보일러의 자동제어 ボイラの自動制御 출처 : 화력원자력발전 2005. 12. 1. 보일러 제어를 이해하는 데 필요한 키워드 보일러 제어의 기초를 이해하기 위한 키워드로는 다음과 같은 것을 들 수 있다. ․엔탈피 ․比容積 ․보일러 動特性(open-loop 특성) 화력플랜트 제어 함수의 기초가 되는 소위 열역학과 동특성이 아주 중요 하다. 1.1 엔탈피와 ‘주전자’ 화력 플랜트에서는 보일러에서 발생한 고온고압의 증기로 터빈발전기를 돌려 발전한다. 엔탈피란 단위 중량당 에너지를 나타내는 것으로 단위는 KJ/kg이다. 끓고 있는 주전자를 생각하면 이 엔탈피라는 개념을 이해하기 쉽다. 그림 1은 주전자가 끓어 증기가 나오고 있는 모습이다. 보일러 부위로 예 를 들면 ①이 증기드럼, ②가 보일러 출구, ③이 SH 출구이다. 이 증기가 그 림 2의 엔탈피 線圖 위에서는 어떤 점에 해당할까? 실기 플랜트를 예로 들 어 a)∼e)의 운전점이 그림 11 엔탈피-압력 선도에서 실제로 어디에 위치하 는지 그려보자. [드럼 보일러] a) 증기압력 16.6MPa, 증기온도 538℃ b) 급수압력 18.6MPa, 증기온도 250℃ [변압 관류 보일러] c) 증기압력 24.1MPa, 증기온도 538℃ d) 급수압력 28.4MPa, 증기온도 270℃ e) 증기압력 8.3MPa, 증기온도 538℃ 그림 1 엔탈피와 ‘주전자’ 그림 2 엔탈피 線圖 1.2 변압운전과 比容積 1990년 이래 변압 관류 보일러가 주류를 이루고 있다. 이 변압 관류 유닛 을 적절히 제어하는 핵심은 엔탈피와 비용적의 특징을 제대로 이해하는 것 이다. 그림 3은 횡축이 압력(MPa), 종축이 비용적(m3/kg)으로 변압 관류 유 닛의 1/4ECR에서 4/4ECR까지의 부하 변화 상태를 나타낸 변이도이다. 이를 통해 알 수 있듯이 1/4ECR과 4/4ECR에서는 比容積이 약 3배 변화한다. - 2 - 그림 3 변압 관류 보일러의 比容積 그림 4 동특성 데이터 그러면 보일러 속에 가득차있는 급수량과 증기량을 어떻게 제어할까? 답 은 스스로 찾아보기 바란다. 변압 관류 보일러의 제어장치는 이와 같은 물리 적인 변화에도 대응할 수 있도록 세심하게 배려하고 있다. 1.3 보일러의 동특성(open-loop 특성) 보일러를 적절히 제어하는 데 아주 중요한 요소가 보일러의 동특성이다. - 3 - 보일러 동특성은 open-loop 특성이라고도 하는데, 이는 조작단의 변화가 증 기압력, 증기온도 그리고 보일러 제어에 어떻게 영향을 미치는지 파악하는 것이다. 실기 플랜트에서는 다음과 같은 시험을 실시하고 있다. 1.3.1 실시요령 동특성 시험은 관련 조작단을 수동으로 하여 그림 4에서 보듯이 보일러를 제어하는 조작량(U)에 상당하는 급수유량, 연료유량, SH spray 유량 등을 단계적으로 변화시켰을 때의 영향을 확인한다. 그리고 이 결과를 기준으로 무효시간(TL), 時定數(T), 피크 도달시간(Tp), 피크 변화량(Vp)을 계측한다. 표 1은 대표적인 600MW짜리 기름․가스연소 플랜트와 석탄연소 플랜트 의 무효시간을 비교한 것이다. 석탄연소 유닛의 주증기 압력과 발전기 출력 의 무효시간이 크다는 것을 알 수 있다. 표 1 무효시간의 비교 프로세스 양 기름․가스연소(600MW) 석탄연소(600MW) 발전출력(T) 15sec 45sec 주증기 압력(T) 15sec 40sec 주증기 온도(T) 30sec 50sec 재열증기 온도(TL) 40sec 60sec TL: 무효시간 1.3.2 동특성 시험 결과의 제어 설정치 반영 앞에서 살펴보았듯이, 정량적인 특성을 파악한 뒤의 제어 여부는 제어 결 과에 큰 영향을 미친다. 여기서는 동특성 시험 결과를 통해 얻은 계측치를 제어 설정치에 반영하기 위해 가장 일반적으로 이용하는 ‘Ziegler-Nichols의 최적이론’을 소개하였다. 여기에 제시하는 SH 스프레이 밸브를 10% 늘려 조작할 경우의 증기온도 에 대한 영향 계측결과를 기준으로 컨트롤러의 적분시간과 비례 gain을 계 산해보자. 조작량(U) 무효시간(TL) : 10% : 30초 - 4 - 時定數(T) : 90초 피크 도달시간(Tp) : 120초 피크 변화량(Vp) : 15℃ (1) PI 컨트롤러와 무효시간의 관계 PI 컨트롤러의 적분시간(초)=3.3×무효시간(TL) * 3.3은 PI 컨트롤러의 적분시간을 산출하는 이론계수임 SH 스프레이 밸브의 무효시간이 30초이기 때문에 SH 스프레이 밸브 컨 트롤러 적분시간은 다음과 같이 계산할 수 있다. SH 스프레이 밸브 적분시간(초)=3.3×30(초)=99(초) (2) PI 컨트롤러와 비례 gain의 관계 SH 스프레이 밸브를 10% 개방하여 증기온도가 15℃ 변화했다면 SH 스 프레이 밸브 gain(K)은 다음과 같이 계산한다. gain(K)=조작량(U)/피크 변화량(Vp)=10%/15℃=0.67 이처럼 화력 플랜트를 제어, 조정하는 주요 컨트롤러의 설계치는 동특성 시험으로 산출한다. 