KR101866651B1 - 석탄가스화 복합발전 설비용 제어 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명에서는 여러 공정으로 구성된 석탄가스화 복합발전 설비에 있어서, 각각의 독립된 제어설비 통합 운영하기 위한 최상위 제어 시스템이다.
일 예로, 석탄가스화 복합발전용 제어 시스템에 있어서, 제어 시스템을 구성하는 제어부는 석탄을 부분 연소하여 합성가스를 생성하는 가스화기의 합성 가스 유량을 제어하는 가스화기 마스터; 가스터빈의 출력을 선행신호로하고, 발전기 출력 편차를 제어 가스터빈 마스터; 및 공기에서 분리된 산소를 상기 가스화기에 공급하는 산소공급설비에서의 산소 유량을 제어하는 산소 공급 설비 마스터를 포함하는 제어 시스템이 개시된다.

Description

석탄가스화 복합발전 설비용 제어 시스템{Control System for Integrated Gasification Combined Cycle Facility}
본 발명은 산소공급설비, 가스화기, 복합발전 등 여러 공정으로 구성된 석탄가스화 복합발전 설비에 있어서, 공정들 간의 적절한 연계를 위해 각각의 독립된 제어설비를 통합 운영하기 위한 최상위 제어시스템에 관한 것이다.
석탄가스화 복합발전(Integrated Gasification Combined Cycle, IGCC)는 석탄 가스화로 합성가스를 만들어 이를 통해 발전을 하는 것을 의미한다. 이를 위해, 석탄가스화 복합발전 설비는 석탄을 부분 연소하여 생산된 합성가스를 복합발전 플랜트에 공급하는 가스화기, 공기에서 분리한 산소를 가스화기에 공급하는 산소공급설비, 합성가스 또는 액화 천연가스를 팽창시켜 전기를 생산하는 가스터빈, 가스터빈의 배기를 활용하여 배열회수보일러(HRSG)에서 생산된 증기로 2번째 전기를 생산하는 증기터빈이 조합된 복합발전 플랜트로 구성되어 있다.
따라서, 석탄가스화 복합발전에는 보일러와 증기터빈이 연계하여 운전되는 석탄화력 제어방식을 그대로 사용할 수 없고, 석탄가스화 기술과 복합발전기술을 통합하여 제어하는 최상위 레벨의 제어시스템 개발이 요구된다.
본 발명은 여러 공정으로 구성된 석탄가스화 복합발전 설비에 있어서, 공정들 간의 적절한 연계를 위해 각각의 독립된 제어설비를 통합 운영하기 위한 최상위 제어시스템을 제공한다.
본 발명에 따른 석탄가스화 복합발전 설비용 제어 시스템은 제어 시스템을 구성하는 제어부는 석탄을 부분 연소하여 합성가스를 생성하는 가스화기의 합성 가스 유량을 제어하는 가스화기 마스터; 가스터빈 출력 요구량과 측정값의 편차와 가스화기 압력 설정값과 측정값의 편차를 제어하기 위해 가스터빈 유량을 제어하는 가스터빈 마스터; 및 공기에서 분리된 산소를 상기 가스화기에 공급하는 산소공급설비에서의 산소 유량을 제어하는 산소 공급 설비 마스터를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제어부는 상기 가스화기 마스터가 수동이고, 상기 가스터빈 마스터가 자동일 때, 가스화기 선행모드로 운전될 수 있다.
그리고 상기 가스화기 선행모드는 목표 부하에 따라 가스화기 처리량이 결정되고, 가스터빈은 합성가스 생산량에 따라 가스화기 압력을 설정값으로 제어하는 모드일 수 있다.
또한, 상기 가스화기 선행모드는 상기 가스터빈의 부하가 상기 가스화기의 부하에 종속되어 운전되고, 합성가스 압력제어기에 의해 상기 가스터빈의 합성 가스 유량을 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 가스화기 마스터는 자동, 상기 가스터빈 마스터가 수동일 때, 가스터빈 선행모드로 운전될 수 있다.
또한, 상기 가스터빈 선행모드는 목표부하 설정을 위해 상기 합성가스의 유량을 제어하고, 상기 가스화기는 요구 유량을 만족하기 위해 상기 가스화기의 압력을 설정값으로 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 가스화기 마스터 및 가스터빈 마스터가 모두 자동일 때 협조제어 모드로 운전될 수 있다.
또한, 목표 부하 지령이 상기 가스터빈 마스터 및 가스화기 마스터를 모두 제어할 수 있다.
또한, 상기 가스화기 마스터는 상기 가스터빈의 출력을 선행신호로 하여 상기 가스화기의 압력 편차를 주로 제어하고, 발전기의 출력 편차를 보조적으로 제어할 수 있다.
