KR100403887B1 - 보일러 증기 생산 제어장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 보일러에서 증기의 생산을 제어하는 장치에 관한 것으로서, 증기드럼에서의 압력과 증기리시버 탱크에서의 압력에 대한 상한치를 설정하고, 어느 하나의 압력이 상기 상한치에 도달하면 상기 압력이 상기 상한치에 미달할 때까지 10% 감소된 값을 출력하는 신규설정부와, 현재 가동중인 고압모터의 작동제어용 제어값을 출력하는 기존설정부와, 상기 신규설정부의 출력값과 기존설정부의 출력값을 비교하고, 상기 출력값들 사이의 편차를 최소화하기 위해 그들의 평균값을 산출하는 비교부와, 증기압력 제어밸브의 개도가 일정치 이상인지 여부를 검출하고 그 검출치를 출력하는 제한부와, 상기 제한부의 출력결과에 따라 증기압력 제어밸브의 개도가 일정치 이상이면 상기 신규설정부의 출력치를 제어값으로 출력하고, 증기압력 제어밸브의 개도가 일정치 미만이면 상기 기존설정부의 출력치를 제어값으로 출력하는 선택출력부를 구비하는 것을 특징으로 하므로, 고온에 의한 과열을 방지하고 냉풍의 유입을 최소화하여 온도와 압력에 따라 증기를 최적으로 생산할 수 있도록 한다.

Description

보일러 증기생산 제어장치{An apparatus for controlling a producing of steam in a boiler}

본 발명은 보일러의 증기생산 제어장치에 관한 것으로서, 고온에 의한 과열을 방지하고 냉풍의 유입을 최소화하여 온도와 압력에 따라 증기를 최적으로 생산할 수 있는 보일러의 증기생산 제어장치에 관한 것이다.

일반적으로, 폐열을 회수하여 증기 및 온수를 생산하는 수관식(FIN TUBE TYPE) 폐열회수 보일러(WASTE HEAT RECOVERY BOILER)에서 슈퍼히터에 열(혹은 열풍)을 전달하도록 열원에 설치된 후드(HOOD)를 통해 열을 강제로 빨아들이기 위해 고압모터가 사용된다. 이러한 고압모터를 연속적으로 자동제어하기 위한 제어값은 증기설정부(SETTER)에서 연속적으로 출력된다. 증기설정부에서는 보일러의 출구에서 측정되는 증기유량, 증기압력 및 증기온도를 직선화하고 온도와 압력을 보상한 뒤 설정루프에서 얻어진 제어값을 고압모터에 연속으로 출력한다.

즉, 설정경로에서 얻어진 값은 보일러 제어그룹으로 입력된다. 5개 그룹으로 나누어진 보일러 제어그룹은 연산 및 제어 프로그램을 통해서 제어값을 결정한다. 6개의 제어조건을 만족시키는 제어값은 고압모터가 자동제어되도록 연속적으로 출력된다. 그리하여, 자동제어된 고압모터에 의해 공급되는 열 또는 열풍은 슈퍼히터를 승온시키고 그 결과 보일러의 수관(FIN TUBE)을 순환하는 물이 가열되어 증기 및 온수를 생산한다.

하지만 다음과 같은 문제점이 있다.

첫째, 증기설정부의 제어값은 보일러 출구의 증기유량, 증기압력 및 증기온도를 단순히 직선화하고, 온도와 압력을 보상하여 얻어지므로 이러한 제어값이 실시간으로 전달되는 현장의 고압모터도 역시 직선값으로 제어된다. 결과적으로, 헌팅현상(HUNTING)이 발생하게 되면 고압모터의 제어에서도 헌팅현상이 나타나게 된다.

