KR20150136908A - 가변 열원을 적용한 초임계 브레이튼 사이클 통합 제어 장치 - Google Patents

가변 열원을 적용한 초임계 브레이튼 사이클 통합 제어 장치 Download PDF

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KR20150136908A
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Abstract

본 발명의 일 실시예는 가변 열원을 적용한 초임계 브레이튼 사이클 통합 제어 장치에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 부하 운전 또는 과도 상태에서 열원과 브레이튼 사이클 간의 열 전달량과 요구량을 일치시켜 안정적인 운전 신뢰성을 확보하는데 있다.
이를 위해 본 발명은 열원의 열전달량을 조절하는 1차 계통 및 1차 계통으로부터 열을 전달받아 작동 유체로 브레이튼 사이클 발전을 수행하는 2차 계통에 부하 요구량(MW Demand)을 전달하는 유니트 마스터; 유니트 마스터로부터의 부하 요구량과, 2차 계통의 안정화에 필요한 물리량을 이용하여, 열교환기로 열원의 유량 요구량(Heat source Flow Demand)을 전달하는 열원 마스터; 및, 유니트 마스터로부터의 부하 요구량과, 2차 계통의 안정화에 필요한 물리량을 이용하여, 부하 요구량의 충족을 위해 터빈 마스터, 인벤토리 마스터 및 냉각수 마스터로 브레이튼 마스터 요구량(Brayton Master Demand)을 전달하는 브레이튼 마스터로 이루어진 초임계 브레이튼 사이클 통합 제어 장치를 개시한다.

Description

가변 열원을 적용한 초임계 브레이튼 사이클 통합 제어 장치{Integrated Control System for Supercritical Brayton Cycle Power plant using Variable Heat Source}
본 발명의 일 실시예는 가변 열원을 적용한 초임계 브레이튼 사이클 통합 제어 장치에 관한 것이다.
CO2는 기존의 랭킨 사이클 발전용 유체로 사용되는 순수와 비교하여 낮은 온도와 압력 조건에서 임계 상태(임계점: 30.978℃, 7.3773MPa)가 형성되고, 임계점 부근에서 높은 밀도를 유지하는 특성을 지닌다. CO2를 브레이튼 발전 사이클의 유체로 사용할 경우 임계점 부근의 특성으로 인해 압축일이 적어 우수한 효율을 기대할 수 있다. 또한 사이클 내에서 CO2는 항상 초임계 상태를 유지하므로 이상류에 의한 터빈이나 압축기의 블레이드 파괴 우려가 적다. 따라서 기존 증기 랭킨 사이클과 비교하여 설비의 종류가 감소하고 구조가 단순해져 크기가 작고 콤팩트(Compact)한 시스템 제작이 가능하다.
CO2 발전을 위한 열원으로 태양열, 화석연료, 지열, 원자력, 선박 추진력 등 다양한 에너지원이 소개되고 있으며, CO2가 열원의 열을 간접적으로 회수하는 간접 사이클(Indirect Cycle), 복수의 압축기가 구성된 재압축 사이클(Recompression Cycle) 조합의 연구가 가장 활발하게 진행되고 있다.[도 6 참조]
이 경우 1차 계통인 열원의 운전 조건과 구조적인 재료 특성 등에 따라 2차 계통인 브레이튼 사이클의 최고 온도와 최고 압력이 영향을 받게 된다. 따라서 각 계통이 안정적으로 운용되고 있더라도, 1차 계통에서 전달하는 열량과 2차 계통에서 요구하는 열량이 일치하지 않으면, 시간이 지남에 따라 전체 시스템은 불안정한 상태에 도달하게 된다.
따라서 각 계통의 부하 설정을 조정하여 1차 계통의 열 전달량(Heat Transfer)과 2차 계통의 열 요구량(Heat Requirement) 정확하게 일치시키도록 운전하는 것이 중요하다. 하지만 수동 조작 만으로 두 계통의 밸런스를 유지하는 것은 많은 어려움이 따른다. 또한 CO2와 같은 작동 유체로 동작하는 초임계 브레이튼 사이클의 경우, 기존의 랭킨 사이클 기반 발전 방식과 비교하여 미세한 물리량 변화에도 민감하게 반응하며 안정적인 운전 영역이 상대적으로 좁아 계통의 균형적인 운전을 더욱 어렵게 한다.[도 7 참조]
종래 기술은 개별 계통에 대한 제어 장치, 특히 2차 계통에 대한 연구에만 집중되어 있으며 1, 2차 계통의 상호협조 기능과 통합 제어 기술에 대한 연구는 전무한 실정이다. 따라서 안정적인 운전 기술 확보를 위한 관련기술 개발이 절실히 요구된다.
