[논문]발전소 시뮬레이터를 위한 고압 터빈 바이패스 압력 제어 모델 개발

변승현; 이주현; 임익헌

doi:10.9709/jkss.2011.20.4.049

[국내논문] 발전소 시뮬레이터를 위한 고압 터빈 바이패스 압력 제어 모델 개발
Development of a High Pressure Turbine Bypass System Pressure Control Model for Power Plant Simulator 원문보기

한국시뮬레이션학회논문지 = Journal of the Korea Society for Simulation, v.20 no.4, 2011년, pp.49 - 58

변승현 (한전전력) , 이주현 (한전전력) , 임익헌 (한전전력)

초록
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국산 개발 분산 제어시스템의 발전 설비에의 적용을 위해서는 시뮬레이터를 이용한 제어 시스템의 기능 및 신뢰성 등의 검증이 선행되어야만 한다. 본 논문에서는 제어 시스템 검증용 시뮬레이터를 개발하는데 있어서, 제어 모델 중 발전소 기동 초기에 보일러 압력을 조절하고, 정상 운전 중 보일러의 과대 압력 상승을 방지하기 위해 보일러에서 발생한 증기를 복수기로 방출하는 터빈 바이패스 계통의 제어 모델을 개발하였다. 제어 모델 개발을 위해, 통합 시뮬레이션 개발 환경에서 활용가능한 제어 로직 구현 툴을 개발하였다. 또한 개발한 툴의 기능은 개별 기능 블럭의 설계 사양에 기반한 시뮬레이션에 의해 검증을 하였으며, 개발한 툴을 이용하여 고압 터빈 바이패스 계통의 압력 제어 로직을 구현하였다. 500 MW급 표준 석탄화력 발전소 공정 모델과 보일러 제어 모델, 터빈 제어 모델 등 타 계통의 제어 모델과의 연계를 통한 통합 시뮬레이션을 통해 개발한 제어 모델의 효용성을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

It is required that a developed control system should be verified using simulator in terms of functionality and reliability prior to application to a power plant that is a very critical facility in the industry. In this paper, the control model for turbine bypass system was developed for power plant simulator. In order to develop the control model for turbine bypass system, the tool that can be used to implement turbine bypass control logic was developed based on the turbine bypass control system manual. The developed tool was merged into the simulator development environment. The functionality of the developed tool was verified via the simulation based on the each function block specification. The HP turbine bypass pressure control logic was implemented using the developed tool and was integrated with process models and other control models such as boiler control model, turbine control model and boiler feed water pump turbine control model for 500 MW korean standard type fossil power plant. Finally, the validity of the developed control model was shown via simulation result under the integrated simulation environment.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

특히 발전소에서는 기존의 고압 바이패스 제어기에 SCO(State Controller with Observer)를 채용하고 있는데, 향후 제어 시스템에의 확장 적용과 튜닝의 용이성을 고려하여 SCO 뿐만 아니라 PI(Proportional Integral) 제어기를 동시에 구현하고, 제어기를 선택하여 운전할 수 있도록 구현하였다. 본 논문에서는 고압 바이패스 계통의 압력 제어 모델 구현 사례를 소개한다. 2절에서는 터빈 바이패스 계통의 개요에 대해 기술하고, 3절에서는 터빈 바이패스 제어 로직 구현 툴 개발 내용과 고압 바이패스 계통의 압력 제어 로직 구현에 대해 설명한다.
발전소 시뮬레이터는 발전소 공정을 모사하는 공정모델과 제어 시스템을 모사하는 제어 모델, 고장모사/원격시험 등을 가능하게 하는 강사조작반, 제어모델과 연계하여 발전소 운전을 가능하게 하는 오퍼레이터 콘솔, 공정 변수 모니터링과 알람창 기능을 가지며, 일부 조작이 가능한 소프트 패널 등으로 구성되어진다. 본 논문에서는 오퍼레이터 콘솔과 제어 모델을 emulation하여 구현한 emulated 타입의 시뮬레이터를 개발하였다. 공정 모델, 제어 모델, 강사조작반, 오퍼레이터 콘솔, 소프트 패널 등은 객체 지향 환경을 제공하는 실시간 시뮬레이션 환경을 이용하여 개발하였다.
본 논문에서는 제어 검증용 발전소 시뮬레이터를 개발하는데 있어서, 제어 모델 중 발전소 기동 초기에 보일러 압력을 조절하고, 정상 운전 중 보일러의 과대 압력 상승을 방지하기 위해 보일러에서 발생한 증기를 복수기로 방출하는 터빈 바이패스 계통의 제어 모델을 개발하였다. 제어 모델 개발을 위해 시뮬레이션 개발 환경에서 활용가능한 제어 로직 구현 툴을 개발하고, 개발한 로직 구현 툴을 이용하여 고압 터빈 바이패스 압력 제어 로직을 구현하였다.
본 논문에서는 진상/지상 보상기로 이용되어지는 dynamic function인 PDTFNC 블럭과 PI(Proportional Integral) 제어기인 PICONT 블럭 검증사례에 대해서만 기술한다.
시뮬레이션 환경은 WSC사의 3KEYMASTER^TM로 윈도우즈 운영체제를 기반으로 동작하며 그래픽 시뮬레이션 환경에서 개발 및 실행을 제어하는 시뮬레이션 소프트웨어이다. 본 논문에서는 터빈 바이패스 계통 제어 모델을 개발하기 위해서, 시뮬레이션 통합 환경에서 활용 가능한 제어 로직 구현 툴을 개발하고, 개발한 툴을 이용하여 제어 로직을 구현하였다.
본 논문은 지식경제부 전력산업연구개발사업에 의하여 수행 중인 화력발전용 통합 감시 제어 시스템 성능 검증 및 실증시험 기술 개발 결과임.

