KR101040026B1 - 다종 연료를 사용하는 연소설비에서의 연료유량 측정장치 - Google Patents

Abstract

개시된 발명은 다종연료를 사용하는 연소설비에서의 연료유량 측정장치에 관한 것으로서, 다종 연료를 교대 사용하는 연소설비에 공기관과 연료관을 각각 하나만 설치하고, 연료관 내에 다종 연료에 대응하는 연료 유량계 및 연료유량 조절변을 차례로 설치하여 연료공급계통을 단순화시키기 위한 것이다.

이를 위하여 본 발명은 다종 연료를 사용하는 연소로의 버너에 연료와 공기를 공급하기 위해 연료관 및 공기관을 각각 하나씩 설치하여 연소설비의 배관계를 구성하고, 상기 연료관 내에 다종 연료에 대응하는 연료유량 조절변과 연료 유량계를 차례로 설치하여, 하나의 연료관을 통해 다종 연료를 공급하고 그 연료관을 통해 공급되는 다종 연료의 유량 측정 및 조절이 가능한 연료유량 측정장치를 제공하며, 이로써 다종 연료 사용설비의 초기 설치시 또는 연료 수급에 대응하여 다종 연료 사용으로 전환하는 설비 개조시 설치공간과 비용을 최소화하면서 용이하게 안정적인 유량 측정과 제어가 가능하게 한다.

연소설비, 유량 측정, 유량 조절, 다종 연료, 단일 배관

Description

다종 연료를 사용하는 연소설비에서의 연료유량 측정장치{Apparatus for measuring fuel flow rate in case of alternately firing different fuels}

도 1은 단일 연료를 사용하는 종래 연소설비에서의 연료유량 측정장치 및 그 제어계통도

도 2는 2종 연료를 교대로 사용하는 종래 연소설비에서의 연료유량 측정장치 및 그 제어계통도

도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 다종 연료를 사용하는 연소설비에서의 연료유량 측정장치 및 그 제어계통도

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 다종 연료를 사용하는 연소설비에서의 연료유량 측정장치 및 그 제어계통도

도 5은 본 발명의 다른 실시예에서 이루어지는 다종 연료의 유량 계산 및 조절을 위한 처리동작 흐름도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 연소로 2 : 버너 5 : 연료유량조절변

6 : 연료유량계 7 : 공기유량조절변 8 : 공기유량계

10 : 연소제어컴퓨터 11 : 연료유량지시계 12 : 공기유량지시계

20 : 유량계산기 21 : 제1연료유량조절변 22 : 제1연료유량계

31 : 제2연료유량조절변 32 : 제2연료유량계

본 발명은 다종 연료를 사용하는 연소설비에 관한 것으로서 보다 상세하게는 여러 종류의 연료를 사용하는 연소설비의 버너에 단일 연료 배관 및 공기관을 설치하여 상기 단일 연료 배관을 통해 여러 종류의 연료를 교대로 공급하는 경우에 그 배관 내에 공급되는 각종 연료의 유량을 간단하게 측정할 수 있도록 한 다종 연료를 사용하는 연소설비에서의 연료유량 측정장치에 관한 것이다.

통상 연소설비의 버너에는 특정연료가 선정되어 사용된다. 연료 수급조건상의 문제 또는 기타 여건에 의하여 연료가 부족하거나 공급이 중단되는 경우가 발생되면 설비의 생산량 감소 내지는 가동정지가 유발되어 큰 손실요인으로 작용하게 된다. 따라서 이에 대비하여 보조연료의 사용을 계획하는 경우가 많다. 예를들어 자체 공정의 부생가스를 연료로 사용하면서 타 연료(석유가스, 천연가스 등)로 연료수급을 조절하는 경우 또는 제품품질의 제약상 연료를 바꾸어 운전하는 경우 등은 동일 설비에 두 종류 이상의 연료가 교대로 절환되어 사용된다.

그러나, 이와 같은 다종 연료를 사용하는 연소 설비는 초기 설비의 계획시 또는 개조시 연료공급계통이 복잡해지므로 설비의 공간상의 문제는 물론 많은 비용이 소요된다.

