Bench급  석탄가스화공정의 동정 및 제어

유희종, 김원배, 이한구, 윤용승

고등기술연구원 전력에너지연구실

Identification and Control of the Bench Scale

Coal Gasification Process

Hee Jong Yoo, Won Bae Kim, Han Goo Lee, Yongseung Yun

Institute for Advanced Engineering, Electric Power System Lab.

서  론

석탄가스화 복합발전(Integrated Gasification Combined Cycle, IGCC) 플랜트는 플랜트를 구성하는 단위공정을 집적화하고 최적화하여 발전효율을 증가시키고 이에따라 화석연료 사용시 필수적으로 발생하는 CO2 배출량을 절감할 수 있으며 이외에 대기오염 물질인 SOx 및 NOx 발생량을 획기적으로 줄일수 있는 차세대 개념의 발전방식이다.   이러한 석탄가스화 복합발전 플랜트에서 석탄가스화공정은 후단에 위치하는 발전용 가스터빈 및 스팀터빈에 필요한 연료를 생성하고 공급하기 위한 공정으로서 복합발전 플랜트의 핵심공정으로 평가될 수 있다.      본 연구는 현재 본 팀에서 보유하고 운용중에 있는 3톤/일 용량의 BSU (Bench Scale Unit) 분류층 건식 석탄가스화공정을 대상으로 한다. BSU 석탄가스화공정은 정상운전시 고온(약 1400℃) 및 고압(약 30기압) 하에서 석탄, 산소 및 스팀의 가스화 반응을 통하여 CO 및 H2 가 주성분인 연소성 가스의 생성을 주목적으로 하며 석탄사용시 부산물로 발생하는 회재는 슬랙(slag)형태로 가스화기 하단부를 통하여 배출된다.  본 연구에서는 이러한 BSU 석탄가스화공정에 대하여 조업중 주요조작변수의 계단변화에 대한 출력변수의 동적특성에 대한 분석을 실시하였고 이 해석을 기초로 제어구조를 설계하였다.

BSU 제어시스템 설계

실제 석탄가스화 복합발전 플랜트에서 가스화공정은 플랜트의 단위공정 집적에 따라 조업연계성이 매우 크며 소비전력의 변동에 따른 잦은 부하변동이 요구되고 생성가스의 조성을 안정하게 유지해야 하는 사항들이 요구된다.  이러한 조건을 만족시키기 위하여 본 BSU 가스화공정의 주요 제어구조는 크게 생성가스 조성의 균일성 및 부하변동에 따른 안정성에 목적을 두고 설계되어야 한다.

1. 주요 제어목표

BSU 석탄가스화공정에 대한 제어목적는 크게 다음과 같은 세가지 조건을 만족시킬 수 있도록 설계되어야 한다.

- 생성가스 조성의 안정성

- 가스화기 부하변동에 대한 안정성(ramp change in load)

- 조업조건 변동에 따른 안정성(step change in load)

2. BSU 주요 입출력 변수 및 단일 제어루프 구성

BSU 가스화공정의 입출력 변수 및 제한조건은 Fig.1 과 같다.  대상공정인 BSU 가스화공정에 대하여 공정에 직접적으로 관계하는 주요 조작변수는 원료탄의 유량, 산소유량 및 스팀유량으로 요약될 수 있으며 목적으로 하는 주요 피제어변수는 가스화기 압력, 가스화기 온도, 생성가스 유량 및 조성으로 구분될 수 있다.  이외에 BSU 제어시스템 설계에 적용되는 제한조건은 가스화기 온도의 상한 및 하한과 가스화기 및 주변장치의 압력상한 조건을 들 수 있으며 이를 위한 기본적인 단일 제어루프의 구성은 Fig.2 와 같다.

Fig. 1. BSU 석탄가스화공정의 주요 입출력변수

Fig. 2. BSU 석탄가스화공정의 단일 PID 제어루프 개략도

3. BSU 동적특성 해석

대상공정에 대한 입출력 변수간의 동적특성을 해석하기 위하여 Fig.2 와 같은 단일 제어루프에 의하여 약 20기압 1500℃ 의 정상상태로 조업중인 BSU 가스화 공정에 대한 주요 조작변수 설정치의 계단변화 실험을 실시하였다.  앞서 설명한 Fig.1 의 주요 조작변수 중의 하나인 스팀의 유량은 최적의 가스조성을 얻기 위하여 석탄량 대비 10% 미만으로 제한되며 출력변수에 대한 영향도 크지 않은 것으로 나타났다.  생성가스의 조성제어는 생성가스의 주성분인 CO 농도를 기준으로 하였으며 이 CO 농도 및 가스화기의 온도는 O2/Coal 비에 의하여 가장 큰 영향을 받는 것으로 나타났고 CO 농도는 공정의 특성상 시료채취 line 이 길고 분석시간으로 지연으로 인하여 응답이 다소 느리게 나타남을 알 수 있었으며 생성가스의 조성이 일정할 때 가스화기 온도 또한 일정하게 유지됨을 알 수 있었다.  또한 가스화기의 압력 및 생성가스의 유량은 가스화기 후단에 설치된 제어밸브의 열림괘도 및 석탄 주입량에 대하여 복합적으로 가장 큰 영향을 받는 것으로 해석되었으며 이러한 결과는 Fig.3 에 나타나 있다.

Fig.3. 주요 입력변수의 계단변화에 따른 출력변수의 동적특성

4. BSU 가스화기의 다중루프 및 비(ratio) 제어루프 설계

BSU 석탄가스화공정에 대하여 상기한 바와같은 제어목표를 만족시키기 위하여 본 연구에서는 일차적으로 비집중접근(decentralized approach) 방식을 이용한 다단(cascade) 제어 및 비(ratio) 제어루프를 설계하여 적용중에 있다.  이와같은 방식에 의하여 생성가스의 조성은 생성가스중 CO 농도를 기준으로 O2/Coal 비에 의하여 제어되며 가스화기의 온도는 제한조건으로 작용한다.  가스화기의 압력은 후단에 설치된 압력조절 밸브에 의하여 제어되며 생성가스의 유량은 주입되는 석탄유량에 의하여 제어된다.   이와같이 비집중화된 BSU 석탄가스화 공정의 제어루프의 개략도는 Fig. 4. 과 같다.

Fig. 4. BSU 석탄가스화공정의 다중제어루프 개략도

결 론

앞서 설명한 바와같이 본 연구에서는 BSU 석탄가스화공정을 실제 IGCC 플랜트에서 요구되는 가스화공정의 목표를 만족할 수 있도록 제어구조를 설계하기 위하여 실제 조업중 입력 조작변수 설정치의 계단변화를 통한 출력변수들의 동적응답을 해석하였으며 이 결과를 기초로 다중루프의 제어구조를 설계하였고 현재 BSU 공정에 적용하여 미세조율을 위한 시험가동중에 있다.  이와같은 비집중접근방식에 의한 BSU 공정의 제어구조는 어느정도 요구조건을 만족시킬 수 있을 것으로 기대할 수 있으나 상기한 바와같이 생성가스의 유량제어 및 가스화기의 압력제어 등과 같이 쉽게 decouple 될 수 없는 피제어변수가 다수 존재한다.  따라서 궁극적으로는 집중접근(centralized approach) 방식의 다변수 제어기의 설계가 요구되며 이를 위하여 BSU 공정의 모델링 및 시험이 계획되고 있다.

감  사

본 연구는 통상산업부에서 지원하고 전력연구원이 주관하는 □석탄가스화 복합발전 기반기술개발□ 과제의 □96년도 사업으로 지원되었습니다.  이에 감사드림니다.