[논문]화력발전소 관류보일러의 과열기 온도제어에 관한 연구

이주현; 정태원

문제 정의

운전에 있어서 매우 중요한 요소이다. 본 논문에서는 관류보일러 온도제어에서 필요한 일정양의 스프레이를 안정적으로 확보할 수 있는 제어로직과 고정된 PID 제어기의 파라메터를 보일러 주 증기 유량의 변화에 따라 자동으로 게인 값이 변동될 수 있는 제어로직을 제시하였다. 또한 프로세스 모델기반의 시뮬레이터를 이용하여 부하변동 및 제어파라메터 변경 등의 모의시험을 통해 온도제어로직의 효용성과 타당성을 검증하였고, 아래와 같은 결과를 얻었다.
본 논문에서는 시뮬레이터를 이용한 모의시험 결과 부하 변화(Load Swing)의 경우는 아래의 조건에 만족하는지의 여부를 가지고 제어로직의 효용성을 확인하였다.

제안 방법

시뮬레이터를 이용한 모의시험의 주요 내용은 부하의 변화(1000->800->1000MW)에 따른 제어기 출력과 스프레이 제어밸브 개도요구량, 이에 따른 과열기 입 출구 온도의 변화를 시험하였다. 두 번째는 Platen 및 최종과열기에서 온도설정 값의 변화에 따른 제어기 출력, 스프레이 제어 밸브 개도 요구량과 온도변화를 시험하였다. 마지막으로 부하가 고정된 상태에서 스프레이 제어밸브의 개도를 25%에서 75%로 변경하였을 때 제어기 출력에 따른 온도변화를 시험하여 본 논문에서 제안한 온도제어로직의 효용성과 타당성을 검증하였다.
수 있는 제어로직을 제시하였다. 또한 제어검증용 시뮬레이터를 이용하여 부하변동 및 제어 파라메터 변경 등의 모의시험을 통해 제시한 온도제어로직의 효용성과 타당성을 검증하였다.
본 논문에서는 관류보일러 온도제어에서 필요한 일정양의 스프레이를 안정적으로 확보할 수 있는 제어로직과 고정된 PID 제어기의 파라메터를 보일러 주 증기 유량의 변화에 따라 자동으로 게인 값이 변동될 수 있는 제어로직을 제시하였다. 또한 프로세스 모델기반의 시뮬레이터를 이용하여 부하변동 및 제어파라메터 변경 등의 모의시험을 통해 온도제어로직의 효용성과 타당성을 검증하였고, 아래와 같은 결과를 얻었다.
본 논문에서 제안된 관류보일러 온도제어 로직에서는 비례 동작의 게인 값이 부하변화에 따른 주 증기유량(Main Steam Flow)에 적정한 게인 값으로 변경된다. 그림 9의 곡선에서 보듯이 주 증기 유량이 전체 유량의 40%일 경우는 PID제어기의 게인 Kp는 2.
본 논문에서는 먼저 관류보일러의 동특성과 수학적 모델에 대해 알아보고, 관류보일러에서 증기온도제어의 속응성을 도모하는데 필수적인 일정양의 스프레이를 안정적으로 확보할 수 있는 제어로직과 고정된 PID 제어기의 파라메터를 보일러 주 증기 유량의 변화에 따라 자동으로 게인 값이 변동될 수 있는 제어로직을 제시하였다. 또한 제어검증용 시뮬레이터를 이용하여 부하변동 및 제어 파라메터 변경 등의 모의시험을 통해 제시한 온도제어로직의 효용성과 타당성을 검증하였다.
시뮬레이터는 화력발전소 프로세스의 모델이 내장되어 있으며, 과열기 온도제어를 포함한 보일러 제어와 관련된 로직들은 프로그램화 되어 디지털 분산제어 시스템(DCS : Distributed Control System)에 내장되어 있다. 시뮬레이터를 이용한 모의시험의 주요 내용은 부하의 변화(1000->800->1000MW)에 따른 제어기 출력과 스프레이 제어밸브 개도요구량, 이에 따른 과열기 입 출구 온도의 변화를 시험하였다. 두 번째는 Platen 및 최종과열기에서 온도설정 값의 변화에 따른 제어기 출력, 스프레이 제어 밸브 개도 요구량과 온도변화를 시험하였다.
온도제어계통의 모의시 험을 위한 시뮬레 이터는 그림 10과 같은 프로세스 모델 기반의 Ovation사에서 제공된 시뮬레이터를 이용하여 모의시험을 수행하였다. 시뮬레이터는 화력발전소 프로세스의 모델이 내장되어 있으며, 과열기 온도제어를 포함한 보일러 제어와 관련된 로직들은 프로그램화 되어 디지털 분산제어 시스템(DCS : Distributed Control System)에 내장되어 있다.
위에서 언급한 보일러 과열기의 온도제어의 방법 중에 본 논문에서는 우선 스프레이 제어밸브를 통한 온도제어 방법에 초점을 맞추어 설명하였다. 보일러 정격 운전 중에 부하변동에 따른 과열기 출구 온도의 목표 값이 기준 값으로 주어진다.
이 기준 값은 정상 운전 중에 외부로부터 수없이 많은 외란으로 인한 부하 증 감발시 변화되는 실제 온도와 비교하여, 목표 온도 값과 실제 온도 값이 비교되어 온도 제어기에 입력되면 이 제어기는 비교된 최종 온도 값이 목표치보다 높으면 온도제어 밸브를 열라고 명령을 내리며 반대로 목표치보다 낮으면 닫으라는 명령을 내린다. 이와 같이온도 설정값에 도달하도록 과열기 스프레이 온도제어 밸브의 개도를 조정하는 방법으로 과열기 출구 측 증기 온도를 제어한다. 그림 6은 일반적인 최종과열기 온도제어 로직의 개념도를 나타낸다.
안정적인 확보가 필수적이다. 적정 스프레이 유량의 확보하는 방식은 급수제어 요구량에 스프레이 분을 감하는 방법이 있는데⑸, 본 논문에서는 수연비 제어에서 Hanger Tube 온도제어 설정값에 최종과열기 온도저감기 전후의 온도차를 16~22℃로 유지하는 보정회로를 넣어 급수유량 제어에서 스프레이 총량을 확보하는 방법을 제안하였다, 1차 과열기 온도제어의 설정값은 1차 과열기 출구온도와 최종 과열기 입구온도의 편차(2차 온도저감기 전후의 온도차)로 설정되며, 실제온도 궤환 신호는 Hanger Tube 출구온도와 Platen Superheater 입구온도의 편차(1차 온도저감기 전후의 온도차)가 입력된다. 본 논문에서 제안하는 이와 같은 온도차(z\T)를 이용하는 제어 방법은 1차 과열기와 최종과열기의 온도제어를 위한 스프레이의 비율을 일정하게 유지하는데 유효한 방안이다.

