한국남부발전(주) 영남화력발전소는 울산 경남지역 최초의 화력발전소로 1970~80년대 산업발전 중흥기부터 지금까지 산업분야에 안정적인 전력을 공급하기 위해 만전을 기해오고 있다. 또한 발전소건설 이후 체계적인 안전관리 활동을 통해 무재해 사업장으로서의 면모를 다져나가고 있는 것은 물론 안전선진문화를 선도하는 사업장으로서의 입지도 착실히 구축해 오고 있다. 영남화력발전소의 슬로건은 "창의와 역동적인 사업소 구현"이다. 그리고 다음과 같은 분야별 기본방침을 설정하여 모든 업무의 최우선에 적용하고 있다. 첫째, 안전분야로서 '인간존중, 인명중시, 3무(무재해, 무사고, 무상해) 달성', 둘째, 품질분야로서 '설비안전성 및 수익성 제고, 국제표준에 부합하는 물질 경영체제 구축', 셋째 환경분야로서 '환경경영 선진화로 녹색성장 추구 선도적 환경관리로 기업이미지 제고' 등이 그것이다. 인간존중의 이념을 최우선으로 내세우고 있다는 것을 볼 때 이곳이 안전경영을 얼마나 중시하고 있는지 쉽게 짐작해볼 수 있다. 화력발전소로서 규모가 크지는 않지만 구성원 모두가 가족적인 분위기 속에서 신명나는 직장분위기를 조성하려 노력한다는 한국남부발전(주) 영남화력발전소를 찾아가 봤다.
화력발전소는 화석연료 에너지를 전기에너지로 변환하는 과정에 참여하는 많은 종류의 기기들이 유기적으로 운전되는 복합시스템이다. 발전소 정상운전 중 어느 한 기기가 갑자기 정지되면, 불안정현상이 크게 발생하고 정상 운전이 어렵게 된다. 그러므로 이러한 상황이 발생하는 경우 빠른 시간 내에 적정한 수준으로 출력을 감소시키고, 새로운 안정운전 상태를 찾아가도록 하는 선행적 제어기능이 필요하게 된다. 화력발전소에 이 목적으로 구현되는 제어기능을 로드런백(Load Runback)이라고 부른다. 특히 화력발전소 보일러는 급수, 연료, 통풍을 담당하는 많은 기기가 많이 동시 운전되고 있으므로, 적합하게 설계된 로드런백 기능이 없다면 신뢰성 운전을 보장하기 어렵다. 이 논문에서는 국내 500MW급 표준화력에서 사용하고 있는 로드런백 기능의 핵심을 분석하였고, 이 분석을 토대로 현재 개발 단계에 국산화 제어시스템에 로드런백 기능을 구현하고자 한다. 실제 발전소 취득한 로드런백 시험 그래프를 제시하고 분석 결과의 타당성을 확인하였다.
가상적인 1,000MWe의 석탄화력발전과 원자력 발전소로부터 배출되는 방사성물질에 의한 피폭 영향을 상호 비교 연구하였다. 본 논문에서는 정상가동중에 배출되는 기체상 방사성물질에 국한하였으며 석탄화력발전소에 대한 방사선원은 국내자료가 부족하여 외국자료에 근거했고, 원자력발전소에 대해서는 표준발전소에 대해 계산된 방사선원을 사용하였다. 고리 기상탑의 1년 기상자료를 이용하여 Gaussian모델에 의해 방사성물질의 대기확산을 평가했으며, 개인 피폭선량은 대기확산인자가 최대인 지점의 성인에 대해 계산하였다. 방사선피폭선량은 석탄화력발전소보다 원자력발전소의 경우가 약간 컸으며 석탄화력의 경우는 원자력발전소와 달리 피폭선량의 73.5%가 오염된 엽채류의 섭취에 따른 것이었다.
발전소를 포함한 플랜트 공정 제어로직 설계에서 제어대상인 공정의 특성을 파악하는 일이 중요한 출발점이라고 할 수 있다. 이 논문에는 국내 가동 중인 500MW 석탄화력발전소의 보일러 제어시스템을 교체할 목적으로 우선 현재의 제어로직을 분석한 내용을 기술한 것이다. 대상 발전소의 보일러는 관류형 초임계압 형식으로서 1990년대 초부터 건설되기 시작한 국내 표준모델 중 하나이다. 표준관류보일러의 일반특성과 제어원리에 대하여 고찰한 내용을 먼저 기술하였으며, 효과적인 제어목표를 달성하기 위해 보일러 특성을 제어로직에 반영한 증기압력제어, 급수유량제어 제어알고리듬을 차례로 기술하였다. 여기에 근거 자료 또는 참고자료로 사용된 그래프 등은 고찰대상인 실제 발전소에서 수집하였다.
최근 국내 표준 화력발전소는 대부분 초 임계압의 관류형 보일러가 설치되어 운전되고 있다. 보일러 출구 증기온도를 정격치 이내로 운전하는 것은 보일러 운전에 중요한 요소이다. 보일러 효율 상승 등을 고려하여 과열기 Tube 재질의 온도 허용 한계치 이내에서 운전이 되어야 한다. 본 논문은 화력발전소에서 부하변동 범위가 넓고, 고효율 운전이 가능한 초 임계압 관류보일러의 동특성과 과열기 온도제어의 구성 및 실제 운전 중인 발전소의 운전데이터를 분석한 내용에 대하여 기술하고자 한다.
