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KR101842370B1 - 복합화력발전소의 빠른 기동 제어 방법 및 시스템 - Google Patents

복합화력발전소의 빠른 기동 제어 방법 및 시스템 Download PDF

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KR101842370B1
KR101842370B1 KR1020160164621A KR20160164621A KR101842370B1 KR 101842370 B1 KR101842370 B1 KR 101842370B1 KR 1020160164621 A KR1020160164621 A KR 1020160164621A KR 20160164621 A KR20160164621 A KR 20160164621A KR 101842370 B1 KR101842370 B1 KR 101842370B1
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South Korea
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thermal stress
combined
power plant
stress margin
rate
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Inventor
정승균
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두산중공업 주식회사
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Abstract

본 발명은 모델 예측 제어에 의한 계산을 최소화하면서 기동시간을 더욱 빠르게 가져갈 수 있는 복합화력발전소의 기동 제어 방법 및 시스템에 관한 것이다.
개시된 복합화력발전소의 시동을 제어하기 위한 시스템은 공기와 연료를 연소시켜 발생하는 가스에 포함되어 있는 열에너지를 이용하여 회전자를 회전시키는 가스 터빈, 상기 가스 터빈으로부터 나오는 고온의 배기가스를 회수하여 증기를 발생시키는 배열회수보일러(HRSG), 상기 배열회수보일러에서 전달하는 고온 고압의 증기를 이용하여 회전자를 돌리는 증기 터빈, 및 상기 가스 터빈 및 상기 증기 터빈에서 생성된 회전자의 회전력을 이용하여 전력을 생성하는 발전기를 포함하는 복합화력발전소, 상기 복합화력발전소 구성품-상기 가스 터빈, 상기 배열회수보일러, 상기 증기터빈을 포함함-들의 동작 상태를 측정하는 센서, 및 상기 센서로부터 획득한 상기 복합화력발전소의 구성품들의 동작 상태를 바탕으로 상기 복합화력발전소의 기동을 제어하는 제어기를 포함하고, 상기 제어기는 상기 센서로부터 획득한 상기 복합화력발전소의 구성품들의 동작 상태를 기반으로 운용 파라미터의 운용 값 설정을 제약하는 제약조건을 검증하고, 상기 검증 결과를 바탕으로 상기 운용 파라미터의 운용 값을 설정할 수 있다.
본 발명에 의하면, 복합화력발전소의 기동시간을 단축하여 보다 효율적으로 복합화력발전소를 운전할 수 있고, 이에 더하여 유해물질의 방출을 줄일 수 있다는 효과를 가진다.

Description

복합화력발전소의 빠른 기동 제어 방법 및 시스템{System and Method for Fast Startup of a Combined Cycle Power Plant}
본 발명은 복합화력발전소의 기동 제어 방법 및 시스템에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 모델 예측 제어에 의한 계산을 최소화하면서 기동시간을 더욱 빠르게 가져갈 수 있는 복합화력발전소의 기동 제어 방법 및 시스템에 관한 것이다.
복합화력발전소(Combined Cycle Power Plant; CCPP)는 연료의 연소에 의한 열에너지를 가스 터빈(Gas Turbine; GT)에서 회전력으로 변환시키고, 이 회전력으로 발전기를 구동하여 전력을 생산하고, 또한 가스 터빈에서 배출되는 고온의 배기가스(exhaust gas)를 회수하여 배열회수보일러(Heat Recovery Steam Generator; HRSG)에서 증기를 발생시키고, 이 증기를 이용하여 증기터빈(Steam Turbine; ST)에서 얻은 회전력으로 발전기를 구동하여 전력을 생산한다.
복합화력발전소 기동 시에는 일반적으로 급격한 과도 현상이 발생하는데 이는 복합화력발전소 구성품의 수명과 질소 산화물, 일산화탄소, 탄화수소와 같은 유해물질의 배출에 상당한 영향을 미칠 수 있다.
일 예로서 복합화력발전소의 초기 기동 시에 복합화력발전소 구성품들의 온도는 낮게 유지되어 있을 수 있다. 그런데 증기터빈으로 유입되는 증기의 온도가 증기터빈의 회전자(rotor)의 온도보다 높다면 회전자에 충격을 줄 수도 있다.
그래서 일반적인 고전적인 기동 방법은 낮은 부하, 즉 가스 터빈에 의하여 생산되는 전력을 작게 하도록 가스 터빈을 운용한다. 그러면 더 낮은 온도에서 증기를 생성할 수 있고, 그에 따라 회전자에 가해질 수 있는 충격을 방지할 수 있다.
하지만 낮은 부하로 가스 터빈을 운용하면 안정화될 때까지(즉, 급격한 과도 현상이 끝나고 정상상태로 될 때까지) 상당한 시간이 걸리고, 그에 따라 배출되는 유해물질의 양이 많아지고, 배열회수보일러에서 증기를 생성할 때까지 더 많은 시간을 기다려야 한다. 즉, 복합화력발전소의 효율성이 떨어지게 된다.
이러한 고전적인 기동 방법에 대한 대안으로 최근에 모델 예측 제어(Model Predictive Control; MPC)가 제시되고 있다. 모델 예측 제어는 복합화력발전소의 각 구성품을 모델링하고, 이 모델을 기반으로 회전자 등 구성품에 충격을 주지 않으면서 가장 효율적으로 복합화력발전소를 기동할 수 있는 부하량을 계산하고, 이 부하량에 따라 가스 터빈을 운용함으로써 종래의 고전적인 기동 방법이 가지고 있던 문제를 해결하고자 하였다.
하지만 모델 예측 제어는 모델을 구성하고, 모델을 기반으로 매 샘플링 주기마다 각 모델의 최적화를 위한 계산을 수행하여야 하기 때문에 많은 양의 컴퓨팅 파워(computing power: 계산 능력)를 필요로 한다. 그 결과, 일반적인 종래의 DCS(Distributed Control System)가 가지고 있는 컴퓨팅 파워로는 계산이 불가능하여 별도의 모델예측제어를 위한 컴퓨팅 시스템을 가져야 한다는 문제가 있다. 또한, 모델 예측 제어 방법이 가지는 정확도에 한계가 있어 특정 경우에 신뢰도에 문제가 있을 수 있으며, 최적화 문제에 대한 해결점을 찾지 못하는 경우에는 기존에 사용하던 운용 파라미터를 그냥 사용하여 제어를 하지 않는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은, 요구되는 컴퓨팅 파워의 양을 최소화하면서 복합화력발전소를 효율적으로, 그리고 더 빠른 시간 내에 정상상태에 도달하도록 기동시킬 수 있는 기동 제어 방법 및 시스템을 제공함에 있다.
