이번글에서는 보일러 운전 및 제어에 대한 간략한 이야기 입니다. 보일러의 기본 제어 개념을 이해 이해하는데 도움이 되었으면 합니다.
보일러 제어 (Boiler Control Concept)
1. Introduction
최근의 발전 플랜트(Plant)는 관류형 보일러를 채택하는 추세에 있다. 그 이유는 초임계 압력 운전이 가능하여 광범위한 부하 범위에 최적의 증기 온도 유지가 가능하며 효율이 향상되어 운전 유지비가 절감되기 때문이다. 또한 드럼 타입(Type) 보일러처럼 드럼이 필요치 않아 건설비가 절감되고 관류 보일러에 대한 고도의 제어 기술이 개발되어 효율이 향상되었기 때문이다.
따라서, 터빈 발전기 및 초임계압 관류형 보일러의 일일기동 및 Cyclic 운전에 따른 기동시간 단축, 부하 추종성 향상 및 운전 정비의 편리성을 향상시키기 위해 마이크로 프로세서를 기본으로 한 분산 제어 시스템 (DSC)가 설치되어 있다.
분산 제어 장치 적용에 따라 발전소 부하 변동에 대한 부하 추종성이 향상되고, 주증기 온도 제어의 안정성이 확립되었으며 발전소의 안전 운전과 신뢰성 확보를 위해 분산 제어 장치의 이중화 구성 및 주요 기기 트립(Trip) 인터록(Interlock)에는 3중화(2 out of 3) 트립 회로을 적용하기도 한다.
또한, 발전소의 총괄적인 운전 감시, 운전 데이터 관리, 로그 시트(Log Sheet) 작성 및 데이터 저장을 위한 설비가 설치되어 있으며, 보일러, 터빈․발전기 및 주요 기기의 운전 상태를 효과적으로 감시하여 기기의 운전 및 정비를 용이하게 하기 위하여 보일러 열응력 분석 장치, 기기 진동 측정 장치, 보일러 튜브 누수 감지 장치 등의 독립된 감시 장치가 설치되어 있다.
2. 드럼 보일러와 관류형 보일러의 비교
| 드럼 보일러 | 관류형보일러 | |
| 설비측면 | 기수 혼합체로부터 증기가 분리되는 형식 | 관류 보일러는 급수 펌프측과 증기측을 구분하지 않으며, 증발점이 일정하지 않고 과열기에 유입되는 유체의 엔탈피도 일정하지 않다. 또한 드럼이 없고 관이 가늘기 때문에 유체의 보유량이 적어 부하 변화에 추종 여유는 적으나 추종 속도는 빠름 |
| 증기온도 제어 | 드럼 보일러는 증기 발생부와 과열기 사이에 열흡수를 분배하기 위한 스프레이(Spray)로 온도 제어가 이루어짊. |
열입력과 유체 유량의 비에 의해 열흡수가 자동적으로 결정되어 광범위한 범위에 걸쳐 희망하는 증기 온도를 얻을 수 있음. 스프레이(Spray)에 의해 증기 온도를 신속히 변화시키는 제어를 하고 있으나 이는 일시적인 효과로 과열기에 유입되는 유체의 엔탈피가 변화하기 때문에 스프레이에 의한 항구적인 온도 변화를 기대할 수는 없음. |
보일러 보호 |
상승관(Water Wall Tube)의 과열을 방지하기 위하여 최소 연료의 연소시에도 최저의 유체 유량을 확보해야 하며, 드럼 보일러는 드럼으로부터 물을 강제적 또는 열적으로 순환시킴. | 관류 보일러는 최저 유량의 급수를 강제적으로 유입시키고 보일러 기동 바이패스(TBN 바이패스가 아님) 계통을 통하여 이를 보호하고 있음. |
| 보일러 기동 (Bypass System) | 보일러 기동시 바이패스 시스템은 제작사마다 약간 다르나 기능적으로는 공통적인 목적으로 사용되며 수관에 최소 유량을 확보하여 수관의 과열을 방지하는 것이 목적이다. 이 경우 유체의 압력을 포화 압력 이상으로 유지하여 관내에서 증기의 Flashing을 방지해야 한다. 보일러 열입력을 제어하면서 터빈 바이패스를 통하여 증기를 복수기로 바이패스 시키면서 터빈을 예열하여 증기 온도와 터빈 금속과 Temperature Matching |
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| 급수유량 과 증기 유량 |
관류 보일러는 급수와 증기가 구분되는 지점이 일정하지 않기 때문에 급수량과 증기량의 비가 다를 경우 매우 큰 압력 변화를 초래할수 있으며, 보일러의 보유 용량이 매우 적기 때문에 부하 상승시 급수 유량과 증기 유량의 편차가 제한되어야 함. |
