Technical Report

발전소의 두뇌 - 제어 시스템: 탐구는 계속된다

에머슨 프로세스 매니지먼트

최신 ‘폰’, 태블릿, 패드 또는 기타 개인휴대정보 단말기(PDA)를 사용하는 사람이라면 누구나 이런 기기가 단순히 ‘기기’ 라기 보다는 개인정보, 오락 및 생활 관리 시스템에 가깝다는 사실을 알고 있다.

같은 맥락에서, 오늘날 발전소의 디지털 분산 제어 시스템(DCS)은 단순히 ‘자동화’ 시스템이라기보다는 실시간 자산 관리 플랫폼처럼 보인다. 발전소의 두뇌 역할을 충실히 해내고 있다. 이런 추세는 전력 및 수처리 사업부(Power & Water Solutions)에서 후원한 2015년 7월 26일부터 30일까지 피츠버그에서 개최된 Ovation Users Group conference에서 다시 한 번 분명히 드러났다.

회의 첫날 Robert Yeager 사장의 프레젠테이션에서 이 추세를 구체적인 예시와 함께 설명했다. Yeager는 이제 Ovation이 Machinery Health 모니터를 완전히 통합하여 별도의 진동 및 상태 모니터링 시스템이 필요 없게 되었다고 밝혔다. ‘통합 아키텍처’에는 예측 및 보호 소프트웨어와 일반적인 사이버보안 플랫폼이 포함된다. Ovation Machinery Health Monitor(MHM)는 예비 I/O 슬롯에 꽂아 쓸 수 있다.

통합

몇 차례 프레젠테이션에서 논의된 또 다른 통합의 특징은 이중화(redundant) 제어기와 전원공급장치를 추가한 HRSG 덕트-버너 관리 시스템(BMS)이 Ovation 플랫폼에 포함되어, 적절히 할당되고 장치에 유연성을 더해 그리드(grid) 전력망과 시장의 역학에 빠르게 대응한다는 점이다.

일반적으로 덕트 버너(duct burner)는 자동발전제어 (AGC)에서 더 많은 역할을 한다. 순환 조건에 따라 버너를 선택적으로 배치하면 발전소가 요구되는 부하 수준에 맞춰 대응하는 속도가 빨라진다.

일반적으로 덕트 버너 OEM이 공급하는 전형적인 레거시 BMS는 HRSG 에 위치하며, 프로그램 가능 로직 제어기(PLC) 플랫폼에서 프로그램되고, 시리얼이나 이더넷을 통해 원거리에 있는 HMI 제어실로 연결된다.

오늘날 현장에 배치되는 Ovation 제어기나 (제어실 내에 제어기가 설치된) 원격 Ovation I/O는 필드 케이블 단자대, 화염-스캐너 증폭기, 대류 방열기/AC, 알람과 공용 콘센트, 인클로저 박스(enclosure box) 등 기존 장비 일부와 인터페이스로 접속할 수 있다(그림 1). 따라서 논리성, 네트워크, 고장수리, 진단 등 Ovation이 가진 모든 특징은 BMS에 영향을 미칠 수 있다.

버너 관리 시스템의 Ovation 개보수는 기존 장비를 대부분을 이용할 수 있다. (그림1)

에머슨의 전문가들이 로직을 개발한다 해도 NFPA는 HRSG와 덕트 버너 제조업체가 승인할 수 있는 버너 열판에 대한 절차를 요구한다. 신규 BMS가 요구하는 하드웨어로는 필드 케이블 터미널 블럭, 화염 스캐너 증폭기, 대류 방열기/AC, 캐비닛 압력 스위치, 알람과 공용 콘센트 등이 있으며(왼쪽), 제거할 하드웨어로는 내부 단자대, 인터포징 계전기(interposing relay), PLC, 전원공급장치, 데이터-링크 하드웨어, 온도조절장치 등이 있다(오른쪽).

BMS 통합과 버너 열판 준비는 단순한 작업이 아니다.

지난 1월 (2015년) NFPA 85 관련 법규 개정안이 발표되었다. 규정준수 문제는 주연료차단(MFT), MFT 계전기 고장시 전체 시스템에는 영향을 미치지 않는다는 사실과 버너 열판 포함을 명시한다.

이 법규에는 액체 연료에 점화할 때 가스 터빈 퍼지 크레디트 (gas turbine purge credit)에서 선택할 수 있는 두 가지 새로운 옵션이 추가됐다.

또한 시동 순서에 가스 터빈 및 HRSG 퍼징(purging), 덕트 버너 퍼징, 덕트 버너 소등, 바이패스 댐퍼 조작, 대기 소성 등이 포함되었다. MFT 신호는 BMS에 직접 하드와이어(hardwire)로 전송해야 한다. 운전자는 NFPA 법규에 따라 수동 정지 버튼을 갖추어야 한다. 중요한 것은, 제어 전문가가 프로그래밍을 진행하는 동안 HRSG와 버너 공급업체로부터 절차에 대한 승인을 받아야 한다는 점이다.