전술한 목적을 해결하기 위하여 본 발명에서 제시하는 복합화력발전소의 시동을 제어하기 위한 시스템은 공기와 연료를 연소시켜 발생하는 가스에 포함되어 있는 열에너지를 이용하여 회전자를 회전시키는 가스 터빈, 상기 가스 터빈으로부터 나오는 고온의 배기가스를 회수하여 증기를 발생시키는 배열회수보일러(HRSG), 상기 배열회수보일러에서 전달하는 고온 고압의 증기를 이용하여 회전자를 돌리는 증기 터빈, 및 상기 가스 터빈 및 상기 증기 터빈에서 생성된 회전자의 회전력을 이용하여 전력을 생성하는 발전기를 포함하는 복합화력발전소, 상기 복합화력발전소 구성품-상기 가스 터빈, 상기 배열회수보일러, 상기 증기터빈을 포함함-들의 동작 상태를 측정하는 센서, 및 상기 센서로부터 획득한 상기 복합화력발전소의 구성품들의 동작 상태를 바탕으로 상기 복합화력발전소의 기동을 제어하는 제어기를 포함하고, 상기 제어기는 상기 센서로부터 획득한 상기 복합화력발전소의 구성품들의 동작 상태를 기반으로 운용 파라미터의 운용 값 설정을 제약하는 제약조건을 검증하고, 상기 검증 결과를 바탕으로 상기 운용 파라미터의 운용 값을 설정할 수 있다.
이에 더하여 상기 제어기는 상기 제약조건으로 상기 증기 터빈의 회전자의 열응력마진(thermal stress margin), 상기 배열회수보일러에서의 증기의 온도 또는 압력의 상한값, 상기 배열회수보일러 내에서 물을 데우는 히터 온도의 상한값, 상기 배열회수보일러 내의 물의 용량 하한값, 및 상기 증기 터빈의 회전자의 온도 상한값, 중 적어도 어느 하나를 사용할 수 있다.
일 실시 예로 상기 제어기는 상기 제약조건으로 상기 증기 터빈의 회전자의 열응력마진을 사용하고, 상기 운용 파라미터로 상기 가스 터빈에 의해 생산되는 전력의 증가율을 사용할 수 있다.
좀 더 상세히 살펴보면, 상기 제어기는,
상기 증기 터빈의 회전자의 열응력마진이 제1 설정 값 이상이면 상기 전력의 증가율을 최대 증가율로 설정하고, 상기 제1 설정 값 이하이면 상기 전력의 증가율을 최대 증가율에 일정 비율(0보다 크고 1보다 작음)을 곱한 값으로 설정하거나,
또는 상기 증기 터빈의 회전자의 열응력마진이 제2 설정 값 이상이면 상기 전력의 증가율을 최대 증가율로 설정하고, 상기 제2 설정 값 이하이면 상기 전력의 증가율을 열응력마진을 바탕으로 비례 적분 제어기에 의하여 계산된 증가율로 설정하거나,
또는 상기 복합화력발전소의 구성품들을 모델링하여 모델 예측 제어(Model Predictive Control; MPC)를 구성하고, 상기 센서로부터 획득한 상기 복합화력발전소의 구성품들의 동작 상태 및 상기 모델 예측 제어를 바탕으로 상기 열응력마진이 충분한지를 예측하되, 상기 예측 결과, 충분하다고 검증되면 상기 전력의 증가율을 최대 증가율로 설정하고, 충분하지 않다고 검증되면 상기 전력의 증가율을 최대 증가율에 일정 비율(0보다 크고 1보다 작음)을 곱한 값으로 설정하거나 열응력마진을 바탕으로 비례 적분 제어기에 의하여 계산된 증가율로 설정할 수 있다.
여기서 상기 제어기는 상기 모델 예측 제어가 모델을 기반으로 최대 증가율로 생산하는 전력량을 증가시키더라도 상기 열응력마진이 제3 설정 값 이상으로 유지될 수 있을 것으로 예측하는 경우에는 상기 열응력마진이 충분한 것으로 판단하고, 상기 제3 설정 값 이하로 떨어질 수 있을 것으로 예측하는 경우에는 상기 열응력마진이 충분하지 않은 것으로 판단할 수 있다.
전술한 목적을 해결하기 위하여 본 발명에서 제시하는 가스 터빈, 배열회수보일러, 증기 터빈 및 발전기(이하 구성품)를 포함하는 복합화력발전소의 시동을 제어하기 위한 방법은 센서를 이용하여 상기 복합화력발전소의 구성품들의 동작 상태를 획득하는 단계, 획득한 상기 복합화력발전소의 구성품들의 동작 상태를 바탕으로 운용 파라미터의 운용 값 설정을 제약하는 제약조건을 검증하는 단계, 및 상기 검증 결과를 바탕으로 상기 운용 파라미터의 운용 값을 설정하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서 상기 제약조건을 검증하는 단계는 상기 증기 터빈의 회전자의 열응력마진(thermal stress margin), 상기 배열회수보일러에서의 증기의 온도 또는 압력의 상한값, 상기 배열회수보일러 내에서 물을 데우는 히터 온도의 상한값, 상기 배열회수보일러 내의 물의 용량 하한값, 및 상기 증기 터빈의 회전자의 온도 상한값, 중 적어도 어느 하나를 제약조건으로 하여 검증하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예로서 상기 제약조건을 검증하는 단계는 상기 증기 터빈의 회전자의 열응력마진을 제약조건으로 하여 검증하는 단계를 포함하고, 상기 운용 파라미터의 운용 값을 설정하는 단계는 상기 가스 터빈에 의해 생산되는 전력의 증가율을 운용 파라미터로 사용하여 운용 값을 설정하는 단계를 포함할 수 있다.
또 다른 일 실시 예로서 상기 제약조건을 검증하는 단계는 상기 증기 터빈의 회전자의 열응력마진이 제1 설정 값 이상이면 정상으로 판단하고, 제1 설정값 이하이면 실패로 판단하는 단계를 포함하고, 상기 운용 파라미터의 운용 값을 설정하는 단계는 상기 제약조건을 검증하는 단계에서 정상으로 판단하면 상기 전력의 증가율을 최대 증가율로 설정하고, 상기 제약조건을 검증하는 단계에서 실패로 판단하면 상기 전력의 증가율을 최대 증가율에 일정 비율(0보다 크고 1보다 작음)을 곱한 값으로 설정하는 단계를 포함할 수 있다.
