[논문]모델링 기법을 이용한 석탄화력발전소 발전기 출력제어

임건표; 김호열

[국내논문] 모델링 기법을 이용한 석탄화력발전소 발전기 출력제어
The Generating Power Control of Coal-Fired Power Plant using Modeling Method 원문보기

임건표 (한전전력연구원) , 김호열 (한전전력연구원)

자원의 고갈과 각종 환경규제 및 정부의 전력거래 방침 등으로 인해 점점 발전소에서는 전력 계통에 대한 신뢰도 및 전기품질을 유지하기가 어려워지고있다. 발전소의 부하대별 주요 운전 설계값은 효율과 바로 직결되는 사항으로 각 부하별로 온도와 압력 등 운전설계값을 최적의 상태로 유지하는 것은 발전소 수명과 발전효율, 전력거래 등에 있어 중요한 요소들이다. 전력시장에 진입하는 발전소는 전력계통의 갑작스런 불안성 상황이나 전력거래소 요청시 경사변동폭, 출력변통율, 무효전력 출력, 자동발전제어, 주파수조절량 확보 등을 수행할 수 있어야 한다. 본 논문에서는 고급공정제어기를 이용하여 운전설계계값을 효과적으로 제어 하면서 기존의 제어로직보다 전력계통상에서 요구되는 발전기 출력을 최대한 신속히 제어하는 과정을 기술하였다. 우선 보일러 마스터와 터빈 마스터, 급수 마스터로 구성된 제어로직을 설계한 뒤 이들 마스터에 대한 발전기 출력, 주증기 압력, 기수분리기 출구온도 각각의 영향을 모델링 기법을 이용하여 적합한 모델을 구했다. 각각의 모델을 고급공정제어기에 적용하고 발전기 출력제어에 대한 기존의 발전소 응답보다 좀 더 효율적이고 실제적용이 가능한 결과를 얻을 수 있도록 튜닝을 시행했으며 그 과정과 결과를 기술했다.

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문제 정의

이 논문에서는 앞으로 건설할 차세대 대용량 화력발전소를 제어할 로직 에 대한 모의시험 및 고급공정제어기를 적용한 결과를 기록하였다. 기존보다 두배 정도 용량이 증가한 발전소를 제어하기 위해서는 기존의 제어방식으로는 성능을 보장할 수 없다는 것을 알 수 있었으며, 또한 기존발전소를 따라가기 어렵다는 것도 알 수 있었다.
이러한 최신제어이론과 튜닝의 필요성에 입각해 여기서는 고급공정제어 (Advanced Process Control, APC)를 개발하는 과정과 그 결과를 시뮬레 이터를 통해 검증 · 비교한 내용에 대해 기술하고자 한다.

제안 방법

1차 설계에서의 로직은 서로 상충되는 단점을 가지고 있다. 따라서 이를 보완하기 위해 그림 1과 같이 다중변수 피드백 제어 형태(Multivariable Feedback Contrl)를 구상해 보았다. 입력으로 선택된 두 개의 변수는 급수유 량과 연료요구량, 출력으로 선택된 변수는 발전기 출력과 기수분리기 출구 증기온도이다.
그 결과를 이용하여 고급공정제어기를 모델링하였으며, 그 응답특성이 기존 500MW 표준석탄화력발전소와 차세대 화력 발전 시뮬레이터의 협조제어 모드시의 결과보다 더 좋은 시험결과를 보여주었다. 모델링 결과를 이용한 부하시험과 튜닝을 통해 각종 전달함수와 파라미터 변수를 최적의 응답 상태로 조정하고, 실제 적용가능성을 확인하였다.
적색은 시험결과, 녹색은 원하는 트렌드로 수정한 결과이다. 원하는 트렌드에 대해 얻은 모델을 URO로직의 ARX1 ~4에 입력하고 튜닝을 시행했다.
기존보다 두배 정도 용량이 증가한 발전소를 제어하기 위해서는 기존의 제어방식으로는 성능을 보장할 수 없다는 것을 알 수 있었으며, 또한 기존발전소를 따라가기 어렵다는 것도 알 수 있었다. 이러한 상황을 극복하고 우수한 성능을 발휘하기 위해 고급공정제어기를 적용했으며, 여러번에 걸친 튜닝과 로직 수정, 모델 수정 등을 통해 온도와 압력을 기존 표준석탄화력발전소만큼 안정적으로 유지하면서 발전소의 최종 출력얀 발전기 출력을 효과적으로 제어할 수 있는 제어로직을 구현하게 되었다. 이미 설계된 주기기 자료에 기반한 응답특성을 얻도록 튜닝한 결과로부터 운전 데이터를 취득하였다.
처음에 고급공정제어 모델 1-4(ARX 1~4)를 제외한 상태로 응답속도를 조절하기 위한 고급공정제어 모델(ARX Slow and Fast)만을 이용해 튜닝을 해보았으나 발전기 출력별로 양호한 응답을 얻을 수 없었다. 이에 예측 제어모델인 ARX 1~4를 적용하기로 결정하고 최종로직을 확정하여 모델링을 하고 튜닝을 시행했다
2차에서 설계한 로직에서도 튜닝과정에서 기수분리기 출구 증기온도로부 터의 고급공정제어 모델이 안정적인 마스터 출력을 가져오지 못했다. 이에 최종직으로 그림 2와 같이 전력요구신호를 이용한 응답속도 조절신호와 발 전기출력목표값(Unit Load Target) 신호로부터 얻은 보일러 마스터와 터빈 마스터에 대한 주증기 압력과 발전기 출력에 대한 고급공정제어모델을 구성해 최종적인 마스터 신호를 만들어내기로 했다.

