Performance Monitoring :

Power Plant에서  Performance를 On-Line으로 Monitoring하고 분석하는
시스템을 구축 함으로써 운전자가 Performance의 중요성을 인식하고,
Heat Rate 및 운전/유지보수 비용을 줄일 수 있다.

Performance Monitoring은 플랜트의 계기가 Performance Trend를 감지하고,
관련된 비용을 결정하는데 사용할 수 있도록 설계되어야 한다.

SCIENTECH사의 PMAX는 공정 전체, 개별 구성 요소, 및 계기 수준에서의
Performance에 대한 비 정상적인 부분을 감지하여, 정상 운전시와의 차이
(Heat Rate, Load Penalty, 관련 비용 등)를 나타낸다.

운전부서 에서는 PMAX를 최적 Point에 대한 주요 운전 변수의 차이를 감시하고,
운전 변경에 대한 반응을 예측하며 효과적인 운전과 유지보수의 결정에 대한
중요성을 인식시키는데 사용할 수 있다.

유지보수 부서 에서는 PMAX를 언제 유지보수를 하는 것이 유지보수 비용과
작업 측면에서 가장 효과적이며, 유지보수 작업에 대한 가장 경제적인 이유를
확인하기 위하여 사용할 수 있다.

엔지니어 들은 PMAX를 Heat Rate와 구성 요소의 Performance를 최적화하고,
공정 변경에 대한 Performance와 경제적인 영향을 결정하는 데 사용할 수 있다.

관리자 들은 PMAX를 사용하여 Performance 변화에 대한 순간적 그리고  
축적된 비용을 얻을 수 있으며, 감시 Unit에 대한 최적의 경제적인 달성도를
확인 할 수 있다.

PMAX는 현재 세계적으로 300여개의 Site에서 사용하고 있으며,
주로 다음과 같은 목적으로 사용되고 있다.

• 목표 값과의 차이 및 그 비용 (운전자가 제어할 수 있는)을 그래픽으로
  표현함으로써, 운전자에게 운전 방향을 제시 함.
• On-Line Plant Performance를 제공하므로, 운전자가 현재 운전의 문제를
  감지하고 올바른 방법을 찾을 수 있음.
• Condenser Fouling을 감지하므로, 운전자가 Condenser의 Performance를
  최적화 하기 위하여 필요한 정보를 볼 수 있음.
• 플랜트 설비에 대한 유효성을 입증하기 위한 수단으로 사용함.
• 계기의 고장 및 교정오차를 감지하므로, Input의 Validation을 위하여 사용함.
• 구성요소의 성능 저하를 감시할 수 있으므로 주요 구성요소의 성능을
  Trending 할 수 있으며, 계획되지 않은 가동정지를 최소화하기 위하여
  유지보수에 투입하는 노력을 줄일 수 있다.
• 관심 있는 시기의 운전 활동을 다시 볼 수 있으며,
• PMAX에서 계산된 주요 정보를 Network을 통하여 공유할 수 있다.

PMAX는 자체 개발한 대규모의 내부 데이터베이스 (데이터 수집, Validation된
데이터 및 중간/최종 Performance 결과 저장)를 가지고 있으며, R*TIME Viewer를
통하여 Performance데이터를 의미 있는 형태로 쉽게 표현할 수 있으며 (Trend가
있는 Color Graphic, Alarm, Message 등을 원하는 대로 표현 가능함),
MS-EXCEL로 보낼 수 있다.

PMAX는 자체 Historical Data Storage & Retrieval, Logging, Report기능을
가지고 있으므로, PMAX를 위한 3rd Party 소프트웨어를 구매할 필요가 없다.

PMAX는 프로그램에 대한 지식 없이도 플랜트 모델을 쉽게 구성하고
유지보수 할 수 있으며, 여러 개의 모델을 각각의 이름으로 만들 수 있다.

PMAX는 Model을 만들고 Performance 계산을 쉽게 하기 위하여
모듈 방식으로 설계되어 있으며, 주요 Performance Calculation 기능은 다음과 같다.

(1)     Air Heater Performance and Combustion 분석

(2)     ASME Heat Loss에 의한 Boiler 효율 및 Input/Output Methods

(3)     Boiler Soot-blowing Advisor

(4)     Compressor Performance

(5)     Condenser Performance

(6)     Controllable Losses and Heat Rate

(7)     Cooling Tower Performance

(8)     Fan Performance

(9)     Feed-water Heater Performance

(10)    Full Cycle Mass and Energy Balance

(11)    Gas Turbine Performance

(12)    Generator Performance

(13)    Heat Exchanger Performance

(14)    Heat Recovery Steam Generator Performance

(15)    Pump Performance

(16)    Steam Turbine Performance

(17)    Wet Steam Turbine Performance

PMAX의 주요 Performance Calculation 기능에 대한 상세 내용은 다음과 같다.