또 다른 일 실시 예로서 상기 제약조건을 검증하는 단계는 상기 증기 터빈의 회전자의 열응력마진이 제2 설정 값 이상이면 정상으로 판단하고, 제2 설정값 이하이면 실패로 판단하는 단계를 포함하고, 상기 운용 파라미터의 운용 값을 설정하는 단계는 상기 제약조건을 검증하는 단계에서 정상으로 판단하면 상기 전력의 증가율을 최대 증가율로 설정하고, 상기 제약조건을 검증하는 단계에서 실패로 판단하면 상기 전력의 증가율을 열응력마진을 바탕으로 비례 적분 제어기에 의하여 계산된 증가율로 설정하는 단계를 포함할 수 있다.
또 다른 일 실시 예로서 복합화력발전소의 시동을 제어하기 위한 방법은 상기 복합화력발전소의 구성품들을 모델링하여 모델 예측 제어(Model Predictive Control; MPC)를 구성하는 단계를 더 포함하고 상기 제약조건을 검증하는 단계는 상기 센서로부터 획득한 상기 복합화력발전소의 구성품들의 동작 상태 및 상기 모델 예측 제어를 바탕으로 상기 열응력마진이 충분한지를 검증하는 단계를 포함하고, 상기 운용 파라미터의 운용 값을 설정하는 단계는 상기 제약조건을 검증하는 단계에서 상기 열응력마진이 충분하다고 검증되면 상기 전력의 증가율을 최대 증가율로 설정하고, 상기 열응력마진이 충분하지 않다고 검증되면 상기 전력의 증가율을 최대 증가율에 일정 비율(0보다 크고 1보다 작음)을 곱한 값으로 설정하거나 또는 상기 전력의 증가율을 열응력마진을 바탕으로 비례 적분 제어기에 의하여 계산된 증가율로 설정하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서 상기 열응력마진이 충분한지를 검증하는 단계는 상기 모델 예측 제어가 모델을 기반으로 최대 증가율로 생산하는 전력량을 증가시키더라도 상기 열응력마진이 제3 설정 값 이상으로 유지될 수 있을 것으로 예측하는 경우에는 상기 열응력마진이 충분한 것으로 판단하고, 상기 제3 설정 값 이하로 떨어질 수 있을 것으로 예측하는 경우에는 상기 열응력마진이 충분하지 않은 것으로 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 복합화력발전소의 기동시간을 단축하여 보다 효율적으로 복합화력발전소를 운전할 수 있고, 이에 더하여 유해물질의 방출을 줄일 수 있다는 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 복합화력발전소의 빠른 기동을 위한 시스템의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 빠른 기동을 위한 복합화력발전소 제어 방법을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예로서 열응력마진이 설정 값 이상이면 전력 증가율을 최대로 하고, 설정 값 이하이면 증가율을 최대 증가율의 0.5로 설정하는 예를 도시하는 흐름도이다.
도 4는 도 3에서 제시된 방법에 의하여 제어된 경우의 생산되는 전력량과 열응력마진을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예로서 모델 예측 제어에 기반하여 열응력마진이 충분한지 검증하고 이를 바탕으로 생산 전력 증가율을 설정하는 예를 도시하는 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예로서 열응력마진이 설정 값 이상이면 전력 증가율을 최대로 하고, 설정 값 이하이면 증가율을 열응력마진을 바탕으로 비례 적분 제어기를 이용하여 전력 증가율을 설정하는 예를 도시하는 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예로서 모델 예측 제어에 기반하여 열응력마진이 충분하지 검증하고 이를 바탕으로 생산 전력 증가율을 설정하되 열응력마진이 충분하지 않은 경우에는 열응력마진을 바탕으로 비례 적분 제어기를 이용하여 생산 전력 증가율을 계산하는 예를 도시하는 흐름도이다.
도 8은 도 7에서 제시된 방법에 의하여 제어된 경우의 생산되는 전력량과 열응력마진을 도시한 도면이다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
어느 부분이 다른 부분의 "위에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 수반되지 않는다.
제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.
여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시 예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
"아래", "위" 등의 상대적인 공간을 나타내는 용어는 도면에서 도시된 한 부분의 다른 부분에 대한 관계를 보다 쉽게 설명하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 용어들은 도면에서 의도한 의미와 함께 사용 중인 장치의 다른 의미나 동작을 포함하도록 의도된다. 예를 들면, 도면 중의 장치를 뒤집으면, 다른 부분들의 "아래"에 있는 것으로 설명된 어느 부분들은 다른 부분들의 "위"에 있는 것으로 설명된다. 따라서 "아래"라는 예시적인 용어는 위와 아래 방향을 전부 포함한다. 장치는 90˚ 회전 또는 다른 각도로 회전할 수 있고, 상대적인 공간을 나타내는 용어도 이에 따라서 해석된다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련 기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 복합화력발전소의 빠른 기동을 위한 시스템의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 시스템은 복합화력발전소(100), 센서(200), 및 제어기(300)를 포함할 수 있다.
복합화력발전소(100)는 공기를 압축하여 가스 터빈(120)으로 전달하는 콤프레서(110), 공기와 연료를 연소시켜 발생하는 가스에 포함되어 있는 열에너지를 이용하여 회전자를 회전시키는 가스 터빈(120), 가스 터빈(120)으로부터 나오는 고온의 배기가스를 회수하여 증기를 발생시키는 배열회수보일러(HRSG; 130), 배열회수보일러(130)에서 전달하는 고온 고압의 증기를 이용하여 회전자를 돌리는 증기터빈(140), 및 가스 터빈(120)과 증기터빈(140)에서 생성된 회전자의 회전력을 이용하여 전력을 생성하는 발전기(150, 160)를 포함할 수 있다. 도 1의 예에서 발전기는 2개로 별도로 도시 되어 있지만, 1개의 발전기가 가스 터빈(120) 및 증기터빈(140)에서 발생하는 회전력을 이용하여 발전을 할 수도 있다.
복합화력발전소(100)는 흐름을 조절할 수 있는 복수 개의 밸브(미도시)들을 가질 수 있다. 일 예로서 콤프레서(110)에 유입되는 공기를 조절할 수 있는 밸브, 가스 터빈(120)에 유입되는 연료의 양을 조절할 수 있는 밸브, 배열회수보일러(130) 내에서 증기의 흐름을 제어할 수 있는 다양한 밸브가 존재할 수 있으며, 또한, 배열회수보일러(130)에서 증기터빈(140)으로 가는 증기의 흐름을 제어하는 밸브들이 존재할 수 있다. 이러한 밸브들은 추후에 설명할 제어기(300)에 의하여 제어 가능하다.
센서(200)는 복합화력발전소(100)의 각 구성품의 동작 상태를 측정할 수 있는 장치이다. 센서(200)는 온도계, 기압계, 유량계 등을 포함할 수 있다. 각 구성품의 동작 상태의 일 예 들로서, 가스 터빈(120)에서 배열회수보일러(130)로 배출되는 배기가스의 온도, 배열회수보일러(130)에서의 증기의 온도와 압력, 배열회수보일러(130) 내에서 물을 데우는 히터의 온도, 증기 터빈(140)의 회전자의 온도 및/또는 응력, 발전기(150, 160)의 출력 전력 등을 포함할 수 있다. 센서(200)는 측정된 구성품의 동작 상태를 제어기(300)로 전달할 수 있다.
