SURGE방지 + TRIP예방 + 공정안정 및 동력비절감기술

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1 SURGE방지 + TRIP예방 + 공정안정 및 동력비절감기술
터보 COMPRESSOR의 SURGE방지 + TRIP예방 + 공정안정 및 동력비절감기술 기술상담 : 코리아에너지시스템(CCC KOREA) 전화: /FAX: 서울 서초구 서초동 Process Compressor의 안전운전 Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

2 개선방법 및 효과 (CCC의 20,000여 Controller로 입증된 기술)
개선목표 CCC의 개선방법 입증된 효과 COMPRESSOR CONTROL을 위한 전용 Algorithm 1. Single SLL(Surge Limit Line)을 이용 - SLL고정화 2. 4단계의 Control (PID + Adaptive PID + RTL+ SOL) SURGE 방지 NO SURGE 1. ANTISURGE CONTROLLER의 4단계 보호장지 2. PERFORMANCE(Master) CONTROLLER의 4기능 1) 압력 OR Mass를 1차 제어하되 2) BUT NOT TO EXCEED XX (Pr/Flow/온도/KW등) 3) DeCoupling (AntiSurge와 충돌방지) 4) POC (Pressure로 Antisurge 동작 OverRide) 3. SPEED CONTROLLER의 특수기능 ) 기동시 Speed Overshoot 방지기능 2) Overspeed Trip 사전예방 기능 SURGE 및 TRIP 예방 (TTC기능) NO TRIP Compressor의 Antisurge/Performance/Speed는 각각의 기능이 독립적이 아니며 상충작용을 함 따라서 : 1. Antisurge + Performance의 연동제어 또는 2. Antisurge + Performance + Speed + (Extraction) 의 연동제어가 필수적  Total Train Control(TTC) NO LOSS (생산손실) 공정안정 (TTC기능) Process Compressor의 안전운전 1. Blow-Off/Recycle은 꼭 필요한 만큼 필요시 동작 2. 감압변 이용 Steam  Extraction Steam으로 대체 1. 동력비 통상 10~15%감소 2. Main Steam 소비량 감소 동력비 절감 자동화 운전 (TTC기능) Antisurge/Performance/Speed Controller의 Integrated Control  Total Train Control(TTC) (Speed Controller는 터빈구동시만 이용됨) 1. 기동/정지/부하증감 수동불요 2. 공정에 Compressor 자동추종 Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

3 대상업체 : 터보 COMPRESSOR 이용업체(1/2)
1. 해당설비 : MOTOR OR TURBINE 구동 COMPRESSOR(주로 에너지 다소비업체) 2. 손실내용 : ANTISURGE 운전손실 + SURGE 손실 + TRIP손실(생산손실) 3. 손실원인 : 잘못된 ANTISURGE CONTROL + 수동운전(수동운전 판단정보 결여)  단순 Flow기준한 Recycle or Blow-Off 운전 (SLL은 입구조건에 따라 변동됨)  IGV 또는 Suction Valve 수동조작 - 변경할 Valve개도를 운전자가 알수없음  터빈속도 수동변경 - 변경할 속도를 운전자가 알지못함  기계식 Governor의 제어결함 - Compressor와 별개동작 - Surge요인을 제공  Extraction의 방해동작 (Governor Valve 동작과 상충동작 - 널뛰기 현상)  독립적 각개 동작이 서로 방해(각개 역동작 기능이 Surge탈출/진입을 반복시킴 )  변칙적 최후수단의 TRIP(Flow Low-Low, Pr Hi-Hi, Vib. Trip - Surge 증상을 이용한)  따라서 과다한 Recycle/Blow-Off 유지, 그러나 Surge 및 TRIP 위험성 상존함 4. Compressor의 SURGE :  Compressor의 압축능력이 Compressor 출구측 Gas의 팽창반력에 저항하지 못하는 상황 에 이르면 Compressor는 Surge로 진입하고 역 Flow, 역 Thrust가 발생한다  Surge 발생시 진동, Flow Low, Pressure High로 Compressor Trip및 공정 Trip  Compressor Seal, Impeller, Diffuser, Shaft, Anchor Bolt등의 기계적 파손 Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

4 대상업체 : 터보 COMPRESSOR 이용업체(2/2)
5. CCC 개선방법 : CCC 전용 Controller에 의한 TOTAL TRAIN CONTROLTTC화  SLL 고정화 (固定化) - SLL은 입구조건에 따라 변함 (CCC Antisurge Controller는 Compressor專用 Control Algorithm을 내장-SLL 고정됨)  고정된 SLL을 기준하여 OP와의 거리를 항시추적 계산하며, 필요시 필요한 만큼만 Blow-Off 나 Recycle Valve를 개방  Performance(Master) Controller는 Antisurge Controller, Speed Controller의 운전상황 과 공정을 읽고, 공정에 맞춘 (방해동작 없이) New IGV/발브 개도 또는 New 속도를 명령  Master의 명령에 신속히 추종하도록 기계식 Governor 교체  CCC Speed Controller  Antisurge의 4기능 + Master의 4기능 + Speed의 2기능  No Surge/No Trip 목표달성 (기존 Flow Low-Low/Pr Hi-Hi Trip은 잘못된 변칙수단임- 단 Valve의 고장등 기계적 원인으로 Controller에 무관하게 Surge가 3회발생시는 Surge Counter에 의해 Trip)  Driver (Motor or 터빈)의 START/STOP Button 조작 외에는 전 과정을 자동으로 운전 (Compressor 내부의 상황을 사람이 알 수 없으며, 주관적 판단조작은 위험)  결론 : 공정은 필요한 만큼 요구하고 <Driver + Compressor>는 공정요구에 자동으로 응답.추종하는 방식으로 개선됨 Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

5 Turbo Compressor Type 1: 원심형
가장 널리 이용됨 Rotating Impeller에 의해 전면흡입 외주방향으로Diffuser에 의해 U Turn후 다음 단으로 이송 토출압은 최저 5 psi에서 최고 8,000 psi까지 이용 용량 : 300~50,000 마력 DIFFUSERS IMPELLERS Single Case Compressor Centrifugal Impeller 직전 Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only.

6 Turbo Compressor Type 2: 축류형
Flow : Rotating Shaft 방향 저압 : 10 ~100 psi (0.7 to 6.8 Bar) 고유량 고효율 원심형보다 덜 보편화 Stator Blades Rotor Blades Shaft Casing Rotor Blades Stator Blades Casing Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전 직전

7 년간 가동시간 8,000시간, 구입전력단가 50원//kwh기준
운전비 고가 Compressor 대당 년간 전력비(자가발전시는 50%로 간주) Plant air compressor 1,000 HP (746 kW) 3억원/년 Wet gas compressor 4,000 HP(2,984 kW) 12억원/년 Propylene refrigeration comp. 40,000 HP(29,480 kW) 118억원/년 년간 가동시간 8,000시간, 구입전력단가 50원//kwh기준 Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

8 20,000마력 Compressor의 30년간 운전비(Du Pont자료)
보수비 50억원 초기설치비 17억원 에너비비가 총비용의 97% 에너지비용 2000억원 (67억원/년) Costs in constant dollars Source: Experiences in Analysis and Monitoring Compressor Performance Ben Duggan & Steve Locke E.I. du Pont, Old Hickory, Tennessee 24th Turbomachinery Symposium Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

