KR101501556B1 - 보일러의 증기 온도 제어 장치 - Google Patents

보일러의 증기 온도 제어 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR101501556B1
KR101501556B1 KR20140006325A KR20140006325A KR101501556B1 KR 101501556 B1 KR101501556 B1 KR 101501556B1 KR 20140006325 A KR20140006325 A KR 20140006325A KR 20140006325 A KR20140006325 A KR 20140006325A KR 101501556 B1 KR101501556 B1 KR 101501556B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
temperature
superheater
steam
steam temperature
controller
Prior art date
Application number
KR20140006325A
Other languages
English (en)
Inventor
한연수
맹좌영
정원희
김성호
Original Assignee
두산중공업 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 두산중공업 주식회사 filed Critical 두산중공업 주식회사
Priority to KR20140006325A priority Critical patent/KR101501556B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101501556B1 publication Critical patent/KR101501556B1/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22G—SUPERHEATING OF STEAM
    • F22G5/00—Controlling superheat temperature
    • F22G5/12—Controlling superheat temperature by attemperating the superheated steam, e.g. by injected water sprays
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B37/00—Component parts or details of steam boilers
    • F22B37/02—Component parts or details of steam boilers applicable to more than one kind or type of steam boiler
    • F22B37/26—Steam-separating arrangements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22G—SUPERHEATING OF STEAM
    • F22G5/00—Controlling superheat temperature
    • F22G5/20—Controlling superheat temperature by combined controlling procedures

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Control Of Steam Boilers And Waste-Gas Boilers (AREA)

Abstract

본 발명은 보일러의 증기 온도 제어 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 보일러의 기수 분리기로부터 유입된 포화 수증기를 과열 증기로 변환하는 판형 과열기 및 상기 판형 과열기에 연결되며 과열 증기를 터빈에 공급하는 최종 과열기를 포함하고, 판형 과열기 후단의 증기 온도를 예측하는 제 1 피드포워드 제어기, 상기 최종 과열기의 파이프 온도를 예측하는 제 2 피드포워드 제어기 및 상기 제 1 피드포워드 제어기 및 제 2 피드포워드 제어기의 출력을 수신하여 최종 과열기에 유입되는 과열 증기의 온도를 제어하기 위한 캐스케이드 제어기를 포함하는 보일러의 증기 온도 제어 장치이다.

