[논문]발전소 터빈제어 밸브시험 계통 모델 개발

우주희; 최인규; 박두용; 김종안

doi:10.5370/kiee.2011.60.4.830

[국내논문] 발전소 터빈제어 밸브시험 계통 모델 개발
Development of Process Model for Turbine Control Valve Test in a Power Plant 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.60 no.4, 2011년, pp.830 - 837

우주희 (한전전력연구원) , 최인규 (한전전력연구원) , 박두용 (한전전력연구원) , 김종안 (한전전력연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

A turbine control system which has been operated for years in a nuclear power plant was retrofitted with a newly developed digital control system. After completion of the retrofit, turbine valve tests were performed to ensure the integrity of each valve's control function. The sequence of each valve test is composed of a closing process and a reopening process. To minimize megawatt variation which normally occurs during the test sequence, we employed a kind of compensator algorithm in the new digital control system which also have been used in the old system. There were difficulties finding optimal parameter settings for our new compensator algorithm because the power plant didn't allow us to perform necessary tuning procedures while the turbine is on load operation. Therefore an alternative measure for the compensator tuning which is independent of the turbine actual operation had to be implemented. So, a process model for the test was required to overcome this situation. We analyzed the operation data of the test and implemented the process model by use of input and output variable relations. Also we verified the process model by use of another condition's operating data. The result shows that the output of model is similar to the actual operation data.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 원자력 발전소의 터빈제어용 밸브시험 계통의 모델을 개발하기 위해 실제 적용대상 발전소의 운전 데이터를 취득하고 관련 계통에 대한 입출력 관계를 활용하여 경험적인 방법으로 구현한 결과를 소개하고자 한다.
일반적으로 공정을 모델링하는 방법은 보통 두 가지로 나눌 수 있으며, 하나는 물리법칙으로부터 공정의 동특성을 표현하는 해석적인 방법이고, 다른 하나는 실제 공정에서 취득한 운전 데이터로부터 공정의 매개변수를 추정하는 방법이다. 본 논문에서는 후자의 방법을 사용하여 관련 계통의 모델을 구현하고자 한다. 본 논문에서 구현할 공정모델은 앞에서 언급한 바와 같이 1차의 시간지연 모델로 가정하였으며, 공정모델의 매개변수 추정 알고리즘은 순환 최소 자승법(RLS:Recursive Least Square Algorithm)을 사용하였다[5].
최종 구현된 모델을 검증하기 위해 실제 발전소에서 취득한 다른 조건의 운전데이터를 사용하여 유사한 결과를 보여주는가를 확인함으로써 검증하고자 한다.

가설 설정

본 논문에서는 후자의 방법을 사용하여 관련 계통의 모델을 구현하고자 한다. 본 논문에서 구현할 공정모델은 앞에서 언급한 바와 같이 1차의 시간지연 모델로 가정하였으며, 공정모델의 매개변수 추정 알고리즘은 순환 최소 자승법(RLS:Recursive Least Square Algorithm)을 사용하였다[5].

