🔥화력발전소 생존 필수 지침: 보일러-터빈 제어 문제 해결을 위한 실무 가이드

🔥화력발전소 생존 필수 지침: 보일러-터빈 제어 문제 해결을 위한 실무 가이드

 

목차

1. 보일러-터빈 제어의 핵심과 실무적 중요성
2. 보일러 제어 시스템의 일반적인 문제 유형 및 해결책
   • 연소 제어(Combustion Control) 불안정성
   • 급수 제어(Feedwater Control)의 변동성
   • 증기 온도 제어(Steam Temperature Control)의 난이도
3. 터빈 제어 시스템의 일반적인 문제 유형 및 해결책
   • 가속도/속도 제어(Acceleration/Speed Control) 문제
   • 로드 제어(Load Control) 응답 지연
   • 밸브 작동기(Valve Actuator) 및 위치 제어 이상
4. 보일러-터빈 연동 제어(Coordinated Control)의 실무적 과제와 최적화
   • 부하 변화 시 제어 루프 간의 상호작용
   • 비상 상황(Trip) 발생 시 제어 시스템의 역할
5. 예방 정비 및 데이터 분석을 통한 제어 시스템 안정화

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1. 보일러-터빈 제어의 핵심과 실무적 중요성

화력발전소에서 보일러-터빈 제어는 전력 생산의 안정성, 효율성, 안전성을 결정짓는 핵심 요소입니다. 보일러는 증기를 생산하고, 터빈은 이 증기를 이용해 회전력을 얻어 전기를 만듭니다. 이 두 시스템은 서로 밀접하게 연동되어 있어, 한쪽의 미세한 변화도 전체 발전소 운영에 큰 영향을 미칩니다. 실무에서는 증기 압력, 증기 온도, 터빈 속도, 발전기 출력(부하) 등을 정밀하게 목표치 내에서 유지하는 것이 가장 중요하며, 이를 위해 분산 제어 시스템(DCS)과 복잡한 제어 로직이 활용됩니다. 실무자는 갑작스러운 부하 변동, 연료 품질 변화, 설비 이상 등 다양한 변수 속에서 신속하게 문제를 진단하고 해결하여 발전 정지를 방지하고 효율을 극대화해야 합니다.

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2. 보일러 제어 시스템의 일반적인 문제 유형 및 해결책

연소 제어(Combustion Control) 불안정성

문제 유형:

• 연소 공기(Air Flow) 및 연료(Fuel Flow) 비율(A/F Ratio) 불균형: 보일러 출구의 $\text{O}_2$ 농도가 목표치를 벗어나거나 과도한 변동을 보입니다. $\text{O}_2$ 농도가 낮으면 불완전 연소로 인한 효율 저하 및 일산화탄소($\text{CO}$) 발생 위험이 있고, 너무 높으면 열 손실이 증가합니다.
• 화염 불안정(Flame Instability): 버너 주변의 공기 흐름이나 연료 공급의 미세한 변화로 인해 화염이 흔들리거나 소염(Flame Out) 위험이 발생합니다.

실무 해결책:

• $\text{O}_2$ 분석기 교정 및 점검: $\text{O}_2$ 분석기의 응답 속도와 정확도를 정기적으로 확인하고 필요 시 습식 프로브(Wet Probe)를 이용한 현장 측정으로 교정합니다.
• 댐퍼(Damper) 및 밸브(Valve) 작동기 확인: 연소 공기 댐퍼와 연료 밸브의 위치 피드백 센서(LVDT 등)가 정확한 위치를 지시하는지, 기계적인 마찰이나 지연이 없는지 확인합니다. 특히 연료 유량과 공기 유량의 제어 루프를 분리하여 튜닝하거나, 특정 부하 영역에서 $\text{A/F}$ 비를 미세 조정하는 Bias 기능을 활용합니다.

급수 제어(Feedwater Control)의 변동성

문제 유형:

• 드럼 수위(Drum Level) 변동 심화: 부하 변동 시 드럼 수위가 급격히 상승(Shrinkage)하거나 하강(Swell)하여 튜브 과열이나 터빈 손상 위험을 초래합니다. 특히 Three-Element Control (증기 유량, 급수 유량, 드럼 수위) 루프의 튜닝이 부적절할 경우 심해집니다.

실무 해결책:

• 게인(Gain) 및 리셋(Reset) 값 재튜닝: 급수 펌프 속도 또는 급수 밸브 위치를 제어하는 $\text{PID}$ 제어기의 비례 게인을 적절히 조정하여 응답 속도와 안정성을 확보합니다. 증기 유량 피드포워드(Feedforward) 신호의 정확도를 검토하고, 드럼 수위 측정값의 노이즈를 줄이기 위해 로직 내에서 필터링(Damping)을 강화합니다.