여기서 얻은 설정치를 토대로 실기의 제어 조정시 미세 조정을 통해 최종적인 최적 설정치를 찾아낸다. 2. 제어방식을 이해하기 위한 키워드 보일러의 운전제어 방식을 이해하기 위한 키워드로는 다음과 같은 것을 들 수 있다. ․보일러 증발 완료점 ․상호간섭 시스템인 관류 보일러와 비간섭 시스템인 드럼 보일러 ․負荷 追從性에 대한 고려가 필요한 변압관류 보일러 ․분쇄설비를 갖춘 석탄연소 보일러 보일러의 운전, 제어설계시 가장 먼저 파악해야 할 것은 보일러의 靜特性 및 動特性이다. 이와 같은 보일러의 특성을 파악하고 이에 대응한 적절한 제 어설계를 해야만 비로소 보일러의 운전, 제어가 가능하다는 점을 강조하고 싶다. 따라서 여기서는 특히 보일러의 주요 제어(APC) 방식에 대해 살펴보기로 하고, 버너 및 부속장치 관련 제어는 다른 강좌(계장․제어와 자동화)를 참 조하기 바란다. - 5 - 2.1 보일러 형식과 증기 생산 방식 대형 발전용 보일러는 크게 2종류로 나눌 수 있는데, 하나는 드럼 보일러 이고 다른 하나는 관류 보일러이다. 이들의 차이를 제어적인 관점에서 보면, 전자는 증기드럼이 있으며 증발기의 증발 완료점이 일정하게 고정되어 있고, 후자는 증기드럼이 없고 증발기의 증발 완료점이 상태의 변화에 따라 달라 진다. 이러한 기본적인 특성의 차이가 그대로 제어방식의 차이로 나타난다. 2.1.1 드럼의 레벨 제어는 드럼 보일러의 중요한 동특성 그림 5와 같이 무한대 용량의 탱크에 접속된 보일러를 상상해보자. 예를 들면 버너의 화력을 높이면 보일러 入熱이 증가하고 그에 상당하는 증기가 발생한다. 무한 탱크로부터 물이 순조롭게 보급될 경우 보일러 수위는 변동 이 없다. 이와 같이 드럼 보일러의 증발량은 연료 투입량에 따라 결정되는 것이다. 드럼 보일러의 급수는 어떻게 제어할까? 다시 무한대 용량의 탱크에 접속 된 보일러를 생각해보자. 버너에 의한 보일러 입열량에 따라 증발이 이루어 지는데, 증발로 보일러의 수면이 낮아지면 수면이 동일 레벨이 되도록 증발 량에 맞춰 물이 연락관을 통해 무한대 용량 탱크로부터 보일러로 유입된다. 이러한 기능을 담당하는 것이 급수제어이다. 즉 보일러의 드럼 수위가 낮아 지거나 높아지면 급수량을 증가 또는 감소시킴으로써 수위를 규정치로 제어 한다. 그림 5 드럼 보일러의 원리 설명도 한편 증기온도는 어떻게 제어할까? 드럼 보일러는 크게 증발부와 과열부 로 나눠지는데, 드럼 보일러에서는 증발부 출구의 증기는 앞에서 살펴보았듯 이 항상 포화증기이고, 과열부에서 과열증기가 된다. 이 때 과열증기 온도는 - 6 - 과열기로의 입열, 즉 연소가스량이나 온도와 과열기 통과증기가 뺏아간 열 량, 즉 과열기 입구 포화증기 유량과의 균형에 의해 결정된다. 따라서 보일러 출구 증기 온도는 보일러 증발량을 함수로 하여 보일러 전 열특성에 따라 변화하게 되는데, 터빈에서는 일정한 증기 온도를 요구하기 때문에 보일러에서는 과열기 중간에 저온수를 spray함으로써 증기 온도를 규정치로 제어하는 방법을 이용하고 있다. 2.1.2 水熱 比例制御가 중요한 관류 보일러의 동특성 관류 보일러는 앞에서 살펴보았듯이 氣水 드럼이 없어 증발부 내부에서 증발완료점이 변화한다. 관류 보일러는 말하자면 그림 6과 같이 1본의 수관 을 가열하여 포화, 과열시키는 모듈이라고 할 수 있다. 이 경우 보일러 증발 량은 연료 투입량이 아니라 물, 즉 급수 유량에 의해 결정되는 것으로 알려 져 있다. 그림 6 관류 보일러의 원리 설명도 또한 급수유량을 일정하게 하고 연료 투입량을 변화시키면 어떻게 될까? 연료를 증가시키면 飽和域이 왼쪽(물쪽)으로 이동하여 과열부가 상대적으로 길어진다. 그 결과 보일러 출구 주증기 온도가 상승한다. 연료를 줄이면 이 와 반대로 포화역이 오른쪽(증기쪽)으로 이동하여 과열부가 상대적으로 짧아 져 주증기 온도가 낮아진다. 다시 말해 관류 보일러는 급수유량과 연료 투입 량의 비율(水煙比)로 포화역, 즉 증 발완료점을 이동시켜 과열부를 상대적으 로 증감시킴으로써 주증기 온도를 제어한다. 그러면 드럼 보일러에서 증기온도 제어에 필요한 과열기 spray는 관류 보 일러의 경우 어떻게 활용하면 좋을까? 