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문제 정의
- 본 논문에서는 급수 주제어기 알고리즘을 대표적 알고리즘으로 소개하였다. 급수 주제어기 알고리즘은 급수가 공급되는 증기관의 온도, 유량 등을 이용한 피드포워드 기능과 급수가 보일러로 처음 공급되는 부분의 온도를 급수유량을 결정하는 비율적인 설정값으로 하여 설계함으로써 그 실용성을 입증하였다.
- 이에 정부에서는 대용량 석탄화력발전소의 국내기술자립을 위한 국산 분산제어시스템 개발을 추진 중에 있다. 이와 관련하여 본 논문에서는 국내기술로 개발하고 있는 대용량 석탄화력 발전소의 전체 알고리즘 중에서 보일러 급수제어 알고리즘개발 부분을 바탕으로 분산제어시스템 알고리즘의 설계, 국산화 중인 분산제어설비 프로그램 코딩, 국산 분산 제어설비를 연계한 시뮬레이터의 개발, 시뮬레이터를 통한 알고리즘의 시험 단계를 거쳐 실제 발전소에 설치운영이 가능하도록 검증한 분산제어시스템 개발에 대하여 기록하였다. 이 급수제어 알고리즘은 전체 알고리즘과 함께 분산제어시스템에 설치하여 종합시험을 완료한 후 대용량 화력발전소를 개조하여 운전하는데 적용할 계획이다.
제안 방법
- 2차 스프레이 전후의 온도차는 1차 과열기 출구 온도 (Platen Superheater Outlet Temperature)에 최종 과열기 출구 온도(Final Superheater Outlet Temperature)를 감한 편차 네 개의 평균을 사용하였다. 주증기 유량에 의한 설정값은 주증기 유량에 따라 16～22℃(4～5.
- PI 제어기는 행거관 출구 온도 편차가 -2% 이하, 2% 이상일 때 적분동작이 중지한다.[2] 또한 주증기 유량이 21% 이하이거나 행거관 출구온도제어가 수동모드로 절체되면 PI 제어기 후단의 자동수동 스테이션 (M/A Station) 출력인 행거관 출구온도제어 설정값을 추종하도록 하였다.
- 발전기 분산제어시스템 패널은 자동 전압 제어, 전력 시스템 안정화 장치, 전압/주파수 제어, 부족여자 제한, 과여자 제한, 밀봉오일 시스템, 고정자 냉각 시스템 제어기 등으로각 제어기가 분리되어 있다. 각각의 분산제어시스템 패널은 입출력 신호를 이중화된 네트워크 통신으로 연계하여 연동하며 정비용 및 운전원 워크스테이션을 통해 시스템을 정비하고 발전소를 운전한다. 각각의 분산제어시스템 패널은 그림 16과 같이 자신의 중앙처리장치(CPU)를 가지며 어느 하나의 분산제어시스템에 문제가 발생할 경우 경보신호를 발생하여 다른 분산제어시스템에 전달함으로써 경보신호를 전달받은 분산제어시스템은 수동으로 절체되거나 출력을 늘리거나 줄이도록 하여 설비가 안정된 상태로 운전할 수 있도록 분산제어를 한다.
- 본 논문에서는 급수 주제어기 알고리즘을 대표적 알고리즘으로 소개하였다. 급수 주제어기 알고리즘은 급수가 공급되는 증기관의 온도, 유량 등을 이용한 피드포워드 기능과 급수가 보일러로 처음 공급되는 부분의 온도를 급수유량을 결정하는 비율적인 설정값으로 하여 설계함으로써 그 실용성을 입증하였다. 실제 발전소에 적용하기 위하여 국내기술로 개발한 분산제어시스템과 실제 운전 전 알고리즘의 신뢰성을 검증하기 위하여 개발한 시뮬레이터를 인터페이스하여 설계한 알고리즘을 시험하였다.
- 단, 발전소의 주연료비상정지(Master Fuel Trip) 신호가 발생하고 급수유량 제어 설정값이 30% 미만일 경우는 급수 유량 제어 설정값을 추종하여 급수 주제어기 신호와 비교하여 더 높은 값을 선택하도록 하였다.(High Selection)
- 행거관 온도 설정값에는 행거관출구온도 제어신호를 가감한다. 대부분의 제작사는 필요한 총 급수유량 요구신호에 일정 스프레이 비율을 줄여 스프레이를 유도하는 방식으로 스프레이를 확보하나, 본 시스템에서의 행거관출구온도 제어는 스프레이 유량을 상시 확보하기 위하여 과열기 2차 스프레이 전후의 온도 편차를 16～22℃로 유지하도록 하였다. 관류 보일러는 특성상 빠른 증기온도 제어가 요구되는 바, 전체 급수유량 중 일정 비율을 스프레이로 확보하여 상시 주입함으로써 제어의 속응성을 도모한다.
