KR20170076565A - 플랜트 제어 장치, 플랜트 제어 방법, 및 발전 플랜트 - Google Patents

플랜트 제어 장치, 플랜트 제어 방법, 및 발전 플랜트 Download PDF

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Abstract

일 실시예에서, 플랜트 제어 장치는 발전 플랜트를 제어하도록 구성되고, 발전 플랜트는 가스에 의해 구동되도록 구성된 가스 터빈; 가스 터빈으로부터의 배기 가스의 열을 이용해서 증기를 발생시키도록 구성된 배기열 회수 보일러; 배기열 회수 보일러에 의해 생성된 증기를 냉각 매체를 통해 냉각하도록 구성된 감온(減溫) 장치; 및 감온 장치에 의해 냉각된 증기에 의해 구동되도록 구성된 증기 터빈을 포함한다. 플랜트 제어 장치는, 가스 터빈의 출력을 제어하도록 구성된 출력 제어기; 및 출력 제어기가 가스 터빈의 출력을 제어하는 동안, 감온 장치에 의한 증기의 냉각 동작을 제어하도록 구성된 감온 제어기를 포함한다.

Description

플랜트 제어 장치, 플랜트 제어 방법, 및 발전 플랜트{PLANT CONTROL APPARATUS, PLANT CONTROL METHOD AND POWER GENERATING PLANT}
본원에 개시된 실시예는 플랜트 제어 장치, 플랜트 제어 방법, 및 발전 플랜트에 관한 것이다.
복합-사이클 발전 플랜트는 일반적으로 가스 터빈, 배기열 회수 보일러 및 증기 터빈을 포함한다. 가스 터빈은 연소기로부터 공급되는 가스에 의해 구동된다. 배기열 회수 보일러는 가스 터빈으로부터 배출되는 배기 가스의 열을 이용해서 증기를 발생시킨다. 증기 터빈은 배기열 회수 보일러로부터 공급되는 증기에 의해 구동된다.
예를 들면, 복합-사이클 발전 플랜트는 아래에 설명되는 바와 같이 작동된다. 우선, 주 증기 온도를 빠르게 상승시키도록, 가스 터빈 출력이 큰 값인 제 2 출력값으로 유지되면서 배기열 회수 보일러가 동작된다. 다음으로, 주 증기 온도가 증기 터빈의 작동에 적합한 온도로 상승하면, 가스 터빈 출력은 작은 값인 제 1 출력값으로 스위칭된다. 이렇게 하면 발전 플랜트를 작동시키는 시간을 단축할 수 있다.
제 1 출력값은 증기 터빈의 제 1 스테이지 내면에서의 금속 온도에 의거하여 배기 가스의 온도를 미리 정해진 온도로 조정하기 위한 출력값이다. 가스 터빈 출력이 제 2 출력값으로 계속 유지될 경우, 주 증기 온도는 제 1 스테이지 내면에서의 금속 온도를 크게 초과한다. 이러한 주 증기 온도는 증기 터빈의 작동에 적합하지 않다. 따라서, 가스 터빈 출력은 제 2 출력값으로부터 제 1 출력값으로 전환된다. 이에 따라, 배기 가스 온도가 저하되고, 증기 터빈의 작동에 적합한 주 증기 온도가 얻어진다.
그러나, 가스 터빈 출력이 제 2 출력값으로부터 제 1 출력값으로 감소될 때, 배기 가스에 의해 보유된 열량은 저하된다. 결과적으로, 단위 시간당 배기열 회수 보일러에 의해 발생되는 증기의 양은 저하되고, 이로 인해 주 증기 유량이 감소되게 된다. 이러한 주 증기 유량의 감소는 다음 경우에 문제를 일으킨다.
(1) 복합-사이클 발전 플랜트는 가스 터빈과 증기 터빈이 다른 축 상에 설치되는 2축형, 및 가스 터빈과 증기 터빈이 동일 축 상에 설치되는 1축형으로 분류된다. 2축형에서, 증기 터빈은 자체 작동을 통해 정격 회전 동작(FSNL(full-speed-no-load) 동작)을 수행할 필요가 있다. FSNL 동작을 수행하기 위해 비교적 큰 주 증기 유량이 달성될 필요가 있다. 2축형은 단일 가스 터빈, 단일 배기열 회수 보일러, 및 단일 증기 터빈을 포함하는 1-1-1 구성을 갖거나, 복수의 가스 터빈, 복수의 배기열 회수 보일러, 및 단일 증기 터빈을 포함하는 N-N-1 구성을 갖는다(N은 2 이상의 정수).
(2) 복합-사이클 발전 플랜트의 작동 전에, 발전 플랜트가 장시간 정지되었고, 증기 터빈의 제 1 스테이지 내면에서의 금속 온도가 저온으로 냉각되어 있다. 따라서, 증기 터빈은 저온의 주 증기로 작동될 필요가 있어, 저온의 배기 가스가 필요하다. 이는 제 1 출력값 및 주 증기 유량의 감소로 이어진다.
따라서, 가스 터빈 출력이 제 2 출력값으로부터 제 1 출력값으로 감소될 때, 증기 터빈을 구동하기 위한 주 증기 유량이 2축 발전 플랜트에서 불충분하다. 이 증기 부족이 증기 터빈의 통기가 개시되기 전에 발생되면, 증기 터빈을 작동시킬 수 없다. 한편, 증기 터빈의 통기가 개시된 후에 증기 부족이 발생하면, FSNL 동작을 위해 증속 상태에 있었던 증기 터빈의 동작 상태가 감속 상태가 된다.
일 실시예에서, 일 실시예에서, 플랜트 제어 장치는 발전 플랜트를 제어하도록 구성되고, 발전 플랜트는 가스에 의해 구동되도록 구성된 가스 터빈; 가스 터빈으로부터의 배기 가스의 열을 이용해서 증기를 발생시키도록 구성된 배기열 회수 보일러; 배기열 회수 보일러에 의해 생성된 증기를 냉각 매체를 통해 냉각하도록 구성된 감온(減溫) 장치; 및 감온 장치에 의해 냉각된 증기에 의해 구동되도록 구성된 증기 터빈을 포함한다. 플랜트 제어 장치는, 가스 터빈의 출력을 제어하도록 구성된 출력 제어기; 및 출력 제어기가 가스 터빈의 출력을 제어하는 동안, 감온 장치에 의한 증기의 냉각 동작을 제어하도록 구성된 감온 제어기를 포함한다.
도 1은 제 1 실시예의 발전 플랜트의 구성을 도시하는 개략도.
도 2는 제 1 실시예의 증기 터빈의 구조를 도시하는 단면도.
도 3은 제 1 실시예의 플랜트 제어 장치의 구성을 개략적으로 도시하는 블록도.
도 4는 제 1 실시예의 플랜트 제어 장치의 구성의 블록도.
도 5는 제 1 실시예의 플랜트 제어 방법의 플로차트.
도 6은 제 1 실시예의 비교예의 플랜트 제어 방법의 플로차트.
도 7은 제 1 실시예의 변형예의 플랜트 제어 방법의 플로차트.
도 8은 제 1 실시예의 플랜트 제어 방법을 설명하기 위한 그래프.
도 9는 제 1 실시예의 비교예의 플랜트 제어 방법을 설명하기 위한 그래프.
이하, 첨부된 도면을 참조해서 실시예를 설명한다.
(제 1 실시예)
도 1은 제 1 실시예의 발전 플랜트(1)의 구성을 도시하는 개략도이다. 본 실시예의 발전 플랜트(1)는 발전 플랜트(1)를 제어하는 플랜트 제어 장치(2)를 포함한다. 본 실시예의 발전 플랜트(1)는 복합-사이클 발전 플랜트이다.
본 실시예의 발전 플랜트(1)는 압축기(11), 가스 터빈(12), 가스 터빈(GT) 발전기(13), 연소기(14), 연료 제어 밸브(15), 배기열 회수 보일러(16), 급수 펌프(21), 감온 장치(22), 드럼(23), 증발기(24), 1차 과열기(25), 2차 과열기(26), 증기 터빈(31), 증기 터빈(ST) 발전기(32), 조절 밸브(33), 바이패스 제어 밸브(34), 증기 응축기(35) 및 순환수 펌프(36)를 더 포함한다. 감온 장치(22)는 감온 제어 밸브(22a) 및 감온기(22b)를 포함한다. 본 실시예의 발전 플랜트(1)는 출력 센서(OS), 온도 센서(TS1, TS2, TS3), 및 압력 센서(PS)를 더 포함한다.
연료 제어 밸브(15)는 연료 파이프에 설치된다. 연료 제어 밸브(15)가 개방되면, 연료 파이프로부터 연소기(14)로 연료(A1)가 공급된다. 압축기(11)는 압축 공기를 연소기(14)에 공급한다. 연소기(14)는 압축 공기와 함께 연료(A1)를 연소시켜 고온 고압의 가스를 발생시킨다. 가스 터빈(12)은 이 가스에 의해 회전된다. GT 발전기(13)는 이 회전을 이용해서 발전한다. 출력 센서(OS)는 가스 터빈(12)의 출력을 검출하고, 그 검출 결과를 플랜트 제어 장치(2)에 출력한다. 가스 터빈(12)의 출력은 가스 터빈(12)과 연결된 GT 발전기(13)의 전기 출력이다. 출력 센서(OS)는 GT 발전기(13)에 설치된다.
