1. 서론
터빈 조속기는 수력 발전 장치의 두 가지 주요 조절 장비 중 하나입니다. 속도 조절뿐만 아니라 다양한 작동 조건 변환, 주파수, 출력, 위상각 등을 제어하여 수력 발전 장치를 보호하고 발전기 세트의 기능을 유지하는 역할을 합니다. 터빈 조속기는 기계식 유압 조속기, 전기 유압 조속기, 마이크로컴퓨터 디지털 유압 조속기의 세 단계를 거쳐 발전해 왔습니다. 최근에는 프로그래밍 가능 컨트롤러(PDC)가 터빈 속도 제어 시스템에 도입되어 강력한 항간섭 능력과 높은 신뢰성, 간단하고 편리한 프로그래밍 및 작동, 모듈식 구조, 우수한 다용성 및 유연성, 편리한 유지 보수 등의 장점을 제공하고 있습니다. 또한 강력한 제어 기능과 구동 능력을 갖추고 있어 실제 적용 분야에서 그 성능이 검증되었습니다.
본 논문에서는 PLC 기반 수력 터빈 이중 조정 시스템에 대한 연구를 제안하고, 프로그래밍 가능 컨트롤러를 사용하여 가이드 베인과 패들의 이중 조정을 구현함으로써 다양한 수두 조건에서 가이드 베인과 패들의 연동 정확도를 향상시켰다. 실제 실험 결과, 이중 제어 시스템은 수력 에너지 이용률을 향상시키는 것으로 나타났다.
2. 터빈 조절 시스템
2.1 터빈 제어 시스템
터빈 속도 제어 시스템의 기본 기능은 발전 시스템의 부하 변화와 터빈 회전 속도 편차에 따라 조속기를 통해 터빈 안내 날개의 개도량을 적절히 조절하여 터빈 회전 속도를 지정된 범위 내로 유지함으로써 발전기의 출력과 주파수가 사용자 요구 사항을 충족하도록 하는 것입니다. 터빈 제어의 기본 기능은 속도 제어, 유효 출력 제어 및 수위 제어로 나눌 수 있습니다.
2.2 터빈 조절 원리
수력 발전 장치는 수력 터빈과 발전기를 연결하여 구성된 장치입니다. 수력 발전 장치의 회전 부분은 고정된 축을 중심으로 회전하는 강체이며, 그 방정식은 다음 식으로 나타낼 수 있습니다.
공식에서
——단위의 회전 부분의 관성 모멘트 (Kg m²)
——회전 각속도 (라디안/초)
——발전기의 기계적 손실 및 전기적 손실을 포함한 터빈 토크(N/m).
발전기 저항 토크는 발전기 고정자가 회전자에 작용하는 토크를 말하며, 그 방향은 회전 방향과 반대이고, 발전기의 유효 출력, 즉 부하의 크기를 나타냅니다.
부하가 변할 때, 가이드 베인의 개도량은 변하지 않고 유지되므로 발전기 속도는 일정 값으로 안정화될 수 있습니다. 그러나 속도가 정격 속도에서 벗어나기 때문에 자체 균형 조정 능력에만 의존해서는 속도를 유지하기에 충분하지 않습니다. 부하 변화 후에도 발전기 속도를 원래의 정격 속도로 유지하기 위해서는 그림 1에서 볼 수 있듯이 가이드 베인의 개도량을 그에 맞게 변경해야 합니다. 부하가 감소할 때, 저항 토크가 1에서 2로 변하면 가이드 베인의 개도량은 1로 줄어들어 발전기 속도가 유지됩니다. 따라서 부하 변화에 따라 수력 발전기의 속도를 미리 정해진 값으로 유지하거나 미리 정해진 법칙에 따라 변화시키기 위해 수력 발전기의 속도 조정, 즉 터빈 조절이 이루어집니다.
3. PLC 유압 터빈 이중 조정 시스템
터빈 조속기는 수류 안내 날개의 개도량을 제어하여 터빈 러너로 유입되는 유량을 조절함으로써 터빈의 동적 토크를 변화시키고 터빈 장치의 주파수를 제어합니다. 그러나 축류형 회전 패들 터빈의 운전 중에는 조속기가 안내 날개의 개도량만 조절하는 것이 아니라, 안내 날개 팔로워의 스트로크 및 수두 값에 따라 러너 블레이드의 각도도 조절해야 합니다. 이를 통해 안내 날개와 러너 블레이드 간의 상호 협력 관계, 즉 공조 관계를 유지할 수 있으며, 이는 터빈의 효율을 향상시키고 블레이드 캐비테이션 및 장치의 진동을 감소시키며 터빈 운전의 안정성을 강화할 수 있습니다.
