게시판 > 질답게시판 > 지역난방 Steam / Water 제어 질문드립니다.

龍鳳 yongbong

17-02-06 09:31

수고하십니다.

결국 Outlet의 온도 조절이 목적이라면 Flow나 Inlet 온도를 재서 Control 하는 것은 다소 Feed Forward 제어 성격을 띄게 됩니다.
FEED Forward는 반응은 빠르나, 시스템의 성격에 따라 다르고 구현하기가 까다로와서 그다지 많이 사용되지는 않습니다. 뭐 불가능한 것은 아닙니다만....보통은 Feed back control을 보완하는 수준에서 많이 사용합니다.

거꾸로 질문 드리고 싶은 것이, 그냥 outlet 온도를 재서 steam flow를 control하는 것은 왜 배제하시나요?

momoku momok

17-02-07 10:48

의견 감사드립니다.
Outlet 온도로 재서 Steam Flow를 제어하게 되면 사실상 제어 변수가 Water Outlet Temp로 상대적으로 단순해지네요.

스테파노 Stefano

17-02-06 12:16

A1) ST Load 안정성 문제

열교환기에 들어가는 Steam 유량의 조절을 위해 Feed Flow와 온도를 측정하여 구현하려면 유량과 온도로부터 필요열량을 계산하고 이 열량 수요에 맞추기 위한 공급 Steam 유량을 조절하는 방법의 Control System 구현이 가능합니다. 이 방법으로 하면 2변수가 아니고 하나의 변수(필요 열량)로 바뀝니다.

Q(θ)= (In-flow,F(θ))*(순환수비열)*(목표온도-급수온도 T(θ))...(1) <=유량 F(θ)과 온도T(θ)를 θ만의 함수인 열량 Q(θ)로 측정

이럴 때 온수 출구의 온도조절도 어느정도 안정성을 가지겠지만 더욱 염려되는 문제는 출 Steam량 유량을 조절함으로써 ST의 Load 밸런스가 달라짐에 따른 영향입니다.

따라서 ST System의 안정성을 우선적으로 유지하기 위하여 추출스팀의 유량과 압력을 안정화 시키는 것을 우선적으로 하고 해당 열교환기의 Steam유량을 조절하는 방법이 구현되어야 할 것입니다. 일반적으로 유량의 감지는 온도의 변화감지보다 속도가 빠르기 때문에 System Response의 영향은 온도감지 속도에 좌우됩니다. 따라서 Feed Forward 방법으로 하더라도 온수츨구의 온도의 흔들림은 공급온도의 측정지연에 따라 같이 흔들리게 됩니다.

현재 시스템에서의 관심을 끌고 있는 구체적인 문제점이 무엇인지 긍금합니다.

A2) Inlet Temp. 고정시 Flow(θ) 측정만 해도 공급 Steam 제어 가능
앞서 설명한 바와 같이 System 구현은 문제없습니다. 온도변화가 거의 없다면 Feed 유량변화 속도에 따른 응답속도와 돌일하게 제어출력도 빠르게 동작합니다. 그러나 실제로 공급된 Steam이 그대로 전열될 수 있는지 점검해 보아야 합니다.

만일 부하가 늘었을때 전 열면적이 부족한 경우 공급 Steam 유량이 그대로 소모되지 않고 남아 있게되면 Steam의 압력이 높아지고 이에 따라 제어밸브 출력에 해당하는 유량값이 실제로 흘러가지 못하게 되어 온수의 온도가 유지되지 못할 수 있습니다.

가열 부하가 줄어들면 Steam 공급유량이 줄고 Steam 압력이 떨어져 제어기 출력값에 비해 Steam Control Valve(FCV)를 통해 과다 Steam 유량이 공급되어 온수온도가 과열된 상태로 운전될 수 있습니다. Feed Flow를 감지하여 Steam Flow를 직접 조절하는 Valve를 두었을 경우 나타나는 현상인데이 현상은 Control Valve의 차압이 달라짐에 따라 나타납니다.