관류 보일러의 과열기 스프레이는 일 시적인 효과이긴 하지만 응답성이 우수하기 때문에 증기온도 外亂의 과도적 인 경우의 대응책으로 적절하다. - 7 - 이상, 드럼 보일러와 관류 보일러의 동특성을 살펴보았는데, 이를 토대로 구성되어 있는 각종 보일러의 기본적인 제어방식을 참고로 그림 7에 정리하 였다. 그림 7 드럼 보일러 및 관류 보일러의 기본적인 제어방식 2.2 비간섭 시스템의 드럼 보일러 드럼 보일러는 약간의 간섭 시스템이긴 하지만 단독 시스템과 유사한 형 태로 제어 가능하다. ․연료량 주증기압력 제어 ․급수량 드럼 레벨 제어 ․과열기 스프레이량 주증기온도 제어 ․가스 재순환량 또는 가스 분배량 재열증기온도 제어 ․증기량(가감밸브 開度) 부하제어 * 과열기 스프레이량은 주증기 압력에 대한 外亂 가능성이 있다. 드럼 보일러의 자동제어는 연소량, 급수량 및 증기온도 제어 등 3가지의 주요 제어로 이루어져 있는데, 일반적으로 보일러 추종방식을 채택하고 있다. - 8 - 2.2.1 연료와 공기의 균형을 적절히 맞추는 연소제어 연소제어는 화로에 대한 연료량, 공기량을 제어하여 적절한 공기비를 확 보하면서 증기압력을 제어하는 것이다. 다음에 최근 채택하고 있는 이들 제 어방식에 대하여 중유 연소를 예로 들어 살펴보았다. (1) 연료량을 통한 주증기 압력 제어(마스타 제어) 드럼 보일러에서 압력제어계는 주증기 압력을 검출하고 이를 설정치와 비 교하여 편차가 없도록 연료량 및 공기량을 제어하도록 구성되어 있다. 증기 유량에 변동이 생겼을 때 그 변동분 만큼 미리 연료량을 변화시키면 증기압 력의 변화를 줄일 수 있기 때문에 압력 제어성이 향상된다. 일반적으로 증기 유량을 측정하지 않는 경우가 많은데, 이 경우는 터빈 제1단 압력이 주증기 유량에 비례하기 때문에 대체 요소로 사용하고 있다. (2) 효율 향상에 기여하는 低空氣 過剩率을 이용한 空燃比 제어 안정적인 노내 연소를 위해서는 적당량의 공기를 공급해야 한다. 그러면 적당량은 어떻게 결정할까? 필요 이상의 공기량을 공급하면 보일러의 열손 실이 커지기 때문에 보일러 효율이 떨어질 뿐만 아니라, 중유속에 들어있는 유황분에 의한 보일러 저온부 메탈, 특히 공기예열기(AH)의 부식 문제가 발 생한다. 그림 8 연소제어계통 사례 - 9 - 석유위기 이후 연료 사정의 변화로 보일러 운용도 유례가 없을 정도로 에 너지절약을 통한 고효율화를 요구하고 있다. 때문에 연소제어계에는 그림 8 에서 보듯이 O2 제어를 추가하여 이론공기량에 가까운 공기로 연소시키는, 소위 저공기 과잉률 연소 제어방식을 주로 채택하고 있다. 한편, 저공기 과잉률을 이용하는 보일러 운전은 부하변화시의 과도 상태 에서 공기제어계의 응답지연에 의해 일시적으로 공연비의 균형이 깨져 흑연 이 발생하거나 연소 불안정 등의 문제가 발생할 우려가 있다. 때문에 저공기 과잉률 운전을 할 때는 그림 8에서 보듯이, 부하변동시의 과도상태에서 항상 공기량이 부족하지 않도록 저신호 선택기(LS) 및 고신호 선택기(HS)를 설치 하여 부하 증가시에는 공기량을 미리 증가시키고 나서 공기량을 줄이는, 소 위 air rich 회로가 필요하다. air rich 회로를 채택할 경우에는 부하 증가시 공기량 증가에 맞춰 연료량 을 늘이기 때문에 공기제어계의 지연이 증기압력의 제어성에 영향을 미치므 로 특히 공기량 조작단의 응답성을 충분히 고려해야 한다. 2.2.2 보일러 내 중량 밸런스를 고려한 급수제어 드럼 보일러에서는 급수제어는 곧 드럼 레벨 제어이다. 그림 9는 최근 많 이 채택하고 있는 급수제어 시스템인데, 보일러의 용량, 압력 등에 따라 급 수계통 구성 및 급수 펌프 댓수, 기종(예를 들면 터빈구동 급수펌프의 채택) 및 운전방법 등이 달라지기 때문에 제어계통의 구성에 심사숙고해야 한다. 그림 9 3요소식 급수제어 시스템 사례 - 10 - 그림 9는 드럼 레벨, 증기유량 및 급수유량으로 구성되어 있다. 소위 3요 소식 급수제어의 전형적인 사례이다. 급수제어의 목적은 외부에 빼앗긴 증기 량과 같은 급수량을 보급하여 보일러 안의 중량 밸런스를 유지하기 위한 것 인데, 드럼 보일러의 경우에는 중량 균형이 깨지면 드럼 레벨의 변화로 나타 난다. 따라서 3요소식 급수제어의 목적은 증기유량의 변화에 따라 급수유량 을 제어하고, 나아가서는 드럼 레벨의 所定値와의 편차에 의해 보일러에 공 급되는 급수량을 재조정하는 것이다. 일반적으로 soot blower용 증기와 탈기기 기동시의 증기 등은 보조증기로 서 드럼 또는 중간과열기에서 취출한다. 