KR100885882B1

KR100885882B1 - 보일러의 공급가스 조성 변화를 고려한 공연비 제어 장치및 방법

Info

Publication number: KR100885882B1
Application number: KR1020020039105A
Authority: KR
Inventors: 이희우
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2002-07-06
Filing date: 2002-07-06
Publication date: 2009-02-26
Also published as: KR20040004886A

Abstract

본 발명은 보일러의 공급가스 조성 변화를 고려한 공연비 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 본 발명의 공연비 제어 장치는, 적어도 CO와 H₂의 조성을 온라인으로 연속적으로 검출할 수 있도록 보일러 연료가스의 공급라인에 설치되는 가스 분석 시스템(201)과, 가스 분석 시스템(201)의 분석치와 BFG, LDG, COG 및 Oil의 요구량을 입력받아 산소(O₂)량을 추정 및 계산하여 출력하는 공연비 연산 조절계(405)와, 공연비 연산 조절계(405)의 출력과 ECO OUT의 산소농도분석계(403)의 출력을 입력받아 목표산소량 제어신호를 출력하는 목표산소량 제어계(305)와, 목표산소량 제어계(305)의 출력과 총공기량 검출기(404)의 출력을 입력받아 공기유인 댐퍼(307)의 제어신호를 출력하는 총공기량 메인 조절계(306)를 포함하여 구성되며, 이에 의해, 보일러 노 내의 연소 공기량을 공급하는 과정에서 현재는 연료공급시 가스연료는 열량, 조성 등의 변화가 심한데도 공기량은 그에 맞추지 않고 일정 곡선의 계산식으로 총 목표 공기량을 산정하기 때문에 노 내에서 과잉 혹은 과소 공기가 공급되어 보일러 노 내의 연소 불안정으로 인한 환경 유해물질 발생 등의 문제가 있어, BFG와 LDG 가스의 조성변화를 온라인으로 측정할 수 있는 시스템을 설치하여, 정확한 연소 공기량을 환산하여 연소 공기를 노 내에 공급함으로써, 에너지 사용량 절감 및 환경오염 방지에 획기적인 효과가 있다.

BFG, LDG, CO, H2, 가스분석기, 이론공기량, 목표산소농도, 총괄공기비

Description

보일러의 공급가스 조성 변화를 고려한 공연비 제어 장치 및 방법 {Air-Fuel Ratio Control Device and Method Considering the Change of Composition of Supplied Gas for Boiler}

도 1은 종래의 보일러의 연료공급 시스템도,

도 2는 본 발명에 의한 보일러의 연료공급 시스템도,

도 3은 종래의 보일러의 산소 농도 및 공기량 제어블럭도,

도 4는 본 발명에 의한 보일러의 산소 농도 및 공기량 제어블럭도이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

101: 수봉변 102: 제어밸브

103: 차단밸브 104: 방산밸브

105: 버너밸브 106: 보일러 버너

201: 가스 분석 시스템

301, 403: 산소농도 분석계 302, 404: 총공기량 검출기

303: 연료 총수요량 연산계 304: 이론공기량 연산계

305: 목표 산소량 조절계(PID) 306: 총공기량 메인 조절계

307: 공기유인 댐퍼(FDF DAMPER)

401: BFG 분석기 402: LDG 분석기

405: 공연비 연산 조절계

본 발명은 열병합 발전소 등에 설치되어 있는 보일러의 공연비 제어 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 열량이 외적 요인에 의하여 변화되는 가스 연료의 성분 중에 공기량을 좌우하는 주성분인 CO와 H₂를 분석하여 연소제어에서 가장 중요한 산소(O₂)량을 제어하면서 보일러 노내에서 최적 공기량을 산정하여 공급될 수 있도록 하는 보일러의 공급가스 조성 변화를 고려한 공연비 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 가스 연료를 사용하는 보일러에 있어서는 적정 연소를 위하여 그 연료 가스의 상태에 가장 적절한 양의 연소공기가 공급되어야 한다.

예를 들어, 본 제철소의 열병합 발전소의 보일러에 있어서는 연료로서 주로 제철소의 부생가스인 BFG와 LDG를 연소시키고 있다. 이하의 기술에 있어서는 연료로서 BFG와 LDG를 이용하는 경우에 대하여 기술하기로 하며, 이는 기타의 연료에 있어서도 본 발명의 기술적 사상은 적절한 변형에 의하여 용이하게 적용될 수 있기 때문이다.

일반적으로 이러한 연소공기가 연료가스에 비해 부족하면 불완전 연소에 의한 매연이나 환경 유해물질이 다량 배출되며, 과잉이면 백연이나 연료 소비량이 많 아져서 자원낭비의 문제가 발생된다. 따라서 보일러에 있어서는 연소공기 제어가 가장 중요하다. 그러나 현재까지도 그에 관한 정확한 보고서는 없는 형편이다.