9 Compressor 1,000 마력당 비용통계(30년간)
(무엇을 Control 할 수 있고 무엇을 절감할 것인가 ?) $ Millions Control 가능 Control불가능 15.0 10.0 ? 5.0 0.0 초기투자비 보수비 에너지 생산손실 Costs in constant dollars Source: Experiences in Analysis and Monitoring Compressor Performance Ben Duggan & Steve Locke, E.I. du Pont, Old Hickory, Tennessee 24th Turbomachinery Symposium Acrobat Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

10 대동력 소모 (에너지 손실있다) (Recycle/Blow-off 감소에 의한 단순절감의 예)
Compressor application Compressor shaft power Actual savings Propylene refrigeration FCCU air blower Centac air compressor 40,000 hp ( 29 MW) 15,000 hp (11.2 MW) 1,500 hp (1.1 MW) 13억원/년 1억7천만원/년 8천만원/년 Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

11 투자비 회수 통상 1년미만* (Recycle/Blow-off감소만에 의한)
동력비 절감(부수적 효과) 투자비 회수 통상 1년미만* (Recycle/Blow-off감소만에 의한) 회수기간 (월) 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 15%감소 기준 10개월 미만 15%감소 기준 6개월 미만 1,000 HP 15%감소 기준 2개월 미만 3,500 HP 20,000 HP Recycle감소 % (Max Flow에 대한 Recycle Flow감소 %) *기준 : 전력단가 : 50원/kwh 또는 터빈 축동력비 마력당 년간 360,000원 기준 Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

12 Compressor Curve(Map)의 생성
DPc 차압 (Pd - Ps) or (P2 - P1) Pd 압력 (P2) Rc 압축비 (Pd/Ps) or (P2/P1) Hp Polytropic Head Rprocess 2 (저항 2) Rprocess 1 (저항 1) SLL Rc2 Rc1 Speed N2 IGV Max Speed N1 IGV Min Qs, normal Q2 Q1 Qs, vol Qs, mass Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

13 Compressor의 운전영역 Rc Qs, vol process limit max speed surge limit
power limit 실제운전 가능영역 stonewall or choke limit 운전가능영역 Min. speed Qs, vol Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

14 Compressor Surge 운전 1 : 진입
Pd POINT A : - OP가 “A”(Surge Point)점에 도달 - Compressor 압축능력 상실 - 압축능력 상실로 Pd 강하 Pv Rlosses Pd = Compr discharge press. Pv = Vessel pressure Rlosses = 배관계의 저항 Pd B A Motor 기동 Compressor 정격속도에 도달 Note: 저항이 적어 유량증가 빠름 Pressure 형성 배관계의 저항증가 Compr Curve 따라 올라감 Pd = Pv + Rlosses D C POINT B 압력 Pv >압력 Pd 로 역류 OP는 “B”점으로 이동 No Flow/No Pr Qs, vol Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

15 Compressor Surge 운전 2 : 탈출
From A to B ms surge돌입 From C to D ms Jump Out A-B-C-D-A 초 에 Surge 1Cycle 진행 Pd Pv 다시 POINT A 로 : - Compressor “A”에서 다시 압축능력 상실 - “A”에서 “B”로 돌입함 (Surge 1 Cycle과정) Rlosses Pd Pd = Compressor discharge pressure Pv = Vessel pressure Rlosses = 배관계의 저항 B A System pressure 강하 Performance Curve에서 C점은 부존재 Point C에서 D로 Jump(기계적 충격) 다시 압력 상승 D C POINT C - “B”에서 압력강하 - 압력강하 역류감소 - OP는 “C”로 이동 정지상태 No Flow/ Pr Qs, vol Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

16 Compressor Surge 운전 3 : 진입
Pd POINT A : - OP가 “A”(Surge Point)점에 도달 - Compressor 압축능력 상실 - 압축능력 상실로 Pd 강하 Pv Rlosses Pd = Compr discharge press. Pv = Vessel pressure Rlosses = 배관계의 저항 Pd B A Motor 기동 Compressor 정격속도에 도달 Note: 저항이 적어 유량증가 빠름 Pressure 형성 배관계의 저항증가 Compr Curve 따라 올라감 Pd = Pv + Rlosses D C POINT B 압력 Pv >압력 Pd 로 역류 OP는 “B”점으로 이동 No Flow/No Pr Qs, vol Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

17 Compressor Surge 운전 4 : 탈출(1~4과정이 반복됨)
From A to B ms surge돌입 From C to D ms Jump Out A-B-C-D-A 초 에 Surge 1Cycle 진행 Pd Pv 다시 POINT A 로 : - Compressor “A”에서 다시 압축능력 상실 - “A”에서 “B”로 돌입함 (Surge 1 Cycle과정) Rlosses Pd Pd = Compressor discharge pressure Pv = Vessel pressure Rlosses = 배관계의 저항 B A System pressure 강하 Performance Curve에서 C점은 부존재 Point C에서 D로 Jump(기계적 충격) 다시 압력 상승 D C POINT C - “B”에서 압력강하 - 압력강하 역류감소 - OP는 “C”로 이동 정지상태 No Flow/ Pr Qs, vol Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

18 Surge의 현상 유량 Hunting 역 Flow 발생 역 Thrust 발생 Compressor 손상
온도 급상승 (Input Power는 열로 변환) 시간(초) 압력 시간(초) 온도 시간(초) Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

19 Surge 요약 0.02~0.05초 내에 역 Flow 발생 0.3~3초 사이에 Surge Cycle 반복
Compressor 진동 온도 상승 비정상 Noise Compressor Trip 발생 기존 Instrument/운전원이 인식 못하는 경우 있음 Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

20 Surge의 영향 공정불안 및 생산손실 (TRIP) Seal, Bearing, Impeller, Shaft 수리비
Seal Clearance/Leakage 증가 효율저하 - 기계적 용량의 최대활용 불가 Compressor 수명단축 Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

21 Surge는 언제 발생하는가 ? 기동시 정지시 (Controller가 정지를 인식하지 못함) 저부하 운전시
고부하 운전중 다음의 경우: - Trip - 정전사고 - 운전실수 - 외부충격(공정측) - 부하변동 - 압축개스 성분변동 - Cooler 불량 - Filter/Strainer 막힘 - Driver 불량(터빈의 Mech. Governor 및 추기불량) Surge는 고부하에서 발생하지 않는다고 잘못인식 Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

22 사용자에 필요한 Controller 능력 1. Compressor 및 공정 신뢰도 향상 불필요한 trip 및 생산손실 예방
공정불안 최소화 Surge 및 Surge 손상 예방 기동/정지의 단순화 및 자동화 2. 기계설비 및 공정 이용율 향상 (생산능력) 설비용량 최대활용 동력비 최소화 (Recycle/Blow-off 최소화) Setpoint 편차 최소화 (품질의 균질화 안정) Multi-Unit의 Loading Sharing Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

23 SLL- OP간 거리계산(거리를 모르면 Surge 방지 불가능)
SURGE방지의 기본  SLL(Surge Limit Line)과 OP(Operating Point)간 거리를 알것  SLL은 고정, Controller는 OP의 위치를 알아야 거리계산 가능  SLL이 변동하고 OP의 위치를 모르면 안전한 SURGE방지 불가능 기존 Antisurge Controller의 문제점  변동하는 SLL을 기준 (단순 유량기준)  SLL은 Compressor 입구조건 (Ts, Ps, MW, ks )에 따라 변동  변동하는 SLL을 기준으로 안전한 Surge 방지 불가능 CCC의 Antisurge Control Algorithm  Antisurge Controller의 Compressor 전용 Algorithm으로 SLL을 고정  고정된 SLL을 기준하여 OP와의 거리를 실시간에 계산  CCC의 거리 계산능력은 Surge를 완벽하게 방지하며 다음의 효과를 가져옴 Compressor의 Turn-Down 최대확대(Controller로 안전검증함) NO TRIP + 에너지비용 절감(Recycle/Blow-Off 감소) 완전한 Automatic Start-Up/Shut-Down(무감시 운전) Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

