KR101804477B1 - 과열기 온도 제어 방법 - Google Patents

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KR101804477B1
KR101804477B1 KR1020110098581A KR20110098581A KR101804477B1 KR 101804477 B1 KR101804477 B1 KR 101804477B1 KR 1020110098581 A KR1020110098581 A KR 1020110098581A KR 20110098581 A KR20110098581 A KR 20110098581A KR 101804477 B1 KR101804477 B1 KR 101804477B1
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신만수
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한국전력공사
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Abstract

과열기 온도 제어 방법이 제공된다. 과열기 온도 제어 방법은 과열기의 열전달 모델을 구현하는 단계, 부하별 실제 발전소 운전 데이터를 취득하는 단계, 운전 데이터 분석을 통한 열전달 모델 파라미터 값을 계산하는 단계, 모델 시뮬레이션 값과 실제 운전 데이터를 비교하는 단계, 파라미터까지 구해진 모델 기반으로 과열기 온도 제어 로직을 구현하는 단계, 제어기 PID 파라미터를 튜닝하는 단계, 제어기 수동 절체 후 피드 포워드 보상기를 테스트하는 단계 및 과열기 로직의 성능을 검증하는 단계를 포함한다.

Description

과열기 온도 제어 방법{METHOD FOR CONTORLLING TEMPERATURE OF SUPER HEATER}
본 발명은 과열기 온도 제어 방법에 관한 것이다.
석탄 화력 발전소에서 보일러 과열기 출구 증기 온도는 공정의 긴 부동시간과 시간지연으로 인해 다양한 부하에서 일정한 온도를 유지하도록 제어하기가 어렵다. 이러한 과열기 출구의 주증기 온도 제어는 과열기 사이에 과열 저감기를 설치하여 물을 분사함으로써 수행된다.
이때, 주증기 온도 제어를 위해 사용되는 제어 알고리즘은 사용의 편의성과 오랜 기간 동안의 신뢰도로 인해 PID 제어기가 널리 사용되고 있다. 그리고 긴 공정 지연 시간을 갖는 과열기의 특성으로 인해 단일루프 제어기보다 두개의 PID 제어기를 직렬로 연결한 캐스케이드 제어기법이 주로 사용된다.
여기서 주증기 온도 제어 방법은 과열기 출구의 주증기 온도 설정값과 실제 과열기 출구의 주증기 온도의 오차를 제어기에 입력하여 구현된다. 그러나 주증기 온도는 보일러 노(furnace) 내에 가해지는 열과 주증기 유량 등에 영향을 받는다.
또한, 캐스케이드 제어 방법은 과열기 전단에 유입되는 외란은 제거할 수 있지만 연료 변화와 보일러 주증기 유량 변화 등과 같은 외란의 제거는 효과적으로 수행하지 못한다.
한국공개특허 제10??1998??041487호
상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 과열기 열전달 특성 모델과 실제 발전소의 데이터 분석을 통하여 모델 입출력 식의 정확한 파라미터를 구할 수 있는 과열기 온도 제어 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 파라미터 획득을 통해 외란의 특성을 파악한 후 외란을 제거하여 부하 변동 시에도 안정된 주증기 온도 제어가 이루어지는 과열기 온도 제어 방법을 제공한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따른 과열기 온도 제어 방법은 과열기의 열전달 모델을 구현하는 단계, 부하별 실제 발전소 운전 데이터를 취득하는 단계, 운전 데이터 분석을 통한 열전달 모델 파라미터 값을 계산하는 단계, 모델 시뮬레이션 값과 실제 운전 데이터를 비교하는 단계, 파라미터까지 구해진 모델 기반으로 과열기 온도 제어 로직을 구현하는 단계, 제어기 PID 파라미터를 튜닝하는 단계, 제어기 수동 절체 후 피드 포워드 보상기를 테스트하는 단계 및 과열기 로직의 성능을 검증하는 단계를 포함한다.
