Bench급 건식 석탄 가스화기 제어시스템의 운전특성 향상

김원배, 임동렬, 유희종, 윤용승

고등기술연구원 전력에너지연구실

Improvement in Operational Characteristics for the

Control System of a Bench Scale Dry-Feeding Coal Gasifier

Won-Bae Kim, Dong-Ryul Rhim, Hee-Jong Yoo, Yongseung Yun

Electric Power System Lab., Institute for Advanced Engineering

서    론

IGCC(Integrated Gasification Combined Cycle)는 미분탄을 고온, 고압조건에서 불완전 연소하여 일산화탄소 및 수소가 주성분인 연료가스로 가스화 하여 발전하는 복합발전 시스템으로 현재 3 Ton/day  BSU(Bench Scale Unit)를 건설하여 운전중에 있다.

BSU 설계조건은 1400℃, 30 기압 기준이며, 다양한 조건의 고온, 고압 가스화기 운전을 통하여 가스화기 운전조건 및 운전방법 최적화 및 운전경험들을 얻을 수 있었다. 특히 안전한 운전 및 정확한 가스화기 운전특성을 얻기 위하여 우선적으로 고려된 사항은 제어 시스템의 안정성 및 현장계기기의 적합성 등을 들 수 있다.  제어시스템 측면의 개선사항으로는 다양한 운전조건에 따르는 정상 및 이상조건을 모두 고려한 정확한 제어로직 구현, 처리속도 증가 등이다. 현장계기의 적합성은 다양한 운전조건에 따르는 정상 및 이상조건을 고려한 현장계기의 사양수정 및 설치를 들 수 있다.

본 연구에서는 '95년 부터 2년간의 석탄 가스화기 운전을 통해 개선된 제어시스템에 관하여 설명하고자 한다.

BSU 제어시스템 구성사항

IGCC BSU 제어시스템은 PLC(Siemens TI-545 model)를 사용하고 TI-SOFT v4.2를 사용하여 제어 프로그램을 작성하였다.  운전용 인터페이스 제작은 그래픽 화면 제작 및 데이터 수집 기능이 우수한 FIXDMACS v5.5(for Windows 3.1, Intellution Inc.)를 사용하였다.

통신방식으로는 PLC에 설치된  NIM(Network Interface Module) 카드와 FIXDMACS를 TIWAY 방식을 사용하여 연결하였으며, 제어용 PC 4대를 LAN으로 연결하여 SCADA(Supervisory Control & Data Acquisition) 시스템을 구성하였다. 또한 PLC에 직접 PC를 연결하여 프로그램 수정 및 운전중 이상상태를 프로그래머가 파악하게 구성하였다. 가스화기의 운전특성을 반영한 제어 프로그램의 작성은 TI-SOFT에서 제공하는 Ladder Logic, Loop, Alarm, Special Function을 사용하여 구현하였다.

또한 BSU 운전자가 가스화기 운전상태를 정확하게 판단 및 동작할 수 있게 운전화면을 최적화 하였으며, 운전후 결과를 분석할 수 있게 운전 데이터 저장시스템을 구성하였다.

BSU 운전특성

가스화기 운전시 운전단계는 3단계로서 startup, normal 및 shutdown 운전으로 크게 나눌 수 있는데 이러한 단계마다 공급조건들이 다양하므로 이를 고려한 기본 운전방법 및 제어시스템 구성이 필수적이다.

정상 운전시 가스화기의 운전시 고려해야 하는 운전사항은 크게 3가지로 나눌 수 있다. 첫째는 가스화기의 운전조건(온도, 압력)에 따르는 반응물의 공급량결정이며, 둘째는 제어루프의 안정적인 동작, 셋째는 정상 및 이상상태시 시이퀀스 로직의 신뢰성을 들 수 있다.

