KR100796762B1

KR100796762B1 - 제매기 최적제어 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR100796762B1
Application number: KR1020060134932A
Authority: KR
Inventors: 소수일
Original assignee: 하나에버텍 주식회사; 한국서부발전 주식회사; 한국동서발전(주); 한국남부발전 주식회사; 한국남동발전 주식회사; 한국중부발전(주)
Priority date: 2006-12-27
Filing date: 2006-12-27
Publication date: 2008-01-22

Abstract

본 발명은 제매기 최적제어 시스템 및 방법에 관한 것으로, 특히 석탄화력발전소 보일러에서 연료 연소시에 생성되는 여러 형태의 연소 생성물의 양을 신속히 측정하여 최적으로 제어하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.

본 발명의 제매기 최적제어 시스템은, 덕트 내부의 공간에 일정한 간격으로 복수 개 설치되어, 보일러 출력에 의해 발생되어 덕트에 접촉된 애시 입자량을 측정하는 센서; 및 상기 센서에서 전송된 신호의 평균값을 산출하고, 애시의 변화량을 판단하여 제매기의 동작주기를 조절하는 연산처리수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 제매기의 최적제어시스템을 제시한다.

제매기, 최적제어, ECT 센서, 연산처리수단

Description

제매기 최적제어 시스템 및 방법{The optimum control system of soot blower and method thereof}

도 1은 본 발명의 제매기 최적제어시스템을 나타낸 개요도이다.

도 2a는 본 발명의 덕트 내부에 설치된 ECT 센서의 배치도이다.

도 2b는 본 발명의 ECT 센서와 그 연결장치를 나타낸 상세도이다.

도 2c는 본 발명의 ECT 센서와 스테인레스 봉의 연결관계를 나타낸 단면도이다.

도 3은 본 발명의 ECT 센서를 설치하기 위한 기자재를 나타낸 상세도이다.

도 4는 본 발명의 제매기 최적제어방법을 나타낸 흐름도이다.

도 5는 본 발명의 애시 변화량에 따라 산출된 최적주기에 대한 테스트 결과를 나타낸 표이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 교류 덕트신호 증폭기 모듈

110a, 110b, 110c, 110d, 110e, 110f, 110g, 110h, 110i, 110j : ECT 센서

110aa, 110ab, 110ac : ECT 센싱소자

111 : 센서 커플링 112 : 스테인레스 봉

113a, 113b : U자형 볼트 114 : 스테인레스 플레이트

115a, 115b : 나사 120 : 이득 설정 증폭기

150 : 센서 홀더 160 : 센서 홀더 고정용 파이프

170 : 센서 가이드 180 : 센서 지지용 플랜지

190 : 보온재 195 : 보호박스

197 : 지지부재 200 : 인터페이스 모듈

300 : 신호 변환기 400 : 연산처리수단

410 : 아날로그/디지털 변환기 420 : 데이터베이스

430 : 연산기

현재의 국내 석탄화력발전소 보일러는 석탄의 연소로 발생되는 열을 흡수하는 수 많은 튜브로 구성되어 있다. 이 튜브에는 석탄의 연소시 발생되는 애시(ash)가 쌓이기도 한다. 이때, 애시의 발생 정도는 탄종과 운전조건에 따라 상이하다. 여기서, 튜브에 쌓인 애시는 열 흡수율을 떨어뜨리고, 국부과열이 생기는 문제점을 수반한다. 상기와 같은 이유로 튜브의 열 흡수율을 높이고, 손상 방지를 위해 애시를 적절하게 제거할 필요성이 있다.

상기와 같은 이유로 제매기를 운전시키는데, 상기 제매기는 보일러에서 연료 연소 시에 생성되는 슬래그(slag), 애시, 퇴적물(deposit) 및 그을음(soot) 등의 여러 형태의 연소 생성물을 제거하고, 열전달을 증대시키며, 스팀 온도의 제어를 위한 기계장치이다.