상기 목적을 달성하기 위한 구체적인 사항들은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술된 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 서로 다른 다양한 형태로 구성될 수 있으며, 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 과열기 온도 제어 방법은 보일러의 과열기의 열전달 특성을 통해 도출한 모델 방정식을 통해 과열기 입구측의 증기 온도, 연료의 유량, 증기의 유량이 과열기 출구 온도 변화에 미치는 영향을 정확하게 분석하고, 실제 발전소에서 취득한 데이터를 통해 과열기의 열전달 특성과 최대한 일치하는 모델 파라미터를 도출할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 과열기 온도 제어 방법은 파라미터 식별을 통해 실제 발전소의 과열기 출구 증기 온도와 유사한 모델을 얻는 것이 가능하므로 이 모델 분석을 통해 과열기 출구 증기 온도 제어에서 연료 유량과 증기 유량이 온도 변화에 미치는 영향을 정확히 파악하여 제거할 수 있고 부하 변동에 따라 PID 제어기의 파라미터 값도 예측하므로 안정적으로 주증기 온도를 유지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 과열기 온도 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 과열기 온도 제어 방법에서 과열기의 수학적 모델을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 과열기 온도 제어 로직을 나타내는 블록도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 과열기 온도 제어 로직을 나타내는 블록도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 과열기 온도 제어 로직을 나타내는 블록도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 과열기 온도 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
도 1을 참조하면 본 발명의 일 실시 예에 따른 과열기 온도 제어 방법은 과열기의 열전달 모델을 구현하는 단계(S110), 부하별 실제 발전소 운전 데이터를 취득하는 단계(S120), 운전 데이터 분석을 통한 열전달 모델 파라미터 값을 계산하는 단계(S130), 모델 시뮬레이션 값과 실제 운전 데이터를 비교하는 단계(S140), 모델 시뮬레이션 값과 실제 운전 데이터의 오차를 미리 설정된 허용오차와 비교하는 단계(S150), 파라미터까지 구해진 모델 기반으로 과열기 온도 제어 로직을 구현하는 단계(S160), 제어기 PID 파라미터를 튜닝하는 단계(S170), 제어기 수동 절체 후 피드 포워드 보상기를 테스트하는 단계(S180), 피드포워드 보상기가 정상 동작하는지 판별하는 단계(S190), 과열기 로직의 성능을 검증하는 단계(S200) 및 과열기 로직의 상태가 정상 상태이고 과도 응답을 미리 설정된 허용치와 비교하는 단계(S210)를 포함한다.
단계 S110에서 열전달 식을 통해 과열기의 수학적 모델을 구현하면 아래의 수학식 1과 같다.
[수학식 1]
Figure 112011075953814-pat00001
수학식 1에서
Figure 112011075953814-pat00002
는 증기의 엔탈피,
Figure 112011075953814-pat00003
는 과열기 내 증기의 부피,
Figure 112011075953814-pat00004
는 증기의 비중,
Figure 112011075953814-pat00005
는 과열기 금속의 질량,
Figure 112011075953814-pat00006
는 등압에서의 비열,
Figure 112011075953814-pat00007
는 과열기 금속의 온도,
Figure 112011075953814-pat00008
는 과열기로 유입되는 열량,
Figure 112011075953814-pat00009
는 과열기 입구 증기의 유량,
Figure 112011075953814-pat00010
는 과열기 입구 측의 증기온도,
Figure 112011075953814-pat00011
는 과열기 출구 측의 증기온도이다.
기존 연구 결과를 참조하면, 정상 상태에서 과열기 금속의 온도 분포는 스팀의 온도와 일치하고, 증기의 비중은 실질적으로 상수값으로 추정할 수 있다. 이에 따라 수학식 1에서
Figure 112011075953814-pat00012
는
Figure 112011075953814-pat00013
로 나타낼 수 있다.
상술된 수학식 1을 다시 정리하면, 아래의 수학식 2와 같다.