제안 방법

개발한 터빈 바이패스 제어 모델의 효용성 확인을 위해 개발한 바이패스 제어 모델을 시뮬레이션 개발환경의 프로젝트 내에서 개발된 공정 모델과 보일러 제어 모델, 터빈 제어 모델 등 타 계통 제어 모델, 강사 조작반, 소프트패널 등과 통합하였다^[6]. 통합 시뮬레이션 환경은 그림 18과 같다.
본 논문에서는 오퍼레이터 콘솔과 제어 모델을 emulation하여 구현한 emulated 타입의 시뮬레이터를 개발하였다. 공정 모델, 제어 모델, 강사조작반, 오퍼레이터 콘솔, 소프트 패널 등은 객체 지향 환경을 제공하는 실시간 시뮬레이션 환경을 이용하여 개발하였다. 시뮬레이션 환경은 WSC사의 3KEYMASTER^TM로 윈도우즈 운영체제를 기반으로 동작하며 그래픽 시뮬레이션 환경에서 개발 및 실행을 제어하는 시뮬레이션 소프트웨어이다.
기존 발전소의 제어로직을 분석하고, 개발한 제어 로직 구현 툴을 이용하여 그림 2의 고압 바이패스 계통의 압력 운전이 가능한 제어 로직을 구현하였다^[11]. 분석한 제어로직을 도시하면 그림 11, 그림 12, 그림 13과 같다.
또한 drag & drop 방식의 GUI로 제어 로직구현을 가능하게 하기 위해 기능 블럭의 외관을 bmp 형식의 그림 파일로 생성하고, 객체를 선언하는 헤더 파일에 그림 파일 정보를 링크시켰다.
바이패스 제어 시스템 매뉴얼을 토대로 한 분석결과에 따른 사양을 기반으로 한 시뮬레이션을 통해 표 1에서 개발한 기능블럭의 기능을 검증하였다^[8].
그림 14를 보면 고압 바이패스 압력 제어기인 SCO는 관측기인 OBSERV 블럭과 상태변수 제어기인 STCONT 블럭, 제어기 수동/자동모드 절환을 위한 SCOCTC 블럭, 상태변수 계산 블럭인 CALC4HPP 블럭으로 구성되어진다. 본 논문에서는 그림 14의 기존 상태 제어기 뿐만 아니라 향후 제어 시스템에의 확장 적용과 튜닝의 용이성 등을 고려하여 PI 제어기도 동시에 구현하고, 상황에 따라 스위치에 의해 제어기를 선택하여 운전할 수 있도록 그림 16과 같이 고압 터빈 바이패스 압력 제어 로직을 구현하였다. 그림 16은 에러를 입력으로 받아들여 제어기 출력을 계산하는 제어 로직 다이아그램을 보여주고 있다.
시뮬레이터는 프로젝트 단위로 개발되며, 본 논문에서는 바이패스 제어 모델 개발을 위해 Type과 Task 등으로 구성되는 툴을 개발하였다. Type은 각 모델에서 사용하는 객체를 정의하는 헤더파일이며, Task는 Type에서 정의한 객체의 함수의 실행파일로, 개발한 모델을 실행할 수 있게끔 한다.
제어기 선택 스위치를 통해 SCO가 제어를 담당할 경우에는 PI 제어기가 SCO 출력을 추종하게 하고, PI 제어기가 제어를 담당할 경우에는 SCO가 PI 제어기 출력을 추종하도록 구현하였다. 이렇게 함으로써 제어기 선택에 의한 제어기 절환시 범프가 발생하지 않도록 로직을 구현하였다. SCO는 그림 14의 기존 제어 로직을 해석하여 구현하였으며, PI 제어기는 식 (2)의 이상적인 PI 제어기를 backward difference method에 의해 이산화화여 구현하였다.
본 논문에서는 제어 검증용 발전소 시뮬레이터를 개발하는데 있어서, 제어 모델 중 발전소 기동 초기에 보일러 압력을 조절하고, 정상 운전 중 보일러의 과대 압력 상승을 방지하기 위해 보일러에서 발생한 증기를 복수기로 방출하는 터빈 바이패스 계통의 제어 모델을 개발하였다. 제어 모델 개발을 위해 시뮬레이션 개발 환경에서 활용가능한 제어 로직 구현 툴을 개발하고, 개발한 로직 구현 툴을 이용하여 고압 터빈 바이패스 압력 제어 로직을 구현하였다. 특히 바이패스 압력 제어기에 SCO 뿐만 아니라 향후 제어 시스템에의 확장 적용과 튜닝의 용이성을 고려하여 PI 제어기도 동시에 구현하고, 제어기를 선택하여 범프없이 운전할 수 있도록 구현하였다.
