KR100832418B1 - 산소취련 전로 제강공정에서의 유인송풍기 최적속도 제어방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 산소취련 전로 제강공정중 취련시점을 기준으로 전로내의 복잡한 반응 및 다양한 전로조업환경에 최적으로 대응하여 취련시간 및 조업조건에 따라 배가스처리 유인송풍기를 일정한 패턴값에 따라 속도제어가 가능토록 하고 또한 실제 배가스유량값과 집진기내부로 분사된 냉각수의 수분값을 연산하는 제어과정을 조합, 시스템화함으로써 유인송풍기의 속도를 취련종료시까지 최적으로 제어할 수 있는 제어 방법 및 장치의 제공에 관한 것이다.

본 발명은 랜스(a)를 통해 내부에 산소를 공급받아 취련을 행하는 전로(h)와, 상기 전로(h) 내부에서 취련중 발생하는 배가스를 덕트를 통해 정해진 곳으로 흡인 처리하기 위한 유인송풍기(d)와, 상기 배가스에 대해 집진 처리를 행하는 집진기(b)(c)와, 상기 전로(h)의 조업상황에 따라 상기 유인송풍기(d)의 운전을 제어하는 전기제어장치(9)를 포함하는 산소취련 전로 제강공정에 있어서, 집진기(b) 내부의 드라이 가스 유량계산을 하는 단계와, 전로(h) 상부의 후드압 출력 및 상기 드라이 가스 유량계산 출력값을 이용, 비례적분연산을 수행하여 배가스유량을 제어하는 단계와, 조업의 진행상황에 따라 정형화된 유인송풍기 속도치를 지정하는 단계와, 상기 배가스유량 제어단계의 출력과 상기 정형화된 유인송풍기 속도치 지시값의 비교연산을 수행하는 단계와, 상기 비교연산 단계에서의 연산결과에 따른 실질적인 속도로 유인송풍기(d)의 속도를 제어 지시하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 산소취련 전로 제강공정에서의 유인송풍기 최적속도 제어 방법 및 상기 방법을 수행하기 위해 드라이 가스 유량계산부(100)와 배가스 유량제어부(200), 유인송풍기 속도설정 패턴값 지시부(300), 비교연산부(400), 최적값 지시부(500)롤 포함하여 구성된 제어장치를 제공한다.

Description

산소취련 전로 제강공정에서의 유인송풍기 최적속도 제어 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR OPTIMUM CONTROL OF OPERATION OF INDUCED DRAFT FAN IN MOLTEN METAL PURIFYING PROCESS UTILIZING FURNACE WITH OXYGEN LANCE}

도1은 본 발명이 관련된 산소취련 제강공정 설비의 구성 개요도,

도2는 종래의 유인송풍기 제어 흐름도,

도3은 본 발명의 제어 장치를 사용한 제어 흐름도,

도4는 유인송풍기 배가스 유량제어 및 패턴제어에 의한 제어절차 상세도,

도5는 배가스 유량제어의 이론적 고찰 결과도,

도6은 본 발명을 이용한 실제 제강 취련공정 프로세스 제어 결과도.

* 도면중 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 압력센서 2,3 : 온도센서

4,7,8 : 유량센서 5,6 : 밸브

10 : 후드압력제어기 11 : 발전기

12 : 유인송풍기속도제어기 100 : 드라이 가스 유량계산부

200 : 배가스 유량제어부 300 : 유인송풍기 속도설정 패턴값 지정부

400 : 비교연산부 500 : 최적값 지시부

a : 랜스 b : 1차 집진기

c : 2차 집진기 d : 유인송풍기

e : 스텍 f : 저장탱크

g : 후드 h : 전로

본 발명은 LT 제강전로를 사용한 제철소의 산소취련 제강공정중 탈탄과정에서 발생하는 배가스를 흡인배출하기 위한 유인송풍기의 속도를 전로조업환경에 맞추어 최적으로 제어할 수 있는 방법 및 장치의 제공에 관한 것이다.

