화력발전의 센서기술

서두 전력업계에서 전력공급의 안정화 및 비용저감을 목표로, 원자력·화력·수력·자연에너지와 밸런스를 맞춘 전원설비 구성이 추진되고 있는데, 화력발전설비의 구성비는 62%에 달해 여전히 높은 수준에 있다. 또 운용 면에서는 원자력발전의 베이스로드 운용에 대해 석탄화력이 베이스로드 운용 외에는 기본적으로 미들 및 피크로드 운용되어 높은 변화율에 따라 시시각각 변화하는 수급 밸런스의 확보에 공헌하고 있다. 이와 같이 화력발전설비는 중요한 역할을 담당하고 있어 신뢰성이 요구된다. 이를 만족하기 위해 운전상태의 파악에 필요한 온도·압력·유량·레벨의 감시에 센서기술의 고도화에 따른 시스템화가 이루어지고 있다. 본고에서는 대표적인 화력발전설비인 기력발전소의 센서기술에 대해 소개하기로 한다. 보일러 설비 화력발전소의 보일러 형식은 관류 보일러와 드럼 보일러로 크게 나뉜다. 최근, 고효율로부터 유량 보일러가 많이 채용되고 있는데, 종래의 초임계압력(538℃, 246기압)에서 다시 효율향상을 목표로 한 초초임계압 발전설비를 실용화하고 있는 상황이다. 보일러의 형식에 따른 설비 차이는 있지만 고효율을 실현해야 하는 최적제어기술에서 각종 센서가 중요한 역할을 담당하고 있다. 1. 보일러 본체의 센서 보일러에 관련된 센서에는 제어의 3요소라고 할 수 있는 온도, 유량, 레벨과 관련된 것이 중요한데, 센서의 일부가 디지털화되어 있기는 하지만 근본적으로는 변하지 않았다. 보일러의 수열상태, 튜브의 확보·감시를 목적으로 다수의 메탈 온도계가 설치되어 있다. 온도계로서는 고온이기 때문에 열전대가 많이 채용되고 있다. 드럼 보일러는 드럼 레벨이 중요한 제어요소로 레벨의 검출에는 차압식 발신기가 이용되고 있는데 최근에는 커뮤니케이터라 부르는 기구가 접속되어 파라미터의 변경, 교정을 시행할 수 있다. 파라미터는 검출된 신호에 산란을 방지하는 래그(1차 늦어짐)라는 요소를 검출기 자체에 가미할 수 있게 되었다. 2. 보일러의 유량 검출 (1) 급수유량 모든 보일러는 화로벽의 수관을 과열에서 지키기 위해 최소 연소시에도 최저의 유체유량을 확보해야만 한다. 드럼 보일러는 이 보호를 증기 드럼에서 물을 순환시켜 얻고 있다. 관류 보일러는 최저유량의 급수를 강제적으로 흐르게 하고 기동 바이패스 계통을 사용함으로써 이 보호가 이루어지고 있다. 또 유체의 압력을 포화압력 이상으로 보지하고 관내에서의 플랫싱을 방지하면서 화로의 수관에 필요최저유량을 유지해 수관의 과열을 방지하고 있다. 따라서 보일러에서의 유량계측은 중요한 역할을 지닌다. 보일러에서의 유량계측은 높은 신뢰성은 물론, 대유량을 계측하는 것이 특징으로 되어 있어 유량계측에서도 유량 그 자체를 계측하는 방식과 유속을 계측해 유량환산하는 방식이 있다. 전자의 대표는 플로우 노즐·오리피스 플레이트 유량계로 차압을 계측함으로써 유량을 산출한다. 후자의 대표는 터빈식 및 과유량계다. (2) 연료유량 보일러에서 소비하는 연료유량의 측정에는 면적식과 용량식의 유량계가 이용된다. 면적식(에리어 미터)은 정차압 면적식의 유량계로 유체의 흐름이 측정부를 밀어 올려, 폐방향의 스프링과 맞물리는 변위량을 유량으로 구하는 것이다. 면적식 유량계는 순시값의 측정이 가능하기 때문에 보일러 제어에 사용된다. 이에 대해 정확한 계량을 시행할 목적으로 용적식 유량계를 이용하고 있다. 용적식은 케이싱 내부에 2개의 회전자를 케이싱 내벽 사이에 약간의 극간을 두고 설치한다. 