제안 방법

CV에 대한 터빈제어 밸브 시험이 진행되는 동안 FSP 제어기는 발전기 출력 (MW)과 터빈 1단 압력 (FSP)이 최소화 되도록 동작되므로, 이들 변수를 구하고자 하는 모델의 출력 변수로 설정하였다.
공정 모델의 구성은 사용하는 입력변수에 따라 두 가지 경우를 고려하여 비교하였다. 각 밸브의 개도(CV1_p, CV2_p, CV3_p, CV4_p)를 입력으로 하여 공정 모델의 변수를 구하는 것(Case 1)과 밸브의 개도에 따른 유량 관계를 모의하는 비선형 함수의 출력값 (CV1_f, CV2_f, CV3_f, CV4_f)을 입력으로 하여 공정 모델의 변수를 구하는 것(Case 2)이다.
는 구하고자 하는 공정모델의 매개변수이고, J(k)는 매개변수를 추정하기 위한 평가함수이다. 공정 모델의 매개변수를 구하기 위해 MATLAB에서 제공하는 명령어(rarx)를 사용하였고 망각지수(Forgetting Factor)는 0.98로 선택하였으며 입출력신호 데이터는 0.25초 주기로 취득하여 각 공정모델의 매개변수를 추정하였다[6]. 또한 구한 공정모델의 출력을 모의하기 위해 MATLAB의 SIMULINK 프로그램을 사용하였다.
동일한 방법으로 터빈 1단 압력 모델을 구하였으며, Case 1에 대해 추정한 모델은 발산하는 결과를 보여주어서 본 논문에서는 생략하였으며, Case 2에 대한 모델의 매개변수는 표 2에서 보여주고 있다. 구해진 모델을 사용하여 실제 운전데이터와 모델의 추정값의 결과를 그림 10에서 보여주고 있다.
모델의 출력변수는 발전기 출력과 터빈 1단 압력 신호로 정의하고 입력변수는 4개 밸브의 개도신호로 정의하였고, 각각에 대해 1차 시간지연 모델로 구성하였다. 또한 이들 출력신호는 증기유량과 비례 관계가 있어서 밸브개도에 대해 증기유량 관계를 정의하는 비선형 함수를 도입하여 밸브개도를 입력으로한 경우와 비교하였다. 이러한 방식으로 구한 발전기 출력 모델은 증기유량을 입력으로 하여 구한 모델이 더 좋은 결과를 보여주었으며, 1단 압력 모델은 주증기 압력을 추가한 경우가 더 좋은 결과를 보여주었다.
이러한 목적을 달성하기 위해 적용 대상 발전소에서 최초 수행한 운전 데이터를 분석하고 관련 계통에 대한 입출력 관계를 활용하여 경험적인 방법으로 모델을 구하였다. 모델의 출력변수는 발전기 출력과 터빈 1단 압력 신호로 정의하고 입력변수는 4개 밸브의 개도신호로 정의하였고, 각각에 대해 1차 시간지연 모델로 구성하였다. 또한 이들 출력신호는 증기유량과 비례 관계가 있어서 밸브개도에 대해 증기유량 관계를 정의하는 비선형 함수를 도입하여 밸브개도를 입력으로한 경우와 비교하였다.
위의 주증기 압력 모델을 추가하여 1단 압력 모델을 다시 구하였다. 구한 결과가 표 3과 그림 18, 19, 20에서 보여주고 있으며, Case 2의 경우 이전에 구했던 모델 보다 더 향상된 결과를 보여주고 있다.
이를 구현하기 위해 그림 15와 같은 구성을 제안하였다. 이 구성은 정상상태의 주증기 압력을 임의의 상수값으로 유지하다가 밸브시험이 시작되면 임의의 계단 모의신호를 인가하여 주증기 압력 변화분에 대한 모델에 의해 최종 주증기 압력이 구현되도록 하였다. 최종 구현된 모델은 그림 16과 같으며, 실제 운전데이터와 유사한 결과를 그림 17에서 보여주고 있다.
최근 국내 1000MW급 원자력발전소의 터빈제어시스템이 개조되어 발전소에 적용되는 과정에서 터빈제어 밸브시험 계통에 구현된 제어기의 최적 제어상수 도출을 위해 관련 계통의 모델식 개발에 대한 필요성이 발전 설비 운용자들로부터 요구되었다. 이러한 목적을 달성하기 위해 적용 대상 발전소에서 최초 수행한 운전 데이터를 분석하고 관련 계통에 대한 입출력 관계를 활용하여 경험적인 방법으로 모델을 구하였다. 모델의 출력변수는 발전기 출력과 터빈 1단 압력 신호로 정의하고 입력변수는 4개 밸브의 개도신호로 정의하였고, 각각에 대해 1차 시간지연 모델로 구성하였다.
터빈제어시스템은 발전기를 전력 계통에 병렬운전 하기 전에는 터빈의 속도를 제어하고 계통 병입 후에는 터빈 부하를 제어하는 설비로서, 이는 터빈 입구에 위치한 여러 가지 종류의 밸브 개도를 조절함으로써 가능하다. 이러한 목적을 달성하기 위해 터빈제어시스템은 여러 가지 기능을 가지고 있으며, 이 가운데 정상 운전중에 열려 있는 터빈제어밸브를 닫고 다시 복귀시킴으로써 밸브의 동작특성을 시험한다. 특히 원자력 발전소인 경우 정상 운전중에는 거의 일정한 위치로 유지되고 있어서, 주기적인 밸브의 개폐시험이 중요한 운전항목중 하나이다.
터빈제어 밸브시험은 정상 운전중에 항상 열려 있는 이들 밸브가 예측하지 못한 비정상 상황 발생시 정상적으로 닫히고 열릴 수 있는가를 시험하기 위한 것으로, 적용 대상 발전소에서는 3개월마다 한 번씩 밸브시험을 수행하여 관련 제어기 및 현장 설비의 건전성을 확인하고 있다. 터빈제어 밸브시험 절차는 발전 운영절차서에 의거 그림 2와 같이 정격 출력운전 상태(원자로 출력 100%, 발전기출력 1050MW)에서 시험할 수 있는 상태(원자로 출력 96%, 발전기출력 1010MW)로 1시간 동안 감발운전을 수행하고, CV, MSV, IV 및 ISV 순으로 각 밸브의 개폐시험을 수행한다. 전술한 바와 같이 CV를 제외한 나머지 밸브의 시험중에는 발전기 출력 등의 운전변수 변화는 발생하지 않지만, CV인 경우 발전기 출력 등의 변화가 발생되어 터빈제어시스템에서는 이러한 변화를 최소화하기 위해 비례 및 적분(PI)제어로 구성된 고압터빈 1단 압력 (FSP : First Stage Pressure) 혹은 충동실 압력(Impulse Chamber Pressure) 보상 제어기능이 구현되어 있다.

