이번 글에서는 급수 제어 밸브 또는 보일러 급수 펌프가 있는 복합화력 발전소(CCPP)의 HRSG HP, IP 및 LP 증기 드럼 수위을 제어하기 위한 DCS Logic 이야기 입니다. (이 Logic은 Plant/Project 마다 다소 차이가 있을 수 있으나, 수행 중인 Project 의 전반적인 시스템 구성 및 Logic 적용시 참고 사항이 되었으면 합니다.)
드럼 수위 제어 로직
Plant에 설치되는 급수(Feed Water)제어에 대한 요구 사항은 아래 문서들에 기술되어 있다.
- ANSI / ISA-77.42.01 (2011), “Fossil Fuel Power Plant Feedwater Control System – Drum Type”
- ASME TDP-1, “Prevention of Water Damage to Steam Turbines Used for Electric Power Generation: Fossil
- ANSI / FCI 70-2, “Control Valve Seat Leakage”
- ISA S75.01, “Flow Equations For Sizing Control Valves”
- NFPA 85 (2011), “Boiler and Combustion Systems Hazards Code”
- ASME Boiler and Pressure Vessel Code (BPVC) (2013), Section I, “Rules for Construction of Power Boilers”
이번 글에서는 CCPP 중 2 (GTG 2 sets) : 2(HRSG 2 sets) : 1 (STG 1 set ) 으로 구성된 Case 를 가지고 관련 Drum Level Control Logic 에 대해서 설명하도록 하겠다. 이러한 구성에서 (2 : 2 : 1) Power Plant Steam Cycle 은 다양하게 구성될 수 있으며, 아래 그림의 경우는 2 : 2 :1 중 Triple Pressure( HP/IP/LP)로 구성 된 Power Plant Schematic Diagram의 예다.
이 구성에서 STG(Steam Turbine Generator) HP Section 에서 배출 된 증기는 HRSG(Heat Recovery Steam Generator)로 반환되어 재 가열 되어 IP Section으로 다시 보내지고 IP Section 을 통과한 후 최종적으로 LP section으로 보내지도록 구성된다.
LP Section 에서 배출된 스팀은 응축기(Condenser) 에서 응축되어 응축수 펌프(Condensate Pump)에 의해서 LP Drum (or 급수탱크)로 다시 순환되며, 운전 중 Drum Level 이 안정되게 유지 될 수 있도록 급수는 LP 드럼(or 급수탱크)부터 급수 펌프(Feed Water)를 통해 Level Control Valve 거쳐 HP Drum로 공급 된다.
[ Example 1 ]
[ Example 2 ]
드럼에 공급된 급수는 끓는점까지 가열하기 위해서 HRSG의 증발기 Section에 연결되어 있으며, 여기서 급수가 증발되어 드럼 내부러 보내져 진후, 증기 분리기를 거쳐 포화 증기상태로 드럼을 빠져나간다. 따라서 드럼 수위 조절 밸브는 운전 중 드럼 수위를 정상상태로 유지하기 위해 배출 증기량에 따라 적절한 급수가 공급되도록 응답해야 한다.
일부 프로젝트에서는 제어 밸브 (Level Control Valve) 대신 가변속도 급수펌프 (Variable Speed Driver Pump)를 사용하여 드럼으로 공급되는 유량을 제어하는 방식을 사용하기도 한다. (Project Specific)
일반적으로 증기 드럼 NWL(Normal Water Level) 설정시 NWL 은 드럼 중심선과 같을 필요가 없으나, NWL 은 "0" 으로 설정하여 사용하는 것이 LT (Level Transmitter) 및 DCS 범위 설정시 경험상 설계 및 발전소 운영에 유리한 측면이 있다 ( 아래표는 Drum Level Set Point 에 대한 예다. : LLH -990.6 to HHL +304.8 mm )
HRSG 드럼 레벨 제어시에는 크게 3가지 방식이 고려될 수 있으며, 운전 중 드럼 레벨이 낮으면 HRSG를 통과하는 뜨거운 배기 가스의 열이 급수에 충분히 흡수되지 않고 다른 부분을 가열하여 (충분한 냉각이 이루어 지지 않음) HRSG 튜브의 과열로 인한 손상 문제를 일으킬 수 있고, 드럼 수위가 너무 높으면 과열기와 Steam Header쪽으로 물이 넘어가서(Carry over), High Velocity ( 40-60 m/s)로 흐르는 증기가 HRSG의 튜브 부식(Erosion) 및 증기 분리기(Steam Separator) 손상 위험성이 있다. 따라서 복합화력 발전소에 설치되는 운전 중 정상적인 드럼 레벨 유지는 HRSG의 안전한 운전에 중요한 변수라고 할수 있다. 이러한 운전 조건에서는 HRSG 및 Steam Turbine 은 Control Logic에 의해서 정지(Trip) 되어야 한다.
드럼은 운전 중 포화수와 포화 증기를 포함하는 장치로서, 포화된 물은 강수관 아래로 흘러 증발기 튜브로 흘러내려가 증기와 물의 혼합물 상태로 라이저(Riser)를 통해 드럼으로 순환된다. 이러한 과정에서 드럼은 포화수와 포화증기를 분리하는 역활을 하게되고 흘러 나온 포화증기는 과열기로 보내지게 된다. 특히, Start-up 및 운전 중 드럼내부의 Shrink(수축) 및 Swell (팽창)이 발생될 수 있으며 이러한 과도 현상은 물의 수축 또는 팽창으로 드럼 레벨을 변화시켜 레벨 제어 문제를 복잡하게 하기도 하며, 배기가스 온도 및 유속, 증기 수요, 압력 및 급수량 변동시 드럼 레벨이 변화된다.
