KR101169413B1 - 산업 보일러용 연동 감응식 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 산업 보일러용 연동 감응식 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 하는 것으로, 본 발명에 의한 산업 보일러용 연동 감응식 제어 방법의 구성은 산업 보일러의 가동시 부하 변동 값을 모니터링하는 단계와; 상기 부하 변동 값을 모니터링 한 다음 수학적 계산에 의해 얻어진 결과 값을 설정된 기준 부하 값(스팀 압력 또는 온수 온도, Qeff)과 비교하여 상기 산업 보일러의 고부하 가동 또는 저부하 가동 여부를 판단하는 단계;를 포함하며, 상기 부하 변동 값을 모니터링하는 단계는, 설정된 기준 부하 값(설정된 Qeff 값)을 바탕으로 상기 산업 보일러의 가동 조건(보일러 운전 조건 및 현장 부하율(부하 사용량) 등)을 모니터링 하여, 수학적 계산에 의해 얻어진 결과 값(즉, 수학적 계산 값)이 상기 기준 부하 값에 도달하는 지의 여부를 모니터링하는 단계이며, 상기 수학적 계산은, 상기 부하 변동 값이 상기 산업 보일러의 가동(on) 설정 값 아래로 내려가는 영역의 면적을 계산하는 단계인 것을 특징으로 한다.

Description

산업 보일러용 연동 감응식 제어 방법{Industrial boiler interlocking sensing control method}

본 발명은 산업 보일러용 연동 감응식 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 산업 보일러의 가동 이후에 지속적인 저부하 가동을 수행하다가 고부하 운전 전환 시점에서 산업 보일러의 압력 및 온도가 산업 보일러의 가동 정지 설정 값(즉, 보일러의 Off 작동 설정 값) 이하로 유지되도록 가동 부하 전환 값을 설정하여, 고부하 가동으로 인하여 산업 보일러의 상승하는 압력 및 온도가 가동 부하 전환 값을 초과하는 시점이 되면, 고부하 운전 모드에서 저부하 운전 모드로 전환되도록 컨트롤함으로써 산업 보일러의 온오프(On/Off) 횟수를 최대한 줄여줌으로써 연료비 상승 등의 문제를 해소하고 과도한 대기환경 오염물질의 발생을 방지하며, 빈번한 보일러 온오프로 인하여 스팀 또는 온수 공급처 설비의 급격한 부하 변동에 즉각적이고 능동적인 대처가 용이하여 연료비 상승, 제품 불량 등의 많은 문제를 해소할 수 있으므로, 여러 장점을 보유하고 있는 연동 감응식 비례제어 가스 보일러를 효율적으로 사용할 수 있도록 하는 새로운 개념의 산업 보일러용 연동 감응식 제어 방법에 관한 것이다.

본 발명은 산업용 보일러에서 가장 중요하며 핵심이 되는 기술인, 연소기 및 제어 방법에 대한 기술분야로 일반적으로 적용되는 Step 제어(저연소, 중연소, 고연소)나, Link 비례제어(1단, 2단, 3단, 4단 등)에 대한 분야가 아닌 보일러 부하 변동에 따라 공기압력 및 연소실 압력을 변동시켜 보일러에 공급되는 가스압이 연동되어 자동으로 변하면 연료량(가스유량)이 변화되어 사용처 부하변동에 능동적인 대처가 가능한 연동 감응식(連動 感應式) 비례제어 연소기 및 제어에 적용되는 기술인 산업 보일러용 연동 감응식 제어 방법에 관한 것이다.

