KR101041467B1 - 보일러 최적 연소조정 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 산업용 및 발전용 보일러의 주요 운전 데이터 취득 및 이들 데이터들의 실시간 분석과 운전 중 조작 가능한 변수들의 조절을 통하여 최적의 연소상태를 유지할 수 있도록 하는 보일러 최적 연소조정 시스템에 관한 것이다.

이의 구성은, 실시간으로 석탄분석과 노내온도측정 및 연소가스를 분석 및 검출하는 검출수단(1)과; 열응력과 보일러 성능 및 3차원 배관상태, 밀과 A/H성능을 모니터링하는 감시수단(2)과; 석탄 파이프의 유량과 버너/OFA에 공급되는 연소공기를 측정 및 제어하는 검출/제어수단(3)과; 상기 검출수단(1)과 감시수단(2) 및 검출/제어수단(3)에서 각각 얻어지는 제어변수와 검출변수 및 가변변수를 기반으로 최적 운전 제어값을 산출하고, 그 산출한 최적 운전 제어 값을 상기 검출/제어수단(3)으로 출력하는 제어수단(4)과; 상기 제어수단(4)에 의해서 슈트 블로워 및 SCR/SNCR을 최적의 상태로 제어 및 구동하는 슈트 블로워 최적화 시스템(5) 및, SCR/SNCR 제어 시스템(6);으로 구성된다.

보일러, 검출수단, 감시수단, 검출/제어수단, ICMS, 최적 연소조정 시스템

Description

보일러 최적 연소조정 시스템{Optimal combustion tuning system for Boiler}

본 발명은 산업용 및 발전용 보일러의 주요 운전 데이터 취득 및 이들 데이터들의 실시간 분석과 운전 중 조작 가능한 변수들의 조절을 통하여 최적의 연소상태를 유지하게 함으로써 국부적인 핫 스폿(Hot Spot) 및 연소가스 편류방지, 미연탄소 저감, 질소산화물(NOx)등의 환경오염물질 배출을 최소화하고 보일러 각 뱅크(Bank)에서의 연소가스 온도와 산소(O₂), 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx) 데이터를 활용하여 보일러 내 고온유체의 거동을 3차원 그래픽으로 실시간 가시화하여 보다 안정된 설비운용을 위한 보일러 최적 연소조정 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 화력발전소 중에서 석탄을 연료로 하는 보일러의 공정은 대표적인 비선형공정(Non-liner Process)중의 하나로 분류할 수 있다.

미분탄 연소공정 자체의 복잡성은 물론 연소에 따른 슬래깅(Slagging) 및 포울링(Fouling)발생과 예기치 않은 설비의 고장으로 인한 급격한 보일러 거동변화 등 운전상태나 효율이 수시로 변하게 되는 복잡한 시스템이다.

이처럼 복잡, 미묘한 보일러의 안전성을 확보하고, 최적의 연소상태를 유지하기 위해서는 공연비, 밀(Mill) 운전상태, 다양한 운전변수들은 물론 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx) 등과 같은 환경오염물질 배출기준에 이르기까지 수 많은 변수들을 고려해야 한다.

그러나 이러한 모든 변수들을 고려한다는 것은 현실적으로 불가능하기 때문에 현재까지의 많은 시험과 운전경험을 통하여 알려진 질소산화물(NOx), 일산화탄소(CO), 열소비율(Heat Rate), 스팀 온도(Steam Temp.)등의 제어변수들과 이들 변수 값들을 적정수준으로 유지하기 위한 과잉공기(Excess O₂) 세트 포인트(Set Point), 공기량, 댐퍼(Damper) 위치, 석탄(Coal) 투입량, 버너 레지스터(Burner Register)등의 수동조정 수준에서 연소조정이 이루어지고 있다.

또한, 제어변수인 질소산화물(NOx), 일산화탄소(CO), 열소비율(Heat Rate), 스팀 온도(Steam Temp.)등은 연소의 영향뿐만 아니라, 대기온도와 같은 외부 환경변수에 의한 영향을 받기도 하며, 이러한 제어변수들은 각기 독립적인 영향인자가 아닌 변수간의 상관관계를 갖고 있기 때문에 최적 운전 조건을 설정하는 것이 결코 쉽지가 않게 된다.