- 본 제어 알고리즘에서는 2차 스프레이 전후의 온도차, 주증기 유량에 의한 설정값, 운전원 바이어스를 제어변수로 식 2와 같은 형태로 여러 개의 제어변수를 사용하였다. 또한 u1, u2, u3로 행거관 출구온도를 바로 사용하지 않고 행거관출구증기를 터빈에서 사용하기 위하여 보일러에서 최종적으로 출력되는 주증기 유량, 2차 스프레이 후단 온도를 사용하고, 그 이후에도 발생하는 오차에 대한 운전원 바이어스를 줄 수 있도록 하였다.
- 본 시스템에서의 피드포워드는 기존의 피드포워드와는 달리 Gff와 Gv가 같은 입력을 사용하지 않는다는 점이다. 또한 출력 Y에 제어변수로 입력된 주증기 온도에 대한 설정 값을 바이어스로 줄 수 있도록 하여 행거관 출구 온도 설정 값에 대하여 운전원이 직접 피드포워드를 줄 수 있도록 하였다.
- 보일러 하부 나선형 튜브의 금속온도(Spiral Tube Metal Temperature) 평균값이 상승함에 따라 급수유량을 증가시키도록 하여 발전기 출력감발시 등 온도 상승에 의한 나선형 튜브 손상을 방지할 수 있도록 하였다. 나선형 튜브 금속온도 평균값에 따른 보정신호는 그림 12와 같다.
- 본 제어 알고리즘에서는 2차 스프레이 전후의 온도차, 주증기 유량에 의한 설정값, 운전원 바이어스를 제어변수로 식 2와 같은 형태로 여러 개의 제어변수를 사용하였다. 또한 u1, u2, u3로 행거관 출구온도를 바로 사용하지 않고 행거관출구증기를 터빈에서 사용하기 위하여 보일러에서 최종적으로 출력되는 주증기 유량, 2차 스프레이 후단 온도를 사용하고, 그 이후에도 발생하는 오차에 대한 운전원 바이어스를 줄 수 있도록 하였다.
- 입출력 신호 랙은 랩뷰(Labview) 프로그램으로 개발된 인터페이스 시스템이다[4]. 분산제어시스템을 시뮬레이터에 연결하면, 시뮬레이터는 실제 발전소와 같이 설비의 공정특성과 제어신호를 발생하여, 개발한 알고리즘을 실제와 같이 시험할 수 있도록 하였다.
- 설계한 급수 주제어기 알고리즘을 비롯하여 타설비의 자동제어로직, 미분기 및 버너 제어로직, 순차제어로직, 터빈제어로직, 발전기 제어로직, 터빈보조설비 제어로직 등 발전소 전체 제어로직 알고리즘을 그림 14와 같이 국산 개발 중인 분산제어설비 하드웨어에서 사용하는 스트라톤(Straton IEC61131-3 개발환경) 프로그램으로 코딩하였다[3]. 코딩한 로직은 모의시험을 하기 전 설계 제어로직과 비교 검토하여 모의시험 중에 발생하는 빈번한 로직수정 작업을 최소화하였다[4].
- 행거관을 지난 증기는 곧바로 과열기로 유입되므로 행거관 출구 온도를 제어범위 내로 유지할 필요가 있다. 수연비 제어 로직의 적용 위치 또한 제작사에 따라 연료 제어측에 적용하는 경우도 있으나, 그림 6과 같이 증기온도의 응답 특성이 연료보다는 급수에 의해 더 빠르게 반응함을 감안하여 본 시스템에서는 급수제어측에 두도록 하였다.
- 급수 주제어기 알고리즘은 급수가 공급되는 증기관의 온도, 유량 등을 이용한 피드포워드 기능과 급수가 보일러로 처음 공급되는 부분의 온도를 급수유량을 결정하는 비율적인 설정값으로 하여 설계함으로써 그 실용성을 입증하였다. 실제 발전소에 적용하기 위하여 국내기술로 개발한 분산제어시스템과 실제 운전 전 알고리즘의 신뢰성을 검증하기 위하여 개발한 시뮬레이터를 인터페이스하여 설계한 알고리즘을 시험하였다. 기본 튜닝을 통해 실제 적용 가능성과 알고리즘의 기능을 확인하였으며 그 결과가 양호하였다.
- 자체 제작한 제어로직 표준심볼을 사용하여 최종적인 급수 주제어기 알고리즘을 개발하였으며 그림 13은 그 중 일부이다.
