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문제 정의
- 본 논문에서 다루는 대용량 석탄화력발전소 분산제어시스템의 일부인 보일러 노내압력 제어는 보일러 연소공기의 팽창이나 압력으로 발생하는 발전소의 폭발 또는 수축 등의 대형사고로부터 발전소 보일러 자체를 보호하고, 화염으로부터 보일러와 인명을 보호하기 위한 부분이다.[5] 이러한 대용량 석탄화력 발전소 보일러 노내압력 제어용 표준알고리즘을 개발하여, 국산화한 분산제어시스템의 프로그램에 맞게 코딩하여 탑재하고, 자동제어, 시퀀스 제어, 불시비상정지 등을 성공적으로 모의시험한 후, 현장에 설치하여 다양한 시운전을 거쳐 성공적으로 상업운전에 들어간 연구내용을 기록함으로써 전체적인 발전소 제어시스템의 개발과정을 서술하였다[6].
제안 방법
- 그림 25는 발전기를 전력계통에 연계시키는 계통병입시 운전상태를 보여주고 있다. 1차공기유량은 총공기유량에 영향을 미치고 총공기유량을 제어하는 압입통풍기의 운전은 유인통풍기와 연동되므로 1차공기통풍기와 압입통풍기를 유인통풍기와 함께 운전상태를 확인하였다. 계통병입 전에 1차공기통풍기 A, B의 기동으로 1차공기와 노내압력과의 차압의 최소값인 800mm H2O를 잘 유지하고 있으며, 연료를 공급하는 급탄기 속도에 따른 1차공기와 노내압력과의 차압 설정값의 변화를 1차공기통풍기 A, B가 균형을 적절히 유지하면서 제어하고 있다.
- 코딩한 로직은 그림 14의 엔지니어링 워크스테이션을 통해 그림 15의 프로세스 카드에 설치한 후 시뮬레이터의 공정모델에 연결하여 실제 발전소 형태로 시험을 하였다[6]. 각 단위 설비에 대한 모의시험이 끝난 후 발전소에 설치할 분산제어시스템 전체를 시뮬레이터에 연계하여 각 단위설비간의 신호연계를 통한 종합모의시험을 시행하였다.
- 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 분산제어시스템 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[10].
- 그림 20과 같이 제어 패널과 워크스테이션 등 모든 분산제어시스템을 실제 발전소에 설치한 후 현장시험을 수행하였다.
- 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[10]. 그림 20의 분산제어시스템은 시뮬레이션에 연계하여 전체모의시험을 성공적으로 수행한 후 현장에 설치하였으며 시뮬레이션으로 수행한 시험 항목뿐만 아니라 실제 발전소에서 수행하는 단위기기 시운전, 인터록 시험, 평형 통풍 시험(Air Balance Test), 런백시험 등을 거쳐 신뢰성을 확인하였다.
- 그림 26과 같이 500MW 발전기 최대 출력에서 유인통풍기 B를 불시비상정지시켜 발전소 런백시험을 시행했다. 압입통풍기와 1차공기통풍기도 각각 B, A를 불시비상정지하여 런백시험을 시행했다.
- 노내압력 제어 알고리즘은 다음과 같은 항목으로 구분하여 시험하였다. 노내압력 신호 설정, 노내압력 피드포워드 제어 신호, 노내압력 PI 제어기, 유인통풍기 동익 제어 요구 신호 바이어스, 보호기능 등 그림 5, 6의 각 부분을 개별 시험하고 전체적인 알고리즘의 응동상태를 자동제어로직, 순차 제어로직, 출력감발로 구분하여 시험 확인하였다.
- 다음으로 유인통풍기 두 대 중 한 대가 불시에 정지되었을 경우를 시험하는 런백시험을 시행하였다. 통풍기가 불시에 정지될 경우 노내압력의 급상승으로 인하여 보일러 팽창 등의 대형사고가 발생할 수 있다.
- 총공기유량은 압입통풍기 A, B 동익의 큰 변화 없이 최소 유량인 29%에서 적절히 유지되고 있다. 두 번의 점화시 유인통풍기와 압입통풍기의 정상적인 응동상태를 확인하였다.