한편, 상기 연소 설비에 공급되는 연료의 유량 측정은 대부분 연료의 밀도와 압력에 관련되는 데, 사용연료가 변화하면 연료의 발열량이 변화함은 물론 밀도가 변화하기 때문에 동일한 유량계로는 여러 종류 연료의 유량을 측정하는 것이 불가능하였다. 따라서 연료별로 별도의 독립된 배관계를 구성하여 각 연료관에 유량계를 설치하는 것이 일반적인 방법이다.

철강업의 가열로를 예로 들어 볼 때, 연료는 주연료관을 통하여 각 연소대(통상 6개 이상)로 분기되어 공급되는 데, 각각의 연소대에서도 연소조절을 위하여 연료유량을 측정하여야 하므로 다수 종류의 연료가 사용되는 경우에는 주 연료관은 물론 각 연소대별 연료관까지 다중으로 설치되어야 하는 것이었다. 특히 신설이 아니고 설비를 개조할 때에는 설치공간의 제약으로 정확한 유량측정 자체가 곤란해지는 경우도 많았다.

즉, 종래의 다종 연료를 사용하는 연소설비에서는 연료의 종류에 대응하여 별도의 연료관이 마련되어야 하므로 신설시에는 초기 비용이 증가하게 되고, 개조시에는 설치공간상의 제약이 있는 등의 여러가지 문제점이 있었다.

도 1은 단일 연료를 사용하는 종래 연소설비에서의 연료유량 측정장치 및 그 제어계통도로서, 일반적인 연료와 공기의 비율설정에 의한 비례제어형 연료 및 공기의 유량측정과 제어계통을 간략화하여 나타낸 것이다. 도면에 도시된 바와 같이, 연소로(1)에 설치되어 있는 버너(2)에는 연료와 공기가 각각의 공급관(3,4)을 통하여 공급된다. 이때 상기 연소로에 요구되는 온도를 추종하기 위한 연료량이 결정되면 연료는 연료유량조절변(5)에서 유량이 조절되고 연료유량계(6)에서 유량이 측정되어 연료유량지시계(11)에 유량이 지시된다. 연료유량 신호는 적절한 기구에 의해 연소제어컴퓨터(10)로 전송되어 적절히 이용된다. 한편, 연소용공기는 해당 연료의 이론공연비에 공기과잉율을 곱한 양이 공급된다. 즉 연료유량지시계(11)에서의 연료유량에 이론공연비와 과잉공기율을 곱한 값이 원하는 공기유량(공기유량 = 연료유량 × 이론공연비 × 과잉공기율)이 되며, 계산된 공기유량을 추종하기 위하여 공기유량조절변(7)이 구동되여 공기유량계(8)에서 측정된 공기유량을 공기유량지시계(12)에서 확인 및 제어하는 구조이다.

도 2는 2종 연료를 교대로 사용하는 종래 연소설비에서의 연료유량 측정장치 및 그 제어계통도로서, 연료의 수급상황에 따라 여러 종류의 연료를 사용해야 하는 경우의 일반적인 기술을 나타내고 있다. 도 2에서 보여지는 바와 같이 여러 가지 연료가 사용되는 경우는 연소로(1)의 버너(2)에 사용 연료의 수만큼 연료관을 설치하고, 각 연료관별로 연료유량조절변(21,31)과 연료 유량계(22,32)를 각각 설치하여 유량측정을 하는 것이 일반적이다. 예를 들어 연료 1을 사용하다가 연료 2로 전환하여 사용하는 경우는 제1연료유량조절변(21)을 잠그고 제2유량조절변(31)을 열어서 그 개도를 조절하여 제2연료유량계(32)의 유량을 측정 및 조절하게 된다. 이때 연료별로 밀도 및 발열량 등이 다르므로 해당 유량계(22,32)별로 대응연료에 적합한 고유의 수치가 연소제어컴퓨터(10) 등에 내장되어 유량계의 압력신호 등과 연동하여 유량을 측정하게 된다.

