KR100703868B1 - 다단 공기 공급 연소 시스템의 제어 방법 - Google Patents

다단 공기 공급 연소 시스템의 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 폐루프 제어를 이용하여 현재 화염의 상태를 파악하고 일산화탄소와 질소산화물의 배출을 줄이기 위해 공기공급 시스템의 유량을 조절하여 최적의 운전 상태를 유지할 수 있는 다단 공기 공급 연소 시스템의 제어 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 방법은, 화염에서 발생하는 일산화탄소와 질소산화물의 중간생성물인 OH, CH, C2의 화학 발광 에너지를 집광하여, 화염으로부터 발광하는 화학 발광 에너지중 OH, CH, C2의 파장 대역의 광 에너지만 선택적으로 통과시킨 후에 이를 측정하여 전기 적인신호로 변환시키고, 각 단의 연소 장치로 공급되는 연료 및 공기의 유량을 측정하여 전기 신호로 변환시키는 단계와; 상기 전기 신호의 세기로부터, 화염의 현재 상태를 파악하여 실시간으로 표시하는 한편, 배기가스 중의 일산화탄소와 질소산화물의 상태를 판단하는 단계와, 상기 판단으로부터 각 단의 연소 장치로 공급되는 공기 유량을 조절하는 단계와, 상기 단계를 연속적인 피드백 제어를 통해 반복적으로 수행하여 최적의 화염 상태를 선택하고, 이 상태로 연소 장치를 운전하는 단계를 포함한다.
다단 연소 장치, 버너, 공기 유량 제어, 집광 장치, 분광기

Description

다단 공기 공급 연소 시스템의 제어 방법{Method for controlling multistage combustion system}
도 1은 본 발명에 따른 다단 공기 공급 연소 시스템의 제어 방법을 수행하기 위한 시스템의 개략 블록도.
도 2는 본 발명에 따른 다단 공기 공급 연소 시스템의 제어 방법의 제어 과정을 나타내는 도면.
도 3은 본 발명에 따른 다단 공기 공급 연소 시스템의 제어 방법에서 사용되는 다단 공기 공급 연소 장치의 평면도.
도 4는 도 3에 도시된 다단 공기 공급 연소 장치의 배면도.
도 5a는 본 발명에 따른 다단 공기 공급 연소 시스템의 제어 방법에서 사용되는 집광 장치를 개략적으로 도시한 도면.
도 5b는 본 발명에 따른 다단 공기 공급 연소 시스템의 제어 방법에서 사용되는 다른 형태의 집광 장치를 개략적으로 도시한 도면.
도 6은 본 발명에 따른 다단 공기 공급 연소 시스템의 제어 방법에서 사용되는 분광 장치를 개략적으로 도시한 도면.
도 7은 화염에서 발생하는 OH, CH, C2의 당량비에 따른 화학 발광 세기의 관계를 도시한 그래프.
(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)
1 : 버너 2 : 공기 및 연료 유량 측정부
3 : 광학 측정부 4 : 제어부
5 : 노즐 6 : 공기 공급 장치
7 : 연료 공급원 8a, 8b, 8c : 공기 유량 제어 솔레노이드 밸브
9 : 연료 유량 제어 솔레노이드 밸브
10a,10b,10c : 공기 유량계 11 : 데이터 수집부
12 : 연료 유량계 13, 13a, 13b : 집광 장치
14 : 분광기 15 : 공기 유량 제어부
16 : 자외선 렌즈 17, 22 : 밴드 패스 필터
18, 23 : 광전 증배관 19 : 콜리메이터 렌즈
20 : 광섬유 21 : 이색성 거울
24 : 제어 로직
본 발명은 다단 공기 공급 연소 장치의 제어 방법에 관한 것이고, 보다 상세하게는 화염에서 발생하는 일산화탄소와 질소산화물의 중간생성물인 OH, CH, C2의 화학 발광 에너지(복사 에너지)를 측정하여 일산화탄소와 질소산화물을 예측하여 배기 가스중의 오염 물질을 최소화하는 다단 공기 공급 연소 시스템의 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 다단 공기 공급 연소 시스템은 여러 연소 단계로 구별되어 각 단계별로 연료와 공기가 공급되고, 각 단계별로 산소 농도를 제어하기 위한 PID(Proportional Integrate Derivative) 제어기가 설치된 연소 설비에서 연소 가스중 산소 농도를 제어할 때, 각각의 PID 제어기에 공기비 조절기가 설치되어, 연도에 설치된 산소 농도 측정 장치에서 측정된 산소 농도를 피드백시켜, 산소 농도 설정값과 측정값의 오차를 감소시키도록, PID 제어기를 이용하여 공기비 조절기를 작동시켜 공연비의 설정값을 조절함으로써, 공기 유량의 조절로 산소 농도를 추출한다.
