3-Element Boiler Feed Water Control

steam drum내 BFW level을 control하는 것은 쉽지 않다. 더구나 매우 작게 sizing된 경우에는 더욱 그렇다. steam drum내 liquid level은 inventory내 변화뿐만 아니라 steam압력에도 영향을 받는다. 즉, 압력증감에 따라 BFW가 shinking하거나 swelling하여 이로 인해 LIC는 BFW유량을 잘못된 방향으로 유도할 수 있다. 즉, steam generation유량 변경은 없는데 단지 압력만 증감된다면 일시적으로 level이 감소되거나 증가되어 이는 결국 BFW유량을 변동시킬 것이다.

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혹은 일시적으로 steam user에서 갑자기 사용량이 증가할 경우 steam drum 압력이 감소하여 이로 인해 liquid level이 swelling하여 마치 액위가 증가하는 것처럼 작동하여 이는 곧 BFW유량을 줄이도록 잘못된 지시를 하게 되어 스팀양은 증가되었지만 오히려 BFW양을 줄이는 unbalance가 일어날 수 있다.

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이러한 문제를 해결하기 위해 3-element BFW control을 적용하여 미리 steam 생산량의 변화에 대해 BFW양을 adjusting하도록 한다. 이 경우 LIC는 load 변화에 대응할 필요가 없고 trim control정도로 작동할 수 있다.

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3-element를 의미하는 3개의 input은 steam drum level, BFW flow, steam flow이며 steam drum내 안정적인 liquid level을 유지하기 위해 3-element BFW control을 수행하는데 요구된다.

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single element BFW control을 적용시 level유지를 위해 LIC는 BFW유량을 직접 조절하여 결국 BFW와 steam유량 사이의 불균형으로 인한 level변화가 아닌 압력 변화로 인해 level의 오지시가 일어남에 따라 drum level measuring은 BFW supply와 steam production사이의 flow imbalance를 야기할 수 있다.

Single-Element Boiler Feed Water Control

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반면 3-element BFW control의 경우 steam drum LIC는 BFW FIC를 cascade로 reset control한다. 아울러 steam유량은 LIC에 feed forward로서 input을 준다. 여기에서의 feed forward model은 매우 간단하여 변화된 steam유량 만큼 BFW 유량도 증가시키라는 의미이며 이 과정에서 steam과 BFW의 측정단위가 다르다면 converion이 필요하다.

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점진적인 feedforward control이 적용되어 급격한 fluctuation이 아닌 합리적인 범위내로 control action을 제한시킬 수 있다. 만약 steam signal을 상실할 경우 BFW유량변화는 작은 증감으로 제한되어 BFW level에서의 급격한 변화를 피할 수 있다.

3-Element Boiler Feed Water Control

 

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3-Element BFW Control 특징

level controller는 steam load에 따라 자동으로 3-element와 1-element control사이에서 switching된다.

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steam load가 낮을 때 steam이나 BFW유량 signal이 불규칙하여 steam유량의 set point이하에서는 3-element control logic이 single element control로 전환이 되며, steam유량이 fluctuation을 방지하기 위한 작은 deadband양을 포함한 set point이상으로 증가하면 logic은 다시 3-element로 바뀐다.

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아울러 아래 조건들중 하나라도 발생하면 다시 single element control로 enabled된다.

* 스팀 유량이 set point이하일 경우

* BFW flow signal이 불규칙할 경우

* steam flow signal이 불규칙할 경우

* steam drum level controller이 manual일 경우

* 운전원에 의해 3-element control이 disabled될 경우

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3-element control중 하나인 steam 유량으로부터의 feedforward signal을 이용하여 drum level이 큰 영향을 받기 전에 BFW유량을 선제적으로 adjusting하며, 이후 또 다른 축인 drum level controller를 통해 유량 측정간의 부정확성이나 drum내 level의 shrinking/swelling과 같은 요소에 의해 야기되는 에러를 보정하기 위한 feedback trim (bias control)으로서 feedforward signal에 더해져서 BFW유량에 fine-tune 역할을 한다.

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drum level은 BFW유량 제어에 cascade control로 link되는 configuration이다. 이와 같은 steam의 feedforward signal과 drum level의 feedback signal이 combined되어 BFW control valve의 opening을 조절하면서 mass balance와 안정적인 drum level을 유지할 수 있다.

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장점으로는 steam유량 변경에 따른 feedforward action에 의해 즉각적으로 BFW control valve에 영향을 주어 response time이 빠르고 이로 인해 drum내 액체의 swelling이나 shrinking현상의 효과 (steam과 water유량의 imbalance가 날 경우)를 크게 줄여 안정적인 level유지가 가능하며, 결국 steam 유량 변경에 따른 예측제어와 실제 level의 변화량을 조정하여 level만을 이용하는 single element나 level과 BFW유량을 이용하는 two element보다 정밀한 control이 가능하다. single, two, three-element control에 대한 특징을 아래와 같이 살펴보았다.