도 1은 종래의 보일러의 연료공급 시스템도이다.

종래에는 제철소 발전소의 보일러 연소공기의 공급을 위하여 먼저 생산공장에서 부생된 연료가스는 가스라인의 수봉변(101)을 거쳐 공급되어 제어밸브(102) 및 차단밸브(103)를 거치고, 방산밸브(104)를 지나 버너밸브(105)를 통해 노내, 즉 보일러 버너(106)로 유입된다.

한편, 도 3은 종래의 보일러의 산소 농도 및 공기량 제어블럭도이다.

여기서 종래의 시스템에 있어서, 발전 출력의 증감을 하려고 하는 경우에는 먼저 연료가스, 예컨대 BFG(Blast Furnance Gas: 고로부생가스), COG(Coke Oven Gas: 코크스부생가스), LDG(Linze Donawitz Gas: 전로부생가스), 및 OIL(오일)의 유량을 증감시키는 지령을 출력하게 되는데, 이 지령은 공연비 제어회로인 이론공기량 연산계(CALCU)(304)에 입력되며, 여기서는 이미 설정되어 있는 기울기를 기준으로 하여 이론공기량이 계산되어, 이 이론공기량이 목표 산소량 조절계(PID; 305)에 의하여 보일러 ECO OUT의 산소농도 분석계(301)에 의한 산소농도와 비교되어 최종적으로 공기유인 댐퍼(FDF DAMPER)(307)를 개방 또는 폐쇄하도록 구성되어 있다.

그런데, 가스 연료, 예컨대 제철소의 부생가스인 BFG나 LDG는 그 조업공장의 사정에 따라 열량의 변동이 심하고, 게다가 기후나 계절, 또는 매일의 날씨에 따라서 가스의 온도가 변화하며, 이에 따라 가스의 성분에도 차이가 발생되고 있고, 발전출력 증감으로 가스량이 수시로 증감되는 것이 현실이다. 따라서 가스 성분 중에 연소시의 필요 공기량을 좌우하는 CO나 H₂의 성분 비율도 변동이 심하다.

그런데도 종래 기술에 의한 공연비 설정에 있어서는 이론공기량 연산계(304)에 의한 이론공기량 곡선 및 연산식이 초기에 한번만 설정되면 다른 외적 요인의 변동에 상관없이 그 곡선 및 연산식에 의거하여 공기량이 이론적으로만 계산되고 있었다. 따라서 실제로 연료가스, 예컨대 부생가스인 BFG나 LDG의 열량이 변화되어도 공기대 연료의 비율, 즉 공연비가 변화되지 않으므로 연소시 공급 공기량은 변화가 없었다.

또한 보일러 ECO OUT의 산소농도 분석계(301)의 측정치를 PV로 받고, 이론공기량 연산계(304)의 결과치인 이론공기량을 SV로 하여 제어하므로 공기량 선행제어가 이루어지지 않았다.

따라서 공기보다 연료가 빨리 증가하므로 매연발생 및 불완전연소가 일어나고 있었다.

그리고, 보일러 ECO OUT의 산소농도 분석계(301)의 고장시는 이러한 공연비 제어조차도 전혀 불가능하게 되어 버린다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 열량이 시시각각 변화하는 BFG와 LDG의 가스성분 중에 공기량을 좌우하는 주성분인 CO와 H₂를 분석하기 위하여 보일러 연료가스, 예컨대 BFG와 LDG의 조성을 온라인으로 측정할 수 있는 BFG 분석기(401) 및 LDG 분석기(402)를 구비하여 CO 및 H₂의 성분을 측 정할 수 있는 가스 분석 시스템(201)을 BFG와 LDG 가스라인에 설치하여 연속적으로 연료가스의 열량변화 및 성분변화를 검출하고, 연산블럭 및 연소제어 수식과 프로그램으로 구성되는 공연비 연산 조절계(405)에서 이 분석치 변화에 따라 연소제어에서 가장 중요한 산소(O₂)량을 추정하여 공연비를 실질적으로 산출하도록 하여, 노내로 유입되는 가스에 가장 최적의 연료 대 공기비를 제어하여 노 내로 공급되는 연소공기량을 최적화하며, 에너지 사용량 절감에 기여할 수 있는 열병합 발전소 등의 보일러의 공급가스 조성 변화를 고려한 공연비 제어 장치 및 방법을 제공하고자 하는 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 보일러의 공급가스 조성 변화를 고려한 공연비 제어 장치는

