KR20030090061A - 화력 발전소에서 터빈 속도 조정율을 위한 보일러 터빈 협조 제어 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주파수를 항상 60 Hz로 유지하기 위하여 전력망의 주파수 변화에 대하여 터빈 속도를 검출 비교하여 발전기 출력을 제어하기 위한 화력 발전소에서 자동제어 시스템으로서, 보통은 터빈 입구 측에 가버너 밸브(Governor Valve)를 설치하여 터빈 속도에 따라 열고 닫음으로써 발전기 출력을 제어하는 시스템이 있으나, 터빈 가버너 밸브를 열고 닫으면 보일러에 영향을 주기 때문에 보일러와 터빈이 협조(Boiler Turbine Coordination)하여 제어하지 아니하면 안 된다.

발전소에서 보일러 터빈 협조제어를 하기 위해서는 복잡한 여러 신호, 제어기, 조작기들이 필요하고, 이들을 통합할 유니트 마스터 제어 로직(Unit Master Control Logic)이 필요하다.

유니트 마스터 제어시스템을 분류하면 자동급전제어 시스템(ADS 또는 AGC)(도 3의 ①), Run Back 제어 시스템(도 3의 ②), 주파수 변화(터빈 속도 변화)에 대한 제어 시스템(도 3의 ③④), Load Rejection 제어 시스템(도 3의 ⑤), 보일러 마스터 제어기(도 3의 ⑥), 터빈 마스터 제어기(도 3의 ⑦)등이 있다.

발전소의 머리에 해당하는 유니트 마스터 제어 시스템이 얼마나 잘 설계되고 제어기를 얼마나 정밀히 조정하느냐에 따라서 발전소 전체 운전이 안정되고 비상상황(Run Back, Load Rejection)에서도 발전소 전체가 고장 정지 없이 운전될 수 있다.

특히 발전소가 5개의 자회사로 한전에서 분리된 상황에서 주파수 변화에 대하여 적절한 제어기 설계로 정격 주파수(60Hz)를 유지시키면 회사의 수익에도 아주 중요한 요소로 되어있고, 국가적으로는 전기품질향상에 따른 국가 경쟁력을 향상시킬 수 있다. 따라서 발전소 속도조정율 향상을 위한 유니트 마스터 제어로직을 창안 설계하였다.

** 참고로 속도조정율(Speed Regulation Rate)이란 주파수 변화량 즉 터빈 속도변화량에 대한 발전기의 출력 변화량을 퍼센트로 나타낸 것으로 써, 발전소에서 속도조정율 10%로 설정되어있으면, 우리나라의 계통주파수가 60Hz이기 때문에 주파수 변화량이 6Hz(+-3Hz)에 대하여 발전기 출력은 0%에서 100%까지 변화해야 한다는 뜻이다. **

Description

화력 발전소에서 터빈 속도 조정율을 위한 보일러 터빈 협조 제어 시스템{Boiler Turbine Coordination Control System for Turbine Speed Regulation Rate in the Thermal Power Plant}

기존에 나와 있는 주파수 조정 제어기로서는 터빈 밸브에 설치되어있는 기계식 가버너(Governer), 전기식 가버너, 전자식 가버너가 설치되어 있어서 주파수 변화에 대하여 어느 일정한 값으로 밸브를 열고 닫는 간단한 제어장치가 설치되어 있었고, 최근에 디지털 제어 시스템이 설치되면서 간단한 유니트 마스터 제어 시스템이 설치되어 있으나 설계적으로나 제어기 조정에 있어서 속도 조정율 5%를 만족하지 못하고 있다. 속도 조정율 5%로 설정한 가버너 시스템은 +-1.5 Hz 주파수 변화에 대하여 가버너 밸브를 닫고 열어서 발전기 출력이 0%에서 100%까지 변화하도록 한다는 의미이다. 예를 들면 발전기 정격출력이 500MW이고 속도 조정률을 5%로 설정한 발전소에서, 발전기 운전출력이 450MW 일때 터빈 가버너 밸브를 자동으로 운전할 경우, 계통 주파수가 60 Hz에서 60.15 Hz 증가하면 밸브를 자동으로 닫아서 출력이 450MW에서 425MW까지 감소해야하고, 반대로 발전기 출력이 450MW로 운전 중 주파수가 60 Hz에서 59.75 Hz 감소하면 가버너 밸브를 자동으로 열어서 출력이 450MW에서 475MW까지 증가해야한다. 그러나 상기의 경우는 이론적인 상황이고 실제로는 주파수 변화에 대하여 정확히 동작할 수 없다. 왜냐하면 제어기가 주파수 변화를 감지하여 출력신호로 계산하는데 시간이 걸리고, 밸브를 열거나 닫으라는 명령이 하달된다하여도 밸브의 응동 속도가 빠르지 못하고 밸브가 열리거나 닫히더라도 발전기 출력이 증가 감소하는 데는 어느 일정 시간지연이 필요하기 때문에 정확히 주파수 0.15 Hz 변화에 대하여 발전기 출력이 25MW 변화되지 않는다. 실제로 발전소에서 주파수를 X축으로 정하고 발전기 출력을 Y축으로 하여 XY 좌표를 그려보면 완전 일직선을 만들 수 없고 어떤 기둥 모양을 볼 수 있다. (도 1 참조)