유체가 케이싱 내에 들어가면 회전자는 유체에 밀려 회전자는 외측으로 회전하고 케이싱 내벽과의 사이에 계량실이 교차적으로 형성되어 유체는 하류측으로 배출된다. 이 회전자의 회전으로 펄스를 발생하고 1회전당 규정유량에서 유량을 구하는 것이다. 별도로 온도환산을 시행함으로써 정확한 유량을 측정할 수 있기 때문에 효율계산과 같은 관리용으로 사용된다. 3. 배가스 O₂계 보일러 효율향상에서는 저O₂운전을 목적으로 한 최적 연소를 제어하는 데 있어 배가스O₂의 측정정도 향상이 반드시 필요하다. 최근에는 측정범위가 넓고 응답속도가 우수한 지르코니아식 배가스 O₂가 많이 이용되고 있다. 특히 대향 버너를 채용하는 보일러는 각 버너의 연소 산란에 기인하는 배가스 O₂값의 분포가 최적제어를 시행하는 데 있어 장해가 되는 사례가 있다. 버너의 관리는 연소시간, 기동회수로 재차 관리할 수 있지만 절탄기 출구에 설치되는 배가스O₂계를 다전식으로 함으로써 연소불량 버너의 조기파악이 가능해지는 경우도 있다. 어느 쪽이라고 해도 저O₂운전에 따른 효과는 단순하게 보일러 효율향상만이 아니라 NOx, CO₂라는 환경에 대한 연구도 필수과제다. 4. 버너 화염 검출기 버너 화염 검출기는 자동 버너 점소화의 파악을 목적으로 운용되어 왔다. 측정방식은 자외선 검출식(UV식)에서 적외선 검출식(IR)으로 이행하고 최근에는 주로 석탄분 보일러의 증가로 비용저감을 목적으로 한 운용탄종 확대에 따른 연료의 다양화, NOx 저감을 목적으로 고감도의 적외선 검출기가 개발되고 있다. 새로운 방식은 버너 화염착화부에 존재하는 근적외선의 휘도와 변화량(주파수 성분)을 회로처리함으로써 화염을 판정하고 화로벽의 복사영향을 받지 않는 특징을 갖고 있다(<그림 1>). 이 검출기는 화염광의 주파수 성분에서 <그림 2>와 같은 판정을 시행할 수 있다. 그림에서 ①, ②의 특성은 다른 버너 화염, 또는 적열된 화로벽의 주파수 성분이 센서 시야 내에 존재한다는 것을 나타내고 있다. 그림에서 ③이 화염검출회로의 주파수 특성을 나타내고 있고, ①과 ③의 커브가 겹치는 화염의 주파수(그림에서 경사선 부분)를 검출함으로써 다버너 및 화로벽과의 식별이 보다 확실해진다. 또 버너의 연소에 두드러진 착화점 균열이 발생했을 경우, 또는 소화된 경우에는 센서 출력전압의 저하와 경사선으로 나타낸 주파수 출력성분이 저하되기 때문에 화염이 없는 것을 검출할 수 있게 된다. [그림1] 센서 특성의 개념도 [그림2] 주파수 검출회로의 개념도 터빈 및 발전기 설비 터빈 및 발전기를 안전하고 확실하게 운전하려면 압력·온도 등을 계측하는 외에 기계적 제량의 상태를 적확하게 아는 것이 매우 중대한 과제인데, 이 기계적 제량의 변화는 약 0.1mm~0.2mm 정도로 외부로부터 용이하게 측정할 수 있는 것은 아니다. 그래서 터빈 및 발전기에 필요한 감시에 관해서 신뢰할 수 있는 기계적 정보를 얻는 것, 즉 운전원이 기계의 고장개소를 인식할 수 있도록 광범위에 걸친 감시 파라미터를 계속적으로 감시·계측하기 때문에 터빈 감시계기를 설치하고 있다. 터빈 감시계기는 터빈이 운전에 들어가면 장기간 연속운전하기 때문에 다른 계기에 비해 특히 신뢰도와 내구성이 요구된다. 1. 편심계 터빈이 어느 기간 정지하면 로터는 자신의 중량에 따른 무게, 혹은 상하의 온도차로 휘게 된다. 이 휘는 양은 통상 0.1mm도 되지 않을 정도이지만 휨이 있는 상태에서 터빈 속도를 올려 정격속도로 운전하게 되면 축은 2개의 축수를 절로 해서 축단의 중심이 작은 원을 그리는 것과 같이 회전하여 결국에는 몇 톤에 이르는 불평형력(로터의 밸런스가 맞춰지지 않은 상태)을 발생해서 터빈을 손상시킨다. 