특 별 기 고 Special contribution 국내 1,000MWe 급화력발전소제어및감시시스템설계사례 [1 회 ] 글싣는순서 1. 개요 2. 시작하며 3. 발전소통합제어및감시시스템설계 4. 발전소자동기동및정지순차제어 5. 통합제어및감시설비와현장기기간의데이터취득 6. 제어및감시설비에대한사이버보안 7. 보조감시설비 8. 결론 김창현부장한국전력기술플랜트본부전기계측기술그룹 chkim@kepco-enc.com 이형주대리한국전력기술플랜트본부전기계측기술그룹 lhzoo12@kepco-enc.com 1. 개요최근, 당진화력 9,10호기, 태안화력 9,10호기, 삼척그린파워 1,2호기, 신보령화력 1,2호기를포함한초초임계압 1,000MWe급석탄화력발전소가건설되어순차적으로상업운전중에있다. 제어시스템설계측면에서, 기존국내표준 500MWe급석탄화력발전소와달리보일러, 터빈, 보조기기 (Balance of Plant, BOP) 와보조기기패키지설비 ( 탈질설비, 전기집진기 (EP), 탈황설비 (FGD), 회처리설비등 ) 에통합제어및감시설비 (ICMS) 가적용되어주제어실운전원이현장운전데이터를실시간으로감시할수있도록하고, 적은유지보수비용으로발전소를운영할수있도록경제적관점에서설계되고있다. 통합제어및감시시스템은현장설비로부터취득한방대한양의데이터를처리하고, 다양한설비로의데이터전송을위하여디지털통신과하드와이어링결선방식을조합하여사용하는경우가많아졌으며, 통합제어및감시설비와 92
국내 1,000MWe 급화력발전소제어및감시시스템설계사례 현장계기, 지능형 MOV 및지능형 MCC 간통신연계도확대적용되고있는추세이다. 본고에서는제어설비최적설계를고려한안정적인운전과발전소효율향상을위해 1,000MWe급석탄화력발전소에적용된제어시스템구성, 제어실배치, 통합제어및감시설비와타설비간데이터통신연계에대한설계특성등에대해기술한다. 국내의석탄화력발전소의설계는 1990년대초 500 MWe급발전소에이어, 2000년대 800MWe의영흥화력발전소까지설계표준화를추진하여왔으며, 최근 2010 년부터건설되어상업운전중인당진화력 9,10호기, 태안화력 9,10호기, 삼척그린파워 1,2호기와신보령화력 1,2호기를통해 1,000MWe급석탄화력발전소의제어및감시시스템은그동안의설계개선사항및최신기술등을반영하여설계되었다. 2. 시작하며정보통신기술의급격한발달과함께, 스마트장치는개인과다양한산업분야의일상에큰변화를가져왔다. 이는활발한정보교환으로인하여새로운환경을만들고, 정보처리능력을향상시키고있다. 인간의생명과설비를보호하는것이안전의최우선으로생각하는것은발전소설계분야에서도마찬가지이다. 다양한계측기에최첨단정보통신기술이적용되고있으며, 발전소설계분야에서는이를이용한고속네트워크를통해보다많은데이터를취득하여분석함으로써운전효율과수익성을개선하는데주력하고있다. 본고는상업운전중인 1,000MWe급석탄화력발전소에적용된제어및감시시스템의주요특징과시운전기간동안개선된사항들을기술하고자한다. 3. 발전소통합제어및감시시스템설계발전소주요기기들과운전원에대한안전을극대화하고, 어떠한이상운전조건에서도발전소를안전하게정지하고, 효율및경제적인운전을위한관점에서통합제어및감시시스템 (ICMS) 이 1,000MWe급화력발전소에적용되고있다. 통합제어및감시시스템은기능적이고, 전략적으로분산된계층구조의마이크로프로세서기반의디지털제어설비플랫폼이다. 발전소설계초기에는스위치, 전송기및밸브와같은현장계기류들이현장에서부터제어및감시설비로직접결선되었으나, 최근에는제어및감시설비에통신기술이폭넓게적용됨에따라 4~20mA의아날로그신호와디지털신호의조합인 HART(Highway Addressable Remote Transducer) 와같은고속의디지털통신네트워크가각현장계측기기류 (Smart Trnasmitter, Smart Positioner 등 ) 의운전데이터취득및원격관리등의목적으로일반적으로사용되고있다. 변조 (modulation), 순차제어및시스템통신채널과연계하기위한공정제어기는이중화로설계된다. 즉, 제어기를구성하는구성요소 전원공급장치, 통신카드, 메모리, 입출력처리기및버스 ) 는이중화로구성된다. 또한운전중이상발생시주 CPU에서예비 CPU로변경되거나, 예비 CPU에서주 CPU로의전환은아무런운전장애 ( 지연시간 ) 없이자동으로절체된다. 이중화통신네트워크는하부에여러 CPU를관장할 2017. 12 93
특별기고 Special contribution 수있도록다중분기되며, Fault tolerance를갖는구조이다. 이중화된 CPU는최악의상태에서도 30% 의부하를넘지않도록설계하고, 최종시운전단계에서이의준수여부를확인한다. 제어시스템은보일러, 터빈및보조기기 (BOP) 뿐만아니라탈질설비, 전기집진기, 탈황설비, 회처리설비와같은보조기기패키지설비들의실시간운전데이터를취득함으로서제어실에서원격으로통합제어및감시가능하도록설계한다. 그림 1에나타난바와같이보일러, 터빈, 보조설비 (BOP) 및취수설비, 제매설비, 고압 / 저압바이패스설비, 탈질설비, 탈황설비, 전기집진기및회처리설비와같은패키지설비의제어캐비닛은전기 / 전자건물 3층의전자 기기실에위치한다. 최상의설비가용성을위하여, 개별입출력모듈을제외하고는단일요소또는시스템의어느부분의고장을방지할수있도록구성한다. 각제어기는제어설비의통신망과연결하기위한전용통신제어기를가지고있다. 입출력신호와제어기능은열 ( 列 ) 구조 (train concept) 를기반으로기능적, 물리적으로구분한다. 