A3) 온수의 정교한 온도조절을 위해서라면
온수의 온도를 감지하여 조절하는 온도조절기(TIC)를 Master로두고 그 밑에 Steam 유량조절기( FIC)를 두는 Cascade 방식을 두는 것입니다. 그리하면 온도감지속도보다 상대적으로 빠른 유량조절기를 Slave Controller를 거느리기 때문에 조절이 원할해집니다.

계절에 따라 순환수온도가 달라져도 조절이 쉬워집니다. 그렇지만 앞서 A1)에서 지적한 ST의 Load Control 문제는 별도로 검토해 봐야합니다. ST의 추출 유량계가 이미 달려있을 경우 Load Control을 위해 Down Stream에 Pressure Controller가 필요할 것이고 온수의 온도조절을 위해서라면 (Steam 또는 온수)Bypass Coltrol도 고려해봄직합니다. 어쨌든 System 전체의 안정성이 담보되어야 할 것입니다.

A1) ST Load 안정성 문제

열교환기에 들어가는 Steam 유량의 조절을 위해 Feed Flow와 온도를 측정하여 구현하려면 유량과 온도로부터 필요열량을 계산하고 이 열량 수요에 맞추기 위한 공급 Steam 유량을 조절하는 방법의 Control System 구현이 가능합니다.  이 방법으로 하면 2변수가 아니고 하나의 변수(필요 열량)로 바뀝니다.

Q(θ)= (In-flow,F(θ))*(순환수비열)*(목표온도-급수온도 T(θ))...(1) <=유량 F(θ)과 온도T(θ)를 θ만의 함수인 열량 Q(θ)로 측정

이럴 때 온수 출구의 온도조절도 어느정도 안정성을 가지겠지만 더욱 염려되는 문제는 출 Steam량 유량을 조절함으로써 ST의 Load 밸런스가 달라짐에 따른 영향입니다.

따라서 ST System의 안정성을 우선적으로 유지하기 위하여 추출스팀의 유량과 압력을 안정화 시키는 것을 우선적으로 하고 해당 열교환기의 Steam유량을 조절하는 방법이 구현되어야 할 것입니다.  일반적으로 유량의 감지는 온도의 변화감지보다 속도가 빠르기 때문에 System Response의 영향은 온도감지 속도에 좌우됩니다. 따라서 Feed Forward 방법으로 하더라도 온수츨구의 온도의 흔들림은 공급온도의 측정지연에 따라 같이 흔들리게 됩니다.

현재 시스템에서의 관심을 끌고 있는 구체적인 문제점이 무엇인지 긍금합니다. 
 
A2) Inlet Temp. 고정시 Flow(θ) 측정만 해도 공급 Steam 제어 가능
앞서 설명한 바와 같이 System 구현은 문제없습니다. 온도변화가 거의 없다면 Feed 유량변화 속도에 따른 응답속도와 돌일하게 제어출력도 빠르게 동작합니다.  그러나 실제로 공급된 Steam이 그대로 전열될 수 있는지 점검해 보아야 합니다.

만일 부하가 늘었을때 전 열면적이 부족한 경우 공급 Steam 유량이 그대로 소모되지 않고 남아 있게되면 Steam의 압력이 높아지고 이에 따라 제어밸브 출력에 해당하는 유량값이 실제로 흘러가지 못하게 되어 온수의 온도가 유지되지 못할 수 있습니다.

가열 부하가 줄어들면 Steam 공급유량이 줄고 Steam 압력이 떨어져 제어기 출력값에 비해 Steam Control Valve(FCV)를 통해 과다 Steam 유량이 공급되어 온수온도가 과열된 상태로 운전될 수 있습니다.    Feed Flow를 감지하여 Steam Flow를 직접 조절하는 Valve를 두었을 경우 나타나는 현상인데이 현상은 Control Valve의 차압이 달라짐에 따라 나타납니다.

A3) 온수의 정교한 온도조절을 위해서라면 
온수의 온도를 감지하여 조절하는 온도조절기(TIC)를 Master로두고 그 밑에 Steam 유량조절기( FIC)를 두는 Cascade 방식을 두는 것입니다.  그리하면 온도감지속도보다 상대적으로 빠른 유량조절기를 Slave Controller를 거느리기 때문에 조절이 원할해집니다.

