🔥 화력발전 실무 2: 보일러-터빈 제어를 마스터하는 초간단 해법!

🔥 화력발전 실무 2: 보일러-터빈 제어를 마스터하는 초간단 해법!

 

목차

1. 서론: 보일러-터빈 제어, 왜 중요한가?
2. 보일러 제어의 핵심 원리 이해하기
   • 증기 압력 제어 (Master Control)
   • 급수 유량 제어 (Drum Level Control)
   • 연소 공기 및 연료 유량 제어 (Combustion Control)
3. 터빈 제어의 기본 구조와 목적
   • 주증기 압력과 터빈 입구 밸브 (Governor Valve)의 관계
   • 터빈 보호 장치 (Turbine Protection)의 중요성
4. 통합 제어(Coordinated Control) 시스템: 보일러와 터빈의 완벽한 조화
   • 부하(Load) 변화에 대한 반응
   • 제어 시스템의 Mode 설정 (Boiler Follow vs. Turbine Follow)
5. 실무에서 자주 발생하는 문제 및 해결책
   • 급수 유량 제어의 Hunting 현상
   • 터빈 Trip 발생 시 조치 요령
6. 결론: 제어 마스터로 거듭나기

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서론: 보일러-터빈 제어, 왜 중요한가?

화력발전소에서 보일러는 물을 끓여 증기를 생산하고, 이 증기는 터빈을 돌려 전기를 만드는 핵심 과정을 담당합니다. 이 두 설비가 마치 오케스트라처럼 유기적으로 움직여야만 안정적인 전력 생산이 가능하며, 그 지휘봉 역할을 하는 것이 바로 보일러-터빈 제어 시스템입니다. 발전소 운영의 안정성, 효율성, 안전성은 전적으로 이 제어 시스템의 정확한 작동에 달려 있습니다. 복잡하게 느껴질 수 있지만, 몇 가지 핵심 원리만 이해하면 실무에서 발생하는 대부분의 문제를 쉽고 빠르게 해결할 수 있습니다.

보일러 제어의 핵심 원리 이해하기

보일러 제어의 목적은 요구되는 증기의 양과 질(압력 및 온도)을 정확하게 맞추는 것입니다. 이를 위해 보일러는 크게 세 가지의 주요 제어 루프를 가집니다.

증기 압력 제어 (Master Control)

이것은 보일러 제어의 마스터입니다. 터빈에서 요구하는 부하(Load, 즉 전력 생산량)가 증가하면 증기 사용량이 늘어나 증기 압력이 떨어지게 됩니다. 증기 압력 제어기는 이 떨어진 압력을 감지하여 보일러가 더 많은 증기를 생산하도록 연료와 공기의 양을 동시에 증가시키는 명령을 내립니다. 반대로 부하가 감소하면 압력이 상승하므로, 연료와 공기의 양을 줄여서 압력을 설정값($P_{set}$)으로 유지합니다. 이 압력은 터빈을 돌리는 힘의 근원이므로 매우 중요합니다.

급수 유량 제어 (Drum Level Control)

보일러 드럼(Drum) 내부의 수위(Level)를 일정하게 유지하는 제어입니다. 증기를 계속 생산하면 드럼 내부의 물이 증발하여 수위가 낮아지므로, 이를 보충하기 위해 급수 펌프(Feed Water Pump)를 이용하여 물을 공급해야 합니다. 급수 유량 제어는 기본적으로 3요소 제어(Three-Element Control) 방식을 채택합니다.

1. 드럼 수위(Drum Level): 제어의 주 요소입니다.
2. 증기 유량(Steam Flow): 보일러에서 나가는 증기의 양을 측정하여 급수량을 예측적으로 조절합니다(Feed-forward). 증기 유량이 늘면 급수 유량도 바로 늘려주어 수위 변동을 최소화합니다.
3. 급수 유량(Feed Water Flow): 급수 밸브의 위치를 피드백하여 정확한 유량을 제어합니다.
   이 세 가지 요소를 통해 드럼 수위를 안전 범위 내에서 정확하게 유지하는 것이 보일러 운영의 핵심 안전 요소입니다.

연소 공기 및 연료 유량 제어 (Combustion Control)

증기 압력 제어에서 명령받은 대로 보일러 내부에서 정확하고 효율적인 연소가 이루어지도록 연료와 공기의 비율($\text{Air}/\text{Fuel Ratio}$)을 제어하는 시스템입니다. 연소 공기는 주로 강제 통풍 팬(Forced Draft Fan, FDF)을 통해 공급됩니다.