상기 도 2는 유량계의 설치부분만 간략화하여 나타낸 것이고, 실제 유량계 전후의 배관이나 제어계의 구성은 임의적임을 밝혀둔다. 예를 들면 연료 1과 연료 2의 공급부에 별도의 전동변을 설치하고 버너 전단에서 두 관을 통합하는 것을 전 제로 연료유량조절변(21,31)을 통합할 수도 있다.

이와 같이 종래 다종 연료를 사용하는 연소설비에서의 연료유량 측정 및 제어방법은 연료별로 독립된 배관이 설치되어야 하므로 설비의 신설 또는 개조시 배관의 복잡화에 의한 비용증가와 설치공간상의 제약이 큰 것이었다.

특히 초기 설계시 단일 연료의 사용을 계획하였다가 이후 사용연료를 추가하는 경우, 기존의 연소설비는 별도의 연료배관을 버너 부근까지 설치하여야 하는 것으로서 배관의 추가를 위한 고려가 없기 때문에 배관 계통의 큰 변경은 기술적, 경제적 어려움이 많은 것이었다.

이상에서 살펴본 바와 같이 종래의 다종 연료를 사용하는 연소설비에서는 여러 종류의 연료 사용시 연료공급계통이 복잡하여 설치 및 운전시에도 여러 가지 제약이 있는 것으로서, 연소설비의 고효율 운전을 위하여 상기 문제점의 해결이 요망되어져 왔다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명은 여러 종류의 연료를 교대로 사용하는 연소설비의 버너에 공기관과 연료관을 각각 하나만 설치하고, 그 하나의 연료관 내에 다종 연료에 대응하는 연료 유량계 및 연료유량 조절변을 차례로 설치하여 연료공급계통을 단순화시킴으로서 다종 연료 사용설비의 초기 설치시 또는 연료 수급에 대응하여 다종 연료 사용으로 전환하는 설비 개조시 설치공간과 비용을 최소화하면서 용이하게 안정적인 유량 측정과 제어가 가능하도록 한 다종연료를 사용하는 연소설비에서의 연료유량 측정장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 다종 연료를 사용하는 연소로의 버너에 연료와 공기를 공급하기 위해 연료관 및 공기관을 각각 하나씩 설치하여 연소설비의 배관계를 구성하고, 상기 하나의 연료관 내에 다종 연료에 대응하는 연료유량 조절변과 연료 유량계를 차례로 설치하여, 하나의 연료관을 통해 여러 종류의 연료를 공급하고 그 연료관을 통해 공급되는 다종 연료의 유량 측정 및 조절이 가능한 다종 연료를 사용하는 연소설비에서의 연료유량 측정장치를 제공한다.

상기 본 발명에서 연료유량 조절변과 연료 유량계는, 다종 연료의 종류에 대응하는 개수로 각각 설치될 수 있으며, 이 경우 상기 연료 유량계는 상기 연소설비에 사용되는 다종 연료의 각 연료별 전용 유량계로 구성하는 것이 바람직할 것이다.

또한 상기 본 발명에서 연료유량 조절변과 연료 유량계는 각각 한 개씩 설치될 수도 있으며, 이 경우에는 상기 연료 유량계에서 측정되는 연료의 유량 측정치와 상기 다종 연료의 절환에 대응하여 선택되는 연료별 유량계산식을 이용하여 연료 유량을 계산하는 유량 계산기를 구비하여 그 계산 결과를 연소제어용 컴퓨터로 전송하도록 구성하는 것이 바람직할 것이며, 상기 연소 제어용 컴퓨터에서 상기 연료 유량 조절변의 개도량을 제어하도록 프로그램되는 것이 바람직할 것이다.