적어도 CO와 H₂의 조성을 온라인으로 연속적으로 검출할 수 있도록 보일러 연료가스의 공급라인에 설치되는 가스 분석 시스템(201)과,

상기 가스 분석 시스템(201)의 분석치와 BFG, LDG, COG 및 Oil의 요구량을 입력받아 산소(O₂)량을 추정 및 계산하여 출력하는 공연비 연산 조절계(405)와,

상기 공연비 연산 조절계(405)의 출력과 ECO OUT의 산소농도분석계(403)의 출력을 입력받아 목표산소량 제어신호를 출력하는 목표산소량 제어계(305)와,

상기 목표산소량 제어계(305)의 출력과 총공기량 검출기(404)의 출력을 입력받아 공기유인 댐퍼(307)의 제어신호를 출력하는 총공기량 메인 조절계(306)를 포 함하여 구성됨을 특징으로 한다.

또한, 상기에 있어서, 상기 가스 분석 시스템(201)은 가스센서로 이루어지는 BFG 분석기(401) 및 LDG 분석기(402)를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

한편, 본 발명의 보일러의 공급가스 조성 변화를 고려한 공연비 제어 방법은
보일러 연료가스의 공급라인에 설치되어 있는 가스 분석 시스템(201) 및 컴퓨터(DCS)로부터 각 연료가스(BFG, LDG)의 CO와 H₂의 조성(x1, x2, y1, y2)을 입력받는 단계와,
상기 컴퓨터(DCS)로부터 각 연료(BFG, COG, LDG, OIL)의 요구량(Qbfg, Qcog, Qldg, Qoil) 값을 읽어들이는 단계와,
다음의 수학식에 의하여 각 연료가스(BFG, LDG)별로 CO의 농도(x1, y1)와 H₂의 농도(x2, y2)에 각각 미리 정해진 상수(K1, K2)를 곱한 후 더하여 발열량(Hbfg, Hldg)을 구하고, 상기 CO의 농도와 H₂의 농도의 합계에 미리 정해진 상수(K3)를 곱하여 이론공기량(Abfg, Aldg)을 구한 후, 디스플레이, 저장 및 확인하는 단계와,
Hbfg = K1 * x1 + K2 * x2 ; BFG발열량
Abfg = K3 * (x1 + x2) ; BFG이론공기량
Hldg = K1 * y1 + K2 * y2 ; LDG발열량
Aldg = K3 * (y1 + y2) ; LDG이론공기량
다음의 수학식에 의하여 미리 정해진 상수(K4,K5,K6)를 이용하여 상기 각 연료의 요구량(Qbfg, Qcog, Qldg, Qoil) 값에 따른 이론 공기량(A1,A2,A3,A4)을 구한 후 이를 합산하여 이론공기량(Ao) 및 상기 이론 공기량(A1,A2,A3,A4) 및 미리 정해진 상수(K7,K8)를 이용하여 버너성능을 고려한 필요공기량(Ap)을 구하여 버너성능을 고려한 필요공기량(Ap)을 이론공기량(Ao)으로 나눠서 총괄공기비(Mp; 목표공기비)를 구하고, 필요공기량(Ap)과 미리 정해진 상수(K9)를 이용하여 총필요공기량(P08)을 구하는 단계와,
A1 = K4 * Qbfg * (x1 + x2)
A2 = K5 * Qcog
A3 = K4 * Qldg * (y1 + y2)
A4 = K6 * Qoil
Ao = A1 + A2 + A3 + A4 ; 이론공기량(Nm3 단위)
Ap = K7 * A1 + K8 * (A2 + A3 + A4) ; 필요공기량(버너성능 고려)
Mp = Ap / Ao ; 총괄공기비(목표공기비)
P08 = Ap * K9 / 1000 ; 총필요공기량(kg 단위)
다음의 수학식에 의하여 상기 각 연료의 요구량(Qbfg, Qcog, Qldg, Qoil) 값에 미리 정해져 있는 상수(K10, K11)를 곱하여 더한 후, 그 결과값(A)에 이론공기량(Ao)과 총괄공기비(Mp; 목표공기비)를 곱한 값을 더하여 습 연소 가스량(Gt)을 구하는 단계와,
A = K10 * Qcog + K11 * Qoil
+ Qbfg * (1 - 0.5 * (x1 + x2))
+ Qldg * (1 - 0.5 * (y1 + y2))
Gt = A + Mp * Ao ; 습연소가스량
다음의 수학식에 의하여 상기 각 연료의 요구량(Qbfg, Qcog, Qldg, Qoil) 값에 미리 정해져 있는 상수(K12, K13)를 곱하여 더한 후, 그 결과값(C)에 총괄공기비(Mp; 목표공기비)에서 1을 뺀 값을 곱하여 연소가스중 산소량(Go2)을 구하는 단계와,
C = K12 * Qcog + K13 * Qoil
+ Qbfg * (0.5 * (x1 + x2))
+ Qldg * (0.5 * (y1 + y2))
Go2 = C * (Mp - 1) ; 연소가스중 산소량
다음의 수학식에 의하여 상기 연소가스중 산소량(Go2)에 100을 곱하여 습 연소 가스량(Gt)으로 나눠서 제어목표 산소농도(O2)값을 구하는 단계와,
O2 = 100 * Go2 / Gt ; 제어목표 산소농도
다음의 수학식에 의하여 상기 제어목표 산소농도(O2)값에 대한 수학식으로부터 역산하여 총괄공기비(M)값을 구하는 단계와,
M = (100 * C + A * O2) / (100 * C - Ao * O2) ; 총괄공기비
상기 보일러 연료가스가 상기 제어목표 산소농도(O2)값 또는 상기 총괄공기비(M)값에 대응하는 조성비를 갖도록 공기유인 댐퍼(307)의 개방정도를 제어하는 단계를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

