KR100973887B1 - 열풍로의 연소 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열풍로 설비에 있어서 배가스 제어시 설정온도와의 편차가 큰 경우 온도제어를 단계적으로 실행하여 배가스 온도의 급격한 상승을 방지하도록 연소 가스의 유량을 제어하는 열풍로의 연소 제어 방법에 관한 것이다.

본 발명의 열풍로 연소 제어 방법은 초기정량제어와 배가스 온도제어로 나누어지는 연소제어에 있어서, 배가스 온도제어시의 시작온도와 설정된 종료온도와의 편차로부터 목표 온도상승폭을 계산하고 이를 임의의 제어단계 수 N으로 구분하여, 목표온도상승폭/N 만큼씩 단계적으로 배가스 온도를 상승시키도록 배가스 온도 제어를 실시하도록 함으로서, 급격한 연소가스의 유량변동 및 온도변동을 방지하고, 그 결과 안정된 열풍로의 연소 동작을 이룰 수 있는 것이다.

열풍로, 고로, 배가스, 연소, 송풍

Description

열풍로의 연소 제어 방법{Method for controlling a combustion of hot stove process}

도 1은 종래의 열풍로 설비를 도시한 구성도이다.

도 2는 본 발명에 따른 연소 제어 방법이 적용된 열풍로 설비를 도시한 구성도이다.

도 3은 종래의 연소 제어 방법의 초기 배가스 온도차에 따른 연소 제어 패턴을 보인 그래프이다.

도 4는 종래의 배가스 연소 제어 패턴 그래프이다.

도 5는 본 발명의 배가스 연소 제어 방법에 따른 연소 제어 패턴 그래프이다.

도 6은 본 발명에 의한 열풍로의 배가스 연소 제어 방법의 동작흐름도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 축열실 2 : 연소실

3 : 혼냉실 4 : 연와

5 : 송풍기 6 : 송풍밸브

7 : 열풍밸브 8 : 송풍온도조절밸브

9 : 연도밸브 10 : 연소가스 조절밸브

11 : 연소공기 조절밸브 12 : 연돌

13 : 배가스온도측정기

본 발명은 고로에 고온의 바람을 공급하는 열풍로 설비에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 설정온도와 실제온도와의 편차가 큰 경우, 배가스 연소 제어값을 단계적으로 설정하여 배가스 온도의 급격한 상승을 방지하는 열풍로의 배가스 온도 제어 방법에 관한 것이다.

열풍로는 약 200℃ 정도의 바람을 고로 조업에 필요한 목표온도(예를 들어, 1000~1200℃)로 승온시켜 고로에 공급하는 설비로서, 일반적으로 각 고로마다 3~4기의 열풍로가 구비되어 교대로 연소와 송풍을 실시한다.

도 1은 열풍로 설비를 개략적으로 나타낸 것으로서, 열풍로 설비는 중요 수단으로서, 배가스와 공기를 혼합하여 연소하는 연소실(2)과, 상기 연소실(2)에서 발생된 열량을 저장하는 축열실(1)과, 상기 연소실(2)에서 승온된 공기를 송풍기(5)에서 공급된 외부 공기로 혼합하여 목표온도로 조절하는 혼냉실(3)을 구비한다.

이러한 구조의 열풍로에서 고로에서 요구하는 최적의 풍온을 유지하기 위해 서, 상기 연소실(2)의 버너(2a)로 공급되는 연소가스와 연소공기의 투입량을 제어하는 연소제어를 실시하는데, 도 4에 도시한 바와 같이, 연소(ⓒ)후 송풍(ⓓ)을 반복할때, 연소단계에서 연소 초기 가스와 공기의 투입을 일정하게 행하는 초기 정량제어(ⓐ)와, 연소 중반이후 가스와 공기의 취입량을 배가스 온도와 연계시켜 제어하는 배가스 온도제어(ⓑ)를 통해 연소 제어를 실시한다.

상기 중에서, 배가스 온도 제어는 열풍로의 하부 체크 수금물 직상부의 배가스 온도를 설정하여, 연와(4)의 축열온도를 제어하는 것으로서, 제어시작시의 온도값과 제어완료시의 종료값에 의해 가스량을 조절하도록 되어 있다.