(예를 들면, 증발기로 유입되는 열량이 증가 하면 증발기내 증기 발생량이 증가하고 물의 비체적이 변하여 증발기내 물의 부피 변화로 인한 팽창으로 드럼 레벨이 증가됨.)
따라서, 모든 운전 조건을 고려하여 운전시 시스템이 Trip 되지 않고 안정적으로 운전 될 수 있도록 Level Set Point 가 고려되어야 한다. 일반적으로 드럼에서 서지 볼륨은 최소에서 최대 허용 수위까지의 볼륨으로 정의하며, Start up시 드럼 레벨 설정은 정상 수위(NWL)보다 낮은 수위(Start-up Level)에서 HRSG 를 Start-up 하도록 한다.
- 단일 요소 (Single Element) : 드럼 레벨 제어 밸브의 피드백 제어를 위해 드럼 레벨 측정 신호만 사용하여 제어 하는 방식이다. 이 단일 요소 비례 제어의 경우 급수 제어 밸브를 열기 위해서는 반드시 수위가 떨어져야 하나, 실제 보일러 운전 중 스팀 발생량 이 적을 때에는 수위가 높아지고, 스팀 발생량이 많을 때에는 수위가 낮아지는 경우가 발생되기 때문에, 매우 급격한 부하 변동시에는 제어상 한계가 있다.
따라서, Start up 시에는 HRSG 부하 변화가 그리 크지 않기 때문에 단일 요소 제어가 잘 작동하나, 2-요소 및 3-요소 제어의 경우는 설치 된 D/P Flowmeter 의 특성상 정격 유량의 최소 30%에 도달할 때까지 Reading 값이 정확하지 않기 때문에 HRSG Start-up 동안에는 적용하지 않고 있다.
- 2 요소 (Two Element) : 드럼 레벨 제어 밸브의 피드백 제어를 위해 드럼 레벨 측정 신호를 사용하나, 제어 전략에 대한 피드포워드 신호로 드럼으로 배출되는 증기 흐름을 추가로 고려한 제어 Logic 이다.
이 2 요소 제에 방식은 운전 중 스팀 발생량이 증가하면 보일러 급수가 증가되도록 하는 방식으로, HRSG 드럼내의 수위를 모든 부하에서 비교적 일정 상태로 유지되도록 하는 방식으로, 갑자스런 부하증가가 발생 했을 때 급수 제어 밸브를 개방하도록 한다. 이 수위 제어 방식은 스팀 배출 라인에 설치된 유량계의 Feedback 신호에 의해서 Activated 된다. (부하 증가시 LCV (Level Control Valve ) 비례 제어).
일반적으로 드럼 레벨 제어 시 2요소 제어가 가능하지만, 3 요소 제어가 더 좋다고 할 수 있다.
2요소 제어 방식 적용시 다른 제어 전략을 사용하는 것이 더 복잡하고, ANSI/ISA 표준 S77.42.01 Code 상에 새로운 애플리케이션을 사용하는 것을 권장되지 않고 있어, 산업 표준은 HRSG드럼 제어시 단일 요소 + 3 요소 제어 방식을 사용하고 있다.
- 3 요소 ( Three Element) : 드럼의 수위를 " 질량 균형" ( Mass Balance ) 유지하도록 하는 것을 기반으로 하는 제어 방식으로, 즉, 증기 흐름(또는 증기), 급수 흐름 및 드럼 Level 을 고려하여 드럼에서 나가는 증기 흐름과 드럼으로 유입되는 급수 흐름이 일치되도록 제어하는 방식이다. 이 제어 방식은 드럼에서 수위 표시 컨트롤러와 급수 흐름 컨트롤러로 구성 된 Feed Forward/Cascade 제어 루프에 의해 제어되며. 이 제어시 고려되는 삼요소는, 1) 밀도 보정 된 드럼 레벨, 2) 압력과 온도가 보상된 과열증기 유량 및 3) 급수유량 이다.
보정된 증기 유량 신호는 드럼 레벨 컨트롤러 출력으로 합산되며, 드럼이 정상 레벨일 경우 합산 결과 신호는 과열 증기 유량 신호(피드 포워드)와 같게 되고, 그 신호는 설정 값으로서 급수 유량 제어기로 캐스케이드 된다.
따라서, 드럼 레벨이 정상이하로 떨어지면 레벨 컨트롤 출력이 증가하고 급수 컨트롤러로 전송되는 신호가 증가하여 수위가 정상으로 유지되며, 레벨이 정상 이상이 되면 급수유량이 감소하게 된다.
위에서 설명한 바와 같이 드럼 수위 제어용 D/P Flowmeter 특성상 정격 유량의 최소 증기유량 25~30% 범위 이상에서는 잘 작동될 뿐만아니라, High Load 에서 증기 압력 및 스팀 유량이 급격하게 변화 될 수 있으므로 3 요소 제어 방식이 사용 된다.
