이번 글에서는 복합화력 발전소(CCPP)의 HRSG HP, IP 및 LP 증기 시스템에 사용되는 증기 터빈 바이패스 System 중 HP 바이패스 시스템에 대한 이야기 입니다. (Plant/Project 별로 다소 차이가 있을 수 있으나, Project 수행시 설계 및 시운전 계획 수립시 Trouble 예방을 위한 참고 사항이 되었으면 합니다.)
증기 터빈 바이패스 시스템 제어 로직
복합 화력 발전소에 설치되는 증기 터빈 바이패스 시스템에 대한 요구 사항은 아래 문서들에서 상세히 찾아볼수 있다.
• ANSI / ISA-77.13.01, “Fossil Fuel Power Plant Steam Turbine Bypass System”
• ASME TDP-1, “Prevention of Water Damage to Steam Turbines Used for Electric Power Generation: Fossil-Fueled Plants”
• ANSI / FCI 70-2, “Control Valve Seat Leakage”
• ISA S75.01, “Flow Equations For Sizing Control Valves”
• Heat Exchange Institute (HEI), “Standards for Surface Condensers”
• Heat Exchange Institute (HEI), “Standards for Air Cooled Condensers”
• ASME B31.1 : Safety Relief Valves installed as the primary piping overpressure
“ ANSI / ISA-77.13.01 “에 기술 된 발전소 증기터빈 바이패스 시스템의 기능 및 고려사항 ; .
• 터빈 바이패스 시스템은 Cold Start up, Warm Start, Hot Start, 부하차단(Load Rejection), 터빈 정지 및 터빈 Trip 을 위하여 제공해야 한다.
• 그 시스템은 바이패스 밸브, 차단 밸브 및 관련 DSH(Desuperheater)를 제어하여 터빈 주변과 터빈을 통과하는 증기의 압력, 온도 및 유량 제어가 가능하도록 설계되어야 한다.
• 과열저감기 기능 (Desuperheater Function)은 바이패스 밸브와 통합하여 고려 할 수 있다.
• 터빈 바이패스 시스템은 터빈 제어 및 감시 시스템과 연결(Interface) 되지 않는다. (때때로, 원격 설정 값을 지정하여 연결하기도 함).
• 터빈 바이패스 시스템은 증기 헤더에 압력을 유지하도록 설정되어 있으며, 터빈에 대한 Control 은 증기 조건은 프로세스와의 상호 작용을 통해 이루어져야 하며, 제어시스템과의 직접적인 상호 연결은 없어야 한다.
그리고 “ ASME TDP-1, “Prevention of Water Damage to Steam Turbines Used for Electric Power Generation: Fossil-Fueled” 에 기술 된 발전소 증기 터빈 바이패스 시스템의 기능 및 고려사항은 아래와 같다.
• 터빈 바이패스 시스템은 터빈 시동 및 정지 중에 증기 터빈으로 가는 증기를 우회하기 위한 증기 시스템으로, 이 시스템은 HRSG( Heat Recovery Steam Generator)가 STG 예열, 정지 (Trip)을 위해 독립적으로 작동할 수 있도록 구성되어야 하며, 증기 터빈이 운전되지 않을 때에도 HRSG 연속 운전이 가능하도록 해야 한다. 아래 그림은 Typical 한 바이패스 시스템에 대한 Flow Diagram 예이다.
(일반적으로 증기 터빈 OEM 사마다 시동, 정상운전 및 바이패스 운전에 대한 Requirement 가 다를 수 있으며 설계 초기 단계에서 이런 특성을 확인하여 Start-up 및 정상 운전을 위해 시스템 설계시 고려되어야 함.)
[ HP 바이패스 Pressure Control Valve Description ]
HP 바이패스 압력 제어 밸브는 HP 스팀 헤더 압력을 유지하기 위해 DCS에 의해 자동으로 제어되며, 이 밸브는 HP 증기 Line 의 고압/과도 상태 및 시동시에 HP 증기를 저온 재열 ( Cold Reheat (CRH)) 증기 Header 로 우회시켜 HP 압력을 제어 한다.
바이패스 밸브의 대표적인 공급업체는 CCI (Control Components, Inc.), IMI CCI), Masoneilan (Part of GE), Fisher, Leslie (Circor), Copes-Vulcan (SPX), Welland & Tuxhorn (W&T) 사 등이 있으며, 이러한 공급업체의 제품들이 산업설비에 많이 사용되고 있다.