본 발명은 초임계 CO2 또는 그와 유사한 혼합 기체를 사용한 브레이튼 사이클 발전 공정의 통합 제어 장치를 제공한다.
CO2는 임계 온도와 압력이 낮아 브레이튼 사이클에서 초임계 상태 유지가 용이하고 임계점 부근에서 밀도가 큰 특징이 있다. 이러한 점을 이용하여 구조가 간단하고 높은 효율을 기대할 수 있는 관련 기술 연구가 활발하게 진행되고 있다.
하지만 임계점 부근에서 미세한 온도, 압력 변화에도 물성이 급격하게 변하는 CO2의 특성으로 인해 제어 장치의 구성에 어려움을 겪고 있다. 또한 별도의 열원을 통해 발전 사이클을 구동하는 경우, 1차 계통인 열원의 열 전달량과 2차 계통인 초임계 브레이튼 사이클의 열 요구량이 균형을 유지하도록 운전해야하는 부담이 따른다.
특히 부하 운전 시 두 계통의 입출력 량을 정확하게 일치시키며 수동으로 조작하는 것은 쉽지가 않다.
이에 본 발명에서는 정상 상태에서 발전 공정 안정도에 중요한 영향을 미치는 주요 물리량을 유지하고, 부하 운전 및 과도 상태에서 자동적으로 1차 계통과 2차 계통의 밸런스 유지가 가능한 협조 제어 장치를 제공한다. 또한 단일 부하 요구량에 대해 전체 계통을 안정적으로 운용할 수 있는 자동 제어 방법도 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가변 열원을 적용한 초임계 브레이튼 사이클 통합 제어 장치는 열원의 열전달량을 조절하는 1차 계통 및 상기 1차 계통으로부터 열을 전달받아 작동 유체로 브레이튼 사이클 발전을 수행하는 2차 계통에 부하 요구량(MW Demand)을 전달하는 유니트 마스터; 상기 유니트 마스터로부터의 부하 요구량과, 상기 2차 계통의 안정화에 필요한 물리량을 이용하여, 열교환기로 열원의 유량 요구량(Heat source Flow Demand)을 전달하는 열원 마스터; 및, 상기 유니트 마스터로부터의 부하 요구량과, 상기 2차 계통의 안정화에 필요한 물리량을 이용하여, 상기 부하 요구량의 충족을 위해 터빈 마스터, 인벤토리 마스터 및 냉각수 마스터로 브레이튼 마스터 요구량(Brayton Master Demand)을 전달하는 브레이튼 마스터를 포함한다.
상기 터빈 마스터는 상기 브레이튼 마스터 요구량을 이용하여 터빈 입구 밸브 개도 조절을 위한 출력 요구량을 상기 2차 계통에 전달할 수 있다.
상기 인벤토리 마스터는 상기 브레이튼 마스터 요구량을 이용하여 상기 부하 요구량을 충족시키기 위한 작동 유체 요구량을 상기 2차 계통에 전달할 수 있다.
상기 냉각수 마스터는 상기 브레이튼 마스터 요구량을 이용하여 압축기 입구 온도 유지를 위한 냉각 유체 요구량을 상기 2차 계통에 전달할 수 있다.
상기 냉각수 마스터는, 상기 작동 유체의 온도를 피드백받는 피드백 제어기; 및 상기 작동 유체의 유량과 그에 요구되는 미리 계산된 냉각 유체 요구량을 피드 포워드 신호로 입력받는 피드 포워드 제어기를 포함하고, 상기 피드백 제어기와 상기 피드 포워드 제어기의 출력의 합이 상기 압축기 입구 온도 유지를 위한 냉각 유체 요구량으로 출력될 수 있다.
상기 1차 계통과 상기 2차 계통 사이에 설치되고, 상기 열원 마스터의 열원의 유량 요구량에 의해 상기 열원의 유량을 조절하는 제1구동기를 더 포함할 수 있다.
상기 열교환기와 터빈 사이에 설치되고, 상기 터빈 마스터의 출력 요구량에 의해 상기 터빈으로 유입되는 유량을 조절하는 제2구동기를 더 포함할 수 있다.