이러한 최적연소모니터링/조정시스템의 구현을 위해서는 제어시스템이 필요하게 되며, 이들 제어시스템은 제어하고자 하는 제어변수와 제어변수 목표값을 얻기 위해 운전자에 의해 조절되는 조절변수 및 운전자에 의해 임의로 바꿀 수 있는 변수가 아니지만 제어변수에 영향을 미치는 정도를 추정할 수 있는 추정변수가 있으며, 이들의 상호작용에 의해 제어가 이루어진다.

따라서, 보다 안전하고 효율적인 보일러 운전을 위해서는 각 변수들간의 상관관계는 물론 변수 상호간의 영향 정도를 명확히 규명하고, 이를 바탕으로 한 시스템적인 접근이 이루어질 때 최적 연소조정이 가능하고 이와 더불어 보일러 각 뱅크(Bank)에서의 연소가스 온도와 산소(O₂), 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx) 데이터를 활용하여 보일러 내 고온유체의 거동을 3차원 그래픽으로 실시간 가시화함으로써 보다 안정된 설비 운용과 보일러의 효율을 향상시킬 수 있다.

이에 본 발명은 상기한 바와 같은 최적의 연소조정을 위해서 산업용 및 발전용 보일러의 주요 운전 데이터 취득 및 이들 데이터들의 실시간 분석과 운전 중 조작 가능한 변수들의 조절을 통하여 최적의 연소상태를 유지하게 함으로써 국부적인 핫 스폿(Hot Spot) 및 연소가스 편류방지, 미연탄소 저감, 질소산화물(NOx)등의 환경오염물질 배출을 최소화하고 보일러 각 뱅크(Bank)에서의 연소가스 온도와 산소(O₂), 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx) 데이터를 활용하여 보일러 내 고온유체의 거동을 3차원 그래픽으로 실시간 가시화함으로써 보다 안정된 설비 운용이 이루어질 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.

이러한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 실시간으로 석탄분석과 노내온도측정 및 연소가스를 분석 및 검출하는 검출수단과; 열응력과 보일러 성능 및 3차원 배관상태, 밀과 A/H성능을 모니터링하는 감시수단과; 석탄 파이프의 유량과 버너/OFA에 공급되는 연소공기를 측정 및 제어하는 검출/제어수단과; 상기 검출수단과 감시수단 및 검출/제어수단에서 각각 얻어지는 제어변수와 검출변수 및 가변변수를 기반으로 최적 운전 제어값을 산출하고, 그 산출한 최적 운전 제어 값을 상기 검출/제어수단으로 출력하는 제어수단과; 상기 제어수단으로 슈트 블로워의 상태 및 구동 제어값을 보내고, 상기 제어수단으로부터 최적의 슈트 블로워의 구동 제어값을 받아 슈트 블로워를 최적의 상태로 구동하는 슈트 블로워 최적화 시스템과; 상기 제어수단으로 SCR/SNCR의 구동 제어값을 보내고, 상기 제어수단으로부터 최적의 SCR/SNCR의 구동 제어값을 받아 SCR/SNCR을 최적의 상태로 제어 및 구동하는 SCR/SNCR 제어 시스템으로 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제어수단은 보일러를 모니터링하고 제어하는 ICMS와; 상기 ICMS에서 얻어진 운전데이터에, 실제 제어를 했을 때 주변환경에 따라 가변된 변수를 입력하여 재프로그램화하여 다시 ICMS에 최적의 운전데이터를 제공하는 최적 연소조정 시스템으로 구성된 것을 특징으로 한다.

이상과 같은 발명을 적용하게 되면, 운전중인 보일러의 저온 유체 및 고온유체 거동을 가시적으로 관찰할 수 있음은 물론, 운전모드 변경이나 상탄되는 탄종의 변화를 비롯한 다양한 운전조건의 변화에 따른 보일러 거동을 실시간 파악할 수 있 으며, 항상 최적의 연소상태를 유지할 수 있게 된다.