상기 본 발명의 목적과 특징 및 장점은 첨부도면 및 다음의 상세한 설명을 참조함으로서 더욱 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 다종 연료를 사용하는 연소설비에서의 연료유량 측정장치 및 그 제어계통도로서, 제어계의 기본 구성은 도 1과 동일하며 여기서는 본 발명의 목적을 달성하기 위한 핵심적인 부분만을 설명하기로 한다. 이하에는 우선 두가지 연료를 사용하는 경우를 예로 들어 설명한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 연소로(1)의 버너(2)에는 연료와 공기가 각각 공급될 수 있는 연료관과 공기관을 각각 하나씩 연결하여 배관계를 구성하고 있고, 상기 연료관에는 제1연료 유량계(22)와 제2연료 유량계(32)가 차례로 설치되며, 각 유량계에 대응하여 연료의 유량을 조절하기 위한 제1연료 유량 조절변(21)과 제2연료 유량 조절변(31)이 각각 설치되어 본 발명의 일 실시예를 구성한다. 공기 공급 계통의 구성은 공기유량 조절변(7)과 공기 유량계(8)가 연결되어 있으며, 일반적인 방법과 동일하게 작동한다. 상기 각각의 연료 유량계(22,32)는 각각 필요한 압력 혹은 유량전달계통을 거쳐 연소제어용 컴퓨터(도 3에는 미도시됨; 도 1참조) 등에서 적절한 계산식 등에 의해 유량이 정량화된다.

이와 같이 구성되는 본 발명의 일 실시예에 의한 연료유량 측정장치의 동작은 다음과 같다.

먼저, 연료 1을 사용할 때에는 제2연료 유량 조절변(31)은 완전히 열고 제1연료 유량계(22)에서 유량을 측정하며, 연료1의 유량은 제1연료 유량 조절변(21)에서 조절한다. 이때 제2연료 유량계(32)에도 유량이 검지되지만 이는 무시하고 제1 연료 유량계(22)에서 검지된 유량만 선별적으로 사용하게 된다.

예를 들어, 오리피스 유량계를 사용한다면 제1연료 유량계(22) 및 제2연료 유량계(32)는 각각 연료 1과 연료 2의 조성에 맞게 사전 보정하며, 유량 계산기나 연소제어컴퓨터 등에서 차압으로부터 유량을 계산하는 계산식에도 해당 연료에 맞는 정보(밀도, 오리피스 구경 등)가 선택적으로 반영된다. 즉 연소제어컴퓨터 등에 연료별 모드를 설정하여 연료 1이 공급될 때는 제1연료 유량계(22)를 이용한 유량측정이 되도록 모드를 조절함에 의해 제1연료 유량계(22)의 측정치와 제 1연료의 밀도가 관계되는 유량 계산식을 이용한 유량계측 및 계산을 수행하고, 연료 2가 공급될 때는 제2연료 유량계(32)를 이용한 유량측정이 되도록 모드를 조절함에 의해 제2연료 유량계(32)의 측정치와 제 2연료의 밀도가 관계되는 유량 계산식을 이용한 유량계측 및 계산을 수행하도록 함으로써, 단일 연료관을 이용하여 2종 이상의 연료유량의 측정이 가능하게 되는 것이다.

상기 도 3에는 편의상 제1연료 유량 조절변(21)과 제2연료 유량 조절변(31)을 분리하여 나타냈지만, 제1연료 유량 조절변(21) 또는 제 2연료유량 조절변(31)중의 어느 하나만으로 유량조절이 가능하다.

즉, 여러 종류의 연료를 사용하는 경우에 연료의 수만큼 연료관내에 유량계를 설치하고, 해당 연료에 상응하는 유량계의 측정신호를 이용하여 해당 연료의 유량을 계산함으로써, 하나의 연료관을 통해 다종의 연료가 공급된다 하더라도 해당 연료에 대한 정확한 유량 측정 및 유량조절이 가능하다는데에 본 발명의 핵심기술이 있는 것이다.

도 4는 도 3을 더 간략화하여 도시한 본 발명의 다른 실시예 구성도로서, 연료유량 조절변(5)은 물론이고 연료 유량계(6)를 하나만 설치하여 다종 연료를 사용하는 모든 경우의 연료 유량계(6) 전 후단의 배관내 차압을 측정하되, 연료가 변동되면 해당 연료의 정보를 유량계산기(20)에서 구분할 수 있도록 구성하면 하나의 유량계로도 여러 종류 연료의 유량측정이 가능하다. 이는 도 5에 도시된 바와 같이 두 종류의 연료를 사용하는 경우 있어서 유량 계산기에서의 처리 흐름을 이용하여 설명될 수 있다.