예를들어, 보일러급수펌프터빈 (BFPT)-A에대한입출력신호및제어기모듈은기능적으로분리하도록설계하는방식을적용하여하나의제어기의입출력카드가고장나더라도같은기능을수행하는설비에상호영항을미치지않도록시스템을구성한다. MAIN Control Room Computer Room Electronic Room VMS BLR 70 Large Screen 8 BLR 3 Unit 1 Data Highway BOP FGD BOP 3 EP ASH Digital Indicators (MW, MS Press/Temp, etc) 24 24 24 24 Graphic Controller FLMS EWS DS HS 24 24 24 24 CPP/ CFS CTCS/ DF Plant Complex Monitoring System TBN 3 TBN SCR COM I/O GPS Bus Coupler *Note ASH : Ash Handling System BLR : Boiler BOP : Balance of Plant CFS : Chemical Feed System CPP : Condenser Polishing Plant System CTCS : Condenser Tube Cleaning System DF : Diagnostic Station EP : Electrostatic Precipitator System EWS : Enginerring Work Station FDI : Foreign Device Interface FIMS : Field Instrument Management System FGD : Flue Gas Desulfurization System SCR : Selective Gatalytic Reduction System VMS : Vibration Monitoring System Unit 2 Commom Data Highway FGD COM I/O FDI AUX Boiler Coal Handling Water/Waste Treat Field Field Devices (Instruments, Analyzers, Pumps, Fans, Valves, Dampers, etc) 그림 1. 통합감시및제어설비의개략구성도 94
국내 1,000MWe 급화력발전소제어및감시시스템설계사례 설비이중화제어기수량 (Set) 기능분리그룹 보일러 16 보조기기 (BOP) 8 증기터빈 3 보조터빈 -A/B 4 패키지설비 7 공용설비 4 1 Automatic Plant Start-up/Shutdown 1 Unit Master (BLR, TBN, Feed water, Fuel, Air) 3 Automatic Plant Control (BLR Water/Steam-A/B, Air/Gas-A/B, Fuel-C/D/B & E/A/F) 3 Mill Burner Control (Burner-C/E, B/D, A/F, MILL- C/E, B/D, A/F) 1 Mill Burner Control-Common (Master Fuel Trip, Light oil, Atomizing Air) 2 Sequence Control (Draft-A/B, De-NOx-A/B) 1 Sequence Control-Common (BLR Water/Steam common) 1 HP/LP Bypass System 2 Soot Blower System 1 Boiler Tube and Metal Temp. Miscellaneous 3 Feed water-a/b/c, Condensate-A/B/C, Condenser Vacuum-A/B/C 2 Circulating Water-A/C & B/D, Closed Cooling A/B 1 Common (Feed water, Condensate, Cond. Vacuum, Closed cooling) 1 Turbine Water Induction Protection(Extraction) 1 Miscellaneous 1 Turbine Main Control (Speed/Load/MW/Start-up/Shutdown) 1 Aux. Control & Monitoring 1 Turbine Protection (Emergency Over speed, Trip device) 2 Aux. Turbine-A/B Main Control (Speed/Load/MW/Start-up/Shutdown) 2 Aux. Turbine-A/B Aux. Control & Monitoring 1 Condensate Polishing Plant/Chemical Feed System 1 Condenser Tube Cleaning System/Debris Filter 1 Electrostatic Precipitator System 2 Ash Handling System 2 Flue Gas Desulfurization (FGD) System 2 Flue Gas Desulfurization (FGD) Common 1 Balance of Plant (BOP) common 1 SCR-common 계 38 Sets/Unit, 4 Sets/Common 표 1. 프로세스제어기기능분리 위의설계개념에따라, 발전소에서는위의표 1과같이공정제어기를분할하여적용한다. 4. 발전소자동기동및정지순차제어발전소의자동기동및정지순차제어 (Automatic Plant Startup and Shutdown Sequence, APS) 는발전소기동및정지시, 다수의운전원에의해수행되는복잡한운전조작을미리설계된프로그램에따라자동적으로진행되도록하는, 안정적이고신속한기동및정지시스템으로중단점 (break point) 를사용하여순차적으로진행하는방식으로실행된다. 중단점은발전소자동화절차에서의주요지표를의미한다. Hold 기능은오작동 2017. 12 95