따라서 속도 조정율을 기계식 또는 전기식 가버너 제어기에서 5%로 설정하였다 하드라도 실제 속도 조정율은 7~8%를 상회하고 있기 때문에 발전소 안정운전과, 발전소의 경영(수입)에 막대한 지장을 초래하고 있다. 기존의 유니트 마스터 제어시스템에는 보일러와 터빈을 협조제어하기 위하여 아주 간단한 제어 시스템으로 구성되어 있어서 속도조정율을 한전에서 요구하는 값으로 만족하기는 불가능하다. 또한 한전에서 속도조정율을 계산하는 방식은 순간적인 주파수 변화(0.05Hz 이상)에 대하여 10초후에 출력변화량 값을 가지고 속도조정율을 계산하는 순간 속도조정율을 적용하기 때문에 발전소에서는 한전에서 요구하는 속도조정율을 만족하기는 어려운 상황이다. 예를 들면 5%의 속도조정율을 만족하려면 실제 설정값은 3%로 해야하는데 속도조정율 3%는 주파수 변화 즉 터빈속도가 조금만 변해도 보일러 연료량과 공기량 급수량을 크게 변화시켜야되고, 터빈 가버너 밸브의 열고 닫음도 무척이나 커야하기 때문에 보일러 터빈에 기계적으로 심한 충격을 주어서 수명을 단축하고 고장을 일으킬 수가 있다.

1. 주파수 조정율 향상을 위한 제어 시스템

본 기술의 근본 목적인 주파수 조정률을 5% 이내로 맞추기 위하여 우선 유니트 마스터에서는 F(x)1을 이용하여 주파수 변화량(X축)이 1%에서 출력변화량(Y축)이 100MW이나 보일러 터빈의 응동속도가 느리기 때문에 150MW(발전소 운전상황에 따라서 100MW 또는 200MW로 조정이 가능)로 설정하였고, Ramp Rate 로직 Block을사이에 두고 F(x)1의 출력신호를 0.5배(발전소 특성에에 따라서는 0.7:0.3 또는 0.3:0.7로 배분할 수있음)하여 각각에 더하므로 전체적인 발전소 유니트 마스터 신호를 변화시켜 보일러 터빈을 제어 할 수 있도록 하였으며, 이와는 별도로 터빈 제어기에서는 속도 차 신호(Speed Error Signal)를 F(x)2에 의하여 한전에서 요구하는 속도조정율을 맞추기 위하여 발전소 특성에 맞도록 적당히 입력(X)과 출력(Y)을 만들어(X축에는 미세한 주파수 변화에 대하여 Y축에는 큰 값이 변화하도록 만듬) 곧바로 터빈 마스터 제어기의 설정값을 변경시키고, 또한 F(x)10(MW 변화에 대하여 가버너 밸브의 개도 %로 변환)에 의하여 터빈 마스터의 선행신호를 변경시켜 주파수 변화 즉 터빈 속도변화에 대하여 즉각적으로 터빈 가바나 제어 벨브(Gov. Control Valve)를 열고 닫는다.