이를 구현하기 위해서, 종래에는 배가스 온도측정기(13)에서 온도를 검출하고, 상기 배가스 온도측정기(13)의 출력신호를 전압/전류변환기(14)를 통해 전류신호로 변환하여 온도조절기(15)로 인가하고, 상기 온도조절기(15)는 설정온도와 상기 전압/전류변환기(14)로부터 인가된 측정온도의 편차를 비교하여, 설정온도에 도달하도록 온도제어값을 출력하고, 상기 온도제어값은 유량제어기(16)에서 연소가스 유량의 제어값으로 변환되어 연소가스 조절밸브(10)를 제어함으로서, 연소실(2)의 버너(2a)로 인가되는 연소가스 유량을 조절한다. 상기의 구성에 있어서, 배가스 온도가 설정값보다 낮으면 상기 온도조절기(15)의 제어출력이 증가되어 유량조절기(16)의 유량설정값을 올려주고, 배가스 온도가 설정된 온도보다 높으면, 온도조절기(15)의 출력이 감소되어, 유량조절기(16)의 유량설정값을 내려준다. 그리고, 상기 유량조절기(16)의 유량설정값에 따라 연소가스 조절밸브(10)의 개도가 조절되어, 연소가의 유량이 변화됨으로서, 배가스 온도제어가 이루어진다.

도 3은 종래 열풍로 설비에 나타나는 연소 제어 패턴을 보인 것으로서, 연소제어구간(ⓒ)는 항상 일정한데 비하여, 초기정량제어 의해 배가스 온도를 설정값(예를 들어, 230℃)에 도달시키는데 걸리는 시간은 설정온도와 실제온도와의 편차가 클수록 커진다(ⓐ">ⓐ>ⓐ'). 그리고, 초기정량제어시간이 증가할 수록 배가스 온도 제어 시간(ⓑ,ⓑ',ⓑ")은 그 만큼 감소된다.

따라서, 종래의 연소 제어 방법으로 열풍로를 연소하는 경우, 열풍로에서 송풍시 열의 소모가 많아 축열레벨이 낮은 열풍로인 경우, 배가스 온도 제어시간이 짧아지고, 그 짧은 제어시간동안 목표 온도에 도달하기 위해서는 필요 이상으로 많은 양의 가스가 취입되어, 배가스 제어 초기에 일정시간 동안 배가스 온도가 급상승한다는 문제점이 있다.

그리고, 연소가스의 유량조절기(16)에서 설정치가 급상승하여 연소가스 조절밸브(10)가 100% 열리게 되면, 연소가스 유량이 최대치로 흘러 체크 수금물이 열을 받아 휘어지고, 심할 경우 연와(4)가 붕괴되는 사고가 발생할 수 있다. 이러한 현상은 배가스 제어시의 설정 온도와 배가스 연소 시작시의 온도 편차가 클수록 심하게 나타난다.

또한, 상기와 같은 배가스 제어시의 과다한 가스 유량으로 인한 돔 온도 상승을 방지하기 위하여, 설정된 공연비보다 많은 공기를 공급하게 됨으로서, 연돌(12)로 배출되는 배가스중의 0₂가 배출되어 열손실을 초래하게 된다.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 그 목적은 열풍로 설비에 있어서 배가스 제어시 설정온도와의 편차가 큰 경우 온도제어를 단계적으로 실행하여 배가스 온도의 급격한 상승을 방지하도록 연소 가스의 유량을 제어하는 열풍로의 연소 제어 방법을 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 구성수단으로서, 본 발명은 혼합가스와 공기의 연소를 통해 소정 온도의 열풍을 만들어 고로로 송풍시키는 열풍로의 연소 제어 방법에 있어서,

상기 열풍로로부터 배출되는 배가스에 대한 온도 제어 종료값을 설정하는 초기화단계;