가스 터빈(12)으로부터 배출된 배기 가스(A2)는 배기열 회수 보일러(16)로 이송된다. 배기열 회수 보일러(16)는 후술하는 바와 같이 배기 가스(A2)의 열을 이용해서 증기를 발생시킨다. 온도 센서(TS1)는 배기열 회수 보일러(16)의 배기 가스 입구 부근의 배기 가스(A2)의 온도를 검출하고, 그 온도 검출 결과를 플랜트 제어 장치(2)에 출력한다.
급수 펌프(21)는 물을 급수관에 이송한다. 급수관은 제 1 및 제 2 파이프로 분기된다. 제 1 파이프는 감온 장치(22)의 감온기(22b)와 연결되고, 제 2 파이프는 드럼(23)과 연결된다. 감온 장치(22)의 감온 제어 밸브(22a)는 제 1 파이프에 설치된다. 감온 제어 밸브(22a)가 개방되면, 제 1 파이프의 물은 냉각수(A3)로서 감온기(22b)에 공급된다. 냉각수(A3)는 냉각 매체의 일 예이다. 감온기(22b)는 후술하는 바와 같이, 배기열 회수 보일러(16)에 의해 생성된 증기를 냉각수(A3)를 통해 냉각한다.
증발기(24), 1차 과열기(25), 감온기(22b), 및 2차 과열기(26)는 배기열 회수 보일러(16)의 내부에 설치되며 배기열 회수 보일러(16)의 일부로서 기능한다. 드럼(23) 내의 물은 증발기(24)에 이송되고 증발기(24)에서 배기 가스(A2)를 통해 가열됨으로써 포화 증기가 된다. 포화 증기는 1차 과열기(25)에서 배기 가스(A2)를 통해 과열됨으로써 1차 과열 증기(A4)가 된다. 1차 과열 증기(A4)는, 감온기(22b)에서 냉각수(A3)를 통해 냉각된 후 2차 과열기(26)에서 배기 가스(A2)를 통해 과열됨으로써, 2차 과열 증기(A5)가 된다.
감온기(22b)는 냉각수(A3)와 1차 과열 증기(A4)를 혼합한다. 그 결과, 냉각수(A3)는 증발하고, 1차 과열 증기(A4)는 냉각수(A3)의 잠열에 의해 냉각된다. 냉각수(A3)의 일부는 증발하지 않고 물방울로서 감온기(22b)로부터 배출된다. 2차 과열기(26)는 과열에 의해 이들 물방울을 증기로 변화시킨다.
이하, 2차 과열 증기(A5)를 주 증기라고 한다. 온도 센서(TS2)는 배기열 회수 보일러(16)의 증기 출구 부근의 주 증기(A5)의 온도를 검출하고, 그 온도 검출 결과를 플랜트 제어 장치(2)에 출력한다. 압력 센서(PS)는 배기열 회수 보일러(16)의 증기 출구 부근의 주 증기(A5)의 압력을 검출하고, 그 압력 검출 결과를 플랜트 제어 장치(2)에 출력한다.
배기열 회수 보일러(16)에 의해 생성된 주 증기(A5)는 증기 파이프에 배출된다. 증기 파이프는 주 파이프와 바이패스 파이프로 분기된다. 주 파이프는 증기 터빈(31)과 연결되고, 바이패스 파이프는 증기 응축기(35)와 연결된다. 조절 밸브(33)가 주 파이프에 설치된다. 바이패스 제어 밸브(34)가 바이패스 파이프에 설치된다.
조절 밸브(33)가 개방되면, 주 파이프의 주 증기(A5)가 증기 터빈(31)에 공급된다. 증기 터빈(31)은 주 증기(A5)에 의해 회전된다. ST 발전기(32)는 이 회전을 이용해서 발전한다. 증기 터빈(31)으로부터 배출된 주 증기(A6)는 증기 응축기(35)로 이송된다. 바이패스 제어 밸브(34)가 개방되면, 바이패스 파이프 내의 주 증기(A5)는 증기 터빈(31)을 바이패스하면서 증기 응축기(35)에 이송된다. 온도 센서(TS3)는 증기 터빈(31)의 제 1 스테이지 내면에서의 금속 온도를 검출하고, 그 온도 검출 결과를 플랜트 제어 장치(2)에 출력한다.
순환수 펌프(36)는 순환수(A7)를 증기 응축기(35)에 공급한다. 순환수(A7)는, 예를 들면 해수이다. 증기 응축기(35)는 순환수(A7)를 통해 주 증기(A5, A6)를 냉각하여 주 증기(A5, A6)를 물로 응축시킨다. 순환수(A7)가 해수일 때, 증기 응축기(35)로부터 배출된 순환수(A7)를 바다로 되돌아간다.
[감온 장치(22)]
상술한 바와 같이, 증기 터빈(31)은 감온 장치(22)에 의해 냉각된 증기에 의해 구동된다. 보다 구체적으로, 증기 터빈(31)은, 증발기(24)에 의해 생성되고, 1차 과열기(25)에 의해 과열되고, 감온기(22b)에 의해 냉각되고, 2차 과열기(26)에 의해 과열된 증기에 의해 구동된다. 이하, 발전 플랜트(1)에서 감온 장치(22) 설치의 배경에 대해서 설명한다.
발전 플랜트(1)가 작동될 때, 가스 터빈(12)의 출력은 초기 부하로부터 중간 출력 범위를 지나 최대 출력(베이스 부하)에 도달한다. 통상적으로, 중간 출력 영역에서의 배기 가스(A2)의 온도는, 가스 터빈(12)이 최대 출력에서 동작될 때의 배기 가스(A2)의 온도보다 높다. 따라서, 중간 출력 범위에서의 주 증기(A5)의 온도는, 가스 터빈(12)이 최대 출력에서 동작될 때의 주 증기(A5)의 온도보다 높아지는 경향이 있다. 이러한 이유로, 감온 장치(22)는 중간 출력 범위에서 1차 과열 증기(A4)를 냉각시키기 위해 설치된다.
감온 장치(22)가 발전 플랜트(1)에 설치되어 있지 않을 경우, 배기열 회수 보일러(16)는 중간 출력 범위에서의 고온 증기에 견딜 수 있는 고가의 재료로 제조될 필요가 있다. 이는 경제적 효율성에 있어 유익하지 않다. 중간 출력 범위는 플랜트 작동 프로세스에서 과도적 경과 구간이며, 이 과도적 경과 구간으로 인한 배기열 회수 보일러(16)의 비용 상승은, 상용 운전시 플랜트가 거의 항상 최대 또는 최대 출력 부근에서 동작한다는 것을 고려할 때 바람직하지 못하다.
따라서, 감온 장치(22)가 본 실시예의 발전 플랜트(1)에 설치된다. 이는 1차 과열 증기(A4)가 중간 출력 범위에서 감온 장치(22)에 의해 냉각될 경우, 열효율의 감소에도 불구하고 배기열 회수 보일러(16)의 비용 감소가 달성될 수 있기 때문이다.
본 실시예의 감온 장치(22)는, 1차 과열 증기(A4)의 온도 및 유량이 상승할 때 냉각수(A3)의 유량을 상승시키고, 1차 과열 증기(A4)의 온도 및 유량이 감소할 때 냉각수(A3)의 유량을 감소시킨다. 이로 인해 주 증기(A5)의 온도가 일정하게 유지된다.
도 2는 제 1 실시예의 증기 터빈(31)의 구조를 도시하는 단면도이다.
본 실시예의 증기 터빈(31)은 복수의 로터 베인(rotor vane)을 포함하는 로터(31a), 복수의 스테이터 베인(stator vane)을 포함하는 스테이터(31b), 증기 입구(31c), 및 증기 출구(31d)를 포함한다. 부호(L)는 로터(31a)의 회전축을 나타낸다. 주 증기(A5)는 증기 입구(31c)를 통해 도입되고, 증기 터빈(31)의 내부를 거쳐 증기 출구(31d)로부터 주 증기(A6)로서 배출된다.
도 2는 온도 센서(TS3)의 설치 위치를 나타낸다. 온도 센서(TS3)는 증기 터빈(31)의 제 1 스테이지 스테이터 베인의 내면 부근에 설치된다. 이 구성에 의해, 온도 센서(TS3)는 이 내면에서의 금속 온도를 검출할 수 있다.
도 3은 제 1 실시예의 플랜트 제어 장치(2)의 구성을 개략적으로 도시하는 블록도이다.
본 실시예의 플랜트 제어 장치(2)는 출력 제어기(2a), 감온 제어기(2b) 및 과열도(superheat degree) 검출기(2c)를 포함한다.
출력 제어기(2a)는 가스 터빈(12)의 출력을 제어한다. 예를 들면, 출력 제어기(2a)는 연료 제어 밸브(15)의 개도(opening degree)의 제어를 통해 연료(A1)의 유량을 조정함으로써 가스 터빈(12)의 출력을 제어할 수 있다.