제철소에서 제강공정을 위해 쓰이는 전로 방식중 LT(Lurgi, Thyssen) 설비는 순산소 상취 및 저취 전로법에서 랜스(Lance)를 통한 산소취입에 따라 산화정련반응의 결과로써 다량 발생하는 배가스(CO₂, CO 등이 다량 함유된 고온의 가스)를 냉각, 집진처리하는 가스처리 설비이다.

본 발명은 상기의 설비에서 조업중 발생되는 배가스의 처리와 관련된 것으로, 특히 제강공정중 취련시점을 기점으로 전로내의 복잡한 반응 및 다양한 전로조업 환경에 최적으로 대응하여 취련시간 및 조업조건에 따라 배가스처리 유인송풍기를 일정한 패턴값에 따라 속도제어가 가능토록 하고 또한 실제 배가스 유량값과 집진기내부로 분사된 냉각수의 수분값을 연산하는 제어과정을 조합, 시스템화함으로써 유인송풍기의 속도를 취련종료시까지 최적으로 제어할 수 있도록 하기 위한 것이다.

제철소의 산소취련 제강공정중 탈탄과정에서는 필수적으로 배가스가 발생하는데, 이 배가스를 처리함에 있어 일반적으로 처리공정 후단부에 위치한 유인송풍기(Induced Draft Fan)의 작동에 의해 가장 적절한 후드(Hood)압을 유지함으로써 환경오염방지 및 에너지 절약등을 도모하도록 하고 있다.

이를 위해 다음과 같은 방법을 적용하고 있다.

도1은 세계적으로 주종을 이루는 제강법중에 하나인 산소취련 제강법을 이용하여 제강을 실행하기 위한 설비의 구성개요를 나타내는데, 이는 고순도의 산소를 산소 랜스(a)를 통해 전로(h)내의 용철 표면에 분사함으로써 용철내의 용화된 불순물을 산화시켜 제강하는 설비이다. 산화반응에 의해 발생한 전로(h)내의 배가스는 덕트를 거쳐 1차 집진기(Evaporation Cooler)(b)를 통과하는 동안 냉각되고 또 그 배가스중의 분진이 제거된다.

1차 집진기(b)를 거친 배가스는 다시 2차 집진기(c)에서 재냉각 및 집진이 된후 유인송풍기(d)를 통해서 빠져 나간다. 집진처리된 배가스는 방수변을 통해 스텍(Stack)(e)으로 보내어 연소시킨 후 대기중으로 날려 보내거나 배가스중 CO 가스의 순도가 높은 것은 연료로써의 재사용을 목적으로 저장탱크(Gas Holder)(f)에 저장한다.

저장탱크(f)로 배가스를 저장하는 것은 CO가스의 순도가 높을 때만 이루어지게 되는데, 이 CO가스의 순도를 높이기 위해서는 전로상부 스커트(전로와 전로상부 덕트를 연결시키는 통로)와 전로간의 간격에 유입되는 공기가 없어야 하고 이를 위 해서는 후드(g) 내부 압력을 적절히 조절해 주지 않으면 안된다.

후드내 압력을 적절히 조절하지 못하여 후드내부 압력이 너무 낮으면 외부공기가 전로입구와 스커트사이로 유입되어 이 유입된 외부가스와 CO가스가 덕트내에서 2차 연소됨으로써 폭발의 위험성은 물론 CO2가 재발생되어 고순도의 CO가스 회수율이 떨어지게 되며, 후드내부 압력이 너무 높으면 전로내의 배가스가 외부로 유출되어 화염이 다량 유출되거나 전로내 용철이 전로밖으로 넘치는 슬로핑 현상이 발생하게 된다.

