KR20100096360A - 보일러-터빈 시스템 제어방법 및 장치 - Google Patents

보일러-터빈 시스템 제어방법 및 장치 Download PDF

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KR20100096360A
KR20100096360A KR1020090015200A KR20090015200A KR20100096360A KR 20100096360 A KR20100096360 A KR 20100096360A KR 1020090015200 A KR1020090015200 A KR 1020090015200A KR 20090015200 A KR20090015200 A KR 20090015200A KR 20100096360 A KR20100096360 A KR 20100096360A
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Abstract

본 발명의 일측면은, 보일러 -터빈 시스템의 제어대상에 대한 동적 방정식을 얻는 단계와, 상기 동적 방정식의 결과값을 퍼지 모델 비선형 제어기에 적용시키는 단계, 및 상기 퍼지 모델 비선형 제어기를 통해 상기 제어대상의 최적값을 출력하는 단계를 포함하는 보일러-터빈 시스템 제어방법을 제공할 수 있다.
Figure P1020090015200
비선형(non-linear), 퍼지(fuzzy)

Description

보일러-터빈 시스템 제어방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR CONTROLING BOILER-TURBINE SYSTEM}
본 발명은 보일러-터빈 시스템 제어방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 비선형 변수들을 제어함으로서 시스템의 안정도를 높일 수 있는 보일러-터빈 시스템 제어방법 및 장치에 관한 것이다.
도 1은, 일반적으로 사용되는 보일러-터빈 시스템의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 일반적인 구조의 보일러-터빈 시스템은, 보일러에서 연료를 공급받아 상기 연료를 연소시켜 증기를 형성하고, 상기 증기를 이용하여 터빈을 움직여 전기를 발생시킬 수 있다.
상기 보일러-터빈 시스템(100)은, 보일러(110) 및 터빈(120)을 포함할 수 있다.
상기 보일러(110)는 연료 주입구(111)로 주입된 연료를 버너(112)에서 연소시켜 버너 드럼(114) 내에 있는 물을 증발시킬 수 있다. 상기 버너 드럼(114)내에 서 증발된 증기는 스팀 드럼(115)에서 집결되고, 상기 스팀 드럼에 집결된 증기는 증기관(117)을 통해 터빈(120)으로 전달될 수 있다.
상기 보일러(110)가 과열되는 것을 방지하기 위해서, 상기 보일러에는 냉각장치가 연결될 수 있다. 상기 냉각장치는 냉각수를 이용한 수냉장치일 수 있다.
상기 보일러-터빈 시스템을 제어하기 위한 입력 파라미터로는, 상기 연료주입구에 형성되어 주입되는 연료의 양을 조절할 수 있는 연료 조절밸브(u1), 상기 터빈으로 전달되는 증기의 양을 조절하는 증기조절밸브(u2), 및 상기 냉각수의 양을 조절할 수 있는 냉각수 조절밸브(u3)가 있을 수 있다.
상기의 보일러-터빈 시스템은 연결관 내의 시간 지연, 내구성, 침식, 연료 열량의 변화, 드럼내의 불안정한 동특성 등과 같은 제약조건을 가지고 있다. 이러한 제약조건은 발전 계통 시스템의 오동작 및 불안정성을 야기하는 문제가 있다.
상기한 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명은 시스템의 안정도 보장을 위해 비선형 변수들을 제어할 수 있는 보일러-터빈 시스템 제어방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일측면은, 보일러-터빈 시스템의 제어대상에 대한 동적 방정식을 얻는 단계와, 상기 동적 방정식의 결과값을 퍼지 모델 비선형 제어기에 적용시키는 단계, 및 상기 퍼지 모델 비선형 제어기를 통해 상기 제어대상의 최적값을 출력하는 단계를 포함하는 보일러-터빈 시스템 제어방법을 제공할 수 있다.
