 설계한 전달함수이며 그림 5와 같이 측정값과 우수하게 일치하는 것을 확인할 수 있다. 설 계시 연산 시간이 증가하지만 물리적인 의미를 찾을 수 없는 고차함수 설계를 지양하고 4차 이하의 함수로 설계 하였다.
- 비해 상대적으로 느린 경향을 보인다. 둘째로 터빈 추종 운전 방법으로 운전하는 경우, 보일러의 연료 및 압력 등의 제어를 선행 수행하고 터빈 밸브의 제어가 후행되기때문에 전체 안정성은 유지되지만 출력 응답성이 떨어진다. 마지막으로 보일러 추종 운전 방법으로 운전하는 경우, 터빈 밸브 조정을 통한 출력 제어가 선행되고 보일러 제어가 후행되기 때문에, 출력 응답성은 향상되지만 보일러 증기의 급격한 압력 변화 발생 및 이로 인한 안정성 저하 현상이 발생한다.
- 이를 통하여 기존 발전소 운전 방법의 문제점인 연료 계통 응답이 터빈 계통 응답보다 느린 것을 보상하고 빠른 응답성을 갖으면서안정성이 향상된 제어로직을 구현할 수 있었다. 또한 모사실험을 통하여 설계된 제어기가 설계 기준에 충족되며 기존제어기보다 향상된 성능을 보임을 검증하였다.
- 부하응답 최적화 운전방법을 제얀하였다. 이를 통하여 기존 발전소 운전 방법의 문제점인 연료 계통 응답이 터빈 계통 응답보다 느린 것을 보상하고 빠른 응답성을 갖으면서안정성이 향상된 제어로직을 구현할 수 있었다. 또한 모사실험을 통하여 설계된 제어기가 설계 기준에 충족되며 기존제어기보다 향상된 성능을 보임을 검증하였다.
- 모델 예측 제어기의 추가로 시스템의 신뢰성 향상 뿐만 아니라, 오차의 감소로 wind-up[9]현상을 방지할 수 있게 되었다. 일반적으로 시스템의 안정성 및 강인성을 확보하기 위하여 사용하는 적응제어기(adaptive controller)[10]와 같은 비선형제어기들이 게인(gain)이나 변수 조절과 같은 방법으로 강인성을 확보하기 때문에 구동부(actuator)에 부하가 큰 반면에, 본 연구에서는 기준입력을 변화시키기 때문에 구동부에 부하가 감소되어 구동부의 구동 범위 증가에 따른 비용 증가를 방지했을 뿐 아니라 안정성도 향상시켰다.
- 첫째로 어느 운전 방법이나 연료계통 응답이 터빈 계통 응답에 비해 상대적으로 느린 경향을 보인다. 둘째로 터빈 추종 운전 방법으로 운전하는 경우, 보일러의 연료 및 압력 등의 제어를 선행 수행하고 터빈 밸브의 제어가 후행되기때문에 전체 안정성은 유지되지만 출력 응답성이 떨어진다.
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