가스화기의 운전조건은 가스화기의 압력에 따라 미분탄, 산소, 질소 및 스팀 공급량이 달라진다. 이러한 정량적인 결정은 주요 운전변수인 가스화기 압력에 따르는 석탄공급량과 석탄/질소 비, 산소/석탄 비, annular/전체산소 비에 따라 공급량이 결정된다. Table 1은 주로 사용되는 가스화기 압력에 따르는 반응물 공급량 변화를 나타내고 있다.

가스화기의 안전한 운전 및 정확한 결과를 얻기 위해서는 다양한 가스화기 운전조건에서 반응물의 압력 및 유량제어, 가스화기의 압력 및 온도제어 루프의 정확성이 필수적이다.

가스화기를 고온, 고압 운전중 사용되는 시이퀀스 제어로는 slag 및 fine의 제거, 미분탄 고압이송 등으로서 미분탄 공급량이 많아질수록 동작횟수가 많아지므로 이러한 시이퀀스 제어의 신뢰성 정도가 가스화기의 안전한 운전에 중요한 역할을 한다. 이러한 고압 lockhopper 시스템 시이퀀스의 문제발생시 운전자가 쉽게 운전상태를 파악, 조치할 수 있게 제어로직 및 운전자 화면구성이 필수적이다.

Table 1.  석탄 가스화기 운전시 가스화기 압력에 따르는 반응물 공급량

Pressure (kgf/cm2,)	Coal (kg/h)	Total O2 (Nm3/h)	Trans. N2 (Nm3/h)	Purge N2 (Nm3/h)	Steam (kg/h)
1.0	8.49	5.35	2.26	1.44	0.34
5.0	25.89	16.31	6.90	4.26	0.93
10.0	47.63	30.01	12.70	8.50	1.71
15.0	69.37	43.71	18.50	12.03	2.48
20.0	91.11	57.41	24.29	15.57	3.26
25.0	112.85	71.11	30.09	19.10	4.03
30.0	134.59	84.82	35.89	22.63	4.81

BSU 제어시스템 개선사항

1. 제어로직 개선사항

가스화기 운전으로 부터 파악된 문제점을 바탕으로 공정의 안전운전 및 운전의 편이성을 높이기 위해 다음과 같이 제어로직이 개선되었다.

① 운전방법 용이 : 가스화기의 압력에 따르는 석탄량, 석탄/질소 비, 산소/

석탄비를 입력하면 기상 반응물(질소, 산소, 스팀)의 설정치가 자동으로          변경이 가능하게 제어로직 구현.

② 시이퀀스 제어 : 고압운전시 미분탄 이송, slag 및 fine 제거 시스템의           안전을 고려한 로직 수정 및 문제 발생시 원인파악이 용이한 로직 구현.

③ Alarm 시스템 : 다양한 가스화기 압력 조건에 따르는 alarm 설정값 선

정 및 alarm 개수 최적화.

④ Interlock 시스템 : 현장계기의 이상으로 발생하는 ESD(Emergency

Shut Down) 방지 및 interlock 그룹의 사용여부를 운전자가 선택할 수

있게 제작.

2. 제어시스템 속도향상

가스화기 운전시 운전자는 중요한 공정값 변화 및 제어동작을 신속하게 진행되길 원하며 이러한 사항은 운전자 화면을 통하여 실행된다. 제어시스템의 속도향상을 위하여 PLC 프로그램의 최적 설정 및 운전용 소프트웨어의 최적화를 진행하였다. 이러한 사항들은 다음과 같다.

