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문제 정의
- 기존의 선형 가변 위치 전송기는 감시용으로만 사용하도록 했으며 새로 설치한 두 대는 위치 전송기 선택 프로그램에서 각각의 이상여부를 점검하고 정상적인 신호를 선택해 입력되도록 하였다. 또한 전송기의 이상 유무를 경보하여 고장발생 즉시 원인 파악 및 조치가 가능하도록 하였다. 증기유량 제어밸브 위치 귀환신호는 급수펌프의 안정적인 운전을 위한 최소 유량인 2,300rpm 이상에서는 유량증가에 따라 적절한 동작을 위해 비례이득과 적분시간을 가변하여 설정하고 조정할 수 있다.
- 본 논문은 20개의 프로그램 중 자동제어와 급수펌프 보호용 정지 프로그램 부분 등 세 개의 프로그램에 대한 것이다. 프로그램에는 기존에는 없는 계측기 상태 감시 및 다중화, 건전한 계측기의 자동 선택, 각종 경보, 자동수동 모드 선택, 피드포워드 기능, 가변 비례이득 및 적분시간 등의 기능도 추가하였다.
- 본 논문은 발전소 증기발생기인 보일러에 물을 공급하는데 필요한 보일러 급수펌프 유량제어기가 구형 아날로그 제어시스템이어서, 노후화 된 이를 디지털 제어시스템으로 교체하였는데, 교체한 디지털 제어시스템을 어떻게 설계하고 개발했는지를 작성한 것이다. 또한 디지털 제어시스템을 현장에 적용하였는데, 만족한 결과를 얻었다.
- 급수펌프가 리셋되거나 급수펌프 속도 설정값이 10rpm 이상이 되면 1초간의 펄스 신호가 한번 발생하여 파일럿 밸브 위치 설정값은 기동 초기나 리셋을 위한 파일럿 밸브 위치 설정값인 60%로 설정하였다. 이는 중립점 근처로 밸브를 동작시켜 갑작스런 동작으로 인한 흔들림을 방지하고 기동을 준비하기 위해 설정하였다. 급수펌프는 기동시 급수펌프에 연결된 터닝기어를 10rpm 미만으로 회전시켜 예열을 하는데, 예열이 완료되면 10rpm으로 속도를 올리고, 이때 터닝기어는 정지하고 증기를 이용하여 회전을 하게 된다.
제안 방법
- 2,300rpm 이상에서의 가변비례이득은 초기에 설정한 가변 비례이득과 같은 기울기로 조정하였다.
- 가변 적분시간은 증기유량 제어 밸브 위치 전체구간에서 6초로 설정하였다. 2,300rpm 이하인 경우 펌프 최소유량보다 적은 유량을 제어하므로 불안정한 범위를 최대한 빠르게 제어하기 위해 비례이득은 10, 적분시간은 5초로 초기 설정하였다.
- 가변 비례이득은 증기유량 제어밸브 위치가 50% 이하일 경우 6으로 설정하고, 유량이 급속히 증가하는 50% 이상에서 100%까지는 직선상에서 증가해 100%에서 20으로 설정하였다. 이는 유량이 증가할 경우 충분한 동작이 가능하도록 조절하기 위한 것이다.
- 이는 유량이 증가할 경우 충분한 동작이 가능하도록 조절하기 위한 것이다. 가변 적분시간은 증기유량 제어 밸브 위치 전체구간에서 6초로 설정하였다. 2,300rpm 이하인 경우 펌프 최소유량보다 적은 유량을 제어하므로 불안정한 범위를 최대한 빠르게 제어하기 위해 비례이득은 10, 적분시간은 5초로 초기 설정하였다.
