지난달 전력문화사(월간 Electric Power)가 주최하고 전력연구원에서 주관해 실시한 ‘2007 전력분야 예방진단 기술 세미나’와 관련해 예방 진단과 더불어 전력연구원과 전력거래소의 통계·자료 등을 참고로 우리나라 발전플랜트의 계측·제어시스템은 어떻게 발전해 왔으며 어떤 기술이 적용되고 있는지를 기획특집으로 조명해 본다.
국내 제어설비의 개발은 유지보수 등의 비용상에 있어 경제성이 요구되기 시작한 1998년경부터 본격화됐고 2000년대에 들어와서는 대기업들을 필두로 전체 프로세스를 제어할 수 있는 시스템이 개발되면서 설비 개선이나 신뢰성 확보에 필요한 교체설비로 많이 적용되고 있다.
현재 제어설비를 개발 또는 공급하고 있는 대기업으로는 삼성, LG산전, 현대, 두산중공업 등이 있고 중소기업으로는 동일전자, 우리기술 등이며 연구기관은 한전전력연구원 등이다.
앞으로도 더 많은 제어설비의 국내 개발이 요구되고 있다. 이렇게 폭넓게 제어설비 분야 개발의 필요성이 증대하고 있는 배경에는 먼저 발전소 핵심 제어시스템에 있어 국산화율이 아직도 저조한 것이 큰 요인이다.
국내 발전 용량의 37.8%를 점유하고 있는 화력(기력)발전소 제어시스템의 국산화 비율은 보일러제어시스템에서 9.5%, 터빈 및 발전기제어시스템은 전무한 실정이며, 보일러제어시스템 또한 400MW 미만의 발전소에만 적용되어 있는 실정으로 대다수 제어시스템은 외산 제어시스템에 의존하고 있는 실정이다.
또한 400MW 이상 중대용량 화력 발전소의 제어시스템의 대체 시기 도래에 따른 시장진출 필요성이 커지고 있는 것도 제어설비의 중요성이 커지는 요인이다. 현재 보급돼 있는 33기의 400MW 이상의 화력 발전소의 보일러, 터빈, 발전기 제어시스템은 수명주기에 따른 대체 수요가 본격적으로 이뤄질 전망이다.
한편 고효율, 대용량, 환경친화형 발전소 건설을 통한 안정적인 전력 수급을 위해 1000MW급 차세대 석탄화력 발전소 기술개발이 진행되고 있지만 이를 위한 실제적 통합감시, 제어시스템 개발은 고려되고 있지 않다.
발전소 통합제어시스템은 발전설비의 특성상 높은 신뢰성과 안정성이 요구되는 까다로운 기술조건과, 실적 중심의 진입장벽으로 인해 일부 외국 선진업체가 국내 시장을 독과점 형태로 지배하고 있다.
제어시스템 개발에 장기간 많은 연구 인력의 투입이 필요해 선진국에서도 원천기술의 이전을 회피하고 있으며, 국내에는 단순 제조기술 또는 응용설계에 필요한 기술교육 수준으로 기술 공개를 제한하고 있는 실정이다.
선진국에서는 축적된 기술의 노하우를 기반으로 신기술의 개발 및 시장지배력이 우수한 신제품으로 글로벌 시장에서의 경쟁력을 확보해 시장지배력을 넓히고 있고, 발전소 통합제어시스템과 연계해 필드버스 등을 포함한 다양한 네트워크 기술 및 시뮬레이터 기술에 대한 지속적 투자로 격차가 커지고 있다.
통합제어시스템은 향후 열병합발전 등과 같은 집단에너지 시설의 통합 제어시스템에 적용할 수 있다. High-End 제어시스템을 필요로 하는 철강 및 석유화학 분야에도 적용 될 수 있어 국가적 차원에서의 지원이 요구된다.
원자력발전 제어설비
현재 우리나라의 원자력발전소는 20여기가 운전되고 있다. 그동안 원자력발전소에서 운전되고 있는 제어설비 등은 웨스팅하우스, GE, 프라마톰, ABB 등 외국계 회사에서 공급한 것이 거의 대부분이다.
이렇게 외국사가 국내 플랜트의 제어설비 공급을 독점하게 된 것은 발전소의 주요 설비인 보일러, 터빈, 발전기와 보조장비 등을 공급하는 업체가 신뢰성의 확보를 이유로 제어설비를 주설비와 함께 공급해 왔기 때문이다.