• 연료(Fuel) 제어: 버너로 들어가는 석탄, 오일, 또는 가스 등의 유량을 조절합니다.
• 공기(Air) 제어: 완전 연소를 위해 필요한 이론 공기량보다 약간 많은 양(과잉 공기, $\sim 15%$)을 공급하여 연소 효율을 높이고 $\text{CO}$ 발생을 억제합니다. 공기량은 주로 $\text{O}_2$ 분석기를 통해 피드백 제어되며, 배기 가스 팬(Induced Draft Fan, IDF)과 연동하여 노(Furnace) 내부의 압력(노 압력)을 미세하게 부압($-5 \sim -20 \text{mmH}_2\text{O}$)으로 유지하여 연소 가스가 외부로 새어 나가지 않도록 합니다.

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터빈 제어의 기본 구조와 목적

터빈 제어의 주 목적은 발전소의 전력 생산량(Megawatt, MW)을 정확하게 제어하고, 터빈 설비를 과속도, 과압력 등으로부터 보호하는 것입니다.

주증기 압력과 터빈 입구 밸브 (Governor Valve)의 관계

터빈으로 들어가는 증기의 양은 조속 밸브(Governor Valve) 또는 가버너 밸브라고 불리는 밸브에 의해 조절됩니다.

• 압력(P): 보일러에서 생산된 증기의 압력은 일정하게 유지됩니다(Master Control).
• 유량(Q): 터빈에 요구되는 $\text{MW}$ 부하에 따라 조속 밸브의 개도를 조절하여 터빈으로 들어가는 증기의 유량(Q)을 제어합니다.
  터빈 제어기는 설정된 $\text{MW}$ 값과 현재 $\text{MW}$ 값의 차이를 계산하여 이 조속 밸브의 개도를 증감시켜 출력을 맞춥니다. 터빈이 계통과 병입(Grid Synchronization)되면, 계통 주파수($60 \text{Hz}$)에 맞춰 터빈의 회전 속도도 거의 일정하게 유지되므로, $\text{MW}$ 제어는 곧 유량(Q) 제어가 되는 것입니다.

터빈 보호 장치 (Turbine Protection)의 중요성

터빈은 고속으로 회전하는 매우 정밀한 기계이므로, 운전 한계를 벗어나는 상황에서는 즉시 보호 조치가 이루어져야 합니다.

• 비상 정지 장치 (Overspeed Trip): 터빈의 회전 속도가 설계 속도의 $110%$ 이상이 되면, 즉시 비상 정지 밸브(Stop Valve)를 닫아 증기 공급을 차단하고 터빈을 정지시킵니다.
• 축 진동(Vibration): 회전체에 비정상적인 진동이 발생하면 베어링 손상 등을 막기 위해 터빈이 정지됩니다.
• 압력/온도 이상: 주증기 압력이 과도하게 높거나 낮을 때, 또는 배기 압력이 너무 높을 때 등에도 터빈을 보호하기 위해 비상 정지 명령이 내려집니다. 이를 통틀어 터빈 트립(Turbine Trip)이라고 합니다.

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통합 제어(Coordinated Control) 시스템: 보일러와 터빈의 완벽한 조화

보일러와 터빈 제어는 개별적으로 작동하는 것이 아니라, 전체 발전소 부하(Load) 요구에 맞춰 하나의 시스템으로 통합되어 작동합니다. 이를 협조 제어(Coordinated Control System, CCS)라고 합니다.

부하(Load) 변화에 대한 반응

발전소에 발전량(MW) 증가 명령이 내려지면, $\text{CCS}$는 이 명령을 받습니다.

1. $\text{MW}$ 설정값이 올라가면, 터빈 제어기는 즉시 조속 밸브를 열기 시작하여 $\text{MW}$ 출력을 올립니다.
2. 터빈이 증기를 더 많이 사용하게 되므로, 보일러의 증기 압력이 떨어지기 시작합니다.
3. 보일러의 증기 압력 제어(Master Control)는 이 압력 강하를 감지하고, 압력을 회복시키기 위해 연료와 공기의 유량을 동시에 늘려 더 많은 증기를 생산하도록 합니다.
   이 과정에서 중요한 것은 타이밍입니다. 터빈의 반응 속도가 보일러의 반응 속도보다 훨씬 빠르기 때문에, $\text{CCS}$는 $\text{MW}$ 증가 명령을 보일러의 연료/공기 제어에도 미리(Feed-forward) 전달하여 보일러가 터빈의 증기 요구에 늦지 않게 대응하도록 합니다.

제어 시스템의 Mode 설정 (Boiler Follow vs. Turbine Follow)

발전소 운영의 목적이나 상황에 따라 $\text{CCS}$의 제어 방식을 두 가지 주요 모드로 설정할 수 있습니다.

