KR100784029B1 - 산소제조설비에 있어서의 액체공기 레벨 제어장치 - Google Patents

산소제조설비에 있어서의 액체공기 레벨 제어장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 철강생산시 사용되는 산소,질소,아르곤가스를 제조하는 산소제조설비의 제조공정에서 발생하는 이산화탄소(CO2) 및 탄화수소 성분이 액체공기를 저장하는 공기분리장치의 탱크 하부에 축적되면서 막히는 현상을 방지할 수 있도록 한 산소제조설비에 있어서의 액체공기 레벨 제어장치에 관한 것이다.
본 발명은 공기분리장치내에서 미분리된 이산화탄소(CO2) 및 탄화수소 성분이 상기 공기분리장치의 하부에서 액체공기의 레벨을 감지하는 레벨발신기의 고압측 라인에 적치되는 것을 방지하기 위한 산소제조설비에 있어서의 액체공기 레벨 제어장치에 있어서, 상기 레벨발신기의 저압, 고압측 라인에 연결되어 차압의 변동에 따른 이상유무를 판정하는 차압검출부; 상기 고압측 라인에 연결설치되어 상기 공기분리장치내의 고체상태의 이산화탄소(CO2) 및 탄화수소 성분을 녹이는 가온장치부; 상기 차압검출부와 연결되어 상기 고압측 라인의 막힘 신호에 따라 배출밸브가 열려서 상기 가온장치부에 의해 녹은 이산화탄소(CO2) 및 탄화수소 성분을 배출하는 배출부;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
산소제조설비, 액체공기, 레벨발신기, 차압발신기, 방열판

Description

산소제조설비에 있어서의 액체공기 레벨 제어장치{Apparatus for controling liquid air level in oxygen manufacturing device}
도 1은 종래 액체공기 레벨 제어장치를 나타낸 도면.
도 2는 종래 액체공기 레벨 제어장치의 문제점을 설명하기 위한 개략도.
도 3은 종래 액체공기 레벨 제어에 따른 구성도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 산소제조설비에 있어서의 액체공기 레벨 제어장치를 나타낸 도면.
도 5는 도 4에 도시된 액체공기 레벨 제어장치에 있어서의 제어부의 구성도.
도 6은 도 4에 도시된 액체공기 레벨 제어장치에 있어서의 알람제어부의 구성도.
도 7은 도 6에 도시된 알람제어부의 신호감지 그래프도.
도 8은 도 4에 도시된 액체공기 레벨 제어장치에 있어서의 시퀀스 제어부의 작용도.
도 9는 도 8의 시퀀스 제어부의 제어 순서를 나타내는 타임 차트도.
도 10은 도 4에 도시된 액체공기 레벨 제어장치에 있어서의 방열판을 나타낸 도면.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
2 : 공기분리장치 4 : 액체공기
10 : 레벨발신기 15a : 아날로그 입력부
15b : 조절계 15c : 아날로그 출력부
100 : 차압발신기 101 : 저압측 라인
102 : 고압측 라인 103 : 제어부
108 : 방열판 200 : 배출밸브
201 : 차단밸브 202 : 배출부
본 발명은 액체공기 레벨 제어장치에 관한 것으로서, 특히 철강생산시 사용되는 산소,질소,아르곤가스를 제조하는 산소제조설비의 제조공정에서 발생하는 이산화탄소(CO2) 및 탄화수소 성분이 액체공기를 저장하는 공기분리장치의 탱크 하부에 축적되면서 막히는 현상을 방지할 수 있도록 한 산소제조설비에 있어서의 액체공기 레벨 제어장치에 관한 것이다.
일반적으로 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이, 산소제조설비에 있어서의 액체공기(4) 레벨을 제어하는 방법은 밀폐탱크의 액위를 측정하는 차압식으로서 차압전송기를 이용하며, 차압전송기의 저압측에는 탱크상부에 기체압력을 연결하고 탱크하부에는 액체의 압력이 걸릴 수 있도록 하며 인출되는 차압에 따라서 액위를 알 수 있는데 그 식은 다음과 같다.