둘째, 증기의 생산을 결정하는 증기설정부의 제어값은 슈퍼히터의 온도변화에 따른 영향을 받는 증기드럼과 탈기기의 출력값을 포함하지 않고 너무 단순하게 되어 있다. 따라서, 제어값이 급격하게 헌팅되어 고압모터의 작동이 급격하게 변함으로써 슈퍼히터의 온도변화가 급격하게 되면 증기드럼과 탈기기의 압력이 급팽창하게 되어 위험이 따른다.

셋째, 증기설정부의 제어값에는 슈퍼히터의 열량을 결정하는 데 중요한 요소인 슈퍼히터의 입구측 열의 유입량이 포함되어 있지 않으므로 상기 제어값이 헌팅하여 고압모터의 회전이 변하게 되면 슈퍼히터에 인입되는 열의 유입량이 변하게 된다. 예를 들어, 열풍의 유입 후 즉시 냉풍이 유입되는 결과가 발생할 수 있다.

전술한 바와 같이 헌팅요소를 고려하지 않고 증기설정부의 제어값이 고압모터에 전달되므로, 헌팅현상이 발생하게 되면 고압모터의 회전이 변하게 되고 결과적으로 슈퍼히터에 인입되는 열의 유입량이 변하게 되어 열풍의 유입 후 즉시 냉풍이 유입되거나 그 반대현상이 발생된다. 특히, 열풍이 급격하게 유입되면 슈퍼히터가 과열되고 그 결과 증기드럼과 탈기기에서의 압력 및 각 배관에서의 압력이 급상승하게 되면서 증기드럼 및 탈기기의 제어출력이 급격하게 헌팅된다.

또한, 소결냉각기의 열풍이 거의 소모되어 주변공기의 냉풍이 슈퍼히터로 인입되면 슈퍼히터가 급격히 냉각되면서 증기드럼과 탈기기가 냉각되고, 그 결과 증기드럼의 내부에 물이 차게되어 증기를 생산할 수 없게 되는 등의 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 보일러의 증기생산 제어장치에서 특히, 열원의 온도변화가 심하더라도 자동운전모드에서 증기생산량 설정부의 출력범위의 변동을 안정되게 하기 위하여 증기설정부는 증기드럼과 증기리시버 탱크의 압력에 대한 상한치를 설정하고 어느 하나의 압력이 상한치에 도달하면 일정값(10%)씩 감소된 제어값을 출력하며, 증기출구 압력밸브의 열림이 30% 이상이 되었을 경우 현재의 증기설정부의 제어값과 기존의 증기생산량 설정부의 제어값을 선택적으로 출력하여 고온에 의한 과열을 방지하고 냉풍의 유입을 최소화하여 온도와 압력에 따라 증기를 최적으로 생산할 수 있는 보일러의 증기생산 제어장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위하여, 열원으로부터 고압모터를 경유하여 슈퍼히터에 유입된 열이 탈기기에서 증기드럼으로 유입된 물을 가열함으로써 증기를 생산되고, 상기 증기가 상기 증기드럼에서 증기리시버 탱크로 배출되는 보일러에서 상기 증기의 생산을 제어하는 장치는 상기 증기드럼에서의 압력과 상기 증기리시버 탱크에서의 압력에 대한 상한치를 설정하고, 어느 하나의 압력이 상기 상한치에 도달하면 상기 압력이 상기 상한치에 미달할 때까지 10% 감소된 값을 출력하는 신규설정부와, 현재 가동중인 고압모터의 작동제어용 제어값을 출력하는 기존설정부와, 상기 신규설정부의 출력값과 기존설정부의 출력값을 비교하고, 상기 출력값들 사이의 편차를 최소화하기 위해 그들의 평균값을 산출하는 비교부와, 증기압력 제어밸브의 개도가 일정치 이상인지 여부를 검출하고 그 검출치를 출력하는 제한부와, 상기 제한부의 출력결과에 따라 증기압력 제어밸브의 개도가 일정치 이상이면 상기 신규설정부의 출력치를 제어값으로 출력하고, 증기압력 제어밸브의 개도가 일정치 미만이면 상기 기존설정부의 출력치를 제어값으로 출력하는 선택출력부를 구비하는 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명이 적용되는 보일러의 고압모터 제어부의 개략도;