삭제

또한, 상기에 있어서, 상기 미리 정해져 있는 상수들은

K1 = 3035, K2 = 2570, K3 = 2.38095, K4 = 2.38, K5 = 4.476,

K6 = 10.78, K7 = 1.18, K8 = 1.1, K9 = 1.293, K10 = 0.676,

K11 = 0.588, K12 = 0.94, K13 = 2.264

임을 특징으로 한다.

이하, 상기와 같은 구성의 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 의한 보일러의 연료공급 시스템도이고, 도 4는 본 발명에 의한 보일러의 산소 농도 및 공기량 제어블럭도이다.

본 발명은 도 1과 같은 기존 보일러 연료공급 시스템의 구성에, 보일러 연료가스의 공급라인에 설치되어 적어도 CO와 H₂의 조성을 온라인으로 연속적으로 검출하는 가스 분석 시스템(201)을 더 구비하고 있다.
공연비 연산 조절계(AIR FLOW CALCU))(405)는 가스 분석 시스템(201)의 분석치와 각 연료(BFG, LDG, COG 및 OIL)의 요구량(Qbfg, Qcog, Qldg, Qoil)을 입력받아 산소(O₂)량을 추정 및 계산하여 목표산소량 제어계(PID)(305)로 출력한다.
목표산소량 제어계(305)는 공연비 연산 조절계(405)의 출력과 ECO OUT의 산소농도분석계(ECO O₂)(403)의 출력을 입력받아 목표산소량 제어신호를 총공기량 메인 조절계(AIR FLOW CALCU)(306)로 출력한다.
총공기량 메인 조절계(306)는 목표산소량 제어계(305)의 출력과 총공기량 검출기(TOTAL AIR FLOW)(404)의 출력을 입력받아 공기유인 댐퍼(FDF DAMPER)(307)의 제어신호를 출력한다.
한편, 가스 분석 시스템(201)은 가스센서로 이루어지는 BFG 분석계(401) 및 LDG 분석계(402)를 포함하여 구성될 수도 있다.

그리고 상기 가스 분석 시스템(201)의 BFG 분석기(401) 및 LDG 분석기(402)에 의하여 연료가스인 BFG와 LDG 중 CO와 H₂ 농도를 분석하여 BFG와 LDG의 필요 공기량을 산정한다.

그리고, 연료별 조성으로부터 계산된 공기량, 연료별 유량, 연료별 과잉 공기량을 이용하여 필요 공기량을 가스 조성변화에 따라 총공기량 및 제어목표산소농도 연산 조절계(405)를 이용하여 산정(수식모델 이용)하고, 이를 연소제어에 활용하는 것이다.

이하, 상기 연소제어 수식 및 장치의 구성에 대하여 보다 상세히 살펴본다. 즉, 노 내의 최적 공기를 공급하기 위한 가스의 조성 제어장치를 구성하는 논리 및 수학식의 구성이다.

1. BFG 조성

CO 농도 = x1, H₂ 농도 = x2 (여기서 x1, x2의 단위는 %가 아니고 분율=%/100임)라고 할 때,

Hbfg(BFG발열량) = 3035 x1 + 2570 x2

Abfg(BFG이론공기량) = 2.38095 (x1 + x2)

2. LDG 조성

CO 농도 = y1, H₂ 농도 = y2 (여기서 y1, y2의 단위는 %가 아니고 분율=%/100임)라고 할 때,

Hldg(LDG발열량) = 3035 y1 + 2570 y2

Aldg(LDG이론공기량) = 2.38095 (y1 + y2)

그리고, 상기와 같은 BFG와 LDG의 기본정보를 DISPLAY, 저장 및 확인할 수 있도록 한다.