따라서 터빈을 기동할 때에는 축의 휨(편심량)이 규정치 이내에 이를 때까지 저속운전을 시행한 뒤에, 속도를 상승시킨다. 2. 신차계 터빈에 증기가 흐르면 그 온도로 로터와 케이싱이 모두 열팽창한다. 이 양자의 열팽창 차이가 적으면 문제가 없지만 로터는 케이싱에 비해 질량이 적기 때문에 케이싱보다 빨리 가열되기 때문에 로터 쪽이 빠르게 늘어나게 된다. 그렇기는 하지만 터빈의 설계는 로터의 늘어남과 케이싱의 늘어남을 고려해서 케이싱(정지부)와 로터(회전부)가 접촉되지 않도록 여유도를 가하고 있다. 이 여유도는 터빈의 용량에 따라 다르다. 따라서 신차계는 로터와 케이싱과의 열팽창을 감시해 이상시에는 경보를 울린다. 3. 신장계 터빈이 냉각정지상태에서 가열되어 부하를 취하는 동시에 케이싱은 팽창하고 대형 터빈은 그 값이 40mm가 된다. 케이싱은 일단이 기초에 고정되어 있고 다른 일단은 팽창과 동시에 횡으로 자유롭게 움직일 수 있게 되어 있는데, 만일 어떤 원인으로 케이싱의 자유단이 매끄럽게 움직이지 않을 경우에는 케이싱에 큰 압력이 가해져 터빈을 손상시키게 된다. 따라서 터빈의 기동시 및 그 후의 케이싱 팽창이 정상인지 아닌지 신장계로 감시하고 있다. 4. 회전수계 터빈을 기동에서 정격회전까지 상승 또는 하강을 안전하게 운전시키기 위한 계기로 근대의 증기터빈은 감시표시(기록계, 지시계, CRT 표시, 계산기 등)만이 아니라 제어보호(ATS/DACA, EH 거버너, 여자제어), 인터록(영 스피드 검출, 터닝 자동화), 계측(축 뒤틀림) 등에 사용된다. 5. 축 위치계 터빈의 회전축은 축 방향의 추력을 막아내기 위해 스트레스 축수가 설계되어 있다. 이 축수가 어떤 원인으로 마멸된다면 스트레스 축수의 기능 저하를 초래하고, 터빈 축은 수 mm 이동해 스트레스 축수를 손상시킨다. 이 때문에 축 위치계에서 축 방향의 추력(이동량)을 감시하고 이상시에는 경보를 발생해 터빈을 정지시킨다(<그림 3>). 6. 밸브 개도계 증기조절 밸브(거버너 밸브)는 발전기가 동기에 들어 부하를 담당하고 있는 사이에는 부하의 변동에 맞추어 변화하지만 기동시나 가속도 상태에서는 모두 닫혀 있거나, 혹은 급속하게 닫힌다. 동기속도에서 운전 중에는 터빈에 필요한 증기량을 컨트롤하고 있고 개도를 감시하는 것이 중요하다. [그림3] 축 위치계 설치도 7. 진동계 터빈은 항상 다른 진동이 발생한다. 이 진동은 각 축수부분에서 계측하고 진동이 경보점에 도달하면 외부에 출력을 촉진하는 동시에 위험치(트립치)가 되면 터빈을 강제적으로 정지시킨다. 터빈진동은 축에 걸리는 열적, 역학적 에너지 변화에 따른 축 회전의 동적 부조화에서 오는 부정현상에서 발생하는데, 통상 운전시에는 진동에 따른 위치변화를 작동변압기의 원리로 검출하고 있다. 터빈 진동은 기동시의 랩 체크 감시가 중요한데, 종래 랩 체크는 현장에서 청진봉을 이용해 터빈의 진동음을 확인하는 방법을 취하고 있었지만 최근에는 생력화, 자동화를 위해서 축 진동을 압전소자에 가해 진동량에 따른 전기신호를 추출하고 전기적인 노이즈 처리 등을 시행한 뒤에 음을 변환해서 중앙 제어실에서 랩 체크 음의 청취가 가능하도록 하는 플랜트도 있다. 8. 기타 터빈 센서 증기 터빈에서의 계측점은 운전감시·제어, 데이터 보존 외에 설비보안(인터록)에 사용된다. 제어용으로는 최적의 증기상태를 유지하기 위해서 주증기온도를 열전대로 계측하고 증기유량은 급수유량, 드렌 유량 등을 검출해 온도·압력보정을 수반하는 계산식으로 구할 수 있다. 