KR100871943B1 - 용수 처리 설비 감시 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 방법 및 장치는 급수(36)가 보충되어 블로우다운(26), 주 증기, 수트블로워 증기로서 제거되는 온도 조절 액체를 포함한 보일러(14)에서의 누설 검출을 위해 제공된다. 양호한 실시예에서, 보일러는 자동 액체 액위 조절 기구를 갖는다. 이러한 방법은 급수 보충 속도 및 제거 속도와 관련된 속도를 측정하는 단계와, 보충 속도 및 제거 속도 사이의 오프셋을 수정하는 단계와, 미지의 물 속도를 결정하는 단계와, 누설 상태 여부를 결정하기 위해 미지의 용수 속도를 0과 비교하는 단계를 포함한다.
Figure R1020007003238
용수, 처리, 설비, 감시, 방법, 장치

Description

용수 처리 설비 감시 방법 및 장치{METHODS AND APPARATUS FOR MONITORING WATER PROCESS EQUIPMENT}
본원은 1997년 9월 26일자로 출원된 미국 특허 출원 제08/938,419호(이는 1997년 2월 13일자로 출원된 미국 특허 출원 제08/800,110호의 일부 연속 출원임)의 일부 연속 출원이다.
기술 분야
본 발명은 공업 용수 처리 설비를 감시하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 흑액 회수 보일러(black liquor recover boiler) 등의 용수 처리 설비에서의 누설 검출에 관한 것이다.
배경 기술
보일러는 보급수가 첨가되어 블로우다운(blowdown)이 제거된 용수 또는 기타 수성 온도 조절 액체가 노 또는 발열 공정 시스템으로부터의 열의 인가에 의해 증기로 증발되는 장치이다. 대부분의 경우에, 온도 조절 액체는 열전달을 용이하게 하기 위해 발열 공정 시스템에 근접하여 간접적으로 접촉된다. 보일러에서의 누설은 온도 조절 액체 및 발열 공정 시스템의 오염을 일으킬 뿐만 아니라 바람직하지 못한 물리 반응을 일으킬 수 있다. 이는 특히 대부분의 종이 분쇄기(paper mill)에서 사용되는 흑액 회수 보일러에 해당된다. 흑액 회수 보일러에서, 보일러의 소위 "용수측(water side)"로부터 고온이고 부식에 민감한 "연소측(fire side)"으로 의 수성 온도 조절 액체의 탈출 또는 누설은 격렬한 폭발을 일으킬 수 있다.
종래 기술은 흑액 회수 보일러 및 기타 보일러 시스템에서의 누설을 감시 및 조절하는 각종 기술을 제공하고 있다. 예컨대, 미국 특허 제5,320,967호(아발론 등)는 급수에 대한 공지된 균일한 비율로 불활성 트레이서를 보일러에 유입시키는 단계와, 정상 상태에서의 트레이서의 특성을 감지하는 단계와, 감지된 특성을 온도 조절 액체 내에서의 트레이서의 농도에 해당하는 값으로 변환하는 단계와, 트레이서의 농도의 과도한 편차가 있을 때 신호를 발생시키는 단계를 포함하는 보일러 시스템 누설 검출 방법을 개시하고 있다. 그러나, 아발론 등에 의해 개시된 이러한 방법은 보일러가 정상 상태에 있을 때 트레이서가 검출(감지)되어야 한다는 요건에 의해 제한되며, 정상 상태는 5개의 공정 변수 즉 보일러 내에서의 트레이서의 농도, 블로우다운 속도, 급수 속도, 트레이서를 보일러에 공급하는 속도 및 보일러 누설이 없는 경우의 증기 발생 속도에 모두 상당한 변화가 없을 때에만 발생되는 것으로 알려져 있다.
추가적인 제한으로는 트레이서 화학 약품을 입력하고 블로우다운을 분석하는 트레이서 화학 약품 및 측정 설비의 비용이 있다.