3. 연소 공기량의 산정

여기서 단위는 가스나 공기는 Nm³/hr, 오일(Oil)은 kg/hr를 취하며, 첨자 1 = CO, 2 = H₂를 나타내기로 하고, Q는 개별유량을 나타낸다.

1) 이론 공기량(Ao)을 산정한다. 이는 전체 연료를 대상으로 하며, Nm³ 단위이고, kg으로 변환시는 1.293을 곱한다.

2) 버너 성능을 고려한 필요 공기량(Ap)를 다음과 같이 구한다.

Ap = 1.1 [4.476 Qcog + 10.78 Qoil + 2.38 (y1 + y2) Qldg]

+ 1.18 [2.38 (x1 + x2) Qbfg]

상기 필요 공기량(Ap) 값으로 연소 공기량을 제어한다.

3) 총괄 공기비(Mp)를 다음과 같이 구한다.

Mp = Ap /Ao

상기 총괄 공기비(Mp)는 목표 산소농도 산정의 기준 공기비가 된다.

4. 제어목표 산소농도의 산정

산소농도 = (연소 가스 중 산소량/총(습)연소 가스량) × 100(%)

1) 습 연소 가스량(Gt)

Gt = 0.676 Qcog + 0.588 Qoil + [1 - 0.5 (x1 + x2)] Qbfg

+ [1 - 0.5 (y1 + y2)] Qldg + MpAo = A + Mp Ao

2) 연소 가스 중 산소량(Go2)

Go2 = (Mp-1) [0.94 Qcog + 2.264 Qoil + 0.5 (x1 + x2) Qbfg

+ 0.5 (y1 + y2) Qldg] = C (Mp-1)

3) 제어목표 산소농도(총괄 공기비와의 관계식)

(O2,%) = 100 C (Mp - 1) / (A + Mp Ao) : 제어 목표 산소농도

M = [100 C + A (O2)] / [100 C - AO (O2)] : 산소 농도로부터 총괄공기비 역산식

한편, 상기 데이터와 수식을 이용하여 제어목표 산소농도를 컴퓨터 프로그램으로 다음과 같이 설정한다. 이 프로그램은 신개발한 연소제어 내부 계산표이며, 본 발명의 연소제어 장치 및 프로그램 내의 계산과정을 나타내고 있다. 이는 본 발명에 의해 개발된 공연비(제어목표산소농도) 프로그램 소프트웨어로서, 예컨대 BFGAF405 컨트롤러(CONTROLLER) 내에서 작동되는 계산과정을 예시하고 있다.

< Computational expression >

Tag name BFGAF

Model CALCU

Tag comment AIR RATE

PROGRAM

double C

* DCS 및 가스 분석 시스템(201)에서 각 연료가스(BFG, LDG)의 CO와 H₂의 조성(x1, x2, y1, y2)을 읽어들인다. 또는 RV, RV1, RV2, RV3을 읽어들여서 계산한다.

x1 = RV / 100, x2 = RV1 / 100, y1 = RV2 / 100, y2 = RV3 / 100

* DCS로부터 각 연료(BFG, COG, LDG, OIL)의 요구량(Qbfg, Qcog, Qldg, Qoil) 값을 읽어들인다. 또는 RV4, RV5, RV6, RV7을 읽어들여서 계산한다.

Qbfg = RV4 * 1000, Qcog = RV5 * 1000,

Qldg = RV6 * 1000, Qoil = RV7

* 상수 정의(예시)

K1 = 3035, K2 = 2570, K3 = 2.38095, K4 = 2.38, K5 = 4.476,

K6 = 10.78, K7 = 1.18, K8 = 1.1, K9 = 1.293, K10 = 0.676,

K11 = 0.588, K12 = 0.94, K13 = 2.264
다음의 수학식에 의하여 각 연료가스(BFG, LDG)별로 CO의 농도(x1, y1)와 H₂의 농도(x2, y2)에 각각 미리 정해진 상수(K1, K2)를 곱한 후 더하여 발열량(Hbfg, Hldg)을 구하고, CO의 농도와 H₂의 농도의 합계에 미리 정해진 상수(K3)를 곱하여 이론공기량(Abfg, Aldg)을 구한 후, 디스플레이, 저장 및 확인한다.