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| 급수 유량과 열량 입력 |
정상 상태에서 급수 유량에 대한 열량 입력의 비율은 최종 Setting 증기 온도를 유지시켜야 한다. 과도 상태에서의 이 비율은 새로운 부하에 합당한 열량 입력을 증․감시키는 동시에 보일러 금속부의 보유 열량을 고려해야 한다. |
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| 급수 유량과 스프레이 유량 |
관류 보일러는 과열 증기 온도를 일시적으로 신속히 제어하기 위하여 스프레이 유량을 일정량 공급하도록 설계한다. 따라서 이 스프레이 유량을 언제라도 증․감 양방향으로 제어가 가능하도록 급수량에 대하여 일정 비율을 할당하도록 하여야 한다. | |
2.1 제어 시스템의 설계시 고려사항
- 계통에 연계한 부하 제어 기능이 구현되어야 함
- Forward 제어 및 가변 이득(Variable Gain) 개념이 고려되어야 함
- 공정간 상호 간섭 등의 외란에 대해 미리 감지하여 예방하는 제어 개념이 고려되어야 함
- 운전원의 입장을 고려하여 저부하부터 Full 부하까지 똑같은 루프(Loop) 제어 구성 고려
- Unit의 운전 상태에 따라 제어 모드(Mode)가 자동 선택되도록 설계
- 보일러 또는 보일러 보조 기기의 Capacity 를 초과하는 부하가 걸리는 경우 및 제한 조건이 발생한 경우 터빈 추종 모드로 자동 전환
- 터빈 또는 발전기 Capacity 을 초과하는 부하가 걸리는 경우 및 제한 조건이 발생한 경우 보일러 추종 모드로 자동 전환되도록 고려되어야 함.
- Unit가 Abnormal 조건 및 수동 운전의 경우에도 터빈 제어 밸브, 급수 유량, 연료 유량, 공기 유량 등의 비율이 적절히 유지되도록 해야함.
- 관측기를 갖는 상태 변수 제어기 (프로세스 내부 변수에 대해 프로세스 모델을 설정하여 측정 가능한 입출력 변수들로부터 측정 불가능한 내부 변수들을 추정하는 관측기와 이를 실현하는 제어기) 의 구성이 고려되어 함., 이경우 예를 들면 프로세스 입구 온도의 측정 장치에 고장이 발생되어도 제어기 내부에서 산정된 온도를 가지고 대응할 수 있으며 어느 정도 제어 질의 저하를 가져올 뿐 자동 운전은 계속할 수 있는 장점이 있다.
3. 드럼 및 관류형 보일러의 제어 개념
| 드럼 보일러 | 관류형 보일러 | |
| 연료량 변화 | 드럼형은 연료량 증가에 따라 보일러 증발량이 증가하여 주증기 압력이 상승한다. 증발량의 증가에 의해 드럼 수위는 저하하고 증기 온도는 연소 가스 온도 및 가스 유량의 증가에 따라 상승한다. |
관류형은 보일러 입력 증가로 증발점이 상류 측으로 이동하고 증발량이 일시적으로 증가하나 급수 유량이 일정 상태로 변화하지 않았기 때문에 증발량은 원래의 상태로 복귀된다 |
| 증기 온도는 상대적인 과열부의 증가로 상승한다. 이에 따라 증기의 체적 유량이 증가하여 주증기 압력은 완만히 상승한다. 발전기의 출력이 증가하는 것은 증기 유량의 증가에 의한 것이 아니고 증기의 엔탈피 증대에 의한 것이다. | ||
| 급수량의 변화 |
드럼형의 급수량 증가는 드럼 수위만 상승시킬 뿐 증발량, 주증기 압력, 주증기 온도 등에는 거의 영향을 주지 않는다 |
관류형의 급수량 증가는 주증기 유량을 증가시키고 주증기 온도는 떨어진다. |
| 또한, 주증기 유량의 증가는 주증기 압력 및 발전기 출력을 일시적으로 증가시키나 시간이 경과하면 주증기 온도 및 재열 증기 온도 강하의 영향으로 원래의 상태로 복귀된다. 만일 주증기 온도를 일정하게 유지하면 주증기 압력은 상승하게 된다. |
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| 터빈 제어밸브 개도 변화 |
드럼형 보일러에서 터빈 제어 밸브의 개도 증가는 터빈을 통과하는 증기량의 증가로 주증기 압력은 강하하고, 이에 따라 드럼의 증발량이 증가하여 드럼 수위도 강하하게 된다. 증기 온도는 과열기를 통과하는 증기량의 증가로 강하한다. | 관류형 보일러에서 터빈 제어 밸브의 개도 증가는 드럼보이러와 유사하게 터빈을 통과하는 증기량의 증가로 주증기 압력은 강하한다. |