(1)     Air Heater Performance and Combustion 분석

Air Heater Performance는 ASME PTC 4.3을 기초로 하며, Combustion Calculation은 ASME PTC 19-10을 기초로 하며, 다음과 같은 계산 결과를 제공한다.

• Gas side 효율,

•  Air side 효율,

•  X-ratio,

• Combustion gas flow,

• Combustion air flow (or firing rate),

• Fuel firing rate,

• Air heater leakage,

• 이론상의 공기,

• Excess air,

• N2 용적 측정,

• O 용적 측정,

• CO2 용적 측정,

• CO 용적 측정,

• Adiabatic flame temperature (단열 불꽃 온도)

• Pounds of dry combustion air per pound of as-fired fuel,

• Pounds of wet combustion air per pound of as-fired fuel,

• Specific heat of combustion air,

• Specific heat of flue gas,

• Ash 생성 비율,

• Products of combustion,

• 연료 혼합 후의 최종 분석

PMAX의 Air Heater Calculation은 Air Heater의 가스와 Tube – Shell – Rotary Regenerative Air Heater에 대한 열 전달의 공기 측 효율을 계산한다.
또한 화학양적인 연소 공정에서 연료와 공기의 연소를 Simulation하기 위하여
연소에 대한 계산을 포함하고 있다.

Regenerative Air Heater의 Seal 누설에 대한 계산은 선택적으로 할 수 있다.

(2)     ASME Heat Loss에 의한 Boiler 효율 및 Input/Output Methods

Boiler Steam Generator 효율 게산은 ASME PTC에 의해 계산된다. Boiler 효율과
Heat Duty는 Waste Fuel, Natural Gas, Fuel Oil, Coal 또는 연소에 관한 부분을
사용하여 계산한다.

계산 결과는 목표 치와 함께 다음 내용을 포함한다.

• Dry gas loss,

• Unburned carbon loss,

• Moisture in fuel loss,

• CO loss,

• H2O in air,

• Atomizing steam loss

• H2 in fuel loss,

• Radiation loss,

• Unspecified loss.

(3)     Boiler Soot-blowing Advisor

보일러의 복사 (Radiative) 및 복사 (Convective) 단계의
통합된 열수력 (Thermal-Hydraulic) 분석을 사용하여 Fouling 단계를 감지할 수 있다.

Fouling 단계의 감지는 감시하는 보일러의 기계적 물리 모델을 이용한다.
각 감시되는 단계의 기하학적 묘사가 직접 수집되는 On-line 데이터와 함께 사용되며,
각 감시 단계의 Heat Balance를 결정하기 위하여 열역학 데이터를 설계한다.

PMAX의 Boiler Shoot-blowing Advisor는 Heat Duty 와
각 감시 단계의 Fouling을 계산한다.

이 계산은 Convective Pass 출구 쪽의 Flue Gas의 속성으로 시작하여
Furnace로 되돌아 간다 (각 단계별로).

각 단계의 스팀 에서 측정되거나 계산된  Heat Duty는 각 단계의 입력단에서
Flue Gas의 속성을 결정하기 위하여 Flue Gas에 더해진다.

보일러 Model들은 Boiler 단계와 시스템 반응을 다음 사항에 반영한다.

• Boiler tube bank 교체 또는 단계 재 설계

• 연료 또는 연료-공기 비율 변경

• Boiler fouling (supercritical boilers를 포함하는 양쪽 drum 및 once-through boilers에서),

• 여러 가지 연료를 소각,

• Changes in unit operation.

(4)     Compressor Performance

Compressor Performanc를 사용하여 다음 결과를 제공하는 Stage Inter-cooling을
가진 최대 열가지 단계의 Compressor를 만들 수 있다.

• Speed ratio,

• Density ratio,

• Corrected flow,

• Inlet gas의 Cv,

• Inlet gas의 Enthalpy,

• Inlet gas의 Entropy,

• Inlet gas의 Specific volume,

• Inlet gas의 K,

• Inlet gas의 Cp,

• Outlet gas의 Cv,

• Outlet gas의 Enthalpy,

• Outlet gas의 Entropy,

• Outlet gas의 Specific volume,

• Outlet gas의 K,

• Outlet gas의 Cp,

• Compressor의 실제와 기대 compression 비율,

• Total gas의 N,

• Overall pressure ratio,

• Overall temperature ratio,

• Shaft efficiency,

• Gas efficiency,

• Corrected discharge pressure,

• 교정된 Shaft power,

• 교정된 Efficiency,

• Volume ratio.