상기 제어 대상은, 상기 보일러에서 출력되는 증기의 압력, 상기 터빈에서 출력되는 전력, 및 상기 보일러의 스팀 드럼 내에서의 증기 압력일 수 있다.
상기 동적 방정식은,
Figure 112009011291131-PAT00001
Figure 112009011291131-PAT00002
Figure 112009011291131-PAT00003
으로 표현되며, 여기서, A, B, C, D, E, F, G, H, I 및 J는 상수, u1은 상기 보일러로 입력되는 연료량을 조절하는 연료 밸브의 위치값, u2는 상기 보일러에서 발생되어 터빈으로 공급되는 증기량을 조절하는 증기 밸브의 위치값, u3는 상기 보일러를 냉각시키기 위한 냉각수의 양을 조절하는 냉각수 밸브의 위치값일 수 있다.
상기 퍼지 모델 비선형 제어기는,
Figure 112009011291131-PAT00004
,
Figure 112009011291131-PAT00005
및
Figure 112009011291131-PAT00006
,
Figure 112009011291131-PAT00007
으로 표현되며, M1 및 M2는 비선형 변수인
Figure 112009011291131-PAT00008
의 변위의 하한값 및 상한값, N1 및 N2는 상기
Figure 112009011291131-PAT00009
의 변위의 하한값 및 상한값을 나타낼 수 있다.
상기 제어대상의 최적값을 출력하는 단계에서 상기 최적값은,
Figure 112009011291131-PAT00010
Figure 112009011291131-PAT00011
Figure 112009011291131-PAT00012
Figure 112009011291131-PAT00013
으로 표현되며, 상기 z1(t) 및 z2(t)는 상기 퍼지 모델 비선형 제어기에서의 변수이고, A1, A2, A3, A4, 및 B1, B2, B3, B4는 상기 퍼지모델링을 위한 행렬일 수 있다.
본 발명의 다른 일측면은, 보일러-터빈 시스템에서 제어 대상에 대한 동적 방정식을 얻는 동적 방정식 생성부, 및 상기 동적 방정식의 결과값을 적용시켜 상기 제어 대상의 최적값을 출력하는 퍼지 모델 비선형 제어기를 포함하는 보일러-터빈 시스템 제어장치를 제공할 수 있다.
상기 동적 방정식은,
Figure 112009011291131-PAT00014
Figure 112009011291131-PAT00015
Figure 112009011291131-PAT00016
으로 표현되며, 여기서, A, B, C, D, E, F, G, H, I 및 J는 상수, u1은 상기 보일러로 입력되는 연료량을 조절하는 연료 밸브의 위치값, u2는 상기 보일러에서 발생되어 터빈으로 공급되는 증기량을 조절하는 증기 밸브의 위치값, u3는 상기 보일러를 냉각시키기 위한 냉각수의 양을 조절하는 냉각수 밸브의 위치값일 수 있다.
상기 퍼지 모델 비선형 제어기는,
Figure 112009011291131-PAT00017
,
Figure 112009011291131-PAT00018
및
Figure 112009011291131-PAT00019
,
Figure 112009011291131-PAT00020
으로 표현되며, M1 및 M2는 비선형 변수인
Figure 112009011291131-PAT00021
의 변위의 하한값 및 상한 값, N1 및 N2는 상기
Figure 112009011291131-PAT00022
의 변위의 하한값 및 상한값을 나타낼 수 있다.
상기 제어대상의 최적값은,
Figure 112009011291131-PAT00023
Figure 112009011291131-PAT00024
Figure 112009011291131-PAT00025
Figure 112009011291131-PAT00026
으로 표현되며, 상기 z1(t), 및 z2(t)는 상기 퍼지 모델 비선형 제어기에서의 변수이고, A1, A2, A3, A4, 및 B1, B2, B3, B4는 상기 퍼지모델링을 위한 행렬일 수 있다.