여기서 특허로서 중요한 사항은 5%의 속도 조정율을 만족시키기 위하여 F(x)를 사용했는데 주파수가 아주 미세하게 변화할 때는 터빈 벨브를 적당히 조절하여 속도조정율을 크게 향상(터빈 속도 Error 즉 주파수 변화가 +-0.045Hz에서는 F(x)2의 출력값이 +-10MW를 변화시킴)시켜 한전요구 값을 만족시키지만, 아주 큰 주파수 변화(예를 들면 원자력 발전소 1기가 불시 고장정지 될 경우)에 대해서는 제한적으로 터빈 벨브를 조절(터빈 속도 Error 즉 주파수 변화가 +-0.6Hz(1%)에서는 F(x)2의 출력값이 +-15MW을 변화시킴)하여 보일러와 터빈에 큰 무리가 가지 않도록 구성했다는 것이다. (도 3의 ③④ 참조) (발명의 구성 항 2의 Table 1 F(x)1,2,10 값 참조)

2. AGC(Automatic Generator Control) 운전 제어 로직 (도 3의 ①)

이 제어 시스템은 국가 전체 전력계통을 자동으로 운영하기 위하여 만들어진 것으로 한전 본사 급전운영실에 컴퓨터가 설치되어 전체 전기 수요량과 공급량을 자동으로 맞추기 위한 자동제어 시스템이다. 예를 들면 전기 수요가 많으면, 전기 생산비가 가장 싼 발전소(원자력 발전소 또는 유연 화력 발전소)부터 AGC 신호를 증가시킨다. 즉 경제급전을 하기 위하여 만들어진 시스템이다.

각각의 발전소는 급전실의 컴퓨터 신호인 AGC 신호를 받아들여서 발전소에 적용할 것인가 아닌가는 발전소 운전원이 판단하여 AGC ON 이라는 신호를 선택하면 T1에서 AGC 신호가 선택되고, 발전소에 이상이 발생하여 자동운전이 불가하면 운전원이 AGC를 OFF하여 T2에서 운전원이 설정한 발전기 출력 값(Target Load by Operator)이 선택된다. T3에서는 발전소 보일러 터빈이 협조제어이면 T2값이 선정되고 혐조제어 상태가 아니면 발전기 출력이 선택된다. T4에서는 유니트 마스터신호와 실제 출력 값이 50MW 이상 높거나 낮으면 T3 신호를 무시하고 운전원이 설정한 출력 요구 값이 선택된다. T4를 통과한 신호가 결국은 유니트 마스터 신호가 된다.

3. Run Back 로직 (도 3의 ②)

이 제어시스템은 발전소에서 중요한 설비인 ID Fan, FD Fan, PA Fan, BFPT 두대 중에 하나가 고장 정지되었을 경우에 고장정지 없이 발전소 전체를 안정되게 운전하기 위하여 만들어진 제어 시스템으로 써, 상기 설비중 한 대라도 고정정지 신호를 받으면 출력 요구량은 T6에의하여 275 MW로 설정 선정되고, T8에서는 보일러 마스터 제어기 PID1의 기능을 정지시키기 위하여 0을 선택하며, Ramp Rate는 T7에서 500MW/Min가 선정되어 유니트 마스터 신호를 Ramp 함수로 감소시킨다. 예를 들면 500MW 운전중 ID-A Fan이 정지되면 분당 500MW로 신호를 감소하여 28.2초 후에는 275MW에 도달 고정되고 보일러 마스터는 F(x)8에 의하여 42.35%가 되고 터빈 마스터는 71%가 된다.

4. Load Rejection 로직 (도 3의 ⑤)

이 제어시스템은 발전기가 고장 정지되었을 경우에 보일러가 정지되면 다시 기동하는데 시간이 많이 소요되기 때문에 보일러를 정지시키지 않고 증기를 생산하므로 써 발전기 터빈의 고장 복구 후 곧바로 발전소를 정상화하기 위하여 만들어진 것으로, 터빈 정지라는 신호에 의하여 T9에서 보일러 마스터 신호를 43.5%로 고정하여 석탄량 공기량 급수량을 조절한다. 43.5%는 보일러 증기량이 850T/H 정도로서 HP LP Bypass 밸브를 열어서 보일러의 증기량을 터빈을 거치지 않고 곧바로 콘데서로 보낸다.