미국 특허 제5,363,693호(네브루즈)는 화학적인 회수 보일러 시스템으로부터의 누설을 검출하는 방법 및 장치를 개시하고 있다. 이러한 방법은 회수 보일러의 질량 입력 및 출력을 측정하는 단계와, 질량 유동의 드럼 균형을 위한 장기 및 단기 통계를 계산하는 단계를 이용하고 있다. 이러한 계산으로부터, 드럼 균형의 장기 및 단기 이동 평균의 상이 정도를 관찰하여 보일러 누설의 발생 여부를 지시하 기 위해 t-테스트 함수가 계산된다. 이러한 방법은 유동 센서 드리프트 및 오프셋에 의해 발생된 센서 입력에 대한 수정을 제공하지만, 여전히 공정 변수의 변화 즉 증기 발생 속도 변화 동안에 누설 검출 신호에서의 오프셋이 존재한다.
결국, 정상 상태가 아닌 경우, 즉 하나 이상의 공정 변수가 변한 경우의 보일러 시스템에 사용될 수 있는 융통성 있는 누설 검출에 대한 필요성이 남아 있다.
발명의 요약
보일러는 온도 조절 액체가 첨가 및 제거되는 보일러에서의 누설 검출을 위한 방법 및 장치를 제공한다. 양호한 실시예에서, 온도 조절 액체에는 급수가 보충되며, 이러한 보충 속도는 측정된다. 온도 조절 액체는 또한 블로우다운, 주 증기 및 수트블로워(sootblower) 증기로서 제거되며, 이러한 제거 속도도 측정된다. 용수 입력 속도 및 용수 출력 속도는 보충 및 제거 속도에 따라 결정된다. 온도 조절기(attemperators)를 갖는 이러한 보일러에서, 이러한 보충은 온도 조절기 및 급수로부터의 첨가를 모두 포함할 것이다.
용수 입력 속도와 용수 제거 속도 사이의 오프셋이 결정 및 수정된다. 이와 같이, 미지의 용수 속도는 기지의 보충량 및 제거량을 이용하여 결정될 수 있다. 이러한 유도량과 0(즉, 미지의 용수 속도는 0보다 크다)의 비교는 누설 상태가 보일러 내에 존재하는 것을 지시한다.
도면의 간단한 설명
도1은 본 발명에 따른 보일러 감시 시스템을 나타내는 도면이다.
발명의 상세한 설명
본 발명은 구속 수단 내의 온도 조절 액체에 급수가 보충되고 블로우다운, 주 증기 및 수트블로워 증기로서 제거되는 자동 액체 액위 조절 기구를 갖는 보일러에서의 누설을 검출하는 방법 및 장치를 제공하며, 상기 방법은 (a) 데이터를 얻기 위해 급수 보충과 관련된 속도를 측정하는 단계와, (b) 데이터를 얻기 위해 블로우다운, 주 증기 및 수트블로워 증기와 관련된 속도를 측정하는 단계와, (c) 보충 수단과 제거 수단 사이의 오프셋을 수정하는 단계와, (d) 단계 (a), (b) 및 (c)에서 얻어진 데이터로부터 미지의 용수 속도를 결정하는 단계와, (e) 미지의 용수 속도와 0을 비교하는 단계와, (f) 미지의 용수 속도가 0보다 크면 누설 상태를 지시하는 단계를 포함한다.
본 발명은 구속 수단 내의 온도 조절 액체에 급수가 보충되고 블로우다운, 주 증기 및 수트블로워 증기로서 제거되는 자동 액체 액위 조절 기구를 갖는 보일러에서의 누설을 검출하는 시스템을 제공한다. 상기 시스템은 급수 보충과 관련된 속도를 측정하기 위해 급수 보충 수단과 연통된 측정 수단과, 블로우다운, 주 증기 및 수트블로워 증기 제거와 관련된 속도를 감시하기 위해 구속 수단과 연통된 측정 수단과, 용수 입력 속도와 용수 출력 속도 사이의 오프셋을 결정하기 위해 보충 및 제거 수단과 연통된 수정 수단과, 미지의 용수 속도를 결정하기 위해 보충 및 제거 측정 수단과 수정 수단에 연통된 결정 수단과, 속도 결정 수단과 영을 비교하기 위해 미지의 용수 속도 결정 수단과 연통된 비교 수단을 포함한다. 또한, 상기 측정 수단은 보충 수단 및 구속 수단과 전기적으로 연통된다.