증기 온도 제어(Steam Temperature Control)의 난이도

문제 유형:

• 과열 증기/재열 증기(Superheat/Reheat Steam) 온도의 목표치 이탈: 온도가 너무 높으면 터빈 재료에 손상을 주고, 너무 낮으면 열효율이 떨어집니다. 감온 스프레이(Attemperator Spray)를 이용한 제어가 지연되거나 오작동하는 경우가 일반적입니다.

실무 해결책:

• 감온수 밸브 점검: 스프레이 밸브의 누설 여부, 작동 속도 및 최소 개도(Minimum Opening)를 확인합니다. 감온수 공급 압력이 충분한지, 감온수 유량 측정이 정확한지 검토합니다. 증기 온도 제어 루프는 응답이 느리므로, $\text{PID}$ 파라미터를 보수적으로 조정하고, 증기 유량 변화에 대한 예측 제어(Feedforward)를 강화하여 온도 변화를 미리 방지합니다.

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3. 터빈 제어 시스템의 일반적인 문제 유형 및 해결책

가속도/속도 제어(Acceleration/Speed Control) 문제

문제 유형:

• 기동 시 램프(Ramp) 속도 초과/미달: 터빈을 정지 상태에서 목표 속도(예: 3600 rpm)까지 올리는 과정에서 정해진 속도 증가율을 벗어나 기계적인 스트레스를 유발하거나 기동 시간이 지연됩니다.
• 계통 연결 전 속도 오실레이션(Oscillation): 계통 주파수 동기화 직전, 목표 속도 주변에서 속도 변동이 발생하여 연결에 실패합니다.

실무 해결책:

• 전자유압 제어 시스템(EHC, Electro-Hydraulic Control) 점검: $\text{EHC}$의 서보 밸브(Servo Valve) 및 관련 센서(LVDT)의 동작 정확도와 응답 속도를 확인합니다. 터빈 속도 $\text{PID}$ 제어기의 게인 값을 미세 조정하여 안정된 램프 업/다운을 유도하고, 속도 측정 센서(Speed Probe)의 노이즈 필터링을 강화합니다.

로드 제어(Load Control) 응답 지연

문제 유형:

• 부하 증감 요청 시 발전기 출력(MW) 응답 지연: 계통 운영 요구에 따라 출력을 높이거나 낮출 때, 터빈 거버너(Governor) 밸브의 움직임이 느리거나 보일러 측의 증기 공급이 따라오지 못해 목표 부하 도달 시간이 길어집니다.

실무 해결책:

• 거버너 밸브의 윤활 및 작동 상태 점검: 밸브 스틱션(Stiction) 현상을 방지하기 위해 정기적인 윤활 및 미세 이동(Warming Up) 테스트를 수행합니다. 로드 리미트(Load Limit) 설정을 검토하여 보일러/터빈의 최대 운전 범위를 초과하지 않도록 합니다. $\text{DCS}$ 내의 로드 제어 루프의 게인을 조정하여 응답 속도를 높이되, 증기 압력 변동을 최소화하는 수준을 유지합니다.

밸브 작동기(Valve Actuator) 및 위치 제어 이상

문제 유형:

• 제어 밸브(Governor/Stop/Intercept Valve)의 위치 편차: $\text{DCS}$에서 지시하는 밸브 위치와 실제 밸브 위치 센서(LVDT) 값이 일치하지 않습니다. 이는 제어 불량 및 증기 누설을 야기합니다.

실무 해결책:

• LVDT 센서 교정 및 교체: 밸브 정지 상태와 전개 상태에서의 $\text{LVDT}$ 출력값을 확인하고, 오차가 크면 $\text{EHC}$ 시스템에서 Span 및 Zero 값을 재설정하거나 센서를 교체합니다. 유압유의 청정도 및 압력을 점검하여 작동 유체의 품질로 인한 작동기 지연 문제를 해결합니다.