도 2는 본 발명에 따른 증기 설정부의 제어를 도시한 전체 블럭도;

도 3은 도 1과 도 2를 결합시킨 본 발명에 따른 제어장치의 블럭도;

도 4는 본 발명에 따른 동, 하절기 사용온도 및 증기발생량 평균치를 도시한 도표;

도 5는 본 발명에 따른 증기 발생량 증가추이를 도시한 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 보일러 제어그룹 20 : 히트 제어그룹

40 : 조건로직부 50 : 선택부

60 : 고압모터 70 : 신규설정부

80 : 비교부 90 : 선택출력부

100 : 기존설정부 110 : 제한부

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명은 설명한다.

도 1을 참조하면, 고압모터 제어부는 증기설정부의 제어값(A)을 수신하는 증기생산량 설정부(11)를 포함하는 보일러 제어그룹(10)과, 히트제어그룹(20)과, 온도제어그룹(31)과, 유량제어그룹(32)과, 회전수 제어그룹(33)과, 제어조건(D)를 입력받는 조건로직부(40)와, 선택부(50)와, 고압모터(60)로 구성된다. A는 후술하는 증기설정부의 선택출력부(90)에서 출력되는 제어값이고, B는 탈기기를 비롯한 기기들의 출력신호이며, D는 제어정보의 조건이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 증기설정부는, 신규설정부(70)와, 기존설정부(100)와, 신규설정부(70) 및 기존설정부(100)의 출력값을 입력받아 비교하는 비교부(80)와, 증기압력 제어밸브의 개방도(G)를 알 수 있는 제한부(110)와, 비교부(80), 기존설정부(100) 및 제한부(110)의 출력값을 입력받아 제어값을 선택적으로 증기생산량 설정부(11)에 출력하는 선택출력부(90)로 이루어진다. E는 도시되어 있지 않은 증기드럼, 탈기기 및 증기리시버탱크의 압력과 보일러의 슈퍼히터에 인입되는 열의 유입량 및 배출되는 증기유량에 대한 출력값이고, G는 증기압력 제어밸브의 개방상태를 나타내는 출력신호이다.

한편, 도 3은 도 1과 도 2의 구성을 결합시킨 도면이다.

전술한 구성의 본 발명은, 탈기기에서 슈퍼히터를 거쳐 유입되어 보일러의 수관을 순환하는 물은 고압모터의 동작에 의해 슈퍼히터로 유입된 열 또는 열풍에 의해 증기로 기화되고, 증기는 증기드럼의 기수분리기에 수집된다. 그리고, 기수분리기에 수집된 증기는 증기리시버 탱크를 향해 배출된다.

이때, 신규설정부(70)는 실시간으로 변동하는 증기드럼의 압력과 수처리실에서 이온처리된 물, 즉 연수의 유입량에 대한 신호를 수신받는다. 연수는 저압순환펌프의 동작에 의해 슈퍼히터를 순환하면서 고압모터를 통해 공급된 열풍에 의해서 예열된다. 예열된 연수는 증기드럼으로 공급된다. 탈기기에서 압력의 평균값(E)은 신규설정부(70)에 제공된다. 그리고, 증기드럼의 기수분리기에 수집된 증기의 압력과 증기리시버 탱크로 향하는 증기유량의 압력의 평균값도 신규설정부(70)에 제공된다.