Description

보일러의 증기 온도 제어 장치{Device for controlling main steam temperature of boiler}
본 발명은 화력 발전 플랜트를 경제적으로 운영하고 안전하게 가동하는 데에 중요한 영향을 미치는 파라미터인 과열 증기 온도를 제어하기 위한 장치에 관한 것으로, 과열 증기의 온도를 정밀하게 제어하여 증기 터빈을 이용한 발전 플랜트를 안정적으로 가동하기 위한 제어 장치에 관한 것이다.
발전 플랜트는 크게 보일러, 터빈, 제너레이터로 구성되어 전기를 생산하는 시스템이다. 보일러에 공급된 급수는 이코노마이저(economizer, 보일러 연소 배기 가스의 남은 열을 이용하여 급수를 가열하는 정치)와 노벽(furnace wall)을 거치면서 화석 연료를 연소시켜 발생한 열에너지에 의해 고온의 포화 수증기가 된다. 이 포화 수증기는 과열기(Superheater)를 거치며 과열 증기가 되고, 터빈에 공급되어 증기에너지를 회전력으로 변환하고 터빈에 연결된 제너레이터에서 전기를 생산한다. 이 때 과열기를 거친 과열 증기의 온도는 화력발전 플랜트의 안전과 운영에 대한 경제적 영향을 미치는 중요한 파라미터가 된다. 과열 증기의 온도가 기준치보다 높을 경우에는 터빈과 과열기의 열응력 발생으로 수명 단축과 손상의 원인이 되고 기준치보다 낮을 경우에는 발전 효율이 감소할 뿐 아니라 증기에 물방울이 생성되어 터빈이 손상될 위험이 있다. 이러한 이유로 화력발전 플랜트의 과열 증기 온도 제어는 정밀함이 요구되는데 종래의 화력발전 플랜트에서 사용하는 캐스케이드 PID 제어기(Cascade PID controller)는 빠른 제어특성을 만들어내는 데에 한계가 있다.
기존 과열기의 증기 온도 제어는 도 10과 같이 캐스케이드 PID 제어기로 구성된다. 캐스케이드 PID 제어기는 주(Master) 제어기(TC1)와 종(Slave) 제어기(TC2)로 구성되고, 주 제어기의 출력이 종 제어기의 세트 포인트(set point)가 된다. 즉 과열기 증기 온도 제어에 사용되는 캐스케이드 PID는 TC1에서 최종 과열기의 출력 온도를 제어 변수로 하고 최종 과열기 입력의 세트 포인트를 구한다. 이 값을 TC2 제어기로 보내주면 TC2에서는 최종 과열기 입력 값을 TC1에서 받은 세트 포인트값과 비교하여 과열 냉각기의 제어 밸브 개도를 발생시키며, 이로써 터빈으로 공급되는 증기의 최종단인 최종 과열기 출력의 온도를 제어하는데 사용된다.
Cascade PID 제어기는 다양한 APC(Advanced Process Control) 기법 중에서 계산 시간이 매우 짧고 유지 보수 및 적용이 용이한 장점이 있지만 제어 성능은 APC 전략 중 가장 떨어진다.
상기 Cascade PID 제어기 외에 퍼지 로직(Fuzzy logic)을 이용한 제어기 등이 제안되었으나, 종래의 방식은 기존 발전소의 제어 로직에 적용하는 것이 곤란한 문제가 있다.
한국공개특허 2010-0043064호
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제를 개선하기 위한 것으로, 빠른 제어 특성을 보이는 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
특히, 증기 터빈으로 공급되는 보일러 과열 증기의 온도 제어 성능을 향상시켜 신속하고 정밀한 제어를 가능케 하는 것을 목적으로 한다.
한편, 기존의 캐스케이드 PID 제어기를 사용하는 발전소의 제어 루프 알고리즘에 용이하게 적용 가능한 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 증기 온도 제어 장치는 보일러의 기수 분리기로부터 유입된 포화 수증기를 과열 증기로 변환하는 판형 과열기(Platen SuperHeater) 및 상기 판형 과열기에 연결되며 과열 증기를 터빈에 공급하는 최종 과열기(Final SuperHeater)를 포함하고, 상기 판형 과열기 후단의 증기 온도를 예측하는 제 1 피드포워드 제어기(1st feedforward controller), 상기 최종 과열기의 파이프 온도를 예측하는 제 2 피드포워드 제어기(2nd feedforward controller) 및 상기 제 1 피드포워드 제어기 및 제 2 피드포워드 제어기의 출력을 수신하여 최종 과열기에 유입되는 과열 증기를 제어하기 위한 캐스케이드 제어기(cascade controller)를 포함한다.
