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Ⅰ. 제어 개요
1. 제어계
: 제어(control)란 어떤 대상물의 현재 상태에 조작을 가하는 것을 마하며 여기서 대상물은 물체, 전기, 기계, 공업 공정 등의 모든 분야가 된다.
제어 방법은 인간의 동작에 의해서 움직이는 수동 제어와 제어장치에 의해서 자동적으로 움직이는 자동제어가 있다. 자동제어는 대상물 스스로가 제어의 필요성을 판단하여 수정 동작을 하는 궤환제어(feed back control)와 미리 정해진 순서에 따라 각 단계가 순차적으로 진행되는 시퀸스제어, 두 종류로 나눌 수 있다.
제어 장치와 제어 대상과의 계통적인 조합 즉, 원하는 응답이 얻어지도록 외형적으로 상호 연결된 성분의 조합을 제어계(control system)라 한다. 제어계는 전열기와 같이 전열기의 발열량과 관계없이 전류를 흐르게 하거나 또는 차단시키는 두 동작 중에서 어느 한 쪽에 제어 명령이 내려지는 정성적 제어(qualitative control)와 전기로와 같이 온도의 높고 낮음 즉, 크기 및 양에 대하여 제어 명령이 내려지는 정량적 제어(quantitative control)가 있다.
정성적 제어의 제어 명령은 전류를 흐르게 하든지 아니면 차단시킄 2가지 상태뿐이므로 이것을 디지털(digital) 신호라 하고 정량적 제어의 제어 명령은 온도가 작은 값으로부터 큰 값에 이르기까지 연속적인 시호를 구별하므로 이것을 아날로그(analog) 신호라 한다.
2. 제어계의 종류
: 제어계는 개회로 제어계(open loop control system)와 폐회로 제어계(close loop control system)의 2가지 큰 유형으로 구분되며, 그 차이는 제어 동작에 따라서 정해진다. 즉, 개회로 제어계는 제어 동작이 출력과 관계 없으며 폐회로 제어계에서는 제어 동작이 어느 정도까지는 출력과 관계된다.
개회로 제어계에서 제어계의 정밀도는 제어계의 교정에 따라 정해지는데 교정이랑 요구되는 제어계의 정확성을 얻기 위하여 입력, 출력 관계를 조정 또는 재조정하는 것을 뜻한다. 개회로 제어계에서는 안정도에 관한 문제는 고려하지 않는다. 개회로 제어계를 sequence 제어계, 폐회로 제어계를 궤환 제어계(feedback control system)라고 한다.
가. 개회로 제어계
: 개회로 제어계(open loop control system)는 장치가 비교적 간단하고 복잡하지 않으나 제어 동작이 전혀 출력과 관계없이 동작하므로 오차가 많이 발생하고, 또한 오차를 교정할 수 있는 궤환요소(feedback element)가 빠져있어 조견변화에 즉각적인 응답을 할 수 없는 단점이 있다.
나. 폐회로 제어계
: 정확하고 신뢰성 있는 제어를 해서는 제어계 출력이 목표값과 일치하는지 항상 비교하고 불일치 시에는 그 차에 비례하는 동작 신호가 제어계에 다시 보내져서 오차를 수정하도록 한다. 이러한 궤환경로(feedback path)를 가지는 제어계를 폐회로 제어계(close loop control system) 또는 궤환 제어계(feedback control system)라고 한다.
궤환 제어계의 장점은 외부 조건의 변화에도 잘 응답할 수 있고 제어기 부품의 성능 하락 시에도 큰 영향을 받지 않으며 제어계의 특성을 향상시킬 수 있고 목표값에 정확히 도달할 수 있다. 반면에 제어계가 복잡해지고 설치비가 비싸지며 안정도가 나쁘면 전체 제어계가 불안정해지는 단점이 있다.
다. 폐회로 제어계의 기본적 구성과 용어
1) 목표값 (command desired value)
: 궤환 제어계에 속하지 않는 신호이며 외부에서 제어계에 주어지는 신호로서 희망값 또는 설정값이라고도 한다.