감온 제어기(2b)는 감온 장치(22)에 의해 증기 냉각 동작을 제어한다. 예를 들면, 감온 제어기(2b)는, 감온 제어 밸브(22a)의 개도의 제어를 통해 냉각수(A3)의 유량을 제어함으로써 감온기(22b)에 의해 1차 과열 증기(A4)를 냉각하도록, 냉각 동작을 제어할 수 있다.
과열도 검출기(2c)는 감온 장치(22)에 의해 냉각된 증기의 과열도를 검출한다. 증기의 과열도는 증기의 온도와 그 포화 온도의 차이이다(과열도[℃] = 온도[℃] - 포화 온도[℃]). 과열도는 증기의 상태를 나타내는 예시적인 값이다. 본 실시예의 과열도 검출기(2c)는 배기열 회수 보일러(16)의 증기 출구 부근의 주 증기(A5)의 과열도를 검출하고, 과열도 검출 결과를 출력 제어기(2a) 및 감온 제어기(2b)에 출력한다.
출력 제어기(2a)가 가스 터빈(12)의 출력을 제어하는 동안, 감온 제어기(2b)는 감온 장치(22)에서의 냉각 동작을 제어한다. 구체적으로, 감온 제어기(2b)는, 과열도 검출기(2c)에 의해 검출된 과열도에 의거하여 감온 장치(22)에서의 냉각 동작을 제어한다. 또한, 출력 제어기(2a)는 과열도 검출기(2c)에 의해 검출된 과열도에 의거하여 가스 터빈(12)의 출력을 제어한다.
출력 제어기(2a)는 가스 터빈(12)의 출력이 중간 출력 범위에 있을 때의 과열도에 의거하여 가스 터빈(12)의 출력을 제어한다. 따라서, 출력 제어기(2a)가 중간 출력 범위에서의 가스 터빈(12)의 출력을 제어하는 동안, 감온 제어기(2b)는 과열도에 의거하여 감온 장치(22)에서의 냉각 동작을 제어한다.
과열도의 검출 방법 및 그 이용 방법의 상세에 대해서는 후술한다. 출력 제어부(2a), 감온 제어부(2b), 및 과열도 검출기(2c)의 구성 및 동작의 상세에 대해서는 후술한다.
도 4는 제 1 실시예의 플랜트 제어 장치(2)의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 플랜트 제어 장치(2)는 설정기(41), 설정기(42), 고값(high-value) 선택기(43), 전환기(44), 감산기(45), PID(proportional-integral-derivative) 제어기(46), 저값(low-value) 선택기(47), 함수 발생기(51), 감산기(52), 설정기(53), 비교기(54), 전환기(55), 설정기(56) 및 샘플링 지연 유닛(57)을 포함한다. 본 실시예의 감온 제어기(2b) 및 과열도 검출기(2c)는 이들 구성 요소의 블록에 의해 각각 달성된다.
설정기(41)는 주 증기(A5)의 온도(이하, "주 증기 온도"라고 함)의 설정값으로서 570℃를 저장한다. 이 온도는 배기열 회수 보일러(16)의 내열성에 의거하여 판정되는 목표 온도이다. 본 실시예에서는, 주 증기 온도를 570℃의 목표 온도로 제어함으로써, 중간 출력 범위에서의 고온 증기로 인한 배기열 회수 보일러(16)의 손상을 방지할 수 있다. 설정기(41)를 이용하여 주 증기 온도가 570℃에 도달하면, 주 증기 온도를 570℃ 이하로 감소시키도록 냉각수(A3)가 감온기(22b) 내로 주입된다.
발전 플랜트(1)가 중간 출력 범위에서의 배기 가스(A2)의 온도(이하, "배기 가스 온도"라고 함)가 600℃ 내지 650℃의 최고 온도를 갖도록 설계될 경우, 주 증기 온도는, 배기열 회수 보일러(16)의 내열성을 고려하여, 전형적으로 대략 550℃ 내지 600℃로 감소된다. 따라서, 본 실시예에서는, 설정기(41)의 설정값을 570℃로 설정한다.
설정기(42)는 주 증기 온도의 설정값으로서 330℃를 내부에 저장한다. 고값 선택기(43)는 설정기(42)로부터 이 "330℃"의 온도를 취득하고, 온도 센서(TS3)로부터 증기 터빈(31)의 제 1 스테이지 내면에서의 금속 온도(이하, 간단히 "금속 온도"라고 함)를 취득한다. 그리고, 고값 선택기(43)는 이들 온도 중 높은 것을 선택하고, 그 선택된 온도를 작동 목표 온도(B1)로서 출력한다. 따라서, 작동 목표 온도(B1)는 330℃ 이상이다.
증기 터빈(31)을 통기시켜 주 증기(A5)가 금속 온도로 냉각될 경우, 증기 터빈(31)에서 발생되는 열 응력이 크게 감소되어 증기 터빈(31)을 작동에 적합한 상태로 한다. 그러나, 증기 터빈(31)은 과도하게 낮은 온도에서의 주 증기(A5)로 동작될 수 없다. 이 때문에, 주 증기 온도는 설정기(42)에 설정된 하한(330℃)을 가지며, 이 하한은 금속 온도가 하한보다 낮을 때의 작동 목표 온도(B1)이다.
전환기(44)는 고값 선택기(43)로부터 작동 목표 온도(B1)를 취득하고 설정기(41)로부터 "570℃"의 목표 온도를 취득한다. 전자의 목표 온도는 예시적인 제 1 설정값이다. 후자의 목표 온도는 예시적인 제 2 설정값이다. 전환기(44)는 전자의 목표 온도와 후자의 목표 온도와를 전환하고, 목표 온도 중 하나를 주 증기 온도의 설정값(SV 값)(B3)으로서 출력한다.
전환기(44)는 스위치 신호(B2)에 의존하여 동작한다. 전환 신호(B2)는 냉각수(A3)의 주입 방법을 전환하기 위한 신호이다. 전환 신호(B2)가 온일 때, 전환기(44)는 설정값(B3)을 작동 목표 온도(B1)로 전환한다. 스위치 신호(B2)가 오프일 경우, 전환기(44)는 설정값(B3)을 "570℃"의 목표 온도로 전환한다.
예를 들면, 본 실시예의 발전 플랜트(1)가 저온 작동을 통해 작동될 경우, 작동 목표 온도(B1)는 330℃이다. 이 경우, 스위치 신호(B2)가 온일 때, 작동 목표 온도(B1)가 선택되며, 그에 따라 SV 값은 330℃이다. 전형적인 발전 플랜트는 설정기(41)를 포함하지만, 설정기(42), 고값 선택기(43), 및 전환기(44)를 포함하지 않는다. 이 경우, 냉각수(A3)의 주입이 개시되면, SV 값은 570℃로 유지된다. 이러한 방식으로, 본 실시예의 저온 동작시, 주 증기 온도는 SV 값이 330℃로 제어되며, 이는 570℃보다 현저히 낮다.
감산기(45)는 온도 센서(TS2)로부터 주 증기 온도의 측정값을 프로세스 값(PV 값)(B4)으로서 취득한다. 이어서, 감산기(45)는, SV 값(B3)과 주 증기 온도의 PV 값(B4) 사이의 편차(B5)(편차 = SV값 - PV 값)를 출력한다.
PID 제어기(46)는 감산기(45)로부터 편차(B5)를 취득하고 편차(B5)를 0으로 감소시키도록 PID 제어를 수행한다. PID 제어기(46)로부터 출력된 동작량(MV 값)(B6)은 감온 제어 밸브(22a)의 개도이다. PID 제어기(46)에 의해 MV 값(B6)이 변경되면, 감온 제어 밸브(22a)의 개도가 변경되고, 그에 따라 냉각수(A3)의 유량이 변경된다. 결과적으로, 주 증기 온도의 PV 값(B4)은 SV 값(B3)에 더 가깝게 변경된다.
이러한 방식으로, PID 제어기(46)는 피드백 제어에 의해 주 증기 온도를 제어한다. 구체적으로는, PID 제어기(46)는 SV 값(B3)과 주 증기 온도의 PV 값(B4) 사이의 편차(B5)에 의거하여 MV 값(B6)을 산출하고, MV 값(B6)의 제어를 통해 주 증기 온도를 제어한다.
그러나, 본 실시예에서, 저값 선택기(47)는 PID 제어기(46)에 의해 계산된 MV 값(B6) 및 주 증기(A5)의 과열도를 이용해서 계산된 MV 값을 취득한다. 그리고, 저값 선택기(47)는 이들 MV 값 중 낮은 것을 선택하고, 그 선택된 MV 값을 감온 제어 밸브(22a)의 개도 커맨드(XN)로서 출력한다. 본 실시예의 플랜트 제어 장치(2)는 주 증기(A5)의 과열도에 의거하여 가스 터빈(12)의 출력을 제어한다.