복합화력 발전소에서 HP 스팀 헤더 압력은 HRSG HP SH (SuperHeater) 출구에서 압력 트랜스미터 신호로 DCS에서 모니터링 되며, 2(Gas 터빈) x 2 (HRSG) x 1 (STG) CCPP 구성에서는 HRSG의 스팀 헤더 차단 밸브가 열릴 경우, HP 증기 헤더 압력을 위해 모니터링 용으로 사용 되었던 압력 신호는 HP 증기 Common 헤더에 설치 된 압력 트랜스미터 신호로 전환 되도록 구성한다. 경우에 따라서 이 압력 신호는 STG 터빈 제어시스템(TCS)에서 DCS로 유선연결 (Hardwired) 되기도 한다.
HP 바이패스 밸브의 압력 설정 값은 (압력: STG 출력(MW)) 에 대한 변압(Sliding Pressure) 곡선에 따르며, STG 출력(MW)이 증가함에 따라 압력 설정값은 STG 유입 압력 조건(최소 부하시)으로부터 STG가 약 85% ~ 90% 부하에 도달할 때 선형적으로 증가하여 정격 압력(최대 압력)에 도달하고, STG는 이때 입구 압력 컨트롤(Inlet Pressure Control : IPC ) 모드로 전환된다. 이때, STG는 증기 Header 압력을 제어하게 되고, HP 바이패스 밸브의 설정 값은 STG가 제어하는 Header 압력의 데드밴드( Deadband) 값 범위가 유지되도록 한다. ( HP 증기의 데드밴드는 일반적으로 약 3 bar 이다 (Project Specific.)
(Dead-band : 어떤 구간내에서는 아무런 반응이 발생되지 않도록 하는 완충구간)
예를 들면 Steam Pressure High Alarm 값을 (High Alarm)을 16 mA 로 Setting 했을 경우, 입력 신호값이 16mA 를 초과 (예; 16.1 mA)하면 알람이 울리게 되고 그후에 16 mA 이하 (15.9 mA)로 떨어지는 순간 알람을 해제하기로 했다고 하자. 이것은 운전상의 문제는 없지만 운전 중 외란, 기기의 측정 오차 등이 발생했을 때 알람이 울렸고 해제되는 반복적인 상황이 발생될 수 있다. 이를 방지하기 위해 일종에 완충 영역을 두어 어떤 구간내에서는 입력값이 변화해도 출력에 변화가 없도록 고려한 것임.
복합화력 발전소에서 HP 밸브 바이패스 밸브 제어 시 운전자는 제어를 위해 "AUTO / CASCADE / MANUAL" 모드 로 운전 모드를 선택할 수 있으며, 운전자가 "AUTO"를 선택 한 경우 원하는 압력 설정 값을 (DCS 엔지니어가 설정한 설정치) 입력할 수 있도록 되어있다.
AUTO 모드에서는 STG 오프라인 상태이고 GTG/HRSG 가 "Simple Cycle " 모드에서 작동 중일 때 헤더 압력을 제어하는 데 사용할 수 있다. 수동 모드는 초기 GTG 시동 및 HRSG 증기 압력 상승(Build up) 중에 HRSG 재열(Reheat) Line를 통해 증기 흐름을 위해 밸브를 최소 개방 비율로 설정하기 위해 사용될 수 있다.
또한, HP 바이패스 밸브 예열의 경우 바이패스 밸브가 증기 흐름이 있는 주배관 위쪽 부분에 설치되고, 배관 라인이 주 스팀 라인쪽으로 기울어져 있을 경우 밸브 상류(Upstream) 배관의 예열은 필요 하지 않다.
AUTO 모드에 있는 경우 STG 정지 시 HP 증기의 급격한 Higher Pressure Build-up을 방지하여 HP 증기 Line 에 설치 된 안전 밸브가 열리지 않도록 매우 빠르게 (1~2초) 열려야 한다.
바이패스 밸브 컨트롤은 HP 증기 헤더 압력이 설정 값 이상으로 상승할 때 밸브가 열리기 시작하는 비례·적분 제어이다.
DCS에서 HP 바이패스 밸브의 출력 값은 밸브 공급업체가 권장하는 최소 밸브 개방율 (Minimum Valve Opening Percentage ) 까지만 밸브가 열리도록 구성되어야 하며, 이 개방율 이하에서는 밸브를 조정(Modulating)하지 말아야 한다.