- 프로세스 카드에 설치한 제어로직 알고리즘 부분에 해당되는 제어모델을 시뮬레이터에서 분리하였다. 코딩한 로직은 그림 15의 엔지니어링 워크스테이션(EWS)을 통해 그림 16의 프로세스 카드에 설치한 후 시뮬레이터의 공정모델에 연결하여 실제 발전소 형태로 시험을 하였다[4].
- 행거관 출구 온도설정값과 실제 행거관 출구 온도간 오차는 PI 제어기로 입력한다. 하단의 자동수동 스테이션이 수동 모드로 절체될 경우 자동수동 스테이션의 출력인 행거관출구온도제어 설정값을 추종하도록 하였다.
- 행거관 온도 제어 설정값, 행거관 온도제어 자동수동 스테이션, 보일러 주제어기에 의한 급수유량 설정값, 급수유량 최소값 제한, 급수 주제어기 수동 제어, 급수 주제어기의 모드 전환(자동 ↔추종/자동↔수동/수동↔추종), PI 제어기 등을 각각 시험하고 전체적인 알고리즘의 응동상태를 아래와 같이 행거관 출구온도제어 설정값 수동조절, 급수주제어기 요구신호 수동조정, 발전소 최상위 신호인 전력요구신호 변경에 의한 급수 주제어기 알고리즘 응동상태를 시험 확인하였다.
- 행거관 출구온도 제어(Hanger Tube Outlet Temperature Control)는 관류보일러의 특성상 수연비(Feed Water/Fuel Ratio)제어로 구성하였다. 관류 보일러의 주증기 온도는 급수유량과 연료량의 비율에 따라 균형점이 결정된다[2].
- 설정된 전력요구신호에 따른 급수유량이 수동으로 변하므로 보일러 주제어기 요구신호가 증가하였다가 감소하는 것을 확인할 수 있다. 행거관 출구온도제어를 자동모드로 절체하면 보일러 마스터와 편차로 제어 난조가 발생하게 되므로 자동수동 스테이션 절체시 지연동작시간을 설정하였다.
대상 데이터
- 수연비 제어에 있어 제어대상 및 지점은 보일러 제작사에 따라 기수분리기 출구 온도 또는 행거관 출구 온도를 기준으로 하며, 본 시스템에서는 행거관 출구 온도를 제어 대상으로 하였다. 이는 증기의 과열도를 확보하고, 최종 과열기출구 온도제어의 선행제어로 매우 유효하기 때문이다.
- 시뮬레이터의 공정모델은 실행파일이 C++ 알고리즘인 쓰리키마스터(3Keymaster)를 사용하였다. 시뮬레이터에는 실제 발전소에 설치하게 될 제어알고리즘을 설치한 분산제어시스템을 통신을 통해 연결하여 시험할 수 있도록 그림 15의 입출력 신호 랙(IO Rack #1～3)을 구성하였다. 입출력 신호 랙은 랩뷰(Labview) 프로그램으로 개발된 인터페이스 시스템이다[4].
- 행거관 온도 제어 설정값(Hanger Tube Temperature Control Setpoint)의 피드포워드로는 2차 스프레이 전후의 온도차(Sec Spray Temp Deviation), 주증기 유량에 의한 설정값(Set By MSF), 운전원 바이어스(Set Bias)를 사용하였다. 일반적인 피드포워드 형태는 식 1과 같다.
이론/모형
- 시뮬레이터는 발전소 시뮬레이터 모델이 구동되는 시뮬레이션 서버, 다양한 사고상황을 투입하는 강사조작 컴퓨터, 시스템을 정비하고 각종 정보를 관리하기 위한 EWS, 실제 제어실과 같이 운전상황을 감시하고 조작하기 위한 운전정보표시반으로 구성되어 있다[5]. 시뮬레이터의 공정모델은 실행파일이 C++ 알고리즘인 쓰리키마스터(3Keymaster)를 사용하였다. 시뮬레이터에는 실제 발전소에 설치하게 될 제어알고리즘을 설치한 분산제어시스템을 통신을 통해 연결하여 시험할 수 있도록 그림 15의 입출력 신호 랙(IO Rack #1～3)을 구성하였다.
성능/효과
- 행거관 출구온도제어 설정값 자동수동 스테이션을 수동모드로 절체한 후 97%에서 105%로 올렸다가 다시 100%로 내렸다. 그 영향으로 보일러 주제어기에 의한 급수유량 설정값과 급수 주제어기 요구신호가 상승하여 급수유량이 증가한 것을 알 수 있다. 자동모드 상태인 상위 신호인 보일러 주제어기 요구신호는 급상승한 급수유량을 줄이기 위해 감소하고 있다.