드럼 레벨 신호의 적절한 측정은 발전소 운전 중에 드럼 레벨을 유지하는 데 중요하며, 위에서 설명한 바와 같이 스팀 드럼의 레벨은 전통적으로 D/P 유형 압력 트랜스미터를 사용하여 측정하고 있기 때문에 드럼 외부에 장착된 D/P 송신기 신호가 온도 변화에 영향을 받기 때문에, 스팀 드럼 내부와 D/P 트랜스미터 Impulse Tube에서 발생 된 온도 차이 양은 스팀 드럼 압력 신호를 사용하여 보상되어야 한다. 이것은 드럼 내부에서 증기는 항상 포화상태로 있으며, 드럼 내부의 물(Saturated Water)/증기(Saturated Steam) 온도는 드럼 압력에 해당하는 포화 온도이기 때문이다.
[ LP (Low Pressure) Drum Level Control ]
LP 드럼 레벨 제어 밸브 제어 로직은 IP 드럼 레벨 제어 밸브와 거의 유사하다.
[LP Drum Level Control Valve : Single Element Control ]
1) LP Drum 으로 공급되는 급수는 Condenser 로부터 Condensate 펌프를 통해서 LP드럼으로 공급된다.
2) 발전소 Start up 및 LP 증기 유량이 최대 연속 정격(MCR)의 약 30% 미만인 조건의 경우 LP 드럼 레벨 컨트롤은 단일 요소 컨트롤 이어야 하며, LP 드럼의 경우 드럼의 가장 큰 "유출"은 HP/IP 급수 펌프(LP STEAM 아님)에 대한 흡입유량이다. LP LCV(Level Control Valve)는 HRSG LP 드럼 레벨을 적절한 설정값으로 유지하기 위해 DCS에 의해 자동 제어되며, LCV는 Condensate 펌프의 토출 헤더에서 HRSG LP 드럼으로 보내지는 응축수의 양을 제어한다.
3) LP 드럼 레벨은 HRSG LP 드럼의 삼중 ( 2 out of 3) D/P 유형 레벨 송신기 신호에 의해 DCS에서 모니터링 된다. (이 때HRSG LP 드럼 압력 송신기의 신호는 밀도 보상을 위한 신호로 사용된다.)
4) 밸브 컨트롤은 드럼 레벨이 설정값보다 낮으면 밸브가 열리기 시작하는 비례/적분 Logic에 의해서 제어 된다.
5) 이때, 드럼 레벨 설정값은 Operator가 CASCADE MODE 또는 AUTO MODE 설정치 값 중에서 선택할 수 있으며, Operator 가 CASCADE Mode를 선택하면 이 설정값은 발전소 Initial Start-up 동안은 NWL (정상수위) 아래의 값이 되고, LP 증기 압력이 정격 압력의 0% 에서 약 30% 로 증가함에 따라 초기에 고려 된 값에서 NWL로 선형적으로 증가한다. 일반적으로 이 초기값은 NWL보다 약 150~ 200 mm 낮도록 설정된다. 즉 드럼 압력이 증가하고 증기가 LP 드럼에서 흐르기 시작하면 설정값이 점차적으로 정상수위로 증가하게 된다.
6) Operator가 AUTO Mode에서 설정값을 선택하면, 그 설정값은 Operator에 의해서 DCS 엔지니어가 정의한 유효한 범위내 값으로 입력된다. ( 여기서 NWL = “0” 에 해당함).
7) Start up 이후 LP 증기 유량이 30% MCR 이상이 되면 LP 드럼 레벨 제어는 3요소 제어로 전환되고, 유량 제어 루프에 의해 유지된다. LP 증기 흐름의 양은 LP 증기 유량 송신기의 신호에 의해 DCS에서 모니터링 되며, 이 신호는 LP Drum 증기 압력 및 온도 송신기의 신호를 사용하여 DCS에 의해 보상된다.
8) LP 드럼으로 흘러가는 응축수 유량은 유량 송신기의 신호에 의해 DCS에서 모니터링 되며, 이 신호는 응축수 헤더 온도 송신기의 신호를 사용하여 DCS에 의해 보정되며, 때로는 이 LP 공급 수압 송신기 신호를 사용하여 압력을 보상하기도 한다. HP/IP 펌프에 흡입측에 공급되는 응축수량도 3요소 제어를 위한 유량 루프에 포함된다.
9) 설치 된 급수펌프에서 최소유량(Minimum Flowrate) 재순환을 위해 토출측에 ARC(Auto Recirculation Control) Valve 대신 제어 밸브를 사용하는경우, 급수펌프 흡입 유량 또는 배출 유량은 항상 유량 송신기로 측정되어야 한다. (이 신호를 사용하여 최소 유량 재순환 밸브를 제어할 수 있기 때문임). 따라서 BFW system에서 ARC Valve가 있는 프로젝트는 상대적으로 보다 Simple 하게 LP 드럼 3-요소 제어 로직을 구성할 수 있다.