Hbfg = K1 * x1 + K2 * x2 ; BFG발열량

Abfg = K3 * (x1 + x2) ; BFG이론공기량

Hldg = K1 * y1 + K2 * y2 ; LDG발열량

Aldg = K3 * (y1 + y2) ; LDG이론공기량

display, store and verify data
다음의 수학식에 의하여 미리 정해진 상수(K4,K5,K6)를 이용하여 각 연료의 요구량(Qbfg, Qcog, Qldg, Qoil) 값에 따른 이론 공기량(A1,A2,A3,A4)을 구한 후 이를 합산하여 이론공기량(Ao)을 구한다. 또한, 각 연료의 요구량(Qbfg, Qcog, Qldg, Qoil) 값에 따른 이론 공기량(A1,A2,A3,A4)과 미리 정해진 상수(K7,K8)를 이용하여 버너성능을 고려한 필요공기량(Ap)을 구한다. 이후, 버너성능을 고려한 필요공기량(Ap)을 이론공기량(Ao)으로 나눠서 총괄공기비(Mp; 목표공기비)를 구하고, 필요공기량(Ap)과 미리 정해진 상수(K9)를 이용하여 총필요공기량(P08)을 구한다.

A1 = K4 * Qbfg * (x1 + x2)

A2 = K5 * Qcog

A3 = K4 * Qldg * (y1 + y2)

A4 = K6 * Qoil

Ao = A1 + A2 + A3 + A4 ; 이론공기량(Nm3 단위)

Ap = K7 * A1 + K8 * (A2 + A3 + A4) ; 필요공기량(버너성능 고려)

Mp = Ap / Ao ; 총괄공기비(목표공기비)

P08 = Ap * K9 / 1000 ; 총필요공기량(kg 단위)
다음의 수학식에 의하여 각 연료의 요구량(Qbfg, Qcog, Qldg, Qoil) 값에 미리 정해져 있는 상수(K10, K11)를 곱하여 더한 후, 그 결과값(A)에 이론공기량(Ao)과 총괄공기비(Mp; 목표공기비)를 곱한 값을 더하여 습 연소 가스량(Gt)을 구한다.

A = K10 * Qcog + K11 * Qoil

+ Qbfg * (1 - 0.5 * (x1 + x2))

+ Qldg * (1 - 0.5 * (y1 + y2))
Gt = A + (Mp * Ao) ; 습연소가스량
다음의 수학식에 의하여 각 연료의 요구량(Qbfg, Qcog, Qldg, Qoil) 값에 미리 정해져 있는 상수(K12, K13)를 곱하여 더한 후, 그 결과값(C)에 총괄공기비(Mp; 목표공기비)에서 1을 뺀 값을 곱하여 연소가스중 산소량(Go2)을 구한다.

C = K12 * Qcog + K13 * Qoil

+ Qbfg * (0.5 * (x1 + x2))

+ Qldg * (0.5 * (y1 + y2))

삭제

Go2 = C * (Mp - 1) ; 연소가스중 산소량
다음의 수학식에 의하여 연소가스중 산소량(Go2)에 100을 곱하여 습 연소 가스량(Gt)으로 나눠서 제어목표 산소농도(O2)값을 구한다.

O2 = 100 * Go2 / Gt ; 제어목표산소농도
다음의 수학식에 의하여 제어목표 산소농도(O2)값에 대한 수학식으로부터 역산하여 총괄공기비(M)값을 구한다.

M = (100 * C + A * O2) / (100 * C - Ao * O2) ; 총괄공기비
이에 따라, 아래 명령(do control)에 의해 보일러 연료가스가 제어목표 산소농도(O2)값 또는 총괄공기비(M)값에 대응하는 조성비를 갖도록 공기유인 댐퍼(307)의 개방정도를 제어한다.

do control

END

이하, 상기 제어를 위한 제어장치 및 컴퓨터 프로그램의 구성에 대하여 살펴본다.

1. Read x1, x2, y1, y2(분석계에서 전송된 값을 DCS에서 읽음)

2. 여기서 필요한 사항 계산(BFG, LDG의 발열량, 공기량), 저장 및 디스플레이

3. Read Qbfg, Qcog, Qldg, Qoil(DCS상에서 읽음)

4. 연료 유량과 조성을 고려한 공기량 계산(COG, 중유는 고정 공기량 사용)

5. 연료별 과잉 공기율을 고려한 실제 필요 공기량 계산

6. 필요 공기량과 이론 공기량으로부터 총괄 공기비 계산(Mp = Ap/Ao)

7. 연소 공기량 제어(필요한 공기량 설정치/계산값을 이용하여 실제 투입 공기량 조절)

8. 산소 농도 설정치 계산(제어의 진폭을 고려한 O2(+0.2%)적용

이하, 상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 기술을 적용한 효과로서, 부생 가스의 조성 변화에 따른 필요 공기량 변화의 시뮬레이션 결과(샘플)를 설명한다.

다음의 표 1은 부생가스 조성변화에 따른 필요공기량 변화 샘플 테스트의 시뮬레이션 결과이다.