2) 기준 입력 요소 (reference input element)
: 목표값에 비례하는 기준 입력 신호를 발생하는 요소로서 설정부라고도 한다.
3) 기준 입력 신호 (reference input signal)
: 제어계를 동작시키는 기준으로서 직접 폐회로에 가해지는 입력 신호로 목표값에 대하여 일정한 관계를 갖는다.
4) 주궤환 신호 (primary feedback signal)
: 제어량을 목표값과 비교하여 동작 신호를 얻기 위해 궤환되는 신호로서 제어량과 함수 관계가 있다.
5) 동작 신호 (actuating signal)
: 기준 입력과 주궤환 신호와의 차로서 제어 동작을 일으키는 신호이며 편차라고도 한다.
6) 제어 요소 (control element)
: 동작 신호를 조작량으로 변환하는 요소이고 조절부와 조작부로 이루어진다.
7) 조절부 (controlling means)
: 기준 입력과 검출부 출력을 합하여 제어계가 소요의 작용을 하는데 필요한 신호를 만들어 조작부에 보내는 부분이다.
8)) 조작부 (final control element)
: 조절부로부터 받은 신호를 조작량으로 바꾸어 제어 대상에 보내는 부분이다.
9) 조작량 (manipulated variable)
: 제어 요소가 제어 대상에게 주는 양이다.
10) 제어 대상 (controlled system)
: 제어량을 발생시키는 장치로서 제어계에서 직접 제어를 받는 장치이다.
11) 외란 (disturbance)
: 제어량에 바람직하지 않는 영향을 주는 외적 입력이다.
12) 제어량 (controlled variable)
: 제어를 받는 제어계의 출력량으로 제어 대상에 속하는 양이며 출력량이라 한다.
13) 궤환 요소 (feedback element)
: 제어량을 검출하여 주궤환 신호를 만드는 요소로서 검출부라고도 한다.
14) 검출부 (detecting means)
: 제어량을 검출하여 비교부에 보내는 부분이다.
15) 비교부 (comparator)
: 기준 입력과 주궤환 신호를 비교해서 제어 동작을 일으키는데 필요한 정보를 가진 신호(동작신호, 편차신호)를 만들어 내는 부분이다.
16) 제어 편차 (controlled deviation)
: 목표값에서 제어량을 뺀 값으로서 이 신호가 그대로 동작 신호가 되기도 한다.
17) 제어 장치 (control device)
: 제어를 하기 위해서 제어 대상에 부착시켜 놓은 장치로 기준 입력 요소, 제어 요소, 궤환 요소가 이에 속한다.
Ⅱ. 화력발전 제어
1. 플랜트 제어 일반
: 화력발전용 플랜트 제어는 보일러와 터빈 및 발전기를 포함하는 unit로 구성되어 있으며 다변수 제어를 한다. 그러나 플랜트 구성 및 특성에 따라 제어 형식을 달리하지 않으면 설비 수명 및 효율 관리가 어려워진다. 발전소 출력 제어는 보일러 추종방식 및 터빈 추종 방식, 그리고 협조 제어 방식이 있으며 이는 발전 출력의 설정 신호가 주어지는 제어기에 따라 분류를 할 수 있으며 주요 특징은 다음과 같다.
가. 보일러 추종방식 (boiler followting)
: 보일러 추종방식은 발전 출력의 설정 신호가 터빈 제어밸브 제어기로 보내져 주증기의 공급 유량을 제어하는 방식이며, 이때 보일러는 터빈의 입구에서 주증기 압력변화를 검축하여 설정된 압력 신호와 비교, 조절된 신호를 받아 보일러의 입열을 조절하게 된다.
나. 터빈 추종방식 (turbine following)
: 터빈 추종방식은 발전 출력 설정 신호를 보일러의 입열, 즉 연료와 연소용 공기 및 급수 제어기로 보내지고 보일러 입열량에 따른 주증기의 압력 변화를 검출하여 설정 압력치와 비교, 조절하며 그 신호를 터빈 제어밸브로 보내어 터빈에 공급되는 증기량을 조절하게 된다.
