KR20150033222A - 주증기온도제어장치 및 주증기온도제어방법 - Google Patents

주증기온도제어장치 및 주증기온도제어방법 Download PDF

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Abstract

본 출원은 주증기온도제어장치 및 주증기온도제어방법에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 의한 주증기온도제어장치는, 유입되는 주증기를 가열하여 과열증기를 생성하는 과열부; 상기 주증기가 유입되는 상기 과열부의 입구부에 냉각수를 분사하여, 상기 주증기의 입력온도를 조절하는 온도조절부; 및 상기 냉각수의 분사량을 조절하여, 상기 과열증기의 출력온도를 기 설정된 목표온도로 조절하는 제어부를 포함할 수 있다.

Description

주증기온도제어장치 및 주증기온도제어방법 {Apparatus for controlling temperature of main steam and method for the same}
본 출원은 주증기온도제어장치 및 주증기온도제어방법에 관한 것으로서, 특히 과열기 특유의 비선형성 및 외란에 의한 영향을 보상하도록 주증기온도를 제어할 수 있는 주증기온도제어장치 및 주증기온도제어방법 에 관한 것이다.
석탄화력발전의 경우, 보일러로 증기를 생성한 후, 상기 증기를 이용하여 증기터빈을 회전시켜 전기를 생성한다. 여기서, 상기 증기터빈에 공급하는 주증기의 온도제어는 상기 석탄화력발전의 성능을 결정짓는 중요한 요소에 해당한다.
종래에는 캐스케이드(cascade) 제어와 피드포워드(feed-forward) 제어를 결합한 형태의 제어시스템을 활용하여 상기 주증기의 온도제어를 수행하였다. 즉, 2개의 제어기를 직렬로 연결한 후, 외부루프 제어기의 출력을 내부루프 제어기의 설정값으로 입력하고, 내부루프 제어기를 통하여 과열기 입구 증기온도 등을 제어하는 방식으로 주증기의 온도를 제어하였다.
다만, 상기 종래의 제어방식에 의하면, 두개 이상의 제어기를 사용해야하므로 구현이 어렵고, 주증기 온도제어의 비선형적인 특성으로 인하여 제어기 파라미터 설정이 어려웠다. 또한, 부하외란에 대한 모델 추정이 어려워 보상 제어기 설계가 어렵고 완전한 보상을 기대할 수 없다는 등의 문제점이 있었다.
공개특허공보 1985-0008379 (1985.02.15)
본 출원은, 과열기 특유의 비선형성 및 외란에 의한 영향을 보상하도록 주증기온도를 제어할 수 있는 주증기온도제어장치 및 주증기온도제어방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 주증기온도조절장치는, 유입되는 주증기를 가열하여 과열증기를 생성하는 과열부; 상기 주증기가 유입되는 상기 과열부의 입구부에 냉각수를 분사하여, 상기 주증기의 입력온도를 조절하는 온도조절부; 및 상기 냉각수의 분사량을 조절하여, 상기 과열증기의 출력온도를 기 설정된 목표온도로 조절하는 제어부를 포함할 수 있다.
여기서 상기 제어부는, 상기 과열부의 동작을 모사하는 과열모델을 이용하여, 상기 냉각수의 분사량을 조절할 수 있다.
여기서 상기 제어부는, 기 설정된 목표입력온도와 상기 주증기의 입력온도를 비교하여, 상기 입력온도와 상기 목표입력온도가 일치하도록 상기 냉각수의 분사량을 설정하고, 상기 주증기의 입력온도를 제어입력으로 출력하는 주증기온도제어모듈; 및 보상필터 및 과열모델을 이용하여 상기 과열부에 인가되는 외란에 대한 보상값을 계산하고, 상기 보상값을 적용하여 상기 제어입력을 재설정하는 외란보상모듈을 포함할 수 있다.
여기서 상기 주증기온도제어모듈은, 상기 제어입력에 따라 상기 과열모델이 계산한 상기 과열증기의 예상출력온도와 상기 과열증기의 출력온도가 서로 상이하면, 상기 예상출력온도와 상기 출력온도의 오차를 피드백하여 상기 냉각수의 분사량을 재설정할 수 있다.