주 플랫폼에 통합된 제어 기능은 여러 장점을 가지고 있다. 하드웨어만이 아니라 성가신 연결, 별도의 디지털 언어 번역, 시간 동기화, 네트워킹 하드웨어, 추가적인 예비부품과 배선 작업을 제거하며, 관련한 교육 및 지원 서비스가 줄어들고, 구성 작업, 경향 분석, 경보 발령, 설정 포인트, 선택 논리, I/O 모듈과 같은 인력의 엔지니어링이 적절하게 균형을 이룬다.

교육

시뮬레이션 Ovation 가상 제어기에 내장할 수 있다. 덕분에, 운영자는 Ovation 시스템에 통합된 모델을 이용해 교육을 실시할 수 있다. 모델은 제어 논리를 구축하는 데 사용한 엔지니어링 도구를 이용해 구성한다. 결국 ‘통합적’ 기능에는 단일 통합 데이터베이스의 시뮬레이션 및 제어부가 포함되며, ‘동기화’ 버전으로 발전소에서 전송된 실시간 데이터를 이용해 예측 능력에 미리보기 기능을 추가할 수 있다.

Keith Nelson은 프레젠테이션에서 Southern Company의 Mississippi Power 계열사가 이미 플랜트의 Daniel 3호기 ‘임베디드(embedded)’ 수준의 Ovation 시뮬레이션 기능을 선보인 바 있으며, 내년에는 통합 기능을, 그 후에는 ‘실시간’ 동기화된 수준을 목표로 작업을 진행하고 있다고 발표했다.

끝으로, 에머슨의 Steve Schilling은 곧 출시되는 Ovation 3.6 플랫폼의 특징(위에 열거된 특징 포함)을 나열한 리스트를 제공했다.

·통합 발전기 여자 시스템(에머슨 여자 패키지 제공)

·신규 출시된 Microsoft의 Windows 10 운영체제 지원

·이더넷으로 연결된 Ovation I/O

·더욱 빨라진 네트워크 및 프로세스와 더 커진 완충장치

·정확한 타임 스탬프(time stamp)로 신속한 포인트 스캐닝 위한 데이터 이력 관리 재목적화 및 별도의 이력 관리 없이 ‘비제어(non-control)’ 포인트 전송

·Ovation 플래이백 또는 사후 분석을 위한 Ovation 그래픽 상의 이벤트 기록 및 재생

·ISA 18.2 표준에 입각한 고급 알람 관리 및 분석 기능을 갖춘 고성능 제어실

Ovation은 시장 지배적인 발전소 제어 플랫폼으로서 지속적으로 확산해 나가고 있다.

Schilling은 에머슨의 제어장치가 미국에 공급되는 발전 용량의 절반을 차지한다고 언급했다. Glen Wagner는 에머슨이 최근 Siemens T3000(12,000 I/O 포인트 포함)과 레거시 Foxboro와 Honeywell 제어 시스템의 개보수를 완성했다고 보고했다.

지난 24개월 동안 북미에서만 50개에 이르는 가스 터빈 제어 개보수 프로젝트가 예약된 상태다.

Pratt & Whitney, Alstom GT24, Siemens V84/V94 엔진을 위한 새로운 솔루션이 진행 중이다. GE 7FA, 7EAa, LM6000 기기를 위한 솔루션은 이미 완성되어 상용화 단계에 있다. 대부분은 Ovation을 대규모 발전소 내 어플리케이션과 연결 지어 생각하겠지만, 이 플랫폼은 다른 곳에서도 여러 목적으로 적용되고 있다. 마이크로그리드(microgrid) 관리가 그 예이다. 남부 캘리포니아 연안에서 22마일 가량 떨어져 있는 카타리나 섬의 에머슨 자동화 기술은 Southern California Edison이 발전(그림 2) 및 배전 기반시설을 효율적으로 관리할 수 있도록 지원한다.

Ovation은 전력 수요를 충족시키고 환경 영향을 최소화하도록 SCE 운영자에게 (마이크로터빈 23대와 디젤/발전기 6대를 포함한) 발전 자산을 간결하게 보여준다. 또한 SCE가 배터리 저장 시스템과 카타리나 섬의 LPG 플랜트, 수처리/담수화 시설을 관리하는 데 도움을 준다. 에머슨의 SCADA 기술은 카타리나 섬에서 안정적인 그리드 전압을 유지하고 휴가철에 발생하는 수요 변화에 신속한 대응을 가능하게 한다는 점에서 기여하는 바가 크다(그림 3).

Capstone Turbine Corp가 공급하는 마이크로터빈(microturbine)은 카타리나 섬에 필요한 유연한 발전 기능을 제공한다. (그림2)

SCADA기술 helps maintain a stable grid voltage.은 안정적인 그리드 전압을 유지한다. 사진은 카타리나 섬의 12-kV 조차장. (그림3)