제어기(300)는 센서(200)를 통해 획득한 복합화력발전소(100)의 각 구성품의 동작 상태 정보를 바탕으로 복합화력발전소(100)의 운용 파라미터를 제어할 수 있다. 운용 파라미터는 전술한 밸브의 제어를 포함할 수 있다. 일 예로서 제어기(300)는 인입되는 연료의 양을 제어하기 위하여 연료인입구의 밸브를 제어할 수 있고, 밸브의 열린 정도를 하나의 운용 파라미터로 규정할 수 있다.
제어기(300)는 복합화력발전소(100)가 안전하면서 최적으로 운용되도록 제어할 수 있다. 특히 복합화력발전소(100)의 기동 방법 관련하여서는 기동 시간을 최소화할 수 있도록 제어할 필요가 있다.
고전전인 방법은 안전을 우선시 하여 증기터빈(140)의 로터에 가해주는 충격을 방지하기 위하여 낮은 부하로 가스 터빈(120)을 돌리도록 제어한다. 좀 더 자세히 설명하면, 제어기(300)는 가스 터빈(120)으로 유입되는 연료의 양을 조절하여 가스 터빈(120)에서 배출되는 배출가스의 온도를 일정 값 이하로 맞출 수 있다. 그러면 배열회수보일러(130)에서 생성하는 증기의 양도 제약을 받게 되고, 이에 따라 증기터빈(140)의 로터에 충격을 주는 급작스런 온도 변화없이 복합화력발전소(100)의 초기 기동을 운용할 수 있다. 하지만 이는 장시간의 기동시간을 요구한다.
또 다른 일실시 예로서 모델 예측 제어(Model Predictive Control; MPC)에 기반한 방법을 사용할 수 있다. 모델 예측 제어에 기반한 방법은 가스 터빈(120), 배열회수보일러(130), 및 증기 터빈(140)을 위한 모델을 구성하고 이를 바탕으로 운용 파라미터를 제어할 수 있다. 여기서 가스 터빈(120), 배열회수보일러(130), 및 증기 터빈(140)을 위한 모델은 미분 방정식에 의해 규정될 수 있는 동적 모델일 수 있다. 모델 예측 제어에 기반한 방법은 센서(200)로부터 복합화력발전소(100)의 동작 상태 관련 데이터를 수신하고, 이 데이터와 전술한 모델을 바탕으로 가스 터빈(120), 배열회수보일러(130), 및 증기 터빈(140)의 미래 상태를 예측한다. 일 실시 예로서 수신한 동작 상태 관련 데이터와 모델을 바탕으로 증기 터빈(140)의 회전자로 유입되는 증기의 온도를 예측할 수 있다. 이를 위하여 모델 예측 제어에 기반한 방법은 일련의 제어가 끝난 후 다시 복합화력발전소(100)의 동작 상태 관련 데이터를 수신하고, 실시간으로 모델을 최적화하여 다음 제어 단계에서의 운용 파라미터 값을 결정할 수 있다. 이에 더하여 모델 예측 제어에 기반한 방법은 미래 상태에 대한 예측의 정확도를 극대화하기 위하여 수집한 복합화력발전소(100)의 동작 상태 관련 데이터를 바탕으로 모델 자체의 파라미터(일 예로서 미분 방정식의 계수)를 조절할 수도 있다. 즉, 모델 예측 제어에 기반한 방법은 모델에 가해지는 제약조건(일 예로서 증기 터빈(140)의 회전자에 충격을 주지 않은 정도의 온도로 증기를 투입할 것)을 만족하면서 복합화력발전소(100)를 최적으로 운용할 수 있는 운용 파라미터 값을 계산하여야 한다. 즉, 제약조건을 만족하는 지 여부를 판단하기 위한 계산, 최적화된 운용 파라미터 값을 찾아내기 위한 계산을 모델 예측 제어에 기반한 방법이 수행하여야 한다. 이에 더하여 모델 자체의 파라미터를 변경할 수 있는 경우에는 이 파라미터를 최적화하기 위한 또 다른 계산을 수행하여야 한다.
이러한 복잡한 계산은 종래의 DCS에 의하여서는 절대로 불가능할 것이다.
이러한 문제점을 인식하여 본 발명에서는 모델 예측 제어에 의한 계산을 최소화하면서 복합화력발전소(100)의 시동 운용을 최적화할 수 있는 방법을 제시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 빠른 기동을 위한 복합화력발전소 제어 방법을 도시한 도면이다.
도 2에서 제시된 방법은 매 샘플링 주기(sampling period)마다 제어기(300)에서 수행될 수 있다.
도 2를 참조하면, 제어기(300)는 매 샘플링 주기에 센서를 이용하여 복합화력발전소(100) 구성품의 동작 상태 관련 데이터를 획득(S210)할 수 있다. 이때 획득하는 동작 상태 관련 데이터는 가스 터빈(120)에서 배열회수보일러(130)로 배출되는 배기가스의 온도, 배열회수보일러(130)에서의 증기의 온도와 압력, 배열회수보일러(130) 내에서 물을 데우는 히터의 온도, 증기 터빈(140)의 회전자의 온도 및/또는 응력, 발전기(150, 160)의 출력 전력 등을 포함할 수 있다.
그리고 획득한 동작 상태 관련 데이터를 기반으로 파라미터 제어를 위한 제약조건을 검증(S520)할 수 있다.
제약조건의 일 예로서, 회전자의 열응력마진(thermal stress margin)을 사용할 수 있다. 물체는 열을 받으면 그 체적이 증가하는 반면 냉각이 되면 반대로 체적이 감소한다. 하지만 증기 터빈(140)의 회전자처럼 물체를 늘어나거나 줄어들지 않도록 구속하게 되면 물체 내부에서 이 구속에 저항하려는 내력이 발생하게 되는데 이것을 열응력(thermal stress)이라 한다. 열응력의 크기는 열을 받는 물체의 고유한 물성치인 열팽창계수(thermal expansion coefficient)와 온도 증가에 비례한다. 복합화력발전소(100)의 기동 시에 가스 터빈(120)의 부하를 급격히 증가시키면 배출 가스의 온도가 급격히 오르고, 그 결과로 증기 터빈(140)의 회전자가 감내할 수 있는 열응력의 범위를 벗어나게 되면 증기 터빈(140)의 회전자가 파괴될 수 있다. 따라서 증기 터빈(140)의 회전자의 온도와 회전자로 인입되는 증기의 온도에 의해서 결정되는 열응력마진을 제약조건으로 설정할 수 있다. 즉 제약조건으로서 회전자의 열응력마진을 설정하고 매 샘플링 주기마다 회전자의 열응력마진이 충분한지 아닌지를 검증한다.