여기서 상기 외란보상모듈은, 상기 제어입력을 제1 보상필터에 입력하여 제1 보상값을 계산하고, 상기 과열증기의 출력온도를 제2 보상필터 및 상기 과열모델에 대한 역함수에 입력하여 제2 보상값을 계산하며, 상기 제1 보상값 및 제2 보상값을 이용하여 상기 제어입력을 재설정할 수 있다.
여기서 상기 제어부는, 전달함수가
Figure pat00001
인 단위모델 N개를 직렬 연결하여 상기 과열모델을 생성하며, 상기 과열부의 스텝 응답(step response)에 나타나는 시정수, 부동시간 및 이득을 이용하여 상기 N과 τ를 선택할 수 있다.
여기서 상기 제어부는, 상기 스텝응답의 시정수와 부동시간의 비율에 대응하는 N값이 기재된 테이블표 및 상기 N값에 대응한 τ와 부동시간의 비율이 기재된 테이블표를 이용하여 상기 과열모델을 생성할 수 있다.
여기서 상기 제어부는, 전달함수가
Figure pat00002
인 보상필터를 포함할 수 있다.
여기서 상기 제어부는, 상기 과열부를 가열하는 보일러에 공급되는 연료량 및 상기 과열부로 공급되는 주증기의 유량을 입력받고, 상기 연료량 및 주증기 유량을 이용하여 상기 과열모델 및 보상필터의 파라미터를 보정하는 파라미터모듈를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 주증기온도제어방법은, 유입되는 주증기를 가열하여 과열증기를 생성하는 과열부의 입구부로 상기 주증기를 유입하는 주증기유입단계; 상기 유입되는 상기 주증기의 입력온도와 기 설정된 목표입력온도를 비교하여, 상기 입력온도가 상기 목표입력온도와 일치하도록 상기 입구부에 분사하는 냉각수의 분사량을 설정하고, 상기 주증기의 입력온도를 제어입력으로 출력하는 주증기온도제어단계; 및 상기 과열부의 동작을 모사하는 과열모델 및 보상필터를 이용하여, 상기 과열부에 인가되는 외란에 대한 보상값을 계산하고, 상기 보상값을 적용하여 상기 제어입력을 재설정하는 외란보상단계를 포함할 수 있다.
여기서 상기 주증기온도제어단계는, 상기 제어입력에 따라 상기 과열모델이 계산한 상기 과열증기의 예상출력온도와 상기 과열증기의 출력온도가 상이하면, 상기 예상출력온도와 상기 출력온도의 오차를 피드백하여 상기 냉각수의 분사량을 재설정할 수 있다.
여기서 상기 외란보상단계는, 상기 제어입력을 제1 보상필터에 입력하여 제1 보상값을 계산하고, 상기 과열증기의 출력온도를 제2 보상필터 및 상기 과열모델에 대한 역함수에 입력하여 제2 보상값을 계산하며, 상기 제1 보상값 및 제2 보상값을 이용하여 상기 제어입력을 재설정할 수 있다.
여기서 상기 외란보상단계는, 전달함수가
Figure pat00003
인 단위모델 N개를 직렬 연결하여 상기 과열모델을 생성하고, 상기 과열부의 스텝 응답(step response)에 나타나는 시정수, 부동시간 및 이득을 이용하여 상기 N과 τ를 선택하여 상기 과열모델을 결정할 수 있다.
덧붙여 상기한 과제의 해결수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것이 아니다. 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점과 효과는 아래의 구체적인 실시형태를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 주증기온도제어장치 및 주증기온도제어방법에 의하면, 주증기 온도조절에 대한 우수한 응답특성을 얻을 수 있으며, 외란에도 강인하게 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 주증기온도제어장치 및 주증기온도제어방법에 의하면, 종래에 복수의 제어기를 직렬연결하는 방식과 비교하여 사용하는 제어기의 수가 적으므로 제어기 파라미터 설정이 용이하다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 의한 주증기온도제어장치를 나타내는 블록도이다.
도2 및 도3은 본 발명의 일 실시예에 의한 주증기온도제어장치의 제어부의 제어동작을 나타내는 블록선도이다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 의한 주증기온도제어장치의 과열부에 대한 스텝응답과 단위모델의 직렬연결에 의한 과열모델을 생성을 나타내는 도면이다.
도5 및 도6은 본 발명의 일 실시예에 의한 주증기온도제어장치의 과열모델을 생성하기 위한 테이블표이다.