- 본 논문에서는 500MW급 석탄화력발전소 보일러 노내압력 제어알고리즘의 개발과정을 설계, 코딩, 시뮬레이터의 구성, 분산제어시스템의 구성, 모의시험, 현장설치, 현장시험 단계로 기록하였다. 시험단계에서 이미 개발한 500MW급 석탄화력발전소 시뮬레이터를 사용하였으며, 기존 발전소에서 운영할 수 있을 정도의 자동제어, 순차제어, 불시비상정지 등을 시험하여 신뢰성을 확보하였다.
- 입출력 신호 랙은 랩뷰(Labview) 프로그램으로 개발된 인터페이스 시스템이다. 분산제어시스템을 시뮬레이터에 연결하면, 시뮬레이터는 실제 발전소와 같이 설비의 공정특성과 제어신호를 발생하여, 개발한 알고리즘을 실제와 같이 시험할 수 있도록 하였다[6].
- 보일러 노내압력 제어 알고리즘은 하나의 분산제어시스템 패널을 구성하며, 다른 분산제어시스템과의 연동을 위하여 많은 신호를 연계하여 수차례에 걸쳐 종합시험을 완료하였다. 신뢰성을 확보한 분산제어시스템은 발전소 현장에 설치하여 현장설비와 연계하여 단위기기 시운전, 인터록 시험 등부터 시작하여 평형통풍시험, 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[6].
- 설계한 노내압력 제어 알고리즘의 일부는 그림 12와 같으며, 표준심볼로 제작하여 어느 시스템에도 코딩하여 적용할 수 있도록 하였다. 알고리즘은 자동제어로직, 순차제어로직으로 구성되어 있으며, 표준심볼 로직은 그림 13과 같이 개발 중인 분산제어시스템에서 사용하는 스트라톤(Straton IEC61131-3 개발환경) 프로그램으로 코딩하였다[6][9].
- 압입통풍기#A, B 중 어느 하나가 수동으로 절체될 경우 바이어스는 운전원이 수동으로 조작할 수 있으며, 5%이상을 줄 경우 ±5%범위로 제한되어 출력되는지를 확인하였다.
- 그림 26과 같이 500MW 발전기 최대 출력에서 유인통풍기 B를 불시비상정지시켜 발전소 런백시험을 시행했다. 압입통풍기와 1차공기통풍기도 각각 B, A를 불시비상정지하여 런백시험을 시행했다. 유인통풍기 B의 불시비상정지로 노내 압력이 120mm H2O(80%)까지 상승한 후 정상화되었다.
- 위와 같이 통풍계통의 단위기기 시운전, 인터록 시험, 평형 통풍 시험, 런백시험 등을 모두 연계하여 시험하고, 피드포워드, 자동모드 조건, 불시비상정지 신호 등의 오류와 튜닝 포인트 등을 확인하여 수정 및 조정을 마무리하였다.
- 유인통풍기 B의 불시비상정지로 노내 압력이 120mm H2O(80%)까지 상승한 후 정상화되었다. 유인 통풍기 B 불시비상정지에 의하여 동일 체인의 압입통풍기 B가 불시비상정지되고, 압입통풍기 A의 동익 위치요구신호가 변하여 피드포워드에 의해 유인통풍기 A가 닫히면서 다소 노내압력의 상승폭이 컷으며, 추후 튜닝을 통해 조정이 필요한 것으로 판단하였다.
- 이때 1차공기 차압과 유인통풍기에 연동되는 압입통풍기에 의한 총공기유량은 적절히 제어하였으나 보일러 노내 압력은 정압쪽으로 상당부분 상승하여 노내압력을 제어하는 유인통풍기 제어알고리즘을 추후 튜닝을 통해 안정적으로 제어할 수 있도록 해야 할 부분으로 판단하였다. 유인통풍기 #B의 경우도 동일한 시험을 하여 성공적으로 런백시험을 수행함으로써 설계한 노내압력 제어 알고리즘의 건전성과 신뢰성을 확인함으로써 추후 전체설비에 대한 분산제어시스템 연계를 통한 종합모의시험이 가능하게 되었다.
- 그림 18에서는 유인통풍기 #A를 정지하면서 노내압력을 제어하기 위해 #B 동익위치귀환신호가 증가한 것을 볼 수 있다. 이러한 방법으로 모든 순차제어로직 시험을 마무리하여 순차제어로직 설계의 신뢰성을 확인하였다. 튜닝은 전체 분산제어시스템 패널을 시뮬레이터 공정모델과 연계한 후 수행하였다.