산업용 보일러에 있어서 어떤 보일러(예를 들어, 난방용 등에 적용되는 보일러와 같이 시스템 전체적으로 공급하는 것)는 지속적으로 불을 떼주는 경우가 있고, 어떤 보일러는 가동 부하 설비에 대해 스팀 등을 공급해주는 경우가 있는데, 일반적인 피아이디 컨트롤(PID Control)은 현장에서의 부하 상태를 파악하지 않고 어느 정해진 가동률 범위에서 보일러를 운전함으로써, 보일러의 온오프(on/off) 횟수가 너무 잦아지게 되고, 이처럼 보일러의 온오프가 너무 빈번하면 여러가지 폐해가 발생하게 되는데, 본 발명은 기준 부하 값(예를 들어, 스팀 압력 또는 온수 온도, Qeff)을 바탕으로 종래 파아이디 컨트롤만으로 인한 여러 가지 폐해를 없애고자 하는 것이다. 어느 현장에서는 어느 집중된 시간에서 보일러를 집중적으로 쓸 경우도 있고, 보일러를 분산이 되어서 쓸 경우도 있는데, 본 발명은 그러한 특성을 하루 전체나 일주일 정도의 기간을 들여서 측정하고, 이러한 측정값에 부합되는 기준 부하값(Qeff)를 정해서 효율적으로 보일러의 온오프 횟수를 최대한 줄여줄 수 있고, 보일러의 포스트 퍼지, 프리 퍼지 횟수를 최대한 줄여서 연료 절감 효과, 안전성 향상 및 환경 오염에 대한 영향을 최소한 줄일 수 있도록 하는 목적에 충분히 부합하는 산업 보일러용 연동 감응식 제어 방법을 제공하고자 하는 것이다.

산업용 보일러는 일반 가정 등에서 사용하는 소형 보일러와 달리 대용량 보일러를 채용하는 것이 보통이며, 이러한 산업용 보일러로는 대용량 산업용 가스 보일러를 사용하는 경우가 많다. 산업용 가스 보일러의 일례로는 송풍기로부터 송풍되는 공기를 윈드박스를 통해 공급받아 화실(F.R;火室)로 안내하는 통형상의 프레임 판넬과, 이 프레임 판넬내에 길이방향으로 배치되며 선단이 프레임 판넬을 관통하여 화실(Fire Room)까지 연장된 연료공급관과, 이 연료공급관의 선단에 구비되어 연료를 분출하는 노즐과, 이 노즐측으로 연소공기를 확산 공급하는 원판상의 디퓨저와, 노즐을 통해 분출되는 연료에 불꽃을 발생시켜 점화하는 파일럿 보일러를 갖춘 것 등이 있다. 즉, 산업용 가스 보일러는 화실에 송풍기가 연통되도록 설치되고, 상기 화실에는 가스 공급부가 연결됨과 동시에 화실 내부에는 파일럿 보일러가 구비되어, 가스 공급부로부터 가스가 공급되면서 송풍기부터 연소용 공기가 공급되어 혼합된 상태에서 화실의 파일럿 보일러에 의해 점화를 하여 가동되는 구조를 취하는 것이 보통이다.

이때, 산업용 가스 보일러에는 공기량과 가스량을 조절하여 환경오염 물질인 이산화탄소, 질소 등의 배출을 저감시키면서 불필요한 연소를 방지하는 등의 목적을 실현하기 위해 비례제어 운전을 적용한 것이 있다. 기존의 비례제어가스보일러 제어는 많이 상용화되어 있는 PID 제어 기술을 사용하고 있는데 여기에는 보일러 사용현장의 특성을 모니터링하여 이에 대응할 수 있게 하는 기능은 없다는 점에서 문제가 된다.

특허등록번호 제10-0402723호 비례제어 가스보일러는 산업용 보일러에 적용한 연소제어와 관련된 특허가 아닌 비례제어가스보일러에 대한 기계적 구성과 관련된 특허로서, 이러한 비례제어 가스 보일러는 보일러 사용현장의 특성을 모니터하여 이에 대응할 수 있게 하는 기능은 없다는 것이다.