본 발명의 방법 및 장치는 액체가 첨가 및 제거되고 자동 용수 수위 조절 기구를 사용하는 임의의 종류의 설비를 실제로 감시하는 데 사용될 수 있다. 본 발명의 방법 및 장치는 바람직하게는 보일러, 특히 흑액 회수 보일러에서의 누설을 감시 및 검출하는 데 사용된다. 대표적인 보일러는 미국 특허 제3,447,895호(넬슨 등), 미국 특허 제4,462,319호(라슨), 미국 특허 제4,498,333호(파사사라시), 미국 특허 제4,502,322호(테로)에 의해 개시되어 있으며, 이러한 내용은 참조로 본 명세서에 포함되어 있다.
본 발명에 다른 예시 감시 시스템은 도1에 도시되어 있으며, 여기에서 온도 조절 액체(12)를 포함하는 "보일러"인 제1 "용수측" 구속 수단은 고온 증기 및 용융된 제련 베드를 대개 포함하는 제2 "연소측" 구속 수단(14)에 대해 인접하여 열적으로 연통된다. 보일러(10)는 배출구(20)로의 블로우다운의 배출을 위한 블로우다운 라인(18), 및 응축 수단(24)으로의 증기의 배출을 위한 증기 라인(22)과 유체 연통된다. 블로우다운의 배출은 수동이나 외부 컴퓨터 또는 다른 처리 수단(도시되지 않음)에 의해 작동될 수 있는 블로우다운 밸브(26)의 작동을 통해 조절된다. 블로우다운 밸브가 본 발명의 시스템에 의해 조절되거나 감시될 필요는 없다. 보일러(10)와 블로우다운 밸브(26) 사이에서, 블로우다운 유량에 대한 정보를 제공하기 위해 블로우다운 라인(18)이 감시 수단(34)과 유체 연통된다. 측정 수단(32, 34)은 처리 수단(28)과 전기 연통된다. 보일러(10)는 공급 라인(38)을 통해 급수 공급원(36)과도 유체 연통된다.
정상적인 작동 동안에, 보일러로의 급수 첨가 조절은 블로우다운 및 증기의 제거를 보상하고, 보일러(10) 내의 온도 조절 액체(12)의 부피를 일정하게 유지한다. 보일러 내에서의 증기 발생의 자연적인 문제점은 유입되는 비휘발성 성분의 농축이다. 이러한 "주기(cycling up)" 효과를 조절하기 위해, 비교적 농축된 온도 제어 액체 중 하나 이상의 부피는 블로우다운으로서 보일러로부터 제거되고, 비교적 희석된 급수의 대응 부피가 첨가된다. 본 발명에 따르면, 블로우다운은 규칙적 또는 불규칙적으로 측정되거나 블로우다운으로서 제거된 용수의 중량을 결정하기 위해 연속적으로 감시된다.
본 발명에 따른 방법은 자동 용수 수위 조절 기구를 갖는 구속 수단에 특히 효과적이다. 이러한 기구들은 보일러에서 찾아볼 수 있고, 보일러에 존재하는 용수의 부피량의 변화를 감지하는 기능을 한다. 보일러로부터 용수가 배출됨에 따라, 센서는 용수 수위가 하강하였다는 것을 지시하고 자동적으로 보충되도록 신호를 보낸다.