[수학식 2]
Figure 112011075953814-pat00014
그리고 수학식 2에서
Figure 112011075953814-pat00015
,
Figure 112011075953814-pat00016
,
Figure 112011075953814-pat00017
으로 정리할 수 있다. 또한, 연료 연소 특성에 의해 과열기로 유입되는 열량은 아래의 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112011075953814-pat00018
수학식 3에서
Figure 112011075953814-pat00019
는 연소시 배출 열량/고위 발열량이고,
Figure 112011075953814-pat00020
는 연료의 유량이다. 이러한 수학식 3을 이용하여 수학식 2를 다시 나타내면 아래의 수학식 4와 같이 정리할 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112011075953814-pat00021
그리고 수학식 4를 반영하여 과열기의 수학적 모델을 도면으로 나타내보면 도 2와 같이 나타낼 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 과열기 온도 제어 방법에서 과열기의 수학적 모델을 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면 보일러의 과열기는 온도, 유량 및 연료를 입력받아 수학식 4를 통해 얻어진 온도를 출력한다.
단계 S120에서는 실제 발전소의 운전 데이터를 취득한다. 그리고 단계 S130에서는 취득한 운전 데이터를 통해 수학식 4 및 도 2에 도시된 파라미터
Figure 112011075953814-pat00022
,
Figure 112011075953814-pat00023
,
Figure 112011075953814-pat00024
,
Figure 112011075953814-pat00025
를 구한다. 여기서 과열기의 정상 상태에서 과열기 출구측 증기 온도 변화율
Figure 112011075953814-pat00026
이므로 각 부하별 발전소 운전 데이터를 통해 유전 알고리즘(genetic algorithm)과 같은 파라미터 식별 방법을 사용하여 실제 발전소 운전 데이터에 가장 근접하는 파라미터
Figure 112011075953814-pat00027
,
Figure 112011075953814-pat00028
,
Figure 112011075953814-pat00029
,
Figure 112011075953814-pat00030
를 찾는다. 여기서 유전 알고리즘은 이미 널리 공지된 기술이므로 상세한 설명을 생략한다.
수학식 4를 연료 유량 변화
Figure 112011075953814-pat00031
, 주증기 유량
Figure 112011075953814-pat00032
, 과열기 입구측 증기온도
Figure 112011075953814-pat00033
변화에 대한 과열기 출구측 증기 온도 변화
Figure 112011075953814-pat00034
로 나타내면 아래의 수학식 5와 같다.
[수학식 5]
Figure 112011075953814-pat00035
수학식 5에서
Figure 112011075953814-pat00036
는 연료의 유량, 주증기 유량에 따른 주증기 온도변화를 나타낸 것이고,
Figure 112011075953814-pat00037
는 과열기 입구 측의 주증기 온도에 따른 출구의 주증기 온도 변화에 대해 나타내는 것이다.
여기서
Figure 112011075953814-pat00038
을 살펴보면 연료 유량 변화에 따른 온도 변화에 대한 이득은
Figure 112011075953814-pat00039
이고 유량 변화에 따른 온도 변화에 대한 이득은
Figure 112011075953814-pat00040
이다. 이 값들은 파라미터 식별 과정을 도출이 가능한 것이다. 이에 따라 연료 유량, 주증기 유량의 변화에 따른 과열기 출구 증기의 영향을 파악할 수 있으므로 과열기 출구 증기 온도에 대한 영향을 보상할 수 있다.
그리고 수학식 4를 살펴보면 과열기 입구측의 증기 온도 변화와 주증기 유량이 과열기 출구 증기 온도 변화에 함께 영향을 주고 있다. 이는 주증기 온도 제어를 위해서는 부하 변화에 따라 PID 제어기의 파라미터도 함께 바뀌어야하는 것을 의미하고 부하별 정확한 PID 파라미터 값 선정을 할 수 있도록 돕는다. 이때, 부하가 증가할수록 PID 제어기의 이득은 점차 감소할 수 있다.
단계 S140에서는 모델 시뮬레이션 값과 실제 운전데이터를 비교한다. 여기서 모델 시뮬레이션 값은 단계 S130을 통해 구할 수 있다. 그리고 실제 운전데이터는 단계 S120에서 취득할 수 있다.