- 자동제어로직 시험을 마무리하고 순차제어로직을 시험하였다. 순차제어로직은 유인통풍기 기동, 정지 로직, 동익 구동 작동유 펌프 제어로직, 작동유 히터 제어로직 등으로 구성되어 있다[6].
- 프로세스 카드에 설치한 제어로직 알고리즘 부분에 해당되는 제어모델을 시뮬레이터에서 분리하였다. 코딩한 로직은 그림 14의 엔지니어링 워크스테이션을 통해 그림 15의 프로세스 카드에 설치한 후 시뮬레이터의 공정모델에 연결하여 실제 발전소 형태로 시험을 하였다[6]. 각 단위 설비에 대한 모의시험이 끝난 후 발전소에 설치할 분산제어시스템 전체를 시뮬레이터에 연계하여 각 단위설비간의 신호연계를 통한 종합모의시험을 시행하였다.
- 이러한 방법으로 모든 순차제어로직 시험을 마무리하여 순차제어로직 설계의 신뢰성을 확인하였다. 튜닝은 전체 분산제어시스템 패널을 시뮬레이터 공정모델과 연계한 후 수행하였다.
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.
- 시뮬레이터의 공정모델은 실행파일이 C++ 알고리즘인 쓰리키마스터(3Keymaster)를 사용하였다. 시뮬레이터에는 실제 발전소에 설치하게 될 제어 알고리즘을 설치한 분산제어시스템을 통신을 통해 연결하여 시험할 수 있도록 그림 14의 입출력 신호 랙(IO Rack #1～3)을 구성하였다. 입출력 신호 랙은 랩뷰(Labview) 프로그램으로 개발된 인터페이스 시스템이다.
- 본 논문에서는 500MW급 석탄화력발전소 보일러 노내압력 제어알고리즘의 개발과정을 설계, 코딩, 시뮬레이터의 구성, 분산제어시스템의 구성, 모의시험, 현장설치, 현장시험 단계로 기록하였다. 시험단계에서 이미 개발한 500MW급 석탄화력발전소 시뮬레이터를 사용하였으며, 기존 발전소에서 운영할 수 있을 정도의 자동제어, 순차제어, 불시비상정지 등을 시험하여 신뢰성을 확보하였다. 보일러 노내압력 제어 알고리즘은 하나의 분산제어시스템 패널을 구성하며, 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 제어 알고리즘을 설치한 분산제어시스템을 통신을 통해 연결하여 시험할 수 있도록 그림 14의 입출력 신호 랙(IO Rack #1～3)을 구성하였다.
성능/효과
- 최초 계통병입 후 유인통풍기, 압입 통풍기가 노내압력과 총공기유량을 적절히 제어하고 있으나, 1차공기통풍기 입구 베인이 개방될 때 총공기유량이 반대로 감소하는 방향으로 급감했다 정상화되었으며, 반대로 1차공기통풍기 입구 베인이 닫히는 경우는 총공기유량이 반대로 증가하는 방향으로 급증했다 정상화되는 등 1차공기에 따른 총공기유량의 급증감 영향이 있었다. 1차공기통풍기에 의한 총공기유량의 급증감시 노내압력의 변화는 뚜렷이 나타나지 않았으나, 압입통풍기의 동익 위치요구신호 및 1차공기유량 변화에 의한 피드포워드의 영향으로 유인통풍기의 응동이 큰 것을 확인할 수 있었다. 피드포워드 부분은 추후 튜닝을 통해 조정이 필요한 것으로 판단하였다.
- 결과적으로 유인통풍기 B 불시비상정지에 의한 출력감발시 통풍계통 전체의 응동은 양호한 것으로 확인되었다.
- 시험단계에서 이미 개발한 500MW급 석탄화력발전소 시뮬레이터를 사용하였으며, 기존 발전소에서 운영할 수 있을 정도의 자동제어, 순차제어, 불시비상정지 등을 시험하여 신뢰성을 확보하였다. 보일러 노내압력 제어 알고리즘은 하나의 분산제어시스템 패널을 구성하며, 다른 분산제어시스템과의 연동을 위하여 많은 신호를 연계하여 수차례에 걸쳐 종합시험을 완료하였다. 신뢰성을 확보한 분산제어시스템은 발전소 현장에 설치하여 현장설비와 연계하여 단위기기 시운전, 인터록 시험 등부터 시작하여 평형통풍시험, 런백시험 등 각종 운전제어 신뢰성 시험을 통해 설비의 안정성을 검증하였다.