24 기존 Map의 SLL 설정기준 기존 Compressor Map은 (Qs, Hp), (Qs, Rc) 또는 (Qs, pd)를 기준하여 SLL을 설정한다 여기에서: Qs = Inlet flow (Actual 또는 Normal Volume) Hp = Polytropic Head Rc = 압축비 (pd / ps) pd = Compressor토출압력 ps = Compressor흡입압력 ks = 단열압축에 대한 계수 주어진 특정 Ps , Ts, MW 및 ks를 기준하여 SLL을 설정하며, Controller는 SLL의 변동을 인식하거나 대응하지 못함. Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

25 기존 Map에서 SLL 변동 SLL은 Suction condition 변화에 따라 변동한다
SLL은 Map에서 Single Line으로 고정 되어야 Control 가능 Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

26 CCC의 Single SLL(Fixed SLL) 도출
좌측값 : Compressor Curce 특성을 정의하는 변수들(기존 방식) 우측값 : Dimensional Analysis(or similitude)의 방법으로 얻어진 Set의 고정좌표(Fixed Coordinate) 이용 값 Compressor 운전변수 Hp = f0(Q, w, m, r, a, d, a) J = f1(Q, w, m, r, a, d, a) Set 1 hr qr Ne a jr Re 고정좌표값 Set 2 Rc Dimensional analysis or Similitude where: Hp = Polytropic head J = Power Q = Volumetric flow rate w = Rotational speed m = Viscosity r = Density a = Local acoustic velocity d = Characteristic length a = Inlet guide vane angle where: hr = Reduced head qr = Reduced flow Ne = Equivalent speed a = Guide vane angle jr = Reduced power Re = Reynolds number Rc = Pressure Ratio Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

27 Map (Hp, Qs) 및 (hr, qr2)에서 SLL
SLL 고정 (CCC) 여기서: Hp = Polytropic head Qs = Suction flow(Volume) hr = CCC의 Reduced head qr2 = CCC의 Reduced flow의 squared Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

28 Map (Rc, Qs) 및 (Rc, qr2)에서 SLL
SLL 고정(CCC) qr2 여기서: Rc = 압축비 Qs = Suction flow (Volume) qr2 = CCC의 Reduced Flow Squared Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

29 2 종의 Gas를 Single SLL로 Control (CCC의 Reduced Coordinate Used)
Suction Condition에서 : and Flow2 (Flow Square)에서 : and qr 2 hr increasing MW, N decreasing Ts Off-Gas Design Nitrogen Off-gas MW MW MW Ps Ps Ps Ts Ts Ts ks ks ks N2 Gas Design © Copyright 1997 Compressor Controls Corporation. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

30 Reduced Flow Squared(qr2)의 계산
K . Zs . Ru . Ts MW Dpo,s . ps Qs2 (ZRT)s = Dpo,s ps qr2 = = (ZRT)s where: R = Ru / MW Ru = Universal gas constant R = Specific gas constant MW = Molecular Weight of the gas ps = Suction pressure K = Orifice plate constant Dpo,s = Differential pressure across orifice plate Ts = Temperature of the gas in suction Zs = Compressibility of gas in suction of compressor Antisurge Controller는 ps 와 Dpo,s를 이용하여 qr2 를 계산함 © Copyright 1997 Compressor Controls Corporation. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

31 Antisurge Control의 기본원리
Antisurge Controller UIC-1은 Recycle valve를 열어 Surge를 방지 Recycle Valve를 열면 Compressor가 받는 저항이 감소 저항 감소로 Compressor 유량이 증가하여 OP는 SLL에서 멀어짐 (Surge를 피함) Rprocess Rc Rprocess+valve VSDS Compressor FT PsT PdT 1 1 1 qr 2 Suction Discharge UIC SLL 기준: 고정 SLL(CCC Map Rc qr) Flow measured in suction (DPo) Ps and Pd transmitters used to calculate Rc 1 Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

32 CCC Antisurge Controller의 Operation 1차 보호선 : Surge Control Line (SCL)-Steady Condition
Rc SLL = Surge Limit Line SCL = Surge Control Line OP(Operating Point)가 SCL에 접촉하면 PI 신호가 Recycle Valve를 열어줌 Steady Operation에 적합한 방법이며, 공정안정 + Surge방지의 2기능 을 충족시킴 B A qr 2 Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

33 Adaptive Gain은 PI Control신호를 조기출력 2차 보호선 : PI신호 조기출력을 위해 SCL이 OP를 마중나감 - (OP의 빠른접근시)
Rc OP가 SCL쪽으로 빠르게 접근하 면 Adaptive Gain은 SCL을 OP 쪽으로 전진시켜 SCL과 OP가 조기에 만나게 함 이는 PI control 신호를 조기에 발생시켜 PI동작만으로 공정을 안정시키는 목적임 따라서 공정불안정 없이 PI동작 으로 부하변동에 대응함 : OP(Operating Point) SLL SCL B A qr 2 Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

34 CCC Antisurge Controller의 Operation 3차 보호선: The Recycle Trip® Line (RTL)
SLL = Surge Limit Line RTL = Recycle Trip® Line Rc SCL = Surge Control Line qr 2 Output to Valve PI Control Recycle Trip® Action Total Response PI Control Response + Disturbance arrives, the Operating Point (OP) moves towards the SCL When OP hits SCL the PI controller opens valve based on proportional and integral action OP keeps moving towards surge and hits Recycle Trip Line (RTL) When the OP hits the RTL the conclusion is: We are close to surge The PI controller is too slow to catch the disturbance Get out of the dangerous zone An open loop response is triggered OP moves back to the safe side of RTL The RT function decays out the step response PI controller integrates to stabilize OP on SCL Total response of controller is the sum of the PI control and Recycle Trip action Benefits: Energy savings due to smaller surge margin Compressor has more turndown before recycle or blow-off Surge can be prevented for virtually any disturbance Recycle Trip® Response To antisurge valve Time Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

35 Ss(dSs/dt )를이용한 Recycle Trip® Open Loop Control
Recycle Trip® Control의 이점 완벽한 설비보호 No surge No compressor damage 공정불안 최소화 No process trip d(Ss) dt C = C1Td where: C = 열어야 할 valve개도 C1 = 상수 -열어야 할 개도에 따라 결정 Td = Scaling 상수 d(Ss)/dt = 예측 Surge 강도(OP의 SCL접근속도) Output to valve Medium Surge 강도 Output to valve Large Surge 강도 100% Total PI Control Total PI Control Recycle Trip® Recycle Trip® 0% Time Time Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

36 만일 Recycle Trip® 동작 1회로 못 벗어나면 ?
Time delay C2경과후 Controller는 OP가 Recycle Trip® Line (RTL)우측 안전범위로 벗어 났는지 Check 하고 : - 벗어 났으면 : Recycle Trip® 신호를 소멸시킴 - 못 벗어나면 : Recycle Trip® respons에 2차 신호가 추가된다 다단계 동작 Output to valve 1 step 동작 Output to valve 100% Total PI Control Total PI Control Recycle Trip® 0% Recycle Trip® Time Time C2 C2 C2 C2 Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