- 개발한 프로그램은 오베이션 시스템에 설치한 후 현장에서 무부하 시험과 부하시험을 통해 오베이션 시스템과 서보 위치제어기를 조정하여 실제로 발전소에 적용하였다. 처음부터 부하시험으로 실제 급수를 공급하면서 제어기를 조정할 경우 급수 제어가 보일러 압력과 온도, 터빈으로 공급하는 증기유량에 직접적인 영향을 주어 발전소가 정지할 수 있으므로, 급수를 공급하지 않고, 밸브를 동작시키는 유압공급설비만 정상화하여 밸브를 조정하는 무부하 시험을 먼저 시행하였다.
- 급수펌프 A, B 증기유량 제어밸브 초기 조정을 하였다. 계단응답 시험을 하면서 그림 7의 ① 비례적분 제어기 비례 이득 및 적분시간을 변경한 후 동작상태를 확인해서 제어기 조정을 시행하였다.
- 계통 병입 전 부하시험 및 조정을 한 후 계통 병입 후 시험을 하였다. 계통 병입 후에는 보일러 과열기 및 재열기 온도 저감을 위해 급수펌프 중간단과 출구측에서 급수를 각각 최고 200t/h, 100t/h 가량 취출해 사용하며 압력 및 온도 변화로 인한 급수 주제어기 제어 요소 또한 급변하게 된다.
- 부하시험 및 조정은 그림 9와 같이 발전소 기동시 증기유량 제어밸브에 실제 증기를 공급하면서 제어 시스템의 제어 상태를 확인하고 조정하였다. 계통 병입 전에는 보일러 급수를 공급하는 상태에서 운전원이 원격 제어로 속도 설정값을 주고 시험 조정하였으며, 계통 병입 후에는 운전 및 제어가 안정된 상태가 되면 전체 제어기를 자동제어모드로 절환하여 시험하였다. 전체 자동제어모드에서는 속도 설정값이 발전소 최상위 신호로부터 발생하여 실제 급수펌프의 속도 귀환신호와의 오차를 최적의 상태로 제어하는지를 점검하고 조정하였다.
- 또한 급수펌프 A 증기유량 제어밸브 응동에 지연이 있어 파일럿 밸브 제어기의 적분시간을 줄여 속응성을 개선하였다. 계통병입 전 급수펌프 무부하 시험을 통해 조정을 실시하고 계통병입 후 원격제어 상태에서 급수펌프 유량제어밸브의 비례이득을 조정해 부하가 걸린 상태에서 밸브 제어특성을 최종적으로 조정하고 마무리하였다.
- 급수 주제어기가 정지하면 속도제어가 불가능하므로 자동 수동절환기 출력 대신 속도제어 불능조건 만족시 출력하도록 설정한 증기유량 제어밸브 위치 설정값 “0”을 출력하여 급수펌프가 정지되도록 하였다.
- 급수제어계통을 비롯한 전 계통을 자동모드로 절환한 상태에서 발전소가 최대출력을 내는 동안 급수제어 계통을 원활하게 제어해 급수유량 1,600t/h을 정상적으로 공급함으로써 제어기 개발 및 발전소 기동을 성공적으로 마무리하였다.
- 급수펌프 A, B 리셋시 밸브가 100%까지 열리는 현상이 발생하였는데 이것은 파일럿 밸브 초기 설정값이 중립점보다 크게 설정되어 있어 생긴 결과로 설정값을 조정하여 정상화하였다. 또한 급수펌프 A 증기유량 제어밸브 응동에 지연이 있어 파일럿 밸브 제어기의 적분시간을 줄여 속응성을 개선하였다.
- 급수펌프 A/B 모두 조정을 통해 밸브 제어가 가능하게 되어 부하시험을 실시하였다.
- 급수펌프 속도 귀환신호는 속도센서 4개가 전송한 속도신호의 정상여부를 확인해 정상신호의 평균값을 사용한다. 기존에는 속도 이상여부를 감시하는 프로그램이 없었으나 개발한 프로그램에는 속도센서 이상여부, 속도센서간 신호편차 경보, 센서 이상시 평균값 계산에서 제외 등의 프로그램을 추가하였다. 또한 속도귀환신호는 속도 설정값과 오차를 계산해 그 결과를 비례적분 제어기에 입력하기 전 속도에 따른 증기유량 제어밸브의 동작을 조정할 수 있도록 입력값의 크기를 변환할 수 있는 오차조정 모듈을 설정하였다.