도7은 본 발명의 일 실시예에 의한 주증기온도제어방법을 나타내는 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 의한 주증기온도제어장치를 나타내는 블록도이다.
도1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 주증기온도제어장치는, 과열부(10), 온도조절부(20) 및 제어부(30)를 포함할 수 있다.
이하, 도1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 주증기온도제어장치를 설명한다.
과열부(spureheater, 10)는 유입되는 주증기를 가열하여 과열증기를 생성할 수 있다. 상기 과열부(10)는 보일러의 연소에 의하여 발생하는 연소가스를 이용하여 상기 주증기를 가열할 수 있으며, 상기 과열부(10)가 생성한 상기 과열증기는 증기터빈으로 공급되어 상기 증기터빈을 회전시킬 수 있다.
이때, 상기 과열증기의 온도가 높을수록 보다 높은 효율로 증기터빈을 동작시킬 수 있으므로, 고온의 주증기를 상기 과열부(10)로 공급하여 더 높은 온도의 과열증기를 생성하도록 할 수 있다. 다만, 상기 주증기 또는 과열증기의 온도가 지나치게 높은 경우에는, 상기 주증기 또는 과열증기가 지나는 튜브의 열손상 한계점을 초과할 수 있으므로, 이 경우에는 오히려 기기의 수명을 단축시킬 수 있다. 따라서, 상기 증기터빈의 효율을 높이기 위해서는, 상기 주증기의 온도를 튜브손상 한계지점에 최대한 근접하도록 하는 동시에, 부하 변동 등 보일러의 운전 중에 발생할 수 있는 외란에 불구하고 상기 주증기의 온도를 일정하게 제어하는 것이 중요하다.
상기 과열증기의 출구온도는 상기 과열부(10)로 유입되는 상기 주증기의 입력온도 이외에, 상기 보일러에 공급되어 연소되는 연료량 및 상기 주증기의 유량에 의하여 영향을 받을 수 있다. 즉, 상기 보일러에 공급되는 연료량이 증가할수록 상기 보일러에서 발생하는 연소가스의 연소열이 증가하여 상기 과열증기의 출력온도가 상승할 수 있으며, 상기 과열부(10)에 공급하는 주증기의 유량이 증가하는 경우에는 상기 과열부(10)의 열을 흡수하는 주증기의 양이 많아지는 것이므로 상기 과열증기의 출력온도가 낮아질 수 있다.
다만, 상기 주증기의 유량 및 연료량은 보일러의 출력과 관계되는 것이므로, 상기 주증기의 온도를 조절하기 위하여 조작하기에는 부적절하다. 따라서, 도1에 도시된 바와 같이, 상기 과열부(10)의 입구부(11)로 공급되는 주증기에 대하여 냉각수를 분사하는 온도조절부(20)를 이용하여 상기 주증기의 입력온도를 조절함으로써, 상기 과열증기의 출력온도를 제어할 수 있다.
온도조절부(20)는 상기 주증기가 유입되는 상기 과열부(10)의 입구부(11)에 냉각수를 분사하여, 상기 주증기의 입력온도를 조절할 수 있다. 일반적으로 상기 주증기는, 상기 과열부(10)에 유입되기 전에 이미 가열되어 높은 온도를 가지는 것일 수 있으며, 이후 상기 과열부(10)로 유입되어 추가적으로 더 높은 온도로 가열되는 것일 수 있다. 특히, 상기 과열부(10)에 유입되는 주증기는 기 설정된 목표입력온도보다 높은 입력온도를 가지는 것이 일반적이므로, 상기 과열부(10)에 유입하기 전에 상기 주증기를 상기 냉각수로 냉각하여 상기 주증기가 목표입력온도를 가지도록 할 수 있다. 이후, 상기 목표입력온도를 가지는 주증기를 상기 과열부(10)에서 가열함으로써, 기 설정된 목표온도를 출력온도로 가지는 상기 과열증기를 생성할 수 있다.
상기 온도조절부(20)가 분사하는 냉각수는, 보일러 급수펌프(BFP: boiler feedwater pump)가 보일러로 공급하는 용수(用水)로부터 분기되어 공급받는 것일 수 있다. 상기 보일러 급수펌프의 토출압은 상기 보일러의 부하 증감발시 변동될 수 있으며, 상기 보일러 급수펌프의 토출압의 변동은 상기 온도조절부(20)가 분사하는 냉각수의 분사압력에 영향을 미칠 수 있다. 즉, 상기 보일러의 부하 증감발에 의한 상기 보일러 급수펌프의 토출압 변동은 상기 주증기온도제어에 있어서 외란으로 작용할 수 있다.