상기 제어 대상은, 상기 보일러에서 출력되는 증기의 압력, 상기 터빈에서 출력되는 전력, 및 상기 보일러의 스팀 드럼 내에서의 증기 압력일 수 있다.
본 발명에 따르면, 비선형 변수들을 제어하여 시스템의 안정도를 보장할 수 있는 보일러-터빈 시스템 제어장치를 얻을 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하겠다.
도 2는, 본 발명의 일실시 형태에 따른 보일러-터빈 시스템 제어방법의 순서도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시형태에 따른 보일러-터빈 시스템 제어방법은, 동적 방정식을 얻는 단계(201), 상기 동적 방정식의 결과값을 퍼지 모델 비선형 제어기에 적용시키는 단계(202) 및 상기 퍼지 모델 비선형 제어기를 통해 상기 제어대상의 최적값을 출력하는 단계(203)를 포함할 수 있다.
상기 동적 방정식을 얻는 단계(201)는, 보일러-터빈 시스템의 제어 대상에 대한 동적 방정식을 얻는 단계일 수 있다. 상기 도 1의 보일러-터빈 시스템을 참조하면, 본 실시형태에 따른 보일러-터빈 시스템에서 상기 제어 대상은, 상기 보일러에서 출력되는 증기의 압력, 상기 터빈에서 출력되는 전력, 및 상기 보일러의 증기 드럼 내에서의 증기 압력일 수 있다.
본 실시형태에서는, 상기 동적 방정식이 아래의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112009011291131-PAT00027
Figure 112009011291131-PAT00028
Figure 112009011291131-PAT00029
여기서, A, B, C, D, E, F, G, H, I 및 J는 상수, u1은 상기 보일러로 입력되는 연료량을 조절하는 연료 밸브의 위치값, u2는 상기 보일러에서 발생되어 터빈으로 공급되는 증기량을 조절하는 증기 밸브의 위치값, u3 는 상기 보일러를 냉각시키기 위한 냉각수의 량을 조절하는 냉각수 밸브의 위치값일 수 있다. 상기 x1, x2, 및 x3는 각각 상기 보일러에서 출력되는 증기의 압력, 상기 터빈에서 출력되는 전력, 및 상기 보일러의 스팀 드럼 내에서의 증기 압력을 나타내는 변수일 수 있다.
본 실시예에서, 상기 A 내지 J에 보일러-터빈 시스템을 구현하기 위한 적절한 상수를 대입하면, 상기 수학식 1은 아래의 수학식 2와 같이 쓸 수 있다.
Figure 112009011291131-PAT00030
Figure 112009011291131-PAT00031
Figure 112009011291131-PAT00032
상기 수학식 1 및 수학식 2 에서 비선형성을 지니고 있는 변수들은
Figure 112009011291131-PAT00033
과
Figure 112009011291131-PAT00034
이다. 여기서,
Figure 112009011291131-PAT00035
의 경우
Figure 112009011291131-PAT00036
과
Figure 112009011291131-PAT00037
사이의 비선형 관계이며,
Figure 112009011291131-PAT00038
의 경우
Figure 112009011291131-PAT00039
와
Figure 112009011291131-PAT00040
사이의 비선형 관계이다. 이러한 비선형성을 해결하기 위한 방안으로 퍼지 모델링을 수행할 수 있다.
상기 동적 방정식의 결과값을 퍼지 모델 비선형 제어기에 적용시키는 단계(202)에서는, 상기 동적 방정식에서의 비선형성을 해결하기 위해서 상기 동적 방정식의 결과값을 기설정된 퍼지 모델 비선형 제어기에 적용시킬 수 있다.
상기 퍼지 모델 비선형 제어기에서는 상기 비선형 변수인
Figure 112009011291131-PAT00041
및
Figure 112009011291131-PAT00042
에 대해 아래와 같은 변위를 갖게 할 수 있다.
Figure 112009011291131-PAT00043
,
Figure 112009011291131-PAT00044
여기서, 변위의 상한값 및 하한값은 실제 상태변수인 x1 의 변위에 의해 결정될 수 있다.