이들 보일러계 내에 사용되는 보조 증기량은 보일러 증발량에 비해 비교적 많지만 증기유량계를 통과하지 않기 때문에 드럼 레벨이 offset되어 나타나는데, 드럼 레벨 조절기(PI)를 설계하 여 offset을 제거한다. 2.2.3 스프레이를 이용하여 응답성 향상을 꾀하는 증기온도 제어 증기온도 제어계는 주증기 온도 제어계와 재열증기 온도 제어계로 구성되 어 있는데, 소정의 보일러 負荷帶에서 각 증기온도를 설정온도로 유지한다. (1) 주증기 온도 제어 주증기 온도 제어는 1차 과열기와 2차 과열기 사이에 설치한 減溫器에 스 프레이 수를 통해 제어한다. 이 제어계는 보일러 부하를 대표하는 MWD 또 는 BID에 의한 프로그램 제어를 기본으로 하면서 이에 주증기 온도의 편차 를 최종적으로 제로로 만드는 수정회로가 붙어 있다. 또한 주증기 온도의 응 답성을 향상시키기 위해 부가적으로 감온기 출구 증기온도를 피드백 제어하 고 있다. (2) 재열증기 온도 제어 재열증기 온도는 가스 순환량을 제어하는 방식과 後部 燃道를 재열기와 과열기로 분할하여 가스통과량을 제어하는 댐퍼방식 등 2가지가 있다. 또한 재열기 스프레이 감온기를 이용한 스프레이 제어를 병용하고 있는데, 재열기 스프레이는 효율이 낮기 때문에 일반적으로는 비상용으로서 과도적으로 운 용하고 있다. 가스순환량 제어방식은 버너의 연소상태 및 화로가스온도에 영향을 준다. 가스재순환량은 기본적으로는 MWD 또는 BID에 의해 프로그램 제어되는데, 여기에 재열증기 온도 편차에 의한 비례+적분 보정을 부가한다. 댐퍼제어방 - 11 - 식의 경우에는 가스 재순환량 제어방식과 같이 부하 프로그램과 재열증기온 도 편차에 의한 피드백제어를 채택한다. 댐퍼 조작의 경우 後部 燃道를 분할 하기 때문에 과열기측 댐퍼와 재열기측 댐퍼의 동작은 역방향으로 작용한다. 2.3 상호간섭 시스템인 관류 보일러 관류 보일러는 상호간섭 시스템으로 안정적 운용을 위해 높은 제어 정밀 도가 필요하다. ․연료량 주증기압력 제어 ․급수량 주증기유량 제어 ․과열기 스프레이량 주증기 온도 제어 ․가스 재순환량 또는 가스 분배량 재열증기 온도 제어 ․증기량(가감밸브 開度) 부하제어 기본적인 제어계통은 그림 10에서 보는 것처럼 각종 서브 시스템으로 이 루어져 있는데, 이들이 서로 결합되어 터빈을 포함한 관류 보일러의 최적의 제어계를 구성하고 있다. 관류 보일러 제어에서 특징적인 내용은 다음과 같 이 설명할 수 있다. 그림 10 APC 제어계의 기본구성 2.3.1 火爐水冷壁 보호를 위한 급수제어 보일러의 입력지침은 관류 보일러 특유의 제한동작을 통해 급수량 지침으 로 변환된다. 첫째의 제한동작은 연료계의 이상 발생시 그 때의 연료량에 맞 는 급수량으로 조절하는 것이고, 둘째의 제한동작은 어떤 경우에도 규정된 최저 급수량을 확보하는 下限動作이다. 이를 통해 저부하 운전시에도 화로의 보호에 필요한 급수유량을 확보한다. - 12 - 2.3.2 연료 BIR을 활용한 주증기 온도 제어 관류 보일러의 주증기 온도는 기본적으로 급수와 연료의 유량비(水燃比) 로 결정하는데, 통상 적정한 비율로 유지해야 한다. 특히 부하변동시에는 보 일러의 축적량을 신속하게 목표부하 상당으로 변환하기 위한 over/under firing이 필요한데, 이는 연료 BIR(Boiler Input Rate)로 보정한다. 연료 BIR은 부하 상승시에 연료를 늘이고 부하 강하시에는 연료를 줄여 보정하여 부하변동시의 주증기 온도 변동을 억제한다. 연료의 BIR 신호는 발전량 지침의 미분치를 연소량 지침에 추가하여 송신한다. 주증기 온도에 의한 수정 바이어스는 주증기 온도 편차의 PI 동작을 통해 부여된다. 연소량 지침에는 급수계 이상시의 제어동작(급수계 이상시에는 그 때의 급수량에 맞 는 연료량 조절)이 추가된다(cross limit). SH 스프레이 제어 밸브는 저부하역에서는 全開 위치에 inter-lock시키고, 그 이상의 부하역에서는 주증기 온도 편차, 1차 SH 출구증기 온도의 微分先 行信號에 비례하여 제어한다. 2.3.3 연소량 변동에 대한 우수한 추종성이 필요한 O 2 제어 보일러를 안정적으로 운전하기 위해서는 앞에서 살펴보았듯이, 연소지침 에 따라 연료량과 공기량을 병렬제어하여 필요한 熱入力을 공급하는 것이 중요한데, 경제적인 열입력 제어를 위해서는 공기/연료비를 최적치로 유지해 야 한다. 우선 연소량 지침은 制限動作을 포함하여 연소량 지침과 공기지침이 있 다. 제한동작은 연료계와 공기계 이상 발생시의 cross limit 동작이다. 즉 연 료계(공기계)에 이상이 발생했을 때는 상당량 또는 공기량(연료량)을 조절하 도록 하는데, 공기량 지침계는 연료 cross limit 동작을 거친 후 어떤 경우에 도 규정의 최소 공기량을 확보하는 제한동작을 한다. 공기량의 피드백 신호회로에서 절탄기 출구가스 O2에 의해 공기/연료비 보정동작을 하도록 한다. 