검증결과는 통과(pass) 또는 실패(fail)로 나타날 수 있는데 통과는 설정된 제약조건을 만족한다는 것을 의미하고 실패는 제약조건을 만족하지 못했다는 것을 의미할 수 있다. 전술한 열응력마진의 경우에는 열응력마진이 충분하면 통과로, 충분하지 않으면 실패로 검증결과를 나타낼 수 있다.
여기서 열응력마진이 충분한지를 판단하기 위하여 특정값을 설정할 수 있다. 그리고 열응력마진이 특정값 이상인 경우엔 충분한 것으로 판단하고, 이하인 경우엔 충분하지 않은 것으로 판단할 수 있다. 이때의 특정값은 상당한 기간 동안의 실험 데이터를 바탕으로 설정되고 조정될 수 있다.
또 다른 방법으로 전술한 모델 예측 제어를 기반으로 하여 판단할 수 있다. 즉, 복합화력발전소의 각 구성품들을 모델링하고, 모델을 기반으로 최대 증가율로 부하를 증가시키더라도 열응력마진이 일정 수준이상으로 유지될 수 있을 것으로 예측되는 경우에는 열응력마진이 충분한 것으로 판단할 수 있고, 일정 수준 이하로 떨어질 수 있을 것으로 예측되는 경우에는 열응력마진이 충분하지 않은 것으로 판단할 수 있다.
전술한 일 예에서 열응력마진을 제약조건으로 하여 설명하였지만 제약조건으로서 기타 다른 조건이 사용될 수 있다. 몇 가지 예로서, 배열회수보일러(130)에서의 증기의 온도 또는 압력의 상한값, 배열회수보일러(130) 내에서 물을 데우는 히터 온도의 상한값, 배열회수보일러(130) 내의 물의 용량 하한값, 증기 터빈(140)의 회전자의 온도 상한값 등이 제약조건으로 사용될 수 있다.
전술한 방식으로 제약 조건에 대한 검증이 완료되면 검증 결과에 따라 운용 파라미터를 설정(S530)할 수 있다. 이때에 설정하는 운용 파라미터는 가스 터빈(120)에 의해 생산되는 전력의 증가율일 수 있다. 즉, 가스 터빈(120)의 부하량일 수 있다. 이러한 부하량은 가스 터빈(120)에 주입되는 연료량에 비례하므로 제어기(300)는 연료량을 제어하는 밸브를 조절함으로써 부하량, 즉 생산되는 전력의 증가율을 조절할 수 있다.
일 예로서 검증 결과가 통과인 경우에는 생산 전력의 증가율이 최대가 되도록 운용 파라미터를 설정할 수 있다. 즉 다음 수학식 1과 같이 운용 파라미터를 설정할 수 있다.
Figure 112016119224897-pat00001
여기서 u(t)는 현재의 샘플링 주기에서 결정한 운용 파라미터의 운용 값이고, u(t-1)은 이전 샘플링 주기에서 결정된 운용 파라미터의 운용 값이고, rmax는 최대 증가율, Ts는 샘플링 주기, umax는 운용 파라미터가 가질 수 있는 최고값이다.
만약 검증 결과가 실패인 경우 생산 전력의 증가율을 최대보다 낮은 특정값으로 설정할 수 있다. 이때의 특정값은 열응력마진이 거의 0에 가까운 일정한 값으로 유지할 수 있도록 하는 값이다. 이러한 특정값은 다수의 실험을 통하여 획득할 수 있다. 즉, 최대 생산 전력의 증가율을 1이라고 하면 최대보다 낮은 특정값은 실험에 의하여 0.2, 0.4, 0.7 등으로 정해질 수 있다. 즉 다음 수학식 2와 같이 운용 파라미터를 설정할 수 있다.
Figure 112016119224897-pat00002
여기서 u(t)는 현재의 샘플링 주기에서 결정한 운용 파라미터의 운용 값이고, u(t-1)은 이전 샘플링 주기에서 결정된 운용 파라미터의 운용 값이고, α 는 감소율로서 생산 전력의 증가율을 감소시키는 비율이고, 0에서 1 사이의 값을 가질 수 있고, rmax는 최대 증가율, Ts는 샘플링 주기, umax는 운용 파라미터가 가질 수 있는 최고값이다.
수학식 2를 참조하면, 검증결과가 실패인 경우, 즉 열응력마진이 충분하지 않은 경우에는 생산 전력의 증가율을 작게 함으로써 회전자가 받을 수 있는 충격을 방지할 수 있다.
검증 결과가 실패인 경우 생산 전력의 증가율을 결정하는 또 다른 방법으로 비례 적분 제어기(Proportional-Integral Controller)를 이용할 수 있다. 즉 다음 수학식 3을 이용하여 운용 파라미터의 운용값을 결정할 수 있다.
Figure 112016119224897-pat00003
여기서 u(t)는 현재의 샘플링 주기에서 결정한 운용 파라미터의 운용 값이고, u(t-1)은 이전 샘플링 주기에서 결정된 운용 파라미터의 운용 값이고, y(t-1)은 이전 샘플링 주기에서 획득한 열응력마진이며, 상수 K와 β는 비례 적분 제어기의 이득 및 설정점이고, rmax는 운용 파라미터가 증가할 수 있는 최대 증가율, Ts는 샘플링 주기, umax는 운용 파라미터가 가질 수 있는 최고값이다.
이때의 비례 적분 제어기의 특성을 규정지을 수 있는 상수 K와 β는 실험을 통해 조정할 수 있다. 이때 적분기의 와인드업(windup)을 방지할 수 있는 기법이 추가될 수 있다. 즉, 비례 적분 제어기로 계산된 제어값이 실제 운용 파라미터에 설정할 수 있는 값보다 커서 운용 파라미터에 포화가 발생하게 되는 경우, 오차의 적분값이 큰 값으로 누적되게 되어서, 정작 출력값이 설정값에 가까워지게 되었을 때, 제어값이 작아져야 함에도 계속 큰 값을 출력하게 되어 시스템이 설정값에 도달하는 데 오랜 시간이 걸리게 되는 경우가 있다. 이를 적분기의 와인드업이라 하는데, 이를 방지하기 위해서는 적절한 와인드업 방지 기법을 사용하여 비례 적분 제어기를 보완할 수 있다. 수학식 3을 참조하면 본 발명에서는 비례 적분 제어기가 가질 수 있는 제어값의 최대값은 rmax로 한정하여 와인드업을 방지할 수 있도록 하였다.
