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문제 정의
- 본 연구는 이제까지 외국기술로 제작, 설치되어 왔던 500[MW]급 석탄화력발전소의 제어알고리즘과 분산제어시스템을 국산화 적용하기 위하여 정부에서 추진한 사업으로서, 성공적으로 완료되어 국내의 신규 및 개조 발전소의 안정적인 운영과 화력발전기술의 국내자립뿐만 아니라 해외 발전소 사업에도 기여할 것으로 기대한다[1].
- 자동 바이어스인 경우 급탄기 수동모드 운전시 연료 주제어기의 자동모드 출력과 급탄기 속도요구신호와의 편차분을 없애는 역할을 한다. 즉 연료 주제어기의 자동모드 출력에 급탄기 속도요구신호를 생성하는 자동/수동 스테이션의 출력을 감한 결과를 동작시간을 조절하여 난조가 발생하지 않도록 하여 내보낸다. 급탄기가 자동모드인 경우는 0[%] 출력을 내보낸다.
제안 방법
- 코딩한 로직은 그림 13의 엔지니어링 워크스테이션을 통해 그림 14의 프로세스 카드에 설치한 후 시뮬레이터의 공정모델에 연결하여 실제 발전소 형태로 시험을 하였다. 각 단위 설비에 대한 모의시험이 끝난 후 발전소에 설치할 분산제어시스템 전체를 시뮬레이터에 연계하여 각 단위설비간의 신호연계를 통한 종합모의시험을 시행하였다[1].
- 발전기 분산제어시스템 패널은 자동 전압 제어, 전력 시스템 안정화 장치, 전압/주파수 제어, 부족여자 제한, 과여자 제한, 밀봉오일 시스템, 고정자 냉각 시스템 제어기 등으로 각 제어기가 분리되어 있다. 각각의 분산제어 시스템 패널은 입출력 신호를 이중화된 네트워크 통신으로 연계하여 연동하며 정비용 및 운전원 워크스테이션을 통해 시스템을 정비하고 발전소를 운전한다. 각각의 분산제어시스템 패널은 그림 15와 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[6].
- 각각의 분산제어시스템 패널은 그림 15와 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[6]. 그림 15의 분산제어 시스템은 시뮬레이션에 연계하여 전체모의시험을 성공적으로 수행한 후 현장에 설치하였으며 시뮬레이션으로 수행한 시험 항목뿐만 아니라 실제 발전소에서 수행하는 단위기기 시운전, 인터록 시험, 평형 통풍 시험, 런백시험 등을 거쳐 신뢰성을 확인하였다.
- 그림 16과 같이 점화를 하지 않은 상태에서 각 통풍기, 급탄기, 미분기, 버너 등의 단위기기 운전상태가 확인되어 최초로 점화를 수행하였다. 최초점화는 석탄 대신 보조연료인 경유를 사용하여 수행한다.
- 또한 불시 정지로 인한 전체 전력계통의 불안정을 초래하므로 고장시 런백을 성공적으로 운전제어하는 것은 전력설비의 안정운전에 중요한 요소로 작용한다. 런백시험을 성공적으로 수행함으로써 발전소 연료제어의 신뢰성을 확인하였다.
- 발전기 출력을 500[MW], 450[MW] 구간에서 지속적으로 변동시키면서 연료, 공기, 급수의 응동상태를 확인하였으며, 발전기 출력이 전력요구신호에 따라 정상적으로 운전제어되는지를 그림 18과 같이 시험하였다. 발전기 출력의 충분한 출력변동율을 확보하면서도 과도한 오버슛이나 언더슛이 발생하지 않도록 하기 위하여 연료주제어기 요구신호가 급격히 변하였으며 연료가 이에 상응하여 잘 운전제어되는 것을 확인하였다.
- 보일러 연료를 연소하기 위한 연소용 공기를 공급하는 압입통풍기 #A, B 두 대 중 #A 1대를 불시에 정지하는 런백 시험을 수행하였다. 이 외에도 1차통풍기, 유인통풍기, 급수 펌프 등도 1대씩 정지하는 불시정지시험을 수행하였다.
- 최초점화는 석탄 대신 보조연료인 경유를 사용하여 수행한다. 보일러에 연소용 공기와 급수를 공급하면서 3단으로 구성된 보조연료 버너 중 최하부 버너를 점화하여 보일러의 안전한 점화상태를 확인한다. 그림 16에서 연소용 공기는 최소 유량을 유지하고 있으며, 경유에 의한 최초점화시 연료, 공기, 급수를 총괄 제어하는 보일러 주제어기 신호에 따라 경유공급량이 최대 3.
- 본 논문에서 다루는 대용량 석탄화력발전소 분산제어시스템의 일부인 보일러 연료 제어는 증기를 발생시키기 위한 연료량을 제어하기 위한 부분으로 제어대상인 연료량에 따라 변화하는 증기량과 증기 엔탈피는 전력계통에 연계된 발전기 출력을 변화시킨다. 이러한 대용량 석탄화력 발전소 보일러 연료 제어용 표준알고리즘을 개발하여, 국산화한 분산 제어시스템의 프로그램에 맞게 코딩하여 탑재하고, 모의시험을 성공적으로 수행한 후, 현장에 설치하여 다양한 시운전을 거쳐 성공적으로 상업운전에 들어간 연구내용을 기록함으로써 전체적인 발전소 제어시스템의 개발과정을 서술하였다.