고압측 압력(PH) = rgH+PG, 저압측 압력(PL)=PG . 차압(DP)=PH-PL= rgH
이때 r은 비중, g는 중력가속도(9.9Nm/S2), H는 높이이며 PG는 탱크상부의 기체압력이다.
여기서 기체의 압력(PG)은 동시에 고압측(PH)에도 걸리기 때문에 차압을 취한 경우 압력은 상쇄되며 전송기의 출력은 그 영향을 받지 않게 된다.
공기중에는 산소, 질소, 아르곤, CO2 및 기타 탄화수소 성분등의 가스가 포함되어 있으며, 이러한 가스를 생산하기 위해서는 공기분리장치(2)에서 각 가스마다 가지고 있는 어는점까지 온도를 낮추게 되므로서 각 가스들이 기체상태에서 액체상태로 변하게 되도록 한 후, 분리한다.
이때, 분리되지 못한 CO2 및 탄화수소 성분들이 공기보다 어는 점이 낮으므로(공기는 -196도, CO2 및 탄화수소성분들은 공기보다 낮음) 공기분리장치(2)내에 들어가면서 고체상태(5)로 공기분리장치의 액체공기(4)중에 떠다니다가 액체공기보다 비중이 낮아서, 공기분리장치(2)의 하부로 점점 쌓이게 되고, 액체공기(4)의 레벨을 감지하는 레벨발신기(10)의 고압측라인(14)에 도 2와 같이 막히는 현상을 발생시킨다.
한편, 상기한 문제점을 해결하기 위해 주기적으로 레벨발신기(10)가 오지시 할때마다 배출작업을 실시하였으나 이는 일시적으로 정상지시될 뿐 효과가 미비하고, 고압측라인(14) 폐쇄시 공기분리장치(2) 설비의 가동을 중지하고 가온질소를 통한 전공정의 가온작업을 필요로 하는 단점이 있다.
또한, 상기 고압측라인(14) 빙결을 방지하기 위해서 고압측라인 외부에 가온용 이중배관을 설치한 것이 제시되었으나, 이는 극저온으로 인하여 가온효과가 저하되는 단점이 있다.
또한, 상기 레벨발신기(10)내에 기포등이 발생되어 지시값이 흔들리는 현상을 미분회로와 각종 신호변환 장치, 카운터기, 비교판별회로등을 통하여 비정상적인 지시치의 헌팅을 감지한 후 레벨발신기(10)의 균압용 전자변을 열어 고압과 저압을 동압이 되게 하고 저압과 고압의 퍼지변으로 일정시간동안 퍼지를 시키는 방법이 제시되었으나, 이는 담,정수유량계 즉, 프로세스가 물(水)인 경우에 해당되는 것이며, 프로세스 특성상 단순히 기포, 즉 공기성분이 함유되는 것이 아니라 빙결된 고체 CO2 및 기타 탄화수소 성분(5)이 고압측 라인(14)에 막히는 현상은 해결을 할 수 없는 단점이 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 이중라인을 이용한 가온질소 투입 및 방열판을 이용한 가온장치와 함께 자동배출장치와 알람제어부를 이용하여 레벨발신기가 오지시되는 것을 방지하고, 공기분리장치의 가동중단을 방지하므로써, 작업성을 향상시키고 액체공기의 원활한 레벨운전을 도모할 수 있는 산소제조설비에 있어서의 액체공기 레벨 제어장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 산소제조설비에 있어서의 액체공기 레벨 제어장치는 공기분리장치내에서 미분리된 이산화탄소(CO2) 및 탄화수소 성분이 상기 공기분리장치의 하부에서 액체공기의 레벨을 감지하는 레벨발신기의 고압측 라인에 적치되는 것을 방지하기 위한 산소제조설비에 있어서의 액체공기 레벨 제어장치에 있어서, 상기 레벨발신기의 저압, 고압측 라인에 연결되어 차압의 변동에 따른 이상유무를 판정하는 차압검출부; 상기 고압측 라인에 연결설치되어 상기 공기분리장치내의 고체상태의 이산화탄소(CO2) 및 탄화수소 성분을 녹이는 가온장치부; 상기 차압검출부와 연결되어 상기 고압측 라인의 막힘 신호에 따라 배출밸브가 열려서 상기 가온장치부에 의해 녹은 이산화탄소(CO2) 및 탄화수소 성분을 배출하는 배출부;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