PLC 제어 터빈 베인 시스템의 하드웨어는 크게 PLC 컨트롤러와 유압 서보 시스템, 이렇게 두 부분으로 구성됩니다. 먼저 PLC 컨트롤러의 하드웨어 구조에 대해 살펴보겠습니다.
3.1 PLC 컨트롤러
PLC 컨트롤러는 주로 입력부, PLC 기본부 및 출력부로 구성됩니다. 입력부는 A/D 모듈과 디지털 입력 모듈로 구성되고, 출력부는 D/A 모듈과 디지털 입력 모듈로 구성됩니다. PLC 컨트롤러에는 시스템 PID 파라미터, 베인 팔로워 위치, 가이드 베인 팔로워 위치 및 수두 값을 실시간으로 확인할 수 있는 LED 디지털 디스플레이가 장착되어 있습니다. 또한 마이크로컴퓨터 컨트롤러 고장 시 베인 팔로워 위치를 모니터링할 수 있도록 아날로그 전압계가 제공됩니다.
3.2 유압식 후속 시스템
유압 서보 시스템은 터빈 베인 제어 시스템의 중요한 구성 요소입니다. 컨트롤러의 출력 신호는 유압으로 증폭되어 베인 팔로워의 움직임을 제어하고, 이를 통해 러너 블레이드의 각도를 조절합니다. 본 연구에서는 비례 밸브 제어 방식의 주 압력 밸브를 사용하는 전기 유압 제어 시스템과 기존의 기계 유압 제어 시스템을 결합하여 그림 2와 같이 전기 유압 비례 밸브와 기계 유압 밸브가 병렬로 연결된 터빈 블레이드 유압 추종 시스템을 구성했습니다.
터빈 블레이드용 유압식 추적 시스템
PLC 컨트롤러, 전기유압 비례 밸브 및 위치 센서가 모두 정상일 때, PLC 전기유압 비례 제어 방식을 사용하여 터빈 베인 시스템을 조정합니다. 위치 피드백 값과 제어 출력 값은 전기 신호로 전송되고, PLC 컨트롤러는 이 신호들을 종합하여 처리 및 판단합니다. 이를 통해 비례 밸브를 이용하여 주 압력 분배 밸브의 개도를 조절하고, 베인 팔로워의 위치를 제어하여 가이드 베인, 수두 및 베인 간의 협력 관계를 유지합니다. 전기유압 비례 밸브로 제어되는 터빈 베인 시스템은 높은 시너지 정밀도, 간단한 시스템 구조, 강력한 오일 오염 저항성을 가지며, PLC 컨트롤러와의 연동이 용이하여 마이크로컴퓨터 자동 제어 시스템을 구성할 수 있습니다.
기계식 연동 메커니즘을 유지하기 때문에 전기유압 비례 제어 모드에서도 기계식 연동 메커니즘은 시스템의 작동 상태를 동기적으로 추적합니다. PLC 전기유압 비례 제어 시스템에 오류가 발생하면 스위칭 밸브가 즉시 작동하여 기계식 연동 메커니즘이 전기유압 비례 제어 시스템의 작동 상태를 기본적으로 추적할 수 있습니다. 전환 시 시스템에 미치는 영향이 최소화되고 베인 시스템이 기계식 연동 제어 모드로 원활하게 전환될 수 있어 시스템 작동의 신뢰성을 크게 보장합니다.
유압 회로를 설계할 때 유압 제어 밸브의 밸브 본체를 재설계했으며, 밸브 본체와 밸브 슬리브의 크기, 밸브 본체와 주 압력 밸브의 연결부 크기, 그리고 유압 밸브와 주 압력 분배 밸브를 연결하는 연결봉의 기계식 크기는 기존과 동일하게 유지했습니다. 따라서 설치 시 유압 밸브의 밸브 본체만 교체하면 되고, 다른 부품은 변경할 필요가 없습니다. 전체 유압 제어 시스템의 구조가 매우 콤팩트합니다. 기존의 기계적 시너지 메커니즘을 완전히 유지하면서 전기 유압 비례 제어 메커니즘을 추가하여 PLC 컨트롤러와의 인터페이스를 용이하게 하고 디지털 시너지 제어를 구현하여 터빈 베인 시스템의 연동 정확도를 향상시켰습니다. 또한 시스템의 설치 및 디버깅 과정이 매우 간편하여 수력 터빈 장치의 가동 중지 시간을 단축하고 수력 터빈의 유압 제어 시스템 전환을 용이하게 하여 실용적인 가치가 높습니다. 현장 실운전 과정에서 발전소의 엔지니어링 및 기술 담당자들이 해당 시스템을 매우 긍정적으로 평가했으며, 향후 많은 수력 발전소의 조속기 유압 서보 시스템에 보급 및 적용될 수 있을 것으로 기대됩니다.