이 때, 판형 과열기 후단과 연결되는 과열 저감기(de-superheater)를 더 포함하고, 제 1 피드포워드 제어기는 예측된 판형 과열기 후단의 증기 온도를 기초로, 상기 과열 저감기의 밸브 개도를 제어하기 위한 신호를 출력할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서 제 1 피드포워드 제어기는 상기 판형 과열기 후단의 과거 증기 온도 데이터를 이용하여 판형 과열기 후단의 온도를 예측하는 온도 예측기, 예측된 판형 과열기 후단의 증기 온도를 이용하여 판형 과열기 후단의 증기 엔탈피를 연산하는 엔탈피 연산기 및 연산된 증기 엔탈피를 이용하여 상기 과열 저감기의 밸브 유량을 연산하는 유량 연산기를 포함할 수 있고, 여기에 연산된 밸브 유량을 측정된 밸브 유량과 비교하고, 밸브 개도 조정치를 연산하는 밸브 개도 조정기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서 상기 온도 예측기는 판형 과열기 후단의 과거 증기 온도 데이터의 변화 추이를 분석하여 다항식을 도출하고, 도출된 다항식을 기초로 증기 온도를 예측할 수 있다. 한편, 상기 캐스케이드 제어기는 상기 제 1 피드포워드 제어기로부터 수신한 신호를 이용하여 상기 과열 저감기의 밸브 개도를 제어할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서 상기 제 2 피드포워드 제어기는 예측된 파이프 온도를 이용하여 최종 과열기 입구 온도의 세트 포인트(set point)를 보정하는 신호를 출력할 수 있다. 이 때, 제 2 피드포워드 제어기는 상기 최종 과열기의 입구 온도와 출구 온도를 이용하여 최종 과열기 파이프의 현재 온도를 추정하는 파이프 온도 추정기, 추정된 파이프 온도를 이용하여 일정 시간 후 파이프의 온도를 예측하는 파이프 온도 예측기, 예측된 파이프 온도를 이용하여 일정 시간 후 최종 과열기의 출구 온도를 예측하는 출구 온도 예측기 및 예측된 출구 온도를 기초로 최종 과열기 입구의 증기 온도의 세트 포인트를 보정값을 추정하는 세트 포인트 보정기를 포함할 수 있다.
한편, 상기 파이프 온도 예측기는 누적 추정된 최종 과열기 파이프의 온도 데이터를 분석하여 다항식을 도출하고, 도출된 다항식을 기초로 일정 시간 후 파이프 온도를 예측할 수 있다.
본 발명의 증기 온도 제어 장치는 상기 판형 과열기 후단과 연결되는 과열 저감기(de-superheater)를 더 포함할 수 있고, 이 때 캐스케이드 제어기는 보정된 세트 포인트가 반영된 최종 과열기 입구의 증기 온도와 측정된 최종 과열기 입구의 증기 온도를 비교하여 상기 과열 저감기의 밸브 개도를 제어할 수 있다.
본 발명에 따르면, 증기 터빈으로 공급되는 보일러의 과열 증기 온도를 제어하는 성능을 향상시켜 신속하고 정밀한 제어가 가능하다.
한편, 기존의 캐스케이드 PID 제어기를 사용하는 발전소의 제어 루프 알고리즘에 용이하게 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 보일러의 증기 온도 제어 장치의 일 실시예를 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 제 1 피드포워드 제어기의 일 실시예를 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 발명의 제 1 피드포워드 제어기의 제어 동작을 나타낸 플로우 차트이다.
도 4는 본 발명의 제 2 피드포워드 제어기의 일 실시예를 나타낸 블록도이다.
도 5는 본 발명의 제 2 피드포워드 제어기의 제어 동작을 나타낸 플로우 차트이다.
도 6은 시간에 따른 최종 과열기의 온도 흐름을 나타낸 그래프이다.
도 7은 화력 발전 플랜트의 데이터를 이용하여 외란을 분석한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 성능을 시험하기 위한 시스템의 구성도이다.
도 9는 본 발명의 성능을 시험한 결과이다.
도 10은 종래의 보일러의 증기 온도 제어 장치의 일 예를 나타낸 블록도이다.
본 발명의 전술한 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용 효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 명세서에 첨부된 도면에 의거한 이하 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 보일러의 증기 온도 제어 장치의 일 실시예를 나타낸 블록도이다. 본 발명의 온도 제어 장치는 보일러의 기수 분리기로부터 유입된 포화 수증기를 과열 증기로 변환하는 판형 과열기(Platen SuperHeater) 및 상기 판형 과열기에 연결되며 과열 증기를 터빈에 공급하는 최종 과열기(Final SuperHeater)를 포함하는 보일러의 증기 온도를 제어하기 위한 장치로, 판형 과열기 후단의 증기 온도를 예측하는 제 1 피드포워드 제어기(1st feedforward controller), 상기 최종 과열기의 파이프 온도를 예측하는 제 2 피드포워드 제어기(2nd feedforward controller) 및 상기 제 1 피드포워드 제어기 및 제 2 피드포워드 제어기의 출력을 수신하여 최종 과열기에 유입되는 과열 증기를 제어하기 위한 캐스케이드 제어기(cascade controller)를 포함한다.