단계 S150에서는 비교 결과 모델 시뮬레이션 값과 실제 운전데이터의 오차가 미리 설정된 허용오차와 비교하여 허용 오차를 초과하는지 판별한다. 만약 차이가 허용오차보다 크면 단계 S130으로 돌아가 모델 파라미터 값을 다시 계산한다.
단계 S160에서는 파라미터가 구해진 모델을 기반으로 과열기 온도 제어 로직을 구현한다. 여기서 과열기 온도 제어 로직은 과열기의 수학적 모델과 파라미터 식별을 통해 외란의 정확한 특성을 파악하여 피드포워드 이득을 통해 보상할 수 있다. 이러한 과열기 온도 제어 로직은 도 3과 같이 나타낼 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 과열기 온도 제어 로직을 나타내는 블록도이다.
도 3을 참조하면 과열기 온도 제어 로직은 연료와 주증기 유량 변화가 과열기 출구의 증기 온도 변화에 미치는 영향을 수학적으로 도출 가능하므로 외란을 미리 예측하여 마스터 제어기 출력에 보상 입력을 더함으로써 부하 변동과 연료량 변동 시에도 주증기 온도의 흔들림 없이 안정적으로 과열기의 온도를 제어할 수 있다.
다음 단계 S170에서는 과열기 온도를 제어하는 PID 제어기의 PID 파라미터를 튜닝한다. 그리고 단계 S180에서는 PID 제어기의 수동 절체 후 피드포워드를 보상하는 보상기를 테스트한다. 여기서 피드포워드 보상은 도 3에 도시된 바와 같이 연료 유량 변화에 따른 온도 변화에 대한 이득
Figure 112011075953814-pat00041
과 유량 변화에 따른 온도 변화에 대한 이득
Figure 112011075953814-pat00042
을
단계 S190에서는 보상기가 정상 동작하는지 판별한다. 여기서 보상기가 정상 동작하지 않으면 단계 S180으로 이동하여 보상기를 다시 테스트한다. 만약 정상 동작하면 단계 S200으로 이동한다.
단계 S200에서는 과열기 온도 제어 로직 성능을 검증한다. 그리고 과열기 온도 제어 로직의 성능 점검을 위해 단계 S210에서는 과열기가 정상상태에서 과도 응답이 미리 설정된 허용치 미만인지 비교한다. 비교결과 만약 허용치 이상일 경우 단계 S170으로 되돌아가 과열기 온도를 제어하는 PID 제어기의 PID 파라미터를 재튜닝한다. 그리고 비교결과 허용치 미만일 경우 과열기 온도 제어를 종료한다.
한편, 이하에서는 도 4를 참조하여 본 발명의 다른 실시 예에 따른 과열기 온도 제어 로직을 살펴본다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 과열기 온도 제어 로직을 나타내는 블록도이다.
도 4는 모델 파라미터 추정을 통한 PID 적응 동조기를 설치한 예시를 나타낸다. 그리고 도 4에서는 부하 변동에 따른 PID 파라미터 적응 동조기가 설치된 과열기 온도 제어 로직을 보여주고 있다. 상술된 수학식 5의
Figure 112011075953814-pat00043
는 과열기 입구 측의 주증기 온도에 따라 과열기 출구 측의 주증기 온도 변화를 나타낸 식이지만 이는 입구측 증기 온도뿐만 아니라 증기의 유량에도 영향을 받음을 알 수 있다. 따라서, 부하가 변함에 따라 PID 파라미터도 함께 변화해야 한다. 여기서 수학적 모델을 통하여 입력에 대한 출력의 이득을 예측할 수 있으므로 적절한 파라미터 튜닝이 가능하다.
이하에서는 도 5를 참조하여 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 과열기 온도 제어 로직을 살펴본다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 과열기 온도 제어 로직을 나타내는 블록도이다.