SCO의 STCONT 블럭은 입력 A가 1일 경우 자동모드로 동작하며, 0일 경우는 입력 Y를 추종하며, PI 제어기는 입력 TS가 1일 경우는 자동모드로 동작하며, 0일 경우는 입력 TR을 추종하게 된다. 제어기 선택 스위치를 통해 SCO가 제어를 담당할 경우에는 PI 제어기가 SCO 출력을 추종하게 하고, PI 제어기가 제어를 담당할 경우에는 SCO가 PI 제어기 출력을 추종하도록 구현하였다. 이렇게 함으로써 제어기 선택에 의한 제어기 절환시 범프가 발생하지 않도록 로직을 구현하였다.
제어 모델 중 터빈 바이패스 계통의 제어모델은 발전소 기동 초기에 보일러 압력을 조절하고, 정상 운전 중 보일러의 과대 압력 상승을 방지하기 위해 보일러에서 발생한 증기를 복수기로 방출하는 계통을 담당한다. 터빈 바이패스 계통 제어 모델을 개발하기 위해서, 시뮬레이션 통합 환경에서 활용가능한 제어 로직 구현 툴을 개발하고, 개발한 툴을 이용하여 제어로직을 구현하였다. 특히 발전소에서는 기존의 고압 바이패스 제어기에 SCO(State Controller with Observer)를 채용하고 있는데, 향후 제어 시스템에의 확장 적용과 튜닝의 용이성을 고려하여 SCO 뿐만 아니라 PI(Proportional Integral) 제어기를 동시에 구현하고, 제어기를 선택하여 운전할 수 있도록 구현하였다.
터빈 바이패스 계통의 제어 시스템 매뉴얼에 기반하여 제어에 사용된 기능 블럭을 분석하고, 분석한 내용을 토대로 시뮬레이션 개발 환경에서 활용가능한 제어 모델 구현 툴을 Visual C++ 6.0 환경에서 개발하였다^[8]. 시뮬레이션 개발 환경의 아키텍처는 그림 3과 같다^[9].
제어 모델 개발을 위해 시뮬레이션 개발 환경에서 활용가능한 제어 로직 구현 툴을 개발하고, 개발한 로직 구현 툴을 이용하여 고압 터빈 바이패스 압력 제어 로직을 구현하였다. 특히 바이패스 압력 제어기에 SCO 뿐만 아니라 향후 제어 시스템에의 확장 적용과 튜닝의 용이성을 고려하여 PI 제어기도 동시에 구현하고, 제어기를 선택하여 범프없이 운전할 수 있도록 구현하였다. 개발한 제어 로직 구현 툴은 개별 기능 블럭의 설계 사양에 기반한 시뮬레이션에 의해 검증을 하였으며, 개발한 제어 모델은 발전소 공정 모델과 보일러 제어 모델 등 타 계통 제어 모델과의 연계를 통한 시뮬레이션을 통해 개발한 제어 모델의 효용성을 보였다.
터빈 바이패스 계통 제어 모델을 개발하기 위해서, 시뮬레이션 통합 환경에서 활용가능한 제어 로직 구현 툴을 개발하고, 개발한 툴을 이용하여 제어로직을 구현하였다. 특히 발전소에서는 기존의 고압 바이패스 제어기에 SCO(State Controller with Observer)를 채용하고 있는데, 향후 제어 시스템에의 확장 적용과 튜닝의 용이성을 고려하여 SCO 뿐만 아니라 PI(Proportional Integral) 제어기를 동시에 구현하고, 제어기를 선택하여 운전할 수 있도록 구현하였다. 본 논문에서는 고압 바이패스 계통의 압력 제어 모델 구현 사례를 소개한다.
Type은 각 모델에서 사용하는 객체를 정의하는 헤더파일이며, Task는 Type에서 정의한 객체의 함수의 실행파일로, 개발한 모델을 실행할 수 있게끔 한다. 헤더 파일에 선언된 구현하고자 하는 함수의 입력/출력/내부 파라미터 변수 등 로직 툴의 객체 정보를 이용하여 해당 함수의 알고리즘을 구현하여 task를 생성하였다. 또한 drag & drop 방식의 GUI로 제어 로직구현을 가능하게 하기 위해 기능 블럭의 외관을 bmp 형식의 그림 파일로 생성하고, 객체를 선언하는 헤더 파일에 그림 파일 정보를 링크시켰다.