10) 설정 된 LP 드럼 레벨 신호는, LCV 제어를 위한 유량 제어 루프 설정값이 될 수 있도록 증기유량값으로 특성화 한다. 즉, 레벨이 설정값 이상으로 증가하면, 측정 된 LP Steam Flow에서 유량이 차감되고, 이 값은 필요 LP 급수 유량에 대한 설정값이 된다. 마찬가지로, 설정값 아래로 떨어지면 유량이 측정 된 LP Steam Flow에 추가 되고, 필요한 LP 급수의 양에 대한 설정값이 된다. 이 Mode 에서는 밸브 제어는 비례/적분 작용으로, 급수량이 스팀유량보다 작을 때마다 밸브가 열리기 시작하며, 설정값 아래로 떨어지면 측정 된 LP Steam Flow에 추가고 이 결과는 필요한 LP 급수 유량 대한 설정값이 된다.
[LP Drum Level Control Valve : Three Element Control ]
11) 운전 중 전기 신호 및 계측기 공기 손실 시 밸브는“ FAIL CLOSED” 상태가 되며, 밸브제어에 사용되는 세 개(( 2 out of 3)의 LP 드럼 레벨 신호가 모두 고장 ( Bad Quality) 났을 때, 밸브를 AUTO 또는 CASCADE 모드에서 MANUAL 모드로 전환되지 않고 밸브 위치가 그대로 유지된다( Fail Last ). 즉, DCS가 밸브 자동 제어를 중지하고, Operator가 수동으로 밸브를 조작할 수 있도록 해제한다.
12) 드럼 레벨 신호 밀도 보상에 사용되는 LP 드럼 압력 송신기 신호가 모두 고장 (BAD Quality) 났을 때는, 보상을 밀도 보상을 위하여 설계 값이 적용되고, 제어 루프는 AUTO 또는 CASCAD 상태로 유지되어야 한다.
13) 3 요소 제어에 사용되는 유량 신호 압력 또는 온도 보상에 사용되는 신호가 고장( BAD Quality ) 났을 때, 설계 값이 적용되어 제어 루프는 "AUTO" 또는 "CASCADE"로 유지되지만, 이러한 모든 보상 신호마져 고장 났을 경우 설계 값을 적용하는 것 이외에도, 동일하거나 거의 동일할 수 있는 DCS의 "백업" 신호를 사용하는 것이 고려되어야 한다.
14) 흐름 신호(LP Steam Flow, HP Economizer Inlet Flow, IP Economizer Inlet Flow, RH DSH Spray Water Flow, HP DSH Spray Water Flow, HP Bypass DSH로의 IP Flow 또는 LP Feedwater Flow) 중 하나라도 3 요소 수위 제어가 "Bad Quality” 가 되면 루프는 자동으로 단일 요소 제어로 전환되고 AUTO 또는 CASCADE 상태를 유지한다.
15) 모든 Condensate 펌프가 5초 이상 정지 된 경우(모두 Trip 되고 예비 펌프도 가동되지 않을 때) 밸브 수동 모드 전환되지 않고 닫아야 하며, DCS는 Condensate 펌프가 작동할 때까지 밸브를 닫은 상태로 유지해야 한다
(완전 개방은 블록 MOV 개방-종료 제한 스위치의 신호가 TRUE 일때임.)
16) LP 급수라인에 LP 급수 차단 밸브(일반적으로 MOV)가 있는 경우 LCV는 해당 MOV가 완전히 열릴 때까지 닫힌 상태로 유지되어야 한다. (완전 개방은 블록 MOV 개방-종료 제한 스위치의 신호가 TRUE 일때 임.)
17) 단일 요소 PID 루프와 3요소 PID 루프는 한 유형의 컨트롤에서 다른 유형의 컨트롤로의 전송이 항상 "Bumpless" 상태가 되도록 서로 추적되어야 한다.
( Bumpless : 프로세스를 중단하지 않고 Controller를 수동 모드에서 자동 모드로 전환할 수 있는 방법)
( PID 컨트롤러는 설정값과(SP: Set Point)과 프로세스 변수(PV : Process Value)의 차이(에러라고 함)를 취하고 "SP를 향해 PV를 구동"하기 위해 밸브 개도 변화를 계산하게 되며, Controller가 제어장치(밸브)의 여는 정도 및 속도는 Controller의 튜닝 매개 변수에 따라 달라지게 된다. PID Controller를 운전 중 수동으로 전환하며 제어 루프상에서 PID Controller가 더 이상 제어 장치의 위치를 결정하지 않고, 루프가 Manual 상태로 있는 동안 Error가 존재하게 되며, PID Controller에 루프가 Manual에 있다는 알림이 없으면 PID Controller의 구성 요소는 제어량을 계속 계산하여 SP 쪽으로 PV를 제어하도록 한다. 이 일체형 동작은 제어 장치가 완전히 열리거나 닫히는 위치에 있게 하며 이 경우 수동 모드에서 자동 모드로 다시 전환 할 때 큰 장애가 발생하게 된다. 따라서, 제어 루프가 수동 모드에 있을 때 PID Controller에 알리고, PID Controller가 Operator 가 설정하는 제어 밸브 위치 값을 추적하도록 구성되어야 한다. 이것은 PID Controller가 실제 밸브 위치를 추적하도록 함으로써 완전히 닫힘 또는 열림 위치로 작동되는 것을 방지할 수 있다.
[ IP ( Intermediate Pressure) Drum Level Control ]
IP 드럼 레벨 제어 밸브 제어 로직은 LP 드럼 레벨 제어 밸브와 거의 유사하다.