비선형 함수에 대해서 이러한 변위를 통해 퍼지 모델 비선형 제어기의 퍼지 소속 함수가 결정될 수 있다. 본 실시형태에 따른 퍼지 모델 비선형 제어기는, 아래 수학식 3과 같은 퍼지 소속 함수로 정의될 수 있다.
Figure 112009011291131-PAT00045
Figure 112009011291131-PAT00046
,
Figure 112009011291131-PAT00047
,
Figure 112009011291131-PAT00048
여기서, M1 및 M2는 비선형 변수인
Figure 112009011291131-PAT00049
의 변위의 하한값 및 상한값, N1 및 N2는 상기
Figure 112009011291131-PAT00050
의 변위의 하한값 및 상한값을 나타낸다.
상기 퍼지 모델 비선형 제어기를 통해 상기 제어대상의 최적값을 출력하는 단계(203)에서는, 상기 제어대상에 대한 최적값을 출력할 수 있다. 상기 제어대상의 최적값을 출력하는 단계에서 상기 최적값은, 아래 수학식 4로 표현될 수 있다.
Figure 112009011291131-PAT00051
Figure 112009011291131-PAT00052
Figure 112009011291131-PAT00053
Figure 112009011291131-PAT00054
여기서, z1(t), z2(t)는 상기 퍼지 모델 비선형 제어기에서의 변수이고, A1, A2, A3, A4, 및 B1, B2, B3, B4는 상기 퍼지모델링을 위한 행렬일 수있다. 본 단계에서는 상기 제어대상의 최적값을 then 이후의 퍼지 모델링된 결과식으로 표현할 수 있다.
본발명의 실시예에서, 상기 수학식 2의 동적 방정식을 상기 수학식 3의 퍼지 모델 비선형 제어기에 적용시키면, 상기 수학식 4와 같은 형태로 출력될 수 있으며, 이 때, 상기 A1, A2, A3, A4, 및 B1, B2, B3, B4는 아래와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112009011291131-PAT00055
Figure 112009011291131-PAT00056
Figure 112009011291131-PAT00057
Figure 112009011291131-PAT00058
이처럼, 본 실시형태에 따른 보일러-터빈 시스템의 제어방법은, 비선형성을 갖는 제어 대상에 대해서 퍼지 모델링함으로서 보일러-터빈 시스템의 안정을 도모할 수 있다.
도 3은, 본 발명의 다른 실시형태에 따른 보일러-터빈 시스템 제어장치의 구성도이다.
도 3에서, 보일러-터빈 시스템(301)은, 보일러 및 터빈으로 형성되며, 보일러에서 연료를 공급받아 상기 연료를 연소시켜 증기를 형성하고, 상기 증기를 이용하여 터빈을 움직여 전기를 발생시킬 수 있다.
상기 보일러는 연료 주입구(311)로 주입된 연료를 버너(312)에서 연소시켜 버너 드럼(314) 내에 있는 물을 증발시킬 수 있다. 상기 버너 드럼(314)내에서 증발된 증기는 스팀 드럼(315)에서 집결되고, 상기 스팀 드럼에 집결된 증기는 증기관을 통해 터빈으로 전달될 수 있다. 상기 보일러가 과열되는 것을 방지하기 위해서, 상기 보일러에는 냉각장치가 연결될 수 있다. 상기 냉각장치는 냉각수를 이용한 수냉장치일 수 있다.
상기 보일러-터빈 시스템을 제어하기 위한 입력 파라미터로는, 상기 연료주입구에 형성되어 주입되는 연료의 양을 조절할 수 있는 연료 조절밸브(u1), 상기 터빈으로 전달되는 증기의 양을 조절하는 증기조절밸브(u2), 및 상기 냉각수의 양을 조절할 수 있는 냉각수 조절밸브(u3)가 있을 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 실시형태에 따른 보일러-터빈 시스템 제어장치(300)는, 동적 방정식 생성부(330) 및 퍼지 모델 비선형 제어기(340)를 포함할 수 있다.
