복합사이클 플랜트 시뮬레이션으로의 최첨단 접근법

버지니아에 위치한 Dominion의 1,346MW Warren County Generating Station은 미쓰비시 히타치 시스템즈 아메리카 501GAC 연소터빈을 사용한다. 이러한 고 효율, 복합사이클, 천연가스 연소 플랜트에서는 실행 전 가상훈련과 테스트가 가능한 고 충실도(High-fidelity) 플랜트 시뮬레이션으로 효과를 볼 수 있다.

고 충실도(high-fidelity) 플랜트 시뮬레이터는 탄탄한 오퍼레이터 훈련, 이벤트 재확인/분석, 엔지니어링 개발 및 ‘가정(what if)’의 분석을 위한 초석이라고 할 수 있다. 이는 오늘날의 복합사이클 발전소가 지닌 오퍼레이터 이직률, 복잡한 운영 요구사항, 신뢰도 확보와 같은 문제들을 다룰 수 있는 유용한 도구다. 그러나 고객 맞춤형 플랜트 모델을 개발하고 유지하는데 필요한 전문 지식과 두 시뮬레이터 소프트웨어 플랫폼 (시뮬레이트된 프로세스 모델 플랫폼 및 시뮬레이트된 제어 시스템 플랫폼)유지의 복잡성을 고려할 때, 전통적인 시뮬레이터를 관리하는 것은 매우 어려운 일이다.

Southern Company는 MississippiPower Daniel 플랜트에 전통적인 시뮬레이터의 문제들을 해결할 수 있는 첨단 기술을 활용한 고 충실도, 복합사이클 시뮬레이터를 세계 최초로 적용하게 됐다. Southern Company는 에머슨 프로세스 매니지먼트의 특별한 단계적 시뮬레이터 접근방식을 이용하여 유지보수의 부담을 획기적으로 줄이고 장기적인 지속 가능성을 향상시키면서 전통적인 플랜트 시뮬레이터의 장점을 모두 활용할 수 있었다.

Southern Company의 Daniel Electric Generating Plant의 3개 유닛은 530MW 규모의 2대 1(2-on1) 복합사이클 시설이다. 미국 내 다수의 발전소들과 마찬가지로, 직원들의 이직률이 높아짐에 따라 제어실 직원들에 대한 효율적이고 효과적인 훈련이 필수적이었다.

또한 짧아진 순환 주기와 그럼에도 부하를 맞춰야 하는 시장 환경이 직장 내 훈련 기회를 크게 감소시켰다. 이러한 위협적인 상황에 대처하기 위해 플랜트의 관리팀은 유닛 시뮬레이터를 구매하기로 결정했다.

Southern Company 는 다수의 시뮬레이터 공급자와 많은 경험을 쌓아왔으며 기존의 시뮬레이터와 연관된 기술적인 문제들을 잘 알고 있다. 더욱 손쉬운 사용법과 유지보수 요건의 감소 등으로 플랜트 운영 및 엔지니어링 직원 모두를 만족시키는 명확한 목표를 가지고 프로젝트를 수행하고자 했다. 일명 ‘블랙박스(black-box)’ 제어(OEM 제공 터빈 제어)라고 하는 동작들은 복제하는 것이 어렵다는 것을 알고 있기 때문에 모든 발전소 시스템 제어에 관한 전문지식을 갖고 있는 회사가 설계하고 설정한 시뮬레이터가 필요했다.

 

프로젝트 목표

프로젝트는 목표는 다음 사항을 만족하는 시스템을 개발하는 것이다.

1.12개월 내 빠른 구현이 가능한 오퍼레이터 훈련 시뮬레이터 포함

2.오퍼레이터 동작 및 시뮬레이트된 비정상 상태에 실현 가능하고 동적으로 반응하여 응답하는 있는 고 충실도 플랜트 장비 모델 포함

3.제3자 제어 시스템 그래픽과 하드 패널 제어 스테이션을 효과적으로 복제/모방

4.제어 및 플랜트 모델이 쉽게 업데이트되고 플랜트 구성과 보조가 맞는지 확인

5.운영에 영향을 미치지 않고 모델링, 제어 및 플랜트 장비 변경을 가능하게 하는 시뮬레이터의 테스트베드(프로세스 시뮬레이션을 갖춘 오프라인 엔지니어링 도구) 활용 지원