계절에 따라 순환수온도가 달라져도 조절이 쉬워집니다.  그렇지만 앞서 A1)에서 지적한 ST의 Load Control 문제는 별도로 검토해 봐야합니다.   ST의 추출 유량계가 이미 달려있을 경우 Load Control을 위해 Down Stream에 Pressure Controller가 필요할 것이고 온수의 온도조절을 위해서라면 (Steam 또는 온수)Bypass Coltrol도 고려해봄직합니다.  어쨌든 System 전체의 안정성이 담보되어야 할 것입니다.

momoku momok

17-02-07 10:00

답변 감사드립니다.

현재 시스템에서 문제가 되는 부분은 총 2가지 입니다.
1) Water Oulet Temp 110'C를 맞추기위한 Steam의 제어 방법
2) Heater로 공급하는 Water Pump 의 제어방법

ST에서 추출되는 Steam의 경우, ST Load 50%~100% 에 따라 Steam Temp 및 Press가 달라집니다.
제가 이해한게 맞는지 조언부탁드립니다.

1. Heater로 들어가기 전단 Line에 PCV를 통해 공급 Steam압력을 일정하게 유지시켜야 하나요?
(ST Load에 관계없이 동일하게) Load에 따라 온도도 일정부분 변하는데 온도를 일정하게 유지시키는건 필요없는지

2. Steam이 Heater에서 그대로 전열된다고 가정할때, A3)과 같이 TIC 및 FIC를 통해 Steam Control이 가능한가요?
이렇게 Control하게 되면 Water의 Flow와 관계없이 Water Outlet의 Temp로만 Steam량이 Control 가능할것으로 생각되서요. 단지 Temp로만 Steam량을 제어하는 게 신뢰성이 있는지 의문이 드네요..이런 방법으로 제어하는 플랜트가 있는지 궁금합니다.

3. Heater로 Water를 공급하는 Pump의 경우 현재 4x33%으로 구성되어 있습니다. Pump 전단에서 들어오는 Flow를 Control해서 Pump Operation 대수를 결정하는게 가능한가요?

스테파노 Stefano

17-02-07 12:05

(1) 문제가 되는 제어대상은 Water출구온도, Heater 공급 Water 유량이라고 적시하고 있지만 현장에서 겪고 있는 어려움에 대해서는 구체적으로 설명되어 있지 않습니다. 문제가 구체적으로 무엇입니까?

(2)
A1) Heater에 공급되는 Steam의 압력이 크게 흔들리는 경우 Heater 온도조절은 어려워집니다. 아마도 취출 Steam Header에 압력조절기능이 없나보죠? 만일 없다면 압력조절이 우선입니다. Heater를 위한 PCV를 둔다고 하면 Heater에는 도움이 되겠지만 Upstream 의 ST 취출 Steam 유량조절에 문제가 발생합니다.

A2) Steam 압력이 일정하다고 하고 부하도 일정하게 유지되는 경우라면 단순히 TIC를 두고 Steam Control Valve (TCV)로 Steam을 조절하면 되겠지만 공급 Steam의 압력이 흔들리고 Water 부하가 흔들린다면 그에 따라 Water 온도조절은 어려워 집니다. TIC+ TCV로 연결하는 방식이 가장 간단한 Hardware 구성이지만 Steam압력, 부하 등이 대체로 크게 흔들리지 않는 경우에 적용할 수 있다는 뜻이지요.

앞선 답글의 A3)에 설명한 방법으로 하는 경우 약간의 Steam의 압력변화와 Water 부하에 대체로 잘 적응할 수 있습니다. 이방법도 답글에서와 같이 Steam의 압력이 크게흔들리는 경우에는 공급 Steam의 유량이 크게 달라져서 원할한 온도 조절이 어려울 것입니다. 그래도 앞선 TIC+TCV보다 훨씬 제어가 잘되는 TIC+FIC+FCV 형식의 Cascade 조절방식입니다. Steam의 압력변화가 상대적으로 아주 크지만 않으면 적응성이 뛰어나고 실제 현장에서도 많이 사용하고 있는 방법입니다.