또한 사용자들의 국내기업들에 대한 신뢰성이 형성되지 않은데다, 국내업체들 역시 기술력이 뒷받침 되지 않는 상태여서 외국사의 제품들을 들여다 쓰지 않을 수 없었던 것이 초기의 상황이었다.
그러던 것이 1998년 이후 경제성의 확보를 위한 제어설비의 국산화 개발이 본격적으로 시작돼 그 후로부터 국산화 작업에 성공한 제어설비들에 대한 적용이 점점 늘어났다.
한전 전력연구원이 원전용 터빈 제어설비, 원자로 노내핵 계측설비, 분산제어 시스템 등을 개발해 고리 원자력에 공급했고, 한국전력기술과 우리기술(주)이 발전소 운전상황 모니터링과 경보시스템(PMAS)을 발전소에 적용시키기도 했다. 2001년도에는 원전 계측제어시스템 개발사업단(KNICS)을 정부에서 발족해 7개년 계획으로 원자력발전소 제어설비 국산화를 위한 연구개발을 계속하고 있다.
한편 1단계 사업이 끝난 2004년 6월에는 전력연구원과 우리기술(주)이 원전용 분산제어시스템을 개발 적용해 고리원전에서 사용하고 있다.
국내 발전설비의 37.8%(05년 하반기)를 차지하는 화력발전 중 석탄화력은 기후변화협약에 따른 환경규제의 강화에도 불구하고 발전연료 수급의 안정성 측면과 발전비용이 낮은 경제성 측면에서 현 수준 이상의 초대용량화로 앞으로도 지속적인 기술개발과 건설이 예상되고 있다.
또한 내연발전 방식인 가스터빈 발전기와 기력발전 방식인 증기터빈 발전기를 조합한 방식의 복합화력은 저렴한 초기투자비용, 고효율, 짧은 건설공기, 친환경적 측면에서 장점을 가지고 있어 그 수요가 증가될 전망이다.
2004년에 수립된 제2차 전력수급기본계획에 따르면 2004~2017년까지 129기의 발전설비계획을 예상하고 있는데 이중 석탄, LNG, 석유를 에너지원으로 하는 기력과 복합화력 발전소가 총 55기에 달하고 이는 발전설비계획의 약 42.6%에 해당된다.
발전원인 집단에너지 설비의 공급 계획이 증가 추세에 있으며, 설계수명이 다한 일부 장기사용 발전소에 대해서는 설비보강을 통한 수명연장을 추진하고 있다
| 구 분 | 원자력 | 석 탄 | LNG | 석 유 | 수 력 | 대체/집단 | 합 계 | |
| 제1차 계획 | ‘04-’15 | 1,160.0 (10기) | 840 (15기) | 592 (13기) | 15 (3기) | 240 (9기) | 11 (3기) | 2,858 (53기) |
| 제2차 계획 | ‘04-’15 | 1,160.0 (10기) | 840 (15기) | 950 (18기) | 26 (20기) | 241 (24기) | 433 (40기) | 3,650 (127기) |
| ‘04-’17 | 1,160 (10기) | 840 (15기) | 950 (18기) | 126 (22기) | 241 (24기) | 503 (40기) | 3,820 (129기) | |
<표2> 발전설비 건설규모(2004 ~ 2017)
(자료: 제2차 전력수급기본계획, 산업자원부)
발전설비 제어시스템 현황
발전설비를 구성하는 주기기인 보일러, 터빈, 발전기 각 설비의 운전 감시를 위해 도입된 제어시스템은 초기 아날로그 설비에서 극히 일부를 제외하고 분산형 디지털 제어설비로 제어방식의 변천이 이뤄졌고 최근에는 정보 수요 및 관리 기능의 강화와 IT 기술의 발전 추세를 반영해 이들 개별 제어시스템이 통합되는 추세에 있다.
제어시스템의 핵심은 설비의 신뢰성을 보장하는 공정 제어시스템과 프로세스 모델링에 기반을 둔 신뢰도가 높은 알고리즘 및 고속 통신의 통합에 있고 선진국에서는 이미 발전플랜트 설계와 제작기술의 향상에 따른 고효율 설비 운전에 대응키 위한 제어시스템 개발을 진행해 오고 있으며, 필드버스와 시뮬레이션, 최적제어 등과 같은 고기능 솔루션을 통합하는 추세다.