다. 보일러-터빈 협조제어 방식 (boiler & turbine coordination)
: 보일러-터빈 협조제어 방식은 개량형 보일러 추종방식으로도 불리며 발전 출력 설정치에 따라 보일러의 입열과 터빈의 유입 증기밸브를 제어하는 마스터컬트롤러(master controller)를 만들어 두 가지 요소를 병렬로 동작시킨다. 터빈 제어밸브는 주로 발전출력을 제어하고 주증기의 압력제어를 지원하며, 보일러 입열제어는 주로 주증기 압력을 제어하고 발전출력 제어를 협조하는 방식이다.
이 방식은 양호한 부하 추종성과 안정된 운전특성을 갖고 있으나 제어계가 족잡하며 신뢰성이 있는 제어설비가 요구된다.
2. 보일러 제어
: 보일러는 드럼형과 관류형으로 분류할 수 있으며 보일러 입열을 조절하여 보일러 튜브 내의 급수를 가열함으로써 증기를 생산하여 터빈을 보낸다. 이때 보일러의 연료량, 연소 공기량, 보일러 급수량, 주증기의 온도와 압력, 그리고 드럼의 수위는 보일러 제어에 있어 중요한 제어대상이 된다.
가. 드럼수위 제어 (drum level control)
: 보일러에서 가열된 급수와 증기의 혼합물이 드럼으로 들어가며, 드럼에서는 기수를 분리하여 물은 보일러로 재순환시키고 증기는 터빈으로 보내게 된다. 이때 드럼의 수위는 일정한 범위에서 유지되어야 한다.
대부분의 발전소에서 보일러 드럼의 수위는 다중요소에 의하여 제어되며 이 때 다중 요소는 드럼의 수위, 급수량, 그리고 주증기의 유량으로써 이들의 신호를 검출하고 제어기에서 드럼 수위 설정치와 비교, 조절하여 보일러 급수조절밸브로 보내어 보일러 급수 유량을 조절함으로써 드럼의 수위를 적정 수준에 유지하게 된다. 3요소 드럼수위 제어(multi-element drum level control)에서는 피드백 요소인 드럼수위, 종속 요소인 보일러 급수량과 선행 요소인 주증기량을 검출, 3요소로 제어를 함으로써 보다 안정된 드럼 수위를 유지할 수 있다.
나. 주증기 압력제어
: 발전 출력에 따라 터빈의 밸브 개도가 변화되면 보일러 출구의 주증기 압력이 변화하게 된다. 이때 압력 변화량과 설정값의 편차가 연료량의 조절 신호가 되는데 실제 연료량의 변화를 확인하고 조절량을 재수정하기 위하여 연료량을 검출하여 피드백 시킨다.
또한 연료량 조절에 따른 압력의 복귀가 늦어지므로 터빈 입구 주증기 유량을 검출하여 신속한 예측 제어를 함으로써 주증기의 압력 변동을 줄여준다.
3. 터빈 제어
: 터빈은 보일러에서 생산된 주증기로 터빈과 발전기를 회전시켜 전력을 생산하는데 터빈은 계통부하의 증감 시에 주파수 변동(터빈 회전수의 변동)이 생긴다. 이 때 주제어기는 터빈의 회전수를 동기속도로 유지하기 위해서 조속기(governor)로 터빈에 유입되는 주증기의 양을 조절하게 된다. 따라서 터빈제어에서 가장 중요한 제어가 조속기 제어 시스템이다.
가. 조속기 제어(governor control)
: 터빈이 governor free 운전을 하고 있을 경우에는 발전기의 출력과 주파수(회전수)와의 사이에는 다음 식과 같은 특성을 갖고 있다. 이 때 δ(델타)는 속도조정율이다.