이러한 본 발명에서 상기 차압검출부는 상기 레벨발신기에 저압, 고압측 라인을 통해 연결된 차압발신기와, 상기 차압발생기에 연결된 제어부를 포함하여 구성되고, 상기 제어부는 아날로그 입력부와; 편차감지부와 변화율감지부로 구성되고 상기 아날로그 입력부의 출력값이 전송되는 알람제어부와; 상기 알람제어부의 편차감지부에서 나오는 출력이 전송되는 시퀸스 제어부와;, 상기 시퀸스 제어부의 시퀀스 로직에 따른 출력신호가 전송되는 디지털 출력부; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서 상기 가온장치부는 상기 고압측 라인의 일측에 연결된 가 온 입구라인과, 상기 가온 입구라인을 통해 상온의 질소 가스가 공급되는 가온장치와, 상기 고압측 라인의 타측에 연결된 출구라인과, 상기 출구 라인에 연결된 출구밸브와, 상기 고압측 라인의 외주면상에 다수개 장착된 방열판을 포함하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 이와 같은 본 발명에서 상기 배출부는 상기 고압측 라인의 막힘 신호에 따라 오픈되는 배출밸브와, 상기 가온장치에 의해 녹은 이산화탄소 및 탄화수소 성분이 모이는 배출부와, 상기 배출부에 연결된 출구라인과, 상기 고압측 라인을 차단하는 차단밸브를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 4 내지 도 10은 본 발명의 산소제조설비에 있어서의 액체공기 레벨 제어장치의 일실시예를 나타낸 것으로서, 이에 따른 액체공기 레벨 제어장치는 크게 레벨발신기의 저압, 고압측 라인에 연결되어 차압의 변동에 따른 이상유무를 판정하는 차압검출부와, 상기 고압측 라인에 연결설치되어 공기분리장치내의 고체상태의 이산화탄소(CO2) 및 탄화수소 성분을 녹이는 가온장치부와, 상기 차압검출부와 연결되어 상기 고압측 라인의 막힘 신호에 따라 배출밸브가 열려서 상기 가온장치부에 의해 녹은 이산화탄소(CO2) 및 탄화수소 성분을 배출하는 배출부로 이루어져 있다.
상기 차압검출부는 도 4에 도시된 바와 같이, 전술한 레벨발신기(10)의 저압,고압측 라인(13,14)에 차압의 변동에 따른 이상유무를 판정하기 위한 차압발신 기(100)가 저압, 고압측 라인(101,102)을 통해 연결되어 있고, 상기 차압발신기(100)에 제어부(103)가 연결되어 있다.
여기서 레벨발신기(10)도 차압 검출방식이므로 별도의 차압발신기가 필요 없을 수도 있으나 레벨발신기(10) 자체의 이상으로 인한 오지시가 발생될 우려가 있는 바 별도의 차압발신기를 신설한 것이다.
도 3에서 기존의 레벨발신기(10)의 제어구성에 대해서 설명하면, 레벨발신기(10)에서 전송되어지는 전류신호는 조절부(15)의 아날로그 입력부(15a)로 들어온 후, 아날로그 입력카드(15a1)를 거쳐 조건부(15a2)에 의해 신호 변환이 되며, 자동 또는 수동모드(15a3,15a4)의 선택에 의해 설정된 출력값(15a5)은 조절계(15b)에서 운전자의 설정치에 의해 수동 혹은 자동운전이 되며, 조절계(15b)의 출력값은 아날로그 출력부(15c)로 보내져서 최종신호가 레벨제어밸브(16)로 가게 된다.