도 1에 도시된 일반비례제어 운전 패턴은 운전 신호와 함께 25초 동안 송풍기만 가동되어 안전을 위해 화실 내의 잔류 가스를 배출시키고, 파일럿 보일러가 작동하여 파일럿 점화가 이루어져 파일럿 화염(씨불)을 형성하고, 메인 비례제어 밸브가 오픈(Open)하여 비례제어 연소가 시작되는데, 저부하 연소(Min 부하)로 9초 동안 가동 후, 설정된 스팀압력 또는 온수온도(w) 설정값까지 도달하기 위해 바로 고부하 운전(Max 부하)으로 전환되어 가동되고, 설정된 (w)값(압력 또는 온도)을 만족하면, 다시 저부하 운전으로 전환되어 부하에 대응할 수 있게 되는데, 이때는 이미 사용처의 부하 사용량이 줄어들어 보일러 내부 압력이나 온도는 미리 지정해 놓은 보일러 오프(off) 설정값에 도달하게 되어 보일러가 오프된다. 반대로, 사용처에서 부하 사용량이 증가되면 압력이나 온도가 떨어져 미리 설정한 보일러 온(on) 설정값에서 다시 보일러가 온(on)되어 앞의 과정을 반복하게 된다. 이러한 일련의 과정이 반복되면서 보일러는 하루에 수십 번, 수 백번 온/오프(온오프(On/Off))를 반복하게 되는 것이다. 이처럼 일반비례제어 운전 패턴과 같이 증기 사용처의 보일러 설정 스팀압력 또는 설정 온수온도(w)를 만족하기 위하여 보일러의 잦은 온오프(온오프(On/Off))와 고부하 운전(50%~100%)으로 부하 변동의 폭이 크게 발생하여 점선의 부하변동 곡선(10)과 같이 설정 스팀압력 또는 온수 온도(w)의 이상 및 이하 수치로 크게 변화한다. 이는 지금까지 일반적인 산업용 보일러의 보편적인 연소제어 방식에 따른 부하변동 유형으로서, 이러한 종래의 일반비례제어 운전 패턴은 상기한 바와 같이, 보일러 사용현장의 특성을 모니터링하여 이에 대응할 수 있게 하는 기능은 없다는 점에서 문제가 되고 있는 것이다. 보일러(여기서는 대용량 의미)가 꺼졌다가 켜졌다가 반복하면 손실이 크다. 보일러가 터지는 것과 같이 심각한 고장이 발생될 우려가 있어 기화되어 있는 배기가스나 연료가 모두 기화 상태로 보일러 내에 채워져 있을 수 있어 모두 배기시켜야 되는데(가스안전공사 법규), 이처럼 기화 가스를 모두 배기시키고 외부 공기를 채워넣게 되면 보일러가 냉각되어 온도가 급격히 떨어지게 된다. 상기와 같이 보일러가 일단 꺼졌다가 다시 가동시키려고 하면 낮은 온도에서 다시 보일러를 가동시키기 시작하여야 하므로 그만큼 손실이 커지는 등의 여러 문제가 생기는 것이다. 부언하면, 보일러의 가동 정지 신호(즉, Off 신호)가 들어오면 일단 외부 공기를 유입시켜 보일러 내부의 가스(배기 가스)를 모두 내보내고(전배기 : Pre-purge), 이러한 상태에서 보일러 가동 신호(즉, On 신호)가 입력되면, 재차 외부 공기를 유입시켜 보일러 내부의 배기가스를 한번 더 배기시키는데(후배기 : Post-purge), 이러한 가스 배기로 인하여 외기(대략 10 내지 30도 정도의 온도)가 들어오고, 외기가 들어온 상태에서 보일러에 파일럿 화염(씨불)을 넣고 보일러를 다시 고부하로 가동시키는데, 이처럼 보일러의 온오프 동작이 빈번하게 일어남으로 인하여 열손실이 상당히 많아진다는데 문제가 큰 것이라 할 수 있다.

또한, 수많은 산업 보일러 설치 현장의 특성에 따라 잦은 보일러 온오프(온오프(On/Off)) 발생으로 전배기(pre-purge) 및 후배기(post-purge)에 따른 화실 내의 잔열(殘熱)의 배출로 열 손실이 발생하여 연료비 상승 등의 문제가 있으며, 초기 점화 후 정상적인 연소단계까지 연소이행 과정 중에 낮은 보일러의 온도와 연료량와 산소량의 불일치에 의한 불완전 연소에 따라 과도한 일산화탄소(CO) 및 질소산화물(NOx) 등의 대기환경 오염물질이 발생할 수 있다.