냉각 펌프에 설치되고, 상기 냉각수 마스터의 냉각수 요구량에 의해 상기 압축기 입구 온도 유지를 위한 냉각수 유량을 조절하는 제3구동기를 더 포함할 수 있다.
인벤토리 탱크의 입구 및 출구에 설치되어 상기 인벤토리 마스터의 작동 유체 요구량에 의해 터빈 입구의 압력을 조절하는 제4구동기를 더 포함할 수 있다.
상기 물리량은 터빈의 입구 압력, 유량 및 온도와, 열교환기의 출구 온도를 포함할 수 있다.
상기 초임계 브레이튼 사이클 통합 제어 장치는 완전 자동 운전 모드 시 선택 가능한 협조 제어 모드(Coordination Control Mode), 안정적 부하 운전 시 선택 가능한 열원 우선 제어 모드(Heat Source Master Control Mode) 또는 속응성을 요하는 부하 운전 시 선택 가능한 브레이튼 사이클 우선 제어 모드(Brayton Cycle Master Conrol Mode)로 동작할 수 있다.
상기 협조 제어 모드는, 상기 열교환기의 출구 온도 제어가 상기 1차 계통과 상기 2차 계통에서 함께 이루어지고, 터빈 입구 압력 제어가 상기 2차 계통의 인벤토리 탱크에 설치된 터빈 유량 조절 밸브에 의해 이루어질 수 있다.
상기 열원 우선 제어 모드는, 상기 1차 계통의 출력값이 수동으로 고정되고, 상기 열교환기의 출구 온도 제어가 상기 2차 계통에서 이루어지며, 터빈 입구 압력 제어가 상기 2차 계통의 인벤토리 탱크에 설치된 터빈 유량 조절 밸브에 의해 이루어질 수 있다.
상기 브레이튼 사이클 우선 제어 모드는, 상기 2차 계통의 출력값이 수동으로 고정되고, 상기 열교환기의 출구 온도 제어가 상기 1차 계통에서 이루어지며, 터빈 입구 압력 제어가 상기 2차 계통의 인벤토리 탱크에 설치된 터빈 유량 조절 밸브에 의해 이루어질 수 있다.
상기 작동 유체는 CO2를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 가변 열원을 적용한 초임계 브레이튼 사이클 통합 제어 장치는 부하 운전 또는 과도 상태에서 열원과 브레이튼 사이클 간의 열 전달량과 요구량을 일치시켜 안정적인 운전 신뢰성을 확보한다.
또한, 본 발명에 따른 가변 열원을 적용한 초임계 브레이튼 사이클 통합 제어 장치는 간단한 부하 요구량 입력만으로 발전 시스템 전체를 안정적으로 운용가능하게 한다.
또한, 본 발명에 따른 가변 열원을 적용한 초임계 브레이튼 사이클 통합 제어 장치는 과도 상태에서 주요 발전 변수를 일정하게 유지시켜 설비 손상 및 사고를 방지하도록 한다.
또한, 본 발명에 따른 가변 열원을 적용한 초임계 브레이튼 사이클 통합 제어 장치는 사용법이 간단하며 사용자의 기호에 따른 다양한 운전 모드 선택 사항을 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 열원을 적용한 초임계 브레이튼 사이클 통합 제어 장치의 계층적 구조를 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 열원을 적용한 초임계 브레이튼 사이클 통합 제어 장치 중에서 온도 유지를 위해 설정 값이 작동 유체의 임계 온도 부근으로 고정된 PID 제어의 일례를 도시한 도면이다.
도 3은 간접 재압축(Indirect Recompression) CO2 발전 사이클 구성에 적용된 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 제어 장치의 인터페이스 구성을 도시한 블록도이다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 열원을 적용한 초임계 브레이튼 사이클 통합 제어 장치에 의한 제어 방법을 도시한 플로우차트이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 열원을 적용한 초임계 브레이튼 사이클 통합 제어 장치에 의한 제어 방법 중 각 운전 모드를 수행하기 위한 시퀀스 제어 방법을 도시한 도면이다.
도 6은 종래 기술에 따른 간접 재압축 CO2 발전 사이클의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 7은 1,2차 계통의 균형 유지 필요성을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 열원을 적용한 초임계 브레이튼 사이클 통합 제어 장치(100)의 계층적 구조를 도시한 블록도이다.