| 과열기 스프레이 변화 |
드럼형은 스프레이를 증가시키면 보일러 출구의 증기량이 스프레이량 만큼 증가하여 주증기 압력도 상승한다. 주증기 온도는 스프레이에 의해 감소한다. | 관류형은 스프레이 양의 증가에 따라 주증기 유량이 일시적으로 증가하고 주증기 압력, 발전기 출력이 상승한다. 주증기 온도는 일시적으로 강하하나 시간이 경과하면 원래의 상태로 복귀된다. |
| 재순환 가스량의 변화 |
드럼형에서 재순환 가스량의 증가는 저온의 재순환 가스가 증발기를 냉각시켜 증발량이 감소한다. 증발량의 감소는 과열기, 재열기를 통과하는 증기량의 감소를 초래하는 한편 재순환 가스량의 증가에 의한 과열기 입구의 입열이 증대되어 증기 온도는 상승한다 |
관류형에서 재순환 가스량의 증가는 증발부를 냉각시켜 증발부의 증발 완료점을 하류로 이동시키며, 이때 증발량이 일시적으로 감소한다. 이것은 주증기 압력 및 발전기 출력의 일시적인 강하로 나타난다. 주증기 온도는 재순환 가스가 최대점에서 일시적으로 상승하나 과열부의 상대적인 감소 효과로 결국은 강하한다. 재열 증기 온도는 재순환 가스량의 증가에 따라 상승한다. |
4. Operating Mode
발전소의 Unit 를 제어하는데 사용되는 발전소 운전 방법은 3가지가 있다.
- 운전원이 선택가능한 터빈 추종 운전 방식(TBN Following Mode)과 협조 제어 방식(Coordinate Mode)
- TCS HMI Board 상에서 "MW" 모드 Control → 보일러 추종 모드 (Boiler Following Mode)
Unit를 기동하여 부하 설정치 (Unit Load Demand : ULD)가 40 % 이하까지는 터빈 추종 운전 방식으로 운전되며, ULD 설정값이 40%이상이 되면 Unit 협조 모드 및 보일러 추종 모드로 운전 방식을 전환할 수 있으며, 정상 운전 중 증기 발생기나 터빈에 이상 상황이 발생되었을 경우에는 Unit 협조 모드 및 보일러 추종 모드에서 터빈 추종 모드로 전환된다. 터빈 운전은 Unit 마스터 제어 (UMC)에서 전송되는 설정치를 터빈이 추종하기 위해서는 UMC ON 상태에서 가능하다. 만약 TCS HMI Board 에서 MW 모드가 선택되어 있으면 Unit Control은 보일러 추종 모드로 전환된다.
*** ADS ( Auto Dispatch System), ALR (Auto Load Regulator ) → 협조제어 운전
*** Boiler Following Mode, TBN Following Mode → 부하추종 운전 : Load Tracking Mode
4.1 Boiler Following Mode
보일러 추종 방식
보일러 추종 방식은 발전기 부하 변화시 터빈 제어 밸브가 동작하여 발전기 출력을 설정값에 추종시킨다. 이 때는 아직 보일러 입력(연료, 공기, 급수)은 변화하지 않았으므로 부하 상승시에는 터빈 제어 밸브를 열어 보일러 축열량의 일부를 추출하고 부하 감발시에는 역으로 한다. 그 결과 발생한 주증기 유량과 주증기 압력의 변동에 의해 보일러 입력을 제어하는 방식이다. 석탄 발전소의 경우 보일러의 시정수가 크기 때문에 보일러 마스터는 응동 지연에 대한 보상으로 선행 신호를 사용하고 그 비율 설정은 부하별 응동특성을 실험한 후에 설정하여야 한다. 보일러 추종 제어 방식은 부하 추종성이 양호하다는 장점을 갖고 있다. 즉 동작이 신속한 터빈 제어 밸브를 사용하여 보일러 축열을 에너지 요소로 활용하므로 발전량을 설정값에 추종시키는 능력이 아주 양호하다. 따라서 AFC(Automatic Frequence Control)도 가능하다. 그러나 빠른 부하의 추종성 때문에 터빈 제어 밸브가 크게 동작하여 보일러 능력 이상으로 주증기 유량의 증감이 있는 경우에는 발전량 제어와 보일러 제어간의 상호 간섭에 의하여 발전소 전체가 불안정한 상태에 빠질 수 있다. 이 방식은 드럼 보일러를 가진 발전소에서 주로 사용하는 방식이다. 아래 그림은 보일러 추종 방식의 압력 변화 곡선이다.