그러나, 상기와 같은 제매기의 운전은 재연소 스프레이량, 최종 재가열기 온도, 최종 과열기 온도에 따라 발전 기술원의 주관적인 판단 하에 수시로 시행하고 있다. 상기 제매기 운전은 일정한 시간 내에 모든 제매기를 운전해야 하기 때문에, 탄종 변경 등 변화하는 운전조건에 대응하기가 어렵고, 애시의 양을 측정할 수 있는 장비가 없는 관계로 애시의 양과는 무관하게 운전되어 왔다. 현재, 보일러 수 벽 튜브(boiler water wall tube), 과열기, 재가열기, 이코노마이저 튜브 번들(economizer tube bundle)에 흡착된 애시의 양과는 관계없이, 1일에 2회 정도로 약 130개의 제매기를 운전하고 있다.

따라서, 제매기의 운전에 따른 스팀 및 소내 전력의 불필요한 소모가 지속되어 왔고, 장시간에 걸친 제매에 따라 발전효율의 저하도 지속되어 왔다. 아울러, 보일러 수 벽 튜브(boiler water wall tube), 과열기, 재가열기, 이코노마이저 튜브 번들(economizer tube bundle) 중에 특정 부위의 애시의 양이 증가할 때에도 각 제매를 일률적인 시간으로 진행하여 애시가 원활히 제거되지 않기 때문에 효율이 저하되고, 튜브가 손상되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로써, 석탄화력발전소에서 필요 이상의 제매기 운전을 지양함으로써 운전전류 및 스팀 소모량을 감소시키기 위해 애시량을 측정하여 최적으로 제어하기 위한 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 덕트 내부의 공간에 일정한 간격으로 복수 개 설치되어, 보일러 출력에 의해 발생되어 덕트에 접촉된 애시 입자량을 측정하는 센서; 및 상기 센서에서 전송된 신호의 평균값을 산출하고, 애시의 변화량을 판단하여 제매기의 동작주기를 조절하는 연산처리수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 제매기의 최적제어시스템을 제시한다.

또한, 본 발명은 센서가 보일러 출력에 의해 발생되어 덕트에 접촉된 애시 입자량을 측정하여 교류신호를 발생시키는 제1단계; 신호 변환기가 상기 교류신호를 직류신호로 변환시키는 제2단계; 아날로그/디지털 변환기가 상기 변환된 직류신호를 디지털 데이터화하는 제3단계; 데이터베이스가 상기 디지털 데이터를 저장하는 제4단계; 및 연산기가 상기 저장된 디지털 데이터로부터 각각의 덕트에서 전송된 신호의 평균값을 산출하고, 애시의 변화량을 판단하여 제매기의 동작주기를 조 절하는 제5단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 제매기의 최적제어방법을 제시한다.

이하, 본 발명의 실시예를 도면을 통하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 제매기의 최적제어시스템을 나타낸 개요도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제매기의 최적제어시스템은 교류 덕트신호 증폭기 모듈(100), 인터페이스 모듈(200), 신호 변환기(300) 및 연산처리수단(400)을 포함한다.

상기 교류 덕트신호 증폭기 모듈(100)은 덕트 내부에 공간에 일정한 간격으로 복수 개 설치되어 보일러 출력에 의해 발생되어 덕트에 접촉된 애시 입자량을 측정하여 교류신호를 발생시키는 복수의 ECT 센서(Electric Charge Transfer, 110a, 110b, … , 110n)와, 상기 ECT 센서(110a, 110b, … , 110n)에서 발생하는 복수의 교류신호를 감지하여 이를 증폭시키는 이득 설정 증폭기(120)를 구비한다. 만약, ECT 센서(110a, 110b, …, 110n)가 덕트와 접촉하게 되면, 접지상태가 되므로 ECT 센서(110a, 110b, …, 110n)의 기능을 상실하게 된다. 상기 ECT 센서(110a, 110b, … , 110n)의 전압범위는 0V~60V이고, 그 재질은 텅스텐 합금이다. 상기 ECT 센서(110a, 110b, … , 110n)의 재질로 텅스텐 합금을 쓰는 이유는 온도에 강하고, 마모가 적을 뿐만 아니라, 녹이 슬지 않는 장점이 있기 때문이다. 그리고, 상기 이득 설정 증폭기(120)는 출력이득을 1~15의 범위에서 조정할 수 있다.