먼저, 유량 계산기에는 두 종류의 사용 연료에 대한 밀도(m1,m2)와 유량 계산식에 사용되는 각종 파라미터(유출계수 C, 오리피스면적 A, 중력가속도 g, 차압 h, 밀도 m 등)들이 초기에 설정되어 있는 상태이며, 그 상태에서 제 1연료 또는 제 2연료의 사용을 위한 모드 선택이 있게 되면 해당 연료의 밀도(제 1연료의 밀도 m1 또는 제 2연료의 밀도 m2)를 선택하여 연료 유량계(22)의 측정치와 제 1연료의 밀도가 관계되는 유량 계산식을 이용한 유량계측 및 계산을 수행하는 것으로 제 1연료 또는 제 2연료의 유량을 산출해낸 후 연소 제어 컴퓨터로 전송하게 되며, 이후 연소 제어컴퓨터에서는 상기 산출된 유량에 따라 연료유량 조절변의 개도량을 제어할 수 있게 된다.

이러한 과정은 오리피스 유량계를 예로들어 설명하면 다음과 같다.

즉, 유량(Q)은 Q=CA(2gh/m)^1/2로 표시된다. 여기서 C는 유출계수, A는 오리피스 면적, g는 중력가속도, h는 유량계의 전 후단에서 측정되는 배관의 차압, m은 사용 연료의 밀도이다. 즉 오리피스 하나를 이용하여 여러 가지 연료의 유량을 측정하는 경우에는 측정된 차압을 이용하여 유량을 계산시 해당 연료에 맞는 밀도를 계산식에 넣어주면 되는 것이다. 혹은 연료 1을 이용하여 유량이 계산되도록 기본식을 만든 후 밀도변화에 따라 보정을 해주어도 동일하다.

이상의 본 발명은 간단한 구성으로도 다종연료의 유량을 측정할 수 있으므로 기존 방법의 문제점 해소가 가능한 것이다.

이상의 본 발명에 의하면 여러 가지 연료를 교대로 사용하는 경우에도 단일 연료배관만으로서 연료별 유량측정이 가능하기 때문에 종래와 같이 연료별로 별도의 배관을 설치하지 않아도 된다. 즉 연료공급관은 하나로 하되 연료공급관내에 순차적으로 연료의 종류에 대응한 유량계를 설치 내지는 유량보정식을 사용함에 의해 연료공급계통의 단순화가 가능하게 된다.

따라서 다종연료 사용설비의 초기 설치시 또는 다종 연료 사용설비로 전환하는 설비개조의 경우 등에도 설치공간과 비용을 최소화하면서 용이하게 안정적인 측정과 제어가 가능한 유익한 효과가 있는 것이다.

Claims (4)

1. 다종 연료를 사용하는 연소로의 버너에 연료와 공기를 공급하기 위해 연료관 및 공기관을 각각 하나씩 설치하여 연소설비의 배관계를 구성하고;

   상기 하나의 연료관 내에 다종 연료에 대응하는 연료유량 조절변과 연료 유량계를 차례로 설치하여, 하나의 연료관을 통해 여러 종류의 연료를 공급하고 그 연료관을 통해 공급되는 다종 연료의 유량 측정 및 조절이 가능하도록 구성한 것을 특징으로 하는 다종 연료를 사용하는 연소설비에서의 연료유량 측정장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 연료유량 조절변과 연료 유량계는,

   다종 연료의 종류에 대응하는 개수로 각각 설치되는 것을 특징으로 하는 다종연료를 사용하는 연소설비에서의 연료유량 측정장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 연료 유량계에서의 유량 측정치와 상기 다종 연료의 절환에 대응하는 연료별 유량계산식을 사용하여 연료 유량을 계산하는 유량 계산기를 구비한 것을 특징으로 하는 다종 연료를 사용하는 연소설비에서의 연료유량 측정장치.
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 연료 유량계는,

   상기 연소설비에 사용되는 다종 연료의 각 연료별 전용 유량계로 구성되는 것을 특징으로 하는 다종 연료를 사용하는 연소설비에서의 연료유량 측정장치.

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