캐스케이드 제어기는 배경 기술에서 설명한 캐스케이드 PID 제어기를 기초로 제 1 피드포워드 제어기 및 제 2 피드포워드 제어기로부터 수신되는 신호를 반영하기 위한 구조를 포함한다. 캐스케이드 제어기는 제 1 피드포워드 제어기 및 제 2 피드포워드 제어기로부터 수신되는 신호를 이용하여 증기 터빈으로 공급되는 보일러 과열증기의 온도를 제어하도록 동작한다. 최종 과열기의 출구 증기 온도는 터빈 및 제너레이터의 동작에 큰 영향을 주는 파라미터이므로 캐스케이드 제어기의 동작에 따라 발전량이 변동될 수 있다.
제 1 피드포워드 제어기는 최종 과열기의 전단인 판형 과열기의 후단(출구)의 증기 온도를 예측하여, 최종 과열기의 전단(입구)의 증기 온도를 보상하기 위한 제어기이다.
최종 과열기의 입구의 증기 온도는 일정한 시간차를 가지고 흡사한 형태로 출구 증기 온도에 반영되는 특성이 있다. 만약, 외란이 발생하여 최종 과열기의 입구에서 증기 온도가 요동(fluctuation)하는 경우, 이러한 요동은 그대로 출구의 증기 온도에 반영되고, 결국 발전량에 영향을 미치는 결과를 초래한다. 이 과정은 도 7을 통해 확인할 수 있다.
도 7은 화력 발전 플랜트의 데이터를 이용하여 외란을 분석한 그래프이다. 도 7을 보면 최종 과열기 입구 증기 온도(TF , in)의 파형이 최종 과열기 출구 증기 온도(TF , out)의 파형과 시간차를 가지며 흡사한 형태를 가지고 있는 것을 확인할 수 있다. 이로써 최종 과열기 입구의 흔들림이 그대로 최종 과열기 출구에 유지되는 특성을 파악할 수 있고, 최종 과열기 출구 증기 온도를 일정하게 유지하기 위해서는 최종 과열기 입구 증기 온도를 일정하게 유지하는 것이 증기 온도 제어의 중요한 포인트임을 확인할 수 있다.
결국 최종 과열기의 입구 증기 온도를 정확하게 제어할 필요가 있는데, 최종 과열기의 입구 증기 온도는 판형 과열기의 출구 증기 온도가 그대로 전달되는 형태이므로, 제 1 피드포워드 제어기는 판형 과열기의 출구 증기 온도를 정확하게 예측하고 이를 토대로 과열 저감기의 밸브 개도를 제어하여 최종 과열기의 입구 증기 온도가 제어되도록 한다.
제 2 피드포워드 제어기는 최종 과열기의 열량의 변화를 예측하여 최종 과열기의 출구의 증기 온도를 제어(예, 일정하게 유지)하도록 동작한다. 과거 데이터를 이용하여 궁극적으로 최종 과열기 출구 증기 온도를 예측한다. 그리고 예측된 출구 증기 온도를 목표한 출구 증기 온도로 조정하기 위하여, 최종 과열기의 입구 증기 온도의 세트 포인트(set point)를 보상한다. 본 발명에서 세트 포인트(set point)란 캐스케이드 제어기의 TC1(주 제어기)에서 TC2(종 제어기)로 제공하는 제어 신호의 일종으로 과열 저감기의 밸브 개도를 조절하여 최종 과열기의 입구 증기 온도를 조절하기 위한 기준값이다. 최종 과열기의 입구 증기 온도를 조절하여 최종 과열기의 출구 증기 온도를 제어할 수 있으므로, 세트 포인트를 설정, 보상함으로써 증기 터빈으로 공급되는 보일러 과열 증기의 온도를 제어할 수 있다.
본 발명의 증기 온도 제어 장치는 판형 과열기 후단과 연결되는 과열 저감기(de-superheater)를 더 포함할 수 있고, 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 제어 장치의 제 1 피드포워드 제어기는 예측된 판형 과열기 후단의 증기 온도를 기초로, 상기 과열 저감기의 밸브 개도를 제어하기 위한 신호를 출력할 수 있다.
과열 저감기는 판형 과열기 후단과 최종 과열기의 전단 사이에 증기 온도를 조절하기 위한 구성이다. 앞서 설명한대로, 판형 과열기의 후단에서 최종 과열기의 전단으로 전달되는 증기의 온도를 제어하기 위한 구성이 과열 저감기이다.
과열 저감기는 판형 과열기의 후단과 최종 과열기의 전단 사이에 밸브를 사이에 두고 연결된다. 도 1에는 과열 저감기가 표시되지는 않았으나, 도 1에 표시된 밸브가 앞서 언급한 밸브에 해당하고, 밸브 아래 쪽으로 과열 저감기가 연결된다.
제 1 피드포워드 제어기는 제어기의 출력을 종 캐스케이드 출력에 가감하여 밸브의 개도, 보다 상세하게는 밸브의 유량 계수를 실시간 가변하여 수식을 통하여 밸브의 개도를 제어하여 궁극적으로 최종 과열기 전단의 증기 온도를 제어하기 위한 제어이다.
과열 저감기와 연결된 밸브의 개도를 제어하여 궁극적으로 최종 과열기 입구의 온도가 조절될 수 있다.
도 2는 본 발명의 제 1 피드포워드 제어기의 일 실시예를 나타낸 블록도이다.