(일반적으로 밸브 공급업체 마다 차이가 있지만 최소 밸브 개방율은 약 7 % 에서 10% 이다.)
HP 바이패스 밸브는 이 최소 개방율 이하에서 조정하게 되면 조임 등급(Tightness Classification) 및 기타 손상이 발생되기 때문에 DCS는 PID 제어 시 출력 값이 이 최소 개방율 아래로 떨어질 경우는 밸브를 서서히 닫히도록 구성되어야 한다.
또한, 바이패스 밸브 상류쪽에 블록 밸브가 설치 되지 않은 경우 바이패스 밸브 Leakage Class 는 ANSI/FCI 70-2 Class V(또는 VI: Tight Shutoff Type Valve : 닫혔을 때 누출이 발생되지 않도록 설계 된 밸브)로 고려되어야 하며, 이를 통해서 추가적인 차단 밸브 설치의 필요성을 제거할 수 있다.
HP 바이패스 밸브 제어는 HRSG HP 드럼 압력 상승률(HP Drum Pressure Rate of Rise)를 조정하기 위한 보조 제어 기능으로도 이용될 수 있다. 일발적으로 복합화력 발전소에 설치되는 HRSG는 OEM 마다 HP Drum Start Up 시 급격한 온도 상승에 따른 문제를 예방하기 위하여 온도 상승률에 대한 요구 사항이 있으며, HP 드럼의 온도 상승 제어 시 HP 드럼의 압력 상승 속도(bar or PSI / min.)가 제한치를 초과할 경우 바이패스 밸브를 이용하여 조정이 가능하도록 (바이패스 밸브 Open) Feed-Forward 신호를 고려한다. HRSG Drum 내부는 포화 상태 (Saturated )이므로 압력 증가율은 온도증가율과 일치하게 된다.
그러나, 이러한 경우 HRSG Drum 에서 고려되어야 할 사항은, 대부분 HRSG의 드럼에는 큰 외경을 가진 검사 포트(Port)가 설치되기 때문에, 이 포트 연결부위 바깥 플랜지 부분 온도가 드럼 표면 온도가 동일한 속도로 증가하지 않을 경우 온도 차이로 인해 (서로 다른 팽창률) 포트 부분 손상으로 인한 치명적인 누출이 발생할 수 있다는 것을 인지해야 한다.
(급격한 압력 상승은 급격한 온도 상승을 수반함.)
또한, HRSG OEM 은 Start up 동안 Drum 압력을 제어하고, Non Condensable Gas를 제거하기 위한 목적으로 Startup Vent (or Sky Vent) 공급하고 로직에 반영한다. 이 로직은 HP Drum 압력이 특정 값 (일반적으로 STG 유입 압력 조건 (Floor Pressure) 보다 낮음)으로 상승한 후에는 밸브가 닫히도록 구성하며, HP 드럼에 설치 된 압력트랜스미터 신호가 이 제어를 위해 사용된다.
일반적으로 DCS 로직 상에 이 기능을 제공하고 있으며, 쉽게 사용할 수 있는 " 속도 모니터 ( Rate Monitor )” 기능 블록이 있어, PID 블록의 "Feed Forward" 대신 밸브 M/A (MANUAL /AUTO) 스테이션에서 "우선 순위 변경(Priority Raise) 기능으로 구현할 수 있다. 오버라이드(Override) 상태일 경우는 DCS HMI 그래픽에 표시되고 알람이 울리도록 한다.
일반적으로 이 기능은 GTG/HRSG Start up 이후 일정 시간 경과 후는 활성 된 상태(Active)로 유지 할 필요가 없다.
바이패스 밸브 제어 시 Spray Water Control 밸브가 제대로 작동하지 않거나, 빠르게 반응하지 않으면 바이패스 밸브 출구 온도가 허용 온도 이상으로 상승할 수 있으며, 이 때는 보조적인 PID 루프(또는 다른 방법)를 사용하여 온도가 상승하지 않도록 하고 바이패스 밸브가 천천히 닫히도록 해야 한다.
만약 일정 시간(예: 20~30초) 경과 후에도 온도가 너무 높으면 DCS는 Override Close에 의해서 바이패스 밸브가 자동으로 닫히도록 구성되어야 하고, 밸브가 수동으로 조작되지 않도록 해야 한다.