자동 용수 수위 조절 기구를 갖는 보일러 시스템에서, 계수 a, b 및 c는 실험 보일러 데이터에 최소 제곱법을 사용하여 계산될 수 있다. 이러한 "실험" 데이터는 본 발명의 방법 및 장치를 적용하기 전에 대략 1개월 동안 수집된 것일 수 있다. 최소 제곱법은 일련의 관련 관찰 결과로부터 의미를 유추하는 데 널리 사용되는 기구이다. 보일러의 경우에, a, b 및 c는 최소 제곱법 기구를 사용하여 보일러에 대한 출입 유량 데이터의 관찰 및 수집으로부터 계산될 수 있다. 이러한 데이터 수집은 측정된 각종 데이터에 대해 본 발명의 단계에 적절하다. 계수 a, b 및 c는 각각의 보일러에 특정되고 동일한 모델 및 제조사의 보일러라도 서로 다르다.
보일러 등의 구속 수단(containment means)에서의 용수 질량 평형을 위한 기본 방정식은 다음과 같다.
Figure 112000005871465-pct00001
여기에서,
M = 담긴 용수 질량
I = (급수로서의) 용수 입력 속도
O = (블로우다운, 주 증기 및 수트블로워 증기로서의) 용수 출력 속도
U = (누설로서의) 미지의 용수 속도
t = 시간
이상적인 상황에서, 담긴 용수 질량이 변하지 않고 미지의 용수 속도가 없으면(dM/dt 및 U가 모두 0), 용수 입력 속도는 용수 출력 속도와 동일하여야 한다(I=O). 그러나, 계기들 사이의 캘리브레이션 불일치로 인해, I와 O 사이의 관계는 대체로 다음의 형태와 같다.
Figure 112000005871465-pct00002
여기에서, a 및 c는 결정 가능한 상수 또는 보일러에 따른 변수이다.
a 및 c의 중요성은 전통적인 캘리브레이션 기술을 수행하여야 하는 것을 회피하면서 캘리브레이션 불일치를 수정하는 것이다. 각각의 개별 계기의 캘리브레이션을 주기적으로 수행하는 대신에, a 및 c를 재계산하는 용이한 작업을 수행하기만 하면 된다.
이들 조건을 계산식에 반영하면, 용수 질량 평형 방정식은 다음과 같다.
Figure 112000005871465-pct00003
I 및 O는 측정 가능하고, U를 계산하기 위해, dM/dt가 계산되어야 한다. 자동 용수 수위 조절 기구를 갖는 보일러 시스템에서, 관찰에 의해, dM/dt는 dI/dt에 비례하거나 다음과 같다.
Figure 112000005871465-pct00004
여기에서, b는 a 및 c와 마찬가지로 결정 가능한 상수이며, 이는 실험 보일러 데이터 예컨대 1개월 정도의 데이터에 최소 제곱법을 사용하여 계산될 수 있다. dM/dt를 계산하는 데 b항의 중요성은 입력(I)과 출력(O) 사이의 시간 지연을 제거하는 데 있다.
방정식(3) 및 (4)를 조합하면 다음의 식이 된다.
Figure 112000005871465-pct00005
미지의 용수 속도가 0보다 크면(통계적으로 중요한 편차 내에서), 누설 상태가 지시된다. 이와 같이, U가 양수이면, 보일러 운전자는 가능한 원인을 조사하기 시작한다. 이는 전형적으로 물리적 및/또는 청각적 검사를 포함하고, 편차의 크기에 따라 보일러의 셧다운으로 완료된다.
수학적으로, 데이터 지점에서의 변수 V의 값인 V(i)는 다음과 같다.
Figure 112000005871465-pct00006
Figure 112000005871465-pct00007
일반적으로,
Figure 112000005871465-pct00008
또는
Figure 112000005871465-pct00009
이와 같이, (i)번 반복에서 식(5)는 다음과 같이 된다.