이는 보일러에서 증기발생시점을 기준으로 할 때, 증기를 생산하기 전까지의 입력치와 증기가 발생하여 배출될 때의 배출치로 구분하고, 이러한 입력치와 배출치는 주요한 설비 및 루프의 압력값으로 취해진다. 위에서 서술한 과정의 결과를 다시 평균값으로 1차연산을 실행하여 입력에 대한 배출을 안정하게 한 뒤 이 결과값에 소결냉각기에서 빨려오는 열풍이 슈퍼히터로 인입될 때 현재의 고압모터 제어에 따른 슈퍼히터 인입부의 유입열량과 증기드럼에서 증기리시버 탱크로 향하는 증기의 유량값을 취한다. 그러면, 슈퍼히터에 인입되는 열풍의 유량에 따른 출구의 증기생산량 변화를 실시간으로 사용할 수 있으므로, 이 두가지의 평균값에 제어범위 조정을 위한 보정계수(75%)를 삽입하여 조정된 출력치가 더해져서 제어출력을 조정하기 위한 조정계수(100%)를 감하게 된다. 이 출력을 압력에 대해서 지속적으로 감시하고 반응하여 제어하도록 증기드럼 및 증기 리시버탱크의 압력에 대해 상한치를 설정하는 데, 이는 과열에 의한 배관 및 증기드럼의 이상팽창을 방지하기 위함이다. 증기드럼에서의 상한치는 조업관리 한계인 13.5kg/㎠로 설정된다.

그리고, 증기리시버 탱크에서의 상한치는 13kg/㎠로 설정된다. 출력치, 즉 압력중 어느 하나가 상한치에 도달하면 10%씩 감소된 출력치가 신규설정부(70)에서 비교부(80)로 전송된다. 이때, 전송된 출력치는 비교부(80)에서 기존설정부(100)의 출력치와 비교되고, 출력치들 사이의 편차를 최소화하기 위하여 평균값으로 계산된 다음 선택출력부(90)로 출력된다. 보일러의 자동운전조건이 완료되면, 제한부(110)에서도 증기압력 제어밸브의 개도가 30% 이상이 되었음을 감지하면, 이를 선택출력부(90)로 출력한다. 이 후에, 선택부(90)에서는 신규설정부(70)의 출력치를 제어값(A)으로 선택하게 된다.

그러나, 증기압력 제어밸브의 개도가 30% 미만인 경우에 선택출력부(90)에서는 기존설정부(100)의 출력치를 제어값(A)으로 선택하여 보일러 제어그룹(10)의 증기생산량 설정부(11)로 전송한다. 이렇게 함으로써 증기를 생산하는 보일러의 전후단의 각 압력에 대한 제어요소를 포함하였다. 그리고, 슈퍼히터를 기준으로 하여 유입열량과 출구의 증기유량을 이용해서 운전경험치에 의하여 가장 안정된 조정계수 및 보정계수를 찾아 계산을 하고 그 평균값을 취하여 외부 제어요인의 변화에 따른 헌팅을 최소화하였다. 또한, 기존설정부(100)의 출력치와의 편차를 최소화하기 위해 비교한 후 그 평균값을 취하였다.

그리고, 안전도를 향상시키기 위하여 압력에 대한 관리치를 설정하고 이상과열이나 압력의 급팽창이 발생하는 경우에 출력치를 감소하도록 함으로써 증기생산량설정부(11)에서의 출력을 보다 안정되면서 안전하게 할 수 있다.

본 실시예는 고압모터 제어부의 전체제어 프로그램에 있어서 보일러 제어그룹에서 입력받는 증기생산량 설정부(11)의 출력에 한해서만 기존의 제어방법을 취하지 않고 소결냉각기의 온도와 슈퍼히터에 인입되는 열 또는 열풍의 온도를 관리한다. 따라서, 동절기 또는 조업상황이 나빠져 온도가 240℃ 이하인 경우에, 온도가 300℃ 이상이면 온도의 급상승을 방지하기 위하여, 수동모드에서 증기생산을 위해 설정된 온도범위를 기준으로 하여 증기생산량 설정부(11)에서의 출력치 적용하였다. 그 조업결과는 도 4 및 도 5와 같은 결과로 얻어진다.