[주 증기(A5)의 과열도]
다음으로, 주 증기(A5)의 과열도를 설명한다. 주 증기(A5)의 과열도는 주 증기(A5)의 온도와 그 포화 온도 사이의 차이(과열도[℃] = 온도[℃] - 포화 온도[℃])이다. 주 증기(A5)의 포화 온도는 주 증기(A5)의 압력에 의존한다. 주 증기(A5)의 과열도가 검출되어, 예를 들면 함수 발생기(51), 감산기(52), 설정기(53), 비교기(54), 전환기(55), 설정기(56), 및 후술하는 플랜트 제어 장치(2)의 샘플링 지연 유닛(2)에 의해 이용된다.
다음으로, 우선 SV 값(B3)이 570℃인 경우를 설명한다. 이 경우 배기 가스(A2)와 1차 과열 증기(A4) 사이의 온도 차이가 20℃라고 상정하면, 1차 과열 증기(A4)의 온도는 580℃로부터 630℃로 변화하는 한편, 배기 가스(A2)의 온도는 600℃로부터 650℃로 변화된다. 이 경우, 감온기(22b)는 580℃ 내지 630℃의 온도 범위에서 1차 과열 증기(A4)를 냉각시킴으로써 570℃에서 주 증기(A5)를 발생시킨다. 따라서, 1차 과열 증기(A4)와 주 증기(A5)는 10℃ 내지 60℃의 작은 온도 차이이기 때문에, 적은 양의 냉각수(A3)만을 주입할 필요가 있다.
다음으로, SV 값(B3)이 작동 목표 온도(B1)인 경우를 설명한다. 이 경우, 배기 가스(A2)와 1차 과열 증기(A4) 사이의 온도 차이를 20℃라고 상정하면, 1차 과열 증기(A4)의 온도는 530℃인 한편, 배기 가스(A2)의 온도는 550℃이다. 이 경우, 작동 목표 온도(B1)가 330℃일 때, 감온기(22b)는 530℃의 1차 과열 증기(A4)를 냉각해서 330℃의 주 증기(A5)를 발생시킨다. 따라서, 1차 과열 증기(A4)와 주 증기(A5)는 200℃의 큰 온도 차이를 가지므로 다량의 냉각수(A3)를 주입할 필요가 있다.
이와 같이, 1차 과열 증기(A4)의 온도가 크게 감소되면, 냉각수(A3)의 주입량이 과도하게 되어, 다량의 물방울이 감온기(22b)로부터 배출된다. 이들 물방울은 2차 과열기(26)에서 과열되지만, 부분적으로 주 증기(A5)에 잔존한다. 결과적으로, 잔존 물방울이 증기 터빈(31)으로 흘러들어가, 잠재적으로 증기 터빈(31)을 손상시키게 된다.
이러한 상태에 도달하기 전에라도 냉각수(A3)가 과도하게 주입되면, 과열도가 상당히 감소된 주 증기(A5)가 증기 터빈(31) 내로 유입되어 증기 터빈(31) 내에서 습한 증기가 된다. 이 습한 증기는 잠재적으로 증기 터빈(31)의 로터 베인 또는 스테이터 베인를 손상시키게 된다.
이 때문에, 본 실시예의 발전 플랜트(1)에서는, 증기 터빈(31)이 구동 가능한 주 증기(A5)의 과열도의 하한이 판정된다. 플랜트 제어 장치(2)는 이 하한값을 주 증기(A5)의 과열도의 제 1 임계값으로서 저장한다. 본 실시예의 제 1 임계값은 30℃이다. 플랜트 제어 장치(2)는 증기 터빈(31)의 작동 전 및 작동 중에 주 증기(A5)의 과열도를 30℃ 이상으로 유지하도록 동작된다.
구체적으로, 주 증기(A5)의 과열도가 30℃ 이하가 되면, 플랜트 제어 장치(2)는 감온 제어 밸브(22a)의 개도 커맨드(XN)를, 주 증기(A5)의 과열도가 30℃일 때의 개도 커맨드(XN) 이하로 유지한다. 이에 따라, 주 증기(A5)의 과열도가 30℃ 이하인 동안, 감온 제어 밸브(22a)의 개도 커맨드(XN)는 상승하지 않고, 냉각수(A3)의 주입량은 상승하지 않는다. 전술한 바와 같이, 본 실시예의 플랜트 제어 장치(2)는 냉각수(A3)의 과도한 주입을 방지하는 기능을 갖는다.
다음으로, 이러한 기능을 달성하기 위한 구체적인 회로 구성에 대하여 도 3을 참조해서 설명한다.
함수 발생기(51)는 압력 센서(PS)로부터 주 증기(A5)의 압력(C1)(이하, "주 증기압"이라 함)을 취득한다. 함수 발생기(51)는 증기의 압력과 그 포화 온도 사이의 관계를 정의하는 빌트인 함수 그래프를 내부에 저장한다. 따라서, 함수 발생기(51)는 이 함수 그래프에 의거하여 주 증기압(C1)에 대응하는 포화 온도(C2)를 출력한다.
함수 발생기(51)는 주 증기압(C1) 이외의 압력으로부터 포화 온도(C2)를 계산할 수 있다. 이러한 압력의 예는 드럼(23)의 압력 및 1차 과열 증기(A4)의 압력을 포함한다. 이들 압력은 약간의 압력 손실로 인해 주 증기 압력(C1)과 차이가 있지만, 이들 압력으로부터 충분한 정확도로 포화 온도(C2)가 계산될 수 있다.
감산기(52)는 온도 센서(TS2)로부터 주 증기 온도(B4)(측정값)를 취득하고, 함수 발생기(51)로부터 포화 온도(C2)(계산값)를 취득한다. 그리고, 감산기(52)는 주 증기 온도(B4)로부터 포화 온도(C2)를 감산해서 주 증기(A5)의 과열도(C3)를 출력한다. 이 과열도(C3)는 감온 제어 밸브(22a)의 개도를 제어하는 데 이용되며, 또한, 가스 터빈(12)의 출력을 제어하도록 판독된다. 과열도(C3)를 이용한 가스 터빈(12)의 출력 제어가 후술된다.
설정기(53)는 주 증기(A5)의 과열도의 제 1 임계값으로서 30℃를 내부에 저장한다. 비교기(54)는 감산기(52)로부터의 과열도(C3) 및 설정기(53)로부터의 제 1 임계값을 취득하고, 과열도(C3)와 제 1 임계값을 비교한다. 그리고, 과열도(C3)가 30℃보다 높으면, 비교기(54)는 스위치 신호(C4)를 온으로 설정한다. 과열도(C3)가 30℃ 이하인 경우, 비교기(54)는 스위치 신호(C4)를 오프로 설정한다.
전환기(55)는 스위치 신호(C4)에 의존하여 감온 제어 밸브(22a)의 개도 커맨드(C5)를 전환한다. 설정기(56)는 감온 제어 밸브(22a)의 개도 커맨드의 설정값으로서 100%를 내부에 저장한다. 샘플링 지연 유닛(57)은 플랜트 제어 장치(2)의 중앙 처리 장치(CPU)에서 계산 샘플링 주기를 1주기 지연시키는 펑션을 갖는다. N번째 주기의 파라미터를 수신하면, 샘플링 지연 유닛(57)은 N번째 주기의 한 주기 이전의 (N-1)번째 주기의 파라미터를 출력한다(N은 선택적 정수임). N번째의 주기에 대한 개도 커맨드(XN)를 취득하면, 본 실시예의 샘플링 지연 유닛(57)은 (N-1)번째 주기에 대한 개도 커맨드(XN-1)를 출력한다.
스위치 신호(C4)가 온일 경우, 전환기(55)는 감온 제어 밸브(22a)의 개도 커맨드(C5)를 100%로 전환한다. 따라서, PID 제어기(46)로부터의 개도 커맨드(MV 값)(B6) 및 전환기(55)로부터의 개도 커맨드(C5)를 취득하면, 저값 선택기(47)는 PID 제어기(46)로부터의 개도 커맨드(B6)를 선택 및 출력한다. 이러한 방식으로, 주 증기(A5)의 과열도가 30℃보다 높을 때, 개도 커맨드(XN)는 PID 제어에 의해 제어된다.
스위치 신호(C4)가 오프일 경우, 전환기(55)는 감온 제어 밸브(22a)의 개도 커맨드(C5)를 (N-1)번째 주기에 대한 개도 커맨드(XN-1)로 전환한다. 따라서, PID 제어기(46)로부터의 개도 커맨드(MV 값)(B6) 및 전환기(55)로부터의 개도 커맨드(C5)를 취득하면, 저값 셀렉터(47)는 개도 커맨드(XN -1) 이하인 개도 커맨드(XN)를 출력한다. 이는, 개도 커맨드(B6)가 개도 커맨드(XN-1)보다 낮을 때 개도 커맨드(B6)가 출력되고, 개도 커맨드(B6)가 개도 커맨드(XN-1)보다 높을 때 개도 커맨드(XN-1)가 출력되기 때문이다. 이와 같이, 주 증기(A5)의 과열도가 30℃ 이하일 경우에는, 개도 커맨드(XN)가 상승하지 않고, 냉각수(A3)의 주입량이 상승하지 않기 때문에, 냉각수(A3)의 과도한 주입이 방지된다.