400MW 이상 중대용량 발전소 또는 신규화력 발전소의 시장 진입에 제한을 받고 있으며, 터빈 및 발전기 제어시스템은 외산 하드웨어를 채용해 개발한 형태로 신뢰성 향상에 필수적으로 요구되는 고기능 공정 제어기, 내 고장성 다중화 구조 설계 및 고속 루프 처리 등의 기술부족으로 완전한 국산화가 이뤄지지 않고 있는 상태다.
현재 운전 중인 400MW 이상 화력발전소의 보일러, 터빈 및 발전기 제어시스템은 전부 외국제품이다. 제어시스템이 노후화 될수록 제작사의 생산중단에 따른 예비품 확보 곤란 및 이상 상황 발생 시 기술지원의 한계 등으로 유지보수 비용이 급격하게 증가할 뿐만 아니라 공급신뢰도에 악영향을 초래하고 있다.
국내 화력발전소의 제어시스템은 Bailey, ABB, Siemens 및 Emerson, GE 등의 메이저 업체가 전체 시장의 90% 이상을 점유하고 있으나 발전회사의 국산 시스템의 신뢰성에 대한 인식 전환과 정부의 정책적인 국산화 개발 지원에 힘입어 중용량 발전소를 시작으로 국내 업체의 시장 점유율이 점차 확대되고 있는 추세다.
최근의 발전제어시스템은 보일러 제어설비와 BOP계통, 회처리 설비, 탈황설비 등을 단일 네트워크로 연결해 통합 운영되는 추세고 보일러, 터빈, 발전기의 통합제어시스템 구축을 연구 중에 있다.
화력발전소의 플랜트 수명주기는 평균 25년을 설계수명으로 산정해 운영하고 있고 제어시스템의 경우 약 15년 이상 운전 시 경년열화, 제품 생산 중단 등으로 개조 계획을 수립해야 한다.
각 발전사들은 발전설비계획에 의한 신규화력 발전소 건설과 15년 이상 장기 운전된 발전소의 제어시스템 개조 계획에 의해 제어시스템 구축 및 교체를 진행하고 있다. 신규화력 발전소의 발전제어시스템은 실적제한에 따라 국산개발 시스템의 사업 참여가 불가능한 구조다.
보일러, 터빈, 발전기 각각의 주제어설비 제작사가 상이하고 각 시스템의 기능과 구조, 공정제어를 위한 엔지니어링 방법, 그리고 상위감시시스템의 체계가 통일돼 있지 않으며 제어시스템 내용수명의 상이로 개조시점에 차이가 발생해 통합제어시스템 구축에 제약이 있다.
LS산전은 전력연구원과 공동 개발한 보일러 자동제어 설비와 버너시스템을 호남화력, 평택화력, 영남화력 등에 공급한 바 있고, 독자 개발한 분산디지탈 제어시스템으로 중소용량 화력발전소의 보일러 주제어설비에 적용해 그 실적을 통해 시장에 참여하고 있으며, 산자부 국책과제 수행을 통해 참여가 제한된 시장의 실적을 확보하고 있다.
선진 제작사들은 국내의 현지법인 또는 기술 제휴사를 통해 국내 발전시장에 참여해 발전제어시스템을 공급하고 있으며 제어시스템의 일부는 주설비와 부속설비로 도입되고 있다.
LS산전은 국내 유일의 발전소 보일러 주제어설비 국산화 개발 및 적용실적을 보유하고 있는 업체로 그동안 개방형 분산디지탈제어시스템 개발·출시, 평택화력발전소 DLS(Data Logger System), 북제주화력 DCS(Distributed Control System), 울산화력발전소 DLS, 인천화력발전소 DLS, 호남화력발전소 2호기 보일러제어설비(DCS) 국산화, 호남화력발전소 1호기 보일러제어설비(DCS) 국산화, 평택화력발전소 1,2,3,4 호기 보일러제어설비(DCS) 국산화, 일산복합화력 HRSG/스팀터빈 통합제어시스템 개발 등을 수행해 왔다.
한전전력연구원은 발전소 제어시스템에 대한 다양한 연구개발 실적을 보유하고 있고 차세대 화력발전용 BTG(Boiler, Turbine and Generator) 통합제어시스템 국산화 개발, 평택화력발전소 DLS 국산화 개발, 북제주화력 DCS 국산화 개발, 호남화력발전소 2호기 보일러제어설비(DCS) 국산화 개발 등을 시행했다.