대한민국 특허등록 제 10-0328951호에는 연소 가스 중 산소농도를 측정하여 최적의 연소를 실시하는 방식이 제안되어 있으며, 미국 특허 제5,480,298호에는 배기가스중의 질소산화물을 줄이기 위해 화염의 OH 복사 에너지를 측정하여 온도를 측정하는 방법이 사용되고 있다.
또한, 종래의 다단 공기 공급 연소 시스템에서 언급하는 제어로서 작업자가 직접 화염의 가시적인 모양이나 색을 육안으로 확인하여 화염을 조절하거나 또는 배기가스를 작업자가 직접 측정하여 운전조건을 변경시키는 방법이 있다.
그러나, 종래의 기술은 측정기를 통하여 측정하였을지라도, 이는 피드백 제어가 아닌 개루프 제어이기 때문에, 시간과 노동력, 연료 등이 많이 소비된다. 그리고 작업자가 직접 화염의 상태를 육안으로 파악하여 연소시스템의 운전 조건을 정하는 것은 작업자의 가시오차를 무시할 수 없으며, 또한 외부 환경의 갑작스런 변화에 적응을 하지 못한다. 그러나 이러한 단점보다 가장 큰 문제점은 실시간의 제어가 힘들다는 것이다.
따라서, 본 발명의 목적은 폐루프 제어를 이용하여 현재 화염의 상태를 파악하고 일산화탄소와 질소산화물의 배출을 줄이기 위해 공기공급 시스템의 유량을 조절하여 최적의 운전 상태를 유지할 수 있는 다단 공기 공급 연소 시스템의 제어 방법을 제공하는데 있다.
상기된 바와 같은 목적은, 화염에서 발생하는 일산화탄소와 질소산화물의 중간생성물인 OH, CH, C2의 화학 발광 에너지를 집광하여, 화염으로부터 발광하는 광 에너지중 OH, CH, C2의 파장 대역의 광 에너지만 선택적으로 통과시킨 후에 이를 측정하여 전기 적인신호로 변환시키고, 각 단의 연소 장치로 공급되는 연료 및 공기의 유량을 측정하여 전기 신호로 변환시키는 단계와; 상기 전기 신호의 세기로부터, 화염의 현재 상태를 파악하여 실시간으로 표시하는 한편, 배기가스 중의 일산화탄소와 질소산화물의 상태를 판단하는 단계와, 상기 판단으로부터 각 단의 연소 장치로 공급되는 공기 유량을 조절하는 단계와, 상기 단계를 연속적인 피드백 제어를 통해 반복적으로 수행하여 최적의 화염 상태를 선택하고, 이 상태로 연소 장치를 운전하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 본 발명에 따른 다단 공기 공급 연소 시스템의 제어 방법에 의해 달성될 수 있다.
상기에서, 화염에서 발생하는 일산화탄소와 질소산화물의 중간생성물인 OH, CH, C2의 화학 발광 에너지의 집광은 연소 장치의 버너 전단의 난류 화염의 축방향 중심 위치에 초점을 맞추어 화염의 광을 직사하는 것에 의하여 수행된다.