전술한 설명을 바탕으로 제어기(300)에서 복합화력발전소(100) 기동 시의 제어 방법과 관련하여 몇 가지 실시 예들을 제시한다.
이하 실시 예들은 열응력마진을 제약조건으로 하고 가스 터빈(120)에서의 생산 전력 증가율을 제어하는 것을 운용 파라미터로 사용한다. 하지만, 본 실시 예에서 제시하는 방법은 다양한 제약조건하에서 배기가스의 온도 증가율, 배열회수보일러(130)에서 생성하는 증기의 양 등을 포함하는 다양한 운용 파라미터에 대하여 동일하게 적용될 수 있는 것은 주지의 사실일 것이다.
[실시 예 1]
도 3은 본 발명의 일 실시 예로서 열응력마진이 설정 값 이상이면 전력 증가율을 최대로 하고, 설정 값 이하이면 증가율을 최대 증가율의 0.5로 설정하는 예를 도시하는 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 제어기(300)는 센서를 이용하여 증기 터빈 회전자의 온도 및 증기 터빈으로 유입되는 증기의 온도를 획득(S610)하고, 획득한 데이터를 기반으로 열응력마진을 계산(S620)할 수 있다. 그리고 제어기(300)는 열응력마진과 설정 값을 비교(S630)하여 열응력마진이 크다면 최대 증가율(rmax)로 생산 전력(u(t))을 증가(S640)시킬 수 있고, 열응력마진이 작다면 최대 증가율(rmax)의 1/2로 생산 전력(u(t))을 증가(S650)시킬 수 있다. 본 실시 예에서는 열응력마진이 작은 경우 최대 증가율(rmax)의 1/2로 생산 전력을 증가시킨다고 설정하였지만 생산 전력을 증가시키는 증가율은 다수의 실험을 통하여 최적의 값을 찾아 설정할 수도 있다.
도 4는 도 3에서 제시된 방법에 의하여 제어된 경우의 생산되는 전력량과 열응력마진을 도시한 도면이다.
도 4에서 x축은 시간을 y축은 최대 생산 전력량을 1로 하였을 때의 상대적인 전력량과 최대 열응력마진을 1로 하였을 때의 상대적인 열응력마진을 나타낸다.
도 4를 참조하면, 열응력마진이 설정 값(도4에서는 최대 열응력마진의 0.08)보다 크다면 최대 증가율로 생산 전력량을 증가시킬 수 있고, 복합화력발전소(100)를 기동 후 24분 정도 지난 후(660)에 열응력마진이 설정 값보다 작게 되면 최대 증가율보다는 낮은 증가율로 생산 전력량을 증가시키고 생산할 수 있는 최대 전력량에 도달하면 정상 상태에 도달하였다고 볼 수 있다. 도 4의 예에서는 52분만에 정상 상태에 도달함을 알 수 있다.
[실시 예 2]
도 5는 본 발명의 일 실시 예로서 모델 예측 제어에 기반하여 열응력마진이 충분한지 검증하고 이를 바탕으로 생산 전력 증가율을 설정하는 예를 도시하는 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 제어기(300)는 구성품에 대한 모델링을 하고 이를 기반으로 모델 예측 제어를 구성(S710)할 수 있다. 그리고 센서를 이용하여 증기 터빈 회전자의 온도 및 증기 터빈으로 유입되는 증기의 온도를 획득(S720)하고, 획득한 데이터와 모델 예측 제어를 기반으로 열응력마진이 충분한지 검증(S730)할 수 있다. 여기서 제어기(300)는 모델 예측 제어가 모델을 기반으로 최대 증가율로 부하를 증가시키더라도 열응력마진이 일정 수준이상으로 유지될 수 있을 것으로 예측하는 경우에는 열응력마진이 충분한 것으로 판단할 수 있고, 일정 수준 이하로 떨어질 수 있을 것으로 예측하는 경우에는 열응력마진이 충분하지 않은 것으로 판단할 수 있다. 그리고 제어기(300)는 열응력마진이 충분하다고 검증되면 최대 증가율(rmax)로 생산 전력(u(t))을 증가(S740)시킬 수 있고, 열응력마진이 충분하지 않다고 나타나면 최대 증가율(rmax)의 1/2로 생산 전력(u(t))을 증가(S750)시킬 수 있다. 본 실시 예에서는 열응력마진이 작은 경우 최대 증가율(rmax)의 1/2로 생산 전력을 증가시킨다고 설정하였지만 생산 전력을 증가시키는 증가율은 다수의 실험을 통하여 최적의 값을 찾아 설정할 수도 있다.
[실시 예 3]
도 6은 본 발명의 일 실시 예로서 열응력마진이 설정 값 이상이면 전력 증가율을 최대로 하고, 설정 값 이하이면 증가율을 열응력마진을 바탕으로 비례 적분 제어기를 이용하여 전력 증가율을 설정하는 예를 도시하는 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 제어기(300)는 센서를 이용하여 증기 터빈 회전자의 온도 및 증기 터빈으로 유입되는 증기의 온도를 획득(S810)하고, 획득한 데이터를 기반으로 열응력마진을 계산(S820)할 수 있다. 그리고 제어기(300)는 열응력마진과 설정 값을 비교(S830)하여 열응력마진이 크다면 최대 증가율(rmax)로 생산 전력(u(t))을 증가(S840)시킬 수 있고, 열응력마진이 작다면, 열응력마진을 바탕으로 비례 적분 제어기를 이용하여 열응력마진을 바탕으로 생산 전력(u(t))을 증가(S650)시킬 수 있다. 이때 비례 적분 제어기의 특성을 규정지을 수 있는 상수 K와 β는 실험을 통해 조정할 수 있다.
[실시 예 4]
도 7은 본 발명의 일 실시 예로서 모델 예측 제어에 기반하여 열응력마진이 충분하지 검증하고 이를 바탕으로 생산 전력 증가율을 설정하되 열응력마진이 충분하지 않은 경우에는 열응력마진을 바탕으로 비례 적분 제어기를 이용하여 생산 전력 증가율을 계산하는 예를 도시하는 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 제어기(300)는 구성품에 대한 모델링을 하고 이를 기반으로 모델 예측 제어를 구성(S910)할 수 있다. 그리고 센서를 이용하여 증기 터빈 회전자의 온도 및 증기 터빈으로 유입되는 증기의 온도를 획득(S920)하고, 획득한 데이터와 모델 예측 제어를 기반으로 열응력마진이 충분한지 검증(S930)할 수 있다. 그리고 제어기(300)는 열응력마진이 충분하다고 검증되면 최대 증가율(rmax)로 생산 전력(u(t))을 증가(S940)시킬 수 있고, 열응력마진이 충분하지 않다고 나타나면, 열응력마진을 바탕으로 비례 적분 제어기를 이용하여 생산 전력(u(t))을 증가(S950)시킬 수 있다. 이때 비례 적분 제어기의 특성을 규정지을 수 있는 상수 K와 β는 실험을 통해 조정할 수 있다.