이러한 현상을 방지하기 위해 현제 제강공장에는 후드(g)부 최하단으로부터 약 5M지점에 압력센서(1)를 설치하여 실제압을 검출, 그 후드부압력이 대기압과 거의 일치되도록 유인송풍기(d)를 운전함으로써 2차연소를 극소화하고 로내압력이 대기압보다 높음으로 인한 발생가스 및 더스트의 외부방출현상을 방지할 수 있도록 제어시스템이 구현되어 있고, 각 공정마다 발생하는 현장 데이터수집을 위해 데이터수집용 센서(2,3,4,7,8)가 필요한 곳마다 설치되어 있으며, 이 센서들에서 발생되는 신호를 이용하여 상기의 목적이 달성되도록 하기 위한 제어시스템이 별도로 설치된 전기제어장치(9)에 탑재되어 운용중이다.

또, 배가스량의 증감에 따라 그 발생 배가스의 온도저하를 목적으로 1차 집진기(b)에서 수분을 분사하는데, 이 분사되는 수분량도 역시 전기제어장치(9)에 구현된 인젝션워커(Injection water) 유량제어부에 의해 제어된다.

도1에서 2는 집진기(b) 전단 가스온도측정 온도센서, 3은 집진기(b)후단 가스온도측정 온도센서, 4는 유인송풍기(d)로 유입되는 배가스량 측정 유량센서, 5는 집진기(b)내 스팀분출제어 밸브, 6은 집진기(b)내 수분분사제어 밸브, 7은 집진기(b)내 수분분사량측정 유량센서, 8은 산소분사량측정 유량센서를 각각 나타낸다.

이러한 종래 기술의 전체적인 제어흐름은 도2에 나타낸 바와 같은데, 이 종래 기술의 설비운용에는 다음과 같은 문제점이 있다.

즉, 종래에는 도2의 제어흐름도에서 나타난 바와 같이 실제 검출되는 후드 압력계의 신호를 기본으로 후드압력 제어기(10)가 작동하며 이의 출력치(Y)와 산소유량 백분률(E1) 및 배가스 최대유량값(E3)인 300,000값과 검출된 02유량값(E2)을 곱하여 배가스 유량설정 패턴값(미리 조업결과치에 근거한 정해진 유량값)과 비교연산후 최대값이 유인송풍기(IDF) 속도 설정치로 입력되며, 유인송풍기속도는 실제 송풍기의 회전속도를 검출하는, 유인송풍기에 직접 연결된 발전기(Tacho Generator)(11)의 출력값을 검출하여 실제값으로 환산하고 이를 유인송풍기 설정값과 비교하여 속도를 제어하도록 되어 있다. 즉, 종국적으로 유인송풍기의 회전속도에 따라 발생 배가스량의 조절이 이루어지고 이는 배가스 통로의 각종 프로세스 상태를 안정시켜 궁극적으로 안정적 조업의 형태를 이루려는 것이다.

하지만, 이러한 현 제어계의 형태에서는 실질적으로 취련 방식이 변경되거나 부원료 투입시기가 변동됨에 따라, 또는 어떤 예기치 못한 조업환경의 변화에 따라 발생되는 배가스량의 급변동시에 유인송풍기의 속도치가 이를 추종하지 못하고 불안정하게 변동됨에 따라 제어 전체에 영향을 끼치며 이때는 먼저 배가스량 급증감에 따른 필연적인 후드압력 변동이 일어나게되고 이에 따라 후드압제어기의 입력 및 출력치가 변하여 다시 배가스량을 변화시키며 이때 각 공정에 설치된 센서들에 의해 검출되는 프로세스값이 변동됨에 따른 제어출력치변동으로 유인송풍기 속도 또한 불규칙으로 헌팅(HUNTING)하는 문제가 발생한다. 또, 배가스량의 증감에 따라 배가스 온도저하를 목적으로 1차 집진기(b)에서 수분을 분사하는데 이 분사되는 수분량을 증감시키고 수분분사량에 따라 배가스유량이 달라지므로 다시 배가스량에 변화를 주는 요소로써 작용하게 되는 바, 이에 대한 제어계의 대응방안이 현재 없는 실정이다. 따라서, 취련초기의 배가스 유량제어가 불안정한 경우 취련 종료시까지 위와 같은 과정이 되풀이 되어 제어계가 안정되지 않는 사례가 빈번하고 정상조업에 악영향을 주는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 산소취련 제강공정에 있어서 전로내의 복잡한 반응등에 의한 종래의 유인송풍기 제어의 한계점을 해결하기 위하여 로내 반응에 따라 발생되는 배가스량뿐만 아니라 랜스로부터 분출되는 산소유량, 취련이 시작되고부터의 후드압, 송풍기속도변화 및 집진기내 분사 수분량등의 데이터를 실시간으로 수집, 분석하여 최적으로 조업조건을 만족할 수 있는 송풍기속도설정치를 도출, 일정형태값으로 정량화(패턴화)하여 이를 기존의 제어계에 접목하여 적용시키고, 실제 검출되는 배가스량과 1차 집진기에서 분사되는 수분량을 계산하고 기존의 후드압력 제어기의 출력값과 비교, 연산하는 제어기를 구현하여 정량화한 유인송풍기 속도값과 조합, 유입송풍기의 속도제어를 최적으로 할 수 있는 방법을 제공함으로써 제어계의 안정성을 도모하여 궁극적으로 최적의 전로조업을 이룩하는데 그 목적이 있다.