37 PI Control + Recycle Trip® (Open Loop로 보충)
Recycle/Blow-Off를 갑자기 100% 개방하면 Surge는 방지해도 공정을 해침 반대로 부분개방은 유량의 과부족 발생으로 Surge 또는 공정을 해침 CCC의 PI Control + Adaptive PI Control + Recycle Trip® Control은 PI동작의 부족시 Open Loop를 추가하되 다단계의 동작으로 <Surge 방지 + 공정안정>을 동시에 얻는 입증된 방식임 CCC Controller는 OP와 SCL간 거리를 항시 계산하여 OP의 접근속도(d(Ss)/dt) 로 Surge의 강도를 예측한 후 다음과 같이 Compressor와 공정을 함께 보호한다 1) Steady Operation시 PI Control로 대응 2) OP가 빠르게 접근하면 SCL을 전진시켜 (Adaptive Gain) PI Control조기동작 3) 조기 PI Control만으로 OP는 SCL우측 (안정영역)으로 복귀 4) 만일 아직도 Recycle/Blow-Off가 부족하여 OP가 복귀하지 않고 계속 전진하여 RTL(Recycle Trip® Line)을 접촉 하면 Open Loop Control이 동작 함 (Open Loop동작은 접근강도에 따라 Multi-Step + Time Constant + Controlled Closing) Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

38 CCC Antisurge Controller의 Operation(1/2) 4차 보호선 : Safety On® Line (SOL) (Controller가 스스로 마진을 추가하여 New SCL/New RTL설정함) SOL = Safety On® Line Safety On®Line(SOL)이 동작하면 Controller가 스스로 마진을 추가하여 New SCL/New RTL설정하고, Surge발생 을 1회로 끝내고 Compressor를 보호함 다음 경우에 한하여 Surge가 발생할 수 있음 Transmitter Calibration Error Antisurge Valve or Actuator 고장 배관 막힘 비정상적인 대형 Process Upset SLL = Surge Limit Line RTL = Recycle Trip® Line SCL = Surge Control Line Rc New SCL New RTL Safety On® 동작의 이점 : 1회의 Surge로 끝남 (반복하여 불발생) Alarm 발생 (원인확인 후 Reset할것) qr 2 Controller가 스스로 추가 margin설정 If Operating Point crosses the Safety On Line, the compressor is in surge The Safety On response shifts the SCL and the RTL to the right Additional safety or surge margin is added Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

39 CCC Antisurge Controller의 Operation(2/2) 4차보호 : Safety On® Line (SOL)으로 Trip손실 차단
기존 Antisurge Controller는 기능상 한계로 Surge 방지운전에 실패하는 경우가 많다 따라서 대부분의 사용자는 Surge의 2차증상을 이용하여 Compressor를 Flow Low-Low/Pr Hi-Hi/Vib. Hi-Hi에서 TRIP시키며, 이 TRIP을 당연한 Trip으로 인식한다. Safety On®Line(SOL)동작하면 Controller 가 스스로 New SCL/New RTL을 설정하며, 발브 의 기계적 고장이 아닌한 2번째 SURGE가 발생 하지 않는다. 따라서 처음부터 TRIP 손실을 자초 할 이유가 전혀 없다 (단 Valve고장등 Controller와 무관한 기계적 고장으로 Surge가 반복되면 Controller 에 내장된 Surge Counter로 자동TRIP되도록 설정한다) New SCL에도 불구하고 2회이상 Surge가 발생 했다면 기계적 고장으로 판단하여 Controller에 기록된 Surge Count(예 Surge 3 회)가 동작하여 Compressor를 TRIP되도록 설정한다 SOL = Safety On® Line SLL = Surge Limit Line RTL = Recycle Trip® Line SCL = Surge Control Line Rc New SCL New RTL qr 2 Controller가 스스로 추가 margin설정 If Operating Point crosses the Safety On Line, the compressor is in surge The Safety On response shifts the SCL and the RTL to the right Additional safety or surge margin is added Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

40 System FailSafe 방법 (FallBack Strategy)
Trouble의 75%이상이 Controller외의 부분에서 발생 CCC Controller는 외부 Trouble시 FailSafe Mode로 자동전환 됨 1) Controller는 항시 Field Input을 Monitoring 2) Field Input 값의 이상이 검출되면 해당 Input값을 무시하고 Controller 스스로 FailSafe (Fall-Back Mode)로 자동전환 Fall-Back Mode의 이점 공정Trip 방지 운전원에게 Alarm 기계와 공정이용율 향상 Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

41 Performance Controller (Master Controller)
직전 Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only.

42 CCC Performance Controller(PIC) (Master Controller)
Process Control 공정에 맞춘 IGV/Suction Valve 개도/Speed를 설정 Control 기준 : Discharge pressure Suction pressure Net flow to process Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

43 Performance(Master) Control (Blow-off/Recycle)
Pd Rprocess Rprocess + Rvalve Process B A PIC - SP PT Curve 1 1 PIC 1 Curve 2 qr 2 Shaft power Qloss 주 : 동력손실 많음 Plant Air에 이용(자동차 회사등) Not Recommended P1 Curve 1 P2 Curve 2 Compressor operates in point A Required power in point A is P1 Pressure is controlled by blow-off Point B represents the point that would deliver the pressure for Rprocess Required power in point B is P2 Power loss is P1-P2 Qloss represents energy waste Notes Curve 2 represents: Lower speed on variable speed systems IGVs closed on variable geometry compressors Inlet throttle valve closed on fixed speed compressors qr 2 Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

44 Performance(Master) Control(Suction Throttling)
Pd Rprocess Process A PIC - SP PT Suction valve open 1 Suction valve throttled PIC 1 qr 2 Shaft power Note Throttle 손실 동력소모 Load에 비례 Discharge Throttle 보다 덜 손실 P1 Inlet valve manipulates suction pressure Changing suction pressure generates a family of curves Pressure is controlled by inlet valve position Compressor operates in point A for given Rprocess Required power is P1 qr 2 Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

45 Performance(Master) Control (Inlet Guide Vane-IGV)
Pd Rprocess Process A PIC - SP PT 1 amax aOP PIC amin 1 qr 2 Shaft power Note Turndown 향상 Suction Throttling보다 효과적 동력소모는 부하에 비례 P1 Change of guide vanes angle a results in different compressor geometry Different geometry means different performance curve Pressure is controlled by inlet guide vane position Compressor operates in point A for given Rprocess Required power is P1 qr 2 Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

46 Performance(Master) Control (Variable Speed Driven)
Pd SIC 1 Rprocess Process A PIC - SP PT Nmax 1 NOP PIC Nmin 1 qr 2 Shaft power Note : 가장 효율적 (Power » f(N)3) 터빈 또는 VS MOTOR구동 초기 투자비가 많다 No Throttle Loss P1 Changing speed generates a family of curves Pressure is controlled by speed of rotation Compressor operates in point A for given Rprocess Required power is P1 qr 2 Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

47 Performance(Master) Controller의 Limiting Control
CCC Performance Controller는 1ry Control 기능 + BUT NOT EXCEED의 2가지 제어기능을 동시에 수행한다 1ry CONTROL BUT DO NOT EXCEED Discharge Pressure Max. Motor Current Suction Pressure Max. Discharge Pressure Net Flow Min. Suction Pressure Suction Pressure Max. Discharge Temperature NOT EXCEED기능은 Machine/Process 손상을 동시예방한다 Limit Control : 2개 설정할 수 있다 Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