또한, 상기 가스터빈 마스터는 상기 가스터빈의 출력을 선행신호로 하여, 발전기 출력 편차를 주로 제어하고, 상기 가스화기의 압력 편차를 보조적으로 제어할 수 있다.
본 발명에 의한 석탄가스화 복합발전 설비용 제어 시스템은 제어부를 가스화기 마스터, 가스터빈 마스터 및 산소공급설비 마스터를 포함하도록 구성하되, 발전소의 안정 운전, 빠른 부하 추종성과 같은 목적에 따라 가스화기 선행모드, 가스터빈 선행모드 및 협조 제어 모드의 운전 모드를 구동할 수 있도록 하여, 통합적인 제어가 가능하도록 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 석탄가스화 복합발전용 제어 시스템의 대략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 석탄가스화 복합발전용 제어 시스템의 흐름을 도시한 플로우차트이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 석탄가스화 복합발전용 제어 시스템의 운전 모드 선택 로직을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 석탄가스화 복합발전용 제어 시스템에서 가스화기 마스터의 로직을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 석탄가스화 복합발전용 제어 시스템에서 가스터빈 마스터의 로직을 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 석탄가스화 복합발전용 제어 시스템에서 산소공급설비 마스터의 로직을 도시한 것이다.
본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 석탄가스화 복합발전용 제어 시스템의 대략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 제어 시스템은 제어부(100)를 포함하여 구성될 수 있으며, 상기 제어부(100)는 가스화기 마스터(110), 가스터빈 마스터(120), 산소공급설비 마스터(130)를 포함할 수 있다.
상기 가스화기 마스터(110)는 석탄가스화 복합 발전 설비에서 석탄을 이용하여 합성 가스를 생산하기 위한 가스화기를 제어한다. 상기 가스화기 마스터(110)는 상기 가스화기에 대해 제어 신호를 인가하여, 목표 부하에 따라 상기 가스화기에서 생산되는 합성 가스의 처리량을 제어할 수 있다. 또한, 상기 가스화기 마스터(110)는 협조제어모드에서 가스터빈의 출력을 선행신호로 하여 가스화기의 압력 편차를 제어할 수 있다.
상기 가스터빈 마스터(120)는 석탄가스화 복합 발전 설비에서 상기 합성 가스를 통해 발전을 수행하는 가스터빈 입구 유량을 제어한다. 이를 위해, 상기 가스터빈 마스터(120)는 협조제어모드에서 상기 가스터빈의 출력을 선행신호로 하고, 발전기 출력 편차를 제어한다.
상기 산소공급설비 마스터(130)는 상기 가스화기에서 요구되는 요구량에 따라, 공기에서 산소를 분리하여 상기 가스화기에 공급하는 산소 유량을 제어한다. 상기 산소공급설비 마스터(130)에 따라, 상기 가스화기에 공급되는 산소 유량이 제어된다.
상기 제어부(100)는 상기 가스화기 마스터(110), 가스터빈 마스터(120) 및 산소공급설비 마스터(130)의 동작 상태에 따라 후술할 가스화기 선행모드, 가스터빈 선행모드 및 협조제어 모드 중 하나를 선택하여 구동될 수 있다. 또한, 상기 제어부(100)의 제어 목적에 따라 상기 모드를 제어함으로써, 상기 가스화기, 가스터빈, 증기터빈, 산소공급설비 등 여러 공정으로 구분되어 있는 석탄가스화 복합발전 설비에서 통합적인 제어가 가능하게 된다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 석탄가스화 복합발전용 제어 시스템의 흐름을 도시한 플로우차트이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 석탄가스화 복합발전용 제어 시스템은 제어부(100) 내부에서 먼저 가스화기 마스터(110)가 수동인지 여부를 확인한다(S1). 만약, 상기 가스화기 마스터(110)가 수동이라면(YES), 상기 제어부(100)는 가스터빈 마스터(120)가 자동인지 여부를 확인한다(S2). 또한, 상기 가스터빈 마스터(120)가 자동인 경우(YES), 상기 제어부(100)는 가스화기 선행모드로 진입한다(S3).
정리하면, 상기 가스화기 선행모드(S3)는 상기 가스화기 마스터(110)는 수동, 가스터빈 마스터(120)는 자동일 때 선택된다. 상기 가스화기 선행모드(S3)는 목표 부하에 따라 가스화기 처리량이 결정되고, 가스터빈은 합성가스 생산량에 따라 가스화기 압력을 제어하기 위해 운전하는 모드이다.