① PLC 프로그램 : Memory type에 따르는 메모리 할당크기 최적화 및            scan time 최적화

② 통신방법 : PLC와 FIXDMACS 소프트웨어와의 상호 통신시 공정특성에

따르는 I/O 그룹작성 및 polling time 최적화

③ FIXDMACS : 운전에 관련된 변수들의 관계를 정확하게 파악할 수 있게          운전화면 분할 및 link points 제한(40 points/screen)

3. 운전화면 개선사항

운전자 화면은 운전자가 현재 운전중인 공정상태를 파악 및 조작하는데 가장 중요하므로 운전자가 관련 있는 데이터를 빠르고 정확하게 파악, 변경시킬 수 있는 기능을 갖게 제작하였다.  운전모드 및 단위공정 제어상태를 정확하게 파악하기 위하여 연관성이 있는 아날로그 및 디지탈 현장신호 표시 및 동특성 파악을 위한 내부계산 결과를 동시에 나타내어 운전자가 현재공정의 상태를 파악할 수 있게 개별화면을 제작하다.

크게 나누면 공정을 전반적으로 파악할 수 있는 개괄화면과 단위공정별 제작화면, 기능별 화면, 제어루프 화면 등으로 구성되어 있으며 세부내용은 다음과 같다.

① Overview Screen : Main Process, Block Diagram

② Unit Process Screen : Gas Utility, Gasifier, Coal Feeding, Fine &

Slag Removal, Feeding Ratio Control

③ Functional Screen : Startup, ESD shutoff valve, Interlock, Alarm

④ Control Loop Screen : Pressure, Temperature, Flow, Level Control

4. 현장계기 변경사항

고온, 고압 가스화기 운전시 다양한 조건의 실험이 진행됨에 따라 예측하지 못한 운전상의 결과로 인해 발생하는 현장계기의 과부하 문제점과 이로 인한 공정파악 어려움, 제어 불가능 및 안전문제 발생 같은 심각한 문제를 고려하여 현장 계기의 사양결정을 하였으며 내용은 다음과 같다.

① Thermocouple : 가스화기 장기운전 및 온도급증으로 인한 thermowell 파

손으로 인한 고온, 고압의 생성가스 유출을 방지하기 위한 gas sealing          gland 설치.

② (Differential) Pressure Transmitter : 가스화기의 압력조절 문제로 인한          back pressure 발생을 감지하기 위하여 설정범위에 negative값 삽입

③ Control valve : 가스화기의 운전시 운전압력 변동범위가 넓고 또한 이에         따르는 공급유량의 범위가 넓으므로 유량계수(Cv)값 조정.

④ 공급차단 밸브 : 가스화기 운전상의 이상으로 인한 신속한 반응물(미분탄,         산소, 질소, 스팀) 공급차단을 위해 shutoff valve 설치 및 연동.

결   론

본 연구를 통하여 IGCC BSU 운전특성 및 이를 반영한 제어시스템의 개선 및 현장계기의 최적 선정자료 등을 얻을 수 있었다. Bench급 건식 석탄가스화기의  안전하고 장기적인 운전을 위해서는 정상 운전시 다양한 운전조건 변경이 용이하여야 하며, 다양한 운전조건에 따르는 이상상태시 운전자가 빠르게 대처할 수 있게 제어로직의 다양성 및 운전자 화면을 구성하였다.

특히 가스화기 연속운전시 가장 중요한 이상상태로는 역압(back pressure)으로 인한 반응물(미분탄, 산소, 질소, 스팀)의 공급 불안정성, 급격한 가스화기의 온도 및 압력상승으로 인한 장비 및 측정계기 과부하, 고압 조건에서의 고형물 공급(미분탄 이송) 및 제거(slag & fine lockhopper) 시스템 이상 등이었다.

이러한 상태를 예방하거나 운전자가 파악, 대처할 수 있게 공정 데이터 확보 및 제어시스템을 구성하여 가스화기의 운전의 안정성을 확보하였다.

현재 이러한 제어 시스템을 바탕으로 상위제어 시스템 구성 및 최적화 단계를 계속 진행할 예정이다.

감   사

본 연구는 통상산업부 산하 에너지자원기술개발지원센터에서 지원하고 전력연구원이 주관하는 □석탄가스화 복합발전 기반기술개발□ 과제의 □96년도 사업으로 지원되었습니다. 이에 감사드립니다.