본 발명에 따른 초임계 브레이튼 사이클 통합 제어 장치 또는 발전 시스템(100)은 부하 요구량(MW Demand)을 전달 또는 생성하는 유니트 마스터(110)와, 열원의 유량 요구량(Heat source Flow Demand)을 전달 또는 생성하는 열원 마스터(120)와, 터빈 마스터(131), 인벤토리 마스터(132) 및 냉각수 마스터(133)로 브레이튼 마스터(130) 요구량(Brayton Master Demand)을 전달 또는 생성하는 브레이튼 마스터(130)를 포함한다.
여기서, 초임계 브레이튼 사이클 통합 제어 장치 또는 발전 시스템(100)은 열원의 열 전달량을 조절하는 1차 계통(141)(Heat Source Process)과 열을 전달받아 작동 유체로 하여금 브레이튼 사이클 발전을 수행하는 2차 계통(142)(Supercritical Brayton Process)을 더 포함한다.
또한, 열원은 원자력, 지열, 태양열, 선박 추진력, 화석 연료, 가스 터빈 또는 증기 터빈 배열 등이 사용될 수 있으나, 본 발명에서 열원의 종류가 한정되지 않는다.
더불어, 1차 계통(141)의 열원으로부터 얻은 열은 열교환기(Intermediate Heat Exchanger, IHX)를 통해 간접적으로 2차 계통(142)에 전달된다. 이때 열교환기는 PCHE(Printed Circuit Heat Exchanger) 타입이 이용될 수 있으나, 본 발명에서 열교환기의 종류가 한정되지 않는다.
먼저, 유니트 마스터(110)(Unit Master)는 급전 지령소 또는 운전원의 요구 값에 따라 열원의 열전달량을 조절하는 1차 계통(141) 및 1차 계통(141)으로부터 열을 전달받아 작동 유체로 브레이튼 사이클 발전을 수행하는 2차 계통(142)에 부하 요구량(MW Demand)을 전달하거나 생성 또는 발생시킨다.
열원 마스터(120)(Heat Source Master)는 유니트 마스터(110)로부터 전달받은 부하 요구량과 2차 계통(142)의 안정화에 필요한 주요 물리량(예: 터빈 입구 압력, 유량, 온도, 열교환기 출구 온도 등)을 참고하여, 2차 계통(142)의 열교환기로 열원의 유량 요구량(Heat Source Flow Demand)를 전달하거나 생성 또는 발생시킨다.
브레이튼 마스터(130)(Brayton Master)는 유니트 마스터(110)로부터 전달받은 부하 요구량과 2차 계통(142)의 안정화에 필요한 주요 물리량(예: 터빈 입구 압력, 유량, 온도, 열교환기 출구 온도 등)을 참고하여, 터빈 마스터(131), 인벤토리 마스터(132) 및/또는 냉각수 마스터(133)로 부하 요구량 충족을 위한 브레이튼 마스터(130) 요구량(Brayton Master Demand) 신호를 전달하거나 생성 또는 발생시킨다.
브레이튼 마스터(130)의 하단에 연결된 터빈 마스터(131)(Turbine Master)는 이 신호(즉, 브레이튼 마스터 요구량)를 통해 터빈 입구 밸브 개도 조절을 위한 출력 요구량(MW Demand) 신호를 2차 계통(142)에 전달하거나 생성 또는 발생시킨다.
브레이튼 마스터(130)의 하단에 연결된 인벤토리 마스터(132)(Inventory Master)는 브레이튼 마스터(130)로부터 받은 신호(즉, 브레이튼 마스터 요구량)를 기반으로 부하 요구량을 충족시키기 위한 작동 유체 요구량(Fluid Flow Demand)을 2차 계통(142)에 전달하거나 생성 또는 조절한다.
브레이튼 마스터(130)의 하단에 연결된 냉각수 마스터(133)(Cooling Master)는 브레이튼 마스터(130)로부터 받은 신호(즉, 브레이튼 마스터 요구량)를 기반으로 압축기 입구 온도 조건을 유지하기 위한 냉각 유체 요구량(Coolant Flow Demand)을 2차 계통(142)에 전달하거나 생성 또는 설정한다.