즉, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 다양한 전로조업환경에 최적으로 대응할 수 있도록 취련시간 및 조업조건에 따라 유인송풍기를 일정한 패턴값에 따라 속도제어가 가능토록 하고 또한 실제 유량값과 집진기내부로 분사된 수분값을 연산하는 유량제어기를 신설하고 이를 조합, 시스템화함으로써 유인송풍기의 속도를 최적으로 제어하는 방법 및 장치를 제공하려는 것이다.

이하에서 본 발명을 첨부도면을 참조하여 더욱 상세히 설명한다.

도3은 본 발명의 방법을 사용한 제어의 개요를 나타낸 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명이 적용되는 장치는 크게 드라이(DRY) 가스 유량계산을 하는 드라이 가스 유량계산부(100), 후드압 제어기(10)로부터의 출력과 드라이 가스 유량계산부(100)의 출력값을 이용, 비례적분(Propotional Integral) 연산을 수행하는 배가스 유량제어부(200), 조업의 진행상황에 따라 정형화된 유인송풍기 속도치를 지정하는 유인송풍기 속도설정 패턴값 지정부(300), 배가스 유량제어부(200)이 출력값과 패턴값 지정부(300)의 지시값의 비교연산을 수행하는 비교연산부(400), 연산결과에 따른 실질적인 속도를 유인송풍기 속도제어기(12)에 입력 지시하는 최적값 지시부(500)로 구성되어 있다.

상기의 각 부는 기존에 설치된 전기제어장치(9)(도1참조)내에 탑재된다.

도4는 본 발명이 실제 제어계에 적용된 제어수단에 의한 제어절차, 도5는 본 발명이 적용된 제어장치 및 수단에 의한 이론적인 제어출력형태를 나타내고 있다.

또, 도6은 본 발명의 제어에 의한 실제 전로조업 프로세스에 출력되는 제어 결과를 보여주고 있다.

이와 같이 구성된 본 발명의 작용에 관하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 전기제어장치(9)에 탑재된 드라이 가스 유량계산부(100)에서 1차 집진기(b)후단으로부터 실 검출된 배가스유량에서 상기 집진기에서 분사되는 수분의 기화시 발생되는 이론적인 볼륨(VOLUME)팽창율 1243.7을 곱한 값을 감산한 값으로 유량을 계산한다. 이 드라이 가스 유량계산부의 계산완료된 드라이 가스 유량값이 배가스유량제어부(200)로 입력된다.

이 입력값은 기존 제어기능의 출력값과 함께 배가스 유량제어부(200)에 입력되고 배가스 유량제어부(200)에서 PI(Propotional Integral, 비례적분동작)계산이 완료되어 출력이 나오게 된다.

여기서 적용되는 드라이 가스 유량계산부(100)와 배가스 유량제어부(200)의 내부 연산수식은 다음과 같은 형태이다.