가스 O2의 설정치는 연소량 지침에 의해 프로그램 되어 있는데, 넓은 부하범위에 걸쳐 최적의 O2를 유지하도록 하고 있다. 2.4 負荷 追從性을 고려해야 하는 변압 관류 보일러 초기에 도입된 초임계압 플랜트의 보일러 형식은 定壓 貫流 보일러였다. 초임계압 보일러는 증기조건이 높기 때문에 보일러 효율이 높고 또한 관류 보일러는 보유수량이 적어 부하 변화율도 높은 등의 특징이 있다. 한편, 기 - 13 - 동시 초임계압까지 가압하기 위한 계통구성 및 기동밸브 조작이 복잡하다. 이에 대하여 현재의 사업용 화력에서 주류를 이루고 있는 변압 관류 보일 러의 장점의 하나는 중간부하 화력으로서 우수한 기능을 갖고 있다는 점이 다. 정압관류 플랜트와 변압 관류 플랜트를 표 2에 비교하였다. 표 2 정압관류 플랜트와 변압 관류 플랜트의 비교 ․주증기의 변압운전으로 고압터빈 조절기의 손실이 감소하여 내부 효율 이 상승한다. ․주급수 압력 저하로 급수펌프의 소요동력이 감소한다. ․고압터빈 배기온도가 높게 유지되기 때문에 재열기 출구 증기온도도 상 대적으로 높아 중저압 터빈의 효율이 향상된다. 그림 11에 변압관류 보일러와 정압관류 보일러의 IP 선도를 비교하였다. 정압관류 보일러는 터빈입구 주증기 압력이 일정하기 때문에 보일러의 운전 역이 항상 초임계압으로 유지되어 각부의 온도 변동도 소폭이다. 한편, 변압 관류 보일러는 주증기 압력이 달라지면 보일러 각부의 상태량 이 초임계압에서 아임계압까지 크게 변동하는데, 적절한 압력 추정성을 얻기 - 14 - 위해서는 보일러의 조작량에 맞춰 연료 및 급수의 변동폭이 그에 따라 커지 는 경향이 있다. 그림 11 엔탈피 압력 線圖 이러한 경향은 화로가 큰 석탄연소 보일러의 경우에 두드러지는데, 중간 부하 운용 화력으로서의 양호한 동특성을 갖기 위해 앞에서 살펴본 연소량 지침에 치밀한 보정이 필요하다. 또한 변압 관류 보일러에서는 주증기온도 제어 향상을 위해 2단계 또는 3 단계 과열기 스프레이를 채택하거나 재열증기온도 제어성 향상을 위해 재열 기 중간 스프레이를 채택하는 사례도 있다. 2.5 분쇄설비를 갖춘 석탄연소 보일러 드럼 보일러 및 관류 보일러 제어의 개요에 대해서 살펴보았는데, 이는 모두 중유 연소를 기본으로 설명하였다. 보일러의 연료로는 중유 외에 가스 및 석탄 등이 있다. 가스연료의 경우 연료량 조정은 중유연소 보일러의 제어 상으로는 기본적으로 차이가 없지만, 석탄연소 보일러에서는 미분탄설비가 있기 때문에 연료공급 제어계 등이 그만큼 다르다. 주요 차이점에 대해서 살 펴보았다. - 15 - (1) 응답성에 대한 고려가 필요한 1차 공기량 제어, 급탄량 제어 석탄연소 보일러의 연료공급계는 석탄 벙커의 석탄이 급탄기로 들어가고 다시 미분탄기로 공급되어 분쇄, 건조되어 1차 공기를 통해 버너로 반송되는 구조로 이루어져 있다. 석탄공급 시스템의 기본적인 구성은 그림 12와 같다. 그림 12 석탄연소 보일러의 연료공급 계통 따라서 연료량은 급탄량 및 1차 공기량 조정을 통해 이루어지게 된다. 제 어방법으로는 보일러 제어장치에서 작성된 연소량 지침(FRD)을 받아 석탄량 지침을 작성하고, 이에 따라 급탄량 및 1차 공기량의 협조를 통해 제어한다. ① 급탄량 제어 석탄량 지침에 따라 급탄기의 회로수를 증감시켜 미분탄기로의 공급탄량 을 조절한다. 미분탄기의 분쇄, 재순환 및 축적 등의 특성에 따른 응답에 늦 게 반응하기 때문에 응답성 향상을 위해 부하 변화시에는 선행제어를 추가 한다. ② 1차 공기량 제어 석탄량 지침에 따라 프로그램적으로 1차 공기 댐퍼를 개폐하는데, 1차 공 기량과 지침과의 편차에 의한 비례, 적분작용을 부하시키는 제어방식으로 응 답성을 향상시킨다. 1차 공기량의 지나친 조절로 반송력 및 유량 저하에 따 른 逆火를 방지하기 위해 1차 공기 댐퍼 지침에 下限回路를 설정하고 있다. 또한 응답개선을 꾀하기 위해 급탄량 제어와 같이 부하변화시 선행제어를 시행한다. (2) 효율적인 석탄버너의 연소에 필요한 미분탄기 출구 온도 제어 - 16 - 미분탄기는 석탄을 분쇄하여 미분탄을 만드는 역할 외에, 석탄의 습분을 건조시켜 버너에서 잘 연소되도록 하는 역할을 한다. 탄종(습분)의 변화에 대응함과 함께, 플랜트 및 미분탄기의 넓은 부하범위에 대응하고, 미분탄기 출구 온도를 규정치로 유지하도록 미분탄기로 공급하는 공기의 열량을 제어 한다. 통상은 미분탄기 입구부의 열공기 댐퍼와 냉공기 댐퍼의 혼합비를 조 절함으로써 미분탄기 출구 온도를 제어한다. (3) 평형통풍제어 방식에 의한 화로 draft 제어 석탄은 기름이나 가스연료에 비해 연료속에 재, 먼지가 많아 연소 배기가 스 속에 상당한 분진이 포함되어 있다. 