연소시작시부터 상기 열풍로의 배가스온도가 배가스 온도 제어 초기값에 도달될때까지 배가스 열풍로의 연소공기 및 연소가스의 유량을 일정한 값으로 투입하는 초기정량제어단계;

배가스 온도 제어시의 초기온도와 상기 설정된 배가스 온도 제어 종료값의 편차로부터 총 온도상승폭을 산출하고, 상기 총 온도 상승폭을 n 단계로 나누어 각 단계별 초기온도와 단계별 온도제어종료값을 설정하는 배가스 온도설정값 산출단계; 및

상기 초기정량제어단계에 의해 열풍로의 배가스 온도가 배가스 온도 제어 초 기값에 도달하면, 배가스 온도 제어 종료값에 도달할때까지 상기 산출단계에서 산출된 설정값을 단계별로 제공받아, 해당 설정온도에 도달되도록 연소가스 유량을 단계적으로 제어하는 단계별 배가스 온도 제어 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

더하여, 본 발명의 열풍로의 연소 제어 방법은, 상기 배가스 온도설정값 산출단계를 배가스 온도제어 초기값에서 배가스 온도 제어 종료값의 편차를 산출하여 배가스 온도제어동안 상승시켜야 할 총 온도상승폭(T_tot)을 산출하는 단계; 상기 배가스 온도제어시의 총 온도상승폭(T_tot)을 배가스 온도제어의 스텝수 N으로 나누어 각 제어단계n(여기서, n은 1에서 N까지의 자연수이다)에서의 제어시작온도 및 제어종료온도를 산출하는 단계; 각 배가스제어단계n 별로 각각 산출된 제어시작온도에서 제어종료온도까지 도달되는데 필요한 연소가스량 Mt_n을 산출하는 단계; 배가스 온도제어의 총 온도유지시간을 TM을 n으로 나누어 각 배가스 제어단계별 온도유지시간 TM_n을 산출하는 단계; 및 설정된 연소제어시간 TD를 n등분하여된 각 배가스 제어단계별 연소제어시간 TD_n에서 온도유지시간을 제외한 시간동안 상기 단계별 연소가스량 Mt_n을 투입하기 위한 배가스 제어단계별 연소가스유량 Ms_n을 산출하는 단계로 수행하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 열풍로 연소 제어 방법에 있어서, 상기 배가스 온도 제어 단계는 제어단계를 나타내는 파라메터 n을 1로 초기화하는 단계; 열풍로의 배가스 온도가 배가스 온도 제어 초기값에 도달될 때, 상기 산출단계에서 설정된 제어단계 n에서의 연소가스유량 Ms_n가 열풍로에 공급되도록 연소가스 유량을 조절하는 단계; 상기 열풍로의 배가스 온도가 상기 산출단계에서 산출된 제어단계 n에서의 제어종료값에 도달되었는지를 체크하는 단계; 상기 체크단계에서 배가스 온도가 제어단계 n의 종료값에 도달되지 않았으면 상기 유량 Ms_n의 연소가스를 계속 공급시키는 단계; 상기 체크단계에서 배가스 온도가 제어단계 n의 종료값에 도달되면 상기 산출단계에서 산출된 제어단계n에서의 온도유지시간TM_n 동안 상기 온도로 배가스를 유지시키는 단계; 및 상기 온도 유지 단계에서, 온도 유지 시간이 경과하면, 현재 제어단계 n이 마지막 단계 N인지를 판단하여, 마지막 단계가 아니면 제어단계 파라메터 n을 1 상승시킨 후 상기 연소 가스 유량 조절 단계부터 다시 반복하며, 마지막 단계라면 배가스 온도제어를 종료하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 열풍로의 배가스 연소 제어 방법에 대하여 구체적으로 설명한다.

도 2는 본 발명에 의한 열풍로 배가스 연소 제어 방법이 적용된 열풍로 설비를 도시한 개략구성도로서, 상기 열풍로 설비는 배가스 온도의 급격한 상승을 막기 위하여, 도 1에 보인 종래의 열풍로 설비에서 상기 전압/전류변환기(14)로부터 출력된 배가스 온도측정치를 입력받아 배가스 온도 종료값과의 편차를 구하여, 배가스 온도의 단계적 조절이 가능토록 배가스 온도 설정값을 산출하여 출력하는 배가스 온도설정값 출력기(17)를 더 구비한다.