48 Antisurge Controller의 Limiting Control(Ps or Pd )
VSDS Compressor FT PsT PdT 1 1 1 Suction Discharge UIC 1 CCC Antisurge Controller에도 Limit Control을 설정할 수 있다 Max. Discharge 압력 (Pd) Min. Suction 압력 (Ps) 또는 Max. Pd 및 Min. Ps 동시 (Limiting Control은 Antisurge 운전과 충돌하지 않는다) Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

49 Antisurge와 Performance의 방해동작(1/2)
Operating Point (OP) A에서 C로 이동(B점 통과) 방해동작 B에서 시작 Antisurge는 B에서 A로 밀어냄 Performance Controller는 OP를 다시 Surge Line 쪽으로 이동 시키는 동작을 함 Performance와 Antisurge의 방해동작을 끊지 않으면 간섭이 계속되어 1) Pressure Hunting 2) Surge 반복 Rc SLL SCL B C A PIC-SP DPo Ps Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

50 Antisurge와 Performance의 방해동작(2/2)
Performance와 Antisurge는 모두 현재의 OP의 위치를 기준하여 서로 반대의 기능을 한다. 따라서 Master Controller에서 이들의 서로 방해기능을 끊어주지 하지 않으면 Surge 진입-탈출이 반복된다 CCC의 Master(Performance) Controller는 Antisurge 의 동작을 도와주는 방향으로 동작하며, Decoupling기능 으로 반대동작을 차단한다 Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

51 Antisurge Controller간 Loop Decoupling
VSDS Section 1 Section 2 UIC Serial network UIC Serial network PIC 1 2 1 각 Controller는 Serial Network를 통해 동작정보를 교환함으로서 하나의 Section에서 발생한 Recycle Flow가 다른 Section의 Surge를 유발하지 않도록 동시에 대비한다 예 : Section 2에서 OP가 Surge에 접근하면 UIC-2는 Recycle Valve Open :  Section 2 : Surge에서 멀어짐  Section 1 : Surge쪽으로 접근(Sec. 2의 Recycle로 Sec.1 출구압력 증가)  Section 1 : Recycle Valve Open함  Section 2 : Suction압력 강하  압축비 증가로 Section 2 또다시 Surge  Section 2의 영향으로 Section Surge (Section 1~2의 Surge가 교대로 반복됨) 따라서 각 Controller는 인접 Valve의 Recycle Flow에 의한 파급영향을 계산하고 이에 맞추어 자신의 Valve를 동시에 열어 위와같은 간섭 (널뛰기 현상)을 방지함 Note: The same applies when the antisurge valve on section 1 is opened first Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

52 Compressor의 병렬운전(Base Load + Swing)
Rc,1 Rc,2 Swing machine Base machine PIC-SP qr,1 2 qr,2 2 QP,1 QC,1 Q’P,1 Q’P,1 + Q’P,2 = QP,1 + QP,2 QC,2= QP,2 Q’P,2 Note Swing Machine에 Surge위험 Base Load부하에 세심한 주의 필요 추천할 만한 방법 아님 Machines operate at same Rc since suction and discharge of both machines are tied together Base load one or more compressors and let the other(s) absorb the load swings Base machine is fully loaded and runs without recycle Swing machine can be running with recycle Load could be re-divided to eliminate recycle where: QP = Flow to process QC = Total compressor flow QC - QP = Recycle flow Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

53 Compressor의 병렬운전(Equal Flow 배분)
Rc,1 Rc,2 PIC-SP QP,1 = QP,2 Equal flow Equal flow qr,1 2 qr,2 2 QP,1 QP,2 QC,2 Note Extra Flow Measurement Device(FMD) Permanent Energy Loss (FMD Loss) Pressure Control 불량 Recycle 손실 NOT recommended Machines operate at same Rc since suction and discharge of both machines are tied together Machine 2 operates with recycle while machine 1 still has turn down Equal flow division might work if both machines are identical Machines are never identical except by coincidence - different resistance due to piping arrangements Bias relay on remote setpoint would only work if curves have same steepness where: QP = Flow to process QC = Total compressor flow QC - QP = Recycle flow 직전 Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only.

54 Compressor 병렬운전(Equal DEViation %)
Rc,1 Rc,2 SCL = Surge Control Line DEV = 0 .1 .1 .2 .2 .3 .3 PIC-SP Dev1 = Dev2 Q1 ¹ Q2 N1 ¹ N2 qr,1 2 qr,2 2 DEV1 DEV2 Note : Rrecycle/Blow-off손실 없이 Max Turndown Operation 각 Unit는 각기 자신의 Antisurge Operation (Surge 위험배제) Compressor용량, 기종에 무관 (Automatic Equal % Loadsharing) CCC특허 Algorithm Machines operate at same Rc since suction and discharge of both machines are tied together The DEV is a dimensionless number representing the distance between the operating point and the Surge Control Line Lines of equal DEV can be plotted on the performance curves as shown Machines are kept at the same relative distance to the Surge Control Line (SCL) This means in practice the same DEV for both machines Recycle will only start when all machines are on their SCL Since DEV is dimensionless, all sorts of machines can be mixed: small, big axials, centrifugals The DEV will be the same for all machines but they will operate at different speeds and flow rates Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

55 기계식 Governor의 문제점 및 개선방법
Turbine Governor 기계식 Governor의 문제점 및 개선방법 직전 Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only.

56 재래식(기계식) Governor의 문제점
1. Automatic Startup/Shut-Down 불가능  Min. Governor Speed(예 80%정격속도)이하에서 Valve 동작불가능  따라서 Idle Speed Warming 및 Critical Speed 피하기 불가능  초기 Rolling시 Speed Overshoot 방지능력 없음 2. 자동으로 부하 추종운전 불가능  응답속도 너무 늦음  Compressor 운전에 자동추종 못함(속도변환 독립적, 수동운전 의존)  Compressor Surge시 Surge 방지에 필요한 New Speed를 모르며 자동변속 불가능  Process Upset발생시 속도제어 하지못함(Overspeed)  부하차단시 터빈 +Compressor의 Overspeed Trip 3. Compressor와 Integrated Control 불가능 (터빈의 추종능력 없음)  Compressor와 No Communication 상태에서 독립적 단독운전  터빈기동중에는 터빈이 “主”, Compressor는 “從”이되어 “從”의 Setpoint를 “主”에 맞추고, 속도가 상승하여 Compressor가 일을 할 수 있는 상황이 되면 Compressor가 “主”, 터빈이 “從”의 기기가 되어 Compressor 요구에 터빈은 추종하는 Integrated Control을 하도록 구성되고, 이를 위해 Antisurge Controller, Master Controller, Speed Controller, Extraction Controller는 Serial Communication Link로 연계 되어야 자동운전이 가능하다 Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

57 개선방법: Integrated Control (Total Train Control)화 Motor/Turbine + Compressor를 Total Train Control (TTC)화 (Main은 공정이고, Compressor는 Main에 추종하는 종속기임 ) 1. Motor + Compressor Control 1) Antisurge Controller교체 2) Performance Controller(Master Controller) 신설 3) Load Sharing Controller신설 (병렬운전 Compressor에 해당) 2. Turbine + Compressor Control 1) Mechanical Governor  Electronic Governor로 교체 2) Antisurge Controller교체 3) Performance Controller(Master Controller) 신설 4) Extraction Controller교체 5) Load Sharing Controller신설(병렬운전 Compressor의 경우만 해당) 3. Actautor Retrofit 1) IGV, Blow-Off, Recycle Valve : Pneumatic Actuator + I/P Converter로 Retrofit ) Governor Valve Actuator+ Linkage : I/P 또는 I/H Actuator로 교체 Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

