[논문]터빈 밸브시험 중 충동실 압력제어에 의한 발전기 출력변동 최소화

최인규; 김종안; 박두용; 우주희; 신재호

doi:10.5370/kiee.2010.59.1.152

문제 정의

이 논문은 l, 000MW 원자력 발전소 증기터빈 제어기를 기존의 아날로그 방식에서 최신의 디지털 방식으로 교체한 내용 중 고압터빈 압력제어 알고리즘의 구현에 대한 내용이다. 기존 아날로그 제어 시스템에 있어서 전부하 운전 중 증기 밸브 시험시 고압 조속 밸브가 닫히는 과정에서 고압 터빈에 유입되는 증기의 유량이 감소로 인하여 발전기 출력이 4% 정도 감소되는 현상이 있었다.
15, 적분이득을 Q1 로 결정하였다. 현장 적응 시험 결과 충동실 압력 제어 알고리즘의 건전성이 검증되었으므로 다음 단계는 실제 운전을 수행하여 성능을 확인하는 것이다.

가설 설정

그리고 zGO는 밸브 개도 y의 함수로서 대상 발전소의 운전 데이터로부터 계산된다. 열수력 원리에 의하여 교축과정에서 엔탈피의 변동은 없는 것으로 가정하였다.

제안 방법

발전기 출력의 변동에 대한 대책으로는 고압 조속 밸브를 시험하는 경우에 충동실 압력을 일정하게 제어하도록 알고리즘을 구현하였다. 이것은 식 (2) 및 그림 5에 나타낸 바와 같이 발전기 출력과 충동실 압력이 정비례 관계인 것을 이용한 것이다.
아날로그 방식 터빈 제어기를 디지털 제어시스템으로 개조하기 위한 현장 설치 공사가 완료된 후, 충동실 압력 제어알고리즘 기능을 검증하기 위하여 현장 적용을 위한 모의시험을 실시하였다. 이 시험은 실제로는 증기가 없고 제어기가 현장의 밸브를 제어하고 있는 상태에서 충동실 압력 제어 알고리즘의 건전성을 시험하고 적정 초기 제어 파라미터를 선정하기 위한 것으로서 선행 연구에서 활용한 시뮬레이터를 활용하였다.
이 알고리즘은 열수력적 동특성을 내장한 시뮬레이터를 이용하여 현장적응 시험을 통해 기능을 검중하고 초기 제어파라미터를 결정하였다. 또, 초기 시운전을 통해 실 계통의 적정 파라미터를 선정하고 기능을 시험한 결과 고압 조속 밸브 시험시 기존에는 발전기 출력 변동량이 40MW인 반면에 충동실 압력 제어 알고리즘을 적용하여 개선한 경우에는 6MW로 크게 경감되었다.
기능을 확인하였다. 이를 위하여 밸브 시험과충동실 압력 제어 파라미터의 튜닝을 병행하였다. 제어 이득을 교과서적인 방법으로 튜닝할 경우 과도현상이 유발될 가능성이 있으므로 시행착오법을 적용하였으며 이 결과를 그림 12, 그림 13, 및 그림 14에 나타내었다.
밸브 시험중에 터빈 입구 증기유량이 감소되는 원인은 상기의 보상제어가 원만하게 이루어 지지 않았기 때문이다. 증기 밸브 시험 중에 출력감소 현상에 대처하는 방법으로 운전원이 발전기 출력의 감소를 확인한 후 증기 요구량을 증가시키는 수동보상 방법을 사용하였다. 운전 미숙으로 인한 원자로의 과도상태 발생을 우려하여 보상조작하지 않는 경우도 많았다.