500MW급 초임계압 표준 석탄 화력 발전소에의 실증 적용을 목표로 국산 분산제어시스템의 개발 연구가 진행되고 있다. 시뮬레이터는 원자력발전소의 디지털 제어시스템 업그레이드나 아날로그 제어 시스템의 디지털 제어시스템으로의 개체시 제어 시스템의 검증용으로 활용되고 있으며, 국내에서도 중용량 석탄 화력 보일러 제어 시스템 검증에 활용된 바 있다. 본 논문에서 는 500MW급 표준 석탄 화력 발전소에의 적용을 목적으로 개발 중인 제어 시스템을 검증하기 위해 제어 검증용 시뮬레이터를 개발하였다. 제어 검증을 위한 제어 모델을 개발하는데 있어서 현장 제어 시스템 데이터와 시뮬레이션 개발 환경에서 현장 데이터를 활용가능하게 하는 변환 프로그램, 제어 시스템 제작사 매뉴얼에 기반하여 제어 모델을 개발하였다. 개발한 시뮬레이터는 열평형상태시험, 부하변동 시험, 고장모사시험 등을 통하여 효용성을 확인하였으며, 개발 중인 제어 시스템을 검증하고, 기존 제어 시스템의 분석 및 개선에 유용하게 활용할 수 있을 것으로 기대한다.
국내 500MW 표준석탄화력 발전설비가 준공 후 20년을 경과함에 따라 수명연장 및 성능개선이 요구되고 있다. 1993년 이후 운전연수가 20년이 초과된 보령화력 3-6호기를 포함한 국내 20여 기가 여기에 해당한다. 국내 여건상 신규발전소 건설이 어렵고, 탄소배출권 거래제 시행에 따른 노후 발전설비의 효율 향상이 필요하기 때문에 성능개선 및 수명 연장에 대한 수요는 계속될 전망이다. 따라서 노후 발전설비의 성능개선을 수행하기 전에 설비의 정확한 현재 상태를 진단하여 평가하고, 이를 토대로 경제성을 반영한 증기온도조건 상승에 필요한 설비개선 방안을 수립하는 것이 불필요한 자원낭비를 방지하고 최적의 성능개선을 통한 비용 최소화를 위해 중요하다고 할 수 있다.
발전소의 안정적 운영을 위한 발전소 운전원의 훈련에는 기준 발전소 주제어실의 각종 패널라 계기들을 기계적으로 동일하게 만들고 정확한 수학적 모델로 발전소 시스템을 모사한 전 범위 시뮬레이터가 주로 이용된다. 전범위 시뮬레이터는 실제 현장을 모사하는 시뮬레이션 컴퓨터와 주제어실의 패널 계기들을 연결시켜 주는 I/O 인터페이스 시스템을 필요로 한다. 기 설치 운용되고 있는 선행 호기 시뮬레이터를 보면 주 공급업체는 모델링 기술을 가지고 있는 업체가 맡고, I/O 인터페이스 시스템은 I/O 모듈과 네트웍 프로토콜까지 협력업체나 자사의 독자 모델을 취하고 있다. 그러나 I/O 모듈의 제작사가 대부분 외국의 특정 업체여서 예비품의 입수가 용이하지 않아 유지보수가 어렵고, 많은 비용을 지불해야 하는 단점을 가지고 있다. 따라서, 유지보수 용이성과 경제적 측면에서 특정 벤더 규격에 종속되지 않고 일반적인 표준을 따르는 off-the-shelf 제품을 이용하는 발전소 시뮬레이터 I/O 인터페이스 시스템의 구축이 요구된다. 본 논문에서는 화력 발전소와 원자력 발전소를 대상으로 시뮬레이터 I/O 인터페이스 시스템의 요구사양을 소개하고, 네트웍에서 시스템 아키텍처까지 개방형 인터페이스 방식의 상용 제품을 채용하는 PC기반 시뮬레이터 I/O 인터페이스 시스템 구축방안을 제시하고, 성능 예측을 통해 제안한 시스템 구축 방안의 효용성을 보인다.
최근 국내 표준 화력발전소는 대부분 초 임계압의 관류형 보일러가 설치되어 운전되고 있다. 보일러 출구 증기온도를 정격치 이내로 운전하는 것은 보일러 운전에 중요한 요소이다. 보일러 효율 상승 등을 고려하여 재열기 Tube 재질의 온도 허용 한계치 이내에서 운전이 되어야 한다. 본 논문은 화력발전소에서 부하변동 범위가 넓고, 고효율 운전이 가능한 초 임계압 관류보일러의 온도제어 계통 구성과 재열기 온도제어로직에 대하여 기술하고자 한다.
디지털 계측제어계통을 발전소에 적용하기 전에 시험 및 검증하기 위하여 500MW급 표준화력발전소 시뮬레이터 모델을 개발하고 터빈 제어시스템과 연계하였다. 선택된 디지털 계측제어계통의 성능시험 시, 해당되는 시뮬레이터 모델은 조정할 수 없는 발전소 디지털 계측제어계통과 교체된다. 시뮬레이터 모델 및 제어시스템의 입출력은 연계장치에 있는 LabView 프로그램을 사용하여 연결되었다. 본 논문에서는 시뮬레이터 모델 및 디지털 계측제어계통을 연계하는 방법론에 대하여 기술하고, 정상운전, 과도상태 및 고장인가 시 수행된 검증시험 결과를 제시하였다. 시뮬레이터 모델을 사용한 디지털 계측제어계통의 종합검증을 통하여 시뮬레이터가 디지털 제어시스템을 발전소에 적용하기 위한 시험장치로 사용될 수 있는 방법론을 개발하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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