도 8은 도 7에서 제시된 방법에 의하여 제어된 경우의 생산되는 전력량과 열응력마진을 도시한 도면이다.
도 8에서 x축은 시간을 y축은 최대 생산 전력량을 1로 하였을 때의 상대적인 전력량과 최대 열응력마진을 1로 하였을 때의 상대적인 열응력마진을 나타낸다.
도 8을 참조하면, 모델 예측 제어에 의해서 예측된 열응력마진이 충분하다고 판단(도8에서는 예측된 열응력마진이 최대 열응력마진의 0.06보다 크면 충분하다고 판단)하면 최대 증가율로 생산 전력량을 증가시키고, 복합화력발전소(100)를 기동 후 26분 정도 지난 후(960)에 모델 예측 제어에 의해서 예측된 열응력마진이 충분하지 않다고 판단하면 비례 적분 제어기에 의해 계산된 증가율로 생산 전력량을 증가시키고 생산할 수 있는 최대 전력량에 도달하면 정상 상태에 도달하였다고 볼 수 있다. 도 8의 예에서는 55분(970) 만에 정상 상태에 도달함을 알 수 있다.
도 8을 참조하면 열응력마진이 충분하지 않다고 판단된 이후에 비례 적분 제어기에 의해 계산된 증가율이 한동안 0으로 머물러 있음을 보여준다. 이것은 비례 적분 제어기에 있는 상수 β에 기인한다. 즉 비례 적분 제어기에 의해서 계산된 증가율이 β에 의하여 일정시간 동안은 0보다 작을 수 있다. 즉, β 값에 따라 증가율이 0으로 있는 시간의 길이가 정해질 수 있다.
본 발명에 의한 복합화력발전소 기동 시의 제어 방법에 따르면 고전적인 방법에 비하여 효율성을 증대시킬 수 있을 뿐만 아니라 최근에 제시되고 있는 모델 예측 제어 방식에 비하여 계산량을 획기적으로 줄이면서도 더 좋은 효율성을 가질 수 있을 것이다.
100: 복합화력발전소
110: 콤프레서
120: 가스 터빈
130: 배열회수보일러
140: 증기 터빈
150, 160: 발전기
200: 센서
300: 제어기

Claims (16)

  1. 복합화력발전소의 시동을 제어하기 위한 시스템으로서,
    공기와 연료를 연소시켜 발생하는 가스에 포함되어 있는 열에너지를 이용하여 회전자를 회전시키는 가스 터빈;
    상기 가스 터빈으로부터 나오는 고온의 배기가스를 회수하여 증기를 발생시키는 배열회수보일러 (HRSG);
    상기 배열회수보일러에서 전달하는 고온 고압의 증기를 이용하여 회전자를 돌리는 증기 터빈; 및
    상기 가스 터빈 및 상기 증기 터빈에서 생성된 회전자의 회전력을 이용하여 전력을 생성하는 발전기를 포함하는 복합화력발전소;
    상기 복합화력발전소 구성품-상기 가스 터빈, 상기 배열회수보일러, 상기 증기 터빈을 포함함-들의 동작 상태를 측정하는 센서; 및
    상기 센서로부터 획득한 상기 복합화력발전소의 구성품들의 동작 상태를 바탕으로 상기 복합화력발전소의 기동을 제어하는 제어기를 포함하고,
    상기 제어기는,
    상기 센서로부터 획득한 상기 복합화력발전소의 구성품들의 동작 상태를 기반으로 운용 파라미터의 운용 값 설정을 제약하는 제약조건을 검증하고, 상기 검증 결과를 바탕으로 상기 운용 파라미터의 운용 값을 설정하되,
    상기 제약조건으로 상기 증기 터빈의 회전자의 열응력마진(thermal stress margin)을 사용하고, 상기 운용 파라미터로 상기 가스 터빈에 의해 생산되는 전력의 증가율을 사용하고,
    상기 제어기는,
    상기 증기 터빈의 회전자의 열응력마진이 제1 설정 값 이상이면 상기 전력의 증가율을 최대 증가율로 설정하고, 상기 제1 설정 값 이하이면 상기 전력의 증가율을 최대 증가율에 일정 비율(0보다 크고 1보다 작음)을 곱한 값으로 설정하는 제1 모드;
    상기 증기 터빈의 회전자의 열응력마진이 제2 설정 값 이상이면 상기 전력의 증가율을 최대 증가율로 설정하고, 상기 제2 설정 값 이하이면 상기 전력의 증가율을 열응력마진을 바탕으로 비례 적분 제어기에 의하여 계산된 증가율로 설정하는 제2 모드;
    상기 복합화력발전소의 구성품들을 모델링하여 모델 예측 제어(Model Predictive Control; MPC)를 구성하고, 상기 센서로부터 획득한 상기 복합화력발전소의 구성품들의 동작 상태 및 상기 모델 예측 제어를 바탕으로 상기 증기 터빈의 회전자의 열응력마진이 충분한지를 예측하되, 상기 예측 결과, 충분하다고 검증되면 상기 전력의 증가율을 최대 증가율로 설정하고, 충분하지 않다고 검증되면 상기 전력의 증가율을 최대 증가율에 일정 비율(0보다 크고 1보다 작음)을 곱한 값으로 설정하는 제3 모드; 및
    상기 복합화력발전소의 구성품들을 모델링하여 모델 예측 제어를 구성하고, 상기 센서로부터 획득한 상기 복합화력발전소의 구성품들의 동작 상태 및 상기 모델 예측 제어를 바탕으로 상기 증기 터빈의 회전자의 열응력마진이 충분한지를 판단하고, 상기 판단 결과, 충분하다고 검증되면 상기 전력의 증가율을 최대 증가율로 설정하고, 충분하지 않다고 검증되면 상기 전력의 증가율을 열응력마진을 바탕으로 비례 적분 제어기에 의하여 계산된 증가율로 설정하는 제4 모드 중 적어도 하나 이상의 모드로 동작하는,
    복합화력발전소의 시동을 제어하기 위한 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제어기는,
    상기 제약조건으로 추가적으로 상기 배열회수보일러에서의 증기의 온도 또는 압력의 상한값, 상기 배열회수보일러 내에서 물을 데우는 히터 온도의 상한값, 상기 배열회수보일러 내의 물의 용량 하한값, 및 상기 증기 터빈의 회전자의 온도 상한값 중 적어도 어느 하나를 사용하는,
    복합화력발전소의 시동을 제어하기 위한 시스템.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1항에 있어서, 상기 제어기는,
    상기 모델 예측 제어를 구성하는 경우
    상기 모델 예측 제어가 모델을 기반으로 최대 증가율로 생산하는 전력량을 증가시키더라도 상기 열응력마진이 제3 설정 값 이상으로 유지될 수 있을 것으로 예측하는 경우에는 상기 열응력마진이 충분한 것으로 판단하고, 상기 제3 설정 값 이하로 떨어질 수 있을 것으로 예측하는 경우에는 상기 열응력마진이 충분하지 않은 것으로 판단하는,
    복합화력발전소의 시동을 제어하기 위한 시스템.