[Override Control 이란 ]
발전소 (or Plant) 운전 중 예측할 수 없는 공정 조건 발생으로 인해 여러 가지 위험한 상황이 발생할 수 있다.
이런 상황이 발생되었을 때 정상적인 제어 루프를 중단하고 그 비정상적인 상황을 변경하기 위하여 특정 컨트롤러의 지시를 받아 위험한 상황이 변경될 수 있도록 제어 요소를 조정하기 위한 제어 방식이다.
이러한 유형의 제어에서는 두 개 이상의 컨트롤러와 제어선택기가 필요하며, 하나의 컨트롤러가 시스템의 프로세스를 제어하지만 어떤 예측할 수 없는 공정 조건이 발생되었을 경우는 다른 하나의 컨트롤러가 비 정상적인 조건이 변경될 수 있도록 제어 한다.
아래는 발전소(or Plant)에서 물을 운송하는 급수 시스템에 대한 제어의 예다.
급수 펌프는 각 Consumer의 급수 수요에 따라서 저장 탱크로부터 일정한 수압으로 물을 공급하며, 수요가 줄어 들어 공급 유량이 적은 저유량 조건에서는 펌프 속도를 조정하여 에너지를 절감할 수 있도록 VSD( Variable Speed Motor Driver )로 고려되었다.
Case A : 급수펌프 운전 중 급수 저장탱크 수위가 Pump Suction Pipe Line 이하로 떨어질 경우에도 Consumer 로부터 급수가 요구되는 경우 펌프는 토출 압력을 유지하기 위하여 정지되지 않으며 결국 공회전(Dry Run)상태까지 이르게 되어 급수펌프는 치명적인 손상을 입을 수 있다.
Case B: Case A 문제를 개선하기 위해 레벨 제어를 추가로 고려할 경우 Dry Run 과 같은 예측하지 못한 상황에 대비할 수 있다. 레벨 트랜스미터를 레벨 컨트롤러에 연결하고 릴레이 (Or 기능 블록)을 사용할 경우, 급수 중에 탱크내 수위가 펌핑 수위 보다 낮아 질 경우 Consumer 의 수요가 있다 하더라도 레벨 컨트롤러가 펌프 속도를 낮추거나 정지 되도록 하여 Dry Run 로 인한 펌프 손상을 방지 할 수 있다. 물 공급이 필요한 상황이지만 우선적으로 물 공급측면 보다는 펌프 보호 (Dry Run 방지)을 우선하여 제어하게 된다. 이러한 개념이 일종에 Override 제어 기능이다.
[ 제어 루프 (Control Loop) ] : 개별 프로세스를 제어하는 변수의 측정 및 조정에 필요한 모든 하드웨어 구성 요소와 소프트웨어 제어 기능으로 구성 된 시스템이다.
[ 인터록 (Interlock) ] : 설비/기기 작동 시 특정 조건하에서 기계 장치나 기능이 서로 의존적으로 프로세스를 제어하게 하는 것으로 논리 조건을 사용하여 프로그램상에서 컨트롤러에 의해 제어된다.
[ HP 바이패스 밸브 제어 : Failure 모드 & Interlock ]
HP 바이패스 밸브는 운전 중 밸브 자체의 전기 신호 및 계측공기 공급 고장 시 “FAIL CLOSED” 상태여야 하며, 밸브 제어를 위한 모든 압력 신호가 DCS로 전송되지 않는 경우 ( " BAD Quality “ ), DCS는 AUTO 또는 CASCADE 모드 상태에 있는 밸브가 수동 모드로 전환되지 않도록 하고 밸브가 닫히도록 해야 한다.
이때, HP 바이패스 밸브는 DCS에 의해 "Pulse "로 닫히게 되는데, 이것은 DCS가 바이패스 밸브가 닫히도록 구동하지만 운전자가 수동모드에서만 제어할 수 있도록 해제한다는 것을 의미한다.
일반적으로 시스템의 신뢰성 (Reliability)을 높이기 위해서, DCS 로직 구성시 HP Drum 압력 신호를 바이패스 Valve Control을 위한 백업 신호로 활용할 수 있다.
DCS로 STG 출력(MW ) 신호가 들어오지 않는 경우 ( " BAD Quality " ), DCS는 CASCADE에서 AUTO로 전환되지 않고, HP 헤더 압력의 현재 값을 설정값으로 사용하도록 해야 하며, 운전자가 압력 설정 값을 조정할 수 있도록 해야 한다.