- 기존 제어기에서는 우드워드 505와 디지털 원격 제어기의 액정 및 터치패드를 통해 비례이득과 적분시간을 조정하는 기능만이 있었으며, 신호감시, 데이터 저장 등의 프로그램이 없었다. 또한 보일러 제어 시스템에서 자동, 수동, 기동, 정지, 속도 설정값 신호만을 수신하였다.
- 기존에는 속도 이상여부를 감시하는 프로그램이 없었으나 개발한 프로그램에는 속도센서 이상여부, 속도센서간 신호편차 경보, 센서 이상시 평균값 계산에서 제외 등의 프로그램을 추가하였다. 또한 속도귀환신호는 속도 설정값과 오차를 계산해 그 결과를 비례적분 제어기에 입력하기 전 속도에 따른 증기유량 제어밸브의 동작을 조정할 수 있도록 입력값의 크기를 변환할 수 있는 오차조정 모듈을 설정하였다.
- 증기유량 제어밸브 위치 귀환신호는 급수펌프의 안정적인 운전을 위한 최소 유량인 2,300rpm 이상에서는 유량증가에 따라 적절한 동작을 위해 비례이득과 적분시간을 가변하여 설정하고 조정할 수 있다. 반면 급수펌프 기동시 급수펌프 속도 귀환신호가 2,300rpm 이하인 경우에는 안정운전을 위해 비례이득 및 적분시간을 고정하였다.
- 그림 3은 보일러 급수펌프 제어기와 서보위치제어기 구성도이다. 본 논문에서는 전체 20개 프로그램 중 그림 3에 나타나 있는 전체적인 밸브제어 흐름과 관련되고 차후 제어변수 조정을 위해 필요한 자동제어 프로그램인 증기유량 제어 밸브 프로그램 및 파일럿 밸브 프로그램, 급수펌프 보호 역할을 하고 있는 속도제어계통 고장 및 과속도 정지 프로그램을 다루었다.
- 본 연구수행을 통해 국내에 설치된 500MW급 석탄화력발전소 22기에 적용할 수 있는 급수펌프 제어기를 개발하였다. 이번 연구결과를 계기로 사용수명을 초과하여 운영 중인 제어기를 대체할 수 있게 되었으며, 석탄화력발전소의 안정적인 설비운영에 일조를 하게 되었다.
- 부하시 발전기 최대출력에서 최종시험 및 조정을 하였다. 지금까지는 급수펌프 제어기에서 속도 설정값을 수동으로 입력하거나 급수 주제어기에서 운전원이 속도 설정값을 수동 입력하였다.
- 부하시험 및 조정은 그림 9와 같이 발전소 기동시 증기유량 제어밸브에 실제 증기를 공급하면서 제어 시스템의 제어 상태를 확인하고 조정하였다. 계통 병입 전에는 보일러 급수를 공급하는 상태에서 운전원이 원격 제어로 속도 설정값을 주고 시험 조정하였으며, 계통 병입 후에는 운전 및 제어가 안정된 상태가 되면 전체 제어기를 자동제어모드로 절환하여 시험하였다.
- 이러한 진동을 제거하기 위해 비례 이득을 줄이는 과정에서 오차가 완전히 없어지지 않는 오프셋이 발생하였다. 비례동작의 한계인 오프셋을 제거하기 위해 적분동작을 추가하여 시간을 조정하였다. 증기유량 제어밸브 제어기, 파일럿 밸브 제어기, 서보 밸브 제어기 각각의 최종조정결과는 표 19와 같으며 2,300rpm 이상에서의 증기유량 제어밸브의 튜닝결과를 식으로 표현하면 급수펌프 A는 식 (1)과 같다.