대상 데이터

시뮬레이터는 터빈 디지털 제어시스템에 탑재할 응용 프로그램의 현장 적응력과 하드웨어의 건전성을 확인하기 위한 장치로서 현재 운전되고 있는 터빈의 열역학적 모델을 포함하고 있다. 또한, 주제어기의 건전성을 확인하기 위한 시험을 수행하기 위해 시뮬레이터는 과도상태 발생, 각종 시험 신호, 기기 제어 신호 등을 제어기로부터 받아들인다.
실시하였다. 이 시험은 실제로는 증기가 없고 제어기가 현장의 밸브를 제어하고 있는 상태에서 충동실 압력 제어 알고리즘의 건전성을 시험하고 적정 초기 제어 파라미터를 선정하기 위한 것으로서 선행 연구에서 활용한 시뮬레이터를 활용하였다.[4]
증기 에너지가 터빈으로 유입되어 터빈 속도와 발전기 출력으로 전환되는 과정을 열역학적 에너지 방정식을 적용하여 프로그램 하였다. 일정한 압력이 주어지면 밸브의 개도에 따라 증기 유량이 결정되고 터빈에서 발생되는 에너지를 산출하였으며 이는 현장에서 운전되는 실제 데이터를 취득하여 참고하였다. 현장에서 증기발생이 없는 상태에서 시뮬레이터가 속도 및 출력을 발생하고 이에 따라 제어기가 밸브 개도를 조절할 수 있도록 밸브개도 신호를 직접 시뮬레이터에 연결하였다.

데이터처리

즉, 초기 제어 상수는 위와 같은 방법으로 결정하여 플랜트를 기동하고 점차 운전을 수행하면서 시행착오(Trial and Error)법에 의하여 최적의 상수를 찾아서 설정하면 운전 중인 발전소의 제어계에 큰 외 란을 발생하지 않음은 물론 경제적 손실도 없이 제어시스템을 교체할 수 있다.[7] 본 논문에서 제안한 현장 적응 시험으로 초기 제어상수를 결정한 후 원자력 발전소에 실증 적용하여 성공적으로 운전되고 있으므로 이에 대한 타당성이 입증되었으며 시뮬레이터를 이용하여 여러 차례 시험한 결과 비례이득을 0.15, 적분이득을 Q1 로 결정하였다. 현장 적응 시험 결과 충동실 압력 제어 알고리즘의 건전성이 검증되었으므로 다음 단계는 실제 운전을 수행하여 성능을 확인하는 것이다.

이론/모형

이를 위하여 밸브 시험과충동실 압력 제어 파라미터의 튜닝을 병행하였다. 제어 이득을 교과서적인 방법으로 튜닝할 경우 과도현상이 유발될 가능성이 있으므로 시행착오법을 적용하였으며 이 결과를 그림 12, 그림 13, 및 그림 14에 나타내었다.
또한, 주제어기의 건전성을 확인하기 위한 시험을 수행하기 위해 시뮬레이터는 과도상태 발생, 각종 시험 신호, 기기 제어 신호 등을 제어기로부터 받아들인다. 증기 에너지가 터빈으로 유입되어 터빈 속도와 발전기 출력으로 전환되는 과정을 열역학적 에너지 방정식을 적용하여 프로그램 하였다. 일정한 압력이 주어지면 밸브의 개도에 따라 증기 유량이 결정되고 터빈에서 발생되는 에너지를 산출하였으며 이는 현장에서 운전되는 실제 데이터를 취득하여 참고하였다.