상기에서, 집광된 화염에서 발생하는 일산화탄소와 질소산화물의 중간생성물인 OH, CH, C2의 화학 발광 에너지중 OH, CH, C2의 파장 대역의 발광 에너지가 밴드 패스 필터에 의해 필터링된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 명세서에 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 다단 공기 공급 연소 시스템의 제어 방법을 수행하기 위한 시스템의 개략 블록도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 다단 공기 공급 연소 시스템의 제어 방법을 수행하는 제어부는 버너(1)로 공급되는 공기 및 연료의 유량을 측정하기 위한 공기 및 연료 유량 측정부(2), 버너(1)로부터 발생하는 화염에서 발생하는 OH, CH, C2의 화학 발광 에너지를 측정하는 광학 측정부(3), 및 공기 및 연료 유량 측정부(2) 및 광학 측정부(3)로부터 입력된 전기 신호에 따라서 버너(1)의 화염을 제어하기 위한 제어부(4)를 포함한다.
버너(1)는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 3단의 다단 연소기를 가지며, 연료 공급원(7)으로부터 공급된 연료가 중앙에 배치된 노즐(5)로부터 분사되는 한편, 각 단의 연소로에 각각 송풍기와 같은 공기 공급 장치(6)로부터 공기가 공급된다. 공기 공급 장치(6)로부터 공급되는 공기는 각각의 공기 유량 제어 솔레노이드 밸브(8a,8b,8c)에 의해 그 유량이 조정되어 버너(1)로 공급되고, 연료 또한 연료 유량 제어 밸브(9)에 의해 그 유량이 조정된 상태에서 버너(1)로 공급된다.
도 4에 도시된 바와 같이 각 연소기는 난류기가 설치되고, 이러한 난류기에 의해 각 연소기에서는 난류 화염이 만들어진다. 예를 들어, 1단의 연소기에서의 와류각도는 60°, 2단에서는 45°, 3단에서는 30°로 설정될 수 있다. 이러한 각 연소기에서의 와류 각도는 공급되는 공기 유량에 따라서 변할 수 있다. 그러므로, 공급되는 유량이 변할 때, 버너(1)의 전체 와류도가 변하기 때문에, 버너(1)의 화염상태가 변하게 된다.
공기 공급 장치(6)로부터 발생된 공기는 레귤레이터(도시되지 않음)에 의해 일정한 압력으로 조정된 상태에서, 각 공기 공급 라인에 설치된 공기 유량 제어 솔레노이드 밸브(8a,8b,8c)에 의해 그 유량이 조정된 상태에서 버너(1)의 각 단의 연 소기로 공급되며, 버너(1)의 각 단의 연소기로 공급되는 공기 유량은 공기 유량을 측정하도록 공기 및 연료 유량 측정부(2)를 구성하는 공기 유량계(10a,10b,10c)에 의해 측정된다. 유량계(10a,10b,10c)들에 의해 초기에 측정된 공기의 유량은 4~20㎃의 전기 신호로 제어부(4) 내에 제공되는 데이터 수집부(11)로 전달된다.
한편, 연료 공급원(7)으로부터 버너(1)로 공급되는 연료의 유량도 공기와 같이 레귤레이터에 의해 그 공급 압력이 조정되며, 버너(1)로 공급되는 연료의 유량이 연료 유량계(12)에 의해 측정된다. 이러한 연료의 유량 조절은 연료 유량 제어 솔레노이드 밸브(9)에 의해 이루어진다. 공기 측정과 마찬가지로, 연료 유량계(12)에 의해 측정된 유량도 4~20㎃의 전기 신호로 변환되어, 제어부(4)의 데이터 수집부(11)로 전달된다. 버너(1)로 공급되는 연료의 유량은 버너(1)의 부하에 따라 초기에 설정되어, 일정한 유량의 연료가 버너(1)로 지속적으로 공급될 수 있도록 할 수 있다.
광학 측정부(3)는 버너(1)의 화염으로부터 발광 에너지를 측정하기 위한 것으로서, 측정 거리 300mm 렌즈를 사용하여 발광 에너지를 측정하기 위한 집광 장치(13) 및/또는 집광된 발광 에너지의 스펙트럼을 측정하는 분광기(14)를 포함한다. 광학 측정부(3)는 집광 장치(13)가 버너(1)의 출구 전단의 난류 화염의 축방향 중심 위치에 초점을 맞추도록 설치된다. 이러한 집광 장치(13)는 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같은 포토다이오드 또는 광전 증배관(PMT, photo multiplier tube)을 이용한 집광 장치(13a) 또는 광섬유를 이용한 집광 장치(13b)가 사용될 수 있다.
