[논문]모델 기반의 화력발전소 발전기 출력 제어 프로그램 개발

임건표; 김문수; 최인규; 박두용; 김호열

doi:10.5370/kiee.2010.59.3.614

문제 정의

본 논문에서는 고급공정제어기 개발과정을 소개한 후 고급공정제어기를 이용하여 구성한 프로그램으로 운전 변수를 효과적으로 제어하면서 기존의 프로그램보다 전력계통상에서 요구되는 발전기 출력을 신속히 제어하는 과정을 설명하였다. 우선 보일러 마스터와 터빈 마스터로 구성된 프로그램을 설계한 뒤 이들 마스터에 대한 발전기 출력과 주증기 압력의 영향을 모델링하였다.
본 논문은 유니트 마스터를 구성하는 보일러 마스터(Boiler master, 보일러 주제어기) 및 터빈 마스터(Turbine master, 터빈 주제어기)를 기존의 복잡한 제어로직 대신 모델 기반의 간단한 제어로직으로 개발한 내용이다. 사용자가 쉽게 로직을 이해하고, 제어기 조정을 용이하게 수행함으로써 발전소를 효율적으로 운영할 수 있도록 하는데 목적을 두었다.
본 연구수행을 통해 국내에 건설할 1000MW 대용량 화력발전소를 제어하기 위한 모델 기반의 고급공정제어기를 적용한 프로그램을 성공적으로 개발하였다. 이번 연구결과를 계기로 기존 프로그램의 성능을 유지하면서 보다 신속한 출력변동률을 제어함으로써 발전소의 안정적인 운영뿐만 아니라 프로그램을 쉽게 이해하고 튜닝을 적기에 수행할 수 있게 되어 국내 기술력 향상과 설비 최적화에 기여할 수 있게 되었다.
본 논문은 유니트 마스터를 구성하는 보일러 마스터(Boiler master, 보일러 주제어기) 및 터빈 마스터(Turbine master, 터빈 주제어기)를 기존의 복잡한 제어로직 대신 모델 기반의 간단한 제어로직으로 개발한 내용이다. 사용자가 쉽게 로직을 이해하고, 제어기 조정을 용이하게 수행함으로써 발전소를 효율적으로 운영할 수 있도록 하는데 목적을 두었다.

제안 방법

처음에 설계한 프로그램을 세 번에 걸쳐 수정하고 수십 차례 시험하면서 시행착오를 겪어야 했다. 기존보다 두 배 정도 용량이 증가한 발전소를 제어하기 위해 모델기반의 고급공정제어기를 이용한 URO를 적용했으며, 여러 번에 걸친 조정과 프로그램 수정, 모델 수정 등을 통해 온도와 압력을 기존 500MW급 표준석탄화력발전소만큼 안정적으로 유지하면서 발전소의 최종 출력인 발전기 출력을 효과적으로 제어할 수 있는 프로그램을 구현하게 되었다. 고급공정제어모드로 발전기 출력을 제어하는 데 있어서는 기존 500MW 표준 석탄화력발전소와 차세대 화력발전 시뮬레이터의 협조제어 모드보다 더 좋은 결과를 보여주었다.
1차 설계에서의 프로그램은 서로 상충되는 단점을 가지고 있다. 따라서 이를 보완하기 위해 그림 3과 같이 다중변수 피드백 제어(Multi-Variable Feedback Control) 형태를 구상해 보았다.
먼저 고급공정제어기를 적용할 프로그램인 발전소 응답 최적기(Unit Response Optimizer, URO)를 설계하였다. 기본적인 개념은 발전기 출력이 변하는 동안 피드포워드 기능이 대부분의 제어를 담당하고, 제어의 오차나 불확실한 외란은 피드백으로 보상하였다.
부하시험결과에 대한 트렌드를 얻고, 그 트렌드에 따라 원하는 트렌드를 수정하여 모델을 얻을 수 있다. 부하시험은 1000MW 화력발전 제어로직을 시험하기 위해 제작한 시뮬레이터에서 수행하였다. 시뮬레이터는 발전소에 실제 사용하고 있는 주제어설비와 이미 개발한 발전소 설계 데이터를 입력한 공정모델 컴퓨터로 구성되어 있다.
고급공정제어기에 사용할 모델은 시험자료에 근거하여 얻었다. 시험은 보일러 마스터와 터빈 마스터를 수동으로 절체하여 시행했다.
본 논문에서는 고급공정제어기 개발과정을 소개한 후 고급공정제어기를 이용하여 구성한 프로그램으로 운전 변수를 효과적으로 제어하면서 기존의 프로그램보다 전력계통상에서 요구되는 발전기 출력을 신속히 제어하는 과정을 설명하였다. 우선 보일러 마스터와 터빈 마스터로 구성된 프로그램을 설계한 뒤 이들 마스터에 대한 발전기 출력과 주증기 압력의 영향을 모델링하였다. 각각의 모델을 고급공정제어기에 적용하고 조정함으로써 발전기 출력제어에 대하여 기존의 발전소 응답보다 좀 더 효율적인 결과를 얻을 수 있었다.
관행적으로 외국 튜닝전문가들에 의지하는 바가 크므로 국내기술자들의 전문 기술 향상 및 설비의 적기 최적화가 어려운 실정이다. 이에 상당수의 입력신호와 복잡한 제어루프를 간략하게 구성한 모델기반의 고급공정제어기(Advanced Process Control, APC)를 이용한 프로그램을 개발하였다.
처음에 예측제어 고급공정제어기 모델을 제외한 상태로, 응답속도를 조절하기 위한 저속 키커와 고속 키커만을 이용해 조정을 해 보았으나 발전기 출력별로 양호한 응답을 얻을 수 없었다. 이에 예측제어 고급공정제어기를 적용하기로 결정하고 최종프로그램을 확정하여 모델링을 하고 조정을 시행하였다.
2차에서 설계한 프로그램에서도 조정과정에서 기수분리기출구 증기온도 고급공정제어기가 안정적인 마스터 제어를 하지 못했다. 이에 최종적으로 그림 4와 같이 저속 키커(저속 고급공정제어기, ARX Slow)와 고속 키커(고급공정제어기, ARX Fast)로 구성된 응답속도 조절신호와 예측제어 고급공정제어기 1～4(ARX 1～4)를 구성했다.
URO는 기존의 마스터 프로그램을 경유하지 않고 기존의 전력 요구신호와 주증기 압력 신호 등을 입력신호로 하여 또 하나의 제어모드인 고급공정제어모드를 형성하도록 했다. 즉 기존의 프로그램을 거치지 않고 URO만으로 제어가 가능하도록 하였다.