여기서 반복하건데... <유량조절에 의해 ST취출 Steam의 양이 조절>되지만 <취출된 Steam의 압력조절>기능이 없다면 먼저 <취출 Steam Header의 압력조절>이 우선적으로 도입되어야 System 안정을 꾀할 수 있습니다.

단순히 취출 Steam 후단에 Heater만을 위한 감압밸브(Valve 후단 압력조절을 위한 PRV, Pressure Let-down Valve)를 두고 다시 TCV를 Series로 연결하는 방법은 ST 취출 Steam 유량조절이 불가능하기 때문에 PRV 전단에 별도의 Steam 압력조절밸브를 설치해 두어야 한다는 뜻이지요.

A3) 여러대의 Pump를 Load에 따라 운전하도록 하는 것은 가능합니다. 전체 유량계를 두고 여러 설정유량에 따라 펌프를 순차적으로 자동 기동하도록 하면 되는데 유량설정은 간단하지만 설정유량에 따라 가동해야 하는 펌프의 순서를 지정해 두는 과정이 좀 복잡합니다.

복수의 펌프 운전 순서도 미리 정해 두어야 하고, 순차적 보수정비를 위해 순서를 정해두는 일이 필요한데 예전에는 릴레이로 구성하기 때문에 복잡하고 비용도 많이 들었지만 지금은 제어시스템과 전력제어 계통을 연결하는 방법으로 쉽게 구현하는 것 같습니다.

제어계통 전문가가 추가 도움을 줬으면 좋겠습니다.

(1) 문제가 되는 제어대상은 Water출구온도, Heater 공급 Water 유량이라고 적시하고 있지만 현장에서 겪고 있는 어려움에 대해서는 구체적으로 설명되어 있지 않습니다.   문제가 구체적으로 무엇입니까?

(2)
A1) Heater에 공급되는 Steam의 압력이 크게 흔들리는 경우 Heater 온도조절은 어려워집니다.   아마도 취출 Steam Header에 압력조절기능이 없나보죠?  만일 없다면 압력조절이 우선입니다.  Heater를 위한 PCV를 둔다고 하면 Heater에는 도움이 되겠지만 Upstream 의 ST 취출 Steam 유량조절에 문제가 발생합니다.

A2) Steam 압력이 일정하다고 하고 부하도 일정하게 유지되는 경우라면 단순히 TIC를 두고 Steam Control Valve (TCV)로 Steam을 조절하면 되겠지만 공급 Steam의 압력이 흔들리고 Water 부하가 흔들린다면 그에 따라 Water 온도조절은 어려워 집니다.  TIC+ TCV로 연결하는 방식이 가장 간단한 Hardware 구성이지만 Steam압력, 부하 등이 대체로 크게 흔들리지 않는 경우에 적용할 수 있다는 뜻이지요.

앞선 답글의 A3)에 설명한 방법으로 하는 경우 약간의 Steam의 압력변화와 Water 부하에 대체로 잘 적응할 수 있습니다.  이방법도 답글에서와 같이 Steam의 압력이 크게흔들리는 경우에는 공급 Steam의 유량이 크게 달라져서 원할한 온도 조절이 어려울 것입니다.  그래도 앞선 TIC+TCV보다 훨씬 제어가 잘되는 TIC+FIC+FCV 형식의 Cascade 조절방식입니다. Steam의 압력변화가 상대적으로 아주 크지만 않으면 적응성이 뛰어나고 실제 현장에서도 많이 사용하고 있는 방법입니다.

여기서 반복하건데... <유량조절에 의해 ST취출 Steam의 양이 조절>되지만 <취출된 Steam의 압력조절>기능이 없다면 먼저 <취출 Steam  Header의 압력조절>이 우선적으로 도입되어야 System 안정을 꾀할 수 있습니다.