대상 데이터

적용 대상 발전소는 1000MW급 원자력 발전소로서 주증기 압력 70bar이고 온도는 286℃이다. 그림 1과 같이 1대의 고압(HP : High Pressure) 터빈과 3대의 저압(LP : Low Pressure) 터빈으로 구성되어 있다.

데이터처리

25초 주기로 취득하여 각 공정모델의 매개변수를 추정하였다[6]. 또한 구한 공정모델의 출력을 모의하기 위해 MATLAB의 SIMULINK 프로그램을 사용하였다. 그림 10에서 공정 모델을 구현하는 순서에 대해 보여주고 있으며, 그림 4의 데이터를 사용하여 공정 모델의 매개변수를 추정하였다.

성능/효과

이러한 방식으로 구한 발전기 출력 모델은 증기유량을 입력으로 하여 구한 모델이 더 좋은 결과를 보여주었으며, 1단 압력 모델은 주증기 압력을 추가한 경우가 더 좋은 결과를 보여주었다. 또한 최종적으로 구현된 모델에 대해 다른 조건으로 수행한 밸브시험 운전 데이터를 적용하여 구한 모델의 타당성을 확인하였다. 확인한 결과 1단 압력 모델인 경우 정상상태의 편차가 발생됨을 보였으나, 실제 운전파형과 전체적으로 유사한 결과를 보여주었다.
또한 이들 출력신호는 증기유량과 비례 관계가 있어서 밸브개도에 대해 증기유량 관계를 정의하는 비선형 함수를 도입하여 밸브개도를 입력으로한 경우와 비교하였다. 이러한 방식으로 구한 발전기 출력 모델은 증기유량을 입력으로 하여 구한 모델이 더 좋은 결과를 보여주었으며, 1단 압력 모델은 주증기 압력을 추가한 경우가 더 좋은 결과를 보여주었다. 또한 최종적으로 구현된 모델에 대해 다른 조건으로 수행한 밸브시험 운전 데이터를 적용하여 구한 모델의 타당성을 확인하였다.
또한 최종적으로 구현된 모델에 대해 다른 조건으로 수행한 밸브시험 운전 데이터를 적용하여 구한 모델의 타당성을 확인하였다. 확인한 결과 1단 압력 모델인 경우 정상상태의 편차가 발생됨을 보였으나, 실제 운전파형과 전체적으로 유사한 결과를 보여주었다.