3.3 시스템 소프트웨어 구조 및 구현 방법
PLC 제어 터빈 베인 시스템에서는 디지털 시너지 방식을 사용하여 가이드 베인, 수두 및 베인 개방 사이의 시너지 관계를 구현합니다. 기존의 기계식 시너지 방식과 비교하여 디지털 시너지 방식은 파라미터 조정이 용이하고, 디버깅 및 유지보수가 간편하며, 연동 정밀도가 높다는 장점이 있습니다. 베인 제어 시스템의 소프트웨어 구조는 주로 시스템 조정 기능 프로그램, 제어 알고리즘 프로그램 및 진단 프로그램으로 구성됩니다. 아래에서는 위 세 부분의 구현 방법을 각각 설명합니다. 조정 기능 프로그램은 주로 시너지 서브루틴, 베인 시동 서브루틴, 베인 정지 서브루틴 및 베인 부하 차단 서브루틴을 포함합니다. 시스템 작동 시, 먼저 현재 작동 조건을 식별하고 판단한 후 소프트웨어 스위치를 시작하여 해당 조정 기능 서브루틴을 실행하고 베인 팔로워의 위치 입력값을 계산합니다.
(1) 연관 서브루틴
터빈 장치의 모형 시험을 통해 접합면의 측정점들을 얻을 수 있다. 기존의 기계식 접합 캠은 이러한 측정점들을 기반으로 제작되며, 디지털 접합 방식 또한 이러한 측정점들을 이용하여 접합 곡선을 그린다. 이 연결 곡선 상의 알려진 점들을 노드로 선택하고, 이진 함수의 구간별 선형 보간법을 적용하여, 연결 곡선 상의 노드가 아닌 점들의 함수값을 구할 수 있다.
(2) 베인 시동 서브루틴
시동 법칙 연구의 목적은 발전기의 시동 시간을 단축하고, 스러스트 베어링의 부하를 줄이며, 발전기의 계통 연계 조건을 조성하는 데 있다.
(3) 베인 정지 서브루틴
베인의 닫힘 규칙은 다음과 같습니다. 제어기가 정지 명령을 수신하면 베인과 가이드 베인은 장치의 안정성을 확보하기 위해 협력 관계에 따라 동시에 닫힙니다. 가이드 베인의 개방 각도가 무부하 개방 각도보다 작으면 베인이 지연되어 천천히 닫히고, 베인과 가이드 베인 간의 협력 관계가 더 이상 유지되지 않습니다. 장치 속도가 정격 속도의 80% 미만으로 떨어지면 베인은 시작 각도 Φ0까지 다시 열려 다음 시동을 준비합니다.
(4) 블레이드 부하 거부 서브루틴
부하 차단이란 부하가 걸린 발전기가 전력망에서 갑자기 분리되어 발전기와 용수 공급 시스템이 불안정한 작동 상태에 빠지는 것을 의미하며, 이는 발전소와 발전기의 안전에 직접적인 영향을 미칩니다. 부하 차단 시 조속기는 보호 장치와 같은 역할을 하며, 발전기 속도가 정격 속도 부근으로 안정될 때까지 가이드 베인과 베인을 즉시 닫습니다. 따라서 실제 부하 차단 시에는 일반적으로 베인을 특정 각도로 엽니다. 이 각도는 실제 발전소의 부하 차단 시험을 통해 결정되며, 발전기가 부하를 차단할 때 속도 증가를 최소화하고 발전기의 안정성을 유지하는 데 도움이 됩니다.
4. 결론
본 논문은 우리나라 수력 터빈 조절기 산업의 현재 기술 수준을 고려하여 국내외 수력 터빈 속도 제어 분야의 최신 정보를 참고하고, 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC) 기술을 수력 터빈 발전기 세트의 속도 제어에 적용하였다. PLC는 축류식 패들형 수력 터빈 이중 조절 시스템의 핵심 부품이다. 실제 적용 결과, 본 방안은 다양한 수두 조건에서 가이드 베인과 베인 간의 연동 정밀도를 크게 향상시키고 수력 에너지 이용률을 높이는 것으로 나타났다.
게시 시간: 2022년 2월 11일