58 Electronic Governor의 Control Loop
 Governor는 SP(Setpoint) 와 PV(1ry Control Variable) 편차를 Governor V/V에 보냄 (SP는 Master Controller가 설정) AUX Antisurge Controller ALT OUT RPM CORPORATION CONTROLS COMPRESSOR MAN AUTO D RESET SAFETY ON COUNT SURGE DISPLAY LIMIT MENU SCROLL Auto Manual RT Limit Tracking Fallback Fault 0.4 Status RUN SO TranFail ComErr 3250 SIC-1 SP PV  MPU가 터빈속도 Governor로 보냄 V1 Load  Governor Valve(V1)는 편차만큼 Steam량을 조절 하여 SP=PV가 되도록 함  부하변동 터빈속도 변동 Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

59 Power와 Speed는 직접 비례하지 않는다
Load Steam turbine SE 3x V1 Power 공급 = Power 소비 1 SIC Constant speed 일정부하에서 Speed 일정: Power (공급) = Power (소비)의 균형 기계식 Governor는 Speed로 Power (공급) = Power (소비)의 균형 을 맞춤 그런데 POWER와 SPEED의 변화는 비례하지 않음 따라서 POWER를 SPEED(1승)으로 직접 제어할 수 없음 Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

60 Power Control Gain은 속도의 3승(N3)으로 변한다
Governor Control Gain은 Power-Speed 좌표에서 속도상승에 따라 Tangent로 변함 Power와 Speed가 직접비례(직선화)하지 않는다 - Curve를 그린다 Power Speed Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

61 Power = f(N3), NOT f(N1) Power는 속도(speed) 3승 에 비례 (Power와 속도는 직접 비례하지 않음) 재래의 Governor는 Min. Gov Speed 70% ~ Max. Gov 105%에서 속도와 Power를 직접 비례화시켜 Speed(1승)로 Power를 제어함 따라서 재래식 Governor는 Minimum Governor 속도 이하에서 제어 불가능 Power Governor Maximum Minimum 105% 70% Control 불가능 속도 범위 Speed 직전 Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only.

62 Variable Gain을 함수화  전영역 Linear Control함
CCC Governor는 전 영역을 Variable Gain값으로 특성화 후 속도의 전 영역에서 Power-Speed Curve를 직선화(비례화) 시킴 따라서 전 Speed Range 에서 직접 비례화 Control(운전)이 가능 Power CCC합성 Gain. Power-Speed 전영역 비례화 CCC Speed Governor가 취하는 특성값 (Characterized Gain) Speed 직전 Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only.

63 기계식 Governor의 성능개선(Retrofit)
1. 기계식 Governor의 제어능력 향상 2. Compressor + Turbine의 Integration Control(TTC) 3. Compressor + Turbine의 보호 및 자동화 4. 동력비 절감(Recycle 및 증기소모량 감축) Retrofit 방법 1. 기계식 Governor  Electronic Governor로 교체 2. Magnet Pick-Up Unit 신설 3. I/P or I/H Converter 추가 4. Hydraulic Oil Filter 추가 5. Governor Valve 및 Valve Actuator는 기존설비 계속이용 직전 Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only.

64 기계식 Governor (HP Actuator) Governor Valve & Linkage(기존)
Mechanical governor Governor Valve & Linkage(기존) Main actuator Pilot Valve 직전 Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only.

65 기계식 Governor (LP Actuator) Governor Valve & Linkage(기존)
Supply Drain Variable control oil Governor Valve & Linkage(기존) Spring Variable control oil Supply Bellows Drain Pilot Valve Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

66 기계식 Governor  I/H Convertor로 교체 Governor Valve & Linkage(기존)
Variable control oil Supply Electronics PT Drain 4-20 mA signal from speed controller I/H Convertor Governor Valve & Linkage(기존) Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

67 기계식 Governor  Pneumatic Actuator교체 Governor Valve & Linkage(기존)
I/P 4-20mA output signal from digital governor Governor Valve & Linkage(기존) Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

68 CCC Integrated Control(TTC)의 Sample P&ID (TurboMachinery Control에 동일한 방법으로 적용됨)
1. Motor + Compressor Operation의 경우 1) Antisurge Controller 2) Performance Controller(Master Controller) 2. Turbine + Compressor Operation의 경우 1) Speed Governor 2) Antisurge Controller 3) Performance Controller(Master Controller) 4) Extraction Controller(Extraction Turbine 이용시) 5) Load Sharing Controller (병렬운전시) Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

69 Motor + Compressor의 Integrated Control
VSDS Compressor Load Note: Speed transmitter for indicating purposes only 1 ST 1 FT 1 PsT 1 TsT 1 PdT 1 TdT 1 PIC 1 HIC Suction 1 UIC Process Serial network PIC-1은 Master Controller로서 Compressor Discharge 압력(Pd)을 제어 PIC-1은 UIC-1 및 공정에 필요한 속도(or 정속모타 IGV개도)를가변속 모타에 지령함 PIC-1은 Antisurge Controller(UIC-1)과 Serial Network로 연결되어 UIC동작을 도와줌 HIC-1 은 공정부하 (공정에서 필요한대로 이용함. PIC-1은 이에 자동추종 운전됨) Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

70 Steam Turbine + Compressor의 Integrated Control
SE 3x V1 1 SIC Load 1 FT 1 PsT 1 TsT 1 PdT 1 TdT 1 HIC RSP Suction 1 UIC Process 1 PIC OUT Serial network PIC-1은 Master Controller로서 Compressor Discharge 압력(Pd)을 제어 PIC-1은 UIC-1 및 공정에 필요한 유량을 SIC-1에 명령하면 SIC-1은 터빈속도를 제어 HIC-1 은 공정부하 (공정에서 필요한대로 이용함. PIC-1은 이에 자동추종 제어함) Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

71 Extraction Turbine + Compressor의 Integrated Control
Steam turbine HP Section LP Section Compressor SE 3x V2 V1 Load 1 SIC 2 XIC 1 FT 1 PsT 1 TsT 1 PdT 1 TdT 1 HIC RSP 2 FT Suction Process 1 UIC 2 PT 1 PIC Extraction Steam Header OUT Serial network PIC-1은 Master Controller로서 Compressor Discharge 압력(Pd)을 제어 PIC-1은 UIC-1의 상태와 공정부하(Pd )를 읽어 필요한 속도를 SIC-1에 명령함 PIC-1은 Extraction Steam 소요량 변동시 XiC-1과 SIC-1이 충돌하지 않도록 제어 HIC-1 은 공정부하 (공정에서 필요한대로 이용함. PIC-1은 이에 자동추종 제어함) 직전 Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only.

72 병렬운전시 LoadSharing Control (Equal Percent SCL Control)
RSP 1 UIC VSDS Compressor 1 out Serial network 1 LSIC Serial network Load 1 MPIC HIC 1 Process RSP VSDS Compressor 2 out 2 UIC Serial network 2 LSIC 직전 Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only.