δ = { (F0 - Fr) / Fr } * 100%
여기서 F0는 무부하 출력에 대한 주파수, Fr은 정격출력에 대한 주파수이다.
즉, 속도 조정율은 터빈/발전기가 정격출력 Pr, 정격주파수 Fr로 운전하고 있을 때 급격한 부하변동(0%)이 발생 시 주파수 F0으로 제어되는 특성을 말한다.
속도 조정율이 적다는 것은 동일한 부하변화에 대하여 주파수의 변화가 적음을 보이며 조속기의 동작이 민감하다는 것을 알 수 있다. 보통 터빈 발전기의 경우 4~5%이다.
나. 자동 부하제어 (automatic load regulator)
: ALR은 발전기의 출력을 미리 설정한 값이 되도록 자동적으로 조정하는 장치로써 급전지령소의 ELD(economic load dispatch) 신호와 AFC(automatic frequency control) 신호에 응해서 조속기가 동작하여 부하를 제어하게 된다.
다. 정압운전과 변압운전
: 정압운전은 보일러의 압력을 일정하게 유지하고 발전기 출력의 증감에 따른 터빈 제어밸브의 개도 변화로 압력이 변화될 시에는 주증기 압력제어로 일정한 압력을 유지시키는 운전이며, 변압운전은 터빈제어밸브의 개도를 일정하게 유지한 상태로 주증기의 압력을 조절함으로써 출력을 제어하는 운전으로 '70년대 관류 보일러가 도입되면서부터 일부 발전소에 한해 부분적인 변압운전을 해왔으며 제어시스템의 발전과 보일러 재순환계통 설치, 그리고 초임계압 보일러의 등장으로 변압운전 발전소가 늘어나고 있다.
변압운전은 터빈제어밸브에서의 교축손실을 줄여 plant 효율을 상승시키며 저부하 운전을 가능하게 하여 계통의 안정적인 전력 확보에 기여를 하고 있다.
터빈의 열응력과 관련하여 부분 변압운전을 시행하는 발전소도 있으며 순변압운전을 가능하게 하기 위해서는 협조제어방식을 채택하여야하나 급격한 출력의 변화가 발생 시에는 응동이 늦어진다. 따라서 경사속도 조정률을 적게하여야 하나 너무 줄일 경우에는 순변압운전이 불가능해진다.
4. 제어시스템 변화추세
가. 제어의 전산화
: 기력발전소 제어전산화 시스템의 계통의 저예비율 운전에 따른 빈번한 기동, 정지(DSS, WSS)와 저부하운전의 요구를 수용하고 있으며 운전원의 조작, 감시에 대한 부담을 줄여주고 있다.
종래 발전설비의 전산시스템은 자료취득과 성능계산에 국한하여 이용되어 왔으나 이제는 자료취득과 감시뿐만 아니라 직접 제어까지 담당하고 있으며 운전 중에도 제어회로를 변경하여 운전할 수가 있다. 즉, 기동과 정지의 자동화, 시스템의 자체진단, 음성경고시스템, 조작버튼이 필요가 없는 touch screen 기능까지 사용되고 있다.
그러나 운전원이 필요에 따라 제한운전 및 수동운전이 가능하도록 수동우선방식의 부가는 필수적이며 대부분의 운전원이 이의 조작에 익숙하지 못한 점이 가장 시급히 처리해야할 문제이다.
나. 제어의 분산화
: 제어의 전산화로 중앙 집중제어방식은 경제성과 소형화 면에서 우수한 반식으로 널리 사용되어 왔으나 중앙처리장치(CPU)의 고장으로 인한 고장파급 예방의 신뢰성에 문제가 대두되어 1983년도부터 국내에 도입되기 시작한 제어설비의 분산화는 종래의 중앙 집중방식에서 탈피한 다중보호방식으로 제어설비의 전산화 및 소형화에 의해서 가능해진 시스템이다.
최근에 건설된 발전소에는 제어단위별로 분산제어화하고 network를 통한 통신 제어화로 일부 제어설비의 고장 시에도 발전정지의 위험부담을 줄이고 있다.