집광 장치(13a)는 3개가 사용되며, 버너(1)에서의 화염의 빛을 직사하여, 화 염과 포토다이오드 또는 광전 증배관(PMT) 또는 광섬유에 초점이 맞추어지는 자외선 렌즈(16), 화염 중의 OH, CH, C2의 파장 대역에 일치하는 파장 대역을 가지는 밴드 패스 필터(17), 그리고 발광 에너지를 전기 신호로 바꾸어주는 포토다이오드 또는 광전 증배관(18)을 구비한다. 집광 장치(13a)에서, 화염에서 발생하는 OH, CH, C2의 발광 에너지는 자외선 렌즈(16)에서 집광되어, 밴드 패스 필터(17)에 의해 다른 파장의 빛이 제거되어, 화염중의 OH, CH, C2의 각각의 파장 대역에 일치하는 빛만 밴드 패스 필터(17)를 통과한다.
집광 장치(13a)의 경우에, 밴드 패스 필터(17)를 통과한 빛에너지는 포토다이오드 또는 광전 증배관(18) 앞에 있는 콜리메이터 렌즈(19)를 통해 측정 면적면에 맞게 직광으로 변환되고, 직광으로 변환된 빛은 포토다이오드 또는 광전 증배관(18)을 통해 전기적인 에너지로 변환된다. 각각의 집광 장치(13)들의 포토다이오드 또는 광전 증배관(18)에 의해 발광 에너지로부터 변환된 전기 신호들은 제어부(4)의 데이터 수집부(11)로 전달된다.
도 5b에 도시된 집광 장치(13b)의 경우에 본 발명에서 하나의 집광 장치가 사용되고, 버너(1)에서의 화염의 빛을 직사하여 광섬유(20)에 초점이 맞추어지는 자외선 렌즈(16)를 구비한다. 광섬유(20)에 초점이 맞추어진 발광 에너지는 도 6에 도시된 분광기(14)로 보내진다. 한편, 도 5b에 도시된 집광 장치(13b)에서 광섬유를 이용하는 것은 위치에 따른 제한을 없애기 위함이다.
분광기(14)는 지정된 파장 대역의 빛을 분광하여 반사시키는 3개의 이색성 거울(21, DM, dichroic mirror)들과, 각각의 이색성 거울(21)에 의해 분광된 빛으로부터 OH, CH, C2의 파장 대역에 일치하는 파장 대역의 발광 에너지만 통과시키는 3개의 밴드 패스 필터(22), 그리고 밴드 패스 필터(22)에 의해 OH, CH, C2의 파장 대역의 발광 에너지를 전기 에너지로 변환시키기 위한 다수의 포토다이오드 또는 광전 증배관(23)들을 포함한다. 이러한 이색성 거울(21), 밴드 패스 필터(22) 및 포토다이오드 또는 광전 증배관(23)들은 소형화를 위하여 1개의 상자 내에 수용되도록 구성된다.
집광 장치(13b)를 통해 광섬유로 전달된 발광 에너지는 분광기(14) 내에 수용된 3개의 이색성 거울(21)에 의해 도 6에 도시된 바와 같이 3방향으로 분광된다. 3개의 이색성 거울(21)에 의해 빛들은 각각 밴드 패스 필터(22)를 통과하고, 이 때, OH, CH, C2의 각각의 파장 대역에 일치하는 에너지만 밴드 패스 필터(22)를 통과한다. 밴드 패스 필터(22)를 통과한 빛은 3개의 포토다이오드 또는 광전 증배관(23)을 통과하는 동안 전기 신호로 변환되고, 전기 신호는 제어부(4)의 데이터 수집부(11)로 보내진다.
