KR20190034813A - 가스화플랜트 열부하 자동제어 시스템 - Google Patents

가스화플랜트 열부하 자동제어 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명에서는 가스화기 안정도와 발전 효율을 높일 수 있는 가스화플랜트 열부하 자동제어 시스템이 개시된다.
일 예로, 가스화플랜트 열부하 자동제어 시스템에 있어서, 총산소량, 급수 및 증기 엔탈피, 압력, 온도로 열부하 값을 계산하여 PID 연산 후 O2/C 비를 조정하는 열부하 자동제어 루프를 포함하고, 상기 미분탄의 발열량과 수분함량을 분석하여 기동선도 곡선이 결정되고, 운전원에 의해 조정될 수 있는 팩터 및 하이-로우 제한(Hi-low limit) 이후 PID 제어기의 목표값이 조정되도록 할 수 있는 가스화플랜트 열부하 자동제어 시스템이 개시된다.

Description

가스화플랜트 열부하 자동제어 시스템{Integrated Coal Gasification Heat Duty Auto Control System}
본 발명은 가스화기 안정도와 발전 효율을 높일 수 있는 가스화플랜트 열부하 자동제어 시스템에 관한 것이다.
통상의 석탄 화력 발전은 미분탄을 연소하여 발생하는 열을 이용하여, 증기를 발생시키고, 이를 통해 증기터빈을 기동하여 전력을 생산한다.
또한, 석탄가스화 복합 발전(IGCC)은 가스화기에서 미분탄과 순산소를 반응시켜 고온, 고압의 합성가스(Syngas)를 제조 및 정제하고, 이를 가스터빈 연료로 사용하여 전력을 생산한다. 또한, 석탄가스화 복합 발전은 효율향상을 위해 HP, MP Drum을 가스화기에 설치하여 스팀터빈에 증기를 공급하는 방식을 채택하고 있다.
한편, 공정사(Shell社)의 열부하 제어 모드는 목표값과 현재값의 편차에 의해 제어기가 요구량을 발생하는 단순한 방식으로서, 중국 등 동일 플랜트에서 운영되는 가스화기에서 열부하 자동운전 모드는 사용되지 않고 있다. 이것은 가스화기 열부하 제어기의 과도 요구량 발생시 제어계의 난조가 발생하여, 적용에 어려움이 있기 때문이다.
본 발명은 가스화기 안정도와 발전 효율을 높일 수 있는 가스화플랜트 열부하 자동제어 시스템을 제공한다.
본 발명에 따른 가스화플랜트 열부하 자동제어 시스템은 가스화플랜트 열부하 자동제어 시스템에 있어서, 총산소량, 급수 및 증기 엔탈피, 압력, 온도로 열부하 값을 계산하여 PID 연산 후 O2/C 비를 조정하는 열부하 자동제어 루프를 포함하고, 상기 미분탄의 발열량과 수분함량을 분석하여 기동선도 곡선이 결정되고, 운전원에 의해 조정될 수 있는 팩터 및 하이-로우 제한(Hi-low limit) 이후 PID 제어기의 목표값이 조정되도록 할 수 있다.
그리고 상기 열부하 자동제어 모드를 자동에서 수동으로 전환시 열부하 자동 제어기 요구량은 유지되고, 상기 열부하 자동제어 모드를 수동에서 자동으로 전환시 상기 열부하 자동 제어기 요구량은 50%에서 시작될 수 있다.
또한, 목표 출력과 현재 출력의 편차가 5% 이상 연속 기준 시간이상으로 발생시, 상기 열부하 자동제어 모드는 유지되고, 산소/연료 비에 의해 순산소와 미분탄의 유량을 조절하여 출력 변동이 완료된 이후 상기 열부하 자동제어 모드가 재시작될 수 있다.
또한, 열부하 자동제어 모드에서, 기동선도에서 결정된 열부하 목표값은 하이-로우 제한을 거쳐서 PID 제어기에서 열부하 현재값과 연산되고, 제어기 요구량은 O2/C 비로 환산되도록 할 수 있다.
또한, 제어기 요구량은 O2/C 비로 환산되어 피드포워드(Feedfoward) 신호와 더해질 수 있다.
또한, 스위치로 O2/C 비 모드 또는 열부하 자동제어 모드가 선택되고, 열부하 자동제어 모드 운전중 O2/C 비 모드 전환시 제어기는 수동 모드로 전환되며, O2/C 비로 환산된 요구량은 “0”이 될 수 있다.
또한, 운전원에게 유지된 제어기 요구량을 정보제공하며 운전원으로 하여금 제 2 팩터를 조정할 수 있다.
본 발명에 의한 가스화플랜트 열부하 자동제어 시스템은 고정 부하시 순산소와 미분탄의 최적 연소 연속운전을 가능하게 하고, 부하 변동시 제어기 응답속도를 조정하여 과도응답을 방지하여, 합성가스 조성 및 내화재 보호 등 가스화기 안정도의 향상과 발전효율 증가를 동시에 도모할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가스화플랜트 열부하 자동제어 시스템에서 제어 루프를 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 가스화플랜트 열부하 자동제어 시스템에서 제어 로직을 도시한 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 가스화플랜트 열부하 자동제어 시스템에서 제어 루프의 시퀀스 차트를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 가스화플랜트 열부하 자동제어 시스템에서 운전화면을 도시한 것이다.
본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
먼저, 본 발명의 실시예에 따른 가스화플랜트 열부하 자동제어 시스템은 가스화기 열부하 제어를 미분탄(Coal)과 순산소(O2)의 유량을 조절하는 O2/C 비(O2/C Ratio)를 통해 제어한다.
예를 들어, 열부하의 저하시 가스화플랜트 열부하 자동제어 시스템은 O2/C 비를 증가시키고, 순산소 대비 미분탄의 비율을 줄인다. 반대로, 가스화플랜트 열부하 자동제어 시스템은 열부하의 상승시 O2/C 비를 감소시키고 미분탄의 비율을 늘린다.