상기 인터페이스 모듈(200)은 상기 교류 덕트신호 증폭기 모듈(100)에서 증폭된 복수의 교류신호를 수신한다. 상기 인터페이스 모듈(200)은 상기 교류 덕트신 호 증폭기 모듈(100)에 동축케이블로 연결된다. 상기 인터페이스 모듈(200)이 상기 교류 덕트신호 증폭기 모듈(100)에 동축케이블로 연결됨으로써, 상기 교류 덕트신호 증폭기(100)에서 전송되는 교류신호의 감쇄가 저하된다.

상기 신호 변환기(300)는 상기 인터페이스 모듈(200)에서 수신된 복수의 교류신호를 직류신호로 변환시킨다.

상기 연산처리수단(400)은 상기 신호 변환기(300)에서 변환된 직류신호를 디지털 데이터화하는 아날로그/디지털 변환기(410)와, 상기 아날로그/디지털 변환기(410)에서 출력된 디지털 데이터를 저장하는 데이터베이스(420)와, 상기 데이터베이스(420)에 저장된 디지털 데이터로 상기 ECT센서(110a, 110b, … , 110n)에서 전송된 신호의 평균값을 산출하고, 애시의 변화량을 판단하여 제매기의 동작주기를 조절하는 연산기(430)를 구비한다. 상기 아날로그/디지털 변환기(410)에 입력되는 아날로그 신호는 보일러 출력, 석탄량, 과열기 배출온도, 재열기 배출온도, 보일러 내부압력 및 스프레이량과 같은 보일러 관련 데이터에 관련된 신호이고, 상기 아날로그/디지털 변환기(410)에서 출력되는 디지털 신호는 제매기 동작 데이터 신호이다.

도 2a는 본 발명의 덕트 내부에 설치된 ECT 센서의 배치도이고, 도 2b는 본 발명의 ECT 센서와 그 연결장치를 나타낸 상세도이며, 도 2c는 본 발명의 ECT 센서와 스테인레스 봉의 연결관계를 나타낸 단면도이다.

도 2a에 도시된 바와 같이, ECT 센서(110a, 110b, 110c, 110d, 110e, 110f, 110g, 110h, 110i, 110j)는 덕트(193) 내부에서 일정한 간격으로 배치되어 보일러 출력에 의해 발생되는 애시량을 측정한다. 본 발명에서는 ECT 센서(110a, 110b, 110c, 110d, 110e, 110f, 110g, 110h, 110i, 110j)가 일정한 간격으로 배치되어, 덕트(193) 내부의 여러 위치에 있는 애시량을 측정할 수 있게 된다.

덕트(193) 외부에는 각각의 ECT 센서(110a, 110b, 110c, 110d, 110e, 110f, 110g, 110h, 110i, 110j)를 연결되는 다수의 보호박스(195a, 195b, 195c, 195d, 195e, 195f, 195g, 195h, 195i, 195j, 195k)가 설치되어 있다. 그리고, 상기 다수의 보호박스(195a, 195b, 195c, 195d, 195e, 195f, 195g, 195h, 195i, 195j, 195k)는 서로 연결되어 있고, 일측 끝과 타측 끝의 보호박스(195a, 195k)는 다른 덕트와 연결된다. 또한, 덕트(193)의 외부 표면은 보온재(190)로 덮여있고, 덕트(193) 내부에서 ECT 센서(110a, 110b, 110c, 110d, 110e, 110f, 110g, 110h, 110i, 110j)를 지지하는 지지부재(197)는 내부 벽면에 용접되어 있다.

A와 C로 표시된 부분은 ECT 센싱소자(110aa, 110ab, 110ac)를 서로 연결하는 부분을 나타내고, B로 표시된 부분은 ECT 센싱소자(110aa, 110ab, 110ac)와 스테인레스 봉(112)을 서로 연결하는 부분을 나타낸다. 도 2b에 그 연결구조를 상세히 설명하였다.