제어분산화의 가장 큰 특징은 중앙처리장치(CPU)의 분산을 주제어가 별도로 없는 다중제어상태로 상호 통신제어가 가능하여 제어시스템과 data가 다중 분산되어 있어 충분한 redundancy가 확보되어 있다.
다. 제어신호의 디지털화
: 아날로그 제어에서는 연산모듈의 수량과 interlock 항목의 증대로 인하여 시스템의 신뢰성이 저하되고 비선형 제어와 예측제어 등으로 인한 연산기능에 한계가 있어 제어회로를 변경할 경우에는 ahrdware에 의존할 수 밖에 없었다. 또한 parameter의 조정이 복잡해지고 설비의 대형화 추세로 현대 개발된 제어시스템 신호처리방식은 디지털 신호가 주종을 이루고 있다.
Ⅲ. 가스터빈 제어시스템
1. 개요
가. 국내 가스터빈은 과거, GE, ABB, WH(SIEMENS) 제품 중심이었으나 현재는 알스톰사와 MHI(미쯔비시) 중심으로 재편되고 있는데, 대부분 설비는 국제환경규제(배출허용기준)에 맞게 NOx 저감을 위한 DLN(드라이 로우 노 녹스) 버너를 채용하고 있다.
1) LNG의 경우 : 기존 150ppm, 신규 50ppm (2005년 이후)
나. 가스터빈 제어 방법
* 터빈 속도, 배기(터빈출구)온도 및 압축기 출구압력 등을 측정하여 터빈으로 공급되는 연료량을 적정 조건으로 조절
다. 가스터빈 3대 기본제어(기동~base load까지)
1) 기동제어, 속도제어, 온도제어
2) 운전 조건에 따라 제어모드 선택, FSR(연료제어 기준 신호)로 연료공급량 결정
3) 질소산화물 최소화를 위한 연소모드를 연소기준 온도에 따라 구분 운전
2. 스피드 트로닉 Mark-V
가. Mark-V hardware 구성
: 서인천복합화력을 중심으로 90년대 주종을 이룬 가스터빈 제어시스템은 GE사의 스피드 트로닉 Mark Series이다.
1) TMR(triple modular redundant) 구성
: 동일한 R, S, T 세 개의 프로세서(core)로 구성되어 있어, 하나의 프로세서가 정지되어도 운전이 가능하므로 정비에 편리성이 있다.
2) 2 out of 3 Voting
: R, S, T 각각의 core가 별도의 센서 혹은 입력 값으로 구성되어 한 개의 입력에 오류가 발생되어도 나머지 2개 cord에서 voting된 결과값을 제어에 사용하므로 제어의 안정성을 높인 방식이다.
3) protection core 기능
가) protection 입력 신호
: flame detector 4개, protection speed pick up 3개, 발전기 차단기 feed back 접검, 비상정지 수동 push button 접검, bus 및 발전기 전압 등
나) protection 출력 신호
: 발전기 차단기 병입 신호, fuel dump valve 의 reset/trip 신호
다) trip relay 구성
: ETR(emergency trip relay) 2조, PTR(protection trip relay) 2조로 구성되어 접검 오동작으로 인한 trip 요인 감소시킴
3. GE 가스터빈 기동 시퀸스 해설
가. 보조기기 기동
: start up 조작에 의해 AOP(보조 오일펌프)를 비롯한 각종 보조기기들이 기동된다.
나. 기동장치 기동
: turning gear dis-engaged(터닝기어 분리) 및 기동기 기동(또는 토크 컨버터 동작)
다. 퍼지(purging)
: 정격속도 25~30%에 도달되면 일정시간 퍼지시간(1~10분)이 주어지며 퍼지 공기량은 가스통로 용적의 3~5배를 청정공기와 교환한다.