도 1은 속도조정율 X Y Plot

도 2는 유니트 마스터 제어를 위한 컴퓨터 H/W 구성도

<도 2의 주요부분에 대한 부호의 설명>

① : 아날로그 입력부 ② : 디지털 입력부

③ : 연산부 ④ : 아날로그 출력부

도 3은 유니트 마스터 제어를 위한 S/W 로직

<도 3의 주요부분에 대한 부호의 설명>

① : AGC 시스템 제어 로직 ② : Run Back 제어 시스템

③ : 속도 제어 시스템 ④ : 터빈을 위한 속도제어 시스템

⑤ : Load Rejection 제어 시스템 ⑥ : 보일러 마스터

⑦ : 터빈 마스터

1. 유니트 마스터 제어를 위한 H/W 구성

본 발명품은 도 2에서 보여준 것과 같이 컴퓨터 시스템인 연산 장치(도 2의 ③), 아나로그 입력 장치(도 2의 ①) 디지털 입력장치(도 2의 ②), 아날로그 출력 장치(도 2의 ④)가 있다. 현장으로부터 아날로그 신호인 발전기 출력, 보일러 주증기 압력(Throttle Pressure), 속도 신호와, 디지털 신호인 Run Back, Load Rejection 신호를 받아들여서, 연산 장치에서 여러 조건에 따라서 계산하고, 발전소 상황 변화에 따라서는 Soft Key에 의한 운전원 조작에 의하여 어떤 값을 입력하면(TargetLoad, Coordination Mode) 프로세싱을 하여 출력신호로써 보일러 마스터 및 터빈 마스터 신호를 만들고, 보일러 마스터에서는 연료량과 공기량 급수량을(도 2의 ④) Unit Master(급전 요구 발전기 출력) 요구조전에 맞도록 조절하고, 터빈 마스터에서도 입력신호에 따라서 연산하여 Governor Valve를 조절하는 신호를 만들어 내어 현장으로 아날로그 출력 신호(도 2의 ④)를 보낸다. (도 2 참조)

2. 유니트 마스터 제어를 위한 S/W

전체적인 유니트 마스터 제어시스템을 설명하면(도 3 참조), 한전 본사 급전 지령 실에서 보내는 AGC(Automatic Generator Control) 신호는 발전소 조건에 따라서 전환 로직인 T1~T4를 통과하고(도 3의 ①), 상 하한 값 제한 기능블럭(Function Block)을 통과한 후, Run Back 로직인(도 3의 ②) T6를 지나서 도 3의 ③에서 만들어진 속도 조정율 신호에 Ramp Rate 기능블럭을 사이에 두고 각각 Gain을 0.5배(경우에 따라서는 4:6 3:7 비율로 나눔)로 곱한 다음 각각에 더해져 Unit Master 신호를 만든다. 이 Unit Master 신호는 보일러 제어기와 터빈 제어기로 갈라지고, 보일러 안정화를 위한 지연함수 F(t)(보일러 시정수 값)와 F(x)3(출력에 따른 보일러 압력으로 환산)를 통과하여 발전기 출력 MW, 보일러 압력 (Throttle Press)과 비교하여 차이 값(Error)을 만들어 PID1 제어기로 입력하면 PID1 제어기가 비례 적분 계산하여 출력(Error 값을 비례 적분하기 때문에 아주 작은 값임)을 만들고 Unit Master 미분신호 d/dt와 합하여 T8(Run Back 조건)을 통과한 후 Unit Master 선행신호 F(x)8과 더해져서 보일러 마스터 신호를 만들고 T9(Load Rejection 조건)을 통과한 이 보일러 마스터 신호(도 3의 ⑥)는 급수량과 연료량 공기량을 조절하여AGC에서 보낸 발전기 출력에 맞는 보일러의 증기량을 조절 생산한다. 한편으로 Unit Master 신호는 F(t)(보일러 마스터에 적용한 지연시간보다는 짧게 설정)를 통과하여 발전기 출력 MW와 비교하여 차이값(Error)을 만들고 F(x)2에서 만들어진 속도조정율 신호와 합한 다음 F(x)6에서 적당히 조정한 출력신호를 만들고, F(x)3를 통과한 유니트 마스터 신호는 보일러 압력 Throttle Press와 비교하여 차이값(Error)을 F(x)7에서 적당히 조정한 출력신호를 만들어 F(x)6 출력신호와 합하여 PID2 제어기로 입력하면 PID2 제어기가 비례 적분 계산하여 출력신호을 만들고 F(x)9을 통과한 Unit Master 선행신호와 속도 조정율 개선 F(x)10 신호를 더하여 터빈 마스터 신호를 만들고 이 터빈 마스터 신호(도 3의 ⑦)는 터빈 Governor 밸브를 조절하여 AGC에서 요구한 값과 발전기 출력이 같도록 한다. 즉 보일러와 터빈이 협조하여 AGC 신호(한전 중앙급전 사령실 요구 출력)를 추종하도록 보일러의 급수량 연료량 공기량을 조절하고 터빈의 가버너 밸브를 조절한다. (Table 1 및 도 3 참조)