터빈 추종 방식
터빈 추종 방식은 발전기 출력 요구 신호에 따라 먼저 보일 러 입력(연료, 공기, 급수)을 추종케 하여 그로 인한 주증기 유량을 변화시켜 발전기 출력을 제어하는 방식으로, 즉 터빈이 보일러의 압력 변동에 따라 추종하는 제어방식이다. 출력 변동 신호가 증가하게 되면 보일러의 급수 및 연소량이 증가되어 열입력이 증가하게 되므로 일정한 압력을 유지하기 위해 터빈 제어 밸브가 열려 결과적으로 출력이 상승하게 된다. 이 운전 방법은 안정된 운전 특성을 갖고 있으나 부하 추종성이 떨어진다. 터빈 추종 운전은 선행 조건이 만족되면 운전원이 선택할 수 있으며 Unit 이상 상황 발생시 후비 보호 차원에서 최종적으로 실행되며 Unit 협조 제어 방식 혹은 보일러 추종 운전 방식 이 선택되면 자동으로 Reset된다. 터빈 추종 방식의 선행 조건은 보일러 마스터 제어기 혹은 연료량, 연소용 공기량, 급수량 제어가 수동 운전 상태이고, 터빈이 UMC 모드가 아닐 때 선택할 수 있고, 또한 운전원이 어느 때나 선택할 수 있는 운전 방식이다. 터빈 이상 상황 발생시 이 운전 방식이 선택되고 UMC 모드에서 빠져 나오게 된다.
협조 제어 방식(Coordinated Mode)
협조 제어 방식(Coordinated Mode) 방식은 보일러와 터빈 마스터가 발전기 출력과 주증기 압력을 동시에 제어하며 주증기 압력과 발전기 출력의 안정에 기여하는 제어 모드이다.
| 주제어 | 부제어 | |
| 터빈 제어 밸브 | 발전기 출력 | 주증기 압력 |
| 보일러 입력량 | 주증기 압력 | 발전기 출력 |
보일러와 터빈 마스터는 주증기 압력 편차와 출력 편차 신호에 의해 동작하고 그 비율은 약간 다르지만 주증기 압력과 발전기 출력이 설정값보다 낮으면 보일러 마스터가 출력을 증가시키고, 높으면 반대로 동작한다. 여기서 고려할 점은 발전기 출력이 설정값보다 높고 주증기 압력이 설정값보다 낮은 경우에는 터빈 제어 밸브를 닫아 스팀 유량을 줄여 터빈 출력을 감소시키고 결국 발전기 출력이 감소하여 주증기 압력을 상승시킬 수 있다.
또한 터빈 마스터가 발전기 출력 편차를 정정하는 동안 보일러 마스터가 늦게 동작하여 과잉 동작 하지 않도록 해야 하며 이 때 터빈 마스터가 발전기 출력을 정정하는 동안 주증기 압력 편차가 변화되어도 보일러 마스터는 더 이상의 연료를 공급하지 않도록 하여 오버슈트(Overshoot)를 방지해야 한다.
*** Overshoot : 신호 처리, 제어 이론, 전자 공학 및 수학에서 오버슈트는 목표를 초과하는 신호 또는 기능으로
반응값이 안정 상태로부터 감소하기 전에 나타나는 미세한 증가 또는 반응값의 변화(증가) 후 안정 상태에 이르기 전에 나타나는 일시적인 초과 현상
보일러 마스터의 경우 발전기 출력 편차와 주증기 압력 편차의 비율 설정은 보일러의 특성에 맞게 조정해야 한다.
예를 들어 8MW(=1.4 barg)로 초기 설정한 후 수회의 시험을 거쳐 최적의 설정값을 정한다. 터빈 마스터도 발전기 출력 편차와 주증기 압력 편차의 비율 설정과 속도 조정은 계의 특성을 고려하여 보일러측에 전달되고 제어량의 잔류 편차(Off-set)를 피드백 제어 루프를 사용하여 설정값으로 유지한다.
관류 보일러는 축열량(열의 축적 능력)이 드럼 보일러와 비교해서 적기 때문에 최적 운전 방식은 협조 제어 방식이다.
변압 운전(Sliding Pressure)의 경우 주증기 압력 을 목표치로 증감소시키는 것은 대단히 어려워 주증기 압력 편차(압력 변동)가 정압 보일러와 비교해서 크다.
(일반적으로 변압 보일러에서는 ± 6 barg, 정압 보일러에서 ± 3 barg). 발전기 출력 지령(MWD : MW Demand)으로 터빈 제어 밸브에 의해 발전기 출력 제어에 대응하고, 주증기 압력 편차에 의해 발전기 출력의 수정을 행하므로써, 발전기 출력의 추종성을 그다지 나쁘게 하지 않고, 또한 주증기 압력 변동은 어느 정도 억제하는 것이 가능하다.
출력 지령의 설정치 변화가 보일러 입력량을 변화시키므로 발전기 출력의 추종성이 빠르며, 주증기 압력의 변동도 억제하는 것이 가능하게 된다.