성능/효과

[1] 보일러 프로세스 모델기반의 시뮬레이터를 이용하여 부하의 변화(1000->800->1000MW)에 따른 온도제어 계통의 모의시험 결과 ±5℃ 이내로 ±8℃의 기준을 만족하는 결과를 얻었다.
[2] 최종과열기와 Platen S/H에서 온도 설정 값과 스프레이 제어밸브의 개도요구량 변화 등의 모의시험을 통해 제어기의 출력과 제어밸브 개도요구량의 변화에 따라 온도 설정값으로 과열기 입구 및 출구의 온도가 변동되어 안정적으로 제어가 잘 수행되어 제어로직의 효용성을 확인하였다.
[3] 보일러의 급수량과 연료량의 비율로 증기온도를 제어하는 수 연비 제어에서 본 논문에서 제시된 온도편차를 이용한 제어 로직의 구성은 발전소의 실 계통에서도 활용되고 있고, 관류보일러에서 필요한 일정비율의 적정 스프레이 유량을 안정적으로 확보할 수 있는 효과적인 방법이라 사료된다.
급수 유량을 일정하게 하고 연료 투입량이 증가시키면 포화 영역이 이동하여 과열 부가 상대적으로 길게 된다. 결과적으로 보일러 출구 증기 온도는 상승하며 온도 상승에 의한 증기의 체적유량 증가에 따라 주증기 압력은 완만하게 증가한다. 즉 연료의 투입량 변화는 증발 완료점인 포화영역을 이동 시켜 그 결과로 과열 부를 상대적으로 증감시켜 증기 온도를 증가 또는 감소시킨다.
두 번째는 Platen 및 최종과열기에서 온도설정 값의 변화에 따른 제어기 출력, 스프레이 제어 밸브 개도 요구량과 온도변화를 시험하였다. 마지막으로 부하가 고정된 상태에서 스프레이 제어밸브의 개도를 25%에서 75%로 변경하였을 때 제어기 출력에 따른 온도변화를 시험하여 본 논문에서 제안한 온도제어로직의 효용성과 타당성을 검증하였다.
적정 스프레이 유량의 확보하는 방식은 급수제어 요구량에 스프레이 분을 감하는 방법이 있는데⑸, 본 논문에서는 수연비 제어에서 Hanger Tube 온도제어 설정값에 최종과열기 온도저감기 전후의 온도차를 16~22℃로 유지하는 보정회로를 넣어 급수유량 제어에서 스프레이 총량을 확보하는 방법을 제안하였다, 1차 과열기 온도제어의 설정값은 1차 과열기 출구온도와 최종 과열기 입구온도의 편차(2차 온도저감기 전후의 온도차)로 설정되며, 실제온도 궤환 신호는 Hanger Tube 출구온도와 Platen Superheater 입구온도의 편차(1차 온도저감기 전후의 온도차)가 입력된다. 본 논문에서 제안하는 이와 같은 온도차(z\T)를 이용하는 제어 방법은 1차 과열기와 최종과열기의 온도제어를 위한 스프레이의 비율을 일정하게 유지하는데 유효한 방안이다. 그림 8은 온도차를 이용하여 적정 스프레이 유량확보를 위한 수연비 제어의 실제 구현 로직을나타낸다.
나타낸다. 부하를 1000->800->1000MW로 변동하였을 때 주증기 온도의 변화는 613℃를 기준으로 609℃에서 618℃까지 ±5℃ 이내로 ±8℃의 기준을 만족하는 결과로 양호한 특성을 나타냄을 확인하였다.
설정값을 533℃에서 543℃로 10℃를 높였을 때 제어기 출력에 따른 스프레이 제어밸브의 개도요구량과 Platen S/H의 입구 및 출구의 온도변화를 나타낸다. 온도 설정치를 높였을 때 제어기의 출력에 따라 스프레이 제어 밸브의 개도가 닫혔고, 보일러의 시정수에 맞게 일정시간 뒤에 온도설정 값으로 안정적으로 온도가 상승함을 확인하였다.

후속연구

[4] 부하변화에 따른 PID 제어기의 가변적으로 게인을 설정할 수 있는 제어로직을 제시함으로서 운전원이 부하에 따라 적정한 설정 값을 수동으로 변경함에 따라 설정 값이 정밀하게 변경되지 못하는 문제점을 해결하여 과열기 온도제어를 위한 분사유량을 최적으로 제어할 수 있을 것으로 기대된다.

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