증기압력은 종래의 부르돈 관이나 벨로즈 식으로 바뀌어 반도체식의 압력센서를 도입하고 있다. 또 기동정지가 비교적 빈번한 화력 유닛은 터빈의 수명관리가 중요하다. 열응력은 운전시의 증기조건 변동에 따라 로터만이 아니라 케이싱, 각 밸브 본체 등에도 발생하는데 구조상 응력집중에 따라 높은 열응력을 발생하는 로터 표면에 대해서 수명소비를 감시하고 있다. 열응력은 로터 온도와 메탈 온도를 검출하고 계산식으로 산정한다. 기타 부속설비 1. 석탄저장감시 저장 중인 석탄은 저온산화하고 자연발화를 일으키는 경우가 있기 때문에 그 온도나 발생가스 등이 측정감시된다. 이 측정방법은 저탄방식에 따라 다르지만 옥외 저탄은 봉형 온도계나 열전대에서 온도를 측정한다. 옥내 및 사이로 저탄은 온도를 열전대나 케이블로 측정하는 동시에 O₂, CO, CH₄농도를 각 센서로 측정하고 최근에는 적외화상 장치 등도 일부 이용된다. 2. 연료 탱크 액면계 연료 탱크의 액면계측은 플로트식의 액면계를 사용하는 경우가 많고, 이것은 연료비중에 매치되는 액면상 플로트를 일정한 장력(토크 스프링)을 가한 데이트로 적하하고 감싼 각을 포지션으로 측정한다. 최근에는 고정도 디스플레이서 방식을 채택함으로써 퍼스널컴퓨터를 이용한 시스템화를 시행하고 연료저유량 관리를 경감하는 사례도 있다. 3. 누유감시 연료관련 시설에서는 각 야드 배수시설마다 누유검지기, 혹은 유막 검지기를 설치하고 누전감시를 시행하고 있다. 플로트식 누유검지기는 유분 분리조에 설치되어 수면의 유층 생성에 따른 정전용량의 변화를 검출해 누전을 검지하는데, 최근 미량의 누전도 조기검지가 가능한 유막검출기를 채용하고 있다. 유막검지기는 레이저빔을 주사해서 수면의 반사광 강도의 변화로부터 유막을 검지하는 것이다. 환경 보전 설비 화력발전소의 배출가스에는 유황산화물(SOx)이나 질소산화물(NOx), 매진(분진·매연) 등의 대기오염물질이 포함되어 있어, 이들을 제거하는 배연탈류장치, 배연탈소장치를 시작으로 하는 설비를 설계하고 있다. 또 수질관계에서도 배수기준을 준수하기 위해서 배수처리장치나 탈질소장치를 설치하고 있다. 이들의 환경규제를 준수할 목적으로 다기에 걸친 환경감시계기가 설치되어 연속감시를 시행하고 있다. 1. 배가스 매진 농도계 석탄 보일러에 상관없이 화력발전설비에서는 정기적으로 분진 농도를 측정할 필요가 있어, 수분판에 따른 관리를 시행한다. 매연 농도는 버너 점소화시의 연소상태를 분석하는 데 있어 매우 참고가 될 요소이기도 하다. 또 전기집진기의 부하제어에 이용함으로써 최적의 하전제어를 시행할 수도 있다. 분진계는 광원을 이용한 것이 일반적이고 투광측 광원으로부터 조사되는 빛이 분진으로 반사되어 광수측 셀에서 광강도를 측정한다. 최근 운전중인 광 축 어긋남이나 간섭광을 보정함으로써 측정정도를 향상시킨 것을 채용한다. 2. 전질소 전인계 발전소에서 나오는 배수에는 발전에 관련된 공업배수와 생활배수가 있다. 공업배수는 배수처리장치에서 침전·여과·PH 조정 등의 처리를 시행하고 생활배수에 대해서는 정화조에서 처리를 거쳐 배수한다. 2001년도의 제5차 수질총량규제로 도쿄만, 이세만, 세토 내해의 지정수역 및 지정지역에 대해서는 폐쇄성 해역의 부영양화를 방지하는 관점에서 종래의 COD에 질소, 인의 총량규제가 책정되었다. 이 때문에 배수량 400m³/일 이상의 사업소는 총량규제 대상이 되며 전질소, 전인계를 설치해 연속규정에 따른 값을 부하량 연산해서 총량규제를 준수하고 있다. 