이상과 같이, 본 실시예의 플랜트 제어 장치(2)는 발전 플랜트(1)의 작동시에 감온 장치(22)를 통해 주 증기 온도를 제어한다. 그러나, 주 증기 온도가 감온 장치(22)를 통해서만 제어될 경우, 과열도(C3)는 30℃ 이상의 온도로부터 30℃에 도달해서 과잉 주입 방지 기능을 작동시키고, 적절한 온도보다 높은 주 증기 온도에서 증기 터빈(31)을 잠재적으로 구동한다. 이 경우, 발전 플랜트(1)의 작동이 증기 터빈(31)에서 발생되는 큰 열 응력으로 인해 잠재적으로 느릴 수 있다.
본 실시예의 플랜트 제어 장치(2)는, 발전 플랜트(1)의 작동시에, 가스 터빈(12)의 출력 제어 및 감온 장치(22)의 동작 제어를 통해 주 증기 온도를 제어한다. 가스 터빈(12)의 출력 제어는 출력 제어기(2a)에 의해 수행되고, 감온 장치(22)의 동작 제어는 감온 제어기(2b)에 의해 수행된다(도 3 참조). 다음으로, 이러한 제어를 도 5를 참조해서 상세히 설명한다.
도 5는 제 1 실시예의 플랜트 제어 방법의 플로차트이다. 도 5의 플랜트 제어 방법은, 발전 플랜트(1)의 작동시에 플랜트 제어 장치(2)에 의해 실행된다.
가스 터빈(12)이 작동되면(단계 S1), 가스 터빈(12)의 퍼지 동작이 수행된다(단계 S2). 퍼지 동작에서는, 가스 터빈(12)에 공기가 유입되어 가스 터빈(12)에 축적된 연료(A1)가 배출된다. 다음으로, 가스 터빈(12)이 점화해서 그 속도가 상승되어(스텝 S3), 가스 터빈(12)이 무부하 정격 동작에 도달한다(단계 S4).
다음으로, GT 발전기(13)를 병렬로 연결하고(스텝 S5), 플랜트 제어 장치(2)는 온도 센서(TS3)로부터 금속 온도의 측정값을 취득하고 그 측정값을 내부에 저장한다(스텝 S8). GT 발전기(13)가 병렬로 연결된 직후에, 플랜트 제어 장치(2)는 역 전력의 외란을 피하기 위해 단계적으로 가스 터빈(12)의 출력을 초기 부하까지 상승시킨다(단계 S6 및 S7).
가스 터빈(12)이 초기 부하에 도달한 후, 단계 S9 및 S10에서의 처리가 수행되어 주 증기 온도의 급격한 상승을 용이하게 한다. 구체적으로는, 가스 터빈(12)의 출력이 상승해서 가스 터빈(12)의 출력값이 제 1 출력값보다 높은 제 2 출력값에 도달한다(단계 S9 및 S10). 제 1 출력값은 금속 온도에 의거하여 배기 가스 온도를 미리 정해진 온도로 조정하기 위한 출력값이다.
가스 터빈(12)이 제 2 출력값에 도달한 후에, 가스 터빈(12)의 출력값은 제 2 출력값으로 유지된다. 이 출력값이 제 2 출력값으로 유지되는 동안, 배기열 회수 보일러(16)는 고온의 다량의 배기 가스(A2)를 받아 능동적 열회수를 수행할 수 있다. 따라서, 1차 과열 증기(A4)의 온도 및 유량이 빠르게 상승해 주 증기 온도가 빠르게 상승한다.
다음으로, 주 증기 온도가 금속 온도에 도달하면(단계 S11), 도 4의 스위치 신호(B2)가 오프로부터 온으로 전환된다. 그 결과, 주 증기 온도의 SV 값(B3)이 작동 목표 온도(B1)로 전환되고, 금속 온도에 의거하여 주 증기 온도를 제어하도록, 냉각수(A3)의 주입이 개시된다(단계 S12).
다음으로, 플랜트 제어 장치(2)는 가스 터빈(12)의 출력 제어를 위해, 감온 장치(22)의 동작 제어를 위해 계산된 과열도(C3)를 판독한다(단계 S13). 1차 과열 증기(A4)의 온도 및 유량은 단계 S13의 처리 후에도 계속 상승한다. 이에 대처하기 위해, 플랜트 제어 장치(2)는 감온 제어 밸브(22a)를 개방해서 냉각수(A3)의 유량을 서서히 상승시킨다. 과열도(C3)는 냉각수(A3)의 유량이 상승함에 따라 서서히 감소된다.
[단계 S14에서 "YES"]
다음으로, 플랜트 제어 장치(2)는, 과열도(C3)가 제 1 임계값(30℃)으로 저하되었는지의 여부를 판단하기 위해, 과열도(C3)의 플래그 판정을 수행한다(단계 S14). 과열도(C3)가 30℃ 이하일 경우, 단계 S15 내지 S20에서 주 증기 온도의 매칭 처리로 프로세스가 진행된다. 이것은 가스 터빈(12)의 출력값을 제 2 출력값으로부터 제 1 출력값으로 감소시키는 처리를 개시한다.
과열도(C3)가 30℃ 이하일 경우, 증기 터빈(31)의 구동이 가능하지 않으므로, 플랜트 제어 장치(2)에서 냉각수(A3)의 과도한 주입을 방지하는 기능이 작동되어, 냉각수(A3)의 주입량의 상승를 중지시킨다. 즉, 증기 터빈(31)은 동작 한계점에 도달한다. 한편, 1차 과열 증기(A4)의 온도 및 유량은 계속 상승한다. 따라서, 1차 과열 증기(A4)의 온도 및 유량이 계속 상승해서, 주 증기 온도가 결국 금속 온도보다 높은 온도로 상승한다.
따라서, 과열도(C3)가 30℃ 이하일 경우, 본 실시예의 플랜트 제어 장치(2)는 냉각수(A3)의 주입량을 상승시키지 않지만, 가스 터빈(12)의 출력값을 제 2 출력값으로부터 제 1 출력값으로 서서히 감소시킨다(단계 S15 내지 S20). 즉, 증기 터빈(31)이 동작 한계점에 도달하면, 주 증기 온도의 매칭 처리를 통해 가스 터빈(12)의 출력을 감소시키는 처리가 개시된다. 따라서, 1차 과열 증기(A4)의 온도 및 유량을 감소시켜 감온 장치(22)에서의 냉각 동작에 대한 부하를 저감할 수 있다.
다음으로, 단계 S15 내지 S20을 상세하게 설명한다.
먼저, 단계 S8에서 저장된 금속 온도를 이용해서 배기 가스 온도의 목표값(배기 가스(A2)의 온도)이 계산된다(단계 S15). 본 실시예의 배기 가스 온도의 목표값은 금속 온도+ΔT이다. ΔT는 배기 가스 온도와 주 증기 온도 사이의 온도 차이로 상정되는 값이다. 본 실시예의 ΔT는 30℃로 설정된다.
그러나, 본 실시예의 단계 S15에서, 배기 가스 온도의 목표값은 하한(LL 값) 및 상한(UL 값)에 의해 제한된다. 구체적으로, 배기 가스 온도의 목표값은 금속 온도+ΔT, LL 값, 및 UL 값의 중간 값으로 설정된다.
다음으로, 이 스테이지에서 실제 배기 가스 온도가 측정된다(단계 S16). 구체적으로는, 온도 센서(TS1)로부터 배기 가스 온도의 측정값이 취득한다.
다음으로, 목표값-β(β는 미리 정해진 값)가 실제 배기 가스 온도와 비교된다(단계 S17). 목표값-β가 실제 배기 가스 온도보다 높으면, 가스 터빈(12)의 출력을 서서히 상승시키고(단계 S18), 프로세스는 단계 S14로 되돌아간다. 목표값-β가 실제 배기 가스 온도보다 낮으면, 프로세스는 단계 S19로 진행한다.
다음으로, 목표값+β를 실제 배기 가스 온도와 비교한다(단계 S19). 목표값+β가 실제 배기 가스 온도보다 낮으면, 가스 터빈(12)의 출력은 서서히 감소되고(단계 S20), 프로세스는 단계 S14로 되돌아간다. 목표값+β가 실제 배기 가스 온도보다 높으면, 가스 터빈(12)의 출력은 변경되지 않고, 프로세스는 단계 S14로 되돌아간다.
β는 실제 배기 가스 온도의 허용 가능한 편차 범위를 정의하기 위한 상수이다. 단계 S15 내지 S20에서, 가스 터빈(12)의 출력은 목표값±β의 범위에서 실제 배기 가스 온도를 제어하도록 제어된다. 이 제어에서, 제 2 출력값에서의 실제 배기 가스 온도가 목표값보다 높기 때문에, 가스 터빈(12)의 출력은 단계 S15 내지 단계 S20의 처리의 반복을 통해 서서히 감소된다. 따라서, 가스 터빈(12)의 출력값은 제 2 출력값으로부터 제 1 출력값으로 서서히 감소된다.