여기서, 일반적으로 압축기 입구 온도는 전부하에서 일정한 값을 유지해야 한다. 따라서 온도 유지를 위해 설정 값이 작동 유체의 임계 온도 부근으로 고정된 PID 제어기가 사용될 수 있으며, 냉각 유체 요구량(Coolant Flow Demand) 신호는 이 제어 계통의 피드 포워드 신호로 활용될 수가 있다.(도 2 참고)
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 열원을 적용한 초임계 브레이튼 사이클 통합 제어 장치(100) 중에서 온도 유지를 위해 설정 값이 작동 유체의 임계 온도 부근으로 고정된 PID 제어의 일례를 도시한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 일례로, 압축기 입구 온도 제어 장치 구성에서, 온도 제어기 Gt(s)는 PID와 같은 피드백 제어기가 사용될 수가 있다. 피드백 제어기 Gt(s)의 출력만으로 부하 증감에 따른 작동 유체량 변화 시 온도 제어 속응성을 보장할 수 없으므로, 냉각수 마스터(133)의 냉각 유체 요구량(Coolant Flow Demand) 신호에 따라 작동 유체 유량과 그에 요구되는 냉각 유체 유량을 미리 계산하여 피드 포워드 제어기 F(x)를 선형 보간법을 사용하여 구성하고, 피드백 제어기 Gt(s) 및 포워 피드 포워드 제어기 F(x)의 출력의 합을 냉각 유체 요구량 신호로 내보낸다.
여기서, 냉각수 유량 조절 장치에는 펌프 모터의 가변 속도 조절, 유량 조절 밸브 추가 등을 적용할 수가 있다.
도 3은 간접 재압축(Indirect Recompression) CO2 발전 사이클 구성에 적용된 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 제어 장치의 인터페이스 구성을 도시한 블록도이다.
각 구동기의 제어 장치는 PID와 같은 피드백 제어 형태가 사용될 수 있다.
먼저, 제1구동기(141a)는 1차 계통(141)과 2차 계통(142) 사이에 설치되고, 열교환기(Intermediate Heat Exchanger, IHX)로 보내지는 열원의 유량을 조절하는 장치로서, 열원의 유량 요구량(Heat Source Flow Demand)에 따라 설정 값(Set Point)이 정해져 개도가 조절되도록 한다.
제2구동기(131a)는 열교환기와 터빈 사이에 설치되고, 터빈으로 유입되는 유량을 조절하는 장치로서 터빈 마스터(131)의 출력 요구량(MW Demand)에 따라 설정 값(Set Point)이 정해져 개도가 조절되도록 한다. 이러한 제2구동기(131a)를 통해 터빈 입구의 압력이 조절될 수도 있다.
제3구동기(133a)는 냉각수 펌프에 설치되고, 메인 압축기(Main Compressor) 입구에서 작동 유체의 온도를 유지하기 위한 냉각 장치(Precooler)의 냉각수 유량을 조절하도록 한다.
제4,5구동기(132a,132b)는 인벤토리 탱크의 입구 및 출구에 각각 설치되고, 부하 운전 시 작동 유체량을 조절하기 위한 장치로서, 인벤토리 마스터(132)의 작동 유체 요구량(Fluid Flow Demand) 신호에 따라 설정 값(Set Point)이 정해져 개도가 조절되도록 한다. 이러한 제4,5구동기(132a,132b)를 통해서도 터빈 입구의 압력이 조절될 수 있다.
한편, 초임계 브레이튼 사이클 발전 시스템에서, 부하 운전, 과도 상태, 1,2차 계통(141,142)의 일시적인 불균형 시 동요를 일으켜 전계통의 불안정을 일으킬 수 있는 물리량으로서, 터빈 입구에서의 작동 유체 압력, 유량, 온도, 열교환기(IHX)의 출구 온도 등이 있다. 이러한 값의 흔들림이 지속되어 공정의 불안정이 커지면, 설비의 큰 손상과 사고를 초래할 수가 있다. 따라서 부하 조정에 따른 과도 상태에서도 이와 같은 파라미터들이 일정한 값을 유지할 수 있도록 해야 한다.
이에 따라, 본 발명에 따른 초임계 브레이튼 사이클 통합 제어 장치(100)는 출력 제어 주체에 따라 완전 자동 운전 모드 시 선택 가능한 협조 제어 모드(Coordination Control Mode), 안정적 부하 운전 시 선택 가능한 열원 우선 제어 모드(Heat Source Master Control Mode) 또는 빠른 속응성(응답성)을 요하는 부하 운전 시 선택 가능한 브레이튼 사이클 우선 제어 모드(Brayton Cycle Master Conrol Mode)로 동작할 수 있다. 이를 자세히 설명한다.