라. 점화(light-off)
: 일반적으로 정격속도의 10~20%에서 점화가 이루어진다. 점화플러그에서 일정시간 불꽃방전을 일으켜 점화가 되면 화염 전파(cross firing)가 이루어져 대각선 쪽에 설치된 화염 검출기에서 화염이 검출된다. 점화에 실패하면 자동으로 퍼지 시퀸스가 시작되어 재점화가 시도되거나 수동으로 퍼지한 후 재점화할 수 있다.
마. 예열(warming-up)
: 고온가스 통로 구성품의 열응력을 최소화하기 위해 일정시간(1분 정도) 동안 화염을 안정시킬 수 있는 최소한의 연료만을 주입하여 이루어진다.
바. 가속(acceleration)
: 예열 시간이 완료된 후 연료 유량이 증가되어 미리 설정한 가속비율에 따라 가속이 이루어지며 낮은 속도보다는 운전속도 부근에서 빠른 가속이 이루어진다.
사. 크랭크 동력 분리(cranking power disengage)
: 자력운전속도(정격속도의 40~50%)에 도달되면 외부 크랭크 동력이 불필요하게 되며, 일반적으로 정격속도의 60% 내외에서 분리된다. 기동기가 교류전동기 또는 디젤엔진인 경우는 일정시간 무부하로 운전된 후 정지된다.
아. 계통병입 및 부하운전
: 정격속도 96%에 도달되면 계통병입 시퀸스가 시작되어 계통병입이 이루어지며 계통병입 후 초기에는 최저 제어가능부하(spinning reserve load)가 걸리고, 설정된 부하 증발율(13.8 MW/min)에 따라 선택한 부하한도까지 부하를 상승한다.
자. 정지(shut down)
: 정상 정지는 운전원 조작으로 시작되며, 자동으로 부하가 감발되어, 역전력 계전기에 의해 발전기 차단기가 개방(약 5% negative power)되고 shut down 연료량으로 감속되다가 TBN speed 약 40~25%에서 연료가 차단된다. 발전기 차단기가 개방되어 정격속도의 95% 이하로 떨어지기 전까지는 정지 신호 취소가 가능하다.
Ⅳ. 복합사이클 제어 일반
1. 제어설비 구성
: HRSG 제어시스템은 플랜트 제어시스템과 같은 DCS에 의해 구성되어 있다. 이것은 가스터빈 및 증기터빈 제어시스템이 주기기 제작사 제어설비에 의해 전용으로 제작되고 있기 때문에 HRSG 및 플랜트 제어시스템의 제어설비가 별도로 필요하기 때문이다.
가스터빈 및 증기터빈 제어시스템이 제작사의 제어설비로 설치되는 것은 제작사에서 자사 제품의 사용을 요구하고 있기 때문이다.
제어시스템의 출력은 주로 공기식 제어밸브 또는 전동 밸브를 구동하며, 간혹 유압제어 댐퍼를 구동하는 경우도 있다.
가. 주제어시스템 (DCS : digital 또는 distributed control system)
나. 운전조작 감시설비(MMI : Man 또는 human-machine interface)
다. 현장 계측기(transmitter, swith, themocouple, RTD 등)
라. 현장 구동장치(control valve, damper, MOV)
2. 현장 제어설비 특성
: 신호전송기(transmitter)는 프로세스 량을 측정하여 표준 신호로 변환하여 제어 또는 감시계통으로 전손한다. 프로세스 종류(압력, 유량, 수위 등)에 따라 신호전동기의 종류가 다르다.
가. 트랜스미터(transimitter)
1) 4~20mA 표준신호 전송기
2) 압력 트랜스미터, 차압 트렌스미터 구분
3) 압력 트랜스미터 : 공정의 압력을 직접 측정
4) 차압 트랜스미터 : 공정의 유량, 수위 측정
5) 차압 발생기구 : 오리피스, 피토트 튜브, 벤추리관 등
나. 차압 트랜스미터
: 측정 소자로 플로우 노즐, 혹은 오리피스 등을 설치하고, 전후단의 차압을 차압 전송기로 검출하여 유량을 측정하는 경우는 비직선 특성을 가진다.