더불어 국부적인 핫 스폿(Hot Spot) 및 연소가스 편류방지는 물론 기타의 운전에 따른 문제점들을 신속하게 파악할 수 있으므로, 설비의 안정된 운용 및 이에 따른 유지보수비용 최소화와 미연탄소 저감 등에 따른 효율향상, 질소산화물(NOx)등의 환경오염물질 배출 최소화 등을 기대할 수 있으며, 보일러 각 뱅크(Bank)에서의 연소가스 온도와 산소(O₂), 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx) 데이터를 활용한 보일러 내 고온유체 거동의 3차원 그래픽에 의한 실시간 가시화는 보다 안정된 설비운용에 매우 중요한 정보를 제공해준다.

또한, 보일러 내부의 특정 지역 공간에 격자를 형성하고, 각 절점에서 측정되는 연소가스 온도와 산소(O₂), 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx) 성분 데이터를 질소산화물(NOx) 저감 설비의 제어시스템에 응용할 경우, 광범위하게 환원제를 분사하는 방법이 아닌 구역별 질소산화물(NOx) 수치에 따른 환원제 분사제어 시스템을 적용함으로써 효과적으로 질소산화물(NOx)을 저감시킬 수 있을 뿐만 아니라, 환원제 과다 사용에 따른 부작용을 방지할 수 있는 효과가 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 구성을 실시예에 따라 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명 일 실시예의 구성을 나타낸 블럭도로서, 이에 도시된 바와 같이 본 발명은, 실시간으로 석탄분석과 노내온도측정 및 연소가스를 분석 및 검출 하는 검출수단(1)이 구비되고, 열응력과 보일러 성능 및 3차원 배관상태, 밀과 A/H성능을 모니터링하는 감시수단(2)이 구비되며, 석탄 파이프의 유량과 버너/OFA에 공급되는 연소공기를 측정 및 제어하는 검출/제어수단(3)이 구비된다.

상기 검출수단(1)은 실시간으로 석탄분석과 노내온도측정 및 연소가스를 분석 및 검출하기 위해 실시간 석탄(Coal)분석 시스템(11)과, 실시간 노내 온도측정 시스템(12) 및 실시간 연소가스 분석 시스템(13)으로 구성된다.

그리고, 상기 감시수단(2)은 열응력과 보일러 성능 및 3차원 배관상태, 밀(Mill)과 A/H성능을 모니터링하기 위해 열응력 모니터링 시스템(21)과 보일러성능 모니터링 시스템(22) 및 3차원 배관 모니터링 시스템(23), 밀(Mill),A/H성능 모니터링 시스템(24)으로 구성된다.

또한, 상기 검출/제어수단(3)은 석탄 파이프의 유량과 버너/OFA에 공급되는 연소공기를 측정 및 제어하기 위해 석탄 파이프 유량측정/제어시스템(31)과 버너/OFA 유량 측정/제어시스템(32) 및 연소공기 측정/제어시스템(33)으로 구성된다.

이와함께 상기 검출수단(1)과 감시수단(2) 및 검출/제어수단(3)에서 각각 얻어지는 제어변수와 검출변수 및 가변변수를 기반으로 최적 운전 제어값을 산출하고, 그 산출한 최적 운전 제어 값을 상기 검출/제어수단(3)으로 출력하기 위해 제어수단(4)이 구비된다.

상기 제어수단(4)은 ICMS(Integrated Control & Monitoring System)(42)과 최적 연소조정 시스템(41)으로 구성되는 것으로서, 상기 ICMS(42)는 보일러를 모니 터링하고 제어하는 통상 제어시스템이고, 상기 최적 연소조정 시스템(41)은 ICMS(42)에서 얻어진 운전데이터에, 실제 제어를 했을 때 주변환경에 따라 가변된 변수를 입력하여 재프로그램화하여 다시 ICMS에 최적의 운전데이터를 제공하는 것이다.

상기 제어수단(4)과 함께 본 발명은 슈트 블로워의 상태 및 구동을 제어하는 슈트 블로워 최적화 시스템(5)과 SCR(Selective Catalytic Reduction)/SNCR(Selective Non Catalytic Reduction)의 구동을 제어하는 SCR/SNCR 제어 시스템(6)이 구비되어 제어수단과 데이터를 주고 받을 수 있도록 구성된다.