상기 제어부(103) 또한, 상기 레벨발신기(10)의 조절부(15)와 같은 구조를 가지며 도 5, 도 6에 도시된 바와 같이, 차압발신기(100)로부터 검출된 아날로그 입력부(103a)의 출력값은 알람제어부(103b)로 보내지게 된다.
상기 알람제어부(103b)는 크게 편차감지부(103b1)와, 변화율 감지부(103b2)로 나뉘며, 먼저 편차감지부(103b1)에서는 연속적으로 입력되는 아날로그 신호가 미리 설정해 놓은 로우 또는 하이 설정치(LOW SET,HIGH SET)에 도달하게 되면 디지털 출력(ON,OFF)이 나가게 된다.
이에 따라 로우 설정치(LOW SET)에 도달하면 출력신호(ON)가 나가고, 로우 설정치에 도달하지 않으면 출력신호가 나가지 않는(OFF) 구조로 되어 있으며 하이설정치(HIGH SET) 또한 마찬가지이다.
상기 변화율 감지부(103b2)에서는 도 7에 도시된 바와 같이, 연속적으로 입력되는 아날로그 신호가 미리 설정해 놓은 설정치(SET POINT)와 설정시간(SET TIME)에 의해 출력(ON,OFF)되는 형식으로서 설정시간(SET TIME)내에 설정치(SET POINT)에 도달하면 출력이 나가는 연산기호로 보면 엔드(AND)조건이다.
상기 알람제어부(103b)의 편차감지부(103b1)에서 나오는 출력(ON,OFF)은 알람(alarm)을 발생시킬 수 있도록 시퀸스 제어부(103c)로 가게 되며, 변화율 감지부(103b2)에서 나오는 출력 또한 시퀸스 제어부(103c)에서 로직을 구성하게 된다.
상기 시퀸스 제어부(103c)는 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 알람 제어부(103b)의 편차감지부(103b1)와 변화율 감지부(103b2)에서 나오는 출력을 받아서 편차감지부(103b1)의 로우,하이 출력은 알람 경보를 발생시키도록 하고, 상기 레벨발신기(10)의 고압측라인(14)의 막힘현상을 판단하기 위해 편차감지부(103b1)의 하이 설정치(HIGH SET) 출력(ON)과, 변화율 감지부(103b2)의 출력을 엔드(AND) 조건으로 구성하여 두 조건이 만족할 때 상기 레벨발신기 또는 차압발신기(10,100)의 고압측 라인(14,102)이 막힌 것으로 판정하고 이 출력을 받아 시퀸스 제어부(103c)에 의하여 후술하는 가온장치부의 출구밸브(107) 및 배출부의 배출밸브(200), 차단밸브(201)를 조작할 수 있도록 한다.
이때 상기 출구밸브(107), 배출밸브(200), 차단밸브(201)가 동작하면, 상기 레벨발신기(10)의 지시값은 오지시하게 되며 상기 조절계(15b)의 자동운전시 출력값이 변동하게 되어 레벨제어 밸브(16) 또한 오동작을 하게 된다.
이를 방지하기 위하여 상기 고압측라인(14)이 막힌 것으로 판정되면 이상신호 출력값을 레벨발신기(10)의 아날로그 입력부(15a)의 수동모드(15a4)로 신호를 보내 입력값을 고정(HOLD)시킨다.
또한, 상기 시퀸스 제어부(103c)의 시퀀스 로직에 의해 출력신호가 나가면 디지털 출력부(103d)는 상기 출구밸브(107), 배출밸브(200), 차단밸브(201)를 구동하게 되며, 상기 출구밸브(107)와 배출밸브(200)는 정동작을, 차단밸브(201)는 역동작을 하게 된다.
상기 가온장치부는 도 4에 도시된 바와 같이, 가온 입구라인(104)을 통하여 상온의 질소 가스가 각각 두개의 라인으로 분리되어 가온장치(105) 내부로 공급되며, 출구라인(106)을 통하여 출구밸브(107) 전단까지 보내진다.