두산중공업은 Siemens의 TELEPERM-XP 기종의 국내 독점공급계약 등 신규화력 발전소 주기기 제어시스템을 공급하고 있는데 보일러, 터빈 등의 주기기에 대한 제작기술을 보유하고 있는 것이 발전 프로세스 알고리즘 개발의 강점으로 자체적으로 터빈제어시스템을 개발하기도 했다.
이성엔지니어링은 ABB(구Bailey) 시스템을 적용, 국내 최대의 발전소 주제어시스템 개조 실적을 보유하고 있는데 계측제어분야 경상 정비 전문 업체로서 설계 능력과 정비 기술을 보유하고 있으나 국산화 시스템 개발은 아직 미약하다.
ABB는 Bailey를 합병, 국내 시장에서 Bailey가 가지고 있는 풍부한 실적을 흡수해 시장 점유율이 가장 높고 보일러, 터빈, 발전기 제어시스템을 모두 갖춰 완벽한 통합제어시스템 공급이 가능하다.
400MW급 이상 대용량 기력·복합 발전소 중에서 사용년수 15년이 도래하는 장기 사용 발전소가 갈수록 증가하고 있어 정부의 계획에 따라 복합화력발전소와 열병합발전소가 지속적으로 건설될 예정이고 복합화력발전소, 중대형 열병합발전소의 건설계획에 따라 터빈 제어시스템의 수요도 확대될 전망이다.
또한 2008년 이후 기력발전소 및 복합화력발전소의 15년 이상 장기 사용발전소가 더욱 증가될 것으로 예상됨에 따라 제어시스템의 개조 수요가 급격히 늘어날 것으로 예상된다.
화력 발전용 통합 감시제어시스템으로의 개조 시 400MW급 대용량 발전소를 기준으로 호기 당 약 70억의 개조 비용이 예상되며 신규발전소 건설에 참여하게 될 경우 시장 규모는 상당한 증가할 것으로 보인다. 아울러 화력발전용 통합 감시 제어시스템의 국산화가 늦어질 경우 발전IT 분야의 무역수지 악화가 심화될 것으로 전문가들은 내다보고 있다.
최근 전력 수요의 증대와 기술 진보로 점점 대형화 및 고효율화를 추구함에 따라 발전 플랜트는 다양한 운전 조건과 함께, 시스템 신뢰성 향상과 안전성 확보가 요구되고 있다.
또한 발전소 기동과 정지 때 복잡한 운전 조작을 안전하고 경제적으로 수행할 수 있도록 하기 위해 Loop 및 Sequence 제어장치 등을 포함한 통합 자동화가 요구되고 있다.
국내에서는 1990년대 중반부터 전력연구원이 주축이 돼 보일러 주제어 시스템의 H/W 및 S/W를 국산화했다. 터빈 및 발전기 제어 시스템의 H/W는 외산이지만 해당 제어기에 운용되는 제어알고리즘을 국산화해 일부 발전소에 적용했다.
필드버스는 계측기와 제어설비간의 연계를 기존의 Hardwiring 방식에서 네트워크 기술의 통신 방식으로 연결하는 것으로 제작사마다 다르게 개발하고 있다. 현재 개발된 필드버스의 종류는 Profibus, FOUNDATION Fieldbus, Modbus, DeviceNet 등이 있다. 이러한 필드버스들은 다양하게 분야별로 특화돼 각각 공장 자동화 분야, 빌딩 제어 분야, 일반 산업 플랜트 등으로 개발되고 있으며 국내 발전소의 일부 구동기에 적용되고 있다.
Open Standard 및 표준 규격 적용은 Wintel 플랫폼이 강세로 Microsoft Windows OS + Intel CPU 계열을 이용한 시스템 플랫폼이 널리 활용되고 있다. 또한 OPC（OLE for Process Control)는 자동화 시스템에서 윈도우 기반의 어플리케이션을 연계하는 방식으로서 90년대 후반 Microsoft사의 주도하에 탄생, 현재 산업 표준으로 자리 잡고 있다.
제어시스템의 네트워크는 각사 고유의 폐쇄적인 네트워크에서 이젠 개방적인 이더넷(Ethernet)을 도입해 사용하며 표준 필드버스 제품을 널리 활용하고 있다. 또한 기존의 산재한 컨트롤시스템 및 컨트롤시스템과 비지니스시스템 간의 통합이 어려워 시스템과 어플리케이션이 따로 운영되던 환경이 현재는 플랫폼 및 어플리케이션간의 통합화가 활발히 이뤄지고 있는 추세다.