[IP Drum Level Control Valve : Single Element ]
1) 발전소 Start up 및 IP 증기 유량이 최대 연속 정격(MCR)의 약 30% 미만인 조건의 경우, IP 드럼 레벨 제어는 단일 요소로 제어 되며, IP LCV( Level Control Valve )는 DCS에 의해 자동으로 제어되어 HRSG IP 드럼 레벨이 적절한 설정 값으로 유지 된다.
2) 여기서 LCV는 발전소 HP/IP 보일러 급수 펌프의 IP 블리드오프(Bleed off) 흐름의 배출 헤더에서 HRSG IP 드럼으로 흐르는 급수량을 제어하는 기능을 하며, IP 드럼 레벨( Triple-redundant D/P type) 트랜스 미터의 레벨 신호는 HRSG
3) IP 드럼에 설치 된 압력 트랜스미터의 압력 송신기 신호에 의한 밀도 보상 신호에 의해 DCS에서 모니터링 된다.
4) 밸브 컨트롤은 드럼 레벨이 설정 지점 아래로 떨어질 때마다 밸브가 열리기 시작하는 비례/적분 Logic에 의해서 제어 된다
5) 이때, 드럼 레벨 설정값은 Operator가 CASCADE MODE 또는 AUTO MODE 설정치 값 중에서 선택할 수 있으며, Operator 가 "CAECADE Mode”를 선택하면 이 설정값은 발전소 Initial Start-up 동안 NWL (정상수위)보다 낮은 값이 되고, IP 증기 압력이 발전소 정격 압력의 0% 에서 약 30%로 증가함에 따라 초기에 고려 된 값에서 NWL로 선형적으로 증가한다. 일반적으로 이 초기값은 NWL보다 약 150~ 200 mm 낮다. 즉 드럼 압력이 증가하고 증기가 IP 드럼에서 흐르기 시작하면 설정값이 점차적으로 정상수위로 증가하게 된다.
6) Operator가 AUTO Mode에서 설정값을 선택하면, 그 설정값은 Operator에 의해서 DCS 엔지니어가 정의한 유효한 범위내 값으로 입력된다. ( 여기서 NWL = “0” 에 해당함).
7) 발전소 시동 후 IP 증기 유량이 MCR (Max. Continuous Rating)의 약 30%보다 커지면, IP 드럼 레벨 제어는 3요소 제어로 전환 되면서, IP 증기 유량은 IP 증기 유량 트랜스미터의 신호에 의해 DCS에서 모니터링 되고, 이 신호는 IP 증기 압력 및 온도 트랜스미터의 신호를 이용하여 보상된다. ( 때때로, 이 급수 유량은 IP 급수 압력 트랜스미터 신호를 사용하여 압력이 보상되기도 함.)
8) 설정 된 IP 드럼 레벨 신호는, LCV 를 제어하기 위하여 사용된 유량 제어 루프의 설정값이 될 수 있도록 IP 증기 유량값으로 특성화되며, 설정값 이상으로 증가하면 측정 된 IP Steam Flow에서 유량이 차감되고, 이 값은 필요한 IP 급수의 양에 대한 설정값이 된다. 마찬가지로, 레벨 설정값 아래로 감소하면 유량이 측정된 IP Steam Flow에 추가된다. 이러한 결과는 필요한 IP 급수량 대한 설정값이 된다.
이 Mode 에서는 밸브 제어는 비례/적분 작용으로, IP 급수량이 스팀유량 아래로 떨어질 때마다 밸브가 열리기 시작하고, 레벨 설정값 아래로 감소하면 유량이 측정 된 IP Steam Flow에 추가된다. 이 결과는 필요한 IP 급수량에 대한 설정값이 된다.
[ IP Drum Level Control Valve : Three Element Control ]
9) 이 Control Logic 에서 전기 신호 및 계측기 공기가 손실되면 밸브 자체가 “ FAIL CLOSED” 되며, 세( 2 out of 3)개의 IP 드럼 레벨 신호)가 모두 고장 났을 경우 (BAD Quality), DCS는 밸브를 AUTO 또는 CASCADE 모드에서 MANUAL 모드로 전환하지 않고 밸브 위치를 그대로 유지한다( Fail Last ).
(즉, DCS가 밸브를 자동 제어하는 것을 중지하고, Operator가 수동으로 밸브를 조작할 수 있도록 해제하는 것임.)
10) 또한, 드럼 레벨 신호의 밀도 보상에 사용되는 IP 드럼 압력 송신기 신호가 모두 "BAD Quality"가 될 경우, 보상을 위해서는 설계 값이 적용되고 루프는 AUTO 또는 CASCAD 상태로 유지되어야 한다.
11) 3 요소 제어에 사용되는 유량 신호의 압력 또는 온도 보상에 사용되는 신호가 BAD Quality가 될 경우 설계 값이 적용되어 하며 루프는 AUTO 또는 CASCADE 로 유지되지만, 이러한 모든 보상 신호가 고장났을 경우 설계 값을 사용하는 것 외에도, 동일하거나 거의 동일한 DCS "백업" 신호를 사용하는 것이 고려되어야 하며, 3 요소 수위 제어에 사용되는 유량 신호(IP 증기유량 또는 IP 급수유량)가 BAD Quality가 되면 루프는 자동으로 단일 요소 제어로 전환되어 AUTO 또는 CASCAD 상태로 유지되어야 한다.