따라서 화로내 통풍조절장치를 통상 대기압 이하로 유지하여 보일러에서 분진이 분출되는 것을 막는다. 이를 위 해 誘引 통풍기를 설치하여 押入 풍량에 맞춰 유인 가스량을 조절하고, 화로 입출력 공기/가스량의 균형을 맞춰 화로의 통풍조절장치를 항상 규정치로 유 지해야 한다. 화로 draft 제어방법은 FDF 입구 댐퍼 또는 動翼의 開度에 즉응하여 하 류측의 IDF 입구 댐퍼를 변화시킨다. 화로 통풍조절장치에 변동이 생길 경 우에는 그 설정치와의 편차에 비례․적분 동작신호를 IDF 입구 댐퍼에 전달 하여 화로 통풍조절장치를 설정치로 되돌리도록 작동시킨다. 3. 보일러의 운전감시방식을 이해하는 데 필요한 키워드 보일러의 운전감시방법을 이해하기 위한 키워드로는 다음과 같은 것을 들 수 있다. ․보호기능 ․중앙제어실의 집중감시 ․감시항목 3.1 보호기능 보일러를 운전감시 할 때 중요한 것은 무엇일까? 요구에 맞는 출력으로 운전하는 것은 물론이지만, 통상운전중뿐만 아니라 이상발생시에도 보일러를 안전하게 운전하는 것이다. 그러기 위해 운전감시기능의 하나로 보호기능을 설치하고 있다. 보호기능으로는 일반적으로 보일러 보호 inter-lock, FCB 및 runback 기능 등이 있다. - 17 - 표 3 MFT의 요인 관류 보일러 드럼형 보일러 개설 좌동 - 드럼압력 높음 ‘발전용 화력기술기준’에 따라 설치하며, 설정치는 설계압의 1.06배 1 수동 트립 2 보일러출구 압력 높음 3 보일러 급수유량 이상 저하 또는 보일러 보일러급수 유량 저하 보일러 순환불량 순환유량 이상 저하시의 화로수냉벽 소손 (강제순환 보일러) 방지 4 재열기 보호 좌동 보일러 운전중에 터빈으로 들어가는 증기 가 차단되는 등 재열기에 증기가 들어가지 못할 경우의 재열기 소손 방지 5 화로압력 높음 좌동 화로의 설계강도를 넘을 경우의 화로벽 및 백스테이 파손 방지 6 화로압력 낮음(평형통 풍의 경우) 좌동 화로의 설계강도를 넘을 경우의 화로벽 및 백스테이 파손 방지 7 全火焰 喪失 또는 critical flame out 좌동 화로내의 연소가 폭발사고에 이를 정도로 위험한 상태가 되었을 때의 보일러 보호 8 全燃料 불안정 좌동 버너 前 壓力이 낮아져 연료의 안정연소 한계 이하일 경우의 이상연소 방지 9 전 FDF 정지 좌동 연소불가능으로 폭발방지 10 전 급수펌프 정지 11 수냉벽 압력 저하(정 압 관류 보일러) 12 전 버너 밸브 열림 - 관류 보일러에서 모든 급수펌프 정지 등의 경우 화로수냉벽의 소손 방지 - 초임계압 보일러의 화로수냉벽은 單相流가 되도록 설계되어 있지만, 아임계압이 되면 二相流가 되어 수냉벽이 소손된다(변압 관 류 보일러에는 적용되지 않는다) 좌동 버너 밸브 닫힘은 보일러의 정상 또는 이 상정지를 의미하고 재기동에 대하여 화로 purge를 하기 위해 MFT 릴레이를 작동시 킨다. 13 - 드럼 수위 낮음(자연순환 보일러) 자연순환 드럼형 보일러에서 드럼 수위의 이상 저하시 수냉벽 소손 방지 14 - 드럼 수위 높음 드럼형 보일러에서 드럼 수위의 이상 상승 시 과열기로의 포화수 유입 방지 좌동 (통상은 MFT로 하지만, 충분한 용량의 터 빈 바이패스 밸브가 있는 보일러에서는 MFT로 하지 않는 경우도 있다) 15 터빈 드립 3.1.1 보일러 기기를 지키는 보일러 보호 inter-lock 보호기능 중에서도 가장 중요한 것으로 보일러의 운전상태에 이상이 생기 - 18 - 면 바로 보일러의 연료를 급속히 차단하여 보일러의 안전과 기기를 보호하 기 위한 회로가 MFT(Master Fuel Trip)이다. MFT 동작에 대해서는 보일러 형식, 연료 종류에 따라 NFPA85(National Fire Protection Association)에서 발생 요인과 MFT 발생시 각종 조작단의 동작을 규정하고 있다. 이를 참조하기 바란다. 관류 보일러와 드럼 보일러에 있어서 MFT의 요인은 표 3과 같이 정리할 수 있다. 또한 MFT는 성격상 동작의 신뢰성이 가장 중시되기 때문에 일반적으로 DC 100V(소내 배터리 전원)를 사용하는데, 대부분의 경우 hard relay 회로 로 구성되어 있다. 그리고 검출 신뢰성을 확보하기 위해 검출기는 3중화하는 데, 2 out of 3 회로를 채택하고 있다. 3.1.2 계통운용에 기여하는 FCB(Fast Cut Back) 송전계통에서 사고가 발생했을 경우, 터빈발전기를 trip시켜 보일러를 정 지시키는 방법과 터빈발전기는 trip시키지 않고 소내 부하까지 출력을 조정 하는 방법이 있다. FCB는 후자의 방법인데, 보일러 보호라는 측면보다는 송전계통 사고 발 생시에도 소내 단독으로 운전을 계속하는 기능이다. 