여기서, 가스터빈 부하는 가스화기 부하에 종속되어 운전되며, 합성가스 압력 제어기에 의해 가스터빈 연료제어밸브를 제어한다. 즉, 합성가스 압력제어기는 설정값과 측정값의 편차를 고려하여 가스터빈의 합성가스 유량을 제어한다. 그리고 가스터빈의 연료밸브의 응답은 수초 이내로 매우 빠른 반면, 가스화기의 응답은 4~10분으로 상대적으로 느리다. 따라서 응답이 빠른 가스터빈 유량제어밸브가 합성가스 압력을 제어하여 일정하게 유지하지만, 발전기의 출력은 조금 변동하게 된다.
일반적으로 초기 기동시에 상기 가스화기 선행 모드(S3)로 운전하며, 합성가스 압력이 일정기준에 미달되면 가스터빈이 트립되기 때문에, 부하 증가 시 일정압력 미만이면, 상기 가스화기 선행 모드(S3)로 전환하여 안정적인 운전을 도모할 수 있다. 상기 가스화기 선행 모드(S3)의 운전시 가스화기 마스터(110)는 목표부하 설정을 위해 수동으로 제어하며 가스터빈 마스터(120)는 합성가스 압력 설정값과 측정값 편차를 PI(Proportional Integral) 제어하고, 상기 산소공급설비 마스터(130)는 가스화기의 요구에 따라 동작한다.
한편, 상기 가스화기 마스터(110)가 자동인 경우(S1에서 NO), 상기 가스터빈 마스터(120)가 수동인지 여부를 확인한다(S4). 또한, 상기 가스터빈 마스터(120)가 수동인 경우, 가스터빈 선행모드에 진입한다(S5).
즉, 상기 가스터빈 선행모드(S5)는 가스화기 마스터(110)는 자동, 가스터빈 마스터(120)는 수동일 때 선택된다. 상기 가스터빈 선행모드(S5)에서 목표부하 설정을 위해 가스터빈 유량제어밸브로 합성가스 유량을 제어하고, 가스화기는 가스화기 압력 목표값과 측정값의 편차를 PI 제어한다. 응답이 빠른 가스터빈 유량제어밸브로 발전기 출력을 제어하기 때문에 출력을 일정하게 유지하고 부하응동이 빨라 출력 목표값에 빨리 도달할 수 있다. 그러나 가스화기 부하가 가스터빈 부하를 따라가지 못하면 가스화기 압력은 변동하게 된다. 상기 가스터빈 선행모드(S5)는 부하응동이 빨라 일정 합성가스 압력범위 내에서 가스화기가 가스터빈 부하를 따르게 되므로 정상운전중 사용할 수 있다. 상기 가스터빈 선행모드(S5)의 운전시 상기 가스터빈 마스터(120)는 목표부하 설정을 위해 수동으로 제어하고 상기 가스화기 마스터(110)는 합성가스 압력 설정값과 측정값 편차를 PI 제어하며, 상기 산소공급설비 마스터(130)는 가스화기 요구에 따라 동작한다.
한편, 상기 가스터빈 마스터(120)가 수동이 아닌 자동인 경우(S4에서 NO), 상기 제어부(100)는 협조 제어 모드로 진입하게 된다(S6).
즉, 상기 협조 제어 모드(S6)는 가스화기 마스터(110) 및 가스터빈 마스터(120) 둘 다 자동일 때 선택되는 모드이다. 상기 협조 제어 모드(S6)에서 목표 부하 지령은 가스터빈 마스터(110) 및 가스화기 마스터(120)를 둘 다 제어한다. 가스화기 마스터(110)는 가스터빈 출력을 선행신호로 하여 가스화기 압력 편차를 주로 제어하며, 발전기 출력 편차를 보조적으로 제어한다. 가스터빈 마스터(120)는 가스터빈 출력을 선행신호로 하고, 발전기 출력 편차를 주로 제어하며 보조적으로 가스화기 압력 편차를 제어한다. 따라서 협조제어 모드는 빠른 부하 추종성과 안정된 가스화기 압력 운전 모두를 도모할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 석탄가스화 복합발전용 제어 시스템의 운전 모드 선택 로직을 도시한 것이다.
앞서 설명한 도 2의 플로우차트와 더불어, 도 3을 참조하면, 상기 제어부(100)에서 운전 모드의 선택은 다음과 같이 정리될 수 있다.
먼저, 상기 가스터빈 선행모드(S5)는 다음 3개의 조건(1) 중 어느 하나라도 만족되면 선택된다.
