범용 PLC를 기초로 한 대형 열병합 발전설비의 계장제어 소개

[산업일보]
지구온난화에 따라 해수면의 상승이나 온난화에 따른 기후 변화 등이 문제되고 있다. 이 때문에 지구온난화 원인의 하나인 화석연료의 소비에 의한 이산화탄소의 배출량을 가능한 한 줄이려는 노력이 다방면에서 이루어지고 있다. 또한 에너지 소비의 효율을 높여 연료 소비를 줄임으로 지구 온난화를 방지하려는 노력 또한 도처에서 이루어지고 있다 .
Osaka Gas Co., Ltd 그룹의 회사인 Gas & Power Investment Co.,Ltd는, Kyoto에 있는 Uji 사업소에 가스터빈을 이용한 대형 열병합 발전설비를 건설해 Uji 에너지센터 <그림 1>로 조업을 하고 있다. 이 설비에서는 유독성이 없는 도시가스(천연가스)를 연료로 Uji 사업소에 증기 및 전력을 공급하고 있고 잉여 전력의 경우는 전력 생산자 및 공급자 (PPS)의 두가지의 역할을 통해 잉여 전력을 수요자에게 공급하여 에너지 효율을 약 90%에 높이는 효과를 얻을 수 있었다.
이 설비는 PLC를 베이스로한 계장전용 콘트롤러를 채용하므로써 기존 DCS의 기능을 만족하면서 초기 도입 원가 또한 절감이 가능하였다.

일본내 최초 대형 열병합 발전소
Uji 플랜트는 다량의 증기 및 전력을 요구하는 일본 내 주요 Textile 제조업체이다.
때문에 공장에는 프로세스용의 증기를 생산하는 보일러 또는 자가 발전설비가 필요하므로 천연가스를 연료로 하는 열병합 플랜트를 도입해 열병합 플랜트로부터 증기와 전력을 공급받게 시스템을 구성하였다 .
이 열병합 시스템은 전기용량이 68,000kW의 가스터빈을 사용하여 2004년 10월부터 조업을 개시하였다. Osaka Gas Co., Ltd의 그룹 회사인 Cogeneration Technology Service Co., Ltd가 에너지 효율을 높이기 위하여 기본 설계를 실시하고, 가스 터빈 등의 주요 기기의 선정 또한 실시하여 공장에서 필요한 증기와 전력을 공급하는 동시에 잉여 전력은 특정 규모의 사업자를 통해 수요가에게 공급함으로 일본내 최초로 대규모 열병합 발전소가 되었다.

고효율을 추구한 에너지 절약형 설비
이 열병합 시스템에서는 에너지 효율을 높이는 것에 의한 에너지 절약성을 추구하였다 .
열병합 시스템의 주요 부분은 대형 제트 여객기의 엔진을 전용으로 한 General Electric사의 30,800kW급 가스터빈 및 배출열을 다시 이용하는 보일러가 사용되었다.

가스터빈의 배출 열은 보일러로 회수되고 90 ton의 고압 증기를 발생하여 5,200kW의 증기터빈에 보내어 진다. 또한 증기터빈에서 감압된 증기를 공장의 프로세스 증기로 사용하는 효과를 얻을 수 있었다. Uji 사업소에서는, 열에너지를 다량으로 필요로 하고 있기 때문에 높은 에너지(전력 및 증기) 효율 즉 90% 이상의 효율이 요구 되었기 때문에 가스터빈을 중심으로 한 설비의 설계와 시공은 가스터빈을 사용한 열병합 플랜트에 경험이 있는 Hitachi Zosen에서 담당하였고 또 플랜트의 제어에 관련하여서 Nichizou Electronic & Control이 담당하였다.

대형 열병합 발전소에서의 제어 및 감시 시스템
Uji 열병합 플랜트는 일년 365일/24시간 운전되며 다만 정기 점검 이외는 플랜트의 운전을 멈출 수 없기 때문에 설비에는 높은 신뢰성이 요구된다. 만일의 경우 설비의 트러블에 의해 시스템이 정지하는 일이 발생하지 않도록 설비 이중화를 채용하고 있다 .

일반적으로 지속적인 운전이 필요한 복잡한 석유 정제 플랜트 등의 감시 제어에는, DCS가 사용되어 왔으며 자동차 산업이나 가전 산업과 같은 조립 산업에서는 PLC가 많이 사용되어 왔다. 조립 산업에서는 다양한 Maker의 PLC가 사용되며 Maker들간의 Data 전송이 가능하여 PLC의 장점으로 오픈성이 강조되었다. 하지만 다채널 아날로그 콘트롤 또는 이중화 시스템에 충분히 대응하지 못했었다.
최근에는 기존 PLC의 약점인 다채널 아날로그 콘트롤에 고도의 연산 기능이 향상되어 소규모의 시스템 뿐만이 아니라 중 규모(100~200 Loop) 이상의 시스템에도 대응이 가능하게 되었다.
또한 CPU , 전원, 네트워크, HMI 의 이중화 등도 가능하여 신뢰성이 향상되어 지금까지 DCS가 주로 사용되고 있던 플랜트의 감시 및 제어 분야에 널리 사용되고 있다 .
PLC는 화학 플랜트 또한 제약 플랜트 수처리 환경 플랜트 뿐만이 아니라 하드웨어 적으로 엄격한 조건이 요구되는 원자력 플랜트의 유틸리티 설비에도 사용되고 있어 채용시 신뢰성에는 문제가 없으며 초기 도입 코스트 또한 비교적 합당하다.
이상의 판단으로 실제 열병합 플랜트의 제어 및 감시 시스템으로 실적이 있는 오므론 사제의 PLC 「CS1D」와 조작용 HMI로 「RSView」가 채택 되었다.
시스템 선정시 가장 먼저 고려된 점은 신뢰성이었으며, 그 다음으로 PLC의 오픈성이 고려되었다. 소프트웨어 개발시 특정 Maker에 의존하지 않아도 되는 장점과 하드웨어 또한 장기간 쉽게 수급이 가능하다는 점 또한 강조되었다. 이러한 부분들이 전체적인 코스트 절감 부분에 영향을 주기 때문이다.

시스템 아웃라인
열병합 프랜트의 전체 IO 수량은 위의 Table과 같으며 전원 및 CPU이 이중화 또한 네트워크의 이중화도 채택이 되었다. PLC간의 통신은 광섬유 케이블을 이용한 Controller Link, 상위 PC와 통신은 이중화된 Ethernet이 사용되었다. 다수의 HMI는 각각 운전 및 모니터링 모든 기능을 지원하여 만일 1대의 HMI에 트러블이 발생해도 다른 HMI로 조작 및 감시를 할 수 있게 구성되었다.
또한 광섬유 케이블로 장거리 통신을 하여 원거리에서 플랜트에 설치되어 있는 조작실과 같은 감시 및 조작을 할 수 있으며, Uji 플랜트에서는 IS DN을 이용하여 Hitachi Zosen 및 본사에서도 HMI를 설치해 엔지니어가 항시 감시할 수 있도록 구성을 하였다.


맺음말
상기의 예로 이미 PLC가 기존 DCS와 같은 기능을 하며, 신뢰성 또한 이중화 시스템을 도입 하므로써 한층 더 높아졌다고 생각한다.
범용 PLC를 베이스로 계장제어 기능을 첨부하여 PLC의 좋은 점을 살리면서(보수성, 유연성, 저비용, 오픈성) Cost Performance가 높은 계장전용 PLC가 산업전반에 걸쳐 많이 사용될 것으로 기대된다.

문의: (02)3218-5754
강 호 태 / (주)콘트론


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