중유연소나 가스연소 등 보일러 時定數가 비교적 짧은 보일러에서 채택하는 기능이다. FCB에서는 송전계통 사고로 발전소가 소내 단독운전하기 때문에 터빈발 전기 부하가 고부하에서 발전소내의 소위 소내 부하로 순간적으로 떨어뜨려 운전하게 된다. 이에 대응하여 보일러 부하(급수, 연료)를 급속하고 안정적으 로 조절, 운전해야 한다. 이처럼 보일러 급수 및 연료에 대해서 급속한 조절 을 하기 때문에 Fast Cut Back이라고 한다. FCB를 실시할 때 주의해야 할 점은 다음과 같다. (a) 소내 단독운전으로 이행하면 재열기에는 증기가 흐르지 않기 때문에 재열기 보호의 관점에서 연료량을 급속히 조절해야 한다(그림 13). 그리고 이 때문에 버너공급 압력이 낮아지므로 불안정 연소를 방지하기 위해 버너 를 신속히 소화하여 적정한 버너 공급압력을 유지해야 한다. (b) 연료의 조절에 대응하여 공기량도 급속히 최저 공기유량까지 조절한다. (c) 보일러 용량이 크기 때문에 터빈으로의 유입증기가 급속히 차단되면 증기압력이 급상승한다. 때문에 FCB와 동시에 보일러에서 발생한 증기를 복 수기 등으로 빼내서 주증기압력의 과상승을 방지한다. - 19 - 그림 13 재열기 보호 방법 (d) 보일러의 최저 급수유량까지 급수펌프의 토출량을 안정화시켜 조절한다. 3.1.3 보조기기 정지시에도 안전하게 운전을 계속하기 위한 runback 동일 기능을 가진 복수의 보조기기가 운전되고 있는 상태에서 그 가운데 한 대에 이상이 발생하여 정지할 경우 그 상태대로 계속 운전하면 급수/연료 /공기의 균형이 크게 깨어져 MFT가 될 우려가 있다. 때문에 남은 운전중의 보조기로 보일러가 안전하게 운전을 계속할 수 있는 부하까지 낮추어야 한 다. 이 기능이 runback이다. runback의 요인은 발전소별로 다르기 때문에 설치되어 있는 기능을 특정 할 수는 없지만, 대표적인 것은 통풍계통의 일부 정지에 의한 runback, BFP 1대가 정지하는 runback 및 석탄연소 보일러에서 미분탄기 1대가 정지하는 runback 등이 있다. 3.2 중앙제어실의 집중감시 이전에는 중앙제어실의 BTG반에 기록계와 지시계 및 조작 스테이션 등 이 설치되어 있어 이들 계기․기기에 의지하는 집중감시방식으로 보일러를 운전해왔다. 그러나 PC로 대표되는 마이크로 프로세스 및 데이터 전송기술 등 디지털 기술의 비약적인 발전으로 보일러 제어장치 및 보일러 운전감시 방법도 큰 영향을 받고 있다. 주요 경향을 살펴보자. 디지털 기술의 진보에 따라 제어장치는 아날로그에서 디지털방식으로, 그 리고 네트워크 대응 방식으로 진보하고, man-machine interface는 중앙감시 방식으로 대표되는 하드기기에서 CRT를 사용한 touch operation과 mouth operation으로 발전하고 있다. - 20 - 이처럼 제어장치 및 man-machine interface의 진보와 발전소의 ‘적은 인 원으로 조작, 감시’한다는 요구가 합치하여 최근 건설되는 대부분의 플랜트 는 대형 디스플레이나 칼라 CRT를 중심으로 한 자동조작, 집중감시방식 (CRT operation 방식)을 채택하고 있다. 사진 1에 board operation 방식의 중앙제어실을, 사진 2에 CRT operation 방식의 중앙제어실을 소개하였다. 사진 1 board operation 방식의 중앙제어실 그림 13 CRT operation 방식의 중앙제어실 3.3 안전 운전을 위한 감시항목 최근 board operation 방식 대신 CRT operation 방식이 주류를 이루고 있 고, APC 등의 제어장치나 데이터 감시 시스템에서 나오는 모든 정보를 뽑아 낼 수 있고 또한 축적된 과거의 자료를 필요에 따라 검색할 수 있어 다종다 - 21 - 양한 감시가 이루어지게 되었다. 그리고 대부분의 조작 항목이 자동화되어 있기 때문에 소수 인원으로도 운전감시가 가능하졌다. 때문에 운전감시에 필 요한 감시항목을 적절히 선정해야 한다. 