본 발명의 일 실시예에서, 제 1 피드포워드 제어기는 상기 판형 과열기 후단의 과거 증기 온도 데이터를 이용하여 판형 과열기 후단의 온도를 예측하는 온도 예측기, 예측된 판형 과열기 후단의 증기 온도를 이용하여 판형 과열기 후단의 증기 엔탈피를 연산하는 엔탈피 연산기 및 연산된 증기 엔탈피를 이용하여 상기 과열 저감기의 분무수수 유량(이하, 밸브 유량이라 함)을 연산하는 유량 연산기를 포함한다.
본 발명의 제 1 피드포워드 제어기는 판형 과열기의 후단(출구) 온도를 미리 예측하여 보일러의 증기 온도 제어에 사용한다. 종래에는 판형 과열기 후단 온도를 직접 측정하고 이를 기초로 최종 과열기 전단의 온도를 제어하였는데, 이 경우 측정된 온도에 따라 과열 저감기 밸브 개도를 제어하는 데에 시간이 소요되고, 제어된 밸브 개도에 따라 최종 과열기 전단의 온도가 조절되는 데에 시간이 소요되므로, 신속한 온도 제어가 어려운 문제가 있다. 뿐만 아니라 최종 과열기 전단의 온도를 측정한 후 최종 과열기 전단의 온도가 조절되기 전까지의 시간에는 최종 과열기 전단이 목표하지 않은 온도로 유지되고 심할 경우 터빈을 손상시킬 수 있다.
본 발명은 이러한 문제를 개선하고자 판형 과열기 후단의 증기 온도를 예측하여 보일러의 온도 제어에 사용한다. 이를 위해 제 1 피드포워드 제어기 내에 판형 과열기 후단의 과거 증기 온도 데이터를 이용하여 판형 과열기 후단의 증기 온도를 예측하는 온도 예측기를 포함한다.
상기 온도 예측기가 온도를 예측하는 방식의 일 예로 판형 과열기 후단의 과거 증기 온도 데이터의 변화 추이를 분석하여 다항식을 도출하고, 도출된 다항식을 기초로 증기 온도를 예측할 수 있다. 본 실시예는 도 3을 통해 살펴본다.
도 3은 본 발명의 제 1 피드포워드 제어기의 제어 동작을 나타낸 플로우 차트이다. 특히 제 1 피드포워드 제어기 내 온도 예측기에서 증기 온도를 예측하는 매커니즘의 일 예를 나타낸다. 판형 과열기 후단의 과거 증기 온도 데이터를 일정 시간 간격으로 저장하고, 누적된 과거 증기 온도 데이터의 변화 추이를 분석하여 증기 온도 데이터 변화 추이를 나타내는 다항식을 도출한다. 도 3은 1차 다항식을 도출하는 경우를 예로 들어 도시하였으나, 반드시 1차 다항식일 필요는 없으며, 정확도, 연산 속도 등을 고려하여 다항식의 차수를 결정할 수도 있다. 도출된 다항식을 기초로 일정 시간 후의 판형 과열기 후단의 증기 온도를 예측하는 것이 가능하며, 예측된 증기 온도를 근거로 과열 저감기와 연결된 밸브의 개도를 제어하여 최종 과열기의 전단 증기 온도가 제어되도록 한다.
엔탈피 연산기는 예측된 판형 과열기 후단의 증기 온도를 이용하여 판형 과열기 후단의 증기 엔탈피를 연산하고, 유량 연산기는 연산된 증기 엔탈피를 이용하여 과열 저감기의 밸브 유량을 연산한다. 증기 엔탈피를 연산하는 과정 및 밸브 유량을 연산하는 과정은 열역학 및 유체 역학의 기본 공식을 따르므로 자세한 설명은 생략한다.
본 발명의 제 1 피드포워드 제어기는 연산된 밸브 유량을 즉정된 밸브 유량과 비교하고 밸브 개도 조정치를 연산하는 밸브 개도 조정기를 더 포함한다. 즉, 현재의 밸브 유량과 목표 밸브 유량을 비교하여 현재 밸브 유량이 목표 밸브 유량에 맞추어질 수 있도록 밸브의 개도를 제어한다.
이하에서는 본 발명의 제 2 피드포워드 제어기에 대하여 상세하게 살펴본다.
도 4는 본 발명의 제 2 피드포워드 제어기의 일 실시예를 나타낸 블록도이다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 제 2 피드포워드 제어기는 예측된 파이프 온도를 이용하여 최종 과열기 입구 증기 온도의 세트 포인트(set point)를 보정하는 신호를 출력한다. 상기 보정 신호는 캐스케이드 제어기로 제공되고, 캐스케이드 제어기는 이를 기초로 과열 저감기의 밸브 개도를 제어하여, 최종 과열기의 입구 증기 온도를 조절하며, 그 결과 최종 과열기의 출구 증기 온도 및 터빈의 출력을 제어할 수 있다.
이러한 제 2 피드포워드 제어기의 일 실시예는 최종 과열기의 입구 증기 온도와 출구 증기 온도를 이용하여 최종 과열기 파이프의 현재 온도를 추정하는 파이프 온도 추정기, 추정된 파이프 온도를 이용하여 일정 시간 후 파이프의 온도를 예측하는 파이프 온도 예측기, 예측된 파이프 온도를 이용하여 일정 시간 후 최종 과열기의 출구 증기 온도를 예측하는 출구 증기 온도 예측기 및 예측된 출구 증기 온도를 기초로 최종 과열기 입구 온도의 세트 포인트를 보정값을 추정하는 세트 포인트 보정기를 포함할 수 있다.
이 때 캐스케이드 제어기는 보정된 세트 포인트가 반영된 최종 과열기 입구 온도와 측정된 최종 과열기 입구 온도를 비교하여 상기 과열 저감기의 밸브 개도를 제어할 수 있다.