즉, 상기 슈트 블로워 최적화 시스템(5)는 제어수단(4)으로 슈트 블로워의 상태 및 구동 제어값을 보내고, 상기 제어수단(4)으로부터 최적의 슈트 블로워의 구동 제어값을 받아 슈트 블로워를 최적의 상태로 구동하게 된다. 또한 SCR/SNCR 제어 시스템(6)은 제어수단(4)으로 SCR/SNCR의 구동 제어값을 보내고, 상기 제어수단(4)으로부터 최적의 SCR/SNCR의 구동 제어값을 받아 SCR/SNCR을 최적의 상태로 제어 및 구동하게 된다.

결국, 본 발명은, 본 발명을 구성하고 있는 다양한 모니터링/측정/분석시스템으로부터 제공되는 정보를 이용하여 적정공기량 산출, 연소상태분석, 버너/OFA 에어 포트(Air Port)의 불완전 연소영역을 추적등 일련의 과정을 거쳐 연소공기량 조절이나 버너 레지스터 조정과 함께 각각의 버너와 OFA에 대한 공기 유량 재분배와 같은 방법을 이용하여, 국부적인 핫 스폿(Hot Spot) 및 연소가스 편류방지, 미연탄소 저감, 질소산화물(NOx) 등의 환경오염물질 배출 최소화를 실현함으로써 설 비의 안정된 운용과 보일러 효율을 향상시키게 되는 것이다.

도 2는 본 발명의 다른 실시 예를 나타낸 것으로서, 여기서 특징은 독립적으로 분산된 본 발명의 검출수단과 감시수단 및 검출/제어수단, 슈트 블로워 최적화 시스템, SCR/SNCR 제어시스템을 ICMS(42)에 집적화하여 통합 운영될 수 있도록 한 것에 있고, 이렇게 ICMS에서 통합 운영될 경우에는 ICMS와의 데이터 인터페이스만으로 쉽게 구현이 가능해 모듈화할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예를 나타낸 블럭도.

도 2는 본 발명의 다른 실시예를 나타낸 블럭도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1:검출수단 2:감시수단

3:검출/제어수단 4:제어수단

Claims (2)

1. 실시간으로 석탄분석과 노내온도측정 및 연소가스를 분석 및 검출하는 검출수단(1)과;

   열응력과 보일러 성능 및 3차원 배관상태, 밀과 A/H성능을 모니터링하는 감시수단(2)과;

   석탄 파이프의 유량과 버너/OFA에 공급되는 연소공기를 측정 및 제어하는 검출/제어수단(3)과;

   상기 검출수단(1)과 감시수단(2) 및 검출/제어수단(3)에서 각각 얻어지는 제어변수와 검출변수 및 가변변수를 기반으로 최적 운전 제어값을 산출하고, 그 산출한 최적 운전 제어 값을 상기 검출/제어수단(3)으로 출력하는 제어수단(4)과;

   상기 제어수단(4)으로 슈트 블로워의 상태 및 구동 제어값을 보내고, 상기 제어수단(4)으로부터 최적의 슈트 블로워의 구동 제어값을 받아 슈트 블로워를 최적의 상태로 구동하는 슈트 블로워 최적화 시스템(5)과;

   상기 제어수단(4)으로 SCR/SNCR의 구동 제어값을 보내고, 상기 제어수단(4)으로부터 최적의 SCR/SNCR의 구동 제어값을 받아 SCR/SNCR을 최적의 상태로 제어 및 구동하는 SCR/SNCR 제어 시스템(6);으로 구성된 것을 특징으로 한 보일러 최적 연소조정 시스템.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제어수단(4)은 보일러를 모니터링하고 제어하는 ICMS(42)와;

   상기 ICMS(42)에서 얻어진 운전데이터에, 실제 제어를 했을 때 주변환경에 따라 가변된 변수를 입력하여 재프로그램화하여 다시 ICMS에 최적의 운전데이터를 제공하는 최적 연소조정 시스템(41);으로 구성된 것을 특징으로 한 보일러 최적 연소조정 시스템.

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