73 기존 Control System에 추가설치 후 Monitoring (독립 Loop로 구성되며 기존 DCS등의 변경이나 충돌없음
기존 Control System에 추가설치 후 Monitoring (독립 Loop로 구성되며 기존 DCS등의 변경이나 충돌없음. 필요시 Operator Interface) Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

74 Turbine + Compressor의 Auto Start-Up
Turbine Auto Startup중 Antisurge Controller는 자동으로 AntiSurge Control을 한다. 동시에 Performance Controller는 터빈속도를 추적하며 자신의 SetPoint를 터빈속도 값에 맞춘다. 터빈속도가 Min. Governor Speed에 이르면 Performance Controller는 Surge방지 및 공정Flow에 맞춘 터빈속도를 결정하며 Master Controller 기능을 한다. Maximum Governor Speed Set Point Failsafe Timer Closed loop pressure control Actuator Position dRate Local SP Minimum Governor Idle 2 (Rate 임의설정) Idle 2 Ramp rate changes at Idle 2 Set Point “jumps”(critical speed 피하기) Critical Range 2 Critical Range 1 Set Point “jumps” (critical speed 피하기) Idle 1 (Rate 임의설정) Idle 1 Minimum Control Speed 검출시까지 V1 다시 닫김 (Full Auto Start-Up을 가능케 함) Time 직전 Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only.

75 Automatic Shut-Down & Idle-Down Sequence
직전 Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only.

76 Main Steam 소요 총량절감(감압 손실방지 1/2)
HP Header (63K) MP Header (14K) HP Header (63K) MP Header (14K) LP Header (3.5K) 직전 Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only.

77 Main Steam 소요 총량절감(감압 손실방지 2/2)
MP/LP Steam을 감압변대신 최대한 터빈을 통해 공급하려면 Governor는 Compressor부하를 안정되게 유지 하며 동시에 MP/LP소요량 변화를 맞추어 Compressor + Turbine을 Integrated Control하여야 한다 Governor가 다음과 같이 운전되면 Main Steam 일정량을 항시 By-Pass Valve를 통하여 강제감압 대신 터빈에 통과시켜 MP/LP Steam을 최대한 얻을 수 있어 Main Steam 소요 총량 자체가 감소한다 (보일러 부하감소) MP/LP Steam 변동 + Compressor 부하 일정/변동시  Governor가 Compressor부하 와 MP/LP변동을 널뛰 기 현상(반대동작)없이 안정적으로 Integrated Control함 아래 자료는 HP  MP(63K/14k) 감압 1T/H 감소에 Main Steam 소요총량이 12.4 T/H 감소하였고, 대기방출 또는 Cooling Tower응축량 1T/H감소에 Main Steam 소요총량이 14.8 T/H감소한 예를 보여준다 기존의 운전방법 : 일정 MP/LP Steam을 항시 강제 감압을 통해 공급받음 강제 감압사유 : 기계식 Governor/Extraction Control은 서로 반대동작을 하므로 Compressor부하유지가 불가 능하며, 동시에 반대동작으로 MP/LP Steam 압력유지가 불가능하여 강제감압에 따른 증기손실 발생 HP Header (63K) MP Header (14K) LP Header (3.5K) 직전 Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only.

78 터빈 Extraction/Exhaust 최대 활용시 Main Steam 감소량 계산(절약 Steam량)
Enthalpy A 등온선 T1 A : 터빈입구 조건(압력/온도/엔탈피 고정) B : 가역단열 Exhaust(효율 100% - 불가능) B’ : Actual Exhaust Point E : 가역단열 Extraction(효율 100%- 불가능) E’ : Actual Extraction Point AB : 단열 열낙차 (Isentropic Heat Drop) AB’ : 실제 열낙차 (Actual Heat Drop) 터빈효율 : (AB’/AB), (AE’/AE)등 단열열낙차 에 대한 실열낙차비의 비율로 정의 하며 Mech. 터빈 내부효율은 60~ %에서 다양하다 (발전용 반동터 빈의 경우는 90%를 상회한다) AE’ AE 등온선 T2 AB’ E’ AB E 등온선 T3 B’ 등압선 P1 포화증기선 등압선 P2 B 등압선 P3 Entropy 다음의 요령으로 Main Steam 감소량 계산이 가능하다 (약 5%의 기계적 손실 무시): 1. 터빈입구 증기유량 : Q, , 현재의 터빈 Extraction Flow Q1, Turbine Exhaust Flow Q2 2. Compressor에 이용된 동력 = [Q x Enthalpy(점 A - 점 E’) +Q2 x Enthalpy(점 E’ - 점 B’)] x 1/ E’ 및 B’점의 압력과 온도를 알면 2항의 계산이 가능하며, 증기표에서 E, B점의 Enthalpy를 읽어 터빈 의 내부 효율이 얼마인지 계산된다 4. 이제 역으로, 감압변 대신 터빈으로 통과시켜 점 E’ 및 점 B’에서 공정증기를 공급받으며, 앞에서 계산된 Compressor 이용동력을 얻는데 필요한 입구증기량 NEW Q가 계산된다. 5. Main Steam 감소량 : Q - New Q 직전 직전 Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only.

79 Process Steam 공급방법 (일정 Steam 항시 By-Pass ?)
Process Steam을 항시 Turbine Extraction + Constant Steam By-Pass 방법으로 공급받는지 ? Steam By-Pass 사유가 Governor Hunting 때문인지 ? 잉여 Steam 발생량은 ? 잉여 Steam이 발생한다면 Condensing or Blow-Off ? 년간 Steam 손실 비용 ? Mechanical Governor교체시 Check사항 기계적 제한(Space, Mounting 등) 유무 ? Software적 문제 ? Hydraulic Oil 문제 ? 직전 Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

80 CCC Controller를 이용한 성능개선
Performance Controller Antisurge Controller Speed Controller(Governor) Extraction Controller 직전 Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only.

81 CCC 성능개선(Retrofit)의 이점
1. 최소의 비용으로 최대효과 2. <터빈 + Compressor>의 보호 및 공정손실 예방 Surge 예방 Governor의 Surge 유발 차단 Surge Trip 예방 Turbine Overspeed Trip 예방 Trip 손실(생산손실) 예방 기동/정지의 자동화 및 단순화 (터빈기동, Compressor기동 및 On-Line 운전까지 Full Automatic 일괄운전) 3. 설비능력 최대이용 (제어능력 한계로 기계적 능력 축소이용) 주어진 기계적 능력에 맞춘 Max Process 운전 (기계적 능력검증은 Controller로 안전하게 이루어짐) 동력비 최소화(Process조건에 맞춘 최적속도 자동유지) Process에서 요구하는 임의의 저속부하 운전에 추종(Governor Control의 Lower Speed 제한이 없음) 직전 Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only.

82 CCC Retrofit 방법 1. Steam Turbine + Compressor의 경우 1) CCC Antisurge + CCC Performance Controller 신설 2) 기계식 Governor  CCC Speed Controller로 교체 3) Governor Actuator + Linkage  I/H Actuator로 교체 4) Extraction Controller P/P  I/H Actuator로 교체 5) Recycle/Blow-Off Actuator P/P  I/P Positioner 교체 6) Transmitter(FE, FT, PT, TT, ZT)  신설 or 기존 7) Magnet Speed PickUp 3개 신설 8) Actuator Oil Filter 추가 (Series로 추가) 9) Governor Valve + Extraction Valve 는 계속사용 2. Electric Motor + Compressor의 경우 1) CCC Antisurge Controller 신설 2) CCC Performance Controller 신설 3) IGV, Suction Control Actuator P/P  I/P Positioner로 교체 4) Recycle/Blow-Off Actuator P/P  I/P Positioner로 교체 5) Transmitter(FE, FT, PT, TT, ZT)  신설 or 기존 직전 Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only.