이들 감시 항목에 요구되는 기능을 크게 나누면 다음과 같다. (a) 보일러 보호장치를 작동시키는 것(보호용) (b) 자동화에서 조건으로 입력하는 것과 직접 제어의 피드백으로 입력하 는 것(제어용) (c) 경보장치를 작동시키는 것(경보용) (d) 운전원이 플랜트 상태를 파악하기 위한 것, 기록계, 지시계 및 CRT 등에 표시되는 것(감시용) 표 4 주요 계측감시 항목 계통 감시항목 보호용 제어용 경보용 감시용 ․주증기 압력 ․보조증기 압력 주증기계통 ․주증기, 재열증기, 보조증기 등의 온도 ․주증기, 재열증기, 보조증기 등의 유량 ․電導度計 등 ○ - ○ ○ ○ - ○ ○ ○ - ○ ○ ○ ○ ○ 급수계통 ․주급수 유량 ․주급수, 고압․저압급수 등의 압력, 온도 ․급수 수질관리용(전도도계, pH계, 용존 산소계, 실리카계 등) ○ - ○ - ○ - ○ ○ ○ 연료계통 ․각종 연료라인의 압력, 온도 ․atomize 매체의 압력, 온도 ․연료탱크 레벨, 온도 ․각종 연료라인의 유량 ․연료 탱크의 누유 검지기 ․연료배관, 버너 주변의 가스검지기, 누유 검지기 ․버너 주변의 연료 압력 ․버너 감시 TV ○ ○ - ○ ○ ○ ○ - ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ - - - - ○ ○ 화로 ․노내 압력 ․버너 화염 검출 ․노내 TV ○ ○ - ○ - ○ - ○ ○ 통풍계통 ․연소공기 유량 ․배기가스 O2 ․배기가스 압력 ․환경감시용(배기가스 NOx, 배기가스 SO2, 매진농도계 등) ․연소공기 및 배기가스 등의 온도 ․배기가스 CO - ○ ○ - ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ - - - ○ ○ - 22 - 보일러의 운전감시를 위해 필요한 감시항목의 상세에 대해서는 ‘보일러의 형식과 제어방식’ 등을 참고하여 스스로 공부하길 바라고, 보일러 형식, 사용 연료에 따라 다소 차이가 있지만 주요 계측감시 항목은 표 4와 같다. 한편 필요 최소한의 감시, 계측항목에 대해서는 ‘화력발전소의 계측항목 규 정’(JEAC3201)에 의무항목, 권고항목, 추천항목으로 정리하고 있는데, 참고하 기 바란다. 4. 미래 전망 키워드 그림 14에 화력발전 플랜트를 둘러싼 환경 변화와 화력 보일러의 형식, 사용연료의 변천을 정리하였다. 화력플랜트에서 사용연료는 기름, 가스, 석탄 으로 변천해왔다. 앞으로는 연료공급 안정화의 관점에서 석탄연소화력과 가 스연소 복합사이클의 best mix로 나아갈 것으로 보인다. 그림 14 화력 플랜트의 변천 또한 전력자유화가 본격화됨에 따라 더한층 전력의 계통 안정화가 요구되 어 기설 화력에서는 부하추종성의 향상 등 유연한 부하운용이 요구됨과 함 께, 환경에 대한 고려도 중요해질 것이다. 그리고 향후 더욱 합리화, IT 기술 과 신기술 도입 등으로 인해 중앙제어실이 바뀔 것으로 예상된다. 따라서 미 래 전망의 키워드는 다음과 같이 정리할 수 있다. ․계통 안정화를 위한 부하추종성 향상 - 23 - ․중앙제어실의 근대화 ․IT 기술 4.1 계통안정화를 위한 부하추종성 향상 전력자유화는 제1차 자유화가 2000년부터 시작하여 2007년에는 완전 자유 화된다. 이에 따라 IPP 플랜트 및 풍력, 태양전지 등의 자연에너지가 차지하 는 비율이 높아지고 있다. 또한 앞으로는 이들 이외에, 마이크로 그리드, 분 산전원의 비율이 늘어날 것으로 예상된다. 그렇게 되면 전력계통 안정화를 유지하기 위해서는 기설 화력플랜트에 대한 부하추종성은 앞으로 점점 높아 질 것으로 예상된다. 4.2 중앙제어실의 근대화 미국의 발전소에서는 10년 이상 전부터 이미 one man operation을 실행해 오고 있다. 앞으로 국내의 전력자유화가 정착되면 더욱 합리화하기 위해 중 앙제어실의 근대화를 검토하게 될 것으로 보인다. 4.3 고성능, 신뢰성, 보수성에 기여하는 IT 기술 (1) field bus 지금까지 제어장치의 디지털화가 선행되어 성능 향상, 신뢰성 향상, 보수 의 편리성 등을 추구해왔다. 최근 들어서는 field bus가 도입되어 현장기기 (검출단과 조작단)의 디지털화도 급속히 진행되고 있다. 이들 현장 기기가 디지털화되면 고장 진단과 zero span 조절 자동화 등이 가능하다. 따라서 신 뢰성 향상, 보수의 편리성 등 여러 가지를 기대할 수 있다. (2) 모바일 단말기 미국 등에서 이미 실용화되고 있는 것이 현장에서 이용할 수 있는 PC, 소 위 모바일 단말기이다. 현재 일본에서도 이를 도입할 움직임이 있는데, 지금 은 이들 필드 기기의 조정 데이터를 손으로 기록하고 있지만 향후 모바일 단말기로 직접 데이터 네트워크를 매개로 데이터베이스 관리될 것으로 예상 된다. 이를 통해 쓸 데 없는 데이터 기록작업이 사라질 뿐만 아니라, 오기 등을 방지할 수 있을 것으로 기대된다. 참고문헌 ․計裝․制御と自動化講座 昭和58年6月 (社)火力原子力發電技術協會 ․火原協會講座②ボイラ（改訂版) 昭和63年4月 (社)火力原子力發電技術協會 - 24 - ․特輯 火力發電所の熱效率向上 第2章熱效率向上技術 平成15年 Vol.54 No.10 (社)火力原子力發電技術協會 - 25 -