대상 데이터

부하시험은 1000MW 화력발전 제어로직을 시험하기 위해 제작한 시뮬레이터에서 수행하였다. 시뮬레이터는 발전소에 실제 사용하고 있는 주제어설비와 이미 개발한 발전소 설계 데이터를 입력한 공정모델 컴퓨터로 구성되어 있다.

성능/효과

우선 보일러 마스터와 터빈 마스터로 구성된 프로그램을 설계한 뒤 이들 마스터에 대한 발전기 출력과 주증기 압력의 영향을 모델링하였다. 각각의 모델을 고급공정제어기에 적용하고 조정함으로써 발전기 출력제어에 대하여 기존의 발전소 응답보다 좀 더 효율적인 결과를 얻을 수 있었다. 또한 실제 적용이 가능한 것도 확인하였다.
기존보다 두 배 정도 용량이 증가한 발전소를 제어하기 위해 모델기반의 고급공정제어기를 이용한 URO를 적용했으며, 여러 번에 걸친 조정과 프로그램 수정, 모델 수정 등을 통해 온도와 압력을 기존 500MW급 표준석탄화력발전소만큼 안정적으로 유지하면서 발전소의 최종 출력인 발전기 출력을 효과적으로 제어할 수 있는 프로그램을 구현하게 되었다. 고급공정제어모드로 발전기 출력을 제어하는 데 있어서는 기존 500MW 표준 석탄화력발전소와 차세대 화력발전 시뮬레이터의 협조제어 모드보다 더 좋은 결과를 보여주었다. 이로써 기존의 복잡한 프로그램을 모델 기반의 프로그램으로 개발하는 데 성공했으며, 차후 1000MW 대용량 발전소뿐만 아니라 기존의 운영중인 발전소와 신규발전소에 확대․적용하여 설비 신뢰성 향상과 안정적인 운영이 가능할 것으로 기대한다.
고급공정제어모드로 제어할 경우 출력변동률에 있어서는 현격한 차이를 보이면서 기존설비가 3% 전후인데 비해 4～5%의 우수한 성능을 보여주는 것을 알 수 있다. 이러한 성능을 보이는 데 있어서의 문제는 온도와 압력을 얼마만큼 안정적으로 제어할 수 있는 가이다.
또한 주증기, 재열증기 온도가 각각 변동 설계값인 ±10, ±12℃로 잘 유지되었다.
주증기 온도 및 재열증기 온도에 있어서는 기존 500MW 발전소보다 용량이 두 배 정도 되는 발전소를 제어하면서도 500MW 발전소의 운전기준을 만족함으로써 우수한 제어결과를 보여주었다. 압력에 있어서는 고급공정제어 모드에서 더 많은 변화를 보여주고 있으나 압력변동 제한 설정값인 15㎏/㎠ 이내로 제어되고 있기 때문에 발전소 안정운전에 저해가 되지 않아 충분히 좋은 결과를 보여주었다.
본 연구수행을 통해 국내에 건설할 1000MW 대용량 화력발전소를 제어하기 위한 모델 기반의 고급공정제어기를 적용한 프로그램을 성공적으로 개발하였다. 이번 연구결과를 계기로 기존 프로그램의 성능을 유지하면서 보다 신속한 출력변동률을 제어함으로써 발전소의 안정적인 운영뿐만 아니라 프로그램을 쉽게 이해하고 튜닝을 적기에 수행할 수 있게 되어 국내 기술력 향상과 설비 최적화에 기여할 수 있게 되었다.
이러한 성능을 보이는 데 있어서의 문제는 온도와 압력을 얼마만큼 안정적으로 제어할 수 있는 가이다. 주증기 온도 및 재열증기 온도에 있어서는 기존 500MW 발전소보다 용량이 두 배 정도 되는 발전소를 제어하면서도 500MW 발전소의 운전기준을 만족함으로써 우수한 제어결과를 보여주었다. 압력에 있어서는 고급공정제어 모드에서 더 많은 변화를 보여주고 있으나 압력변동 제한 설정값인 15㎏/㎠ 이내로 제어되고 있기 때문에 발전소 안정운전에 저해가 되지 않아 충분히 좋은 결과를 보여주었다.
최초의 설계 개념은 보일러 추종 형태로 보일러 마스터 프로그램 측에 고급공정제어기인 ARX와 퍼지로직을 사용해 비선형의 피드포워드 기능을 주었다. 터빈 마스터가 발전기 출력을 전력요구신호에 따라 제어하는 동안 보일러가 이에 필요한 주증기의 압력변화를 추종하는 형태로 응답속도가 가장 빠르기는 하지만 보일러 압력제어가 불안정해지며 운전제한값을 벗어날 경우 발전소를 정지해야 하는 단점을 가지고 있다.
5%이며, 이러한 출력변동 지연은 전력거래소와 전력거래에 있어 손실을 초래하는 요소로 작용한다. 출력변동률 1～5%에서의 부하시험을 통해 1000MW 화력발전소용 프로그램 검증용 시뮬레이터의 응동상태가 실제 운전 중인 화력발전소와 동일하며, URO 적용의 신뢰성을 검증하는 데 문제가 없음을 확인하였다.