BFG중 CO(%)	BFG중 H2(%)	LDG중 CO(%)	LDG중 H2(%)	BFG 발열량	LDG 발열량	이론 공기량	필요 공기량	총괄 공기비	제어목표산소농도
22.0	3.2	64.2	2.0	750	2000	208.5	237.2	1.1376	1.50%
18.0	2.0	64.2	2.0	598	2000	188.3	213.3	1.1331	1.38%
25.0	4.0	64.2	2.0	861	2000	223.3	254.6	1.1404	1.58%
22.0	3.2	50.0	1.0	750	1543	200.3	228.1	1.1391	1.49%
22.0	3.2	70.0	3.0	750	2201	212.2	241.2	1.1370	1.51%

상기 계산기준 연료별 유량은 BFG는 163.4 kNm³/hr, LDG는 22.764 kNm³/hr, COG는 4.84 kNm³/hr, 오일은 4.934 kNm³/hr이다. 또한, 공기량은 kNm³/hr, 발열량은 kcal/Nm³ 단위이다.

여기서 알 수 있는 바와 같이, BFG와 LDG의 조성 변동에 따라 필요 공기량의 차이가 크다. 그리고 BFG와 LDG의 열량 비율이 계산의 경우보다 증가하는 경우는 차이가 더 커진다.

연소 제어식은 가스별 농도와 유량 데이터를 받아서 상기의 식을 이용한다.

그러나 종래에는 표 1과 같이 BFG, LDG의 조성의 변화, 발열량의 변화가 심하여 실제 버너의 필요 공기량도 변해야 하나, 도 3에 도시된 바와 같이 기존에는 가스의 조성 변화에 따라 공연비가 변화되지 않았다. 따라서 도 4에 도시된 바와 같이 연소제어 프로그램 및 장치를 개발하고 가스 조성을 정확히 검출하는 장치를 신설함과 동시에 연소제어 프로그램 내의 필요 공기량, 목표 공기비, 가스의 발열량을 연산하는 신설 프로그램을 개발하여 가스의 조성, 유량 변화에 따른 총공기량을 산출하여 제어목표산소농도를 구하여 노 내의 최적의 공연비를 조절할 수 있도록 한 것이다.

상기 연소 제어 및 공연비 프로그램의 구체적인 구성 방법은 상기의 연소제 어 수식과 연소제어 프로그램의 부분에서 서술하였다.

본 발명은 보일러 노 내의 연소 공기량을 공급하는 과정에서 현재는 연료공급시 가스연료는 열량, 조성 등의 변화가 심한데도 공기량은 그에 맞추지 않고 일정 곡선의 계산식으로 총 목표 공기량을 산정하기 때문에 노 내에서 과잉 혹은 과소 공기가 공급되어 보일러 노 내의 연소 불안정으로 인한 환경 유해물질 발생 등의 문제가 있어, BFG와 LDG 가스의 조성변화를 온라인으로 측정할 수 있는 시스템을 설치하여, 정확한 연소 공기량을 환산하여 연소 공기를 노 내에 공급함으로써, 에너지 사용량 절감 및 환경오염 방지에 획기적인 효과가 있다.

Claims

적어도 CO와 H₂의 조성을 온라인으로 연속적으로 검출할 수 있도록 보일러 연료가스의 공급라인에 설치되는 가스 분석 시스템(201)과,

상기 가스 분석 시스템(201)의 분석치와 BFG, LDG, COG 및 Oil의 요구량을 입력받아 산소(O₂)량을 추정 및 계산하여 출력하는 공연비 연산 조절계(405)와,

상기 공연비 연산 조절계(405)의 출력과 ECO OUT의 산소농도분석계(403)의 출력을 입력받아 목표산소량 제어신호를 출력하는 목표산소량 제어계(305)와,

상기 목표산소량 제어계(305)의 출력과 총공기량 검출기(404)의 출력을 입력받아 공기유인 댐퍼(307)의 제어신호를 출력하는 총공기량 메인 조절계(306)를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 보일러의 공급가스 조성 변화를 고려한 공연비 제어 장치.
제1항에 있어서, 상기 가스 분석 시스템(201)은 가스센서로 이루어지는 BFG 분석기(401) 및 LDG 분석기(402)를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 보일러의 공급가스 조성 변화를 고려한 공연비 제어 장치.
보일러 연료가스의 공급라인에 설치되어 있는 가스 분석 시스템(201) 및 컴퓨터(DCS)로부터 각 연료가스(BFG, LDG)의 CO와 H₂의 조성(x1, x2, y1, y2)을 입력받는 단계와,

상기 컴퓨터(DCS)로부터 각 연료(BFG, COG, LDG, OIL)의 요구량(Qbfg, Qcog, Qldg, Qoil) 값을 읽어들이는 단계와,