성능/효과

결론적으로 시뮬레이터를 이용한 현장 적응시험을 통하여 도출한 최초의 제어 파라미터를 적용한 후 실제 운전 상황에서는 시행착오법에 의하여 제어 파라미터를 변경하면서 시험한 결과 발전기 출력변동량은 매우 미소하였다. 시험 결과를 정리하면 다음의 표 1과 같다.
그러나, 충동실 압력제어 알고리즘을 적용한 그림 16의 경우는 동일한 시험에 대하여 고압조속밸브 1이 열리므로 1 차 계통의 중요 운전변수인 원자로 온도와 증기 발생기 수위의 변동량이 크게 감소하였으며 2차 계통의 충동실 압력과 발전기 출력의 변동량도 크게 감소하였다. 따라서, 충동실 압력제어 알고리즘의 기능은 매우 양호함을 알 수 있다.
기존 아날로그 제어 시스템에 있어서 전부하 운전 중 증기 밸브 시험시 고압 조속 밸브가 닫히는 과정에서 고압 터빈에 유입되는 증기의 유량이 감소로 인하여 발전기 출력이 4% 정도 감소되는 현상이 있었다. 증기밸브 시험은 밸브를 닫는 과정과 여는 과정으로 구성된다, 고압조속밸브는 총 4 대 설치되어 있으며 한 번에 한 대씩 시험한다.
결정하였다. 또, 초기 시운전을 통해 실 계통의 적정 파라미터를 선정하고 기능을 시험한 결과 고압 조속 밸브 시험시 기존에는 발전기 출력 변동량이 40MW인 반면에 충동실 압력 제어 알고리즘을 적용하여 개선한 경우에는 6MW로 크게 경감되었다. 따라서 1차 계통의 원자로 온도와 증기발생기 수위도 그 변동량이 최소화 되었으므로 원자로제어계통의 외란이 크게 감소되어 안정성이 한층 증진되었다.
또한, 2007년 8월에 시운전을 완료하고 현재까지 격월로 밸브 시험을 수행하여 장기간 시험한 결과 신뢰성이 충분히 확보되었다. 표 3에 충동실 압력제어 알고리즘을 적용한 전후의 주요 운전변수의 변동을 정리하였다’
본 논문에 언급된 고압터빈의 충동실 압력 제어 알고리즘은 밸브의 고착상태나 제어성을 시험하는 밸브 시험 수행 시에 고압 터빈의 압력을 일정하게 유지시켜 발전기의 출력변동이 최소화 되도록 구현되었다.
[1] 따라서, 본 논문에서 제시한 알고리즘을 적용하면 다른 발전소 안정운전에 크게 기여할 수 있을 것으로 판단된다. 본 논문은 충동실 압력제어기를 원자력 발전소에 실증 적용한 내용으로 국내에서 처음으로 적용한 사례이며 보수적인 비례적분 제어기 만으로도 밸브 시험시 충동실 압력제어를 통하여 발전기 출력의 변동을 최소화할 수 있음을 입증하였다.
충동실 압력제어 알고리즘을 원자력발전소에 실제 적용하고 터빈 발전기를 기동하여 계통 병입을 완료한 후, 출력을 증발하여 원자로 출력 98%에서 실질적인 충동실 압력 제어알고리즘의 기능을 확인하였다. 그림 15는 충동실 압력제어를 적용하지 않은 기존 시스템의 시험 운전 파형이다.
터빈 발전기를 기동하여 계통 병입을 완료한 후, 출력을 증발하여 원자로 출력 98%에서 실질적인 충동실 압력 제어알고리즘의 기능을 확인하였다. 이를 위하여 밸브 시험과충동실 압력 제어 파라미터의 튜닝을 병행하였다.
그러나 밸브 시험 중에 발전기 출력이 감소하는 현상은 아날로그 제어기를 디지털 제어 시스템으로 개선함으로서 해결되었다. 특히 새롭게 추가된 기능이자 본 논문의 주제인 충동실 압력 제어 알고리즘을 채용하여 터빈 운전 중 밸브 시험을 수행하는 경우에 다른 밸브들의 개도를 제어하여 고압터빈의 압력을 제어함으로서 발전기 출력변동량을 기존의 4%에서 0.6%로 최소화하였다. 이에 따라 조속 밸브 전단의 주증기 압력 변동과 증기발생기 수위변동이 최소화되어 원자로 안정성에 공헌하였다.

후속연구

다른 발전소의 경우는 밸브 시험시 충동실 압력제어를 위하여 오직 비례제어를 채용하고 있어서 발전기 출력이 5%~9% 정도 변동하고 있다.[1] 따라서, 본 논문에서 제시한 알고리즘을 적용하면 다른 발전소 안정운전에 크게 기여할 수 있을 것으로 판단된다. 본 논문은 충동실 압력제어기를 원자력 발전소에 실증 적용한 내용으로 국내에서 처음으로 적용한 사례이며 보수적인 비례적분 제어기 만으로도 밸브 시험시 충동실 압력제어를 통하여 발전기 출력의 변동을 최소화할 수 있음을 입증하였다.

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