또한, 잦은 보일러 온오프(온오프(On/Off))는 스팀 또는 온수 공급처 설비의 급격한 부하(Load) 변동에 즉각적이고 능동적인 대처가 어려워 연료비 상승, 제품 불량 등의 많은 문제가 발생될 소지가 있어서, 여러 장점을 보유하고 있는 연동 감응식 비례제어 가스 보일러를 효율적으로 사용할 수 없다.

종래에는 전배기(Pre-purge :보일러를 온(On)시키기 이전의 배기) - 파일럿 점화(예를 들어, 용량 100만 키로 와트의 5 ~ 20％인 5만 키로 와트에서 20만 키로 와트 점화) - 저부하 연소(용량 100만 키로 와트의 30％인 30만 키로 와트 연소) - 고부하 연소(100만 키로 와트의 50％인 50만 키로 와트에서 100％인 100만 키로 와트 범위의 연소) - 보일러 오프(off) - 후배기(Post-purge : 보일러 오프 이후의 배기) 과정을 거치는데, 상기 프리 퍼지 시간에서 40초, 포스트 퍼지에서 20초, 파일럿 점화에서 고부하 연소까지 1분 30초가 지연(delay)되어, 보일러의 온오프(on/off) 동작이 일어날 때마다, 대략 2분 30초씩 타임 딜레이가 발생하는데, 종래에는 상기 보일러 온오프 동작이 하루에도 수십 번, 수백 번 반복되므로, 상기한 2분 30초 정도의 타임 딜레이 그만큼 수십 번, 수백 번 반복되는 결과가 초래되며, 이로 인하여 상기와 같은 연료비 상승 등의 문제를 초래하고 과도한 대기환경 오염물질의 발생을 유발하며, 빈번한 보일러 온오프로 인하여 스팀 또는 온수 공급처 설비의 급격한 부하 변동에 즉각적이고 능동적인 대처가 곤란하여 연료비 상승, 제품 불량 등의 많은 문제를 내포하고 있으므로, 여러 문제점을 해결할 수 있고, 보일러 사용현장의 특성을 모니터링하여 이에 대응할 수 있게 하는 연동 감응식 비례제어 가스 보일러를 보다 효율적으로 사용할 수 있는 능동적인 방법이 필요하게 되었다.

기존의 비례제어가스보일러 제어는 많이 상용화되어 있는 피아이디(PID) 제어 기술을 사용하고 있는데 여기에는 보일러 사용현장의 특성을 모니터링하여 이에 대응할 수 있게 하는 기능은 없다. 이에 본 발명은 산업용 보일러 설치 현장의 환경, 부하량 변동, 특성 등이 고려되지 못하고 일정한 유형의 PID 제어로만 이루어지는 기존의 비례제어가스보일러 제어기술을 개선하고자 하는데 주요 목적이 있다. 연동 감응식 비례제어 기술은 PID제어가 적용된 기술로 P는 비례제어, I는 적분제어, D는 미분제어를 나타내는데 이는 목표 값과 실제 값 사이의 차이에 대한 비례, 적분, 미분제어를 뜻한다. 또한, 산업 보일러의 온오프(On/Off) 횟수를 제어할 수 있는 모니터링 기능과 수학적 계산 기능을 추가하여 보일러의 온오프(On/Off) 반복 횟수를 줄이고 그에 따른 퍼지(Purge) 손실을 줄여 시스템 효율을 상승시키는 기술이다.