이러한 원리를 이용하여, 본 발명의 실시예에 따른 가스화플랜트 열부하 자동제어 시스템은 제어계가 안정될수 있는 상한치 및 하한치를 설정하고, 미분탄 분석 결과로 작성된 기동선도 곡선의 O2/C 비를 선행제어(Feedfoward) 신호로 사용하고, 열부하 자동제어기의 PID 요구량을 보정값으로 사용하는 신호를 생성하여 열부하 자동제어 로직을 구성한다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 가스화플랜트 열부하 자동제어 시스템의 동작을 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가스화플랜트 열부하 자동제어 시스템에서 제어 루프를 도시한 구성도이다.
도 1을 참조하면, 도시된 가스화플랜트 열부하 자동제어 시스템의 제어 루프는 총산소량, 급수 및 증기 엔탈피, 압력, 온도로 열부하 값을 계산하여 PID 연산 후 O2/C 비를 조정하는 루프이다.
보다 상세하게, 미분탄의 발열량과 수분함량을 분석하여 기동선도 곡선이 결정되고, 운전원이 미세 조정할 수 있는 K2 팩터(K2 Factor)(1), 하이-로우 제한(Hi-low limit) 이후 PID 제어기(2)의 목표값이 조정된다.
또한, 본 발명에 따른 가스화플랜트 열부하 자동제어 시스템은 열부하 계산값과 목표값의 편차를 제어하여 목표값에 도달하기 위한 신호가 발생하며, O2/C 비를 선행제어(Feedfoward) 신호(3)로 합산하여 최종 요구량을 조절한다. 열부하 요구량의 조절은 미분탄 비율을 조절하며 요구량의 변화부터 열부하 출력 변동까지 20~30분 반응시간이 필요하다. 따라서 PID 요구량 변화는 느린 제어기로 튜닝하였으며, 요구량 변화(5)는 ±0.03으로 설정하였다. 또한, 가스화기 목표 출력 변화시 열부하 자동 제어기(4)는 동작하지 않는다.
열부하 자동제어 모드를 자동에서 수동으로 전환시 열부하 자동 제어기 요구량은 유지(Hold) 되어, O2/C 비에 반영되지 않는다. 이것은 발전운전원에게 최종값 정보를 제공하기 위함이며, 발전운전원은 모드 변경시 최종값 정보를 참고하여 O2/C 비의 K3 팩터(Factor)를 조정하여야 한다. 열부하 자동제어 모드를 수동에서 자동으로 전환시 자동제어기 요구량은 50%부터 시작된다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 가스화플랜트 열부하 자동제어 시스템에서 제어 로직을 도시한 구성도이다.
구체적으로, 도 2는 가스화기 부하 변동시 열부하 자동제어 신호 유지(Holding) 기능을 포함한다.
발전운전원이 가스화기 목표 출력을 변동하면 O2/C 비는 기동선도에 따라 변화된다. 목표 출력과 현재출력의 편차가 ±5% 이상 연속 10초간 발생시(1) 10분간 열부하 자동제어 모드는 유지된다(2). 가스화기 출력 변동은 O2/C 비에 의해 순산소와 미분탄의 유량을 조정하고 출력변동 완료후 고정출력 운전시 열부하 자동제어 모드는 재시작된다. 유지 기능은 PID 제어기의 P, I 설정값을 스위치로 구성하고, 유지 발생시 P, I값을 최대값으로 변경하여 열부하 자동제어 신호를 유지시키게 된다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 가스화플랜트 열부하 자동제어 시스템에서 제어 루프의 시퀀스 차트를 도시한 것이다.
구체적으로, 도 3은 가스화기 열부하 자동제어 루프 시퀸스 차트이고 개별 기능 블록(Function block) 모드를 지정하는 기능을 도시한다. 제어 로직 내부의 기능 블록(Function block)은 용도에 의해 수동(Manual), 자동(Auto), 캐스케이드(Cascade)로 구분되며 운전원이 이러한 모드를 변경할 수 있다. 특정 Block은 자동제어를 위해 운전원이 조작하지 않아야 하고, 시스템 전원의 재부팅시에도 모드를 유지해야 한다.
석탄 버너의 순산소 및 미분탄 유량의 최종 제어신호를 결정하는 속도 제한(Velocity limit)은 캐스케이드, PID 제어기의 P, I 선택 스위치는 자동 모드를 유지한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 가스화플랜트 열부하 자동제어 시스템에서 운전화면을 도시한 것이다.
도 4를 참조하면, 열부하 자동운전 모드 운전화면이 도시된 것으로서, 기동선도(1)에서 결정된 열부하 목표값은 하이-로우 제한(Hi-low limit)(2)을 거쳐 PID 제어기(3)에서 열부하 현재값과 연산된다. 제어기 요구량은 O2/C 비로 환산(4)되어 피드포워드(Feedfoward)(5) 신호와 더해진다. 발전운전원은 HS-2(6) 스위치로 O2/C 비 모드 또는 열부하 자동제어 모드를 선택할 수 있다. 열부하 자동제어 모드 운전중 O2/C Ratio 모드 전환시 제어기는 수동 모드로 전환되며, O2/C 비로 환산된 요구량은 “0”이 된다. 발전운전원에게 유지된 제어기 요구량(7)을 정보제공하며 발전운전원은 K3 팩터(K3 Factor)(8)를 조정한다. O2/C 비 모드 운전중 열부하 자동제어 모드로 전환시 제어기(3)는 캐스케이드, 요구량 50%로 자동 전환되도록 구성하였다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 가스화플랜트 열부하 자동제어 시스템을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기 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.