Figure 112000005871465-pct00010
방정식(5)로부터 항
Figure 112000005871465-pct00011
는 입력 속도(I)와 출력 속도(O) 사이의 시간 지연을 제거한다는 것을 나타낸다. 식(9)를 상기 항 및 방정식에 적용함으로써, 누설의 존재를 계산 및 결정하는 개선된 수단이 구현된다. 이러한 개선은 누설을 검출하는 데 있어서 신호 대 잡음비를 대폭 증가시킨다. 이와 같이, 오프셋을 위한 수정은 시간 인덱스 및/또는 유동 신호의 크기를 위한 것일 수 있다.
상기 개선은 다음 계산에 의해 결정될 수 있다. 계산을 단순화하기 위해, 5개의 가정이 있다. 즉, 1) 누설이 존재하지 않는다, 2) 로드 스윙이 없이, 입력(I) 및 출력(O)은 임의 변수이고 서로 관련이 없다, 3) I 및 O는 동일한 잡음 수준, 즉 표준편자=σ, 4) a는 1에 가까우므로, a는 1이라고 가정한다, 5) c는 잡음 수준에 영향을 주지 않으므로 0이다.
따라서, 통계적으로, 식(5)는 다음과 같이 된다.
Figure 112000005871465-pct00012
식(10)은 다음과 같이 된다.
Figure 112000005871465-pct00013
상기된 가정 및 표준 계산에 의하면,
Figure 112000005871465-pct00014
Figure 112000005871465-pct00015
이는
Figure 112000005871465-pct00016
이
Figure 112000005871465-pct00017
의 약 (1-b+b2)배의 크기라는 것을 의미한다. b에 대한 전형적인 값은 -3이다. 이와 같이,
Figure 112000005871465-pct00018
는 약
Figure 112000005871465-pct00019
의 크기이다.
운행 시간에서, 이후의 데이터가 사용될 수 없고 b는 대개 정수가 아니므로, 식(10)은 다음과 같이 변형된다.
Figure 112000005871465-pct00020
예
데이터는 50시간에 걸쳐 노스이스턴 공업용 보일러에서 수집되었다. 이러한 시간 동안에, 급수 속도, 증기 속도 및 블로우다운이 측정되었다.
이러한 50시간 전에 수집된 실험 데이터에 최소 제곱법을 사용하여, 증기 로드 스윙 변수(steam load swing parameter, b), 유량계 캘리브레이션 불일치 수정을 위한 변수(a 및 c)가 계산되었다. 이러한 값들은 다음과 같았다. 즉, a = 0.89, b = -4, c = -2.
식(1)을 사용할 때, 이러한 보일러의 심한 로드 스윙은 로드 스윙시 누설이 존재하는 것으로 나타났다. 그러나, 로드 스윙 후, 식(1)의 사용은 분명한 "누설"이 사라졌다는 것을 지시하였다. 보일러에 따른 변수(a, b 및 c)의 계산에 의한 상기 상세한 방법의 적용은 누설이 존재하지 않는다는 것을 지시하였다. 본 발명의 방법은 전통적인 접근 방식보다 정확하였다.
특정한 실시예에 대해 본 발명이 설명되었지만, 당업자라면 본 발명의 다양한 형태 및 변형예가 용이하다는 것은 명백하다. 첨부된 청구의 범위 및 본 발명은 본 발명의 진정한 기술적 사상 및 범주 내에 있는 모든 형태 및 변형예를 포함하도록 해석되어야 한다.