단순히 취출 Steam 후단에 Heater만을 위한 감압밸브(Valve 후단 압력조절을 위한 PRV, Pressure Let-down Valve)를 두고 다시 TCV를 Series로 연결하는 방법은 ST 취출 Steam 유량조절이 불가능하기 때문에 PRV 전단에 별도의 Steam 압력조절밸브를 설치해 두어야 한다는 뜻이지요.

A3) 여러대의 Pump를 Load에 따라 운전하도록 하는 것은 가능합니다.  전체 유량계를 두고 여러 설정유량에 따라 펌프를 순차적으로 자동 기동하도록 하면 되는데 유량설정은 간단하지만 설정유량에 따라 가동해야 하는 펌프의 순서를 지정해 두는 과정이 좀 복잡합니다.

복수의 펌프 운전 순서도 미리 정해 두어야 하고,  순차적 보수정비를 위해 순서를 정해두는 일이 필요한데 예전에는 릴레이로 구성하기 때문에 복잡하고 비용도 많이 들었지만 지금은 제어시스템과 전력제어 계통을 연결하는 방법으로 쉽게 구현하는 것 같습니다.

제어계통 전문가가 추가 도움을 줬으면 좋겠습니다.

龍鳳 yongbong

17-02-07 14:30

제 생각을 말씀 드리면

1. 우선 steam supply line에 control valve를 둘 수 있는지의 여부는 steam turbine과 엮여 있어서 주어진 정보로는
판단할 수 없습니다.

2. 만약 steam supply line (to heater)에 control valve를 둘 수 있다고 가정 한다면,
위에서 스테파노님께서 설명하신 Heater water outlet 온도를 재서 TC-FC cascade control이 가장 simple하고 일반적이겠습니다.
(아시겠지만, control 이라는 것이 어떤 식으로든 가능하지만, simple할수록 좋다고 볼 수 있습니다.)

또한 TC-FC control을 한다면, upsteam에 PCV를 별도로 두어야 할지 여부는 결국 steam pressure가 얼마나 흔들리지를 가지고 판단해야 하겠습니다. 만약 steam pressure가 일정하다면 PCV는 불필요 하겠지요.

3. Water 쪽 control은 Utility Pump와 비슷한 성격으로서, 기본적으로 FC control valve가 달려있는 minimum bypass가 있어야 할 것 같네요. 또한 Water Header (at pump discharge) Pressure가 떨어지면 stand-by pump를 auto-start 시키는 logic을 추가하는 정도 이겠습니다. pressure가 떨어지면 auto-stop 시키는 logic도 추가할 수도 있으나, 통상은 auto-start만 달고 stop은 operator 판단하에 manual로 하는 것이 보통입니다. operator의 주의를 환기시킬 수 있는 alarm 정도는 하나 있으면 좋을 듯 하네요.

momoku momok

17-02-07 20:21

답변 감사드립니다.

말씀하신 Pump Control 검토 중에 있습니다.
Scope이 꼬여있어서 Hot Water 소요처는 Owner Scope입니다. 그래서 회수되는 Water량을 알지 못합니다.
즉, Pump inlet flow가 일정치 않다는 말이고 이는 Pump Performance에 따라 Dischrage pressure가 크게 변동할 것 같습니다. 어찌됫든간에 Owner로부터 회수 Flow를 받아야 펌프 제어가 가능할 것 같습니다.

스테파노 Stefano

17-02-07 15:19

(1) ST 취출 Steam Header의 압력조절은 Water Heater에 공급하는 Steam의 조절과는 관련되지 않는 독립적인 별개의 (Header 압력조절용) Pressure Controller로 해결해야 한다는 것을 언급한 것이고 Heater 공급용 PRV(감압발브)에 의한 (밸브 후단) 압력조절을 의미하는 것은 아닙니다. 따라서 Header에서 PCV를 통하여 배출되는 Steam은 별도로 처리해야 함을 뜻하지요.