대상 데이터

본 논문에서 대상으로 삼은 발전소는 500 MW급 표준 석탄화력 발전설비로 초임계압 관류보일러, 재열 재생식 직렬배열 복수터빈 및 직접 여자 방식의 발전기로 구성되어 있다. 보일러는 옥내형, 평형통풍방식의 미분탄 전소용으로 되어 있으며, 보일러의 증기조건은 과열기 출구에서 압력 255 kg/cm², 온도 541℃, 재열기 출구에서 압력 40.
시뮬레이터는 크게 발전소 공정을 모사하는 공정 모델과 제어 시스템을 모사하는 제어 모델 등으로 구성되어진다. 전력연구원에서는 500 MW급 석탄 표준화력 발전소의 실증적용을 목표로 개발한 제어 시스템을 검증하기 위한 발전소 시뮬레이터를 개발하였다^[6].

이론/모형

이렇게 함으로써 제어기 선택에 의한 제어기 절환시 범프가 발생하지 않도록 로직을 구현하였다. SCO는 그림 14의 기존 제어 로직을 해석하여 구현하였으며, PI 제어기는 식 (2)의 이상적인 PI 제어기를 backward difference method에 의해 이산화화여 구현하였다. 그림 16의 AND 블럭은 내부 파라미터로 입력 반전용 파라미터를 가지고 있어서 제어기 선택 스위치가 SCO와 PI 제어기의 트랙 스위치를 생성하는데 있어서 반대 입력을 수용하도록 구현하였다.
그림 10은 그림 9의 로직 다이아그램에 대해 제어기의 설정값인 SP와 선행신호인 FF 신호값에 변화를 주면서 시뮬레이션 한 결과를 보여준다. 제어기 출력인 CO와 공정값인 PV간의 관계는 편의상 흔히 사용하는 방법인 1차 필터 함수를 이용하였다. 그림 10은 설정값 변경과 선행 신호 변경에 따라 PI 제어기가 잘 응동함을 보여주고 있다.

성능/효과

특히 바이패스 압력 제어기에 SCO 뿐만 아니라 향후 제어 시스템에의 확장 적용과 튜닝의 용이성을 고려하여 PI 제어기도 동시에 구현하고, 제어기를 선택하여 범프없이 운전할 수 있도록 구현하였다. 개발한 제어 로직 구현 툴은 개별 기능 블럭의 설계 사양에 기반한 시뮬레이션에 의해 검증을 하였으며, 개발한 제어 모델은 발전소 공정 모델과 보일러 제어 모델 등 타 계통 제어 모델과의 연계를 통한 시뮬레이션을 통해 개발한 제어 모델의 효용성을 보였다. 본 논문에서 개발한 고압 터빈 바이패스 계통 제어 모델은 향후 개발 제어 시스템의 발전소 실증 적용시 활용할 수 있을 것으로 기대한다.