[단계 S14에서 "NO"]
단계 S15 내지 S20의 매칭 처리가 종료되면, 도 5에 도시된 처리는 단계 S14에서의 플래그 판정으로 돌아가 가스 터빈(12)이 제 1 출력값에 도달했는지의 여부를 판정한다. 매칭 처리를 통해 가스 터빈(12)의 출력이 저하되면, 배기 가스 온도도 저하되고, 상승하고 있던 1차 과열 증기(A4)의 온도 및 유량이 감소하기 시작한다. 따라서, 플랜트 제어 장치(2)는 냉각수(A3)의 유량이 감소되더라도 주 증기 온도를 금속 온도로 유지할 수 있다. 과열도(C3)는 냉각수(A3)의 유량 감소에 따라 서서히 상승한다.
과열도(C3)가 30℃ 내지 40℃일 경우, 매칭 처리시의 가스 터빈(12)의 출력 제어가 계속된다(단계 S14). 목표값+β는 통상적으로 실제 배기 가스 온도보다 낮기 때문에, 가스 터빈(12)의 출력은 단계 S20과 마찬가지로 계속 감소된다. 40℃의 온도는 과열도(C3)의 제 2 임계값이며, 제 1 임계값보다 높게 설정된다. 제 1 임계값과 마찬가지로, 제 2 임계값이 플랜트 제어 장치(2)에 설정된다.
단계 S14에서의 플래그 판정은 과열도(C3)가 제 2 임계값(40℃)으로 상승했는지의 여부를 판정한다. 과열도(C3)가 40℃ 이상이면, 가스 터빈(12)의 출력값을 제 2 출력값으로부터 제 1 출력값으로 감소시키는 처리가 정지된다. 그 후, 과열도(C3)가 40℃ 이상인 동안, 과열도(C3)가 40℃일 때의 가스 터빈(12)의 출력을 유지하도록 플랜트 제어 장치(2)는 가스 터빈(12)의 출력을 제어한다(S21).
단계 S14에서의 플래그 판정은 제 1 임계값(30℃) 및 제 2 임계값(40℃)의 2 개의 임계값에 의거하여 수행된다. 따라서, 플래그 판정은 30℃ 이하의 온도에서 "YES"가 제공되고, 40℃ 이상의 온도에서 "NO"가 제공되는 그러한 차이가 있다. 제 1 임계값과 제 2 임계값을 동일한 값으로 설정해서 차이를 0으로 설정하면, 단시간에 "YES" 판정 및 "NO" 판정을 빈번하게 반복하여, 잠재적으로 발전 플랜트(1)의 동작을 불안정하게 한다. 이러한 불안정한 동작을 피하기 위해, 본 실시예의 차이는 비제로(10℃)로 설정된다.
[단계 S14에서 "YES"]
단계 S21 후에, 도 5에 도시된 프로세스는 단계 S14에서의 플래그 판정으로 되돌아간다. 가스 터빈(12)의 출력이 일정하게 유지되더라도, 이후 1차 과열 증기(A4)의 온도 및 유량은 시간이 경과함에 따라 상승한다. 이에 대처하기 위해, 플랜트 제어 장치(2)는 냉각수(A3)의 유량을 상승시킴으로써 주 증기 온도를 금속 온도로 유지한다. 과열도(C3)는 냉각수(A3)의 유량의 상승에 따라 다시 서서히 저하된다.
과열도(C3)가 30℃ 내지 40℃일 경우, 단계 S21에서의 가스 터빈(12)의 출력의 제어가 계속된다(단계 S14). 즉, 가스 터빈(12)의 출력은 일정하게 유지된다.
그리고, 과열도(C3)가 30℃ 이하일 경우, 본 실시예의 플랜트 제어 장치(2)는 냉각수(A3)의 주입량을 상승시키지 않고, 가스 터빈(12)의 출력값을 제 2 출력값으로부터 제 1 출력값으로 감소시키는 처리를 재개한다(스텝 S15 내지 S20). 따라서, 가스 터빈(12)의 출력값은 유지된 값으로부터 제 1 출력값으로 서서히 감소된다.
이러한 방식으로, 본 실시예의 플랜트 제어 장치(2)는 가스 터빈(12)의 출력값을 제 2 출력값으로부터 제 1 출력값으로 감소시키는 제 1 처리와, 제 1 처리를 인터럽트하면서 가스 터빈의 출력값을 일정하게 유지하는 제 2 처리를 번갈아 반복한다. 과열도(C3)가 30℃(제 1 임계값)로 저하되면, 제 1 처리가 개시된다. 그 후, 과열도(C3)가 40℃(제 2 임계값)까지 상승하면, 제 1 처리가 중지되고 제 2 처리가 개시된다. 그 후, 과열도(C3)가 30℃(제 1 임계값)까지 다시 감소하면, 제 2 처리가 중지되고 제 1 처리가 다시 개시된다. 그 후, 과열도(C3)가 다시 40℃(제 2 임계값)까지 상승하면, 제 1 처리가 중단되고, 제 2 처리가 다시 개시된다.
제 1 처리 및 제 2 처리를 복수 회 반복한 후에, 과열도(C3)는, 단계 S21에서 가스 터빈(12)의 출력이 특정 값으로 유지된 후 장시간 30℃ 이하로 감소되지 않는다. 이는 복합-사이클의 열 평형이 과도 상태를 벗어나 안정된 상태에 도달했기 때문이다. 가스 터빈(12)의 출력이 그 값에 도달할 경우, 예를 들면 배기 가스 온도, 1차 과열 증기(A4)의 온도 및 유량, 냉각수의 유량, 및 과열도(C3)가 균형을 이룬다. 결과적으로, 주 증기 온도는, 과열도(C3)가 30℃ 이상으로 유지되는 동안 금속 온도로 유지될 수 있다.
과열도(C3)가 5분 동안 30℃ 이상일 경우, 플랜트 제어 장치(2)는 복합-사이클의 열 평형이 안정 상태에 도달했다고 판정한다(단계 S22). 열 평형이 안정 상태에 도달했다면, 플랜트 제어 장치(2)는 주 증기의 유량이 증기 터빈(31)의 FSNL 동작을 수행하는 데 필요한 값(σ)에 도달했는지의 여부를 체크한다(단계 S23). 주 증기의 유량이 σ에 도달했다면, 플랜트 제어 장치(2)는 증기 터빈(31)의 통기, 다시 말하면 증기 터빈(31)의 작동을 개시한다(단계 S24).
전술한 바와 같이, 단계 S14 또는 그 후속 단계에서, 도 5에 도시된 플랜트 제어 방법은, 가스 터빈(12)의 출력값을 제 2 출력값으로부터 제 1 출력값으로 감소시키는 제 1 처리와, 제 1 처리를 인터럽팅하면서 가스 터빈(12)의 출력값을 일정하게 유지하는 제 2 처리를 번갈아 반복한다. 제 1 및 제 2 처리가 실행되는 동안, 본 실시예의 플랜트 제어 장치(2)는 가스 터빈(12)의 출력뿐만 아니라 감온 장치(22)에서의 냉각 동작도 제어한다. 즉, 본 실시예의 플랜트 제어 장치(2)는 가스 터빈(12)의 출력 제어 및 감온 장치(22)의 동작 제어의 양쪽을 통해 주 증기 온도를 제어한다.
따라서, 본 실시예에 따르면, 스텝 S14 또 그 후속 단계에서 주 증기 온도의 과도한 상승 및 주 증기의 과도한 유량 감소를 억제할 수 있다. 이 효과의 상세에 대해서는 후술한다.
도 6은 제 1 실시예의 비교예의 플랜트 제어 방법의 플로차트이다.
도 5에 도시된 플랜트 제어 방법과 유사한 방식으로 도 6에 도시된 비교예의 단계 S1 내지 S11가 수행된다. 단, 본 비교예에서는, 스텝 S12(냉각수의 주입 개시) 및 스텝 S13(과열도의 판독)을 실행하지 않고, 스텝 S14 내지 S20의 매칭 처리를 수행한다. 본 비교예의 가스 터빈(12)의 출력값은, 매칭 처리의 반복을 통해 제 2 출력값으로부터 제 1 출력값으로 서서히 감소된다. 그리고, 주 증기 온도와 금속 온도 사이의 편차의 절대값이 ε 이하이면(스텝 S25), 증기 터빈(31)의 통기를 개시한다(스텝 S24).
도 5에 도시된 제 1 실시예의 프로세스와 도 6에 도시된 비교예의 프로세스 사이의 효과의 임의의 차이에 대해서는 후술한다.
도 7은 제 1 실시예의 변형예의 플랜트 제어 방법의 플로차트이다.
도 5에 도시된 프로세스에서, 증기 터빈(31)의 통기는, 복합 사이클의 열 평형이 안정 상태에 도달한 후에 개시된다(단계 S22 내지 S24). 그러나, 발전 플랜트(1)의 고속 작동을 희망할 경우에는, 증기 터빈(31)의 통기를 이른 단계에 개시할 수 있다.
도 7에 도시된 변형예의 프로세스에서, 증기 터빈(31)의 통기는, 단계 S12의 처리(냉각수의 주입 개시) 및 단계 S13(과열도의 판독) 직후에 개시된다(단계 S24). 이는, 단계 S11에서 주 증기 온도가 이미 금속 온도에 도달했기 때문이다.