상기 온도조절부(20)가 분사하는 냉각수의 분사량에 따라 상기 주증기의 입력온도가 달라질 수 있으며, 상기 냉각수의 분사량이 많을수록 상기 주증기의 온도는 낮아질 수 있다. 상기 냉각수의 분사량은 급수밸브(21)의 개도량에 따라 달라질 수 있으며, 상기 급수밸브(21)의 개도량은 제어부(20)가 조절할 수 있다.
제어부(30)는, 상기 냉각수의 분사량을 조절하여, 상기 과열증기의 출력온도를 기 설정된 목표온도로 조절할 수 있다. 도1에 도시된 바와 같이, 상기 제어부(30)는 입구온도센서(t1)으로부터 상기 주증기의 입력온도를 입력받을 수 있으며, 출구온도센서(t2)로부터 상기 과열증기의 출력온도를 입력받을 수 있다. 이후, 상기 입력온도 및 출력온도에 따라 상기 급수밸브(21)의 개도량을 조절하여, 상기 과열부(10)가 기 설정된 목표온도를 가지는 과열증기를 생성하도록 할 수 있다.
특히, 상기 제어부(30)는 상기 과열부(10)의 동작을 모사하는 과열모델을 이용하여 상기 냉각수의 분사량을 조절할 수 있으며, 구체적으로 상기 제어부(30)의 제어동작은 도2의 블록선도(block diagram)로 나타낼 수 있다. 여기서, R(s)는 목표입력온도, Gc(s)는 상기 냉각수의 분사량을 설정하는 주증기온도제어기의 전달함수, GSHin(s)는 온도제어부(20)의 냉각수분사공정에 해당하는 전달함수이고, V(s)는 상기 온도제어부(20)에서 조절된 상기 주증기의 입력온도를 나타낸다. 또한, L은 외란을 나타내고, GSHoout(s)은 과열부(10)의 주증기 가열공정에 해당하는 전달함수이며, GSHm(s)은 상기 과열모델의 전달함수에 해당한다. fa(s), fb(s)는 각각 제1 보상필터 및 제2 보상필터의 전달함수를 나타내고, G-1SHm(s)는 과열모델의 전달함수의 역함수, C(s)는 과열증기의 출력온도에 해당한다.
여기서, 상기 블록선도의 좌측부분은 주증기의 입력온도를 조절하여 과열부(10)에서 생성되는 과열증기가 목표온도를 가지도록 제어하는 제어루프에 해당하고, 상기 블록선도의 우측부분은 보일러의 출력이나 연료량과 같은 부하에 대한 영향 등 외란을 보상하는 제어루프에 해당한다.
도2의 블록선도는 도3과 같이 등가로 변형시킬 수 있으며, 도3에 도시된 바와 같이, 상기 제어부(30)는 크게 두개의 모듈, 즉 주증기제어모듈(31)과 외란보상모듈(32)로 구별할 수 있다. 여기서, 상기 주증기제어모듈(31)과 외란보상모듈(32)은 서로 영향을 미치지 않는 독립적인 형태로 구성되므로 각각 내부 파라미터를 개별적으로 설정하는 것이 가능하다.
주증기제어모듈(31)은, 도2에 도시된 바와 같이, 상기 목표입력온도 R(s)와 함께, 상기 입구온도센서(t1)에서 측정한 입력온도V(s)가 피드백되어 입력될 수 있다. 여기서, 상기 Gc(s)는 상기 목표입력온도R(s)와 상기 입력온도V(s)의 오차를 이용하여, 상기 목표입력온도R(s)와 입력온도V(s)의 오차가 0이 되도록 하는 급수밸브(21)의 개도량을 설정할 수 있으며, 이후, 상기 Gc(s)의 출력을 상기 온도제어부(20)에 대응하는 GSHin(s)에 입력할 수 있다. 이때, GSHin(s)는 상기 온도제어부(20)의 냉각수분사에 의하여 조절된 상기 주증기의 입력온도V(s)를 출력할 수 있다.