이때, 상기 배가스 온도 설정값 출력기(17)는 본 발명에 따라서 배가스의 설정온도와 측정온도의 편차폭에 따라서 배가스 온도 제어 종료값을 단계적으로 높혀, 유량조절기(16)에 의해 연소가스 유량의 급격한 변동을 방지하게 한다.

도 6은 본 발명에 의한 배가스 연소 제어 방법을 순차적으로 나타낸 동작흐름도이다.

상기 도 2 및 도 6을 참조할 때, 배가스 연소 제어를 위한 초기 단계로서, 열풍로 설비의 연소가 시작되면(101), 제어하고자 하는 배가스의 목표 온도값, 즉, 배가스 온도 제어 종료값(T_n)을 입력한다(102). 상기 배가스 온도 제어 종료값(T_n)은 상기 배가스 온도 설정값 출력기(17)에 입력된다.

그리고 나서, 초기 연소 시작 과정으로, 연소 가스와 공기를 일정하게 투입하는 초기 정량 제어를 실시한다(103). 즉, 유량조절기(16)은 연소가스 유량을 지정된 고정값으로 유지시키게 된다.

그리고, 상기 초기 정량 제어를 통해 연소를 실시하면서 배가스 온도 측정값을 체크하여, 상기 열풍로의 배가스 온도가 배가스 온도 제어 초기값에 도달되었는지를 체크한다(104).

상기에서, 배가스 온도 제어 초기값에 아직 도달되지 않았으며 초기 정량 제어를 유지하다가, 돔 온도가 배가스 온도 제어 초기값에 도달되었을 때 배가스 온도 제어로 전환된다.

상기 배가스 온도 제어를 위하여, 열풍로의 온도가 배가스 온도 제어 초기값 이상이 되면, 상기 초기 설정된 배가스 온도 제어 종료값과 배가스 온도 측정값의 편차를 구하여, 배가스 온도 제어 동안에 총 상승될 온도폭(T_tot)을 구한다(105). 이때, 상기 배가스 온도 측정값은 배가스 온도 제어 초기값(T₀)이 된다.

그리고, 상기 구해진 총 상승 온도(T_tot)를 원하는 제어단계(step)수 N(N은 2이상의 임의의 양의 정수)으로 나누어 각 단계별 상승온도(T_tot/N)를 구하고, 각 단계별 제어 시작 온도에 상기 단계별 상승온도(T_tot/N)를 더하여, 단계별 온도 종료값을 구한다. 따라서, 상기 단계별 제어 시작 온도는 전단계의 온도 종료값과 일치하게 된다(106~108). 여기에서, 상기 설정된 배가스 온도 제어 종료값은 마지막 제어단계 N에서의 온도제어 종료값(T_N)이 된다.

그 다음으로, 전회 연소시의 배가스 온도비로부터 연소 제어 단계n(여기서 n은 1 이상 N이하의 정수이다)별 취입되는 연소가스량을 산출한다(109~110).

상기에서, 배가스 온도비(FR)은 다음의 수학식 1과 같이 산출된다.

그리고, 상기 배가스 온도비(FR)을 이용한 제어단계n에서의 연소가스 취입량(Mt_n)을 다음의 수학식 2와 같이 산출한다.

상기에서, n단계에서의 온도제어종료값을 T_n이라 하면, n단계에서의 온도제어시작값은 전단계 n-1에서의 온도제어종료값 T_n-1이 되며, 각 제어단계별 취입해야 할 혼합 가스량은 다음과 같다.

Mt₁ = (T₁ - T₀)/FR, Mt₂ = (T₂ - T₁)/FR, Mt_n = (T_n - T_n-1)/FR,‥‥, Mt_N = (T_N - T_N-1)/FR

위와 같이 구해진 단계별 혼합 가스 취입량으로부터 금회 혼합가스 유량(Ms_n)를 수학식 3과 같이 산출한다(111~113).