파이프 온도 추정기는 최종 과열기의 입구 증기 온도와 출구 증기 온도를 이용하여 최종 과열기 파이프의 현재 온도를 추정한다. 보다 상세하게는 일정 기준 시간 이전의 최종 과열기 입구 온도(TF , in(k-d))와 현재의 최종 과열기 입구 온도(TF , out(k))를 이용하여 현재 최종 과열기 파이프의 온도(Tpipe(k))를 추정한다. 이러한 과정은 도 6을 통해 손쉽게 이해할 수 있다.
파이프 온도 예측기는 누적 추정된 최종 과열기 파이프의 온도 데이터를 분석하여 다항식을 도출하고, 도출된 다항식을 기초로 일정 시간 후 파이프 온도를 예측한다.
제 2 피드포워드 제어기의 동작을 도 5와 함께 상세히 살펴본다. 도 5는 본 발명의 제 2 피드포워드 제어기의 제어 동작을 나타낸 플로우 차트이다. 앞서 설명한대로 파이프 온도 추정기가 최종 과열기의 일정 시간 이전(k-d)의 최종 과열기 입구 온도 및 현재의 최종 과열기 출구 증기 온도를 이용하여 현재의 파이프 온도(Tpipe(k))를 추정한다. 이로써 일정 시간 이전의 최종 과열기의 입구 증기 온도와 현재의 파이프 온도 간 상관관계를 도출할 수 있다. 이를 누적적으로 시행하면 현재 최종 과열기의 입구 증기 온도(TF , in(k))와 일정 시간 차를 둔 파이프 온도(Tpipe(k+d))를 예측할 수 있다. 누적적으로 도출한 위 상관관계에 근거하여 현재 최종 과열기 입구 온도와 일정 시간 후의 최종 과열기 파이프 온도를 이용하여 일정 시간 후의 최종 과열기 출구 증기 온도(TF , out(k+d))를 예측할 수 있다.
본 실시예에 따르면 미래의(일정 시간 후의) 최종 과열기 출구 증기 온도를 예측할 수 있으므로, 이에 따른 터빈 구동 및 발전량 등을 예측할 수 있다. 따라서, 미래의 출력을 사용자의 목적에 부합하도록 미리 조절하는 것이 가능하다. 이는 최종 과열기의 입구 증기 온도를 제어함으로써 달성할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 증기 온도 제어 장치의 성능을 검증한 내용에 대해 설명한다.
온도 제어 장치의 성능을 검증하기 위해 도 8과 같이 화력발전 플랜트를 개략적으로 나타낸 시뮬레이터(Process Model)와 DCS를 소프트웨어로 구현한 가상 제어기(Virtual Controller), 그리고 과열 저감기 밸브를 제어하기 위한 제어 로직으로 구성하였다. 제어 로직 내부에는 본 발명의 온도 제어 장치가 EWS(Engineering Workstation) Tool에서 사용할 수 있는 기능 블록의 형태로 임베디드 되어 있다. 또한 결과를 확인하기 위한 HMI System을 함께 구성하였다.
시스템을 이용하여 캐스케이드 제어기와 제 1, 2 피드포워드 제어기가 포함된 온도 제어 장치를 <표 1>의 시험 항목으로 토대로 부하변화시험을 진행하였으며 종래의 기술과 본 발명을 비교하여 성능을 검증하였다.
[표 1] 기능 검증을 위한 시험 항목
Figure 112014005231123-pat00001
도 9는 시험 항목 중 Test 1에 대한 시험 결과이다. 부하가 감발하면서 열량의 동특성 보다 유량의 동특성이 커 최종 과열기의 출구 증기 온도가 증가하는 상황에서 온도 제어 장치의 피크 온도가 종래의 온도 제어 장치에 비하여 세트 포인트와의 차이가 1℃ 줄어든 사실을 확인할 수 있다. 이를 통해 기존의 온도 제어 장치보다 성능이 향상됐음을 확인할 수 있다. 또한 과열 저감기의 밸브 개도가 종래 기술에 비하여 2% 많이 열려 있는 결과를 통해 증가된 판형 과열기 후단의 온도를 잘 예측하고 이로 인해 제 1 피드포워드 제어기가 잘 동작한다는 결과를 확인할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것으로 본 발명이 속한 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술 사상 범위 내에서 수정, 변경, 부가가 가능한 부분까지 본 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 보일러의 기수 분리기로부터 유입된 포화 수증기를 과열 증기로 변환하는 판형 과열기(Platen SuperHeater) 및 상기 판형 과열기에 연결되며 과열 증기를 터빈에 공급하는 최종 과열기(Final SuperHeater)를 포함하는 보일러의 증기 온도를 제어하기 위한 장치에 있어서,
    상기 판형 과열기 후단의 증기 온도를 예측하는 제 1 피드포워드 제어기(1st feedforward controller);
    상기 최종 과열기의 파이프 온도를 예측하는 제 2 피드포워드 제어기(2nd feedforward controller); 및