본 발명은 산업 보일러의 가동 이후에 지속적인 저부하 가동을 수행하다가 고부하 운전 전환 시점에서 산업 보일러의 온도가 산업 보일러의 가동 정지 설정 값(즉, 보일러의 Off 작동 설정 값) 이하로 유지되도록 가동 부하 전환 값을 설정하여, 고부하 가동으로 인하여 산업 보일러의 상승하는 압력 및 온도가 가동 부하 전환 값을 초과하는 시점이 되면, 고부하 운전 모드에서 저부하 운전 모드로 전환되도록 컨트롤함으로써 산업 보일러의 온오프(On/Off) 횟수를 최대한 줄여줌으로써 연료비 상승 등의 문제를 해소하고 과도한 대기환경 오염물질의 발생을 방지하며, 빈번한 보일러 온오프로 인하여 스팀 또는 온수 공급처 설비의 급격한 부하 변동에 즉각적이고 능동적인 대처가 용이하여 연료비 상승, 제품 불량 등의 많은 문제를 해소할 수 있으므로, 여러 장점을 보유하고 있는 연동 감응식 비례제어 가스 보일러를 효율적으로 사용할 수 있도록 하는 새로운 개념의 산업 보일러용 연동 감응식 제어 방법이다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의하면, 산업 보일러의 가동시 부하 변동 값을 모니터링하는 단계와; 상기 부하 변동 값을 모니터링 한 다음 수학적 계산에 의해 얻어진 결과 값을 설정된 기준 부하 값(스팀 압력 또는 온수 온도, Qeff)과 비교하여 상기 산업 보일러의 고부하 가동 또는 저부하 가동 여부를 판단하는 단계를 포함하며, 상기 부하 변동 값을 모니터링하는 단계는, 설정된 기준 부하 값(설정된 Qeff 값)을 바탕으로 상기 산업 보일러의 가동 조건(보일러 운전 조건 및 현장 부하율(부하 사용량) 등)을 모니터링 하여, 상기 산업 보일러의 가동 조건(즉, 스팀 압력 또는 온수 온도의 변동 값)을 찾아가는 패턴을 감시하면서 수학적 계산에 의해 얻어진 결과 값(즉, 수학적 계산 값)이 상기 기준 부하 값에 도달하는 지의 여부를 모니터링하는 단계이며, 상기 수학적 계산은, 상기 부하 변동 값이 상기 산업 보일러의 가동(on) 설정 값 아래로 내려가는 영역의 면적을 계산하는 단계인 것을 특징으로 하는 산업 보일러용 연동 감응식 제어 방법이 제공된다.

상기 부하 변동 값을 모니터링 한 다음 수학적 계산에 의해 얻어진 결과 값을 설정된 기준 부하 값(스팀 압력 또는 온수 온도, Qeff)과 비교하여 상기 산업 보일러의 고부하 가동 또는 저부하 가동 여부를 판단한 다음에는 산업 보일러의 점화부 등의 보일러 가동부에 연결된 컨트롤부에 의해 고부하 가동 또는 저부하 가동 전환 콘트롤이 이루어질 수 있다.

본 발명은 고부하 운전을 진행하다가 설정한 스팀의 압력 또는 온수 온도에 도달하거나 도달하기 직전에 고부하 운전을 저부하 운전 범위로 전환하여, 상기 산업 보일러가 설정한 스팀 압력 또는 온수 온도와 보일러 오프 설정 값 사이의 범위에서 운전하도록 유지하여, 보일러의 오프(off) 설정 값에 도달하는 것을 방지함으로써 보일러의 오프(off) 횟수를 가장 최소화시키는 것에 특징이 있다.

상기 영역의 면적은 상기 부하 변동 값이 상기 산업 보일러의 가동 설정 값 아래로 내려가는 시점에서 최하점까지 도달할 때에 상기 가동 설정 값과 상기 부하 변동 값 사이의 전체 영역 면적(가동 설정 값 이하 부하 저하 영역)의 2분의 1에 해당하는 면적이며, 상기 가동 설정 값 이하 부하 변동 값 영역의 2분의 1에 해당하는 면적의 적산 값이 상기 기준 부하 값에 도달하면 상기 산업 보일러를 고부하 운전으로 전환하는 것을 특징으로 한다.