특별기고 Special contribution 으로의심되는부분을조사하기위해운전원이개입하여진행과정을중단할수있도록한다. 자동기동및정지는보일러와터빈의기동, 정지를위한중단점을모두가지고있다. 순환수계통, 복수기공기제거계통, 복수계통, 급수계통, 주증기및재열증기배수계통, 급수가열기추기 / 배수 / 배기계통과같은보조설비와복수탈염, 약품주입, 복수기관세정장치, 해수여과기, 전기집진기, 회처리설비, 탈황설비, 탈질설비와같은보조기기패키지설비는자동기동및정지신호에따라자동으로기동또는정지한다. 자동기동및정지를사용하면자동시퀀스뿐만아니라각단계의시퀀스를수동으로시작할수있다. 수동과자동기동시퀀스는다음단계를진행하기전에특정조건을만족해야다음절차를진행할수있다. 보일러자동기동절차 (Automatic Boiler Startup and Shutdown Sequence, ABS) 는보일러점화부터정격출력 (NR) 까지진행되며, 보일러운전정지절차는기동절차의반대로진행된다. 터빈자동기동및정지절차 (Automatic Turbine Startup and Shutdown Sequence, ATS) 는자동시퀀스뿐만아니라각단계의시퀀스를수동으로시작할수있게한다. 기동절차는유압유계통, 윤활유계통의기동, 터빈회전 (roll off) 부터통기이후밸브개폐까지진행되며, 정지절차는부하감발부터시작해서터빈정지까지진행된다. 자동화의정도는기동 / 정지에필요한총시간, 주요제어변수의품질및장비의보호가운전원의개입이아닌제어되는시스템에의해자동으로생성되는것이어야한다. 발전소의주간 ( 週間 ) 기동및정지운전은자동화되어있으며, 발전소의냉간 (cold) 기동 / 정지, 온간 (warm) 기동 / 정지, 열간 (hot) 기동 / 정지, 재기동 (Restart)/ 정지를자동화하기위한프로그램이준비되어있다. 각절차의진행과정과모든비정상상태등발전소자동화에대한자세한정보는운전원이확인할수있도록모니터에표시된다. 보조기기및패키지설비 Water treatment system normal 10bar Aux. steam header press. normal CCWP disch. header press. normal Feed water quality satisfied One COP/CBP running Condenser hotwell level normal Chemical injection system in service Sampling system normal Instrument air & Service air press. normal 20bar Aux. steam header press. normal Feed water storage tank level normal Condenser storage & transfer system normal Seawater cooling water pump or circulating water pump running Preselection CWP, COP/CBP, CVP & Misc. Drives 보일러및터빈설비 Hydraulic valves including HP/LP bypass HPU normal Preselection of PAF, FDF, CIDF and Misc. drives Boiler Master Fuel Trip Stator cooling water system normal Generator seal oil system normal Generator H2 gas cooling system normal Main turbine lube oil system normal 표 2. 기동을위한선행조건 96
국내 1,000MWe 급화력발전소제어및감시시스템설계사례 그림 2. 발전소자동기동시퀀스적용사례 ( 냉간기동 ) 참고문헌 [1] ISA Seminar Foundation Fieldbus H1 Field-Level Installation and Commissioning (Jonas Berge) [2] FOUNDATION TM Fieldbus System engineering guideline, 2003-2004. [3] Foundation Fieldbus System Engineering Guidelines (AG-181), Revision 3.2. [4] PROFIBUS Installation Guideline for PROFIBUS-DP/FMS(PROFIBUS Guideline, Order, No. 2.112) Version 1.0. [5] KOMIPO, KEPCO E&C, New Technical Application Report for Electrical Facilities of Shinbory-eong 1, 2 TPP, Aug. 2013. [6] IEEE Std 1046-1991, IEEE Application Guide for Distributed Digital Control and Monitoring for Power Plants, 1991. [7] North American Electric Reliability Corporation (NERC) Cyber Security Standards, CIP-001~009. [8] ISA 99.01~99.04 : Industrial Automation and Control System Security Standards. [9] The National Institute of Standards and Technology (NIST)-SP 800-82, Guide to Industrial Control System (ICS) Security 2017. 12 97