HP 바이패스 밸브 상류쪽 온도 신호에 문제가 있고, HP 증기 온도가 HP 바이패스 Spray Water 제어 밸브의 온도 설정 값보다 높으면, DCS는 바이패스 밸브가 자동모드 또는 CASCADE 모드에서 수동 모드로 전환되는 않도록 하고 바이패스 밸브가 닫히도록 해야 한다.
바이패스 밸브는 DCS에 의해 "Pulse"로 닫혀야 하며, 이것은 위에 설명한 것처럼 DCS가 바이패스 밸브가 닫히도록 구동하지만, 운전자는 MANUAL 모드에서만 제어할 수 있도록 해제 한다는 것을 의미한다.
발전소 운전 중 모든 보일러 급수 펌프(BWFP : Boiler Feed Water Pump)가 5초 이상 기동 되지 않고, HP 증기 온도가 HP 바이패스 밸브 Spray 제어 밸브 설정값 보다 높아 지면, DCS는 자동 또는 CASCADE 모드에서 수동 모드로 바이패스 밸브가 전환되지 않도록 하고 밸브를 닫아야 한다.
이때, BFWP가 5초 이상 기동하지 않고 있다는 것은 운전 중인 BFWP가 Trip 되고, 예비용 BFWP도 기동 되지 않은 상황을 의미하며, Desuperheater로 Spray Water 공급이 불가한 상황이기 때문에 HP 바이패스 시스템은 작동되지 않아야 한다.
이경우에도, HP 바이패스 밸브는 DCS에 의해 "Pulse"로 닫혀야 하지만 ( DCS가 바이패스 밸브를 닫히는 상태로 구동하지만 운전자가 MANUAL 모드에서만 제어할 수 있도록 해제함), 선택적으로 바이패스 밸브를 펄스 신호를 이용하지 않고 닫을 수 있긴 하나, 이때는 운전자는 제어에 대한 선택권이 없어지게 되고 발전소는 정지 하게 된다.
BFWP가 정지되면, GTG/HRSG 는 설정된 TD( Time Delay) 값에 따라 Trip 된다.
HP 바이패스 밸브용 TCV 또는 HP 바이패스 TCV 차단 밸브가 AUTO가 아니거나, HP 증기 온도가 HP 바이패스 Spray Water 제어 밸브 설정 값보다 높은 경우, DCS는 AUTO 또는 CASCADE 모드에서 MANUAL 모드로 전환하지 않고 밸브를 닫아야 한다. 이 상태에서 HP 바이패스 밸브는 자동으로 열리지 않아야 한다. 왜냐하면 Spray Water 제어 밸브가 AUTO 모드에 있지 않기 때문에 바이패스 밸브를 Open 하더라도, Spray Water 가 공급되지 않아 (TCV 가 반응하지 않음) 바이패스 밸브 상류쪽 증기 온도가 제어되지 못하기 때문에 HP 바이패스 밸브의 출구쪽 증기온도가 빠르게 상승하여 상류쪽 배관에 손상을 입힐 수 있다.
대부분의 복합 화력 발전소는 HP 바이패스 시스팀에 "CASCADE" 바이패스 시스템을 사용하며, 이것은 HP 바이패스 증기가 주 복수기(Main Condenser)로 바로 배출되지 않고, 저온 재열시스템 (Cold Reheat Line) 으로 배출된다는 것을 의미 한다. HP 바이패스 증기가 주 복수기로 바로 배출되는 경우는 고온 재열 시스템 (Hot Reheat Line)의 바이패스 밸브쪽에 주 복수기 보호용 인터록(Interlock)이 고려되어야 한다.
STG의 운전 중 HP 증기 Header 의 안전 릴리프 밸브가 열리지 않도록 하려면 HP 바이패스 밸브가 빨리 반응하여야 하며, 그렇지 않을 경우 HP 증기 Header 안전 릴리프 밸브가 열릴 수도 있다. 이러한 상황이 발생되었을 때는 그 안전 릴리프 밸브는 밀봉에 문제가 없도록 점검 및 수리가 필요하다.
