거대 시스템 제어, 환경을 지키는 다마가와(多摩川) 청소공장

김대근 기자
입력 2014.10.01 00:00

거대 시스템 제어

환경을 지키는 다마가와(多摩川) 청소공장

시스템이 대규모화되고 복잡해지고 있다. 거대 시스템은 우리의 생활과 밀접한 관련을 맺고 있으며, 시스템의 운영에는 다양한 기기와 제어기술들이 적용되어 작업 효율화 및 생산성 향상이 실현되고 있다. 본고에서는 이 거대 시스템의 제어와 관련, 일본 다마가와(多摩川) 청소공장의 △소각로 제어 시스템 △증기터빈 발전 제어 시스템 △전력매매와 여열 이용 시스템에 대해 소개한다.

번역·정리 김대근 기자

우리들의 생활은 거대 시스템에 의지하고 있다. 거대시스템에는 발전설비 및 화학 플랜트, 교통 시스템 등 우리의 일상생활과 직접적인 관계를 맺고 있는 것에서부터 간접적인 혜택을 받고 있는 것에 이르기까지 다양한 종류가 있다. 이 거대 시스템들을 운용하기 위해서는 여러 다양한 센서 기기들을 이용하여 방대한 정보를 실시간으로 측정하고, 복잡한 제어조건을 만족시키기 위한 기기 제어를 실시해야 한다. 이전에는 인력으로 이루어졌던 작업도 컴퓨터를 이용하는 시스템화와 더불어 대폭적인 효율화가 실현되고 있다. 예를 들면, 가연성 쓰레기를 소각처리하는 소각로에서 기존에는 공기를 내보내며 쓰레기의 질을 균일화시키기 위해 사람의 손으로 직접 쓰레기를 뒤섞어 재를 긁어내는 작업이 이루어졌지만, 연속 연소식의 소각 시스템이 도입되고 나서부터는 컴퓨터를 통한 관리가 가능하게 되었다. 이와 같이 시스템화를 통해 효율면이나 안전면 등에서 다양한 이점들이 생겨나게 된다. 반면, 시스템은 점점 대규모화되고 복잡해지고 있다. 평소 그 상황을 잘 살펴볼 수 없었던 거대 시스템에서는 실제로 어떠한 정보들이 측정되며, 또 어떻게 제어가 이루어지는지, 거대시스템의 일례로서 도쿄도(東京都) 오타구(大田區)에 있는 다마가와(多摩川) 청소공장을 소개하기로 한다.