여기서, 과열모델이 과열부(10)의 동작을 정확하게 모사하는 경우에는, GSHout(s) = GSHm(s)가 성립하게 되므로, 외란보상모듈(32)에서의 피드백은 0이 되고, 상기 주증기제어모듈(31)의 전체 전달함수(V(s)/R(s))는 다음과 같이 된다.
Figure pat00004
따라서, 과열부(10)에 비하여 시정수(time constant)와 부동시간(dead time)이 짧은 온도제어부(20)에 대한 제어만을 수행하여 과열증기의 출력온도를 조절하는 것이 가능하므로, 보다 우수한 제어성능을 구현할 수 있다.
한편, 상기 과열모델이 과열부(10)의 동작을 정확하게 모사하는 경우에는 상기 Gc(s)에서 상기 온도제어부(20)의 동작만을 제어하면 되지만, 상기 과열모델이 실제 과열부(10)의 동작과 상이하여 오차가 발생하는 경우에는, 이에 대한 보상을 수행할 필요가 있다. 즉, 상기 과열모델이 계산한 상기 과열증기의 예상출력온도가 상기 출력온도센서(t2)에서 측정한 출력온도C(s)가 서로 상이하면, 상기 예상출력온도와 상기 출력온도의 오차를 피드백받아, 상기 냉각수의 분사량을 재설정하도록 할 수 있다.
여기서, 상기 과열모델은 복수개의 단위모델을 직렬로 연결한 체인(chain) 형태로 구현할 수 있다. 종래에는 공정의 시간지연을 보상하기 위하여 스미스 예측기(smith-predictor)를 이용하였으며, 상기 스미스 예측기에서는 1차 모델(
Figure pat00005
)을 주로 활용하였다. 하지만, 상기 과열부(10)와 같이 고차미분방정식으로 표현되는 공정에 대하여 상기 1차 모델을 적용하면 상대적으로 큰 오차가 발생하므로, 만족할만한 성능을 기대할 수 없다.
따라서, 상기 과열부(10)에 대한 스텝 테스트(step test)를 통하여 얻게 되는 과열증기의 출력온도변화로부터 상기 과열부(10)의 시정수(τ0), 부동시간(θ0), 저주파 이득(K) 등을 측정한 후, 이를 상기 1차 모델의 체인 형태로 확장하여, 상기 과열부(10)와 과열모델의 동적오차를 줄이도록 할 수 있다.
구체적으로, 도4(a)와 같이, 상기 과열부(10)에 대한 스텝 테스트에 의한 상기 과열증기의 스텝응답(step response)를 구할 수 있다. 따라서, 상기 스텝응답으로부터, 스텝입력의 인가 후 상기 과열증기의 출력온도 변화가 시작될 때까지의 소요시간인 부동시간(θ0)과 상기 과열증기가 목표온도에 도달할때까지 소요시간인 시정수(τ0)를 각각 구할 수 있다.
상기 도4(a)에 도시된 과열부(10)의 동작은, 도4(b)에 도시된 바와 같이 복수개의 단위공정이 직렬로 연결한 과열모델에 의하여 모사될 수 있다. 여기서, N개의 단위공정 (
Figure pat00006
)을 직렬로 연결한 이득이 K인 과열모델은,
Figure pat00007
와 같이 나타낼 수 있다.
도5는 상기 스텝 테스트를 통하여 취득한 과열증기 출력온도의 변화특성인 시정수(τ0) 및 부동시간(θ0)의 비를 이용하여 상기 과열모델의 차수 즉, N의 값을 찾기 위한 테이블표를 나타낸 것이다. 즉, 상기 스텝 테스트를 통하여 측정한 상기 시정수(τ0)와 부동시간(θ0)의 비 (θ0/τ0)에 대응하는 상기 그래프의 수평좌표 값과 가장 가까운 정수를 상기 과열모델의 차수 N으로 선택할 수 있다. 예를들어, 상기 (θ0/τ0)가 0.41에 해당하면 상기 N값으로 5를 선택할 수 있다. 따라서, 상기 테이블표를 이용하면, 용이하게 상기 N값을 구할 수 있다.