◎ 드라이 가스 유량값 계산식

◎ 배가스유량 PI제어기 수식형태

상기의 배가스 유량제어부의 출력값과 기존의 제강조업중 취련시간 경과에 따른 조업결과 자료에 근거한 유인 송풍기 속도출력값을 종합, 분석하여 시간경과에 따른 최적의 조업을 위한 송풍기 속도설정값을 도출, 패턴화하여 정량화한 지정 값은 유인송풍기 속도 패턴값 지정부(300)에 로직화하여 탑재된다.

여기에서 배가스 유량제어부(200)의 출력값과 패턴값 지정부(300)의 출력값은 비교연산부(400)에서 연산, 큰 값을 도출하여 최적값 지시부(500)로 입력되고 이 입력값을 유인송풍기 속도제어기(12)로 지시, 유인송풍기 속도의 연속제어가 진행되도록 구성하였다.

이제, 본 발명의 요체인 유인송풍기 속도 패턴값 지정과 배가스 유량제어의 조합에 의한 제어방법 작용은 다음과 같이 진행된다.

도4에서 보여진 것처럼 일단 전로에서 취련이 개시되면 개시후 30초동안 유인송풍기의 속도출력은 1300 RPM으로 적용(패턴 S1)되어 취련초기에 발생하는 배가스를 흡입하게 된다.

다음, 취련개시후 초기에 과다하게 발생되는 배가스가 어느 정도 흡입된 후 30-45초동안은 1200 RPM으로 속도가 제어(패턴 S2)되며, 이때부터 배가스 유량제어부(200)에서 출력되는 값과 속도설정 패턴값 지정부(300)의 출력값을 비교연산하여 큰 값을 적용, 유인송풍기 속도를 제어하게 된다.

취련후 45초 이후에서 취련이 95%까지 진행되는 동안에 송풍기의 속도는 1100 RPM으로 제어(패턴 S4)되고, 이 기간중 배가스 비회수조업이 적용될 시는 송풍기속도는 800 RPM으로 적용(패턴 S5)된다.

또한, 취련기간중 송풍기속도의 급격한 상승에 의한 조업사고에 대비하여 상한값을 1720 RPM으로 적용(패턴 S7)하여 만일의 사태를 미연에 방지할 수 있도록 시스템화하였으며, 취련 95%부터 종료후 30초까지는 송풍기속도를 1000 RPM을 적용(패턴 S3)하고 있다.

본 발명이 적용된 배가스 유량제어와 송풍기 속도제어 패턴에 의한 프로세스 변화는 도6에 나타나 있다.

또한, 본 발명에 의한 배가스 유량제어부의 제어계의 영향평가는 다음과 같다.

상기 식(2)에서 Kp(비례상수) = 0.7, Ti(적분상수) = 6으로 조정했다.

따라서, 식(2)를 라플라스(Laplace)변환한 식은 다음과 같이 표현된다.

상기의 식(3)에 따른 보드선도 결과에 대한 이론적 결과치는 도5의 (가)와 같다.

이 보드선도에 의한 이득여유 및 위상여유의 계산값은 다음과 같다.

◎ 이득여유 계산

도5에서 위상곡선이 -180°와 교차하는 점의 주파수는 대략 0.01 rad/sec이고, 이 주파수에 대응하는 여유곡선은 약 23dB이므로 이득여유는 23dB이상이 된다.

(이득여유 계산식 G.M = -20Log[G]에 의하면 약 40dB임)

◎ 위상여유 계산

이득곡선이 0dB일때의 위상곡선의 값은 약 -50°이므로 위상여유계산식 = 180°+ θ=130° 가 된다.

다음, 제어계의 안정도 판정을 위한 니퀴스트(Niquist)선도 해석결과를 도5 의 (나)에 나타내고 있다.

여기에서 나타난 바와 같이 궤적이 극좌표상의 (-1,j0)를 포함하고 있지 않음을 보여주고 있다.