여기에서, TD는 배가스 온도 청 제어 시간으로 운전자가 입력하는 배가스 온도 제어 개시 시각으로부터 배가스 온도 제어 완료시각까지 걸리는 시간으로 산출되고, TM_n은 단계별 총 온도 유시시간으로 총 온도 유지시간 TM을 단계수 N으로 나누어 산출된다.

따라서, 단계별 혼합 가스유량은 Ms₁=Mt₁/(TD/n - TM₁), Ms₂=Mt ₂/(TD/n - TM₂),‥‥, Ms_n=Mt_n/(TD/n - TM_n), Ms_N=Mt_N /(TD/N - TM_N), 이 된다.

이상과 같이 단계별 연소제어를 위한 각 설정값이 산출되면, 1단계부터 N단계까지 순차적으로 단계적인 연소제어를 실시한다(114~121).

상기에서, 각 단계별 연소제어는 해당 단계n의 상기 산출된 유량 Ms_n의 연소가스가 연소실(2)의 버너(2a)로 공급되도록 연소가스 조절밸브(10)의 개도가 유량조절기(16)에 의해 제어된다(116). 이와 동시에, 상기 배가스 온도측정기(13)로부터 측정된 배가스 온도 측정값을 입력받아, 상기 연소가스의 취입으로 배가스의 온도가 단계n의 온도제어종료값(Tn)에 도달하였는지를 체크한다(117).

즉, 상기 체크에 의해 배가스의 온도가 목표온도, 즉 단계n의 온도제어종료값(Tn)에 도달될 때까지 상기 연소가스의 목표유량을 Ms_n으로 하여 연소가스의 유량제어가 이루어지고, 그 결과 배가스의 온도가 단계n의 온도제어종료값(Tn)에 도달되면, 단계n의 온도 유지 시간(TM_n)동안 상기 연소가의 유량을 현재 상태로 유지시키고(118), 그 다음 다음 단계 n+1의 배가스 온도제어를 시작한다. 이러한, 단계별 배가스 온도 제어 과정은 1단계부터 n단계까지 반복수행되어, 배가스의 온도가 초기값으로부터 온도제어종료값에 도달되게 된다.

도 5는 본 발명에 따른 배가스 온도 제어방법의 시간별 열풍로의 온도패턴을 도시한 것으로서, 열풍로 설비의 동작은 열풍을 목표온도까지 상승시키는 연소동작과, 목표온도의 열풍을 고로로 제공하는 송풍동작이 반복수행되는 것으로서, 이때, 연소동작이 시작되면, 먼저, 배가스의 온도가 배가스 온도 제어를 위한 초기값에 도달될 때까지 연소가스와 공기의 유량을 일정하게 하는 초기 정량 제어(ⓐ)가 이 루어진 후, 배가스 온도 제어구간(ⓑ)에서는 배가스의 온도가 배가스 온도제어 종료값(Tn)에 도달될 때까지, 배가스의 온도가 단계적으로 순차 상승된다. 그리고, 배가스 온도 제어 종료값에 도달되면, 송풍동작이 시작된다.

상기 제어패턴에서, ⓔ는 배가스 제어시작온도를 나타내고, ⓕ는 배가스 온도 제어 종료값이고, ⓖ는 배가스 온도 제어구간(ⓑ)에서의 각 단계별 목표 종점온도이고, ⓗ는 각 배가스 온도제어단계별 온도 유지시간이다.

본 발명은 상기와 같은 제어에 의하면, 배가스 온도제어시, 설정온도와 측정온도와의 편차가 적기때문에, 연소가스 유량조절기(16)로 입력되는 배가스 온도 조절기(15)의 출력값이 급상승하거나 급강하하는 현상이 제거되고, 배가스 온도 제어 시작시부터 종료시까지 배가스 온도 상승률이 일정하게 되어 배가스 온도는 설정치를 초과하는 일이 없어지고, 안정된 열풍로 설비의 연소제어가 가능하게 된다.