그러나, 단계 S13에서, 후에 복합 사이클의 열 평형이 안정 상태에 도달했을 때 도달해야 할 균형이 불분명하다. 따라서, 본 변형예에서는, 주 증기의 유량이 증기 터빈(31)의 FSNL 동작의 수행에 필요한 값(σ) 이상이 되는지를 보증하지 않는다.
이러한 장점들 및 단점들의 고려할 때, 도 5에 도시된 제 1 실시예의 프로세스가 높은 동작 신뢰성을 가지므로 2축 복합-사이클에 더 적합하다. 한편, 도 7에 도시한 변형예의 프로세스는 빠른 작동을 달성할 수 있으며, 따라서 1축 복합 사이클에 보다 적합하다.
도 8은 제 1 실시예의 플랜트 제어 방법을 설명하기 위한 그래프이다. 도 8에 도시된 플랜트 제어 방법의 실행은, 발전 플랜트(1)의 작동시에 플랜트 제어 장치(2)에 의해 도 5에 도시된 프로세스에 따른다.
파형(W1)에 의해 도시된 바와 같이, 가스 터빈(12)의 출력은 시간 T1에서 0으로부터 상승하기 시작하고, 초기 부하까지 상승한 다음 제 2 출력값(p1)까지 상승한다. 따라서, 파형(W3)으로 도시된 바와 같이, 배기 가스 온도는 고온인 배기 가스 온도(t1)까지 상승한다. 배기열 회수 보일러(16)는 온도(t1)에서의 배기 가스(A2)의 열을 회수해서 주 증기(A5)를 생성한다. 따라서, 파형(W5)에 의해 도시된 바와 같이, 주 증기의 유량은 빠르게 상승하고, 증기 터빈(31)의 FSNL 동작을 수행하는 데 필요한 값(σ)에 도달한 후에 계속 상승한다. 주 증기 온도를 나타내는 파형(W4)은 금속 온도를 나타내는 파형(W2)에 더 가깝게 빠르게 상승한다. 이들 처리는 기간(R1)에 수행된다.
시간(T2)에서 주 증기 온도(파형(W4))가 금속 온도(파형(W2))에 도달했을 경우, 단계 S12에서 냉각수(A3)의 주입이 개시되고, 냉각수의 유량을 나타내는 파형(W6)이 상승하기 시작한다. 주 증기의 유량(파형(W5)) 및 1차 과열 증기(A4)의 온도가 시간이 지남에 따라 계속 상승하기 때문에, 냉각수의 유량을 나타내는 파형(W6)이 계속 상승한다. 동시에, 주 증기(A5)의 과열도를 나타내는 파형(W7)이 계속 감소된다. 이들 처리는 기간(R2)에 수행된다.
과열도를 나타내는 파형(W7)이 30℃(제 1 임계값)까지 저하되면, 가스 터빈(12)의 출력을 나타내는 파형(W1)은 제 2 출력값(p1)으로부터 제 1 출력값(p4)으로 저하되기 시작한다. 동시에, 배기 가스 온도를 나타내는 파형(W3)이 저하된다. 따라서, 배기열 회수 보일러(16)에 의한 열 회수량이 저하되고, 주 증기의 유량(파형(W5)) 및 1차 과열 증기(A4)의 온도가 저하된다. 그 결과, 냉각수의 유량을 나타내는 파형(W6)이 저하되고, 과열도를 나타내는 파형(W7)이 상승하기 시작한다. 이들 처리는 기간(R3)에 수행된다. 기간(R3)에서의 가스 터빈(12)의 출력 제어는 전술한 제 1 처리에 대응한다.
과열도를 나타내는 파형(W7)이 40℃(제 2 임계값)까지 상승되면, 가스 터빈(12)의 출력을 나타내는 파형(W1)은 제 1 출력값(p4)을 향한 감소를 멈추고, 출력값(p2)을 40℃로 유지한다. 출력값(p2)은 제 1 출력값(p1)보다 낮고 제 2 출력값(p4)보다 높다. 배기 가스 온도를 나타내는 파형(W3)은 온도(t1)보다 낮은 온도(t2)로 유지된다. 온도(t2)에서의 동작 중에는, 배기열 회수 보일러(16)에 의한 열 회수량이 일시적으로 감소하고, 주 증기 유량(파형(W5)) 및 1차 과열 증기(A4)의 온도가 일시적으로 저하된다. 그러나, 주 증기의 유량(파형(W5)) 및 1차 과열 증기의 온도는 시간이 경과함에 따라 다시 상승하기 시작한다. 그 결과, 냉각수의 유량을 나타내는 파형(W6)이 상승하기 시작하고, 과열도를 나타내는 파형(W7)이 저하되기 시작한다. 이들 처리는 기간(R4)에 수행된다. 기간(R4)에서의 가스 터빈(12)의 출력 제어는 전술한 제 2 처리에 대응한다.
과열도를 나타내는 파형(W7)이 다시 30℃(제 1 임계값)까지 저하되면, 가스 터빈(12)의 출력을 나타내는 파형(W1)은 제 1 출력값(p4)으로 다시 감소하기 시작한다. 동시에, 배기 가스 온도를 나타내는 파형(W3)이 저하된다. 따라서, 배기열 회수 보일러(16)에 의한 열 회수량이 저하되고, 주 증기의 유량(파형(W5)) 및 1차 과열 증기(A4)의 온도가 저하된다. 그 결과, 냉각수의 유량을 나타내는 파형(W6)이 저하되고, 과열도를 나타내는 파형(W7)이 상승하기 시작한다. 이들 처리는 기간(R5)에 수행된다. 기간(R5)에서의 가스 터빈(12)의 출력 제어는 전술한 제 1 처리에 대응한다.
과열도를 나타내는 파형(W7)이 다시 40℃(제 2 임계값)까지 상승했을 경우, 가스 터빈(12)의 출력을 나타내는 파형(W1)은 제 1 출력값을 향한 저하를 멈추고 출력값(p3)을 40℃로 유지한다. 출력값(p3)은 출력값(p2)보다 낮고 제 2 출력값(p4)보다 높다. 배기 가스 온도를 나타내는 파형(W3)은 온도(t2)보다 낮은 온도(t3)로 유지된다. 온도(t3)에서의 동작 동안, 배기 가스 온도(t3), 주 증기의 유량(f3), 냉각수의 유량(v3), 과열도(q3), 및 1차 과열 증기 온도(도시생략)는 균형을 이룬다. 결과적으로, 과열도를 30℃ 이상으로 유지하면서 주 증기 온도를 금속 온도로 유지할 수 있다. 이러한 상태를 달성하기 위한 출력값(p3)은 지금까지 설명된 플랜트 제어 방법에 의해 달성된다. 이들 처리는 기간(R6)에 수행된다. 기간(R6)에서의 가스 터빈(12)의 출력 제어는 전술한 제 2 처리에 대응한다.
과열도(C3)가 5분간 계속 30℃ 이상이면(시간(T3)), 증기 터빈(31)의 통기가 개시된다. 도 8에 도시된 프로세스에서, 제 1 및 제 2 처리는 2회 반복되지만, 3회 이상 반복될 수 있다.
도 9는 제 1 실시예의 비교예의 플랜트 제어 방법을 설명하기 위한 그래프이다. 도 9에 도시된 플랜트 제어 방법의 실행은, 도 6에 도시된 프로세스에 따른다.
도 8에서, 시간(T2)에서 주 증기 온도(파형(W4))가 금속 온도(파형(W2))에 도달했을 경우, 단계 S12에서 냉각수(A3)의 주입이 개시된다(기간(R2)). 그리고, 가스 터빈(12)의 출력을 나타내는 파형(W1)이 제 2 출력값(p1)으로부터 제 1 출력값(p4)으로 서서히 감소하도록(기간(R3~R6)), 제 1 처리와 제 2 처리가 번갈아 반복된다.
그러나, 도 9에서, 시간(T2)에서 주 증기 온도(파형(W4))가 금속 온도(파형(W2))에 도달했을 경우, 가스 터빈(12)의 출력을 나타내는 파형(W1)은, 단계 S12에서 냉각수(A3)의 주입을 개시하지 않고, 제 2 출력값(p1)으로부터 제 1 출력값(p4)으로 감소된다(기간 R7).
도 9에 도시된 비교예에서, 주 증기 온도의 제어는 가스 터빈(12)의 출력 제어를 통해 수행되므로, 가스 터빈(12)의 출력은 제 1 출력값(p4)으로 감소될 필요가 있다. 따라서, 배기 가스 온도는 온도(t4)(=금속 온도+ΔT)까지 감소된다. 그 결과, 배기 가스(A2)가 보유한 열량이 저하되고, 주 증기의 유량이 f4까지 감소된다. 그러나, 이 주 증기의 유량(f4)이 증기 터빈(31)의 FSNL 동작의 수행에 필요한 값(σ)보다 낮을 경우, FSNL 동작을 위해 상승된 증기 터빈(31)의 속도가 역으로 저하되기 시작한다. 도 9에서, 주 증기의 유량은 부호 Z로 표시된 시간에 값(σ)으로 저하된다.