① 가스화기 마스터 자동, ASU 마스터 자동, GT 마스터 수동
② 가스화기 마스터 자동, GT 마스터 자동 및 가스터빈 선행모드 푸시버튼 선택
③ 가스화기 마스터 자동, GT 부하 감발 또는 GT 트립
또한, 다음 3개의 조건(2) 중 어느 하나라도 만족되면 상기 가스터빈 선행모드(S5)는 해제된다.
① GT 마스터 수동, 가스화기 마스터 수동
② 가스화기 선행모드 선택
③ 협조제어 모드 선택
또한, 상기 가스화기 선행모드(S3)는 다음 3개의 조건(3) 중 어느 하나라도 만족되면 선택된다.
① 가스화기 마스터 수동, GT 마스터 자동, ASU 마스터 자동
② 가스화기 마스터 자동, GT 마스터 자동 및 가스화기 선행모드 푸시버튼 선택
③ GT 마스터 자동, 가스화기 부하 감발 또는 가스화기 트립
또한, 다음 3개의 조건(4) 중 어느 하나라도 만족되면 상기 가스화기 선행모드(S3)는 해제된다.
① GT 마스터 수동, 가스화기 마스터 수동
② 가스터빈 선행모드 선택
③ 협조제어 모드 선택
또한, 상기 협조제어 모드(S6)는 다음 2개의 조건(5) 중 어느 하나라도 만족되면 선택된다.
① 가스화기 마스터 자동, GT 마스터 자동, 산소공급설비 마스터 자동
② 가스화기 마스터 자동, GT 마스터 자동 및 협조제어 모드 푸시버튼 선택
또한, 다음 2개의 조건(6) 중 어느 하나라도 만족되면 상기 협조제어 모드(S6)는 해제된다.
① GT 마스터 수동, 가스화기 마스터 수동
② 가스터빈 선행모드 선택
③ 가스화기 선행모드 선택
상기와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 석탄가스화 복합발전용 제어 시스템은 제어부(100)를 가스화기 마스터(110), 가스터빈 마스터(120) 및 산소공급설비 마스터(130)를 포함하도록 구성하되, 발전소의 안정 운전, 빠른 부하 추종성과 같은 목적에 따라 가스화기 선행모드(S3), 가스터빈 선행모드(S5) 및 협조 제어 모드(S6)의 운전 모드를 구동할 수 있도록 하여, 통합적인 제어가 가능하도록 할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 석탄가스화 복합발전용 제어 시스템에서 가스화기 마스터의 로직을 도시한 것이다.
도 4를 참조하면, 가스화기 마스터(110)의 로직에서 가스화기 선행 모드(1)에서는 부하지령을 위해 부하요구량을 운전원이 직접 설정하고, 가스터빈 선행 모드(3)에서는 가스화기 압력 설정값과 측정값의 편차를 제어하게 된다. 협조 제어 모드(5)에서는 가스터빈 출력 요구량을 선행신호(2)로 하고 가스화기 압력 설정값과 측정값의 편차 및 부하요구량 설정값과 측정값의 편차의 합을 PID제어 한다. 가스터빈 선행모드와 협조제어 모드의 선택은 전환 스위치(6)에서 이루어진다. 원격모드가 해제(8)되면 가스화기 유량을 0~120%로 선형화한 값을 추종하게 되며, 이 선형값은 가스화기 최소 요구량(9) 50%(112T/H) 보다 큰 값이 최종 가스화기 요구량이 된다. 이 가스화기 마스터 요구량(7)은 합성가스를 생성하기 위해 가스화기로 공급되는 산소공급량, 미분탄 유량을 제어하는 산소 제어밸브, 연료 제어밸브 등을 제어 한다. 가스화기 부하와 가스터빈 부하의 불일치로 인해 합성가스 압력이 크게 되면 발전기 출력 편차에 1보다 작은 값을 곱하고, 압력이 작으면 발전기 출력 편차에 1보다 큰 값(1)을 곱함으로써, 합성가스 압력에 따라 발전기 출력 편차를 보정하도록 한다. 가스화기 부하 급감발(Load Rejection)(4)시와 같은 비정상 상황에서는 가스화기 압력 편차 및 발전기 출력 편차를 0으로 하여 과도상태에서 과다한 편차 보정으로 인한 불안정을 초래 하지 않도록 하였다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 석탄가스화 복합발전용 제어 시스템에서 가스터빈 마스터의 로직을 도시한 것이다.