소각로의 제어 시스템

다마가와(多摩川) 청소공장의 쓰레기 투입부터 쓰레기 소각까지의 흐름을 [그림 1]에 나타냈다. 트럭에 실려 온 쓰레기는 쓰레기 벙커에 반입되어 일시적으로 모아둔다. 그 후, 쓰레기는 크레인에 의해 적체 및 교반 처리가 이루어져 소각로의 입구인 쓰레기 호퍼에 투입되고 공급장치에 의해 스토커로에 밀어 넣는다. 여기에서 쓰레기는 완전연소되는데, 남은 재는 용융로로 보내져 용적을 절감해 무해화 처리된다. 또 배출된 가스는 그 열에너지를 회수하여 보일러 급수의 예열에 이용한 후, 배기가스 처리 설비로 보내져 적절하게 처리된다. 이 청소공장에는 2기의 소각로가 존재하는데 24시간 체제로 운전 및 감시가 이루어지며, 쓰레기의 소각량(2기 합계)은 하루에 300t에 달한다. 이 소각로에서 최초로 제어기술이 사용된 것은 쓰레기 벙커에 반입된 쓰레기를 크레인 이용으로 균일화시켜 쓰레기 호퍼에 투입하는 조작이다. [그림 2]에 그 모습을 나타냈다. 크레인은 2기가 설치되어 있으며, 각각 작업 구역이 나뉘어져 있다. 또 크레인이 한번에 잡아 올리는 쓰레기양은 약 1.6t에 이른다. 측정되는 하나의 정보에 쓰레기가 쌓여져 있는 높이를 알 수 있다. 쓰레기의 높이는 감아 내린 크레인 와이어의 높이를 사용하여 측정하고 있다. 여기에서 측정된 쓰레기의 높이 정보는 구역별로 세세하게 구분된 맵에 수치로 기억되고, 이후의 적체 및 교반 조작 시 다시 이용된다. 크레인의 조작에는 △투입 △쓰레기 벙커 게이트 아래의 쓰레기를 이동시키는 적체 △벙커 내의 쓰레기를 균일화하는 교반의 3가지가 있다. 반입되는 쓰레기는 수분을 포함하고 있는 것과 건조되어 있는 것 등이 쓰레기 벙커 내에 한쪽으로 치우쳐 있어 소각하기 어려운 상태이다. 교반의 조작은 이 쓰레기들을 잘 섞어 그 성질을 균일화하는 역할을 한다. 크레인은 시간에 따라 적체 및 교반의 일정이 편성된다. 교반의 제어방식으로는 크레인으로 측정한 쓰레기 높이 정보를 토대로 쓰레기의 높은 부분부터 우선적으로 이동시키는「산고순(山高順)」방식과구역순으로 이동시키는「순차」방식이 있다. 크레인에 의해 호퍼에 투입된 쓰레기는 공급장치에 의해 정량적으로 스토커로에 밀어 넣는다. 공급장치는 호퍼와 스토커로의 중간에 위치해 있으며, 쓰레기를 눌러 원래 위치로 되돌리는 동작을 주기적으로 반복한다. 이 쓰레기를 밀어내는 주기는 투입량과 연소상태로 제어되고 있다. [그림 3]과 같이 호퍼에는 현재의 쓰레기 저장량을 나타내는 초음파식 레벨 센서가 설치되어 있으며, 이 레벨의 높이에 따라 크레인에 의한 호퍼의 투입동작을 제어하고 있다. 다음으로 소각로에서 쓰레기 연소 시 중요한 스토커로의 발열량 제어에 대해 알아본다. 스토커로란 대상물의 교반 및 반출을 실시하면서 연속적이고도 안정적으로 연소시킬 수 있는 소각로이며, 이 청소공장에서는 소각로 자체를 천천히 회전시키면서 쓰레기를 배출하는 회전 스토커로를 채용하고 있다. 스토커로의 회전속도는 발열량을 일정하게 유지하기 위해 최적의 속도에서 제어되지 않으면 안 된다. 최적 회전속도의 산출에는 노내온도, 증기유량, 스토커로 내 쓰레기층 두께 등의 정보가 필요하다. 이 각각의 정보에는 목표치가 설정되어 있으며, 이 목표치에 추종하도록 감시·제어가 실시간으로 이루어지고 있다. 발열량이란 어떤 연료가 완전연소할 때에 발생하는 열량을 말한다. 쓰레기의 발열량은 과열기 출구의 증기유량과 쓰레기의 투입량을 이용하여 연산된다. 증기유량 센서를 [그림 4]에 나타냈다. 청소공장에서 소각처리를 안정적으로 실시하는 데 있어 이 쓰레기 발열량을 일정하게 유지하는 것이 매우 중요하다. 쓰레기는 다른 연료와는 달리, 함유물에 따라 그 질이 다양하기 때문에 발열량이 너무 낮으면 충분한 연소가 이루어지지 못하는 반면, 너무 높으면 금속 및 재가 녹아내려 소각로에 부감을 주는 원인이 된다. 더욱이 염소를 포함한 쓰레기의 연소가 충분하게 이뤄지지 않을 경우 다이옥신 발생의 원인이 된다. 또 발열량은 쓰레기의 연소상태를 확인하거나 쓰레기의 질을 파악하는 데에도 이용된다. 전술의 교반을 통한 쓰레기질의 균일화 및 쓰레기 공급장치의 투입량 제어도 이 발열량을 일정하게 유지하기 위해 실시되고 있다.