또한, HP 바이패스 밸브가 빨리 열리지 않으면 HP 드럼 압력이 급격히 증가할 수 있으며, 이는 압력 증가로 인해 드럼 수축(드럼내 물의 수축 : Shrink)을 발생시키게 되며, 이로 인해, 드럼 레벨이 너무 빠르게 감소하여 GTG/HRSG가 Trip 될수 있다.
HP 바이패스 밸브가 100% " Fast Opened " Mode 에 있는 경우 Spray Water 가 증기량 대비 충분한 물공급이 이루어 지지 않아 과열로 인한, 상류쪽 배관이 손상될 수도 있다. 반대로, HP 드럼의 압력이 급격히 감소하면 드럼 팽창 " (드럼내 물팽창: Swell )"이 발생하여 드럼 레벨이 너무 빠르게 증가할 수 있으며, 드럼 레벨 High High 로 인해 GTG/HRSG 가 Trip 될 수 있다.
HP 바이패스 밸브는 빨리 열려서 프로세스 조건에 맞게 반응하도록 해야 하지만, 반드시 100% 가 열릴 필요는 없으며, STG Trip 전후 HP 헤더 압력 상승을 방지하고, GTG/HRSG의 부하 증감 시, 운전자 실수로 인한 GTG/HRSG의 Trip 최소화를 위하여 아래 사항이 HP 바이패스 시스템 Control Concept 에 적용될 수 있다.
미리 결정 된 Trip 목표 위치 사용 ( Pre-determined Trip Target Position )
발전소 (or Plant) 운전 중에 HP 바이패스 밸브를 100% 열기위해 디지털 신호을 받아 동작하는 솔레노이드 밸브를 사용하지 않고, 밸브 Positioner 신호를 제어용으로 사용할 수 있으며, 이런 경우 바이패스 밸브를 미리 결정된 위치까지 열리게 할수 있으며, 이 위치에서 약 10 초 동안 멈춘 후에 PID Pressure Control Mode로 전환되도록 할 수 있다.
이때, 미리 결정 된 목표 위치는 밸브 유량계수 (Cv : Flow Coefficient) 곡선과 HP 증기 유량 트랜스미터 신호를 기준으로 STG Trip 10초 전에 DCS에 의해 계산될 수 있다.
일반적으로 ISA 75.01 STANDARD 에 제시 된 “밸브 유량 방정식”을 사용하여 유량 : Cv 값을 결정 할수 있으며, 바이패스 밸브 공급업체가 ISA 표준을 따르지 않는 경우 공급업체로부터 관련 방정식을 제공받아야 한다.
DCS는 STG Trip 직전(10초 전에)에 HRSG에서 생산되는 스팀양을 통과하는 시키는데 필요한 밸브 Cv 를 계산한 후 이 Cv 값을 밸브 공급업체가 제공 한 "Cv : % Open 곡선과 비교하고, DCS는 STG가 짧은 시간(약 10초) 동안 Trip 되었을 때 즉시 이 " % Open " 을 HP 바이패스 밸브에 요구되는 값으로 설정한다.
STG가 Trip 되면 바이패스 밸브 제어모드가 CASCADE에서 AUTO로 변경되며, 설정 값은 Trip 직전에 HP 증기 Header 압력 트랜스미터 신호가 DCS 상 실제 HP 증기 Header 압력이 된다. 이 때에 운전자가 원하는 경우 압력 설정 값을 바꿀 수 있다.
일반적으로 ISA 표준을 사용하여 밸브 통과 유량을 계산하는 것은 복잡하다. 더 간단한 방법은 입력 값으로 증기 유량을 포함한 기능 블록을 사용하여, 현장에서 이 블록을 특성화하여 HP 바이패스 밸브에 대한 합리적인 목표 " % Open "을 설정할 수 있다.
아래식은 SA S75.01 (Flow Equation for Sizing Control Valve), Section 7.1.2.1 (Eq.12)에 기술되어 있는 Cv 계산식이다.
C = Cv ( HP 바이패스 밸브 Vendor 정보에 따른 밸브 % Open에 해당 )
W = 유량(kg/h) ( HP 증기 유량 트랜스미터 DCS I/O 값 )
N6 = 27.3 (bar 단위로 측정 된 압력 기준, ISA 75.01-Table 1)
Fɣ = 0.939 (과열 증기에 대한 ISA 75.01/ Annex C 값)
P1 = HP 증기 측정 압력 (DCS I/O 에서 측정 )
ρ1 = HP 증기 밀도(HP 증기 압력 및 온도에 대해서는 DCS I/O 값)
XT = 밸브 공급업체에서 제공하는 상수 값
(밸브 공급 업체가 이 값을 제공하지 않을 경우는 제공 된 밸브 DS (Data Sheet)를 사용하여 이 상수 값을 역으로 계산할 수 있다.