그러나, 도 8에 도시된 본 실시예에서, 주 증기 온도의 제어는, 가스 터빈(12)의 출력 제어 및 감온 장치(22)의 동작 제어를 통해 수행되므로, 가스 터빈(12)의 출력은 제 1 출력값(p4)으로 감소될 필요가 없다. 도 9에서, 가스 터빈(12)의 출력은 p3(>p4)까지 감소되었고, 주 증기의 유량은 f3(>s>f4)까지 감소되었다. 따라서, 도 8에 도시된 실시예에 따르면, 증기 터빈(31)의 FSNL 동작은 아무런 문제없이 수행될 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 실시예에서는, 가스 터빈(12)의 출력 제어 및 감온 장치(22)의 동작 제어를 통해 주 증기 온도가 제어된다. 예를 들면, 본 실시예에서는, 가스 터빈(12)의 출력 제어를 통해 배기 가스 온도를 대략 저감하고, 그에 따라 주 증기 온도를 대략 제어하고, 감온 장치(22)의 동작 제어를 통해 미세 제어한다.
가스 터빈(12)의 출력 제어에 관한 본 실시예의 평가에 있어서, 가스 터빈(12)의 출력 제어 및 감온 장치(22)의 동작 제어의 양쪽의 이용은 다음과 같은 이점을 갖는다. 감온 장치(22)가 냉각수(A3)를 주입할 경우, 이에 따라 가스 터빈(12)의 출력 제어를 통한 주 증기 온도의 제어가 보조된다. 이것은 더 높은 배기 가스 온도, 즉 더 높은 가스 터빈 출력을 달성한다. 따라서, 이는 주 증기 온도를 감소시키기 위한 가스 터빈 출력의 감소량을 감소시킨다. 또는, 이는 주 증기 온도를 감소시키기 위해 가스 터빈 출력을 감소시킬 필요성을 제거한다. 따라서, 본 실시예에 따르면, 예를 들면 발전 플랜트(1)의 작동시에 주 증기의 발생량이 과도하게 저하되는 문제를 해결 또는 저감할 수 있다.
감온 장치(22)의 동작 제어에 관한 본 실시예의 평가에 있어서, 감온 장치(22)의 동작 및 가스 터빈(12)의 출력 제어의 양쪽의 이용에는 다음과 같은 이점이 있다. 가스 터빈(12)의 출력이 제 2 출력값으로부터 제 1 출력값으로 저하되게 제어될 경우, 1차 과열 증기(A4)의 온도는 저하되고, 이는 제 1 과열 증기(A4)를 냉각할 때 감온 장치(22)에의 부하를 감소시킨다. 따라서, 본 실시예는, 과열도가 30℃ 이상으로 유지될 수 있는 비교적 적은 양의 냉각수를 이용함으로써 목표 주 증기 온도를 달성할 수 있다.
본 실시예에서는, 주 증기(A5)의 과열도에 의거하여, 가스 터빈의 출력 및 냉각수의 유량이 제어된다. 본 실시예에서, 과열도의 제 1 임계값(30℃) 및 제 2 임계값(40℃)를 참조해서 가스 터빈 출력 및 냉각수의 유량이 제어된다. 따라서, 본 실시예는 가스 터빈 출력의 과도한 감소를 억제할 수 있고, 따라서 주 증기의 유량의 과도한 감소를 억제할 수 있다.
도 8에 도시된 제 1 실시예와 도 9에 도시된 비교예의 비교에 있어서, 증기 터빈(31)의 통기 개시까지 요구되는 시간은 전형적으로 비교예에서 보다 짧다. 그러나, 본 실시예는 주 증기 온도의 과도한 상승 및 주 증기의 과도한 유량 감소를 억제하면서 발전 플랜트(1)를 작동시킬 수 있다.
특정 실시예가 설명되었지만, 이들 실시예는 단지 예로서 제시되었으며, 본 발명의 범위를 제한하는 것을 의도하는 것은 아니다. 실제, 본원에 기술된 신규한 장치, 방법 및 플랜트는 다양한 다른 형태로 구현될 수 있고, 또한, 본원에 기술된 장치, 방법 및 플랜트의 형태에서의 다양한 생략, 대체 및 변경이 본 발명의 사상에서 벗어나지 않고 이루어질 수 있다. 첨부된 특허의 청구범위 및 그 등가물은 본 발명의 범위 및 사상 내에 있는 형태 또는 수정을 포함하는 것이 의도된다.

Claims (12)

  1. 발전 플랜트를 제어하도록 구성된 플랜트 제어 장치에 있어서,
    상기 발전 플랜트는,
    가스에 의해 구동되도록 구성된 가스 터빈;
    상기 가스 터빈으로부터의 배기 가스의 열을 이용해서 증기를 발생시키도록 구성된 배기열 회수 보일러;
    상기 배기열 회수 보일러에 의해 생성된 증기를 냉각 매체를 통해 냉각하도록 구성된 감온(減溫) 장치; 및
    상기 감온 장치에 의해 냉각된 증기에 의해 구동되도록 구성된 증기 터빈을 포함하고,
    상기 플랜트 제어 장치는,
    상기 가스 터빈의 출력을 제어하도록 구성된 출력 제어기; 및
    상기 출력 제어기가 상기 가스 터빈의 출력을 제어하는 동안, 상기 감온 장치에 의한 증기의 냉각 동작을 제어하도록 구성된 감온 제어기를 포함하는 플랜트 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 감온 제어기는, 상기 출력 제어기가 상기 가스 터빈의 출력값을 제 2 출력값으로부터 제 1 출력값으로 감소시키는 동안, 상기 감온 장치에 의한 증기의 냉각 동작을 제어하는 플랜트 제어 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 출력값은 상기 배기 가스의 온도 및 상기 증기 터빈의 금속 온도에 의거하여 판정되는 플랜트 제어 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 감온 제어기는 증기의 상태를 나타내는 값에 의거하여 상기 감온 장치에 의한 증기의 냉각 동작을 제어하고,
    상기 출력 제어기는 상기 증기의 상태를 나타내는 값에 의거하여 상기 가스 터빈의 출력을 제어하는 플랜트 제어 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 감온 장치에 의해 냉각된 증기의 과열도(superheat degree)를 검출하도록 구성된 과열도 검출기를 더 포함하고,
    상기 증기의 상태를 나타내는 값은 상기 과열도 검출기에 의해 검출된 과열 도인 플랜트 제어 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 출력 제어기는, 상기 과열도가 제 1 임계값까지 저하되었을 경우 상기 가스 터빈의 출력을 감소시키기 시작하는 플랜트 제어 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 임계값은 상기 증기 터빈의 구동을 가능하게 하는 과열도의 하한인 플랜트 제어 장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 출력 제어기는, 상기 과열도가 상기 제 1 임계값보다 높은 제 2 임계값까지 상승했을 경우 상기 가스 터빈의 출력을 감소시키는 것을 중지시키는 플랜트 제어 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 출력 제어기는, 상기 과열도가 상기 제 2 임계값보다 높은 동안, 상기 과열도가 상기 제 2 임계값에 도달할 때의 상기 가스 터빈의 출력값으로 유지되게 상기 가스 터빈의 출력을 제어하는 플랜트 제어 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 감온 제어기는, 상기 증기 터빈의 금속 온도에 의거하여 판정된 제 1 설정값과 상기 제 1 설정값과는 다른 제 2 설정값 사이에서 증기의 온도의 설정값을 전환하도록 구성된 스위칭 모듈을 포함하는 플랜트 제어 장치.
  11. 발전 플랜트를 제어하는 플랜트 제어 방법에 있어서,
    상기 발전 플랜트는,
    가스에 의해 구동되도록 구성된 가스 터빈;
    상기 가스 터빈으로부터의 배기 가스의 열을 이용해서 증기를 발생시키도록 구성된 배기열 회수 보일러;
    상기 배기열 회수 보일러에 의해 생성된 증기를 냉각 매체를 통해 냉각하도록 구성된 감온 장치; 및
    상기 감온 장치에 의해 냉각된 증기에 의해 구동되도록 구성된 증기 터빈을 포함하고,
    상기 플랜트 제어 방법은,
    상기 가스 터빈의 출력을 출력 제어기에 의해 제어하는 단계; 및
    상기 출력 제어기가 상기 가스 터빈의 출력을 제어하는 동안, 상기 감온 장치에 의한 증기의 냉각 동작을 감온 제어기에 의해 제어하는 단계를 포함하는 플랜트 제어 방법.
  12. 발전 플랜트에 있어서,
    가스에 의해 구동되도록 구성된 가스 터빈;
    상기 가스 터빈으로부터의 배기 가스의 열을 이용해서 증기를 발생시키도록 구성된 배기열 회수 보일러;
    상기 배기열 회수 보일러에 의해 생성된 증기를 냉각 매체를 통해 냉각하도록 구성된 감온 장치;
    상기 감온 장치에 의해 냉각된 증기에 의해 구동되도록 구성된 증기 터빈;
    상기 가스 터빈의 출력을 제어하도록 구성된 출력 제어기; 및
    상기 출력 제어기가 상기 가스 터빈의 출력을 제어하는 동안, 상기 감온 장치에 의한 증기의 냉각 동작을 제어하도록 구성된 감온 제어기를 포함하는 발전 플랜트.
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