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4. 보일러-터빈 연동 제어(Coordinated Control)의 실무적 과제와 최적화

부하 변화 시 제어 루프 간의 상호작용

실무적 과제:

• Cross Limiting: 부하 증가 요청 시 연료 공급(보일러)과 터빈 밸브 개방(터빈)이 동시에 일어나는데, 이때 공기 유량(Air Flow)이 연료 유량보다 선행하여 안정적인 연소를 유지하도록 제어해야 합니다. 반대로 부하 감소 시에는 연료가 공기보다 먼저 줄어들도록 합니다. 이 크로스 리미트 기능의 $\text{DCS}$ 로직 설정이 잘못되면 연소 불안정이나 압력 변동을 초래합니다.
• 압력 제어 우선순위: 보일러 마스터(Boiler Master) 제어 루프가 증기 압력을 목표로 연료와 공기를 제어하고, 터빈 마스터(Turbine Master) 제어 루프가 부하를 목표로 터빈 밸브를 제어할 때, 증기 압력을 안정화하기 위한 제어 루프가 다른 루프와 충돌하지 않도록 Feedforward 및 Feedback 신호를 조정해야 합니다.

실무 해결책:

• 연동 제어 루프 튜닝: 부하 변화 테스트(예: 5%/min 부하 증감)를 통해 보일러 마스터 및 터빈 마스터 제어기의 응답 특성을 확인하고, 두 제어 루프가 서로를 방해하지 않고 목표에 도달할 수 있도록 상호 간의 게인(Gain) 및 리미트(Limit)를 최적화합니다. 특히 압력 변화에 대한 보일러 응답 지연을 고려하여 터빈 밸브 개방 속도를 제어하는 것이 중요합니다.

비상 상황(Trip) 발생 시 제어 시스템의 역할

실무적 과제:

• Fuel Trip 시 Post-Trip Sequence: 보일러 연료 공급이 중단(Fuel Trip)되면, 잔존 증기를 이용해 터빈을 안전하게 정지시키는 Post-Trip 시퀀스가 중요합니다. 이때 증기 압력의 급격한 상승을 방지하고 터빈이 Overspeed로 정지하는 것을 막아야 합니다.

실무 해결책:

• 주요 밸브 작동 점검: 연료 트립 발생 시 주 증기 차단 밸브(Main Stop Valve)와 재열 증기 차단 밸브(Intercept Valve)의 신속한 닫힘과, 주 증기 안전 밸브(Safety Valve)의 정상 작동을 주기적으로 점검합니다. $\text{DCS}$의 비상 정지 로직을 시뮬레이션하고, 터빈 속도 제어기가 증기 차단 후 속도 감소를 정확히 감지하는지 확인합니다. 보일러 급수 펌프 및 공기 팬의 순차적인 정지 로직도 검토하여 안전한 Shutdown을 확보해야 합니다.

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5. 예방 정비 및 데이터 분석을 통한 제어 시스템 안정화

예방 정비의 중요성:
제어 시스템의 문제는 단순히 로직이나 튜닝의 문제가 아닌, 현장 설비의 기계적/전기적 문제에서 비롯되는 경우가 많습니다. $\text{PID}$ 제어기의 잦은 튜닝보다 센서, 밸브, 작동기의 상태를 최상으로 유지하는 예방 정비가 더 근본적인 해결책입니다.

• 제어 밸브의 마찰 및 누설 점검: 정기적인 밸브 스로틀링(Throttling) 테스트를 통해 마찰로 인한 지연을 최소화합니다.
• 계측 센서의 교정: 압력, 온도, 유량, 레벨 센서의 드리프트(Drift)를 방지하기 위해 주기적인 현장 교정(Calibration)을 수행합니다.

데이터 분석을 통한 문제 진단:

• 추이 분석(Trend Analysis): $\text{DCS}$ 히스토리 데이터를 활용하여 특정 운전 변수(예: 증기 압력, 드럼 수위)의 변동성(Variability)이 증가하는 시점과 관련된 다른 변수들(예: 밸브 위치, $\text{O}_2$ 농도)의 변화를 교차 분석하여 문제의 근본 원인(Root Cause)을 파악합니다.
• 제어 성능 지수(Control Performance Metrics): $\text{PID}$ 제어기의 오차(Error)와 제어 출력(Control Output)의 통계적 지수(예: 표준 편차, $\text{ISE/IAE}$)를 정기적으로 모니터링하여 제어 루프의 성능 저하를 사전에 감지하고 재튜닝이 필요한 시점을 결정합니다. 특히 밸브 스틱션을 유발하는 지점을 데이터로 특정하여 정비 계획을 수립합니다.

화력발전소의 보일러-터빈 제어는 끊임없는 모니터링, 진단, 최적화의 과정이며, 실무자는 제어 로직에 대한 깊은 이해와 현장 설비에 대한 통찰력을 바탕으로 발전소의 안정적인 운전을 책임져야 합니다.