다. 온도측정계기
: 온도를 측정하는 소자로써는 열전대(thermocouple)와 저항온도소자(RTD : resistance thermo detector)가 사용된다. 열전대는 이종금속으로 이루어진 루프에 기전력이 발생되는 원리를 이용한 것으로써, 열기전력은 열접점과 냉접점의 온도차의 증가에 따라 증가하며, 이종금속의 재질에 따라 달라진다.
1) thermocouple, RTD 주로 사용
2) 2종 금속의 열기전력 발생 원리
3) 냉접점 구간의 주변온도 보상
4) 보상도선, 전압/전류 변환기 구성
5) T, J, E, K, R, S형 thermocouple
라. 스위치 (switch)
: 압력, 온도, 유량, 수위 등을 감시하여 미리 설정된 값에 도달하면 스위치를 동작시키는 검출기의 일종이다. 프로세스 종류에 따라 이를 검출하기 용이한 구조로 되어 있으며, 수위 검출에 사용되는 레벨 스위치는 가동 부분의 seal을 위하여 영구자석을 사용하는 경우가 많다.
1) 압력, 온도, 유량, 수위 스위치 구분
2) 입력부, 구동부, 접점부 구성
3) 설정값 도달 시 스위치 동작
바. 조작부(actuator)
: 발전소에서 가장 많이 사용하는 것은 제어밸브와 댐퍼 드라이브이다. 제어밸브는 배관의 유량을 조정하여 압력, 온도, 수위 등을 제어하는 데 사용된다. 공기식 제어밸브가 가장 일반적으로 일반적으로 사용되며, 이 경우 전류 신호를 공기압으로 변환하는 I/P positioner가 내장되어 있어 입력에 비례하는 개도를 유지한다.
1) 밸브 액추에이터, 댐퍼 액추에이터 주로 사용
2) 공기식, 전기식 유압식 액추에이터 구분
3) 정동작, 역동작 공기식 제어밸브 구분
4) 위치제어기(I/P positioner) 부착
Ⅴ. 복합화력 제어설비
1. 개요
: 복합화력 발전소는 신속한 기동 정지의 장점을 최대로 살리기 위해 거의 모든 조작 및 제어를 자동화에 의존하고 있는데 대부분의 경우, 분산 디지털 제어시스템에 의해 구현되고 있다. 플랜트 제어시스템은 G/T 및 S/T 제어설비를 보다 상위에서 제어하는 개념으로 부수적으로는 HRSG 및 보조기기 제어를 수행한다.
2. 제어기의 변천
가. 공기식 제어기
: 노즐 플래퍼, 벨로우즈, 파일럿 밸브 등에 의한 연산으로 제어기가 동작되는 방식으로 1970년대까지 발전소의 주제어장치로 도입되었으며, 표준 신로서 3~15 psi 공기압을 사용하는 아날로그 제어시스템으로 현재는 다이아프램 밸브 구동에 사용되고 있다.
나. 전자식 제어기
: 트랜지스터 및 연산증폭기에 의한 연산으로 제어하며, 1970년대 말에서 1980년대 중반에 주제어 장치로 도입되었으며, 제어 신호는 -10 ~ +10V, 0 ~ 5V 등을 사용하며, 공기식에 비해 제어의 정도가 향상되었고, 유지정비가 용이하다.
다. 디지털 제어기
: 제어기 하드웨어로써 마이크로프로세서(CPU)와 메모리 소자 등을 사용하며, 제어 연산은 소프트웨어에 의해 수행하는 시스템으로 1980년대 중반 이후 발전소의 주제어 장치로 사용되기 시작하였다. 내부에서는 실수를 사용하는 연산에 의한 제어가 이루어지며, 초기에는 아날로그 제어기를 대체하는 정도였으나, 새로운 제어 알고리즘의 적용이 진행되고 있다. 디지털 제어기를 사용하는 설비를 DCS(digital control system, distributed control system)이라 한다.