- 속도 변화시 유량제어 밸브가 요동했으며 유량제어밸브의 요동으로 파일럿밸브가 이를 제어하기 위해 요동하였다. 계통병입 전에 조정한 유량제어 밸브의 비례이득을 조정하여 요동 현상을 제거했으며 비례이득 조정 내용은 표 6과 같다.
- 비례동작에 의한 적절한 과도응답과 적분동작에 의한 정상상태 옵셋 제거가 가능하였다. 시험을 하는 동안 동작지연이 발생하지 않고, 유량제어의 경우 작고 높은 주파수의 노이즈가 발생하는데 이러한 경우 미분동작이 적합하지 않으므로 미분동작을 추가하지 않고 비례적분 제어기만을 구성하였다.[10][11] 또한 미분동작의 경우는 조정에 장시간이 소요되고, 빈번히 조정을 해야 최적의 상태를 유지할 수 있으나,[12] 발전소는 조정을 하기 위한 정지기간에 시간당 수천만 원의 발전 손실이 발생하고 적절한 조정 기간을 갖지 못할 경우 오히려 시스템이 불안정해질 수 있는 단점을 갖고 있어 제외하였다.
- 유량제어루프가 상당히 빠르고 자주 노이즈를 발생하므로 비례동작은 크고 적분동작은 적게 해서 루프 전체의 안정성을 향상시켰으며, 급수펌프 A, B의 비례이득과 적분시간 초기 설정값은 기존 값을 참고하여 표 1과 같이 설정하였다.
- 전기적 과속도 신호는 6,207rpm이며, 전기적 과속도 신호에 의한 급수펌프 정지가 실패할 경우 기계적 과속도 신호에 의해 급수펌프를 정지시키는 데 6,300rpm으로 설정하였다.
- 계통 병입 전에는 보일러 급수를 공급하는 상태에서 운전원이 원격 제어로 속도 설정값을 주고 시험 조정하였으며, 계통 병입 후에는 운전 및 제어가 안정된 상태가 되면 전체 제어기를 자동제어모드로 절환하여 시험하였다. 전체 자동제어모드에서는 속도 설정값이 발전소 최상위 신호로부터 발생하여 실제 급수펌프의 속도 귀환신호와의 오차를 최적의 상태로 제어하는지를 점검하고 조정하였다.
- 제어 시스템 교체 후 밸브 유압계통을 정상화하여 실제로 밸브를 구동하여 최초 동작상태를 확인하였다. 증기유량 제어밸브 위치 설정값을 단말기에서 직접 수동으로 변경하면서 서보 밸브, 파일럿 밸브, 증기유량 제어밸브의 응동상태를 확인하였으며, 증기유량 제어밸브의 위치 설정값 대비 위치 귀환신호가 급수펌프 A, B 각각 약 3～62%, 35% 적게 나타나 제어범위를 벗어나고 오차가 발생하였다.
- 제어기는 기존의 비례이득, 적분시간을 이용할 수 있는 비례·적분·미분 제어기를 사용하였다.
- 제어변수는 증기유량 제어밸브 프로그램의 속도 오차에 대한 비례적분 제어기 가변 및 고정 비례이득과 적분시간, 비례적분 제어기 속도오차 조정, 파일럿 밸브 프로그램의 증기유량제어밸브 위치 설정값과 위치 귀환신호간 오차에 대한 비례적분 제어기 비례이득과 적분시간, 비례적분 제어기 위치오차 입력변환에 의한 피드포워드 기능의 바이어스, 파일럿 밸브 중립점, 서보위치제어기의 비례이득, 중립점 전류이다.
- 바이어스 설정값 중 증기유량 제어밸브의 위치귀환신호와 위치 설정값간의 오차가 없는 경우 설정값은 파일럿 밸브 중립점으로, 급수펌프 속도가 설정값과 일치해 증기유량 제어밸브가 현 상태를 유지하는 지점이다. 중립점을 적절히 설정하지 않을 경우 파일럿 밸브가 요동하게 되며 요동이 심할 경우에는 발산하게 되어 유량제어가 불가능하게 되므로 시험 및 조정을 통해 최적 위치를 설정하였다.