- 정방향으로 44mm H2O, 부방향으로 24mm H2O 요동한 후 바로 설정값으로 수렴하는 것을 확인하였다. 보조연료 유량이 증가하면서 16.2%의 유량 시점에서 유인통풍기 동익 위치가 증가하여 정상적으로 노내압력을 유지하는 것을 확인하였다. 이후 소화과정에서 노내압력의 저하를 적절히 제어하는 것을 확인하였다.
- 그림 22에서 압입통풍기 B 정지시 운전 중인 압입통풍기 A 1대가 총공기유량을 신속히 제어하여 유지하고 있으며 총공기유량 변화로 인한 노내 압력의 변화를 운전 중인 유인통풍기 A, B 2대의 적절한 동작으로 안정범위 내에서 운전하고 있다. 압입통풍기 B 정지 후 동일 체인의 유인통풍기 B를 정지시켰으며 노내압력이 48mm H2O까지만 상승한 후 안정되는 양호한 운전상태를 보여주었다.
- 그림 17에서 유인통풍기 #A가 기동하면서 노내압력을 제어하기 위해 #B 동익위치귀환신호가 감소한 것을 볼 수 있다. 유인통풍기 #A가 중간에 순간적으로 개방동작을 하여 추후 시험을 통한 튜닝 또는 시뮬레이터의 조정이 필요한 것으로 보이나, 제어알고리즘에는 문제가 없음을 확인하였다.
- 최초 점화시 노내압력이 설정값인 47%에서 58%까지 상승하였으나 유인통풍기 A, B의 응동으로 다시 41%까지 내려간 후 정상화되었다. 정방향으로 44mm H2O, 부방향으로 24mm H2O 요동한 후 바로 설정값으로 수렴하는 것을 확인하였다. 보조연료 유량이 증가하면서 16.
- 계통병입 전에 1차공기통풍기 A, B의 기동으로 1차공기와 노내압력과의 차압의 최소값인 800mm H2O를 잘 유지하고 있으며, 연료를 공급하는 급탄기 속도에 따른 1차공기와 노내압력과의 차압 설정값의 변화를 1차공기통풍기 A, B가 균형을 적절히 유지하면서 제어하고 있다. 최초 계통병입 후 유인통풍기, 압입 통풍기가 노내압력과 총공기유량을 적절히 제어하고 있으나, 1차공기통풍기 입구 베인이 개방될 때 총공기유량이 반대로 감소하는 방향으로 급감했다 정상화되었으며, 반대로 1차공기통풍기 입구 베인이 닫히는 경우는 총공기유량이 반대로 증가하는 방향으로 급증했다 정상화되는 등 1차공기에 따른 총공기유량의 급증감 영향이 있었다. 1차공기통풍기에 의한 총공기유량의 급증감시 노내압력의 변화는 뚜렷이 나타나지 않았으나, 압입통풍기의 동익 위치요구신호 및 1차공기유량 변화에 의한 피드포워드의 영향으로 유인통풍기의 응동이 큰 것을 확인할 수 있었다.
- 피드포워드 부분은 추후 튜닝을 통해 조정이 필요한 것으로 판단하였다. 출력을 최대 145MW까지 증발했으며, 최대출력 30%이하의 저부하에서는 각 통풍기의 응동이 적절히 이뤄진 것을 알 수 있었다.
후속연구
- 1차공기 총유량에 의한 피드포워드 역시 변환기를 이용하여 구간별로 세밀하게 선행신호를 구현할 수 있으나 단순비율 30%를 적용하였으며 추후 시험을 통해 조정한다.
- 본 연구는 이제까지 외국기술로 제작, 설치되어 왔던 500MW급 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.
- 압입통풍기 동익위치 요구신호의 평균값에 의한 피드포워드는 변환기를 이용하여 구간별로 보다 세밀한 선행신호를 구현할 수 있으나 단순비율 80%를 적용하였으며 추후 시험을 통해 조정한다.
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