3. 복합화력 제어설비 현황
나. 제어 루프
: 복합발전소에서 주기기 계통별로 전담 제어설비가 설치되어 독자적으로 해당 제어계통을 제어한다. 이것은 주기기 제작사가 자사의 제어설비와 고유의 제어로직에 의해 주기기를 제어하기를 원하기 때문이지만 사용자의 입장에서는 플랜트 전체의 제어설비를 단일 기종으로 운영하는 것이 가장 바랍직하며, 유지정비가 경제적이다.
복합발전소의 플랜트 제어용 디지털 제어설비는 가스터빈, 증기터빈 및 그 보조기기를 제외한 배열회수보일러 및 공통설비의 제어를 담당하도록 설계되는데, 플랜트 전체의 기동/정지와 같은 고도의 자동화 기능은 모두 DCS를 중심으로 플랜트 제어에서 이루어진다.
다. 시스템간 인터페이스
: 복합화력발전소에 설치된 기종이 다른 여러 시스템을 서로 연결함으로써, 유기적인 협조 제어를 도모하게 되는데, 여기에는 두 가지 방식이 동시에 적용되는 것이 보통이다.
첫째는 디지털 인터페이스로써, 통신 버스 또는 네트워크를 서로 연결하여 공통 선로를 통해 많은 신호를 주기적으로 또는 필요시마다 송수신하는 것이다. 고속의 네트워크를 연결하는 것이 가장 바람직하지만 제작사 간의 하드웨어 및 운용 스프트웨어가 다르므로 특별한 경우가 아니면 동작되지 않는다. 따라서 표준화된 직렬포트(RS232C) 방식으로 연결하는 경우가 많지만 이런 경우에도 전송/수진을 담당하는 소프트웨어 또는 로직을 특별히 제작해야 한다.
둘째는 하드웨어적 인터페이스로써, 개별 신호마다 아날로그 혹은 로직 신호를 1대1로 연결하는 것이다. 디지털 인터페이스보다 경비가 많이 소요되지만 디지털 인터페이스의 신뢰성이 아직은 발전 단계에 있으므로, 중요한 신호의 전송에는 하드웨어 인터페이스를 사용하고 있다.
라. 복합플랜트 기동정지 정차
1) 복합플랜트 기동준비
가) 냉각수계통 운전(SLP, CWP 운전)
나) 소내 보조냉각수 계통 운전(CCWP 운전)
다) 가스터빈, 증기터빈 윤활유계통 운전(lube oil pump 운전)
라) 가스터빈, 증기터빈 터닝 운전(turning, barring 운전)
마) 가스터빈 기동준비 만족(GT ready for start on)
바) HRSG 드럼수위 일정 유지
사) 증기터빈 trip reset
2) 복합플랜트 자동기동
: 복합플랜트의 기동준비가 끝나고 'ready ro start' 조건이 만족되면, 운전원은 콘솔에서 스타트 버튼을 누르게 되는데 모든 순서들이 자동으로 진행되며, 운전원은 CRT를 통해 해당 기기의 온도, 압력, 진동 등 운전 상태를 감시하게 된다.
* GT 기동(cranking) → GT 점화(firing) 및 승속(speed up) → diverter damper open → GT 발전기 병입 → GT warming load로 출력증발 → HRSG 압력상승 및 by pass 운전 → ST 기동(rolling) → ST 병입 → 증기터빈 입구압력제어(IPC) → ST 출력증발 → 증기터빈 금속온도 matching → GT, ST 출력증발
3) 복합플랜트 자동정지
: 콘솔에서 STOP 버튼을 누르면 모든 순서들이 자동으로 정지되며, 가스터빈 및 증기터빈 정지 후 윤활유 펌프 기동 및 터닝기어 작동 여부를 감시하게 된다.
* 가스터빈 출력감발 → 증기터빈 자동정지 → diverter damper close → 증기터빈 제어밸브 차단 → 가스터빈 자동정지
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