또한, 도6은 상기 단위모델의 τ값과 부동시간(θ0)의 비 (θ0/τ)에 대응하는 N값을 나타내는 테이블표로서, 상기 도5를 이용하여 N값을 설정하면 상기 N값에 대응하는 (θ0/τ)를 구할 수 있다. 여기서, 상기 부동시간(θ0)은 상기 스탭응답을 통하여 이미 측정한 값이므로, 상기 (θ0/τ)로부터 상기 τ값을 추출할 수 있다. 예를들어, 상기 N값이 5인 경우에는 (θ0/τ)가 2.1이 되고, 상기 θ0가 0.7인 경우에는 상기 τ는 0.333이 될 수 있다.
상술한 바와 같이, 도5 및 도6을 이용하면 상기 N값과 τ값을 구할 수 있으므로, 상기 과열모델을 생성할 수 있다.
외란보상모듈(32)은, 도2에 도시된 바와 같이, 외란을 고려하지 않은 입력온도 V(s)에 대하여 실제 외란이 적용된 과열증기의 출력온도 c(s)를 비교연산하는 보상루프를 포함할 수 있다. 즉, 상기 외란보상모듈(32)은, 상기 입력온도 V(s)를 제1 보상필터 fa(s)에 입력하여 제1 보상값을 계산하고, 상기 과열증기의 출력온도c(s)를 제2 보상필터 fb(s) 및 상기 과열모델에 대한 역함수 GSHm-1(s)에 입력하여 제2 보상값을 계산한 후, 상기 제1 보상값 및 제2 보상값을 이용하는 방식으로 상기 입력온도 V(s)을 재설정할 수 있다.
구체적으로, 외란보상모듈(32)는 입력온도 V(s)가 외란 L을 보상하도록 필터 fa(s), fb(s) 및 과열모델의 역함수 G-1SHm(s)의 조합으로 구성된 폐회로를 형성할 수 있으며, fa(s) = fb(s) = f(s)이면, 입력온도 V(s)와 외란 L, 과열증기 출력온도 c(s)의 전달함수는 다음과 같이 구할 수 있다.
Figure pat00008

여기서, 과열모델이 과열부(10)의 동작을 정확하게 모사하는 경우에는 GSHout(s)와 GSHm(s)는 일치하게 되고, 이 경우의 전달함수는 다음과 같다.
Figure pat00009

따라서, 저주파 이득이 1인 필터f(s)를 설계하면 외란 L(s)에 대한 영향을 제거할 수 있으며, 상기 필터f(s)는 다음과 같이 설계할 수 있다.
Figure pat00010
여기서, τ와 N은 과열모델 생성시에 사용된 단위모델의 시정수와 체인 수이므로, 상기 필터는 상기 과열모델을 생성하면 자동으로 생성될 수 있다. 상기 외란에 대한 보상은 모델 오차가 발생해도 필터의 저주파이득이 1이므로 완전하게 수행될 수 있다.
따라서, 상기 주증기온도제어모듈(31)에서 주증기의 입력온도 V(s)를 설정할 때, 상기 외란에 의한 효과를 고려하여 설정할 수 있으므로, 외란에 강인한 제어가 가능하다.
추가적으로, 상기 제어부(30)는 파라미터 모듈(미도시)을 더 포함할 수 있다. 상기 파라미터 모듈은 상기 보일러에 공급되는 연료량 및 상기 과열부로 공급되는 주증기의 유량을 입력받을 수 있으며, 상기 연료량 및 주증기의 유량을 이용하여 상기 과열모델 및 보상필터의 파라미터를 보정할 수 있다. 상기 연료량 및 주증기의 유량은 증기터빈을 이용하는 발전소의 부하와 연관되는 것으로서, 상기 발전소의 부하요구량에 따라, 상기 과열모델의 전달함수와 외란보상모듈(32)의 보상필터(fa, fb)의 시정수를 조정하도록 할 수 있다. 따라서, 상기 파라미터 모듈에 의하여 상기 부하변화에 따른 동특성을 반영할 수 있으므로, 상기 주증기온도제어장치는 상기 발전소의 다양한 부하에 따른 제어를 수행할 수 있다.
도7은 본 발명의 일 실시예에 의한 주증기온도제어방법을 나타내는 순서도이다.
도7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 주증기온도제어방법은, 주증기유입단계(S10), 주증기온도제어단계(S20) 및 외란보상단계(S30)를 포함할 수 있다.
이하, 도7을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 주증기온도제어방법을 설명한다.
