[논문]고급공정제어를 이용한 화력발전소 보일러 마스터 제어루프의 개발과 최적제어구현에 관한 연구

임건표; 김호열; 김병철

고급공정제어를 이용한 화력발전소 보일러 마스터 제어루프의 개발과 최적제어구현에 관한 연구
A Study of the Development and optimum control of the Boiler Master Control Loop by using A Advanced Process Control 원문보기

임건표 (한전전력연구원) , 김호열 (한전전력연구원) , 김병철 (한전전력연구원)

화력발전소 보일러의 각종 공정은 대부분 비례 적분 미분 제어기에 의해 제어되어 왔다. 이러한 비례 미분 적분 제어기의 최적튜닝은 공정에 있어 가장 중요한 부분 중 하나라고 할 수 있다. 또한 보일러 제어는 다중의 입력과 루프로 구성되어져 있어 이를 튜닝하기가 어려워 현재까지의 최적튜닝은 튜닝전문가의 숙련도에 의해 결정되어져 왔다. 본 논문에서는 고급공정제어기(Advanced Process Control, APC)를 개발하는 과정과 이를 이용해 최종적으로 보일러 제어기에서 제어하고자 하는 대상에 대한 응답특성을 간단한 튜닝을 통해 구현하는 과정에 대하여 설명하고 그 결과를 시뮬레이터를 통해 시험함으로써 검증해 보이고자 한다.

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문제 정의

이 논문에 적용한 보일러 마스터 제어로직은 차세대 대용량 화력발전소를 제어하기 위해 개발한 것이다. 보일러 마스터 제어로직은 주증기 압력과 발전소의 부하인 전력요구신호(Unit Load Demand) 등을 입력 신 호로 하여 모델링 되어졌다.
이 논문에서는 상당수의 입력 신호와 복잡한 제 어루프를 간략하게 구성하고 튜닝한 고급 공정제어기를 이용한 제 어루프에 관해 기술하고 시뮬레이터에 의한 검증 결과를 통해 이에 대한 실용성을 보이고자 한다.

제안 방법

미분 제어기의 출력을 만들어낸다. 반면 보일러 추종 모드(Boiler Following Mode)에서는 보일러가 터빈 응동에 따른 주증기 압력 변화를 보상하기 위해 주증기 압력의 오차만을 전력 요구 신호에서 발생한 피드포워드 신호를 적용해 비례 . 적 분 제어 출력을 만들어 낸다.
튜닝이 완료된 후보일러 마스터와 주증기 압력, 발전기 출력 등에 대한 범프시험(Bumo Test)과 램프시 험(Ramp Test)을 통해 운전 데이터를 3초 단위로 취득하였다. 이 결과를 이용하여 키커에 사용할 전달함수를 매트랩을 이용해 얻어냈다. 매트랩을 통해 얻어낸 키커에 사용할 전달함수는 시뮬레이터에 읽어 들여 부 하시험을 통해 최종 튜닝을 했다.
전력요구 신호를 이용한 주증기 압력 설정치와 실제 주증기 압력 신호를 입력 신호로 갖는 비례 . 적 분 제어기의 각각의 상수는 발전기 출력 100, 75, 50%에 대해 각각, 1, 0.
고급 공정제어기를 적용하기 이전의 보일러 마스터 제어기는 발전소 주기기 설계 내용을 기반으로 튜닝하였다. 튜닝이 완료된 후보일러 마스터와 주증기 압력, 발전기 출력 등에 대한 범프시험(Bumo Test)과 램프시 험(Ramp Test)을 통해 운전 데이터를 3초 단위로 취득하였다. 이 결과를 이용하여 키커에 사용할 전달함수를 매트랩을 이용해 얻어냈다.

대상 데이터

본 논문에서는 앞으로 건설할 차세대 대용량 화력발전소에 대한 시뮬레이터를 이미 설계된 주기기 자료에 기반한 응답 특성을 얻도록 튜닝한 결과로부터 운전 데이터를 취득하였다. 그 결과를 이용하여 고급 공정 제어기를 모델링하였으며, 그 응답 특성이 기존보다 더 좋은 시험 결과를 보여주었다.
비례 . 적 분 제어기와 키커 및 퍼지파이어를 조합해 그림 3과 같이 고급 공정제어 루프를 구성하였다. 제 어루프가 기존의 루프에 비해 간단하고, 튜닝 포인트 수가 적어 현장에서 사용하기가 용이하며 현장 환경의 변화에 따라 누구나 튜닝이 가능해졌으며, 아래와 같이 시험 결과 또한 더 좋은 결과를 얻을 수 있었다.
발전기 출력 100, 75, 50, 75, 100% 순으로 같은 조건에서 고급 공정제어 모드와 보일러 . 터 빈 협조제어모드 각각의 자료를 취득. 비교했다.

이론/모형

d는 시간 지연, a, b는 계수, u(t), y(t)는 입력과 출력함 수이다. 본 논문에서는 이러한 모델식을 만들어내기 위해 매트랩(Matlab)을 사용하였다. 고급 공정제어기를 적용하기 이전의 보일러 마스터 제어기는 발전소 주기기 설계 내용을 기반으로 튜닝하였다.

성능/효과

본 논문에서는 앞으로 건설할 차세대 대용량 화력발전소에 대한 시뮬레이터를 이미 설계된 주기기 자료에 기반한 응답 특성을 얻도록 튜닝한 결과로부터 운전 데이터를 취득하였다. 그 결과를 이용하여 고급 공정 제어기를 모델링하였으며, 그 응답 특성이 기존보다 더 좋은 시험 결과를 보여주었다. 모델링 결과를 이용한 부하 시험과 튜닝을 통해 각종 전달함수와 파라미터 변수를 최적의 응답 상태로 조정하고, 실제 적용 가능성을 확인하였다.
그 결과를 이용하여 고급 공정 제어기를 모델링하였으며, 그 응답 특성이 기존보다 더 좋은 시험 결과를 보여주었다. 모델링 결과를 이용한 부하 시험과 튜닝을 통해 각종 전달함수와 파라미터 변수를 최적의 응답 상태로 조정하고, 실제 적용 가능성을 확인하였다.
대표적인 예로 변화율이 더 심한 75에서 50% 출력으로 변화할 경우 의 결과를 표 1, 그림 6, 7에 나타냈다. 주증기 온도와 압력을 기준 내로 잘 유지하면서 전력요구 신호에 대한 발전기 출력 변화에 있어 더 좋은 결과를 얻을 것을 알 수 있다. 그림 7은 고급 공정제어기를 적용하기 이전의 응답을 나타내는 것으로 주증 기 온도와 압력을 기준 내로 유지하고 있으나 전력요구 신호에 대한 발전기 출력의 변화율이 더 느린 것을 알 수 있다.

후속연구

앞으로 그 결과와 여러 가지 추가적인 시험을 통해 실제 적용이 확실한 제어기를 구축할 예정이다.

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