12) 모든 HP/IP 급수펌프가 5초 이상 정지 된 경우(모두 Trip 되고 예비 펌프도 가동되지 않을 때) 밸브는 수동 모드 전환되지 않고 닫혀야 하며, DCS는 HP/IP 급수 펌프가 작동할 때까지 밸브를 닫은 상태로 유지한다.
펌프가 작동할 때까지 이 밸브를 닫은 상태로 유지되면 펌프 시동 중 IP 배관의 Water Hammering를 방지할 수 있으며, 이틀 통해서 설계 시 HP/IP 보일러 급수펌프 토출측에 MOV를 고려할 필요가 없어진다. 또한, IP Feed Water Block 밸브(일반적으로 MOV)가 설치 된 경우 MOV가 완전히 열릴 때까지 IP Feed Water LCV는 닫힌 상태로 유지되어야 한다. ((완전 개방은 블록 MOV 개방-종료 제한 스위치의 신호가 TRUE 일때 임.)
13) 단일 요소 PID 루프와 3요소 PID 루프는 한 유형의 컨트롤에서 다른 유형의 컨트롤로의 전송이 항상 "Bumpless" 상태가 되도록 서로 추적되어야 한다. (LP 사항 참조)
[ HP ( High Pressure) Drum Level Control ]
HP 드럼 레벨 제어 밸브 제어는 IP 드럼 레벨 제어 밸브와 거의 동일하다.
[ HP Drum Level Control Valve DCS Screen Shot ]
[HP Drum Level Control Valve : Single Element Control ]
1) 발전소 Start up 및 IP 증기 유량이 최대 연속 정격(MCR)의 약 30% 미만인 조건의 경우, HP 드럼 레벨 제어는 단일 요소로 제어 되며, HP LCV( Level Control Valve )는 DCS에 의해 자동으로 제어되어 HRSG IP 드럼 레벨이 적절한 설정 값으로 유지 된다. 이 밸브는 HP/IP 급수 펌프의 HP 배출 헤더에서 HRSG HP 드럼으로 흐르는 급수량을 제어한다.
2) HP 드럼 레벨은 HRSG HP Drum에 설치된 3 중 ( 2 out of 3) D/P 유형 레벨 송신기 신호로 DCS에서 모니터링 되며 HRSG HP 드럼 압력 전송기의 신호는 이 밀도 보상을 위한 신호로 사용된다.
3) 밸브 컨트롤은 드럼 레벨이 설정 지점 아래로 떨어질 때마다 밸브가 열리기 시작하는 비례/적분 Logic에 의해서 제어 된다
4) 이때, 드럼 레벨 설정값은 Operator가 CASCADE MODE 또는 AUTO MODE 설정치 값 중에서 선택할 수 있으며, Operator 가 "CAECADE Mode”를 선택하면 이 설정값은 발전소 Initial Start-up 동안 NWL (정상수위)보다 낮은 값이 되고, IP 증기 압력이 발전소 정격 압력의 0% 에서 약 30%로 증가함에 따라 초기에 고려 된 값에서 NWL로 선형적으로 증가한다. 일반적으로 이 초기값은 NWL보다 약 150~ 200 mm 낮다. 즉 드럼 압력이 증가하고 증기가 HP 드럼에서 흐르기 시작하면 설정값이 점차적으로 정상수위로 증가하게 된다.
5) Operator가 AUTO Mode에서 설정값을 선택하면, 그 설정값은 Operator에 의해서 DCS 엔지니어가 정의한 유효한 범위내 값으로 입력된다. ( 여기서 NWL = “0” 에 해당함).
6) 발전소 시동 후 HP 증기 유량이 MCR (Max. Continuous Rating)의 약 30%보다 커지면, HP 드럼 레벨 제어는 3요소 제어로 전환 되면서, HP 증기 유량은 HP 증기 유량 트랜스미터의 신호에 의해 DCS에서 모니터링 되고, 이 신호는 HP 증기 압력 및 온도 트랜스미터의 신호를 이용하여 보상된다. ( 때때로, 이 급수 유량은 HP 급수 압력 트랜스미터 신호를 사용하여 압력이 보상되기도 함.)
[HP Drum Level Control Valve : Three Element Control ]
7) 설정 된 HP 드럼 레벨 신호는, LCV 를 제어하기 위하여 사용된 유량 제어 루프의 설정값이 될 수 있도록 HP 증기 유량값으로 특성화되며, 설정값 이상으로 증가하면 측정 된 IP Steam Flow에서 유량이 차감되고, 이 값은 필요한 HP 급수의 양에 대한 설정값이 된다. 마찬가지로, 레벨 설정값 아래로 감소하면 유량이 측정된 HP Steam Flow에 추가된다. 이러한 결과는 필요한 HP 급수량 대한 설정값이 된다.
8) 이 Mode 에서는 밸브 제어는 비례/적분 작용으로, HP 급수량이 스팀유량 아래로 떨어질 때마다 밸브가 열리기 시작하고, 레벨 설정값 아래로 감소하면 유량이 측정 된 HP Steam Flow에 추가된다. 이 결과는 필요한 HP 급수량에 대한 설정값이 된다.