도 2b에 도시된 바와 같이, ECT 센서를 연결하는 장치로는, 센서 커플링 (111), 스테인레스 봉(112), U자형 볼트(113a, 113b) 및 스테인레스 플레이트(114)를 포함한다. 도 2b에서는 도 2a의 가장 좌측에 있는 ECT 센서(110a)를 예로 들어 설명하였다.

상기 ECT 센서(110a)는 보일러 출력에 의해 발생되어 덕트에 접촉된 애시 입 자량을 측정하여 교류신호를 발생시킨다. 본 발명에서 구현된 ECT 센서(110a)는 높이가 3500mm 정도인 덕트에 설치되는데, 상기 ECT 센서의 길이는 2100mm이며, 덕트 높이의 1/3 이상인 1300mm 이상의 길이가 덕트에 삽입되게 제작하였다. ECT 센서의 특성상 700mm를 넘는 길이로는 제작이 불가능하기 때문에, 길이가 700mm인 ECT 센싱소자(110aa, 110ab, 110ac)를 3개 연결하여 사용하였다.

상기 센서 커플링(111)은 상기 ECT 센서(110a)의 끝단부를 서로 연결한다. 상기 센서 커플링(111)은 상기 ECT 센서(110a)가 끼워질 수 있게 중공형태로 되어 있으며, 표면에서 나사를 끼워 내부로 관통하여 ECT 센서(110a)를 더 안전하게 고정시킬 수도 있다.

그리고, 상기 센서 커플링(111)의 풀림 현상을 보강하기 위하여 상기 스테인레스 봉(112), U자형 볼트(113a, 113b) 및 스테인레스 플레이트(114)를 부착시킨다.

상기 스테인레스 봉(112)는 상기 ECT 센서(110a)의 길이 방향으로 평행하게 밀착된다.

상기 U자형 볼트(113a, 113b)는 2개가 이용되는데, 상기 ECT 센서(110a)와 이에 밀착된 스테인레스 봉(112)을 둘러싸면서 스테인레스 플레이트(114)에 고정한다. 상기 U자형 볼트(113a, 113b)는 2개가 아닌 3개 이상으로 고정할 수도 있다. 상기 U자형 볼트(113a, 113b)를 이용하면, 상기 ECT 센싱소자(110aa, 110ab, 110ac)를 보다 견고하게 고정할 수 있게 된다. 상기 ECT 센싱소자(110aa, 110ab, 110ac)를 서로 연결시켜 고정시키는 방법은 상기 방법 이외의 다른 방법으로도 가 능하다.

상기 스테인레스 플레이트(114)는 상기 ECT 센서(110a)와 상기 스테인레스 봉(112)에 일면이 밀착된다.

도 2c에 도시된 바와 같이, ECT 센싱소자(110aa)와 스테인레스 봉(112)은 U자형 볼트(113a, 113b)에 의해 둘러싸여 있고, U자형 볼트(113a, 113b)는 스테인레스 플레이트(114)를 관통하여 나사(115a, 115b)에 의해 고정되는 구조로 되어 있다.

도 3은 본 발명의 ECT 센서를 설치하기 위한 기자재를 나타낸 상세도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 ECT 센서를 설치하기 위한 기자재는 센서 서포터(도면에 도시되지 않음), 센서 홀더(150), 센서 홀더 고정용 파이프(160), 센서 가이드(170) 및 센서 지지용 플랜지(180)를 포함한다. 도 3에서는 도 2a의 가장 좌측에 있는 ECT 센서(110a)를 예로 들어 설명하였다.

상기 센서 서포터는 덕트 내부에서 상기 ECT 센서(110a)를 고정시킨다.

상기 센서 홀더(150)는 상기 ECT 센서(110a)를 고정시키고, 상기 ECT 센서 (110a)와 센서 서포터를 절연시킨다. 상시 센서 홀더(150)의 재질은 세라믹이다.

상기 센서 홀더 고정용 파이프(160)는 상기 센서 서포터에 부착되어 상기 센서 홀더(150)를 고정시킨다.