- 증기유량 제어밸브 위치귀환신호와 위치 설정값은 비례적분제어기로 입력되며 비례이득과 적분시간을 조정하였다. 증기유량 제어밸브 위치귀환신호와 위치 설정값간의 오차를 계산한 결과는 비례적분제어기 출력을 예상한 바이어스를 설정하는데 사용하며 설정값은 비례적분 제어기 출력과 합산한다.
- 개발한 프로그램은 오베이션 시스템에 설치한 후 현장에서 무부하 시험과 부하시험을 통해 오베이션 시스템과 서보 위치제어기를 조정하여 실제로 발전소에 적용하였다. 처음부터 부하시험으로 실제 급수를 공급하면서 제어기를 조정할 경우 급수 제어가 보일러 압력과 온도, 터빈으로 공급하는 증기유량에 직접적인 영향을 주어 발전소가 정지할 수 있으므로, 급수를 공급하지 않고, 밸브를 동작시키는 유압공급설비만 정상화하여 밸브를 조정하는 무부하 시험을 먼저 시행하였다.[7]
- [9] 이러한 결과로 빠른 적분동작을 얻을 수 있었으며 진동을 제거할 수 있었다. 초기 조정시 계단응답시험을 통한 시행착오 방식을 통해 안정성을 고려한 조정을 하였다. 비례동작에 의한 적절한 과도응답과 적분동작에 의한 정상상태 옵셋 제거가 가능하였다.
- 500MW 발전소의 경우 초임계압, 아임계압 등 주증기 압력에 따라 차이가 있으나 출력 500MW에서의 급수유량은 1600t/h 정도로 운전 된다. 출력 30% 정도인 150MW에서 급수펌프 A, B 각각 3,000rpm 정도로 운전되는 상태에서 급수펌프 A를 자동운전 모드로 절체한 뒤 출력을 증발하면서 급수 1,300t/h을 초과한 후 급수펌프 B를 자동으로 절체하고 500MW, 1,600t/h까지 운전상태를 확인하였다. 그림 15는 급수펌프 A를 자동으로 절체한 상태에서 급수펌프 B를 자동으로 절체하기 전 운전 상태이다.
- 본 논문은 20개의 프로그램 중 자동제어와 급수펌프 보호용 정지 프로그램 부분 등 세 개의 프로그램에 대한 것이다. 프로그램에는 기존에는 없는 계측기 상태 감시 및 다중화, 건전한 계측기의 자동 선택, 각종 경보, 자동수동 모드 선택, 피드포워드 기능, 가변 비례이득 및 적분시간 등의 기능도 추가하였다.
- 프로그램은 급수 주제어기로부터 각 펌프에 대한 제어 요구 신호인 속도 설정값을 입력받아 저압증기 유량제어밸브, 파일럿 밸브, 서보 밸브를 제어하는 부분이다. 프로그램은 자동 및 수동 모드 선택 프로그램, 기동 및 정지 프로그램, 속도 추종 프로그램, 원격 속도 설정 프로그램, 속도 목표값 선택 프로그램, 속도감시 프로그램, 증기유량 제어밸브 프로그램, 증기유량 제어밸브 위치감시 프로그램 등 총 20개 프로그램으로 구성하였다.
대상 데이터
- 개발 대상인 500MW급 석탄화력발전소는 2009년 현재 우리나라 발전설비 전체용량 70,353MW 중 약 15%인 11,000MW를 담당하고 있다. 500MW급 석탄화력발전소의 기계설비는 설계수명이 30년 이상으로 여전히 사용연한 내에서 운전이 가능하나, 제어설비는 내용수명이 12년으로 이미 사용연한을 초과하여 주기적인 정비와 교체를 시행하여왔다.