- 본 논문에서는 500[MW]급 석탄화력발전소 보일러 연료 제어 알고리즘의 개발과정을 설계, 코딩, 시뮬레이터의 구성, 분산제어시스템의 구성, 모의시험, 현장설치, 현장시험 단계로 기록하였다. 시험단계에서 이미 개발한 500[MW]급 석탄화력발전소 시뮬레이터를 사용하였으며, 기존 발전소에서 운영할 수 있을 정도의 시험을 수행하여 신뢰성을 확보하였다.
- 입출력 신호 랙은 랩뷰 프로그램으로 개발된 인터페이스 시스템이다. 분산제어시스템을 시뮬레이터에 연결하면, 시뮬레이터는 실제 발전소와 같이 설비의 공정특성과 제어신호를 발생하여, 개발한 알고리즘을 실제와 같이 시험할 수 있도록 하였다[1].
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2.7 현장 시험
시뮬레이터를 통한 모의시험을 성공적으로 수행한 후 그림 15와 같이 제어 패널과 워크스테이션 등 모든 분산제어 시스템을 실제 발전소에 설치하여 현장시험을 수행하였다.
- 보일러 연료제어 알고리즘은 다른 분산제어시스템과의 연동을 위하여 많은 신호를 연계하여 수차례에 걸쳐 종합시험을 완료하였다. 신뢰성을 확보한 분산제어시스템은 발전소 현장에 설치하여 현장설비와 연계하여 최초점화, 최초병입, 발전기 출력변동 시험, 런백시험 등 각종 운전제어 신뢰성 시험을 통해 설비의 안정성을 검증하였다. 현재 분산제어시스템과 설치한 제어로직 알고리즘을 정상적으로 운영하고 있으며, 10일간의 연속운전을 통해 신뢰성을 검증함으로써, 전력계통에 연계하여 성공적으로 상업운전을 하고 있다.
- 최초점화에 성공하여 발전기를 전력계통에 병입하기 위한 최초병입을 그림 17과 같이 수행하였다. 우선 보일러에 공급하는 연료, 공기, 급수를 안정적으로 운전제어하고, 유량을 증가시켜 생산한 증기를 이용하여 터빈을 3600[rpm]으로 회전시켜 발전기에서 생산하는 전력을 전력계통에 최초로 연계하였다. 보일러 주제어기 및 연료 주제어기 요구신호 23[%], 경유 12[ton/hr], 석탄 22[ton/hr], 주증기 유량 520[t/h]인 상태에서 최초로 전력계통에 병입하여 모든 공정 변수가 정상적으로 운전제어되었다.
- 보일러 연료를 연소하기 위한 연소용 공기를 공급하는 압입통풍기 #A, B 두 대 중 #A 1대를 불시에 정지하는 런백 시험을 수행하였다. 이 외에도 1차통풍기, 유인통풍기, 급수 펌프 등도 1대씩 정지하는 불시정지시험을 수행하였다. 발전기 정격 출력인 78[%]에서 압입통풍기 두 대 중 한 대가 정지하면 연료, 공기, 급수가 절반정도로 설정된 값에 따라 유량이 감소하여 발전기 출력이 절반으로 감소하게 된다.
- 본 논문에서 다루는 대용량 석탄화력발전소 분산제어시스템의 일부인 보일러 연료 제어는 증기를 발생시키기 위한 연료량을 제어하기 위한 부분으로 제어대상인 연료량에 따라 변화하는 증기량과 증기 엔탈피는 전력계통에 연계된 발전기 출력을 변화시킨다. 이러한 대용량 석탄화력 발전소 보일러 연료 제어용 표준알고리즘을 개발하여, 국산화한 분산 제어시스템의 프로그램에 맞게 코딩하여 탑재하고, 모의시험을 성공적으로 수행한 후, 현장에 설치하여 다양한 시운전을 거쳐 성공적으로 상업운전에 들어간 연구내용을 기록함으로써 전체적인 발전소 제어시스템의 개발과정을 서술하였다.
대상 데이터
- 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. 시뮬레이터의 공정모델은 실행파일이 C++ 알고리즘인 쓰리키마스터(3Keymaster)를 사용하였다.
- 본 논문에서는 500[MW]급 석탄화력발전소 보일러 연료 제어 알고리즘의 개발과정을 설계, 코딩, 시뮬레이터의 구성, 분산제어시스템의 구성, 모의시험, 현장설치, 현장시험 단계로 기록하였다. 시험단계에서 이미 개발한 500[MW]급 석탄화력발전소 시뮬레이터를 사용하였으며, 기존 발전소에서 운영할 수 있을 정도의 시험을 수행하여 신뢰성을 확보하였다. 보일러 연료제어 알고리즘은 다른 분산제어시스템과의 연동을 위하여 많은 신호를 연계하여 수차례에 걸쳐 종합시험을 완료하였다.
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. 시뮬레이터의 공정모델은 실행파일이 C++ 알고리즘인 쓰리키마스터(3Keymaster)를 사용하였다. 시뮬레이터에는 실제 발전소에 설치하게 될 제어알고리즘을 설치한 분산제어시스템을 통신을 통해 연결하여 시험할 수 있도록 그림 13의 입출력 신호 랙(IO Rack #1～3)을 구성하였다.
성능/효과
- 발전기 출력을 500[MW], 450[MW] 구간에서 지속적으로 변동시키면서 연료, 공기, 급수의 응동상태를 확인하였으며, 발전기 출력이 전력요구신호에 따라 정상적으로 운전제어되는지를 그림 18과 같이 시험하였다. 발전기 출력의 충분한 출력변동율을 확보하면서도 과도한 오버슛이나 언더슛이 발생하지 않도록 하기 위하여 연료주제어기 요구신호가 급격히 변하였으며 연료가 이에 상응하여 잘 운전제어되는 것을 확인하였다.
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