우선, 협조 제어 모드(Coordination Control Mode)는, 열교환기의 출구 온도 제어가 1차 계통(141)과 2차 계통(142)에서 함께 이루어지고, 터빈 입구 압력 제어가 제2차 계통(142)의 인벤토리 탱크에 설치된 터빈 유량 조절 밸브에 의해 이루어지는 방식이다.
다음으로, 열원 우선 제어 모드(Heat Source Master Control Mode)는, 1차 계통(141)(열원)의 출력값이 고정되고(즉, 1차 계통(141)에 의해 전체 발전 시스템의 출력이 제어되고), 열교환기의 출구 온도 제어가 2차 계통(142)에서 이루어지며, 터빈 입구 압력 제어가 2차 계통(142)의 인벤토리 탱크에 설치된 터빈 유량 조절 밸브에 의해 이루어지는 방식이다.
마지막으로, 브레이튼 사이클 우선 제어 모드(Brayton Cycle Master Control Mode)는, 2차 계통(142)의 출력값이 고정되고(즉, 2차 계통(142)에 의해 전체 발전 시스템의 출력이 제어되고), 열교환기의 출구 온도 제어가 1차 계통(141)에서 이루어지며, 터빈 입구 압력 제어가 제2차 계통(142)의 인벤토리 탱크에 설치된 터빈 유량 조절 밸브에 의해 이루어지는 방식이다.
여기서, 협조 제어 모드는 완전 자동 운전 모드에서만 선택가능하다. 또한, 열원 우선 제어 모드는 안정적인 부하 운전 시 선택 가능하며, 브레이튼 사이클 우선 제어 모드는 빠른 속응성을 요하는 부하 운전 시 선택가능하다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 열원을 적용한 초임계 브레이튼 사이클 통합 제어 장치에 의한 제어 방법을 도시한 플로우차트이다. 여기서, 도 4a는 전체 플로우차트이고, 도 4b 내지 도 4d는 도 4a를 부분적으로 나눠 설명한 플로우차트이다.
우선, 도 4b는 도 4a의 상부에 표시된 유니트 마스터(110)(제어부)의 동작 원리를 설명한 것이다.
부하 요구량(Unit Load Demand)의 값은 자동/수동 스위치 선택에 따라 급전 지령소(AGC) 또는 운전원의 설정에 의해 결정되며 계통 주파수 제어 출력 값과 더해져 브레이튼 마스터(130)로 보내진다.
브레이튼 마스터(130)는 자동(Auto) 모드에서 이 값을 브레이튼 마스터 요구량(Brayton Master Demand)의 신호로 보내고 수동 모드(브레이튼 마스터 오토 신호가 디지털 0)일 때 운전원 설정 값이 브레이튼 마스터 요구량(Brayton Master Demand)의 신호로 보내진다.
다음으로, 도 4c는 도 4a의 열원 마스터(120)(제어부)의 동작 원리를 설명한 것이다.
열원 마스터(120)는 자동(Auto) 모드에서 브레이튼 마스터 요구량(Brayton Master Demand)의 값이 하부로 전달되며 수동 모드(열원 마스터 자동 신호가 디지털 0)일 때 운전원 설정 값이 하부로 전달된다.
이후 열원 우선 제어 모드 또는 협조 제어 모드의 선택 여부에 따라 이 신호가 열원의 유량 요구량(Heat Source Demand)의 신호로 전달되거나 IHX 출구 온도 제어 신호가 전달된다.
마지막으로, 도 4d는 도 4a의 브레이튼 마스터(130)(제어부)의 동작 원리를 설명한 것이다.
브레이튼 마스터(130)는 자동(Auto) 모드에서 부하 요구량(Unit Load Demand)의 값이 하부로 전달되며 수동 모드(브레이튼 마스터 자동 신호가 디지털 0)일 때 운전원 설정 값이 하부로 전달된다.
터빈 마스터(131)는 시간 지연이 가해진 브레이튼 마스터 요구량(Brayton Master Demand)에 터빈 입구 압력 제어 신호를 가해 부하 요구량(MW Demand) 신호를 발생시킨다.