따라서 배가스 유량제어부의 조정에 의한 전체적인 제어계를 이론적으로 고찰한 결과 일반적으로 이득여유가 제어계의 안정성을 절대적으로 지시하는 것은 아니나 큰 이득 여유를 갖는 계가 작은 계보다 안정함을 나타내고 제어계에서 계가 안정하려면 위상여유와 이득여유 모두 양의 값을 가져야 한다.

결론적으로, 위와 같은 니퀴스트 선도에 의한 해석법과 보드선도 결과에 따라 본 발명의 효과를 극대화하기 위한 배가스 유량제어부 제어결과는 매우 안정적임을 보여주고 있다.

본 발명에 의한 실제 전로취련작업의 결과는 도6에 나타나 있다. 여기에 나타난 바와 같이 배가스 유량제어부의 조정과 패턴값 지정부 제어에 의해 발생되는 배가스량(도6의 A)에 비례, 추종하여 유인송풍기 속도의 안정적 제어(도6의 B)에 의해 유출되는 배가스량이 극히 안정적임을 볼 수 있다.

따라서, 본 발명에 의한 안정적인 취련조업에 의해 발열량이 높은 고순도의 CO가스 회수가 가능하며 생산비의 절감과 CO가스의 대기유출 억제에 의한 대기오염 감소와 조업설비의 안정적 운용등의 효과를 기대할 수 있다.

Claims (2)

1. 랜스(a)를 통해 내부에 산소를 공급받아 취련을 행하는 전로(h)와, 상기 전로(h) 내부에서 취련중 발생하는 배가스를 덕트를 통해 정해진 곳으로 흡인 처리하기 위한 유인송풍기(d)와, 상기 배가스에 대해 집진 처리를 행하는 집진기(b)(c)와, 상기 전로(h)의 조업상황에 따라 상기 유인송풍기(d)의 운전을 제어하는 전기제어장치(9)를 포함하는 산소취련 전로 제강공정에서의 유인송풍기 최적속도 제어 방법에 있어서,

   집진기(b) 내부의 드라이 가스 유량계산을 하는 단계와, 전로(h) 상부의 후드압 출력 및 상기 드라이 가스 유량계산 출력값을 이용, 비례적분연산을 수행하여 배가스유량을 제어하는 단계와, 조업의 진행상황에 따라 정형화된 유인송풍기 속도치를 지정하는 단계와, 상기 배가스유량 제어단계의 출력과 상기 정형화된 유인송풍기 속도치 지시값의 비교연산을 수행하는 단계와, 상기 단계에서의 연산결과에 따른 실질적인 속도로 유인송풍기(d)의 속도를 제어 지시하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 산소취련 전로 제강공정에서의 유인송풍기 최적속도 제어 방법.
2. 랜스(a)를 통해 내부에 산소를 공급받아 취련을 행하는 전로(h)와, 상기 전로(h) 내부에서 취련중 발생하는 배가스를 덕트를 통해 정해진 곳으로 흡인 처리하기 위한 유인송풍기(d)와, 상기 배가스에 대해 집진 처리를 행하는 집진기(b)(c)와, 전로(h)의 조업상황에 따라 상기 유인송풍기(d)의 운전을 제어하는 전기제어장치(9)를 포함하는 산소취련 전로 제강공정에 있어서,

   집진기(b) 내부의 드라이 가스 유량계산을 하는 드라이 가스 유량계산부(100)와, 후드압력 제어기(10)로부터의 출력과 드라이 가스 유량계산부(100)의 출력값을 이용, 비례적분 연산을 수행하는 배가스 유량제어부(200)와, 조업의 진행상황에 따라 정형화된 유인송풍기 속도치를 지정하는 유인송풍기 속도설정 패턴값 지정부(300)와, 상기 배가스 유량제어부(200)의 출력값과 패턴값 지정부(300)의 지시값의 비교연산을 수행하는 비교연산부(400)와, 연산결과에 따른 실질적인 속도를 유인송풍기 속도제어기(12)에 입력 지시하는 최적값 지시부(500)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 산소취련 전로 제강공정에서의 유인송풍기 최적속도 제어 장치.

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