(5)     Condenser Performance

Condenser Performance는 HEI 표준을 사용한다. 사용자는 Performance에 영향을
미치는 Condenser Tube 정보 (Plugged Tube의 수, 직경, 길이, 물질 속성)를
쉽게 변경할 수 있다.

Condenser Performance는 최선의 도달 가능한 목표를 가지고 다음 결과를 제공한다.

• Cleanliness factor,

• Heat transfer coefficient,

• Terminal temperature difference,

• Tube side velocity,

• Heat duty,

• Subcooling.

(6)     Controllable Losses and Heat Rate

제어 가능한 손실과 관련 비용은 제공된 목표 값과 Heat Rate 편차 곡선을 기초로 계산된다. 그 결과는 가장 효과적인 운전을 위하여 운전자가 제어 가능한 최선의 Parameter들을 결정하기 위하여 사용된다. 각 측정된 Parameter들은 각 개별적인 Heat Rate효과와 관련 비용을 제공하기 위하여 운전자가 최고로 도달할 수 있는 목표 값과 비교된다. 또한 전체 Penalty와 비용을 계산할 수 있다.

수평 및 수직 BAR는 비용, Heat Rate, Power를 표현하기 위하여 사용자가 선택 시 제공된다.

Display상의 모든 Parameter들은 마우스를 클릭함으로써 빠르고 쉽게 접근할 수 있다 (실시간 또는 Historical 정보).

(7)     Cooling Tower Performance

Cooling Tower Performance는 Cooling Tower의 Fill의 감소 효과 또는 다른 잠재적인 열전달 문제를 찾는 것을 지원하기 위하여 Cooling Tower의 출력단 온도, Tower 용량, 물 흐름의 순환을 예측한다.

강제 통풍 방식의 Cooling Tower에서는 보조적인 전력 소비를 줄이기 위하여 적정한 Cooling Tower Fan의 수를 계산할 수 있다.

(8)     Fan Performance

FD, ID 또는 다른 Fan에 적용할 수 있는 다음의 Performance 지수 (Indices)를 제공한다.

• Speed ratio,

• Density ratio,

• Fan efficiency,

• Static Fan efficiency,

• Corrected flow,

• Corrected outlet pressure,

• Corrected efficiency.

(9)     Feed-water Heater Performance

Feed-water Heater Performance는 전체 플랜트의 Performance에 주요한 영향을 미친다. Drain Level이나 열 전달 문제는 Performance와 Maintenance의 빠른 저하를 가져온다.

실시간 Feedwater heater terminal temperature difference (TTD), Drain cooler approach (DCA), 및 Tube side temperature 증가가 계산되며, 최대로 도달할 수 있는 목표와 비교한다.

서비스중인 Heater는 자동으로 계산된다.

추가적으로 다음 항목에 대해서도 계산한다.

• Extraction steam flow,

• Drain outlet flow,

• Drain outlet enthalpy,

• Tube side outlet enthalpy.

(10)    Full Cycle Mass and Energy Balance

열역학 제1법칙 (First Principles)를 기초로 전체 Cycle에 대한 Mass 및 Energy Balance를 제공한다.

(11)    Gas Turbine Performance

• Thermal efficiency,

• Turbine wheel power,

• Isentropic efficiency,

• Bowl sonic velocity,

• Shell sonic velocity,

• Bowl enthalpy,

• Shell enthalpy,

• Bowl velocity,

• Shell velocity,

• Bowl volumetric flow,

• Shell volumetric flow,

• Heat Input in Fuel,

• Heat Input in Injection,

• Total Heat Input,

• Heat Output in Exhaust Gases to HRSG or stack,

• Combustion zone temperatures,

• Power turbine efficiencies,

• Heat Rate (HHV or LHV),

• Corrected Power Output to ISO Conditions,

• Corrected Heat Rate to ISO Conditions,

• Deviation between corrected heat rate and design heat rate,

• Deviation between corrected efficiency and design efficiency,

• Exhaust Flow Rate

• Inlet Filter Pressure Drop (Unless direct measurement is available).

또한 Performance를 최대화하기 위하여 Compressor Water Washing의 감지를 지원할 수 있는 정보를 제공한다.