냉각수 마스터(133)는 브레이튼 마스터 요구량(Brayton Master Demand)에 시간 지연을 가해 냉각 유체 요구량(Coolant Flow Demand)의 신호를 발생시킨다.
인벤토리 제어에 사용되는 냉각 유체 요구량(Fluid Flow Demand)의 신호는 협조 제어 모드, 브레이튼 사이클 우선 제어 모드 선택 여부에 따라 출력 제어용 또는 온도 및 압력 제어 신호가 전달된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 열원을 적용한 초임계 브레이튼 사이클 통합 제어 장치에 의한 제어 방법 중 각 운전 모드를 수행하기 위한 시퀀스 제어 방법을 도시한 도면이다.
각 운전 모드의 동작 조건은 다음과 같다.
- 협조 제어 모드(Coordination Control Mode)
운전원에 의해 열원 마스터 자동 & 브레이튼 마스터 자동 선택
운전원에 의해 열원 마스터 온 커맨드 & 브레이튼 마스터 온 커멘드 선택
- 열원 우선 제어 모드(Heat Source Master Control Mode)
운전원에 의해 브레이튼 마스터 자동 선택 & 열원 마스터 자동 선택 안됨
운전원에 의해 열원 마스터 온 커멘드 선택 & 브레이튼 마스터 온 커멘드 선택 안됨
- 브레이튼 사이클 우선 제어 모드(Brayton Cycle Master Control Mode)
운전원에 의해 열원 마스터 자동 선택 & 브레이튼 마스터 자동 선택안됨
운전원에 의해 열원 마스터 온 커멘드 선택 안됨 & 브레이튼 마스터 온 커멘드 선택
이와 같이 하여, 본 발명에 따른 가변 열원을 적용한 초임계 브레이튼 사이클 통합 제어 장치는 부하 운전, 또는 과도 상태에서 열원과 브레이튼 사이클 간의 열 전달량과 요구량을 일치시켜 안정적인 운전 신뢰성을 확보한다. 또한, 본 발명에 따른 가변 열원을 적용한 초임계 브레이튼 사이클 통합 제어 장치는 간단한 부하 요구량 입력만으로 발전 시스템 전체를 안정적으로 운용가능하게 한다. 또한, 본 발명에 따른 가변 열원을 적용한 초임계 브레이튼 사이클 통합 제어 장치는 과도 상태에서 주요 발전 변수를 일정하게 유지시켜 설비 손상 및 사고를 방지하도록 한다. 또한, 본 발명에 따른 가변 열원을 적용한 초임계 브레이튼 사이클 통합 제어 장치는 사용법이 간단하며 사용자의 기호에 따른 다양한 운전 모드 선택 사항을 제공한다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 가변 열원을 적용한 초임계 브레이튼 사이클 통합 제어 장치를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 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; 초임계 브레이튼 사이클 통합 제어 장치
110; 유니트 마스터 120; 열원 마스터
130; 브레이튼 마스터 131; 터빈 마스터
132; 인벤토리 마스터 133; 냉각수 마스터
141; 1차 계통 142; 2차 계통

Claims (15)

  1. 열원의 열전달량을 조절하는 1차 계통 및 상기 1차 계통으로부터 열을 전달받아 작동 유체로 브레이튼 사이클 발전을 수행하는 2차 계통에 부하 요구량(MW Demand)을 전달하는 유니트 마스터;
    상기 유니트 마스터로부터의 부하 요구량과, 상기 2차 계통의 안정화에 필요한 물리량을 이용하여, 열교환기로 열원의 유량 요구량(Heat source Flow Demand)을 전달하는 열원 마스터; 및,
    상기 유니트 마스터로부터의 부하 요구량과, 상기 2차 계통의 안정화에 필요한 물리량을 이용하여, 상기 부하 요구량의 충족을 위해 터빈 마스터, 인벤토리 마스터 및 냉각수 마스터로 브레이튼 마스터 요구량(Brayton Master Demand)을 전달하는 브레이튼 마스터를 포함함을 특징으로 하는 초임계 브레이튼 사이클 통합 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 터빈 마스터는 상기 브레이튼 마스터 요구량을 이용하여 터빈 입구 밸브 개도 조절을 위한 출력 요구량을 상기 2차 계통에 전달함을 특징으로 하는 초임계 브레이튼 사이클 통합 제어 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 인벤토리 마스터는 상기 브레이튼 마스터 요구량을 이용하여 상기 부하 요구량을 충족시키기 위한 작동 유체 요구량을 상기 2차 계통에 전달함을 특징으로 하는 초임계 브레이튼 사이클 통합 제어 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각수 마스터는 상기 브레이튼 마스터 요구량을 이용하여 압축기 입구 온도 유지를 위한 냉각 유체 요구량을 상기 2차 계통에 전달함을 특징으로 하는 초임계 브레이튼 사이클 통합 제어 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 냉각수 마스터는,