주증기유입단계(S10)는, 유입되는 주증기를 가열하여 과열증기를 생성하는 과열부의 입구부로 상기 주증기를 유입할 수 있다. 앞서 살핀 바와 같이, 고온으로 가열된 과열증기를 생성하기 위하여, 주증기를 상기 과열부로 공급할 수 있다. 다만, 튜브손상을 방지하고 높은 효율로 증기터빈 회전 등의 동작을 수행하기 위하여는, 상기 주증기의 온도를 기 설정된 목표온도로 조절할 필요가 있다.
따라서, 주증기온도제어단계(S20)를 통하여, 상기 유입되는 상기 주증기의 입력온도와 기 설정된 목표입력온도를 비교한 후, 상기 입력온도가 상기 목표입력온도와 일치하도록 상기 입구부에 분사하는 냉각수를 분사할 수 있다. 상기 냉각수의 분사량에 비례하여 상기 주증기의 입력온도가 낮아지므로, 상기 분사량을 설정하는 방식으로 상기 주증기의 입력온도를 조절할 수 있다. 이후, 상기 주증기의 입력온도를 제어입력으로 출력할 수 있다.
여기서, 상기 주증기온도제어단계(S20)는 상기 과열부에 영향을 미칠 수 있는 외란에 대하여는 고려하지 않고 상기 주증기의 입력온도를 조절하지만, 실제 과열부에 대하여는 외란이 작용할 수 있다. 따라서, 외란보상단계(S30)를 통하여, 상기 외란에 의한 효과를 보상하도록 할 수 있다. 즉, 상기 외란보상단계(S30)는, 상기 과열부의 동작을 모사하는 과열모델 및 보상필터를 이용하여, 상기 과열부에 인가되는 외란에 대한 보상값을 계산하고, 상기 보상값을 적용하여 상기 제어입력을 재설정할 수 있다. 구체적으로, 상기 외란보상단계(S30)는, 상기 제어입력을 제1 보상필터에 입력하여 제1 보상값을 계산하고, 상기 과열증기의 출력온도를 제2 보상필터 및 상기 과열모델에 대한 역함수에 입력하여 제2 보상값을 계산하며, 상기 제1 보상값 및 제2 보상값을 이용하여 상기 제어입력을 재설정할 수 있다. 이때, 상기 외란보상단계(S30)에서는, 전달함수가
Figure pat00011
인 단위모델 N개를 직렬 연결하여 상기 과열모델을 생성할 수 있으며, 상기 과열부의 스텝 응답(step response)에 나타나는 시정수, 부동시간 및 이득을 이용하여 상기 N과 τ를 선택하여 상기 과열모델을 결정할 수 있다.
상기 과열모델은 상술한 도4 내지 도6에 나타난 바와 같은 방식으로 설정할 수 있으며, 앞서 설명하였으므로, 여기서는 구체적인 설명을 생략한다.
추가적으로, 상기 제어입력에 따라 상기 과열모델이 계산한 상기 과열증기의 예상출력온도와 상기 과열증기의 출력온도가 상이한 경우에는, 상기 주증기온도제어단계(S20)에서 상기 예상출력온도와 상기 출력온도의 오차를 피드백받아 상기 냉각수의 분사량을 재설정하는 방식으로 보정할 수 있다.
본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명에 따른 구성요소를 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것이 명백할 것이다.