도 5는 주증기 배출을 고려한 과열기 온도 제어 로직을 나타내는다. 그리고 도 5에서는 일부 증기가 터빈 입구가 아닌 급수의 가열, 노 내 석탄 회의 제거 등의 용도로 다른 계통으로 유출되었을 때의 영향도 반영한 과열기 온도 제어 로직을 나타내고 있다. 이와 같은 과열기 온도 제어 로직은 증기의 유량 변동도 반영함으로써 실제 운전 데이터와 모델 출력 값을 유사하게 할 수 있다. 또한, 공정의 출력을 정확하게 예측 가능하므로 보다 안정적이 주증기 온도 제어가 가능하다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 과열기 온도 제어 방법은 보일러의 과열기의 열전달 특성을 통해 도출한 모델 방정식을 통해 과열기 입구측의 증기 온도, 연료의 유량, 증기의 유량이 과열기 출구 온도 변화에 미치는 영향을 정확하게 분석하고, 실제 발전소에서 취득한 데이터를 통해 과열기의 열전달 특성과 최대한 일치하는 모델 파라미터를 도출할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 과열기 온도 제어 방법은 파라미터 식별을 통해 실제 발전소의 과열기 출구 증기 온도와 유사한 모델을 얻는 것이 가능하므로 이 모델 분석을 통해 과열기 출구 증기 온도 제어에서 연료 유량과 증기 유량이 온도 변화에 미치는 영향을 정확히 파악하여 제거할 수 있고 부하 변동에 따라 PID 제어기의 파라미터 값도 예측하므로 안정적으로 주증기 온도를 유지할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (5)

  1. 모델 파라미터 추정을 통한 화력발전소 보일러 과열기의 온도를 제어하는 방법에 있어서,
    하기 수학식 4의 과열기의 열전달 모델을 구현하는 단계
    -[수학식 4]
    Figure 112017038936506-pat00066
    ,
    여기서,
    Figure 112017038936506-pat00067
    는 과열기 출구 측의 증기온도,
    Figure 112017038936506-pat00068
    (
    Figure 112017038936506-pat00069
    는 증기의 비중이고
    Figure 112017038936506-pat00070
    는 과열기 내 증기의 부피임),
    Figure 112017038936506-pat00071
    는 연료의 유량,
    Figure 112017038936506-pat00072
    는 과열기 입구 측의 증기온도,
    Figure 112017038936506-pat00073
    는 연소시 배출 열량, 는 등압에서의 비열,
    Figure 112017038936506-pat00075
    (
    Figure 112017038936506-pat00076
    는 미리 설정된 제1 상수),
    Figure 112017038936506-pat00077
    (
    Figure 112017038936506-pat00078
    는 미리 설정된 제2 상수)임-;
    부하별 실제 발전소 운전 데이터를 취득하는 단계;
    운전 데이터 분석을 통한 상기 수학식 4의 열전달 모델 파라미터 값
    Figure 112017038936506-pat00079
    ,
    Figure 112017038936506-pat00080
    ,
    Figure 112017038936506-pat00081
    및
    Figure 112017038936506-pat00082
    을 계산하는 단계;
    모델 시뮬레이션 값과 실제 운전 데이터를 비교하는 단계;
    상기 모델 시뮬레이션 값과 실제 운전 데이터의 오차를 미리 설정된 허용 오차와 비교하는 단계;
    파라미터까지 구해진 모델 기반으로 과열기 온도 제어 로직을 구현하는 단계;
    제어기 PID 파라미터를 튜닝하는 단계;
    제어기 수동 절체 후 피드 포워드 보상기를 테스트하는 단계; 및
    과열기 로직의 성능을 검증하는 단계를 포함하는 과열기 온도 제어 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제어기 수동 절체 후 피드 포워드 보상기를 테스트하는 단계 이후,
    상기 피드 포워드 보상기가 정상 동작하는지 판별하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 과열기 온도 제어 방법.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 과열기 로직의 성능을 검증하는 단계 이후,
    상기 과열기가 정상 상태에서 과도 응답을 미리 설정된 허용치와 비교하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 과열기 온도 제어 방법.
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