발전소를 MANUAL 모드로 Start up 할 때는 HP 증기 헤더에 압력이 형성될 때까지 운전자가 DCS 수동 모드에서 HP 바이패스 밸브를 제어하는 것이 발전소 운전에 널리 적용되고 있는 관행으로, 운전자는 GTG의 기동이 시작되고 HRSG가 예열 중일 때 HRSG 재열 시스템을 통해 증기가 흐르게 하기 위해 밸브를 "10% 개방" 상태로 둔다.
어느 정도 압력이 형성되면 운전자는 밸브를 DCS 자동 모드로 전환하고 압력 설정 값을 입력하여 압력을 유지한다.
운전자는 증기 압력이 STG 유입을 위한 증기 압력 조건 (“ Floor Pressure”)에 도달할 때까지 간헐적으로 압력 설정값을 조금씩 증가시킬 수 있다. 이때, HRSG Reheat Line를 통해 증기가 계속 흐르도록 밸브 열림 상태를 확인해야 한다.
HP 스팀 헤더 압력이 STG Floor Pressure에 도달하면 운전자는 HP 바이패스 밸브 제어를 DCS CASCADE 모드로 전환할 수 있으며, DCS가 CASCADE 모드에 있을 때, 밸브의 압력 설정 값은 STG가 동기화된 후 부하를 증가함에 따라 STG 작동 설정 값보다 높아지게 된다.
STG가 부하를 증가시키기 시작하면 바이패스 밸브는 STG 보다 높은 압력에서 제어되어 때문에 HP 바이패스 밸브가PCV가 닫힌다. (즉, STG가 사용 가능한 모든 증기를 사용하므로 바이패스의 제어가 더 이상 필요하지 않게 된다.)
STG 가 증기 압력을 제어하는 동안 HP 증기 헤더 압력이 Deadband (약 3.5 bar ) 이상으로 증가하는 과도 조건에서는 HP 바이패스 밸브는 BACKUP 모드를 유지한다.
일반적으로 AUTO 모드로 Start-up 할 때 제어 시 고려할 수 있는 한 가지는 방법은 GTG/HRSG 시동 중에 HP 증기 헤더 압력을 천천히 증가(일정상승률로) 시키는데 사용할 수 있는 압력 "램프 ( Ramp : 부하, 압력 그리도 온도 등을 일정률로 올리거나 내리는 것 )" 모드이며, 운전자가 이 Ramp 모드를 선택할 수 있도록 로직에 반영할 수 있다.
DCS 로직상 HP 바이패스 밸브의 압력 설정 값을 현재 측정 된 HP 증기 헤더 압력 보다 “+ @ bar” 만큼 증가 되도록 하고, 이 압력 램프 모드 중에 바이패스 밸브가 열린 상태를 유지 할 수 있도록, DCS 속도 제한 기능( Rate Limiter DCS Function)을 통해 “+@ bar ” 만큼 만 천천히 압력이 상승하도록 할 수 있으며, 이 속도 제한기의 조정(Tuning)은 초기 발전소 시동시 필요하다. HP 증기 압력이 STG 유입 압력조건( “Floor Pressure”) 까지 “Ramped (압력 상승) “ 되면, DCS 에 의해서 바이패스 밸브가 자동적으로 CASCADE 모드로 전환하도록 프로그래밍 될 수 있으며, 이때 기본적으로 바이패스 밸브의 시동 운전이 완료 된다.
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지금까지 HP 바이패스 밸브 제어에 대한 사항에 대해서 개략적으로 설명하였으며, 발전소의 설계 시 자동화에 대한 요구 사항은 Project Specific 할 수 있으나, 프로제트 수행 단계에서 로직 구성시 엔지니어링 업무 및 DCS 관련 비용을 절감하기 위해서는 계약상 MANUAL & AUTO Start up에 대한 명확한 요구 조건이 없을 경우는 최대한 단순한 시스템 구성을 통하여 향후 DCS FAT 비용 절감, 현장 SAT 일정 단축을 기하는 것이 필요하다.