후속연구

구해진 모델을 사용하여 실제 운전데이터와 모델의 추정값의 결과를 그림 10에서 보여주고 있다. 그 결과를 보면 시험중인 밸브가 닫히거나 열리는 구간과 시험 종료 후에 실제 값과 많이 벗어난 결과를 보여주고 있어서, 발전기 출력 모델과 동일한 방법으로 구성한 것에 대한 개선이 필요함을 알 수 있다.
이상에서와 같이 발전설비와 제어시스템에 의존하지 않는 터빈제어 밸브시험 계통의 모델을 구현하였으며, 추가적으로 제어계통의 모델만 구현하면 최적 제어상수를 찾기 위한 모의시험이 가능하고, 실제 수행되는 시험시간을 단축함으로써 관련 사용자들의 만족도를 높일 수 있을 것으로 기대한다. 또한 유사 발전소의 터빈제어시스템 개조에도 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
특히, 적용 대상 발전소의 터빈제어시스템이 개조된 후 최초 수행한 밸브시험에서 원자력발전소의 안정 운전제한 때문에 새로 구현된 보상 제어기의 최적 제어상수를 찾기 위한 다양한 시험을 수행할 수 없었다. 이런 상황에서 적용대상 발전소의 운전데이터에 기반하여 관련 계통의 모델이 구현되면, 향후 유사발전소의 적용에 활용할 수 있을 것으로 기대한다.
이상에서와 같이 발전설비와 제어시스템에 의존하지 않는 터빈제어 밸브시험 계통의 모델을 구현하였으며, 추가적으로 제어계통의 모델만 구현하면 최적 제어상수를 찾기 위한 모의시험이 가능하고, 실제 수행되는 시험시간을 단축함으로써 관련 사용자들의 만족도를 높일 수 있을 것으로 기대한다. 또한 유사 발전소의 터빈제어시스템 개조에도 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	터빈제어시스템의 보상제어기는 무엇으로 구성되어 있으며 어떠한 특징을 가지는가?	정상 운전중에 수행하는 밸브시험은 발전기 출력 등의 변화가 수반되며, 터빈제어시스템은 이러한 변화를 최소화하기 위해 충동실 압력(혹은 터빈 1단 압력) 신호에 의한 보상제어기가 구현되어 있다[1]. 이 보상 제어기는 비례 적분제어기로 구성되어 있으며, 발전소 적용시 최적으로 조정되어 운전상태의 변화를 최소화 시켜야 한다. 그러나 현장 설치 후 실제 운전중에 이들 제어상수를 최적으로 조정하기 위한 다양한 시험의 수행은 원자력 발전소의 안전 운전이란 특수성으로 인해 불가능하다.
	터빈제어시스템이란 무엇인가?	1990년대 중반에 상업운전이 시작된 국내 1000MW급 원자력발전소의 터빈제어시스템이 국내 기술에 의해 최근 개조되었다. 터빈제어시스템은 발전기를 전력 계통에 병렬운전 하기 전에는 터빈의 속도를 제어하고 계통 병입 후에는 터빈 부하를 제어하는 설비로서, 이는 터빈 입구에 위치한 여러 가지 종류의 밸브 개도를 조절함으로써 가능하다. 이러한 목적을 달성하기 위해 터빈제어시스템은 여러 가지 기능을 가지고 있으며, 이 가운데 정상 운전중에 열려 있는 터빈제어밸브를 닫고 다시 복귀시킴으로써 밸브의 동작특성을 시험한다.
	터빈제어시스템은 무엇을 조절함으로 터빈을 제어하는가?	1990년대 중반에 상업운전이 시작된 국내 1000MW급 원자력발전소의 터빈제어시스템이 국내 기술에 의해 최근 개조되었다. 터빈제어시스템은 발전기를 전력 계통에 병렬운전 하기 전에는 터빈의 속도를 제어하고 계통 병입 후에는 터빈 부하를 제어하는 설비로서, 이는 터빈 입구에 위치한 여러 가지 종류의 밸브 개도를 조절함으로써 가능하다. 이러한 목적을 달성하기 위해 터빈제어시스템은 여러 가지 기능을 가지고 있으며, 이 가운데 정상 운전중에 열려 있는 터빈제어밸브를 닫고 다시 복귀시킴으로써 밸브의 동작특성을 시험한다.

참고문헌 (6)

최인규 외, "터빈 밸브시험중 충동실 압력제어에 의한 발전기 출력변동 최소화", 대한전기학회논문지 제59권 제1호, 2010, pp.152-159

원문보기 상세보기
Behrooz Vahdi, Mohammad Reza Tavakoli, Wolfgang Gawlik, "Determining Parameters of Turbine's Model Using Heat Balance Data of Steam Power Unit for Educational Purpose", IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 22, No. 4, 2007, pp.1547-1553

상세보기
P. Kundur, "Power System Stability and Control", McGraw-Hill Inc., 1993, pp.418-432
"고압터빈 제어밸브 비정상 닫힘 절차서", 영광원자력 2발전소 절차서, pp.9
Ioan Dore Landau, "System Identification and control design", Prentice-Hall Inc., 1990
"System Identification Toolbox for Use with MATLAB", The MATHWORKS Inc. 1995

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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