대상 데이터

이러한 상황을 극복하고 우수한 성능을 발휘하기 위해 고급공정제어기를 적용했으며, 여러번에 걸친 튜닝과 로직 수정, 모델 수정 등을 통해 온도와 압력을 기존 표준석탄화력발전소만큼 안정적으로 유지하면서 발전소의 최종 출력얀 발전기 출력을 효과적으로 제어할 수 있는 제어로직을 구현하게 되었다. 이미 설계된 주기기 자료에 기반한 응답특성을 얻도록 튜닝한 결과로부터 운전 데이터를 취득하였다. 그 결과를 이용하여 고급공정제어기를 모델링하였으며, 그 응답특성이 기존 500MW 표준석탄화력발전소와 차세대 화력 발전 시뮬레이터의 협조제어 모드시의 결과보다 더 좋은 시험결과를 보여주었다.

성능/효과

이미 설계된 주기기 자료에 기반한 응답특성을 얻도록 튜닝한 결과로부터 운전 데이터를 취득하였다. 그 결과를 이용하여 고급공정제어기를 모델링하였으며, 그 응답특성이 기존 500MW 표준석탄화력발전소와 차세대 화력 발전 시뮬레이터의 협조제어 모드시의 결과보다 더 좋은 시험결과를 보여주었다. 모델링 결과를 이용한 부하시험과 튜닝을 통해 각종 전달함수와 파라미터 변수를 최적의 응답 상태로 조정하고, 실제 적용가능성을 확인하였다.
이 논문에서는 앞으로 건설할 차세대 대용량 화력발전소를 제어할 로직 에 대한 모의시험 및 고급공정제어기를 적용한 결과를 기록하였다. 기존보다 두배 정도 용량이 증가한 발전소를 제어하기 위해서는 기존의 제어방식으로는 성능을 보장할 수 없다는 것을 알 수 있었으며, 또한 기존발전소를 따라가기 어렵다는 것도 알 수 있었다. 이러한 상황을 극복하고 우수한 성능을 발휘하기 위해 고급공정제어기를 적용했으며, 여러번에 걸친 튜닝과 로직 수정, 모델 수정 등을 통해 온도와 압력을 기존 표준석탄화력발전소만큼 안정적으로 유지하면서 발전소의 최종 출력얀 발전기 출력을 효과적으로 제어할 수 있는 제어로직을 구현하게 되었다.
주증기 온도 및 재열증기 온도에 있어서는 기존 500MW 표준석탄화력보다 용량이 두배 정도 되는 발전소를 제어하면서도 차세대 화력발전소의 제어성능기준을 만족함은 물론 제한범위가 더 적은 500MW 표준석탄화력의 기준을 만족함으로써 우수한 제어결과를 보여주는 것을 알 수 있다. 압력에 있어서는 고급공정제어 모드에서 더 많은 변화를 보여주고 있으나 분당 변화율이 급격하지 않기 때문에 발전소 안정운전에 저해가 되지 않으며 또한 그 변화폭이 500MW 표준 석탄화력의 기준인 약 15~22kg/orf에 못 미치는 안정된 값을 보여줌으로써 충분히 좋은 결과를 보여주었다.
고급공정제어모드로 제어할 경우 출력변동률에 있어서는 현격한 차이를 보이면서 기존설비다 3% 전후인데 비해4~5%의 우수한 성능을 보여주는 것을 알 수 있다, 이러한 성능을 보이는 데 있어서의 문제는 온도와 압력을 얼마만큼 안정적으로 제어할 수 있는 가이다. 주증기 온도 및 재열증기 온도에 있어서는 기존 500MW 표준석탄화력보다 용량이 두배 정도 되는 발전소를 제어하면서도 차세대 화력발전소의 제어성능기준을 만족함은 물론 제한범위가 더 적은 500MW 표준석탄화력의 기준을 만족함으로써 우수한 제어결과를 보여주는 것을 알 수 있다. 압력에 있어서는 고급공정제어 모드에서 더 많은 변화를 보여주고 있으나 분당 변화율이 급격하지 않기 때문에 발전소 안정운전에 저해가 되지 않으며 또한 그 변화폭이 500MW 표준 석탄화력의 기준인 약 15~22kg/orf에 못 미치는 안정된 값을 보여줌으로써 충분히 좋은 결과를 보여주었다.

후속연구

1000MW급 차세대 화력발전의 초초임계압 공정은 기존 발전소보다 높은 고온, 고압의 조건임에도 불구하고 높은 효윰과 낮은 비용을 기본으로 설계 되어져 원하는 제어특성을 얻을 수 있도록 상태변수제어를 포함하는 최신 제어 이론을 개발 · 적용할 필요성이 커졌다.

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