측정된 NOx는 NOx Limit와 비교하여, 초과할 경우 운전자에게 경보를 울린다.

Thermocouple Swirl 분석을 제공한다.

(12)    Generator Performance

Generator Performance는 Performance를 결정하기 위한 표로 산출 된 정보와 함께 D curve 형태로 감시할 수 있다. 또한 H2 압력, Power Factor, H2 purity power effect들을 계산한다.

(13)    Heat Exchanger Performance

Heat Exchanger 모듈은 주로 Feedwater Heater가 Plugging, Tube Sheet의 누설, Flooding으로 인하여 감시되는 Heater TTD/DCA, 영향, 열전달 계수의 영향을 계산하기 위하여 설계되었다.

DCA, TTD, 영향, State Point 상태를 계산하기 위하여 운전 데이터와 경험적 상수가 사용된다.

비교에 대한 Output 값을 감시된 상태에 재 계산하기 위하여 Plugged Tube, Tube Sheet의 누설, Flooding 및 구역 열전달 계수가 사용된다.

이 모듈은 기본적인 Heat exchanger 설계와 이상적인 상태로부터의 “What If” 차이를 위하여 사용될 수도 있다. 또한 Condenser, steam Packing Exhauster, Tube 출구와 Drain 상태를 예측하기 위한 다른 heater Exchanger를 Modeling하기 위하여 사용할 수도 있다.

(14)    Heat Recovery Steam Generator Performance

ASME PTC 4.4를 기초로 한 절차를 바탕으로 각 HRSG에 대하여 다음 계산을 수행한다.

• Heat Input in Exhaust Gases from CT,

• Heat Output in steam going to auxiliaries,

• Heat Output in Steam at each stage,

• Heat Output due to blowdown in each drum,

• Heat Losses in stack gas,

• Casing heat loss (radiation),

• Operating Efficiency - Heat Loss Method,

• Flue gas flow,

• Combustion air flow,

• Products of combustion,

• Combustor adiabatic flame front temperature,

• Exhaust Gas Temperature profile, and

• Actual approach and pinch on each HRSG stage modeled.

(15)    Pump Performance

Feed Pump Power, Head, Corrected Head, Efficiency, Enthalpy 증가 및 Service flag를 제공한다. 운전자에게 문제를 빨리 경보 신호로 보내기 위하여 설계 및 기대 Head에 대하여 실제 및 수정된 Head의 Plot이 Plot 된다.

(16)    Dry Steam Turbine Performance

Dry Turbine 간계의 Efficiency를 결정하기 위하여 ASME PTC 6 “Enthalpy Drop” Efficiency 계산이 사용된다.

Turbine Cycle Performance를 감시하는 과정에서, 다음 Parameter가 계산된다.

• Stage and section efficiency,

• Stage power,

• Exhaust velocities,

• Exhaust enthalpy.

(17)    Wet Steam Turbine Performance

다음 결과를 제공하는 Turbine 제조업체의 절차를 사용하여 Wet Steam Turbine Performance를 계산한다.

• Used energy end point (UEEP),

• Expansion Line End Point (ELEP),

• Exhaust loss,

• Enthalpy in wet region,

• Stage efficiency, and

• Stage power.

PMAX는 상기 기능 이외에 다음과 같은 다양한 공정 진단 기능을 제공하나 지면 관계로 상세 설명은 다음 기회로 미루고자 한다.

• Point Attributes and Trends,

• Diagnostic Decision Trees,

• Data Quality Alarms,

• Operational Alarms

• PMAX. On-Demand Processor,

• Mollier Diagram - Expansion Line Plots,

• Steam Table Program,

• PEPSE./PMAX. Link,

• “What If” Predictive

PMAX는 열병합 발전의 Performance Monitoring을 위한 모든 Solutions를 제공하고 있으며, 이를 사용하여 하기와 같은 이익을 얻을 수 있다.

• Heat Rate 감소

• 플랜트 성능 및 성능 저하 감시

• 플랜트 공정의 최적화

• 운전에 대한 문제 진단

• 연료 비용 감소

• 대기 오염 감소

• 손실된 Power의 감지

실제 Power Plant의 개선 작업 시 PMAX를 사용하여 Feedwater Heater Bypass 문제를 감지하여 연료를 년간 US$150,000 절감한 경우, High Gas Temperature를 확인하여 공정 개선을 하는 경우 등의 다양한 PMAX 활용 보고서를 인터넷 상에서도 쉽게 접할 수 있습니다.