도 4와 도 5를 참조하면, 종래보다 증기의 생산량이 시간당 평균 3TON이 증가하였으며 계절별, 월별 생산량이 높은 시간대에서 증기의 생산량은 시간당 평균 10TON이 증가하였다.

그래서, 자동운전모드에서 증기생산량 설정부(11)에서 출력치의 변동범위를 안정화시키기 위해서 증기드럼과 탈기기의 압력값을 받아 평균값을 취하고 증기리시버 탱크의 증기압력을 입력받아 평균값을 취한 뒤, 두개의 평균값으로 1차연산을 실행한다.

그리고, 그 결과값에 보일러입구의 가스유량과 증기유량의 평균값으로 연산된 결과를 가지고 계산을 하여 증기드럼 및 증기리시버 탱크의 압력에 대한 상한치를 설정하였다. 이때, 어느 하나의 압력이 상한치에 도달하면, 상한치에 미달할 때까지 신규설정부(70)에서는 10%씩 감소된 출력치를 내보낸다. 그리고 나서 모든 압력이 상한치에 미달하게 되면, 그 출력치는 기존설정부(100)의 출력치과 함께 평균값으로 계산된 후 비교부(80)로 출력된다. 증기압력 제어밸브의 개도가 30% 이상인 경우에만, 선택출력부(90)에서는 신규설정부(70)의 출력치를 제어값(A)으로 자동으로 선택되어 출력한다.

그리하여 외부요인에 의한 영향을 최소화하고 압력 및 유량의 제어요소를 반영하여 안정된 출력으로 고압모터의 회전수 제어를 안정되게 할 수 있어 여름철 열풍유입을 억제하여 고온에 의한 과열을 방지하고 냉풍의 유입도 최소화하게 되므로 수동으로 운전하던 온도범위대에서 안정적이고 지속적으로 자동운전이 가능하여 증기의 생산량을 온도와 압력에 따라 최적으로 생산할 수 있어 안전도 및 생산성 향상을 얻게된다.

본 발명에 따른 보일러의 증기생산 제어장치는 증기드럼과 증기리시버 탱크의 압력과 슈퍼히터에 유입되는 열량을 고려하여 고압모터의 작동을 제어함으로써 고온에 의한 과열을 방지하고 냉풍의 유입을 최소화하여 온도와 압력에 따라 증기를 최적으로 생산할 수 있도록 한다.

Claims (2)

1. 열원으로부터 고압모터를 경유하여 슈퍼히터에 유입된 열이 탈기기에서 증기드럼으로 유입된 물을 가열함으로써 증기를 생산되고, 상기 증기가 상기 증기드럼에서 증기리시버 탱크로 배출되는 보일러에서 상기 증기의 생산을 제어하는 장치에 있어서,

   상기 증기드럼에서의 압력과 상기 증기리시버 탱크에서의 압력에 대한 상한치를 설정하고, 어느 하나의 압력이 상기 상한치에 도달하면 상기 압력이 상기 상한치에 미달할 때까지 10% 감소된 값을 출력하는 신규설정부와,

   현재 가동중인 고압모터의 작동제어용 제어값을 출력하는 기존설정부와,

   상기 신규설정부의 출력값과 기존설정부의 출력값을 비교하고, 상기 출력값들 사이의 편차를 최소화하기 위해 그들의 평균값을 산출하는 비교부와,

   증기압력 제어밸브의 개도가 일정치 이상인지 여부를 검출하고 그 검출치를 출력하는 제한부와,

   상기 제한부의 출력결과에 따라 증기압력 제어밸브의 개도가 일정치 이상이면 상기 신규설정부의 출력치를 제어값으로 출력하고, 증기압력 제어밸브의 개도가 일정치 미만이면 상기 기존설정부의 출력치를 제어값으로 출력하는 선택출력부를 구비하는 것을 특징으로 하는 보일러의 증기생산량 제어장치.
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