- 또한 제작사의 생산중단으로 예비품 확보가 곤란하여 유지정비가 어려운 현실이며, 제어기의 이중화 또는 삼중화를 고려하지 않아 고장시 바로 급수제어계통이 정지되는 문제점을 안고 있다. 실례로 2007년 11월 500MW 석탄화력발전소에서 정지사고가 발생하였는데, 기존 제어기가 데이터 저장 및 분석, 자기진단, 경보 기능 등이 없어 아무런 경보나 사전 징후 없이 밸브가 모두 닫혀 급수펌프가 정지하는 사고가 발생하였다. 이를 계기로 디지털 제어시스템 개발이 필요하게 되었으며 타발전소에서도 본 연구결과를 현장설비에 적용 중에 있다.
성능/효과
- 급수펌프 A, B 리셋시 밸브가 100%까지 열리는 현상이 발생하였는데 이것은 파일럿 밸브 초기 설정값이 중립점보다 크게 설정되어 있어 생긴 결과로 설정값을 조정하여 정상화하였다. 또한 급수펌프 A 증기유량 제어밸브 응동에 지연이 있어 파일럿 밸브 제어기의 적분시간을 줄여 속응성을 개선하였다. 계통병입 전 급수펌프 무부하 시험을 통해 조정을 실시하고 계통병입 후 원격제어 상태에서 급수펌프 유량제어밸브의 비례이득을 조정해 부하가 걸린 상태에서 밸브 제어특성을 최종적으로 조정하고 마무리하였다.
- 본 논문은 발전소 증기발생기인 보일러에 물을 공급하는데 필요한 보일러 급수펌프 유량제어기가 구형 아날로그 제어시스템이어서, 노후화 된 이를 디지털 제어시스템으로 교체하였는데, 교체한 디지털 제어시스템을 어떻게 설계하고 개발했는지를 작성한 것이다. 또한 디지털 제어시스템을 현장에 적용하였는데, 만족한 결과를 얻었다.
- 초기 조정시 계단응답시험을 통한 시행착오 방식을 통해 안정성을 고려한 조정을 하였다. 비례동작에 의한 적절한 과도응답과 적분동작에 의한 정상상태 옵셋 제거가 가능하였다. 시험을 하는 동안 동작지연이 발생하지 않고, 유량제어의 경우 작고 높은 주파수의 노이즈가 발생하는데 이러한 경우 미분동작이 적합하지 않으므로 미분동작을 추가하지 않고 비례적분 제어기만을 구성하였다.
- 본 연구수행을 통해 국내에 설치된 500MW급 석탄화력발전소 22기에 적용할 수 있는 급수펌프 제어기를 개발하였다. 이번 연구결과를 계기로 사용수명을 초과하여 운영 중인 제어기를 대체할 수 있게 되었으며, 석탄화력발전소의 안정적인 설비운영에 일조를 하게 되었다.
- 제어 시스템 교체 후 밸브 유압계통을 정상화하여 실제로 밸브를 구동하여 최초 동작상태를 확인하였다. 증기유량 제어밸브 위치 설정값을 단말기에서 직접 수동으로 변경하면서 서보 밸브, 파일럿 밸브, 증기유량 제어밸브의 응동상태를 확인하였으며, 증기유량 제어밸브의 위치 설정값 대비 위치 귀환신호가 급수펌프 A, B 각각 약 3～62%, 35% 적게 나타나 제어범위를 벗어나고 오차가 발생하였다. 또한 리셋 시 증기유량 제어밸브가 100%까지 열렸다가 닫히는 현상도 발생하였다.
후속연구
- 이로써 수명연한을 초과하여 운전 중인 석탄화력발전소 급수펌프 제어 시스템 개발을 성공적으로 마무리하고 차후 타발전소에도 확대·적용할 수 있는 기반을 마련하였으며 설비의 신뢰성 향상과 안정적인 운영이 가능할 것으로 기대한다.
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