이때 상기 가온 출구라인(106)이 입구라인(104)에 비해 큰 이유는 출구밸브(107)가 열릴 때 보다 유량을 많이 흘려주기 위함이며, 가온 효과증대를 위해서 도 10에 도시된 바와 같이 사각 형상을 갖는 방열판(108)을 상기 고압측 라인(14)의 외주면상에 수직과 수평방향으로 다수개 설치하여 얼어 붙은 고체 탄화수소 성분을 집중적으로 녹이게 된다.
상기 배출부는 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 고압측 라인(14)의 막힘 신호가 나올 때 배출밸브(200)가 열려서 상기 가온장치(105)에 의해 녹아내린 이산화탄소 및 탄화수소 성분들이 배출부(202)로 모아지고 출구라인(203)을 통하여 배출되 며, 이때 상기 차단밸브(201)가 닫혀서 레벨발신기(10)와 차압발신기(100)의 고압측 라인(14,102)을 차단하여 배출효과를 높이게 된다.
이하에서는 상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 작용을 설명한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 차압발신기(100)에서 검출되는 약 4~20MA의 입력값은 상기 아날로그 입력부(103a)를 거처서 알람제어부(103b)로 들어오게 된다.
이 알람제어부(103b)는 크게 두가지의 작용을 하게 되는 데, 그 첫째는 편차감지부(103b1)를 통해 로우,하이 설정치(LOW SET,HIGH SET)를 정해 놓아 아날로그 입력값이 설정치에 도달하는지 여부에 따라 디지털 출력값(ON,OFF)을 내보낸다.
둘째로 상기 변화율 감지부(103b2)는 아날로그 입력값이 설정타임(SET TIME)내에 설정값(SET POINT)에 도달하게 되면 디지털 출력값(ON,OFF)을 내보낸다. 이 알람제어부에 대한 이해를 돕기 위해 도 7의 그래프에서 왼쪽 수직라인은 아날로그 입력값(%)이며 오른쪽 수평라인은 시간(t)이다.
아날로그 값이 정상적으로 지시되다가 임의의 지점부터 하강하기 시작했을 경우 로우편차(LOW 편차)와 하이편차(HIGH 편차)를 지나치는 시간이 t2일 경우는 운전자의 임의 조작이나 설비 변동시에 나타나는 정상적인 경우이며, 고압측라인(14,102)의 막힘 현상으로 인한 이상현상 발생시에는 설정시간(t1)내에 로우,하이편차가 발생되므로 이때 출력값을 내보내게 된다.
상기와 같이 이상현상을 감지한 출력은 최종 구동부인 상기 다수개의 밸브(107,200,201)를 제어하기 위하여 상기 시퀸스 제어부(103c)를 필요로 하며 그 작용에 대해 도 8을 참조로 설명한다.
먼저 가동신호(R1)에 의해서 가동신호 접점출력(R1)이 나가면 가온타이머(T1)가 동작되고, 가온 출구밸브(107)와 배출밸브(200)가 열려서 가온과 배출작용을 하게 되며 이때 차단밸브(201)은 닫히게 된다.
이 가온타이머(T1)는 온 딜레이 타이머로서 입력신호가 들어오면 지연시간 설정치에 따라 일정한 시간이 지난 후 그 출력이 나가는 기능을 한다.
따라서 가온타이머(T1)가 지연 시간을 가지고 있는 동안 입구라인(104)을 통해 상시 공급되고 있던 상온의 질소가스는 출구밸브(107)를 통하여 퍼지되면서 고압측 라인(14)내에 빙결된 고체 이산화탄소 CO2 및 탄화수소성분을 녹이고, 상기 차단밸브(201)가 닫히면서 고압측 라인(14)을 차단하며 배출밸브(200)가 열려서 녹아 내린 고체 CO2 및 탄화수소성분들이 배출밸브(200)를 통해서 대기중으로 빠져 나가게 된다.