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Single-element Control (Feedback Control)

하나 혹은 여러 대의 펌프에 의해 BFW가 steam drum에 공급되며 설계에 따라 이 펌프로부터 다른 steam drum이나 user로 BFW가 공급이 될 수도 있다. 이러한 운전하에서 pump후단의 압력은 변동이 될 수 밖에 없어서 안정적인 level을 유지하도록 control valve에서 opening을 조절하는데, 이러한 BFW압력 혹은 유량 변경에 의해 오히려 level이 흔들릴 수 있게 된다.

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drum level은 BFW유량과 steam유량 차이에 의해 영향을 받으며 level control을 위한 feedback control loop response가 매우 느려 BFW유량이나 스팀 유량의 변화는 drum level의 큰 deviation을 야기한다. single element drum level control은 drum의 체류시간이 매우 길 경우에 적용할 수 있지만 실제 현업에서는 경제적으로 compact하게 sizing 하기 때문에 level에만 의존하지는 않고 BFW나 steam유량도 제어에 활용하게 된다.

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Two-element Control (Cascade Control)

많은 경우에 boiler load에 따라 BFW pump가 2개 혹은 3개 운전될 수 있다. 이로 인해 BFW유량의 변화 및 이로 인한 drum level의 변화가 야기된다. single element의 경우 level에 따라 BFW control valve를 작동하지만 응답시간이 느려 pump운전 대수를 switching할 경우 drum level에서 많은 deviation이 예상된다. 따라서 BFW유량의 변화에 대응하기 위해 좀더 빠른 응답이 필요하여 level control이 아닌 유량 제어를 base로 여기에 level제어를 하는 cascade configuration으로 고려할 수 있다.

 

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Three-element Control (Cascade + Feedforward Control)

steam 유량의 변화가 클 경우 drum level의 또 다른 disturbance를 야기할 수 있으며 boiler의 trip까지도 가능하다. 그래서 스팀 유량을 측정 및 이 값을 이용하여 level 제어의 feedforward control로 활용할 수 있다. 이 값이 결국 BFW 유량의 reset에 이용되어, steam유량 변경만큼 빠른 속도로 BFW유량이 공급되도록 한다. 이 과정에서 drum level의 deviation은 steam flow로부터의 feedforward control에 더해져서 최종 BFW 유량 control에 이용된다.

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비록 3-element control이 single이나 two element control보다 우수하지만 boiler load가 낮은 경우 잘 적용하지 않는다. 그 이유는 낮은 load에서 steam유량 측정의 정확성이 떨어지기 때문이다.

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경제성을 고려하여 가급적 steam drum sizing을 줄이기 위해 저압보다는 고압 스팀을 생산하도록 설계를 하며 이러한 이유로 steam drum의 holding time이 짧아 process upset에 대해 공정의 불안정을 야기할 수 있어서 이러한 문제점들을 보완하기 위해 복잡하지만 3-element control 개념을 도입하였다.

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따라서 MP 내지 HP steam drum의 대부분이 이러한 control을 적용하고 있으며 특히 steam header나 user쪽에서 유량 변경이 심할 경우 보다 안정적으로 공정을 유지할 수 있다.

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liquid level유지가 중요한 이유로 level이 너무 높을 경우 steam으로부터 condensate가 딸려 가지 못하도록 하는 disengaging space제공이 어려워지며, 또한 충분한 level이어야 외부 열원에 의해 submerged tube에 온전히 열이 전달되어 스팀을 생산할 수 있게 된다. 이러한 배경에 따라 liquid level의 운전범위는 좁을 수 밖에 없어서 더 정밀한 제어가 요구된다.

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반면 BFW의 경우 BFW pump운전이나 다른 BFW user들의 사용량에 따라 혹은 multiple운전으로 인한 pump간의 간섭으로 steam drum으로 공급되는 BFW압력 및 유량에 fluctuation이 발생할 수 있다.

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예를 들어 고압증기가 superheater를 통해 생성된 superheated steam을 이용하여 터빈을 start-up할 때 많은 양의 steam이 일시적으로 요구됨에 따라 이 때 그에 상당하는 유량 변화를 BFW control valve에 set point를 증가시키면 안정적으로 steam system이 운전이 될 수 있다.

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아울러 공정상 emergency하에서 터빈이 shutdown할 경우 steam요구량이 급격히 줄어 이러한 유량 변화를 BFW control valve 제어계에 set point를 낮추면 steam drum level의 큰 혼란없이 안정적으로 steam system이 운전이 될 수 있다.

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물론 BFW양과 steam양은 완전히 같지 않을 수 있다. 왜냐하면 일정한 blowdown을 하여 수질을 관리해야 하며 또한 간헐적으로 많은 양의 BFW를 drain하여 drum바닥에 쌓인 이물질들을 제거해야 하므로 이러한 점은 감안해야 한다. 이러한 unbalance는 level controller에 의해 feedback control을 하여 BFW 유량을 조절한다.

 

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