10: 과열부 11: 입구부
20: 온도조절부 30: 제어부
31: 주증기온도제어모듈 32: 외란보상모듈
t1: 입력온도센서 t2: 출력온도센서
S10: 주증기유입단계 S20: 주증기온도제어단계
S30: 외란보상단계

Claims (13)

  1. 유입되는 주증기를 가열하여 과열증기를 생성하는 과열부;
    상기 주증기가 유입되는 상기 과열부의 입구부에 냉각수를 분사하여, 상기 주증기의 입력온도를 조절하는 온도조절부; 및
    상기 냉각수의 분사량을 조절하여, 상기 과열증기의 출력온도를 기 설정된 목표온도로 조절하는 제어부를 포함하는 주증기온도조절장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 과열부의 동작을 모사하는 과열모델을 이용하여, 상기 냉각수의 분사량을 조절하는 주증기온도조절장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제어부는
    기 설정된 목표입력온도와 상기 주증기의 입력온도를 비교하여, 상기 입력온도와 상기 목표입력온도가 일치하도록 상기 냉각수의 분사량을 설정하고, 상기 주증기의 입력온도를 제어입력으로 출력하는 주증기온도제어모듈; 및
    보상필터 및 과열모델을 이용하여 상기 과열부에 인가되는 외란에 대한 보상값을 계산하고, 상기 보상값을 적용하여 상기 제어입력을 재설정하는 외란보상모듈을 포함하는 주증기온도제어장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 주증기온도제어모듈은
    상기 제어입력에 따라 상기 과열모델이 계산한 상기 과열증기의 예상출력온도와 상기 과열증기의 출력온도가 서로 상이하면, 상기 예상출력온도와 상기 출력온도의 오차를 피드백하여 상기 냉각수의 분사량을 재설정하는 주증기온도제어장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 외란보상모듈은
    상기 제어입력을 제1 보상필터에 입력하여 제1 보상값을 계산하고, 상기 과열증기의 출력온도를 제2 보상필터 및 상기 과열모델에 대한 역함수에 입력하여 제2 보상값을 계산하며, 상기 제1 보상값 및 제2 보상값을 이용하여 상기 제어입력을 재설정하는 주증기온도제어장치.
  6. 제3항에 있어서, 상기 제어부는
    전달함수가
    Figure pat00012
    인 단위모델 N개를 직렬 연결하여 상기 과열모델을 생성하며, 상기 과열부의 스텝 응답(step response)에 나타나는 시정수, 부동시간 및 이득을 이용하여 상기 N과 τ를 선택하는 주증기온도제어장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 스텝응답의 시정수와 부동시간의 비율에 대응하는 N값이 기재된 테이블표 및 상기 N값에 대응한 τ와 부동시간의 비율이 기재된 테이블표를 이용하여 상기 과열모델을 생성하는 주증기온도제어장치.
  8. 제6항에 있어서, 상기 제어부는
    전달함수가
    Figure pat00013
    인 보상필터를 포함하는 주증기온도제어장치.
  9. 제3항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 과열부를 가열하는 보일러에 공급되는 연료량 및 상기 과열부로 공급되는 주증기의 유량을 입력받고, 상기 연료량 및 주증기 유량을 이용하여 상기 과열모델 및 보상필터의 파라미터를 보정하는 파라미터모듈를 더 포함하는 주증기온도제어장치.
  10. 유입되는 주증기를 가열하여 과열증기를 생성하는 과열부의 입구부로 상기 주증기를 유입하는 주증기유입단계;
    상기 유입되는 상기 주증기의 입력온도와 기 설정된 목표입력온도를 비교하여, 상기 입력온도가 상기 목표입력온도와 일치하도록 상기 입구부에 분사하는 냉각수의 분사량을 설정하고, 상기 주증기의 입력온도를 제어입력으로 출력하는 주증기온도제어단계; 및
    상기 과열부의 동작을 모사하는 과열모델 및 보상필터를 이용하여, 상기 과열부에 인가되는 외란에 대한 보상값을 계산하고, 상기 보상값을 적용하여 상기 제어입력을 재설정하는 외란보상단계를 포함하는 주증기온도제어방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 주증기온도제어단계는
    상기 제어입력에 따라 상기 과열모델이 계산한 상기 과열증기의 예상출력온도와 상기 과열증기의 출력온도가 상이하면, 상기 예상출력온도와 상기 출력온도의 오차를 피드백하여 상기 냉각수의 분사량을 재설정하는 주증기온도제어방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 외란보상단계는
    상기 제어입력을 제1 보상필터에 입력하여 제1 보상값을 계산하고, 상기 과열증기의 출력온도를 제2 보상필터 및 상기 과열모델에 대한 역함수에 입력하여 제2 보상값을 계산하며, 상기 제1 보상값 및 제2 보상값을 이용하여 상기 제어입력을 재설정하는 주증기온도제어방법.
  13. 제10항에 있어서, 상기 외란보상단계는
    전달함수가
    Figure pat00014
    인 단위모델 N개를 직렬 연결하여 상기 과열모델을 생성하고, 상기 과열부의 스텝 응답(step response)에 나타나는 시정수, 부동시간 및 이득을 이용하여 상기 N과 τ를 선택하여 상기 과열모델을 결정하는 주증기온도제어방법.
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