후속연구

고급공정제어모드로 발전기 출력을 제어하는 데 있어서는 기존 500MW 표준 석탄화력발전소와 차세대 화력발전 시뮬레이터의 협조제어 모드보다 더 좋은 결과를 보여주었다. 이로써 기존의 복잡한 프로그램을 모델 기반의 프로그램으로 개발하는 데 성공했으며, 차후 1000MW 대용량 발전소뿐만 아니라 기존의 운영중인 발전소와 신규발전소에 확대․적용하여 설비 신뢰성 향상과 안정적인 운영이 가능할 것으로 기대한다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전력시장에 진입하는 발전소는 무엇을 수행할 수 있어야 하는가?	터빈에서 필요로 하는 증기는 보일러에 연료, 공기, 급수를 공급하여 조절하게 되는 데, 보일러와 터빈에서 제일 중요한 제어 목표는 각각 주증기 압력(Main steam pressure)과 발전기 출력(Generator MW)이다. 전력시장에 진입하는 발전소는 전력계통의 갑작스런 불안정 상황이나 전력거래소 요청시 경사 변동폭, 출력변동률, 무효전력 출력, 자동발전제어, 주파수조정량 확보 등을 수행할 수 있어야 한다. 정부에서 고시한 경사변동폭과 출력변동률, 설비의 안정운전 및 고장예방을 도모하기 위한 운전조건을 만족시키기 위해서는 발전소의 최종적인 제어요소인 발전기 출력을 안정적으로 조절할 수 있어야 한다.
	유니트 마스터를 구성하는 제어기는 무엇이 있는가?	본 논문은 유니트 마스터를 구성하는 보일러 마스터(Boiler master, 보일러 주제어기) 및 터빈 마스터(Turbine master, 터빈 주제어기)를 기존의 복잡한 제어로직 대신 모델 기반의 간단한 제어로직으로 개발한 내용이다. 사용자가 쉽게 로직을 이해하고, 제어기 조정을 용이하게 수행함으로써 발전소를 효율적으로 운영할 수 있도록 하는데 목적을 두었다.
	유니트 마스터의 각종 공정을 PID로 제어한 이유는 무엇인가?	유니트 마스터의 각종 공정은 대부분 PID에 의해 제어되어 왔다. 이러한 PID의 최적조정은 발전소가 최고의 효율을 내기 위해 가장 중요한 부분 중 하나이다.

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