Claims (7)

  1. 가스화플랜트 열부하 자동제어 시스템에 있어서,
    총산소량, 급수 및 증기 엔탈피, 압력, 온도로 열부하 값을 계산하여 PID 연산 후 O2/C 비를 조정하는 열부하 자동제어 루프를 포함하고,
    상기 미분탄의 발열량과 수분함량을 분석하여 기동선도 곡선이 결정되고, 운전원에 의해 조정될 수 있는 팩터 및 하이-로우 제한(Hi-low limit) 이후 PID 제어기의 목표값이 조정되도록 하는 가스화플랜트 열부하 자동제어 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 열부하 자동제어 모드를 자동에서 수동으로 전환시 열부하 자동 제어기 요구량은 유지되고, 상기 열부하 자동제어 모드를 수동에서 자동으로 전환시 상기 열부하 자동 제어기 요구량은 50%에서 시작되는 가스화플랜트 열부하 자동제어 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    목표 출력과 현재 출력의 편차가 5% 이상 연속 기준 시간이상으로 발생시, 상기 열부하 자동제어 모드는 유지되고, 산소/연료 비에 의해 순산소와 미분탄의 유량을 조절하여 출력 변동이 완료된 이후 상기 열부하 자동제어 모드가 재시작되는 가스화플랜트 열부하 자동제어 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    열부하 자동제어 모드에서, 기동선도에서 결정된 열부하 목표값은 하이-로우 제한을 거쳐서 PID 제어기에서 열부하 현재값과 연산되고, 제어기 요구량은 O2/C 비로 환산되도록 하는 가스화플랜트 열부하 자동제어 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    제어기 요구량은 O2/C 비로 환산되어 피드포워드(Feedfoward) 신호와 더해지는 가스화플랜트 열부하 자동제어 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    스위치로 O2/C 비 모드 또는 열부하 자동제어 모드가 선택되고, 열부하 자동제어 모드 운전중 O2/C 비 모드 전환시 제어기는 수동 모드로 전환되며, O2/C 비로 환산된 요구량은 “0”이 되는 가스화플랜트 열부하 자동제어 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    운전원에게 유지된 제어기 요구량을 정보제공하며 운전원으로 하여금 제 2 팩터를 조정하는 가스화플랜트 열부하 자동제어 시스템.
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