다음의 수학식에 의하여 각 연료가스(BFG, LDG)별로 CO의 농도(x1, y1)와 H₂의 농도(x2, y2)에 각각 미리 정해진 상수(K1, K2)를 곱한 후 더하여 발열량(Hbfg, Hldg)을 구하고, 상기 CO의 농도와 H₂의 농도의 합계에 미리 정해진 상수(K3)를 곱하여 이론공기량(Abfg, Aldg)을 구한 후, 디스플레이, 저장 및 확인하는 단계와,

Hbfg = K1 * x1 + K2 * x2 ; BFG발열량

Abfg = K3 * (x1 + x2) ; BFG이론공기량

Hldg = K1 * y1 + K2 * y2 ; LDG발열량

Aldg = K3 * (y1 + y2) ; LDG이론공기량

다음의 수학식에 의하여 미리 정해진 상수(K4,K5,K6)를 이용하여 상기 각 연료의 요구량(Qbfg, Qcog, Qldg, Qoil) 값에 따른 이론 공기량(A1,A2,A3,A4)을 구한 후 이를 합산하여 이론공기량(Ao) 및 상기 이론 공기량(A1,A2,A3,A4) 및 미리 정해진 상수(K7,K8)를 이용하여 버너성능을 고려한 필요공기량(Ap)을 구하여 버너성능을 고려한 필요공기량(Ap)을 이론공기량(Ao)으로 나눠서 총괄공기비(Mp; 목표공기비)를 구하고, 필요공기량(Ap)과 미리 정해진 상수(K9)를 이용하여 총필요공기량(P08)을 구하는 단계와,

A1 = K4 * Qbfg * (x1 + x2)

A2 = K5 * Qcog

A3 = K4 * Qldg * (y1 + y2)

A4 = K6 * Qoil

Ao = A1 + A2 + A3 + A4 ; 이론공기량(Nm3 단위)

Ap = K7 * A1 + K8 * (A2 + A3 + A4) ; 필요공기량(버너성능 고려)

Mp = Ap / Ao ; 총괄공기비(목표공기비)

P08 = Ap * K9 / 1000 ; 총필요공기량(kg 단위)

다음의 수학식에 의하여 상기 각 연료의 요구량(Qbfg, Qcog, Qldg, Qoil) 값에 미리 정해져 있는 상수(K10, K11)를 곱하여 더한 후, 그 결과값(A)에 이론공기량(Ao)과 총괄공기비(Mp; 목표공기비)를 곱한 값을 더하여 습 연소 가스량(Gt)을 구하는 단계와,

A = K10 * Qcog + K11 * Qoil

+ Qbfg * (1 - 0.5 * (x1 + x2))

+ Qldg * (1 - 0.5 * (y1 + y2))

Gt = A + Mp * Ao ; 습연소가스량

다음의 수학식에 의하여 상기 각 연료의 요구량(Qbfg, Qcog, Qldg, Qoil) 값에 미리 정해져 있는 상수(K12, K13)를 곱하여 더한 후, 그 결과값(C)에 총괄공기비(Mp; 목표공기비)에서 1을 뺀 값을 곱하여 연소가스중 산소량(Go2)을 구하는 단계와,

C = K12 * Qcog + K13 * Qoil

+ Qbfg * (0.5 * (x1 + x2))

+ Qldg * (0.5 * (y1 + y2))

Go2 = C * (Mp - 1) ; 연소가스중 산소량

다음의 수학식에 의하여 상기 연소가스중 산소량(Go2)에 100을 곱하여 습 연소 가스량(Gt)으로 나눠서 제어목표 산소농도(O2)값을 구하는 단계와,

O2 = 100 * Go2 / Gt ; 제어목표 산소농도

다음의 수학식에 의하여 상기 제어목표 산소농도(O2)값에 대한 수학식으로부터 역산하여 총괄공기비(M)값을 구하는 단계와,

M = (100 * C + A * O2) / (100 * C - Ao * O2) ; 총괄공기비

상기 보일러 연료가스가 상기 제어목표 산소농도(O2)값 또는 상기 총괄공기비(M)값에 대응하는 조성비를 갖도록 공기유인 댐퍼(307)의 개방정도를 제어하는 단계를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 보일러의 공급가스 조성 변화를 고려한 공연비 제어 방법.
제3항에 있어서, 상기 미리 정해져 있는 상수들은

K1 = 3035, K2 = 2570, K3 = 2.38095, K4 = 2.38, K5 = 4.476,

K6 = 10.78, K7 = 1.18, K8 = 1.1, K9 = 1.293, K10 = 0.676,

K11 = 0.588, K12 = 0.94, K13 = 2.264

임을 특징으로 하는 보일러의 공급가스 조성 변화를 고려한 공연비 제어 방법.