상기 고부하 운전 전환 시점에서 상기 산업 보일러의 부하 변동 값(스팀 압력 또는 증기 온도 등)이 상승하다가 상기 산업 보일러의 가동 정지 설정 값(보일러 Off 작동 설정 값) 이하로 유지되도록 가동 부하 전환 값을 설정하여, 상기 고부하 가동으로 인하여 상기 산업 보일러의 상승하는 부하 변동 값이 상기 가동 부하 전환 값을 초과하는 시점이 되면, 상기 고부하 운전 모드에서 저부하 운전 모드로 전환하는 것을 특징으로 한다.

상기 산업 보일러의 고부하 운전 전환 시점에서 상기 기준 부하값은 0의 값으로 리셋되고, 상기 기준 부하값이 리셋된 상태에서 산업 보일러의 가동시 부하 변동 값을 모니터링하는 단계와, 상기 부하 변동 값을 모니터링 한 다음 수학적 계산에 의해 얻어진 결과 값을 설정된 기준 부하 값(스팀 압력 또는 온수 온도, Qeff)과 비교하여 상기 산업 보일러의 고부하 가동 또는 저부하 가동 여부를 판단하는 단계를 반복 수행하는 것을 특징으로 한다.

상기 산업 보일러의 가동시 부하 변동 값을 모니터링하는 단계는 상기 산업 보일러의 내부 조건(스팀 압력 또는 온수 온도 등)을 감지하는 센서를 구비한 모니터링부에서 수행하고, 상기 모니터링된 부하 변동 값은 연산부에 의해 수학적 계산 값인 결과 값을 추출하며, 상기 연산부에 의해 추출된 상기 결과 값은 비교부(판단부)에 의해 설정된 기준 부하 값(스팀 압력 또는 온수 온도, Qeff)과 비교되어 상기 산업 보일러의 고부하 가동 또는 저부하 가동 여부를 판단하는 것을 특징으로 한다.

상기 모니터링 단계에서의 모니터링 기술은 시간(T)과 스팀압력 또는 온수온도에 대한 값을 0.001sec 간격으로 받아 트랜드를 모니터링한다.

상기 수학적 계산(수학적 연산) 제어 기술은 상기 모니터링 한 데이터(부하 변동 값)를 이용하여 단면적(가동 설정 값 아래로 내려가는 시점에서 최하점까지 도달할 때에 상기 가동 설정 값과 상기 부하 변동 값 사이의 영역 면적을 계산하고 설정 값과 비교 분석하여 고부하 운전으로의 전환을 판단하며, 상기 기준 부하 값의 설정 값은 10 ~ 999까지의 범위로 정의하여 모든 현장 환경 조건에서도 정밀한 설정이 가능하도록 하는 것이 바람직하다.

가동 설정 값 아래로 내려가는 시점에서 최하점까지 도달할 때에 상기 가동 설정 값과 상기 부하 변동 값 사이의 영역 면적은 상기 가동 설정 값 이하 부하 저하 영역의 2분의 1에 해당하는 면적인 것을 특징으로 한다.

본 발명은 산업용 증기보일러나 온수보일러에 적용되는 연동 감응식 비례제어 연소 제어기술에 있어서 현장의 부하변동에 대한 트랜드에 대한 모니터링 기술과 수학적 연산 제어 기능을 접목한 제어 방법이다.