상기된 바와 같이, 본 발명에 따른 다단 공기 공급 연소 시스템의 제어 방법을 수행하기 위한 시스템에서 사용되는 광학 측정부(3)는 2가지의 형태로 기술되었다. 즉, 첫 번째는 포트다이오드 또는 광전 증배관을 이용하는 3개의 집광 장치(13a)를 사용하여, 발광 에너지로부터 변환된 전기 신호를 직접 제어부(4)의 데이터 수집부(11)로 보내는 것이고, 다른 하나는 광섬유를 이용하는 1개의 집광 장치 (13b)를 사용하여, 발광 에너지를 광섬유(20)를 통해 분광기(14)로 발광 에너지를 전달한 후, 분광기(14)에서 빛을 분해하여 포토다이오드나 광전 증배관(23)을 이용하여, 발광 에너지를 전기 신호로 변환하여 제어부(4)의 데이터 수집부(11)로 전달하는 방식이다.
제어부(4)는 도 1에 도시된 바와 같이 공기 및 연료 유량 측정부(2) 및 광학 측정부(4)에서 전달되는 전기 신호가 입력되는 데이터 수집부(11), 전기 신호를 처리하여 화염의 현재 상태를 파악하고 대처할 수 있는 프로그램이 저장된 제어 로직(24), 및 버너(1)의 각 연소기 단으로 공급되는 공기 유량을 변화시키도록 공기 유량 제어 솔레노이드 밸브(8a,8b,8c)들을 제어하기 위한 공기 유량 제어부(15)를 포함한다.
전기 신호들이 입력되는 데이터 수집부(11)는 공기 및 연료 유량 측정부(2)와 광학 측정부(3)로부터 입력된 전기 신호를 처리하여, 제어 로직(24)으로 전달한다. 제어 로직(24)은 입력된 전기 신호를 실시간으로 표시하는 한편, 저장된 데이터와 입력된 전기 신호를 이용하여 일산화탄소와 질소산화물의 배출량을 판단한다.
제어 로직(24)은 데이터 수집부(11)로부터 전달된 OH, CH, C2의 전기 신호의 각각의 세기를 이용하여, 배기가스 내의 일산화탄소와 질소산화물의 양을 판단한다. 제어 로직(24)은 판단한 값으로 현재의 화염의 상태를 파악하고, 화염 상태를 최적화하기 위하여, 현재 버너(1)의 각 연소기 단으로 공급되는 공기 유량을 기준으로 하여 공기 유량 제어 솔레노이드 밸브(8a,8b,8c)들의 개도를 조절하여 버너 (1)의 각 단의 연소기로 공급되는 공기유량을 제어한다. 이러한 제어는 도 2에 도시된 바와 같이 폐루프 제어(피드백 제어)를 통해 계속적으로 버너(1)의 각 연소기 단으로 공급되는 공기의 유량 및 화염의 발광 에너지를 측정하고, 측정 결과에 따라서 버너(1)의 운전 조건을 변경하여, 최적의 화염 상태로 만든다.
다음의 [표 1]은 OH, CH, C2의 파장을 보여주는 것이며, 본 발명에 따른 다단 공기 공급 연소 시스템의 제어 방법을 수행하기 위한 시스템에서는 광학 측정부(3)에서 각각의 OH, CH, C2 빛의 세기만을 측정한다. 이러한 빛의 세기는 도 7의 그래프에서 알 수 있는 바와 같이 당량비의 변화에 따른 특징을 가진다. 이로부터, 당량비가 증가함에 따라 각각의 OH, CH, C2의 빛 세기가 증가 하는 것을 보여준다.
OH CH C2
파장(λ) 282.9㎚ 387.1㎚ 516.5㎚
308.9㎚ 431.4㎚
즉, 도 7을 이용하여 화염의 OH, CH, C2의 당량비를 산출할 수 있다. 또한, 각 당량비 별로 각 단의 연소기의 공기별 질소산화물과 일산화탄소 배출농도를 검출하여, 각각의 OH, CH, C2의 빛 세기의 증가에 따른 질소 산화물과 일산화탄소의 증감 상태를 파악한 데이터를 얻는다. 이 결과를 통해 광학 측정부(3)에 의한 화염 상태를 파악할 수 있다. 이러한 것은 연소 직후의 정보를 얻을 수 있어서, 종래의 연소 후 배기 가스만을 통해 얻는 화염 정보 보다 신속하고 정확한 정보를 얻을 수 있도록 한다.