상기 동적 방정식 생성부(330)는, 보일러-터빈 시스템(301)에서 상기 보일러로 입력되는 연료량을 조절하는 연료 밸브의 위치값(u1), 상기 보일러에서 발생되어 터빈으로 공급되는 증기량을 조절하는 증기 밸브의 위치값(u2), 및 상기 보일러를 냉각시키기 위한 냉각수의 양을 조절하는 냉각수 밸브의 위치값(u3)을 입력으로 하고, 상기 보일러-터빈 시스템에서 제어하고자 하는 제어대상인 상기 보일러에서 출력되는 증기의 압력(x1), 상기 터빈에서 출력되는 전력(x2), 및 상기 보일러의 스팀 드럼 내에서의 증기 압력(x3)을 변수로 하여 상기 제어 대상에 대한 동적 방정식을 생성할 수 있다.
본 실시형태에서, 상기 동적 방정식 생성부(330)에서 생성된 동적 방정식은 상기 수학식 1과 동일할 수 있다.
상기 퍼지 모델 비선형 제어기(340)에서는, 상기 동적 방정식 생성부에서의 동적 방정식 결과값을 상기 퍼지모델 비선형 제어기에 적용시켜 제어대상에 대한 최적값을 퍼지 모델링된 결과식으로 출력할 수 있다. 즉, 상기 퍼지 모델 비선형 제어기(340)의 출력에 의해 상기 보일러-터빈 시스템의 제어대상인 상기 보일러에서 출력되는 증기의 압력(x1), 상기 터빈에서 출력되는 전력(x2), 및 상기 보일러의 스팀 드럼 내에서의 증기 압력(x3)을 제어할 수 있다.
본 실시형태에 따른 퍼지 모델 비선형 제어기는 상기 수학식 3으로 표현될 수 있다. 따라서, 본 실시형태에 따른 퍼지 모델 비선형 제어기에서 출력되는 제어대상에 대한 최적값은 상기 수학식 4로 표현될 수 있다.
본 실시형태에 따르면, 비선형성을 갖는 제어 대상에 대해서 퍼지 모델링함으로서 보일러-터빈 시스템을 안정적으로 제어할 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
도 1은, 일반적으로 사용되는 보일러-터빈 시스템의 구성도이다.
도 2는, 본 발명의 일실시형태에 따른 보일러-터빈 시스템 제어방법의 순서도이다.
도 3은, 본 발명의 다른 실시형태에 따른 보일러-터빈 시스템 제어장치의 구성도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호설명>
330 : 동적 방정식 생성부 340 : 퍼지 모델 비선형 제어기

Claims (10)

  1. 보일러 -터빈 시스템의 제어대상에 대한 동적 방정식을 얻는 단계;
    상기 동적 방정식의 결과값을 퍼지 모델 비선형 제어기에 적용시키는 단계; 및
    상기 퍼지 모델 비선형 제어기를 통해 상기 제어대상의 최적값을 출력하는 단계
    를 포함하는 보일러-터빈 시스템 제어방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어 대상은,
    상기 보일러에서 출력되는 증기의 압력, 상기 터빈에서 출력되는 전력, 및 상기 보일러의 스팀 드럼 내에서의 증기 압력
    인 것을 특징으로 하는 보일러-터빈 시스템 제어방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 동적 방정식은,
    Figure 112009011291131-PAT00059
    Figure 112009011291131-PAT00060
    Figure 112009011291131-PAT00061
    으로 표현되며, 여기서, A, B, C, D, E, F, G, H, I 및 J는 상수, u1은 상기 보일러로 입력되는 연료량을 조절하는 연료 밸브의 위치값, u2는 상기 보일러에서 발생되어 터빈으로 공급되는 증기량을 조절하는 증기 밸브의 위치값, u3는 상기 보일러를 냉각시키기 위한 냉각수의 양을 조절하는 냉각수 밸브의 위치값인 것을 특징으로 하는 보일러-터빈 시스템 제어방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 퍼지 모델 비선형 제어기는,
    Figure 112009011291131-PAT00062
    ,
    Figure 112009011291131-PAT00063
    및
    Figure 112009011291131-PAT00064
    ,
    Figure 112009011291131-PAT00065