고온 가스설비의 온도계측기술 끝으로 츄코쿠전력이 가압유동상 복합발전방식(PFBC) 보일러에서 채용한 고온 가스설비의 온도계측기술에 대해 일부 소개하기로 한다. PFBC 보일러는 고온(약 800℃), 고압(0.7Mpa)의 가스가 배관, 기기 내를 흐르기 때문에 누전될 경우, 설비에 큰 손해를 끼칠 우려가 있다. 또 고온가스는 누전되어도 증기와 같이 눈으로 확인하기가 매우 어렵기 때문에 패트롤, 작업시 등 위험예지가 어려워 안전 면에서 문제가 있다. 이 때문에 고온가스배관이나 기기의 내부 보온기구가 파손되면 표면온도가 상승하는 현상에서 착안하여 기기의 설계온도를 넘기 전에 필요한 대책을 취하도록 광범위하고 특정 부위의 온도를 정확하게 측정할 수 있는 온도감시 시스템의 개발에 종래의 열전대·측온저항체, 적외선 카메라 응용 화상처리로 교체하여 고온가스배관 및 기기표면에 부설된 광파이버와 중간을 관통하는 반도체 레이저광을 처리하는 경제적인 시스템으로 했다. [그림4] 측정원리도 1. 측정원리 광파이버 속에 레이저 펄스 광을 조사하면 레이저 광선은 광파이버 속을 반사하면서 진행해 나간다. 레이저 광선이 광파이버 속의 유리 분자에 부딪히면 일부(라만 산란광)가 반사되어 돌아온다. 빛의 온도센서는 이 되돌아온 빛을 측정해서 위치와 온도를 나눈다(<그림 4>). 광파이버의 온도가 올라가면 그 부분의 분자움직임이 활발해지고 입사광측에 돌아오는 빛도 강해져서 온다. 돌아온 빛의 강도를 컴퓨터가 분석해서 온도를 계산한다. 거리는 빛을 조사해서 돌아오는 사이의 시간에서 계산한다. 이 시스템은 거리 1m 단위에서의 오차가 ±19℃~±15℃ 미만이다. 2. 시스템의 특징 광파이버 온도계측 감시시스템의 구성은 광파이버 케이블, 레이저 광발생·입사·수광 등을 포함해 각 지점의 온도, 거리를 계측하는 측정부, 측정부의 제어 및 데이터 수집을 담당하는 제어부 및 중앙제어실 CRT로의 데이터 표시·이상시의 경보표시신호 전송부로 구성되어 있고 다음 특징을 갖는다. ① 이상시 500℃까지의 고온부 측정이 가능 ② 광파이버의 양단으로부터 계측이 가능하기 때문에 케이블 1개소 단선시에도 온도측정을 계속할 수 있는 루프 방식을 채용 ③ 전자유도를 받지 않기 때문에 전기적 장해원이 있어도 영향을 받기 어렵다. ④ 센서부는 전력을 필요로 하지 않기 때문에 방폭 지역에서도 안심하고 사용할 수 있다. ⑤ 라만 산란광의 2성분(스트록 광, 반 스트록 광)의 강도비를 취하는 방식으로 외란의 영향을 받지 않고 적절한 계측이 가능 광케이블의 특징을 살린 시스템으로 신뢰성이 향상되기는 했지만 내구성에 과제가 남는다. 결말 지금까지 소개한 바와 같이 화력발전소에서의 센서기술은 단체의 성능향상만이 아니라 제어장치 전체의 디지털화에 따른 제어정도의 향상, 데이터 전송의 고속화, 데이터 응용기술의 발전에 따른 시스템의 고도화에 공헌하고 있다. 이는 유닛을 운전·감시하는 데 있어 운용의 자동화, 생력화에 크게 기여하고 있다. 전력자유화가 진전되는 와중에 화력발전소는 전력공급에 잉여가 발생하는 심야에는 발전기 최저출력 운용값의 억제, DSS(심야정지기동) 운용의 증대, 또 발전기 출력변화율의 향상, 보일러 효율의 향상 등 다기다양한 운용 수요가 있다. 이들의 엄격한 조건을 개선하는 데 있어 최근의 센서기술을 포함한 플랜트 제어기술의 발전은 간과할 수 없는 것이다.이 원고는 일본 '電氣評論'誌 에서 번역 전재한 것입니다. 츄코큐전력(주)((中國電力(株))_시게히로 타카시

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