증기터빈 발전의 제어 시스템

다마가와(多摩川) 청소공장에서는 쓰레기의 소각뿐만 아니라, 소각에서 얻어지는 증기를 이용하여 발전 및 매전, 그리고 여열을 이용하고 있다. 여기에서는 증기터빈 발전의 제어 시스템에 대해 소개하고자 한다. 스토커로 및 2차 연소실에서 사용하는 데 필요한 연소용 공기는 증기에 의해 미리 데워져 연소로(燃燒爐) 내에 보내진다. 오타구에서는 2008년 4월부터 본격 실시된 폐플라스틱의 서멀 리사이클의 영향을 받아 쓰레기 발열량이 상승하고 있기 때문에 온도를 올리기 위해 공기예열기에 증기를 이용하는 일은 현재 거의 실시되고 있지 않다. 이것은 쓰레기의 발열량이 음식물 쓰레기가 많으면 낮아지고, 플라스틱류가 많으면 높아지기 때문이다. 2차 연소실의 온도는 다이옥신류의 발생을 막기 위해 850℃ 이상으로 유지되고 있다. 그 열은 보일러로 회수하여 증기드럼 내의 물을 증발시키고 있다. 발생한 증기는 터빈으로 보내지고, 터빈을 회전시켜서 발전을 한다. [그림 5]에 증기드럼을 나타냈다. 증기드럼의 물 증발량은 모니터링 화면에서 상시 감시되어 설정치보다 실제 증발량이 낮으면 증발량을 늘리도록 제어되고 있다. 증발량은 과열기의 출구 증기유량을 계측되는 증기압력과 증기온도로 보정하여 산출된다. [그림 6]에 증기터빈 발전기를 [그림 7]에 터빈 계통 흐름도를 나타냈다. 터빈을 고속회전시키기 위해서는 고압력으로 증기를 분출시켜야하기 때문에 증기드럼에서 발생한 증기는 직접 터빈으로 보내지는 것이 아니라, 고압증기를 만들기 위해 모아진다. 이 때문에 터빈 내 온도는 약 280℃의 고온이 된다. 터빈의 제어모드는 △조속제어 △조압제어 △역조전력제어의 3종류가 있으며, 전력 제어모드는 △발전기 역률일정 △수전 무효전력 일정의 2종류가 있다. 또 터빈발전기의 주파수는 도쿄전력㈜ 관내의 주파수 50Hz에 맞게 설정되어 있다. 터빈은 1분에 7390번이나 회전한다. 이 회전이 매끄럽고 차질 없이 돌아가도록 하기 위해 터빈에 증기뿐만 아니라 기름도 보내고 있다. 기름은 윤활유로서의 역할 뿐만 아니라, 동시에 냉각의 역할도 수행하고 있다.

전력매매와 여열 이용 시스템

발전된 전력은 청소공장 내에서 이용되며, 잉여전력은 전기사업자에게 판매하고 있다. 2008년에는 평균적 세대의 약 9500가구에 조달하는 34635MWh의 전력을 발전했다. 2006년까지는 쓰레기 소각 1t당 0.3~0.4MWh의 발전 전력량이었으나, 서멀 리사이클을 실시한 이후 30% 이상 증가했다. 전기 사업자에 대한 매전에 관해서는 수변전실에 [그림 8]의 전력량계를 설치하여 상시 감시를 하고 있다. 통상 2 소각로 운전 시의 소내전원은 모두 발전설비에서 충당 가능하며, 매전사업도 실시하고 있다. 또 만일의 사고를 대비해 소내에 비상용 디젤발전기를 준비해두고 있다. 고압증기를 모으기 위해 비축된 증기는 터빈에 사용하는 것 외에도 청소공장의 공조에 이용되며, 오타구(大田區) 내의 인접시설에 고온수로 무상공급하거나 온수풀의 열원으로서 활용되기도 한다. 터빈에서 사용된 증기는 증기복수기에 투입돼 한번 물로 되돌린 다음 응축수 탱크에 모은다. 그리고 그 물은 이코노마이저(Economizer, 절탄기: 보일러의 급수를 예열함으로써 보일러 효율을 향상시키는 장치)를 통해 다시 증기드럼으로 보내져 증기가 된다. 이와 같이 청소공장에서 발생한 전력 및 여열은 낭비 없이 회수되어 이용되고 있다. 이러한 기술들은 △소각로의 제어 시스템 △증기터빈의 발전 및 전력매매 등의 전력기술 △여열 이용 시스템의 융합으로 이루어진다.