이상에서 예측한 일산화탄소와 질소산화물의 양으로 현재의 화염의 상태를 파악하고 최적의 화염상태를 만들기 위해 공기공급 컨트롤러를 통해 공기공급부의 전동밸브로 전기 신호를 보내어 각 단의 공기유량을 조절하여 화염의 상태를 변화시킨다.
상기된 바와 같은 과정을 통하여, 버너(1)는 최적의 화염을 유지하고, 만약 외부 환경의 갑작스런 변화로 인해 버너(1)의 화염의 조건이 변할지라도, 이러한 변화에 즉각적으로 반응하여, 버너(1)의 최적 운전 조건을 검출하여, 새로운 조건에서도 버너(1)의 최적의 운전 상태를 유지한다.
상기된 바와 같이, 본 발명에 따른 다단 공기 공급 연소 시스템의 제어 방법은 종래의 기계식 비례 제어 또는 연소실 후방의 배기가스를 흡입하여 센서를 통과시켜, 산소농도의 측정으로 현재의 버너 상태를 파악하여, 연소시스템의 공연비를 제어하는 장치에 비해, 화염의 자발광을 측정하는 것이기 때문에, 응답속도가 보다 신속하여 실시간 제어가 가능하고, 단순히 배기가스의 산소 농도에 따른 공연비 제어와 같은 정해진 로직과 루트에 따른 공연비 제어가 아니라, 제어 대상인 화염의 연소 반응 상태를 직접 측정 및 진단하여, 일산화탄소와 질소산화물을 동시에 저감하는 동시에, 공연비 제어를 통해 시스템 효율을 최적화할 수 있도록 화염 상태를 제어하므로 정확성과 효율이 높다. 또한, 주변상황이 변하여도 즉각 반응하여 다시 최적의 운전 상태로 즉각 반응 할 수 있다.
이상으로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명은 다단 공기 공급 연소시스템 뿐만 아니라, 보일러와 가스 터빈 등 여러 종류의 연소시스템에 적용시켜 운전이 가능하고 연소시스템의 에너지효율 향상과 이와 동시에 질소산화물과 일산화탄소 등의 오염물질저감에 크게 기여할 것이다. 또한, 연소시스템의 에너지효율 향상으로 에너지 비용 절감과 원가절감효과를 기대할 수 있고, 나아가 연소시스템 성능 측정시스템의 자동화를 이루므로, 이에 따른 인력과 시간을 줄일 수 있다.

Claims (3)

  1. 화염에서 발생하는 일산화탄소와 질소산화물의 중간생성물인 OH, CH, C2의 화학 발광 에너지를 집광하여, 집광된 광 에너지중 상기 OH, CH, C2의 파장 대역의 광 에너지만 선택적으로 통과시킨 후에 이를 측정하여 전기 신호로 변환시키고, 각 단의 연소 장치로 공급되는 연료 및 공기의 유량을 측정하여 전기 신호로 변환시키는 단계와;
    상기 전기 신호의 세기로부터, 화염의 현재 상태를 파악하여 실시간으로 표시하는 한편, 배기가스 중의 일산화탄소와 질소산화물의 상태를 판단하는 단계와,
    상기 판단으로부터 각 단의 연소 장치로 공급되는 공기 유량을 조절하는 단계와,
    상기 단계를 연속적인 피드백 제어를 통해 반복적으로 수행하여 최적의 화염 상태를 선택하고, 이 상태로 연소 장치를 운전하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다단 공기 공급 연소 시스템의 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 화염에서 발생하는 일산화탄소와 질소산화물의 중간생성물인 상기 OH, CH, C2의 화학 발광 에너지에 대한 집광은 연소 장치의 버너 전단의 난류 화염의 축방향 중심 위치에 초점을 맞추어 화염의 광을 직사하는 것에 의하여 수행되는 것을 특징으로 하는 다단 공기 공급 연소 시스템의 제어 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 집광된 OH, CH, C2의 발광 에너지에서 상기 OH, CH, C2의 파장 대역의 발광 에너지는 밴드 패스 필터에 의해 다른 파장의 빛이 제거되고 상기 OH, CH, C2의 각각의 파장 대역에 의해 일치되는 빛만 통과되는 것을 특징으로 하는 다단 공기 공급 연소 시스템의 제어 방법.
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