상기 가온타이머(T1)가 지연시간을 지나 온(ON) 신호가 나가면 가온타이머 온(ON) 점점(T1)이 온(ON) 되고, R2 릴레이가 온(ON) 되면서 가온타이머(T1)에 공급되는 가동신호(R1)을 차단하게 되며 이때 출구밸브(107)와 배출밸브(200)는 닫히고 차단밸브(201)는 열리게 된다.
이때, R2 릴레이가 온(ON) 되면 차압확인용 타이머(T2)가 동작되어 일정시간 지연을 통해서 고압측 라인(14)내에 빙결된 고체 CO2 및 탄화수소 성분이 녹아내려 차압이 정상인지를 확인하게 되며, 차압확인용 타이머(T2)가 지연시간을 지나 온(ON) 되게 되면 차압확인용 오프(OFF)접점이 오프 되면서 R2 릴레이의 입력을 차단하게 된다.
상기한 바와 같은 본 발명의 산소제조설비에 있어서의 액체공기 레벨 제어장치에 따르면 이중라인을 이용한 가온질소 투입 및 방열판을 이용한 가온장치와 배출장치 및 알람제어부를 이용하여 레벨발신기의 고압측 라인내에 막혀 있던 고체 CO2 및 탄화수소 성분들을 깨끗하게 녹여주고 배출시킬 수 있으므로 레벨발신기의 오지시 및 공기분리장치 설비의 가동중단을 방지하는 효과가 있다.
또한, 자동배출장치를 통해 작업능률이 향상되고, 공기분리장치내의 액체공기의 원활한 레벨운전이 가능해지는 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 공기분리장치내에서 미분리된 이산화탄소(CO2) 및 탄화수소 성분이 상기 공기분리장치의 하부에서 액체공기의 레벨을 감지하는 레벨발신기의 고압측 라인에 적치되는 것을 방지하기 위한 산소제조설비에 있어서의 액체공기 레벨 제어장치에 있어서,
    상기 레벨발신기의 저압, 고압측 라인에 연결되어 차압의 변동에 따른 이상유무를 판정하는 차압검출부;
    상기 고압측 라인에 연결설치되어 상기 공기분리장치내의 고체상태의 이산화탄소(CO2) 및 탄화수소 성분을 녹이는 가온장치부;
    상기 차압검출부와 연결되어 상기 고압측 라인의 막힘 신호에 따라 배출밸브가 열려서 상기 가온장치부에 의해 녹은 이산화탄소(CO2) 및 탄화수소 성분을 배출하는 배출부;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 산소제조설비에 있어서의 액체공기 레벨 제어장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 차압검출부는 상기 레벨발신기에 저압, 고압측 라인을 통해 연결된 차압발신기와, 상기 차압발생기에 연결된 제어부를 포함하여 구성되고,
    상기 제어부는 아날로그 입력부와; 편차감지부와 변화율감지부로 구성되고 상기 아날로그 입력부의 출력값이 전송되는 알람제어부와; 상기 알람제어부의 편차감지부에서 나오는 출력이 전송되는 시퀸스 제어부와;, 상기 시퀸스 제어부의 시퀀스 로직에 따른 출력신호가 전송되는 디지털 출력부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 산소제조설비에 있어서의 액체공기 레벨 제어장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 가온장치부는 상기 고압측 라인의 일측에 연결된 가온 입구라인과, 상기 가온 입구라인을 통해 상온의 질소 가스가 공급되는 가온장치와, 상기 고압측 라인의 타측에 연결된 출구라인과, 상기 출구 라인에 연결된 출구밸브와, 상기 고압측 라인의 외주면상에 다수개 장착된 방열판을 포함하는 것을 특징으로 하는 산소제조설비에 있어서의 액체공기 레벨 제어장치.
  4. 제 1항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 배출부는 상기 고압측 라인의 막힘 신호에 따라 오픈되는 배출밸브와, 상기 가온장치에 의해 녹은 이산화탄소 및 탄화수소 성분이 모이는 배출부와, 상기 배출부에 연결된 출구라인과, 상기 고압측 라인을 차단하는 차단밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 산소제조설비에 있어서의 액체공기 레벨 제어장치.
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