(2) 용봉님의 이전 "답글 3"에서의 Pressure Switch에 의한 Pump Control도 권장되는 방법입니다. Pump마다 Pressure Swith (PSH/PSL)를 달아두고 운전우선순위를 정할 때 가동펌프의 우선순위를 정할 때 설정된 PS값들로 조절해 두는 방법인데 설정이 직관적이어서 운전자에게 편리한 방법이기도 합니다. 냉난방 냉온수 조절에 흔히 사용되는 방법이기도 합니다.

(3) 지역난방 시스템의 경우 대개 펌프 용량이 아주 크기 때문에 대형펌프를 On-Off 하는 것 보다 Inverter를 사용한 Speed Control 방법이 안전할 것입니다. Pump의 Discharge 압력을 유지하는 최소 회전수를 넘는 RPM 운전 범위에서 Inverter를 사용한 Pump 회전수 조절은 전력계통이나 모터등에 충격을 최소화 하면서 유량(압력포함)을 조절하기 위해 적용하는 것을 권합니다.

(펌프의 일부는 고정RPM, 일부는 변동RPM으로 운전할 수 있는 Pump를 두는 방식으로도 할 수 있는데 이 방법은 필자가 해외공장 냉각수 시스템에 추천하여 적용했던 방법이기도 합니다. 이 주제에 대해서는 대형펌프 Vendor의 도움을 받는 것이 좋습니다. )

momoku momok

17-02-07 19:40

현재 Process 설계(PnID)중에 있으며, 위와 같이 복합발전+지역난방 시스템은 특이한 Case이므로 질문드리고 있습니다.
자세한 설명 감사드립니다.

1) Steam의 경우 Load에 따라 6~10bar / 230~250'C로 변동되며 Steam Header에 공급됩니다.
(별도의 Flow control, pressure control 등은 없음.)
온도가 상당히 높기때문에 6bar 에서와 10bar에서의 열량 차이가 크지 않습니다. (1kg/s기준)
이런 경우 에서도 굳이 Heater로 공급되는 Steam Pressure을 일정하게 맞추기 위한 PRV or PCV가 필요한지요?
장비 안전상에 이유나 Heater 내부의 steam vent 등?을 위한 것인지.. (*Heater의 경우, Severe한 Case로 기 설계)

2) 현재 정격유량 Pump로 Operation 계획에 있습니다. Pressure switch 방안 검토하도록 하겠습니다.

여러 열병합PJT를 참고하고 있으나, 사실 상 구조가 달라서 질문이 많습니다.
백지상태에서 그리다보니 여러모로 많이 힘드네요.. 많은 조언 감사드립니다.

스테파노 Stefano

17-02-09 14:07

(1) Steam Turbine용으로 생산되는 Steam은 고압의 과열스팀으로 가열용으로는 사용될 수가 없고 대신 중저압으로 취출되는 Extraction Steam은 과열스팀이 아닌 Desuperheating해서 포화스팀이 되어야 가열용 스팀으로 사용할 수 있습니다. (과열스팀은 잠열을 이용하지 않기 때문에 큰 압력 혹은 온도차에도 엔탈피 차는 크지 않지요.) 이 때 Extraction Steam 취출 밸브가 바로 Steam 유량을 조절하고 이 유량을 조절함으로써 터빈 출력이 조절됩니다.

취출 Steam Header의 압력은 동 Steam을 사용하는 장치의 안정운전을 위하여 조절해 주어야 합니다. PCV는 Upstream Pressure를 조절하는 것이고 PRV는 Downstream Header Pressure나 사용처의 압력조절을 위해 사용합니다. Steam 용처가 없으면 별도로 Load 조절용 Steam Condenser를 두과 과량의 스팀을 냉각수로 응축하도록 하는 경우가 많습니다. 에너지 효율은 떨어지는 것이지만 Load 조절을 위해 어쩔 수 없는 선택일 수 있습니다.

(2) 열병합 발전시설에서의 계절적 시간적 부하변동에 추종하여 제어하는 방법의 주제로 Client와 설계자간의 논의를 거치고 기존 Project에서의 문제로 대두했었던 주제를 중점적으로 토의하여 결정하는 것이 권장됩니다.