- 실제 발전소에 적용하기 위하여 국내기술로 개발한 분산제어시스템과 실제 운전 전 알고리즘의 신뢰성을 검증하기 위하여 개발한 시뮬레이터를 인터페이스하여 설계한 알고리즘을 시험하였다. 기본 튜닝을 통해 실제 적용 가능성과 알고리즘의 기능을 확인하였으며 그 결과가 양호하였다. 추후 전체 알고리즘을 분산제어시스템에 설치하여 시뮬레이터와 연계한 후 정밀튜닝을 시행하고 종합시험을 수행할 계획이다.
- 행거관 출구온도제어를 수동모드로 절체하면 보일러 주제어기에 의한 급수유량 설정값이 곧 바로 변하고, 급수주제어기가 설정된 동작시간에 따라 서서히 감소하였다가 증가하는 것을 확인하였다. 설정된 전력요구신호에 따른 급수유량이 수동으로 변하므로 보일러 주제어기 요구신호가 증가하였다가 감소하는 것을 확인할 수 있다. 행거관 출구온도제어를 자동모드로 절체하면 보일러 마스터와 편차로 제어 난조가 발생하게 되므로 자동수동 스테이션 절체시 지연동작시간을 설정하였다.
- 반대로 급수유량이 빨리 감소할 경우 보일러 수냉벽 온도나 주증기 온도가 상승하여 발전소를 정지시킬 수 있다. 이번 출력변동 운전에서는 적절한 운전상태를 보임으로써 설계한 알고리즘이 500MW 석탄화력발전소 급수제어를 충분히 수행할 수 있음을 확인하였다.
- 자동모드 상태인 상위 신호인 보일러 주제어기 요구신호는 급상승한 급수유량을 줄이기 위해 감소하고 있다. 이후 행거관 출구온도제어 설정값 자동수동 스테이션을 자동모드로 절체하였으며, 급수유량이 발산하지 않고 설정값에 잘 수렴함으로써 안정된 급수제어를 하고 있음을 확인하였다.
- 그림 19는 급수 주제어기 요구신호를 수동으로 조정한 시험 결과를 보여주고 있다. 행거관 출구온도제어를 수동모드로 절체하면 보일러 주제어기에 의한 급수유량 설정값이 곧 바로 변하고, 급수주제어기가 설정된 동작시간에 따라 서서히 감소하였다가 증가하는 것을 확인하였다. 설정된 전력요구신호에 따른 급수유량이 수동으로 변하므로 보일러 주제어기 요구신호가 증가하였다가 감소하는 것을 확인할 수 있다.
후속연구
- 미국, 유럽의 경우와 마찬가지로 국내 발전소도 노후화가 가속화됨에 따라 분산제어설비의 개조 필요성이 더욱 커지고 있다. 국내 IT기술의 성장과 발전소 운영기술의 성장에 걸맞게 분산제어설비를 전면 국산화하여 신규 발전소 건설과 기존 발전소 개조시 국가기간산업인 발전설비를 안정적으로 운영할 수 있는 기반을 마련해 나가야 할 것이다. 또한 최근에 발생한 대규모 정전사고에 대한 예방을 위해서도 국내기술자립을 확보해야 할 것이다.
- 본 연구결과는 국내 노후화된 발전소의 안정적인 설비운전과 전력공급 및 국내기술자립에 기여할 것으로 기대한다.
- 이와 관련하여 본 논문에서는 국내기술로 개발하고 있는 대용량 석탄화력 발전소의 전체 알고리즘 중에서 보일러 급수제어 알고리즘개발 부분을 바탕으로 분산제어시스템 알고리즘의 설계, 국산화 중인 분산제어설비 프로그램 코딩, 국산 분산 제어설비를 연계한 시뮬레이터의 개발, 시뮬레이터를 통한 알고리즘의 시험 단계를 거쳐 실제 발전소에 설치운영이 가능하도록 검증한 분산제어시스템 개발에 대하여 기록하였다. 이 급수제어 알고리즘은 전체 알고리즘과 함께 분산제어시스템에 설치하여 종합시험을 완료한 후 대용량 화력발전소를 개조하여 운전하는데 적용할 계획이다.
- 기본 튜닝을 통해 실제 적용 가능성과 알고리즘의 기능을 확인하였으며 그 결과가 양호하였다. 추후 전체 알고리즘을 분산제어시스템에 설치하여 시뮬레이터와 연계한 후 정밀튜닝을 시행하고 종합시험을 수행할 계획이다.
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