    으로 표현되며, M1 및 M2는 비선형 변수인
    Figure 112009011291131-PAT00066
    의 변위의 하한값 및 상한 값, N1 및 N2는 상기
    Figure 112009011291131-PAT00067
    의 변위의 하한값 및 상한값을 나타내는 것을 특징으로 하는 보일러-터빈 시스템 제어방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어대상의 최적값을 출력하는 단계에서 상기 최적값은,
    Figure 112009011291131-PAT00068
    Figure 112009011291131-PAT00069
    Figure 112009011291131-PAT00070
    Figure 112009011291131-PAT00071
    으로 표현되며, 상기 z1(t) 및 z2(t)는 상기 퍼지 모델 비선형 제어기에서의 변수이고, A1, A2, A3, A4, 및 B1, B2, B3, B4는 상기 퍼지모델링을 위한 행렬인 것을 특징으로 하는 보일러-터빈 시스템 제어방법.
  6. 보일러-터빈 시스템에서 제어 대상에 대한 동적 방정식을 얻는 동적 방정식 생성부; 및
    상기 동적 방정식의 결과값을 적용시켜 상기 제어 대상의 최적값을 출력하는 퍼지 모델 비선형 제어기
    를 포함하는 보일러-터빈 시스템 제어장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 동적 방정식은,
    Figure 112009011291131-PAT00072
    Figure 112009011291131-PAT00073
    Figure 112009011291131-PAT00074
    으로 표현되며, 여기서, A, B, C, D, E, F, G, H, I 및 J는 상수, u1은 상기 보일러로 입력되는 연료량을 조절하는 연료 밸브의 위치값, u2는 상기 보일러에서 발생되어 터빈으로 공급되는 증기량을 조절하는 증기 밸브의 위치값, u3는 상기 보일러를 냉각시키기 위한 냉각수의 양을 조절하는 냉각수 밸브의 위치값인 것을 특징으로 하는 보일러-터빈 시스템 제어장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 퍼지 모델 비선형 제어기는,
    Figure 112009011291131-PAT00075
    ,
    Figure 112009011291131-PAT00076
    및
    Figure 112009011291131-PAT00077
    ,
    Figure 112009011291131-PAT00078
    으로 표현되며, M1 및 M2는 비선형 변수인
    Figure 112009011291131-PAT00079
    의 변위의 하한값 및 상한값, N1 및 N2는 상기
    Figure 112009011291131-PAT00080
    의 변위의 하한값 및 상한값을 나타내는 것을 특징으로 하는 보일러-터빈 시스템 제어장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어대상의 최적값은,
    Figure 112009011291131-PAT00081
    Figure 112009011291131-PAT00082
    Figure 112009011291131-PAT00083
    Figure 112009011291131-PAT00084
    으로 표현되며, 상기 z1(t), 및 z2(t)는 상기 퍼지 모델 비선형 제어기에서 의 변수이고, A1, A2, A3, A4, 및 B1, B2, B3, B4는 상기 퍼지모델링을 위한 행렬인 것을 특징으로 하는 보일러-터빈 시스템 제어장치.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 제어 대상은,
    상기 보일러에서 출력되는 증기의 압력, 상기 터빈에서 출력되는 전력, 및 상기 보일러의 스팀 드럼 내에서의 증기 압력
    인 것을 특징으로 하는 보일러-터빈 시스템 제어장치.
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