  9. 가스 터빈, 배열회수보일러, 증기 터빈 및 발전기(이하 구성품)를 포함하는 복합화력발전소의 시동을 제어하기 위한 방법으로서,
    센서를 이용하여 상기 복합화력발전소의 구성품들의 동작 상태를 획득하는 단계;
    획득한 상기 복합화력발전소의 구성품들의 동작 상태를 바탕으로 운용 파라미터의 운용 값 설정을 제약하는 제약조건을 검증하는 단계; 및
    상기 검증 결과를 바탕으로 상기 운용 파라미터의 운용 값을 설정하는 단계;를 포함하되,
    상기 제약조건을 검증하는 단계는 상기 증기 터빈의 회전자의 열응력마진을 제약조건으로 하여 검증하는 단계를 포함하고,
    상기 운용 파라미터의 운용 값을 설정하는 단계는 상기 가스 터빈에 의해 생산되는 전력의 증가율을 운용 파라미터로 사용하여 운용 값을 설정하는 단계를 포함하고
    상기 증기 터빈의 회전자의 열응력마진을 제약조건으로 하여 검증하는 단계는,
    상기 증기 터빈의 회전자의 열응력마진이 제1 설정 값 이상이면 정상으로 판단하고, 제1 설정값 이하이면 실패로 판단하는 단계를 포함하고,
    상기 가스 터빈에 의해 생산되는 전력의 증가율을 운용 파라미터로 사용하여 운용 값을 설정하는 단계는,
    상기 제약조건을 검증하는 단계에서 정상으로 판단하면 상기 전력의 증가율을 최대 증가율로 설정하고,
    상기 제약조건을 검증하는 단계에서 실패로 판단하면 상기 전력의 증가율을 최대 증가율에 일정 비율(0보다 크고 1보다 작음)을 곱한 값으로 설정하는 단계를 포함하고,
    또는,
    상기 증기 터빈의 회전자의 열응력마진을 제약조건으로 하여 검증하는 단계는,
    상기 증기 터빈의 회전자의 열응력마진이 제2 설정 값 이상이면 정상으로 판단하고, 제2 설정값 이하이면 실패로 판단하는 단계를 포함하고,
    상기 가스 터빈에 의해 생산되는 전력의 증가율을 운용 파라미터로 사용하여 운용 값을 설정하는 단계는,
    상기 제약조건을 검증하는 단계에서 정상으로 판단하면 상기 전력의 증가율을 최대 증가율로 설정하고,
    상기 제약조건을 검증하는 단계에서 실패로 판단하면 상기 전력의 증가율을 열응력마진을 바탕으로 비례 적분 제어기에 의하여 계산된 증가율로 설정하는 단계를 포함하고,
    또는,
    상기 복합화력발전소의 구성품들을 모델링하여 모델 예측 제어(Model Predictive Control; MPC)를 구성하는 단계를 더 포함하고,
    상기 증기 터빈의 회전자의 열응력마진을 제약조건으로 하여 검증하는 단계는,
    상기 센서로부터 획득한 상기 복합화력발전소의 구성품들의 동작 상태 및 상기 모델 예측 제어를 바탕으로 상기 열응력마진이 충분한지를 검증하는 단계를 포함하고,
    상기 가스 터빈에 의해 생산되는 전력의 증가율을 운용 파라미터로 사용하여 운용 값을 설정하는 단계는,
    상기 제약조건을 검증하는 단계에서 상기 열응력마진이 충분하다고 검증되면 상기 전력의 증가율을 최대 증가율로 설정하고, 상기 열응력마진이 충분하지 않다고 검증되면 상기 전력의 증가율을 최대 증가율에 일정 비율(0보다 크고 1보다 작음)을 곱한 값으로 설정하는 단계를 포함하고,
    또는,
    상기 복합화력발전소의 구성품들을 모델링하여 모델 예측 제어를 구성하는 단계를 더 포함하고
    상기 증기 터빈의 회전자의 열응력마진을 제약조건으로 하여 검증하는 단계는,
    상기 센서로부터 획득한 상기 복합화력발전소의 구성품들의 동작 상태 및 상기 모델 예측 제어를 바탕으로 상기 열응력마진이 충분한지를 검증하는 단계를 포함하고,
    상기 가스 터빈에 의해 생산되는 전력의 증가율을 운용 파라미터로 사용하여 운용 값을 설정하는 단계는,
    상기 제약조건을 검증하는 단계에서 상기 열응력마진이 충분하다고 검증되면 상기 전력의 증가율을 최대 증가율로 설정하고, 상기 열응력마진이 충분하지 않다고 검증되면 상기 전력의 증가율을 열응력마진을 바탕으로 비례 적분 제어기에 의하여 계산된 증가율로 설정하는 단계를 포함하는,
    복합화력발전소의 시동을 제어하기 위한 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 제약조건을 검증하는 단계는,
    상기 증기 터빈의 회전자의 열응력마진(thermal stress margin) 외에 추가적으로 상기 배열회수보일러에서의 증기의 온도 또는 압력의 상한값, 상기 배열회수보일러 내에서 물을 데우는 히터 온도의 상한값, 상기 배열회수보일러 내의 물의 용량 하한값, 및 상기 증기 터빈의 회전자의 온도 상한값, 중 적어도 어느 하나를 제약조건으로 하여 검증하는 단계를 포함하는,
    복합화력발전소의 시동을 제어하기 위한 방법.
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  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 제9항에 있어서,
    상기 모델 예측 제어를 구성하는 단계를 더 포함한 경우,
    상기 열응력마진이 충분한지를 검증하는 단계는,
    상기 모델 예측 제어가 모델을 기반으로 최대 증가율로 생산하는 전력량을 증가시키더라도 상기 열응력마진이 제3 설정 값 이상으로 유지될 수 있을 것으로 예측하는 경우에는 상기 열응력마진이 충분한 것으로 판단하고, 상기 제3 설정 값 이하로 떨어질 수 있을 것으로 예측하는 경우에는 상기 열응력마진이 충분하지 않은 것으로 판단하는 단계를 포함하는,
    복합화력발전소의 시동을 제어하기 위한 방법.
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