• 보일러 우선 모드 (Boiler Follow Mode): 보일러의 증기 압력을 제어의 주 목적으로 삼습니다. 터빈의 조속 밸브는 보일러의 증기 압력 변동에 따라 개도가 결정되어 $\text{MW}$ 출력을 맞춥니다. 이 모드는 보일러의 운전 안정성을 최우선으로 할 때 사용됩니다. 증기 압력 변동폭이 작고 안정적이지만, $\text{MW}$ 출력의 반응 속도는 비교적 느립니다.
• 터빈 우선 모드 (Turbine Follow Mode): 터빈의 $\text{MW}$ 출력을 제어의 주 목적으로 삼습니다. 터빈의 조속 밸브가 $\text{MW}$ 설정값에 맞춰 개도를 조절하고, 보일러의 압력 제어기가 이 변화를 감지하여 연료/공기량을 조절합니다. 이 모드는 계통의 주파수 제어(Governor Free Operation) 등 빠른 $\text{MW}$ 응답이 필요할 때 사용됩니다. $\text{MW}$ 응답성은 좋지만, 증기 압력의 변동폭이 상대적으로 커질 수 있습니다.

실제로는 이 두 가지 방식의 장점을 결합한 협조 제어(Coordinated Control) 방식을 사용하여, $\text{MW}$와 증기 압력 모두를 목표값에 맞추도록 동시에 제어합니다.

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실무에서 자주 발생하는 문제 및 해결책

급수 유량 제어의 Hunting 현상

Hunting 현상은 드럼 수위가 설정값($\text{L}_{set}$)을 중심으로 지속적으로 오르내리는 진동(Oscillation) 현상을 말합니다.

• 원인: 주로 제어 루프의 게인(Gain) 값이 너무 높거나 ($\text{P}, \text{I}$ 값 과도), 센서의 노이즈, 또는 증기 유량 측정값의 불안정 등이 원인입니다. 특히, 급수 펌프의 압력(Feed Water Pressure)이 보일러 드럼 압력(Drum Pressure)보다 너무 높을 때(과도한 $\Delta \text{P}$) 미세한 밸브 개도 변화에도 유량이 크게 변하여 발생하기도 합니다.
• 해결책:
  • 제어기의 게인 값을 낮춥니다 (응답 속도를 희생하더라도 안정성 확보).
  • $\text{FW}$ 펌프의 $\Delta \text{P}$ 제어를 확인하여 펌프 토출 압력을 드럼 압력에 적절하게 맞춰 유량 제어 밸브가 안정적인 범위 내에서 작동하도록 합니다.
  • 증기 유량, 급수 유량, 드럼 수위 센서의 교정(Calibration) 상태를 확인합니다.

터빈 Trip 발생 시 조치 요령

터빈 트립(Trip)은 발전소 운영에서 가장 심각한 비상 상황 중 하나입니다.

• 현상: 터빈의 모든 밸브(Stop Valve, Governor Valve)가 순식간에 닫히고 $\text{MW}$ 출력이 0으로 떨어집니다.
• 보일러 측 조치:
  • 터빈 트립으로 인해 증기가 더 이상 소모되지 않으므로, 보일러 내부의 증기 압력이 급격히 상승합니다.
  • 보일러 자동 제어(Master Control)는 즉시 연료와 공기 유량을 최소값으로 줄여야 합니다.
  • 만약 압력이 안전 밸브(Safety Valve) 설정값에 도달하면 밸브가 열려 증기를 대기로 배출합니다.
  • 운전원은 보일러 압력과 드럼 수위를 주시하며, 터빈 바이패스 밸브(Turbine Bypass Valve, TBPV)가 정상적으로 열려서 증기를 복수기(Condenser)로 우회시켜 압력을 낮추는지 확인해야 합니다.
  • 드럼 수위가 상승하므로 급수 펌프를 정지하거나 급수 밸브를 닫아 수위를 안정화시킵니다.

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결론: 제어 마스터로 거듭나기

화력발전소의 보일러-터빈 제어는 단순히 복잡한 알고리즘의 문제가 아니라, 에너지 보존 법칙과 유체 역학의 기본 원리를 제어 루프에 적용한 것입니다. 보일러는 에너지 공급(연료/공기), 터빈은 에너지 소모(MW)라는 관점에서 접근하면 이해가 훨씬 쉬워집니다. 증기 압력($P$)을 중심으로 보일러와 터빈이 서로 영향을 주고받는 관계만 명확히 파악한다면, 실무에서 마주하는 어떤 문제라도 제어 시스템의 흐름을 따라가며 논리적으로 해결할 수 있을 것입니다. 제어의 핵심 원리를 완벽하게 이해하고 안정적인 전력 공급에 기여하는 실무의 마스터가 되십시오.