따라서, 열풍로 설비에서 온도의 급격한 상승을 방지함으로서 체크 수금물의 손상 및 그로 인한 대형사고를 해소할 수 있게 된다.

Claims (3)

1. 혼합가스와 공기의 연소를 통해 소정 온도의 열풍을 만들어 고로로 송풍시키는 열풍로의 연소 제어 방법에 있어서,

   상기 열풍로로부터 배출되는 배가스에 대한 온도 제어 종료값을 설정하는 초기화단계;

   연소시작시부터 상기 열풍로의 배가스온도가 배가스 온도 제어 초기값에 도달될때까지 배가스 열풍로의 연소공기 및 연소가스의 유량을 일정한 값으로 투입하는 초기정량제어단계;

   배가스 온도 제어시의 초기온도와 상기 설정된 배가스 온도 제어 종료값의 편차로부터 총 온도상승폭을 산출하고, 상기 총 온도 상승폭을 n 단계로 나누어 각 단계별 초기온도와 단계별 온도제어종료값을 설정하는 배가스 온도설정값 산출단계; 및

   상기 초기정량제어단계에 의해 열풍로의 배가스 온도가 배가스 온도 제어 초기값에 도달하면, 배가스 온도 제어 종료값에 도달할때까지 상기 산출단계에서 산출된 설정값을 단계별로 제공받아, 해당 설정온도에 도달되도록 연소가스 유량을 단계적으로 제어하는 단계별 배가스 온도 제어 단계

   로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열풍로의 연소 제어 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 배가스 온도설정값 산출단계는

   배가스 온도제어 초기값에서 배가스 온도 제어 종료값의 편차를 산출하여 배가스 온도제어동안 상승시켜야 할 총 온도상승폭(T_tot)을 산출하는 단계;

   상기 배가스 온도제어시의 총 온도상승폭(T_tot)을 배가스 온도제어의 스텝수 N으로 나누어 각 제어단계n(여기서, n은 1에서 N까지의 자연수이다)에서의 제어시작온도 및 제어종료온도를 산출하는 단계;

   각 배가스제어단계n 별로 각각 산출된 제어시작온도에서 제어종료온도까지 도달되는데 필요한 연소가스량 Mt_n을 산출하는 단계;

   배가스 온도제어의 총 온도유지시간을 TM을 n으로 나누어 각 배가스 제어단계별 온도유지시간 TM_n을 산출하는 단계; 및

   설정된 연소제어시간 TD를 n등분하여된 각 배가스 제어단계별 연소제어시간 TD_n에서 온도유지시간을 제외한 시간동안 상기 단계별 연소가스량 Mt_n을 투입하기 위한 배가스 제어단계별 연소가스유량 Ms_n을 산출하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열풍로의 연소 제어 방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 배가스 온도 제어 단계는

   제어단계를 나타내는 파라메터 n을 1로 초기화하는 단계;

   열풍로의 배가스 온도가 배가스 온도 제어 초기값에 도달될 때, 상기 산출단계에서 설정된 제어단계 n에서의 연소가스유량 Ms_n가 열풍로에 공급되도록 연소가스 유량을 조절하는 단계;

   상기 열풍로의 배가스 온도가 상기 산출단계에서 산출된 제어단계 n에서의 제어종료값에 도달되었는지를 체크하는 단계;

   상기 체크단계에서 배가스 온도가 제어단계 n의 종료값에 도달되지 않았으면 상기 유량 Ms_n의 연소가스를 계속 공급시키는 단계;

   상기 체크단계에서 배가스 온도가 제어단계 n의 종료값에 도달되면 상기 산출단계에서 산출된 제어단계n에서의 온도유지시간TM_n 동안 상기 온도로 배가스를 유지시키는 단계; 및

   상기 온도 유지 단계에서, 온도 유지 시간이 경과하면, 현재 제어단계 n이 마지막 단계 N인지를 판단하여, 마지막 단계가 아니면 제어단계 파라메터 n을 1 상승시킨 후 상기 연소 가스 유량 조절 단계부터 다시 반복하며, 마지막 단계라면 배가스 온도제어를 종료하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열풍로의 연소 제어 방법.

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