    상기 작동 유체의 온도를 피드백받는 피드백 제어기; 및
    상기 작동 유체의 유량과 그에 요구되는 미리 계산된 냉각 유체 요구량을 피드 포워드 신호로 입력받는 피드 포워드 제어기를 포함하고,
    상기 피드백 제어기와 상기 피드 포워드 제어기의 출력의 합이 상기 압축기 입구 온도 유지를 위한 냉각 유체 요구량으로 출력됨을 특징으로 하는 초임계 브레이튼 사이클 통합 제어 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 1차 계통과 상기 2차 계통 사이에 설치되고, 상기 열원 마스터의 열원의 유량 요구량에 의해 상기 열원의 유량을 조절하는 제1구동기를 더 포함함을 특징으로 하는 초임계 브레이튼 사이클 통합 제어 장치.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 열교환기와 터빈 사이에 설치되고, 상기 터빈 마스터의 출력 요구량에 의해 상기 터빈으로 유입되는 유량을 조절하는 제2구동기를 더 포함함을 특징으로 하는 초임계 브레이튼 사이클 통합 제어 장치.
  8. 제 4 항에 있어서,
    냉각 펌프에 설치되고, 상기 냉각수 마스터의 냉각수 요구량에 의해 상기 압축기 입구 온도 유지를 위한 냉각수 유량을 조절하는 제3구동기를 더 포함함을 특징으로 하는 초임계 브레이튼 사이클 통합 제어 장치.
  9. 제 3 항에 있어서,
    인벤토리 탱크의 입구 및 출구에 설치되어 상기 인벤토리 마스터의 작동 유체 요구량에 의해 터빈 입구의 압력을 조절하는 제4구동기를 더 포함함을 특징으로 하는 초임계 브레이튼 사이클 통합 제어 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 물리량은 터빈의 입구 압력, 유량 및 온도와, 열교환기의 출구 온도를 포함함을 특징으로 하는 초임계 브레이튼 사이클 통합 제어 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 초임계 브레이튼 사이클 통합 제어 장치는 완전 자동 운전 모드 시 선택 가능한 협조 제어 모드(Coordination Control Mode), 안정적 부하 운전 시 선택 가능한 열원 우선 제어 모드(Heat Source Master Control Mode) 또는 속응성을 요하는 부하 운전 시 선택 가능한 브레이튼 사이클 우선 제어 모드(Brayton Cycle Master Conrol Mode)로 동작함을 특징으로 하는 초임계 브레이튼 사이클 통합 제어 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 협조 제어 모드는,
    상기 열교환기의 출구 온도 제어가 상기 1차 계통과 상기 2차 계통에서 함께 이루어지고,
    터빈 입구 압력 제어가 상기 2차 계통의 인벤토리 탱크에 설치된 터빈 유량 조절 밸브에 의해 이루어짐을 특징으로 하는 초임계 브레이튼 사이클 통합 제어 장치.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 열원 우선 제어 모드는,
    상기 1차 계통의 출력값이 수동으로 고정되고,
    상기 열교환기의 출구 온도 제어가 상기 2차 계통에서 이루어지며,
    터빈 입구 압력 제어가 상기 2차 계통의 인벤토리 탱크에 설치된 터빈 유량 조절 밸브에 의해 이루어짐을 특징으로 하는 초임계 브레이튼 사이클 통합 제어 장치.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 브레이튼 사이클 우선 제어 모드는,
    상기 2차 계통의 출력값이 수동으로 고정되고,
    상기 열교환기의 출구 온도 제어가 상기 1차 계통에서 이루어지며,
    터빈 입구 압력 제어가 상기 2차 계통의 인벤토리 탱크에 설치된 터빈 유량 조절 밸브에 의해 이루어짐을 특징으로 하는 초임계 브레이튼 사이클 통합 제어 장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 작동 유체는 CO2를 포함함을 특징으로 하는 초임계 브레이튼 사이클 통합 제어 장치.
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