 

특히 Southern Company는 시뮬레이터가 ‘고 충실도’이어야 한다고 구체적으로 명시했다. 시뮬레이트된 플랜트 장비와 시스템의 열역학적 성능 및 동적인 응답 방식은 최대한 기본 엔지니어링/물리적 모델을 기반으로 했다. 특성상 OEM 제공 터빈 제어 시스템의 대부분이 이미 블랙박스인 것을 고려할 때, 이들 제어 시스템의 동작 및 응답은 ‘emulation’ 될 수 있어야 하며, 시스템의 행동은 운영 제어 시스템 특성의 측정을 토대로 시뮬레이트 될 수 있어야 한다.

시뮬레이터의 모든 모델링 G 제어 논리는 점검, 튜닝 및 수정(모방된 경험적 모델(empirical model) 포함)과 블랙박스 시스템으로 제어가 가능해야 한다.

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임베디드 시뮬레이션 기술

 

하나의 플랫폼에 통합된 제어 시스템 및 장비 모델

고 충실도 시뮬레이터를 만드는데 있어 예전부터 겪어 왔던 어려움 중 하나는, 각기 다른 플랫폼을 위한 플랜트 장비 및 플랜트 제어 시스템의 기본원칙 모델들이 다양한 회사에 의해 공급되었다는 것이다. 이는 제어 시스템 동작이나 플랜트 장비 고장과 같은 예상치 못한 이벤트에 대한 실현 가능한 플랜트 응답을 더 어렵게 만들었다. 또한, 두 개의 플랫폼에 두 개의 시스템을 갖는 것은 두 플랫폼을 수정할 때 각기 다른 전문가가 작업해야 하며 수정된 시스템의 동적인 응답은 그 사실성을 다시 저장하기 위해 재 조율되어야 한다.

플랜트 관리팀은 프로젝트 목표를 달성하기 위해 에머슨의 임베디드 시뮬레이션을 갖춘 Ovation 시뮬레이터를 선택했다. 임베디드 시뮬레이션이란 플랜트 장비의 기초 원칙 모델이 제어 시스템 전산 플랫폼에 내장된 것을 뜻한다. 에머슨 시뮬레이터에는 흐름도 형식의 구조에 연결된 플랜트 장비 모델(알고리즘) 및 계층적 방식 내 모델링 플랜트 시스템이 포함되며 여기에는 열역학의 법칙, 열전달의 원리 및 유체 역학의 원리를 따르고 있다. 궁극적으로 이는 플랜트의 고충실도 모델로 나타난다.

 

손쉬운 유지보수

임베디드 시뮬레이션을 통해서, 표준 제어 시스템 엔지니어링 도구를 사용하여 제어 논리 시스템을 구성하는데 사용되는 동일한 방식으로 플랜트 시스템 모델을 구성할 수 있다. 1개 세트의 툴로 한 번에 플랜트 장비나 제어를 수정하기 때문에 시뮬레이터가 전통적인 시뮬레이터 아키텍처보다 훨씬 더 쉬운 방식으로 업데이트와 유지보수를 할 수 있게 한다.

이로써 Southern Company 엔지니어들의 유지보수 작업을 단순화하고 시뮬레이터의 소유권에 대한 총비용을 줄이고자 하는 Daniel 플랜트 관리진의 목표를 실현할 수 있도록 했다.

 

충실도의 융통성

동일한 환경 내에 프로그램 되는 제어 및 모델의 경우에는 다양한 충실도의 시뮬레이션 모델을 서로 혼합하는데 문제가 따르지 않는다. 주어진 예산으로 충실도를 조절하는데 제한이 없으며, 이에 따라 시뮬레이터 구매자/소유자는 비교적 적은 투자비용으로 낮은 충실도를 갖춘 시뮬레이터를 구입한 후 예산 상황이나 엔지니어링 시간이 가능해질 때 충실도를 구간적으로 업그레이드할 수 있다.