본 발명은 산업 보일러의 가동시 부하 변동 값을 모니터링하는 단계와, 이러한 부하 변동 값을 모니터링 한 다음 수학적 계산에 의해 얻어진 결과 값을 설정된 기준 부하 값(스팀 압력 또는 온수 온도, Qeff)과 비교하여 산업 보일러의 고부하 가동 또는 저부하 가동 여부를 판단하는 단계를 포함하며, 상기 부하 변동 값을 모니터링하는 단계는, 설정된 기준 부하 값(설정된 Qeff 값)을 바탕으로 산업 보일러의 가동 조건(보일러 운전 조건 및 현장 부하율(부하 사용량) 등)을 모니터링 하여, 수학적 계산에 의해 얻어진 결과 값(즉, 수학적 계산 값)이 기준 부하 값에 도달하는 지의 여부를 모니터링하는 단계이며, 상기 수학적 계산은, 상기 부하 변동 값이 산업 보일러의 가동(on) 설정 값 아래로 내려가는 영역의 면적을 계산하는 단계인 것을 특징으로 하는 것으로, 보일러 가동 후 고부하 운전(50%~100%)으로의 전환 시점을 부하변동의 트랜드에 대한 모니터링과 수학적 연산을 통해 전환되게 함으로써 보다 안정적인 스팀압력 또는 온수온도의 설정 값을 유지할 수 있으며, 이로 인해 보일러 사용 산업현장에서의 부하 대응능력이 우수해지며, 급 부하변동에 대한 대응부족으로 발생될 수 있는 제품 불량률을 감소시킬 수 있다.

또한, 보일러의 온오프(On/Off) 횟수를 감소시켜 정지 및 재가동 시 안전을 위해 반드시 실시되는 전배기(pre-purge) 및 후배기(post-purge)에 의한 화실 내의 잔열(殘熱)의 배출로 인한 열 손실을 방지하여 에너지 절감이 가능하며, 재점화 후 정상적인 연소단계까지의 연소이행 과정 중에 불완전 연소에 의한 과농의 일산화탄소(CO) 및 질소산화물(NOx) 등의 대기환경 오염물질 발생을 방지할 수 있어 대기환경오염 물질 저감이 가능하다.

도 1은 종래 산업 보일러 비례 제어 방법의 부하 변동 곡선을 보여주는 도면
도 2는 본 발명에 의한 본 발명에 의한 산업 보일러용 연동 감응식 제어 방법의 부하 변동 곡선에서 주요부의 확대된 도면
도 3은 본 발명에 의한 산업 보일러용 연동 감응식 제어 방법의 부하 변동 곡선을 보여주는 도면

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명한다.

도면을 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 산업 보일러용 연동 감응식 제어 방법은 산업 보일러의 가동시 부하 변동 값을 모니터링하는 단계와, 상기 부하 변동 값을 모니터링 한 다음 수학적 계산에 의해 얻어진 결과 값을 설정된 기준 부하 값(스팀 압력 또는 온수 온도, Qeff)과 비교하여 산업 보일러의 고부하 가동 또는 저부하 가동 여부를 판단하는 단계를 포함하는 것으로, 산업 보일러의 온오프(On/Off) 횟수를 제어할 수 있는 모니터링 기능과 수학적 계산 기능을 추가하여, 산업 보일러의 온오프(On/Off) 반복 횟수를 최대한 줄이고 그에 따른 퍼지(Purge) 손실을 줄여 줌으로써 산업 보일러 시스템의 효율을 상승시키는 기술이라는 점에서 주요 특징이 있는 발명이다. 본 발명에서 기술하는 부하 변동 값은 보일러의 스팀의 압력 또는 온도의 변화이며, 가동 정지 설정 값은 보일러의 오프 설정 값이며, 가동 부하 변환 값은 보일러 내부의 스팀 압력 또는 온수 온도의 변화를 의미한다.

본 발명에서 부하 변동 값을 모니터링하는 단계는 설정된 기준 부하 값(설정된 Qeff 값)을 바탕으로 (기준 부하값 설정은 산업 보일러의 가동을 제어하기 위한 컨트롤부에 프로그래밍 등의 방식으로 구축할 수 있음) 산업 보일러의 가동 조건(즉, 보일러 운전 조건 및 현장 부하율 또는 부하 사용량 등)을 모니터링 하여, 산업 보일러의 가동 조건(즉, 스팀 압력 또는 온수 온도의 변동 값)을 찾아가는 패턴을 감시하면서 수학적 계산에 의해 얻어진 결과 값(다시 말해, 수학적 계산 값)이 설정된 기준 부하 값에 도달하는 지의 여부를 모니터링하는 단계이다. 이때, 컨트롤부에 센서를 구비한 모니터링부를 연결하여 산업 보일러의 가동시 부하 변동 값을 모니터링하도록 구성할 수 있다. 모니터링부의 센서를 통해 산업 보일러의 내부 조건(스팀 압력 또는 온수 온도 등)을 감지하는 기능을 수행할 수 있는 것이다.