9) 이 Control Logic 에서 전기 신호 및 계측기 공기가 손실되면 밸브 자체가 “ FAIL CLOSED” 되며, 세( 2 out of 3)개의 HP 드럼 레벨 신호가 모두 고장 났을 경우 (BAD Quality), DCS는 밸브를 AUTO 또는 CASCADE 모드에서 MANUAL 모드로 전환하지 않고 밸브 위치를 그대로 유지한다( Fail Last ).
(즉, DCS가 밸브를 자동 제어하는 것을 중지하고, Operator가 수동으로 밸브를 조작할 수 있도록 해제하는 것임.)
10) 또한, 드럼 레벨 신호의 밀도 보상에 사용되는 IP 드럼 압력 송신기 신호가 모두 "BAD Quality"가 될 경우, 보상을 위해서는 설계 값이 적용되고 루프는 AUTO 또는 CASCAD 상태로 유지되어야 한다.
11) 3 요소 제어에 사용되는 유량 신호의 압력 또는 온도 보상에 사용되는 신호가 BAD Quality가 될 경우 설계 값이 적용되어 하며 루프는 AUTO 또는 CASCADE 로 유지되지만, 이러한 모든 보상 신호가 고장났을 경우 설계 값을 사용하는 것 외에도, 동일하거나 거의 동일한 DCS "백업" 신호를 사용하는 것이 고려되어야 하며, 3 요소 수위 제어에 사용되는 유량 신호(IP 증기유량 또는 IP 급수유량)가 BAD Quality가 되면 루프는 자동으로 단일 요소 제어로 전환되어 AUTO 또는 CASCAD 상태로 유지되어야 한다.
12) 모든 HP/IP 급수펌프가 5초 이상 정지 된 경우(모두 Trip 되고 예비 펌프도 가동되지 않을 때) 밸브는 수동 모드 전환되지 않고 닫혀야 하며, DCS는 HP/IP 급수 펌프가 작동할 때까지 밸브를 닫은 상태로 유지한다.
13) 펌프가 작동할 때까지 이 밸브를 닫은 상태로 유지되면 펌프 시동 중 IP 배관의 Water Hammering를 방지할 수 있으며, 이틀 통해서 설계 시 HP/IP 보일러 급수펌프 토출측에 MOV를 고려할 필요가 없어진다. 또한, IP Feed Water Block 밸브(일반적으로 MOV)가 설치 된 경우 MOV가 완전히 열릴 때까지 IP Feed Water LCV는 닫힌 상태로 유지되어야 한다. ((완전 개방은 블록 MOV 개방-종료 제한 스위치의 신호가 TRUE 일때 임.)
14) 단일 요소 PID 루프와 3요소 PID 루프는 한 유형의 컨트롤에서 다른 유형의 컨트롤로의 전송이 항상 "Bumpless" 상태가 되도록 서로 추적되어야 한다. (LP 사항 참조)
[ Drum Level Control Valve Switching ]
추가적으로 Drum Level Control 과 관련하여 추가로 고려되어야 할 Drum Level Control 사항에 대해서 설명하고자 한다.
일반적으로 Drum Level Control Valve는 제어 범위(Control Rangeability)의 제약 때문에 Start-up 에는 30 % Load 까지 유량제어가 가능한 밸브(제어 범위가 작은 밸브)를 사용하고 Load 증가함에 따라 100 % Load 까지 제어가 가능한 Main LCV(제어 범위가 큰 밸브)로 전환 되도록 구성된다, 이것은 다른 측면에서는 발전소의 TURNDOWN 운전과 연관되며, 발전소 저부하 운전시 Main LCV(제어 범위가 큰 밸브)가 저부하에서 요구되는 급수유량을 제어할 수 없기 때문이다. 따라서, Design 초기에 이러한 운전적인 측면 & Project Turndown Rate을 고려하여 적합한 시스템 구성이 필요하다. (Turndown Rate : 최대 제어 가능 유량과 최소 제어 가능 유량의 비율)
아래 그림은 LCV Switching 에 대한 Logic으로 일반적으로 운전Load 에 따라 HP Steam Flow가 약 30% MCR에 도달하고 Start up LCV가 95% 이상 열렸을 때 (일부 시간 지연 후), DCS 로직에 따라 Start up LCV를 제어 된 속도로 닫고, 동시에 Main HP Drum LCV를 제어 된 속도로 열리도록 구성한다.