83 Retrofit후 에칠렌 Plant의 Steam 절감사례
자료 : “Refineries and Petrochemical Industry” Technical Paper of March 1994 Issue by Russian Trade Publication Sublect : ETHYLENE PLANT’S AUTOMATIC CONTROL SYSTEM RETROFIT Retrofit후 동력비 절감효과 1) Wet Gas Comp : Steam 감소 19.4t/h(11%) (174.1  t/h) 2) Propylene Comp : Steam감소 12.8t/h(10.2%) (125.7  t/h) 3) Ethylene Comp : Steam감소 9.8t/h(16.9%) (58  48.2 t/h) 절감액 환산 : 42 t/h x 8,000hr x 12,000원 = 40억원/년 Acrobat 직전 Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only.

84 CCC Retrofit후 Customer Comment 1
자료 : Chinese Trade Magazine,"Automation In The Petrochemcal Industry” , Vol.5, The author is Director of instrumentation of Chishui Natural Gas Chemical Corp. (CCC retrofitted the CO2 compressor trains in June 96). The article mentioned the following: CCC Retrofit (성능개선)후 Recycle Flow 감소 : 3,000Nm3/Hr 공정측 원인(Ammonia Unit의 CO2 Removal Section trouble등)으로CO2 Flow가 14,000Nm3/h이하로 수차례 감소하였으나 안전했음 1) Surge 발생 없었음 (CCC System 신속하게 동작) 2) Compressor의 On-Line 유지(No Trip) 3) 예전(Retrofit전)같으면 여지없이 Trip 및 때론 기계 손상도 입었음 CCC system에서 직접에너지 비용 640만 위안(8억5,000만원/년)이 절감되어 10개월 미만에 투자비 회수 (요소 생산량 동일기준) Acrobat 직전 Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only.

85 CCC Retrofit후 Customer Comment : 2
자료 : 다음은 중국 Daqing Petrochemical Co의 기계감독자(Equipment superintendent)의 Interview 언급 내용임(CCC Job#7900) Turbine + Compressor Train이 18개월간 Trip없이 연속운전중임 과거 같으면 Trip되었을 상황이 수차례 있었으나 Trip되지 않았음 터빈의 기동이 단순하고 쉬워졌음 CCC Speed/Extraction Control로 증기소모 감소함(과거엔 Extraction Control불량으로 일정 Steam은 항시 PRV로 감압하였음) 평균 5t/h의 증기소모 감소하였고, 절감액 200만 위안/년(2억7천만원/년) 증기는 50위안/톤(6,700원/톤)에 인근에서 구입 한국가격 기준시 : 5억2,000만원/년 (13,000원/톤 x 5t/h x 8,000hr) Acrobat 직전 Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only.

86 CCC Experience 26년간 Turbomachinery Control 전문업체
1999년도 매출액 8,000만불 (900억원) 80%가 기존 Controller의 성능개선용(Retrofit) 80%의 고객이 반복고객 (Repeat Customers) 7,000기 이상의 Turbo Compressor Control 1,500기 이상의 Steam Turbine Governor Multi-Unit의 Load Sharing (최대 32 Unit) 1000기 이상의 Load Sharing Project 수행 1000기 이상의 해양 Platform Control Governor Retrofit 실적 : 700HP ~ 450,000 KW Compressor Control(최대용량실적 : 69,000 kW) 직전 Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only.

87 CCC in Korea(1/2) 대림엔지니어링 : 태국 Olefin, TPI, HDC외 반복
삼성엔지니어링 : Jinlin/중국, TPI/태국외 반복 LG엔지니어링 : CPC/대만, 태국, Kuwait외 현대엔지니어링 : ONGC/인도외 SK정유 : MDU, CDU, FCCU Compressor LG-Caltex정유 : CDU, RFCCU, FCCU Compressor 쌍용정유 : Main Air Blower, Wet Gas Compressor 현대정유 : Sulfur Recovery Unit/Air Blower 한화에너지 : Main Air Blower 한화석유화학 : Charge Gas, Propylene, Ethylene Gas 현대석유화학 : NCC, Air Separation Plant/Air, N2외 LG Oxo Alcohol : Alcohol Process Compressor LG화학 : Chlorine Gas 직전 Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only.

88 CCC in Korea(2/2) Total : Controller 약 170 대
SK케미칼 : TPA/Main Air Compressor 삼성BP화학 : EDC/Chlorine Gas Compressor 삼성정밀화학 : CO Gas Compressor 삼양제넥스 : Vapor Compressor SK건설 : FCCU/RCCU in Brazil, Mexico LG건설 : Taiwan, Thailand projects 태광산업 : Propane Compressor Total : Controller 약 170 대 직전 Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only.

89 업종별 CCC 고객 분포도 직전 Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only.

90 CCC customers keep coming Back!
Installations 80% of ORDERS from repeat customers New Customers Repeat Customers First 20 years 98% customer satisfaction rating* * Based on 1992 A.T. Kearney Study CCC control systems on over 7000 turbo machines, including: 1,500+ steam turbines, gas turbines 직전 Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only.

91 CCC’s Major Repeat Customers List (World’s Largest Turbomachinery Owners use CCCs)
Adnoc Amoco Aramco Arco Badak NLG Co British Petroleum Burlington Industries Caltex Chevron Conoco E.I. duPont Enron Exxon/Esso Mobil Pemex Phillips Shell Sun Oil Texaco Texas Eastern TransCanada U.S. Steel Union Carbide 직전 Copyright Compressor Controls Corporation/Korea Energy Systems Company. All rights reserved. Reproduction by permission only.

92 I/H Converter Maker : Voith/Germany 좌측:
Explosion proof design for CENELEC / European requirements. 우측: Standard design for non-explosion proof applications. Maker : Voith/Germany © Copyright 1997 Compressor Controls Corporation. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

93 I/H Converter 설치된 모습 © Copyright 1997 Compressor Controls Corporation. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

94 Voith I/H Converter Application #1(LP Oil Direct Control)
Magnetic force feedback 2-Point controller DC control magnet Amplifier © Copyright 1997 Compressor Controls Corporation. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

95 Voith I/H Converter Application #2 (Pilot Valve Control-Mech. Feedback)
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96 Voith I/H Converter Application #3(Pilot Valve Control-Electronic Feedback)
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97 Voith Actuator An “Intelligent” Actuator
Voith Solutions for Turbomachinery Actuator controls the valve position automatically through an integrated position controller High Availability Fast, hysteresis-free, signal processing. Simple calibration. © Copyright 1997 Compressor Controls Corporation. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

98 Pneumatic Actuator © Copyright 1997 Compressor Controls Corporation. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

99 LP Actuator - LP Servo Actuator - 기존 Servo교체용 - 압력 = 100 psi
- Stroke = 5.5 inch - Piston Dia = 6 inch © Copyright 1997 Compressor Controls Corporation. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

100 LP Linear Actuator (Pilot Valve용) 운전압력 = 70 to 145 psi 직전
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101 LP Linear Actuator (Main 또는 Pilot Valve Actuator용)
Oil pressure : 120 psi Stroke : 85 mm (3”) © Copyright 1997 Compressor Controls Corporation. All rights reserved. Reproduction by permission only. 직전

102 오랜시간 감사합니다 이상으로 강의를 마치겠습니다 직전
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