 

HMI 및 강사 스테이션

실습 오퍼레이터가 시뮬레이터 교육 시간 중 배운 것으로 실제 플랜트 제어실로 매끄럽게 옮길 수 있도록 시뮬레이터 HMI(Human Machine Interface)가 최대한 실제적으로 표현되는 것이 매우 중요했다. Daniel 지역에서는 실제 플랜트 제어실을 그대로 따라 시뮬레이터 워크스테이션을 배치하였으며, 그렇기 때문에 오퍼레이터들은 제어실의 각기 다른 장소에 위치한 제어 기능들을 수행하는데 필요한 동작들을 더욱 쉽게 내면화할 수 있다. 하드 패널 제어 스테이션은 푸시 버튼, 피스톨식 스위치, 아날로그식 게이지 등 내장된 능동 부품들을 사용하여 실제 패널 스테이션의 디지털 사진을 통해 시뮬레이터의 컴퓨터 화면으로 모방된다. Southern Company 가 특별하게 설계한 강사의 스테이션 화면과 도구는 수고를 줄이고 비정상적인 운영 시나리오를 더욱 쉽게 모의할 수 있도록 한다.

프로젝트 수행

Daniel 지역의 3번째 유닛에는 오퍼레이터 트레이닝 시뮬레이터가 절실하게 필요했다. 프로젝트 초기에는, 연소 터빈(CT)과 선택적 촉매 반응(SCR) 유닛의 운영 또는 이 둘 사이의 상호 작용을 정확하게 시뮬레이션하는 에머슨 모델의 개발이 완료되지 않았었다. 프로젝트는 두 단계에 걸쳐 수행될 것으로 결정되었다.

1단계는 2015년 봄에 완료되었으며 다음 사항이 포함되었다.

·CT 및 SCR을 제외한 모든 플랜트 장비 및 시스템을 위한 최종 고충실도 모델

·CT 및 SCR을 위한 경험적 모델(empirical model)

·Ovation 제어 시스템 및 제 3자 공급자의 제어 간 호환성을 위한 최종 컨트롤 로직

·소프트웨어가 호환되는 하드 판넬 및 제3 공급자의 제어 그래픽

·모든 필수 시뮬레이터 하드웨어

 

프로젝트 일정을 앞당기기 위해서, 시뮬레이터 소프트웨어를 설정하는 것은 프로젝트 하드웨어의 제작, 주문, 조립 및 하드웨어상의 소프트웨어 플랫폼의 설정에 따라 원격 상태로 연결한 환경에서 수행되었다. Southern Company의 엔지니어들과 오퍼레이터들은 VPN을 통해 원격으로 시스템 테스트 및 튜닝에 참여할 수 있어 멀리 떨어진 곳까지 가기 위해 소요되는 시간과 비용을 크게 절약함과 동시에 시뮬레이션의 정확도와 사실성을 확인할 수 있었다.

1단계의 결과로 주요 동일한 시뮬레이터에서 플랜트 시스템의 고 충실도와 경험적 시뮬레이션이 매끄럽게 합쳐지는 혼합 충실도 시뮬레이션의 개념을 증명했다. 혼합 충실도 접근 방식으로 기능을 충족시키면서 비용을 관리하고 프로젝트 일정을 단축시킬 수 있다. 2단계는 CT 및 SCR을 위한 Daniel의 경험적 모델(empirical model)을 고충실도 모델로 업그레이드 하는 작업이 수행된다.

 

결론

Southern Company는 1단계에서 시뮬레이터가 완성된 후, 실습 및 강사 모두가 트레이닝 시뮬레이터의 활용할 수 있어 만족했다. 임베디드 시뮬레이션의 혼합 충실도를 성공적으로 활용하여 프로젝트 일정을 단계적으로 조정하는 것이 가능했다. 또한 정상적인 작동, 가동 및 이상 상태를 다룰 수 있는 실행 가능하고 실용적인 오퍼레이터 훈련 도구를 빠르게 만들어낼 수 있었다. 제어 시스템 플랫폼에 내장된 물리적 모델은 Southern Company 엔지니어들이 표준 제어 시스템 엔지니어링 도구를 사용하여 모든 물리적 모델 및 제어 알고리즘에 접속할 수 있도록 했다.

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 복합사이클 플랜트 시뮬레이션으로의 최첨단 접근법