후속연구

개발한 제어 로직 구현 툴은 개별 기능 블럭의 설계 사양에 기반한 시뮬레이션에 의해 검증을 하였으며, 개발한 제어 모델은 발전소 공정 모델과 보일러 제어 모델 등 타 계통 제어 모델과의 연계를 통한 시뮬레이션을 통해 개발한 제어 모델의 효용성을 보였다. 본 논문에서 개발한 고압 터빈 바이패스 계통 제어 모델은 향후 개발 제어 시스템의 발전소 실증 적용시 활용할 수 있을 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	터빈 바이패스 계통의 제어모델의 역할은 무엇인가?	전력연구원에서는 500 MW급 석탄 표준화력 발전소의 실증적용을 목표로 개발한 제어 시스템을 검증하기 위한 발전소 시뮬레이터를 개발하였다[6]. 제어 모델 중 터빈 바이패스 계통의 제어모델은 발전소 기동 초기에 보일러 압력을 조절하고, 정상 운전 중 보일러의 과대 압력 상승을 방지하기 위해 보일러에서 발생한 증기를 복수기로 방출하는 계통을 담당한다. 터빈 바이패스 계통 제어 모델을 개발하기 위해서, 시뮬레이션 통합 환경에서 활용가능한 제어 로직 구현 툴을 개발하고, 개발한 툴을 이용하여 제어로직을 구현하였다.
	시뮬레이터는 어떻게 구성되는가?	시뮬레이터는 크게 발전소 공정을 모사하는 공정 모델과 제어 시스템을 모사하는 제어 모델 등으로 구성되어진다. 전력연구원에서는 500 MW급 석탄 표준화력 발전소의 실증적용을 목표로 개발한 제어 시스템을 검증하기 위한 발전소 시뮬레이터를 개발하였다[6].
	바이패스 계통은 어떤 특성으로 보일러를 터빈의 상태와 관계없이 독립적으로 운전할 수 있도록 하는가?	바이패스 계통은 발전소 기동시 터빈 통기 전 보일러에서 발생된 증기를 재열기를 통해 복수기로 방출하여 터빈 기동시 보일러 압력을 조절하며, 급격한 온도 변화에 의한 증기 온도와 터빈 금속 온도의 차를 신속하게 최적으로 유지함으로써 터빈 열응력을 최소화한다. 또한 정상 운전 중 보일러의 과대 압력상승을 방지하며, 부하 특성 향상과 고형 입자에 의한 터빈 블레이드 침식 방지, 발전소 비상운전시 보일러에서 발생된 증기를 터빈을 통과시키지 않고 바이패스 시킴으로써 보일러를 터빈의 상태와 관계없이 독립적으로 운전할 수 있도록 하는 기능을 한다[7].

참고문헌 (11)

Burkhard Holl, Helmut Probst and Wolfgang Wischert (2004), "Digital I & C Systems Pre-Tests using Plant Specific Simulators", 4th ANS International Topical Meeting, Columbus, USA.
Chia-Kuang Lee, Chin-Mao Lee and Kin W. Wong (2009), "Digital System Validation Testing in the Lungmen Project", 6th ANS International Topical Meeting, NPIC&HMIT 2009, Knoxville, Tennesse, USA.
박두용 외(2001), "발전소 보일러용 디지털 분산제어시스템 개발", 최종보고서, 전력연구원.
임익헌 외(2010), "통합감시제어시스템 성능검증 및 실증 시험 기술개발", 전력연구원.
이명수 외(2010), "통합 성능 검증 설비용 원전 시뮬레이터 개발", 전력연구원.
변승현, 황도현(2010), "발전소 제어 검증용 시뮬레이터 개 발", 한국시뮬레이션학회 논문지, Vol. 19, No. 1, pp. 41-51.

원문보기 상세보기
신상철 외(2007), 모의화력실무, 한국서부발전(주) 태안발전본부 교육훈련센터.
변승현(2009), "바이패스 계통 제어 모델 개발 툴 구현보고서", 전력연구원.
Robert Felker et al. (2009), $3KEYMASTER^{TM}$ ANALYST AND DEVELOPER GUIDE, WSC
변승현, 김문수, 홍진혁, 이명수(2009), "발전소 시뮬레이터를 위한 터빈 바이패스 계통 제어로직 구현 툴 개발", 한국시뮬레이션학회, ′09추계학술대회 논문집, pp. 138-143.
변승현 (2009), "발전소 제어 검증용 시뮬레이터를 위한 바이패스 계통의 제어 로직 구현", 2009년도 대한전기학회 하계학술대회 논문집, pp. 1634-1635.

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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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