도 5를 참조하면, 상기 가스터빈 마스터(120)에서 부하지령을 위해 부하요구량을 운전원이 직접 설정하고 가스화기 선행 모드(3)에서는 가스화기 압력 설정값과 측정값의 편차를 제어하게 된다. 협조제어 모드(5)에서는 가스터빈 출력 요구량을 선행신호로(2) 하고 가스화기 압력 설정값과 측정값의 편차 및 부하요구량 설정값과 측정값의 편차의 합을 PID제어 한다. 가스화기 선행모드와 협조제어 모드의 선택은 전환 스위치(6)에서 이루어진다. 가스화기 부하와 가스터빈의 부하의 불일치로 인해 합성가스 압력이 크면 발전기 출력 편차에 1보다 큰 값을 곱하고 압력이 작으면 발전기 출력 편차에 1보다 작은 값(1)을 곱함으로써 합성가스 압력에 따라서 발전기 출력 편차를 보정하도록 하였다. 가스터빈 부하 급감발(Load Rejection)(4)시와 같은 비정상 상황에서는 가스화기 압력 편차 및 발전기 출력 편차를 0으로 하여 과도상태에서 과다한 편차 보정으로 인한 불안정을 초래 하지 않도록 하였다. 천연가스 모드(7)에서는 가스터빈 출력요구량이 설정값이 되며 원격모드가 해제(9)되면 가스터빈 출력을 추종하게 되고 이 값은 가스터빈 최고 부하 제한치보다 작은 값이 선택되고 최소 요구량(10) 10% 보다 큰 값이 최종 가스화기 요구량이 된다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 석탄가스화 복합발전용 제어 시스템에서 산소공급설비 마스터의 로직을 도시한 것이다.
도 6을 참조하면, 산소공급설비 마스터 로직으로 자동모드(1)에서는 가스화기 요구량을 ASU 요구량으로 선형화한 값이 설정값이 되며 원격모드가 해제(2)되면 산소 유량을 추종하게 되고 이 값은 산소 최소 요구량(3) 50%(46T/H)보다 큰 값이 최종 산소공급설비 요구량이 된다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 석탄가스화 복합발전을 위한 제어 시스템을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100; 제어부 110; 가스화기 마스터
120; 가스터빈 마스터 130; 산소공급설비 마스터

Claims (10)

  1. 석탄가스화 복합발전용 제어 시스템에 있어서,
    제어 시스템을 구성하는 제어부는
    석탄을 부분 연소하여 합성가스를 생성하는 가스화기의 합성 가스 유량을 제어하는 가스화기 마스터;
    가스터빈 출력 요구량과 측정값의 편차와 합성가스 압력 설정값과 측정값의 편차를 제어하기 위해 가스터빈 유량을 제어하는 가스터빈 마스터; 및
    공기에서 분리된 산소를 상기 가스화기에 공급하는 산소공급설비에서의 산소 유량을 제어하는 산소 공급 설비 마스터를 포함하고,
    초기 기동시 또는 합성가스의 압력이 기준값 미만일 때, 상기 가스화기 마스터가 목표 부하 설정을 위해 수동으로 제어되고, 상기 가스터빈 마스터는 합성가스 압력 설정값과 측정값의 편차를 PI 제어하기 위해 자동으로 제어되어, 가스화기 선행모드로 운전되는 제어 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스화기 선행모드는 목표 부하에 따라 가스화기 처리량이 결정되고, 가스터빈은 합성가스 생산량에 따라 가스화기 압력을 제어하는 모드인 제어 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스화기 선행모드는 상기 가스터빈의 부하가 상기 가스화기의 부하에 종속되어 운전되고, 합성가스 압력제어기에 의해 상기 가스터빈의 합성 가스 유량을 제어하는 제어 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 가스화기 마스터는 자동, 상기 가스터빈 마스터가 수동일 때, 가스터빈 선행모드로 운전되는 제어 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 가스터빈 선행모드는 목표부하 설정을 위해 상기 합성가스의 유량을 제어하고, 상기 가스화기는 요구 유량을 만족하기 위해 가스터빈 합성가스 유량제어밸브로 가스화기는 요구유량을 만족하기 위해 상기 가스화기의 압력을 제어하는 제어 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 가스화기 마스터 및 가스터빈 마스터가 모두 자동일 때 협조제어 모드로 운전되는 제어 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    목표 부하 지령이 상기 가스터빈 마스터 및 가스화기 마스터를 모두 제어하는 제어 시스템.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 가스화기 마스터는 상기 가스터빈의 출력을 선행신호로 하여 상기 가스화기의 압력 편차를 주로 제어하고, 발전기의 출력 편차를 보조적으로 제어하는 제어 시스템.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 가스터빈 마스터는 상기 가스터빈의 출력을 선행신호로 하여, 발전기 출력 편차를 주로 제어하고, 상기 가스화기의 압력 편차를 보조적으로 제어하는 제어 시스템.
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