단순 감시 제어 기능에서 고부가가치의 비즈니스 정보 제공으로 진화하며 제어시스템이 경영 활동에 도움을 줄 수 있는 고부가가치의 비즈니스 정보 제공 기능으로 변화하는 추세다.
운영 환경 표준화에 대한 요구도 증대하고 있다. 즉, 플랜트 데이터를 그래픽으로 표시하는 방식, 제어 조작 절차 등에 대한 표준 절차를 구축해 재교육에 대한 비용 절감 및 운전원의 오조작 방지 등에 대한 요구가 증대되고 있다.
위치에 상관없이 플랜트 상태를 감시 제어할 수 있도록 하는 Thin Client 기반도 널리 활용되고 있다. Terminal Service, ActiveX Control, Java Applet 등 다양한 형태의 제품이 출시돼 있고 인터넷을 통한 감시 제어 기능으로 시스템 보안의 필요성이 커지고 있다.
웹 감시 제어 시스템은 시간, 장소에 상관없이 원격 감시 제어 및 정보 접근이 가능하고 사용법이 쉬워 교육비용을 절감할 수 있고 유지 보수 관리가 용이해 투자비용이 적지만 인터넷 상의 보안이 취약할 수 있다는 단점이 있다.
또한 ActiveX Control, VBA 등과 같은 MS 관련 기술이 시스템 전체에 널리 활용되고 있는 추세다. 90년 후반 이전까지는 UNIX OS가 Control System에 널리 사용됐지만 90년 후반 이후부터는 MS Windows OS가 강세를 보이고 있다. 2000년대 초부터 적용되기 시작한 화력 발전소용 최적제어시스템은 보령화력발전소 및 영흥화력발전소에 미국 Emerson사의 Smart Process 최적화 패키지가 적용됐다.
Bailey 시스템은 발전 공정의 특징인 시간 지연 요소를 고려해 Smith Predictor를 개발한 Function Block을 적용하고 있고 슐쯔사의 AV6시스템은 SCO제어기를 활용해 보일러 제어 시스템을 운영, 적용하고 있다.
최근 세계적인 추세는 보일러 및 터빈 제어 시스템의 효과적인 성능 개선을 위해 효율적인 현대 제어 이론을 접목, 제어 시스템 기술을 확대하는 것이다.
국외적으로 신규 발전소의 경우, 보일러 시스템 제작사와 이와 관련된 외국 전문 업체에서 개발된 제어 로직을 사용하는 것이 관행이다. 이는 공정 모델링 특성과 제어기를 설계해야 하는 난이도가 상당히 높기 때문이다.
보일러 제어 로직은 국내의 보일러 제어시스템의 개보수 시스템에 대해 국내 최초로 LS산전이 제작한 분산 제어 시스템이 적용됐다.
국내 운전 중인 화력발전용 터빈 제어시스템 기술은 이 분야의 국내 연구개발 실적과 경험축적이 미미했기 때문에 외국의 터빈 주요 공급자인 GE, Alstom, Westinghouse 등에서 공급한 것이다.
하지만 전력연구원에서 최초로 서천화력 1호기용 200MW급 디지털 터빈제어시스템의 개발에 성공한 2000년 이후, 현재 우리나라는 7개의 발전소 터빈 제어시스템을 구축해 적용기술을 보유하고 있다.
국외적으로 미국, 유럽, 일본 등, 이 분야 선진 제작사들은 독자 터빈제어시스템을 보유하고 있으며, 디지털 기술의 발전 추세에 따라 제품을 계속 업그레이드 해 나가는 추세다.
또한 국내 각 발전소 제어 시스템은 다양한 종류의 시뮬레이터를 동시에 운영하고 있다. 대부분은 외국 공정 모델 패키지를 활용하고 있는데, 국내 시스템으로는 호남화력 1,2호기를 위한 시뮬레이터시스템을 전력연구원과 LS산전이 개발, 적용하고 있다.
시뮬레이터의 형태는 OIS와 DCS를 각각 Emulation 방식 혹은 실사용 기기를 사용하는 데에 따라 달라진다. Stimulated 방식의 시뮬레이터는 프로세스 모델의 정확도에 따라 발전소의 시험 운전과 설계에 있어 제어 로직상의 검사와 작성에 적용할 수 있고 제어시스템 사용자 및 관리자 교육에도 사용될 수 있다.