    상기 제 1 피드포워드 제어기 및 제 2 피드포워드 제어기의 출력을 수신하여 최종 과열기에 유입되는 과열 증기를 제어하기 위한 캐스케이드 제어기(cascade controller);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 보일러의 증기 온도 제어 장치
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 판형 과열기 후단과 연결되는 과열 저감기(de-superheater)를 더 포함하고,
    제 1 피드포워드 제어기는 예측된 판형 과열기 후단의 증기 온도를 기초로, 상기 과열 저감기의 밸브 개도를 제어하기 위한 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 보일러의 증기 온도 제어 장치
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 제 1 피드포워드 제어기는
    상기 판형 과열기 후단의 과거 증기 온도 데이터를 이용하여 판형 과열기 후단의 온도를 예측하는 온도 예측기;
    예측된 판형 과열기 후단의 증기 온도를 이용하여 판형 과열기 후단의 증기 엔탈피를 연산하는 엔탈피 연산기; 및
    연산된 증기 엔탈피를 이용하여 상기 과열 저감기의 밸브 유량을 연산하는 유량 연산기;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 보일러의 증기 온도 제어 장치
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 제 1 피드포워드 제어기는
    연산된 밸브 유량을 측정된 밸브 유량과 비교하고, 밸브 개도 조정치를 연산하는 밸브 개도 조정기;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보일러의 증기 온도 제어 장치
  5. 청구항 3에 있어서, 상기 온도 예측기는
    판형 과열기 후단의 과거 증기 온도 데이터의 변화 추이를 분석하여 다항식을 도출하고, 도출된 다항식을 기초로 증기 온도를 예측하는 것을 특징으로 하는 보일러의 증기 온도 제어 장치
  6. 청구항 2에 있어서, 상기 캐스케이드 제어기는 상기 제 1 피드포워드 제어기로부터 수신한 신호를 이용하여 상기 과열 저감기의 밸브 개도를 제어하는 것을 특징으로 하는 보일러의 증기 온도 제어 장치
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 제 2 피드포워드 제어기는 예측된 파이프 온도를 이용하여 최종 과열기 입구 온도의 세트 포인트(set point)를 보정하는 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 보일러의 증기 온도 제어 장치
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 제 2 피드포워드 제어기는
    상기 최종 과열기의 입구 온도와 출구 온도를 이용하여 최종 과열기 파이프의 현재 온도를 추정하는 파이프 온도 추정기;
    추정된 파이프 온도를 이용하여 일정 시간 후 파이프의 온도를 예측하는 파이프 온도 예측기;
    예측된 파이프 온도를 이용하여 일정 시간 후 최종 과열기의 출구 온도를 예측하는 출구 온도 예측기; 및
    예측된 출구 온도를 기초로 최종 과열기 입구의 증기 온도의 세트 포인트를 보정값을 추정하는 세트 포인트 보정기;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 보일러의 증기 온도 제어 장치
  9. 청구항 7에 있어서, 상기 파이프 온도 예측기는
    누적 추정된 최종 과열기 파이프의 온도 데이터를 분석하여 다항식을 도출하고, 도출된 다항식을 기초로 일정 시간 후 파이프 온도를 예측하는 것을 특징으로 하는 보일러의 증기 온도 제어 장치
  10. 청구항 7에 있어서, 상기 판형 과열기 후단과 연결되는 과열 저감기(de-superheater)를 더 포함하고,
    상기 캐스케이드 제어기는 보정된 세트 포인트가 반영된 최종 과열기 입구의 증기 온도와 측정된 최종 과열기 입구의 증기 온도를 비교하여 상기 과열 저감기의 밸브 개도를 제어하는 것을 특징으로 하는 보일러의 증기 온도 제어 장치
KR20140006325A 2014-01-17 2014-01-17 보일러의 증기 온도 제어 장치 KR101501556B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20140006325A KR101501556B1 (ko) 2014-01-17 2014-01-17 보일러의 증기 온도 제어 장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20140006325A KR101501556B1 (ko) 2014-01-17 2014-01-17 보일러의 증기 온도 제어 장치