상기 센서 가이드(170)는 덕트 상부에서 상기 ECT 센서(110a)를 고정하고, 상기 센서 지지용 플랜지(180)와 상기 ECT 센서(110a)를 절연한다. 상기 센서 가이드(170)의 재질은 세라믹이다.

상기 센서 지지용 플랜지(180)는 길이 방향이 상기 센서 가이드(170)의 길이 방향과 수직으로 배치되어, 상기 센서 가이드(170)를 상기 ECT 센서(110a)에 고정시킨다. 그리고, 상기 센서 지지용 플랜지(180)의 상부는 보호박스(195)로 보호되어 있다. 또한, 상기 센서 가이드(170) 하부에는 보온재(190)가 있기 때문에 ECT 센서(100a)가 보온재(190)를 관통하여 설치된다.

도 4는 본 발명의 제매기의 최적제어방법을 나타낸 흐름도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제매기의 최적제어방법은 다음과 같은 과정을 갖는데, 도 1과 함께 설명하기로 한다.

먼저, 덕트 내부의 공간에 일정한 간격으로 복수 개 설치된 ECT 센서(110a, 110b, …, 110n)가 보일러 출력에 의해 발생되어 덕트에 접촉된 애시 입자량을 측정하여 교류신호를 발생시킨다(S100). 상기 ECT 센서(110a, 110b, … , 110n)에서 교류신호가 발생되는 과정은 다음과 같이 정전기의 생성과 관련이 있다. 2개 이상의 애시 입자가 덕트를 통과하면서 서로 충돌하게 되면 정전기를 발생시키는데, 이러한 접촉에 의한 충전으로 인하여 공기를 통해 덕트로 이동하는 애시 입자의 화학적 특성, 속도, 크기 및 모양이 변한다. 상기 ECT 센서(110a, 110b, … , 110n)를 충전된 입자들 가까이에 설치하면, ECT 센서(110a, 110b, … , 110n)의 표면에 정전기가 생성된다. 그리고, 충전된 입자들이 ECT 센서(110a, 110b, … , 110n)로 이동하면 전기적 전류가 생성되어 교류신호를 발생시킬 수 있게 된다.

이후, 이득 설정 증폭기(120)가 상기 교류신호를 감지하여 이를 증폭시킨다(S200). 상기 이득 설정 증폭기(120)는 출력이득을 1~15의 범위에서 조정할 수 있다.

이후, 인터페이스 모듈(200)이 상기 증폭된 교류신호를 수신한다(S300). 상기 인터페이스 모듈(200)은 상기 교류 덕트신호 증폭기 모듈(100)에 동축케이블로 연결된다. 상기 인터페이스 모듈(200)이 상기 교류 덕트신호 증폭기 모듈(100)에 동축케이블로 연결됨으로써, 상기 교류 덕트신호 증폭기 모듈(100)에서 전송되는 교류신호의 감쇄가 저하된다.

이후, 신호 변환기(300)가 상기 교류신호를 직류신호로 변환시킨다(S400).

이후, 아날로그/디지털 변환기(410)가 상기 변환된 직류신호를 디지털 데이터화한다(S500). 상기 아날로그/디지털 변환기(410)에 입력되는 아날로그 신호는 보일러 출력, 석탄량, 과열기 배출온도, 재열기 배출온도, 보일러 내부압력 및 스프레이량과 같은 보일러 관련 데이터에 관련된 신호이고, 상기 아날로그/디지털 변환기(410)에서 출력되는 디지털 신호는 제매기 동작 데이터 신호이다.

이후, 데이터베이스(420)가 상기 디지털 데이터를 저장한다(S600).

이후, 연산기(430)가 상기 저장된 디지털 데이터로 각각의 덕트에서 전송된 신호의 평균값을 산출한다(S700).

이후, 연산기(430)는 상기 애시의 변화량이 이전의 동작주기에서의 애시의 변화량과 비교하여 허용범위 내인지 판단한다(S800).