Table 1 : F(x) 적용 Data 값

구분	F(x)1	F(x)2	F(x)3	F(x)4	F(x)5	F(x)6	F(x)7	F(x)8	F(x)9	F(x)10
X1	-20	-0.6	150	-50	-30	-50	-15	0	150	-15
Y1	-150	-15	84	-50	-50	-50	-15	4	71	-2
X2	-1	-0.045	450	-5	0	0	-3	500	450	-7.5
Y2	0	-10	247	0	0	0	0	77	71	-1
X3	1	0.045	500	5	30	50	3	600	500	7.5
Y3	0	10	247	0	50	50	0	91	77	1
X4	20	0.6	650	50			15		650	15
Y4	150	15	255	50			15		94.5	2

* 상기 Data 값은 발전소에 따라서 다를 수 있음

발전소에서는 속도 조정율 값에 따라서 전력 판매 요금이 다르다. 따라서 한국표준형 500MW 석탄화력 발전소일 경우에는 속도 조정율을 5% 이내로 유지할 경우에는 상당한 요금 차이가 난다. 다음은 한국표준형 500MW 석탄화력 발전소의 경우로서 계통운영보조 서비스 운영지침과 요금 정산방식을 설명하였다.

가. 보조서비스 항목

1) Gov. Free : 5.0% = 가중치 1.0, 6.0% = 가중치 0.8

2) AGC 운전 : 가중치 +0.2

나. 보조서비스 정산단가

1) 주파수조정(GF) : 161.8원/MWh

2) AGC와 GF 같이 시행시 : 1.2가중 계산

다. 계산 예(송전출력 490MWh시, GF 5% 유지, AGC운전시)

1) 1시간 : 490 * 161.8 * 1.2 = 95,138원

2) 1일(24시간) : 490 * 161.8 *1.2 * 24 = 2,283,321원

3) 1달(720시간) : 490 * 161. 8 * 1.2 * 24 * 30 = 68,499,648원

4) 1년(8760시간) : 490 * 161.8 * 1.2 * 24 * 365 = 833,412,384원

라. 계산 예(송전출력 490MWh시, GF 6% 유지, AGC운전시)

1) 1년(8760시간) : 490 * 161.8 * 1.2 * 0.8 * 24 * 365 = 666,729,907 원

마. 속도조정율 5% 또는 6% 운전에 따른 년간 수익비교

보통 한국 표준 석탄화력 발전소에서는 5% 속도조정율을 맞추기 어렵기 때문에 6%로 설정하여 운전되고 있다.

6) 차이 (다 - 라) = 166,682,477 원

전국적으로 한국표준형 화력발전소는 현재 22개 발전기에 적용할 경우(속도조정율 향상에 따른 이익금액) = 3,667,014,494 원

또한 전 발전기가 속도조정율 5%로 운전된다면 우리나라의 정격주파수(60Hz) 유지율이 상당히 높아져서 전기품질향상에 따른 국가 경쟁력이 향상된다.

Claims (2)

1. 속도 조정율 향상을 위한 제어 로직 (도 3의 ③④)
2. 발전소 전체 유니트 마스터 제어 로직 (도 3 전체 로직)