Claims (16)

  1. 구속 수단 내의 온도 조절 액체가 급수로 보충되고, 블로우다운, 주 증기 및 수트블로워 증기로서 제거되는 자동 액체 액위 조절 기구를 갖는 보일러 누설 검출 방법이며,
    (a) 급수 보충과 관련된 속도를 측정하여 용수 입력 속도 데이터를 얻는 단계와,
    (b) 블로우다운, 주 증기 및 수트블로워 증기와 관련된 속도를 측정하여 용수 출력 속도 데이터를 얻는 단계와,
    (c) 보충 수단과 제거 수단 사이의 오프셋을 보정하는 단계와,
    (d) 다음 식에 따라 미지의 용수 속도를 결정하는 단계와,
    Figure 112008033704010-pct00023
    여기에서:
    U=미지의 용수 속도
    i=시간 인덱스
    I=용수 입력 속도
    b=결정 가능한 상수
    a=결정 가능한 상수
    O=용수 출력 속도
    c=결정 가능한 상수
    (e) 미지의 용수 속도와 영(zero)을 비교하는 단계와,
    (f) 미지의 용수 속도가 영보다 크면 누설 상태를 지시하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 보일러 누설 검출 방법.
  2. 제1항에 있어서, 단계 (a) 및 (b)의 속도는 단위 시간당 중량인 것을 특징으로 하는 보일러 누설 검출 방법.
  3. 제1항에 있어서, 보일러는 흑액 회수 보일러인 것을 특징으로 하는 보일러 누설 검출 방법.
  4. 제1항에 있어서, 누설 상태는 전자 수단에 의해 지시되는 것을 특징으로 하는 보일러 누설 검출 방법.
  5. 제1항에 있어서, 단계 (a) 및 (b)에서의 측정은 유량계에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 보일러 누설 검출 방법.
  6. 제1항에 있어서, 단계 (c), (d) 및 (e)는 컴퓨터에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 보일러 누설 검출 방법.
  7. 제1항에 있어서, 오프셋을 수정하는 단계는 시간 인덱스 또는 유동 신호의 크기를 위한 것인 것을 특징으로 하는 보일러 누설 검출 방법.
  8. 제1항에 있어서, b는 데이터 샘플링의 인덱스에 조정되는 것을 특징으로 하는 보일러 누설 검출 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 비교 단계에서 유도된 미지의 용수 속도는 영에 비교되는 것을 특징으로 하는 보일러 누설 검출 방법.
  10. 제9항에 있어서, 미지의 용수 속도와 영 사이의 양의 차이에 따라 보일러를 물리적으로 분석하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 보일러 누설 검출 방법.
  11. 구속 수단 내의 온도 조절 액체가 급수로 보충되고, 블로우다운, 주 증기 및 수트블로워 증기로서 제거되는 자동 액체 액위 조절 기구를 갖는 보일러 누설 검출시스템이며,
    급수 보충 수단과 연통되어 급수 보충과 관련된 용수 입력 속도를 측정하는 보충 측정 수단과,
    구속 수단과 연통되어 블로우다운, 주 증기 및 수트블로워 증기 제거와 관련된 용수 출력 속도를 감시하는 제거 측정 수단과,
    보충 및 제거 수단과 연통되어 용수 입력 속도와 용수 출력 속도 사이의 오프셋을 결정하는 보정 수단과,
    보충 측정 수단 및 제거 측정 수단과 보정 수단에 연통되어 다음 식에 따라 미지의 용수 속도를 결정하는 결정 수단과,
    Figure 112008033704010-pct00024
    여기에서:
    U=미지의 용수 속도
    i=시간 인덱스
    I=용수 입력 속도
    b=결정 가능한 상수
    a=결정 가능한 상수
    O=용수 출력 속도
    c=결정 가능한 상수
    미지의 용수 속도 결정 수단과 연통되어 상기 속도 결정 수단과 영을 비교하는 비교 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 보일러 누설 검출 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 측정 수단은 보충 수단 및 구속 수단과 전기적으로 연통되는 것을 특징으로 하는 보일러 누설 검출 시스템.
  13. 제11항에 있어서, 결정 수단은 컴퓨터를 포함하는 것을 특징으로 하는 보일러 누설 검출 시스템.
  14. 제11항에 있어서, 비교 수단은 컴퓨터를 포함하는 것을 특징으로 하는 보일러 누설 검출 시스템.
  15. 삭제
  16. 삭제
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