이후, 상기 애시의 변화량이 상기 허용범위 내이면 동작주기를 이전과 동일하게 유지시키고(S900), 상기 애시의 변화량이 상기 허용범위를 초과하면 상기 애시량이 증가했는지를 판단한다(S910).

이후, 상기 애시량이 증가했으면 제매기의 동작주기를 감소시키고(S911), 상기 애시량이 감소했으면 제매기의 동작주기를 증가시킨다(S912).

상기와 같은 방법으로 애시량에 따라 동작주기를 조절하여 PLC로 하여금 제매기를 동작시킴으로써, 애시량이 적은 경우에도 불필요하게 제매기를 동작시키는 경우가 발생하지 않고, 애시량에 따라 적절하게 제매기를 동작시킬 수 있다.

도 5는 본 발명의 애시 변화량에 따라 산출된 최적주기에 대한 테스트 결과를 나타낸 표이다. 제매기의 운전 그룹을 9개의 그룹으로 구분하고, 성능 테스트 전과 후에 대하여 각각 제매기 실시 회수와 1회 운전시 애시 증가량을 조사하였다. 그 결과, 운전 회수가 9개 그룹 모두 줄었고, 애시량은 1개 그룹만을 제외하고 모두 감소하였다.

이상에서 살펴본 바와 같은 제매기의 최적제어 시스템 및 방법에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술사상을 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

본 발명의 제매기의 최적제어 시스템 및 방법은, 실시간으로 애시량을 측정하여 애시 제거가 필요할 때만 제매기를 운전할 수 있게 함으로써, 제매기를 효율적으로 운전할 수 있게 한다. 따라서, 보일러 튜브 온도의 제어가 용이하게 되어 각종 스프레이량이 감소되고, 제매기의 스트레스를 감소시켜 수명을 연장시킬 수 있다. 또한, 제매기 운전 회수의 감소로 발전소 내의 소비전력의 감소와 함께 보일러 튜브의 마모도가 감소되어 발전 기술원의 편의성 증대 및 발전효율의 증대를 기할 수 있다.

Claims

덕트 내부의 공간에 일정한 간격으로 복수 개 설치되어, 보일러 출력에 의해 발생되어 덕트에 접촉된 애시 입자량을 측정하여 신호를 발생시키는 센서; 및

상기 센서에서 전송된 신호의 평균값을 산출하고, 애시의 변화량을 판단하여 제매기의 동작주기를 조절하는 연산처리수단;

을 포함하는 것을 특징으로 하는 제매기의 최적제어시스템.
청구항 1에 있어서,

상기 센서는 텅스텐 합금 재질의 ECT(Electric Charge Transfer) 센서인 것을 특징으로 하는 제매기의 최적제어시스템.
센서가 보일러 출력에 의해 발생되어 덕트에 접촉된 애시 입자량을 측정하여 교류신호를 발생시키는 제1단계;

신호 변환기가 상기 교류신호를 직류신호로 변환시키는 제2단계;

아날로그/디지털 변환기가 상기 변환된 직류신호를 디지털 데이터화하는 제3단계;

데이터베이스가 상기 디지털 데이터를 저장하는 제4단계; 및

연산기가 상기 저장된 디지털 데이터로부터 각각의 덕트에서 전송된 신호의 평균값을 산출하고, 애시의 변화량을 판단하여 제매기의 동작주기를 조절하는 제5단계;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 제매기의 최적제어방법.
청구항 3에 있어서,

상기 제5단계는,

상기 애시의 변화량이 이전의 동작주기에서의 애시의 변화량과 비교하여 허용범위 내인지 판단하는 제1단계;

상기 애시의 변화량이 상기 허용범위 내이면 동작주기를 이전과 동일하게 유지시키고, 상기 애시의 변화량이 상기 허용범위를 초과하면 상기 애시량이 증가했는지를 판단하여 제매기의 동작주기를 조절하는 제2단계;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 제매기의 최적제어방법.
청구항 4에 있어서,

상기 제2단계는,

상기 애시량이 증가했으면 제매기의 동작주기를 감소시키고, 상기 애시량이 감소했으면 제매기의 동작주기를 증가시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 제 매기의 최적제어방법.