[ Drum LCV SWITCHING ]
[ Variable Speed Pump ]
또한, 일부 프로젝트는 가변 속도 펌프를 사용하여 HP/IP 급수 흐름을 제어 한다. Drum Level 제어시 가변 속도 HP/IP 보일러 급수 펌프를 사용하면 보일러 급수펌프의 속도 제어를 통해 일반적으로 단일 제어 밸브를 설치하여 발전소 모든 운전부하에 대해서 제어가 가능하게 구성할 수도 있으며, 가변 속도 펌프를 적용할 경우는 낮은 부하에서는 더 효율적일 수도 있습니다. (예, 증기 터빈 드라이브, 모터용 가변 주파수 드라이브, 유압식 스쿠프 튜브 (Scoop Tube) 커플링 )
| Advantages | Disadvantages |
| · HP 및 IP 드럼 레벨 컨트롤 밸브의 마모 감소 · HP 및 IP 드럼 레벨 컨트롤 밸브는 시동 시 밸브를 통과하는 압력 강하가 덜 필요하기 때문에 더 저렴 · HP 드럼 레벨 컨트롤 밸브를 "시동"할 필요가 없음. |
· 프로젝트 자본 비용 증가(유압 커플링, VFD 또는 터빈 비용) · 증가된 DCS I/O 및 펌프 속도 제어용 배선 · 유지 관리 장비 증가 (유압 커플링, VFD 또는 터빈) · 시동용 HP 및 IP 드럼 레벨 제어 밸브가 필요 (최소 속도 요구 사항이 있는 보일러 급수(BFW) 펌프로 인해) · BFW 펌프 최소 재순환 흐름을 제어하기 위해 자동 재순환 제어(ARC) 밸브를 사용할 수 있지만, ARC 밸브 제조업체와 펌프 최대 속도 곡선을 통해 펌프 최소 속도 곡선에 대한 조정 필요. |
[ Variable Speed Pump 의 장단점 비교 ]
속도 제어는 펌프 속도가 VFD, 터빈 드라이브 또는 유압 "스쿠프 튜브" 커플링에 의해 제어되는지 여부에 관계없이 기본적으로 동일하며, HP/IP BFW 펌프 속도는 이러한 HRSG 드럼 레벨을 제어하기 위해 HP 및 IP 급수 배출 압력을 각각의 드럼 압력 이상으로 유지하기 위해 DCS에 의해 자동으로 제어된다. 단일 요소 및 3요소 제어는 HP 및 IP 드럼 레벨 제어 밸브에 적용되며, DCS에서 가변 속도 드라이브로의 출력 신호는 DCS에서 4-20mA 신호로 펌프 최소 속도(- RPM)에서 펌프 최대 속도( - RPM)로 제어되며, 베어링 하중을 들어올릴 수 있도록 최소 속도를 갖는다.
HP BFW 펌프 배출 압력은 각 펌프의 토출측에 설치된 압력 트랜스미터의 신호에 의해 DCS에서 모니터링 되며, 때때로 이 측정을 위한 백업 신호로 사용할 수 있는 공통 헤더 HP Feedwater Pressure Transmitter (HP 드럼 LCV의 업스트림에 위치)의 신호를 사용한다. HP 드럼 압력 트랜스미터의 신호는 HP 드럼 압력을 모니터링하는 데 사용되고, DCS는 HP/IP BFW 펌프의 속도를 제어하여 펌프 토출 압력을 HP 드럼 압력보다 약 3.5 bar 정도 높게 운전된다.
IP BFW 펌프 토출 압력은 각 펌프의 토출에 설치된 압력 트랜스미터의 신호에 의해 DCS에서 모니터링 되며, 때때로 이 측정을 위한 백업 신호로 사용할 수 있는 공통 헤더 IP Feedwater Pressure Transmitter(HP 드럼 LCV의 업스트림에 위치)의 신호를 사용한다. IP 드럼 압력 트랜스미터의 신호는 IP 드럼 압력을 모니터링하는 데 사용되고, DCS는 HP/IP BFW 펌프의 속도를 제어하여 펌프 토출 압력을 IP 드럼 압력보다 약 1.4 bar 정도 높게 운전된다.
HP PID 루프와 IP PID 루프가 모두 실행되고 두 출력 중 더 큰 출력이 BFW 펌프 속도를 제어하는 데 사용되며, 서로 다른 플랜트 작동 모드에서는 HP 및 IP 압력을 모두 모니터링 해야 한다.
(예, 바이패스 스프레이에 사용되는 IP 급수, 증기 감온기(Steam Attemperator)에 사용되는 IP 급수)
HP 또는 IP 드럼 레벨 제어 밸브는 펌프에 너무 많은 출력이 생성되는 경우 드럼 레벨을 제어하기 위해 작동한다.
(즉, IP PID 루프에 HP PID 루프에 필요한 것보다 더 빠른 속도가 필요한 경우 HP 드럼 레벨 제어 PID 루프는 필요에 따라 HP 드럼 레벨 제어 밸브를 Throttling 함.)
[ Variable Speed Pump HP/IP Pressure Control ]
가능한 경우 가변 속도 드라이브는 DCS의 전기 신호가 고장 났을 때는 FAIL IN PLACE(속도가 일정하게 유지됨)되어야 한다. 선택한 HP 또는 IP 압력 트랜스미터 신호 중 하나라도 "Bad Qualithy"가 발생되면 루프를 수동 모드로 전환되지 않고, 이 경우 DCS의 속도는 일정하게 유지되어야 한다. 그후 Operator 가 송신기 신호가 고정될 때까지 필요에 따라 DCS 에서 속도를 수동으로 조정하여야 한다.
증기 터빈이 Trip 되고 속도 제어가 자동 모드에 있을 경우, DCS는 HP/IP 급수 펌프 속도 신호를 2분 동안 100%로 구동한 다음 속도 제어를 다시 자동으로 해제한다. 이 과도 상태 동안 증기 바이패스 시스템에서 요구되는 급수량이 증가할 수 있다.
지금까지 HRSG 의 Drum Level Control 구성과 Logic 에 대해서 설명하였으며, Project 수행을 위한 설계 단계에서 일반적인 HRSG 의 Drum Level 제어 구성과 방법에 대해서 충분히 이해하고 설계업무에 임하는 것이 필요하다고 판단된다.