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101501556B1 true KR101501556B1 (ko) 2015-03-12

Family

ID=53027235

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR20140006325A KR101501556B1 (ko) 2014-01-17 2014-01-17 보일러의 증기 온도 제어 장치

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101501556B1 (ko)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180060158A (ko) * 2016-11-28 2018-06-07 주식회사 바른기술 IoT기술에 의한 보일러 온도 자동제어 시스템 및 그 방법
CN109597301A (zh) * 2017-09-30 2019-04-09 上海梅山钢铁股份有限公司 干熄焦余热锅炉主汽温优化控制方法
CN112395817A (zh) * 2020-11-18 2021-02-23 西安热工研究院有限公司 一种基于实时数据在线计算电厂管道效率的方法
KR102279129B1 (ko) * 2020-01-20 2021-07-19 두산중공업 주식회사 프로세스의 과도응답 특성 기반의 증기 온도 제어의 동적 세트 포인트 설정을 위한 장치 및 이를 위한 방법

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR950007017B1 (ko) * 1987-04-02 1995-06-26 인터내셔널 콘트롤 오토매이션 파이낸스 에스.에이. 증기온도 제어방법과 그 장치
JP3291467B2 (ja) * 1998-05-21 2002-06-10 株式会社日立製作所 プロセスの予測制御方法及び装置
KR20130034523A (ko) * 2011-09-28 2013-04-05 한국전력공사 과열기 온도 제어 방법

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR950007017B1 (ko) * 1987-04-02 1995-06-26 인터내셔널 콘트롤 오토매이션 파이낸스 에스.에이. 증기온도 제어방법과 그 장치
JP3291467B2 (ja) * 1998-05-21 2002-06-10 株式会社日立製作所 プロセスの予測制御方法及び装置
KR20130034523A (ko) * 2011-09-28 2013-04-05 한국전력공사 과열기 온도 제어 방법

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180060158A (ko) * 2016-11-28 2018-06-07 주식회사 바른기술 IoT기술에 의한 보일러 온도 자동제어 시스템 및 그 방법
CN109597301A (zh) * 2017-09-30 2019-04-09 上海梅山钢铁股份有限公司 干熄焦余热锅炉主汽温优化控制方法
CN109597301B (zh) * 2017-09-30 2021-11-16 上海梅山钢铁股份有限公司 干熄焦余热锅炉主汽温优化控制方法
KR102279129B1 (ko) * 2020-01-20 2021-07-19 두산중공업 주식회사 프로세스의 과도응답 특성 기반의 증기 온도 제어의 동적 세트 포인트 설정을 위한 장치 및 이를 위한 방법
CN112395817A (zh) * 2020-11-18 2021-02-23 西安热工研究院有限公司 一种基于实时数据在线计算电厂管道效率的方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CA2747950C (en) Dynamic tuning of dynamic matrix control of steam temperature
US9335042B2 (en) Steam temperature control using dynamic matrix control
CA2868093C (en) Steam temperature control using model-based temperature balancing
CA2747921C (en) Dynamic matrix control of steam temperature with prevention of saturated steam entry into superheater
CN103343961B (zh) 锅炉汽温控制系统中减温水冲击导前汽温测点的动态补偿方法
WO2019165839A1 (zh) 一种锅炉过热蒸汽的温度控制方法、装置和系统
KR101501556B1 (ko) 보일러의 증기 온도 제어 장치
US9255494B2 (en) Steam turbine power plant
CN107664300B (zh) 多目标蒸汽温度控制
GB2543412A (en) Feedforward control with intermittent re-initialization based on estimated state information
US10185332B2 (en) System and method for drum level control with transient compensation
US10385736B2 (en) Combined cycle power plant and start-up method of the same
JP2017036721A5 (ko)
KR101804477B1 (ko) 과열기 온도 제어 방법
JP2017227393A (ja) 蒸気温度制御装置、蒸気温度制御方法、および発電システム
JP7465641B2 (ja) 貫流ボイラの制御装置、発電プラント、及び、貫流ボイラの制御方法
JP2013181436A (ja) 発電システム及びその制御方法
JP5804748B2 (ja) 蒸気送気システム及び蒸気送気方法
CN110382842A (zh) 燃气轮机联合循环设备以及燃气轮机联合循环设备的控制方法
KR101839832B1 (ko) 화력발전소의 드럼형 유동층 보일러의 주증기 압력변동에 따른 주증기 온도제어방법
RU2013157365A (ru) Система управления для многовариантного регулирования теплоэлектростанции
JP2002286202A (ja) ボイラ蒸気温度制御装置
CN117128498A (zh) 一种考虑煤质和延迟时间的直流锅炉水煤比控制方法
JP2009002266A (ja) 火力発電プラントの負荷制御装置
JPH10122507A (ja) スプレによるボイラ蒸気温度制御装置

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20171204

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190102

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20200102

Year of fee payment: 6