또한, 본 발명에서 상기 수학적 계산은 모니터링된 부하 변동 값이 산업 보일러의 가동(on) 설정 값 아래로 내려가는 영역의 면적을 계산하는 단계이다. 도 2와 도 3을 참조하면, 상기 영역의 면적은 부하 변동 값이 산업 보일러의 가동 설정 값 아래로 내려가는 시점에서 최하점까지 도달할 때에 가동 설정 값과 부하 변동 값 사이의 전체 영역 면적(가동 설정 값 이하 부하 저하 영역)의 2분의 1에 해당하는 면적이다. 도 2와 도 3에서는 X축 방향이 시간(T)이고 Y축 방향은 산업 보일러 내부의 스팀 압력(kg/㎠) 또는 온수 온도(℃)을 나타내며, 스팀 압력 또는 온수 온도는 가동 부하 전환 값(w)이고, 가동 설정 값은 보일러의 온(on) 설정 값이라 할 수 있는데, 상기 가동 설정 값 이하 부하 변동 값 영역의 2분의 1에 해당하는 면적의 적산 값(즉, 수학적 계산에 의해 얻어진 결과 값)이 기준 부하 값에 도달하면 산업 보일러를 고부하 운전으로 전환한다. 가동 설정 값 이하 부하 변동 값 영역의 2분의 1에 해당하는 면적은 도 2와 도 3에서 부하 변동 곡선(20)이 보일러 가동 설정 값(즉, 보일러 On 설정 값) 아래로 내려갈 때의 곡선 부분과 보일 가동 설정 값 표시선 사이의 영역의 반쪽 면적(즉, 2분의 1 면적)을 나타내며, 상기 기준 부하 값은 도 2와 도 3에서 SLV로 표시된 지점에서의 적산 값(Qeff = Q1 + Q2 + Q3)이라 할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 상기 고부하 운전 전환 시점(도 2과 도 3에서 SLV로 표시된 시점)에서부터는 산업 보일러의 온도가 점차적으로 상승하는데, 이처럼 산업 보일러의 온도가 점차적으로 상승하더라도 산업 보일러의 가동 정지 설정 값(보일러 Off 작동 설정 값)을 넘어가지 않도록 함으로써 빈번한 보일러 온오프 동작이 발생하는 것을 방지하기 위한 가동 전환 값을 설정해 놓고 있다. 상기와 같이, 상기 고부하 운전 전환 시점에서 산업 보일러가 고부하 가동되기 시작하여 보일러 내부 온도가 올라가다가 상기 가동 부하 전환 값을 초과하면, 이러한 가동 부하 전환 값을 기점으로 다시 보일러가 고부하 운전 모드에서 저부하 운전 모드로 전환하므로, 빈번한 보일러의 온오프 동작이 이루어짐이 없이 보일러 내부를 일정 온도로 유지할 수 있게 된다. 즉, 산업 보일러의 가동을 멈추는 보일러 오프(Off) 설정 값(즉, 보일러 가동 정지 설정 값으로 도 2과 도 3에서는 최상측의 수평선으로 표시되어 있음)을 넘어가지 않을 정도로 저부하 운전을 지속하게 됨으로써, 빈번한 보일러의 온오프 동작이 발생되는 것을 방지하도록 컨트롤하게 된다.

본 발명에서 저부하 운전은 산업 보일러의 운전 용량의 1％ ~ 50％ 범위의 운전이고, 고부하 운전은 산업 보일러의 운전 용량의 50％ ~ 100％ 범위의 운전을 의미한다. 이때, 저부하 운전은 10％ ~ 50％ 범위로 설정하는 것이 바람직하다. 산업 보일러의 가동률이 너무 낮은 가동률일 경우에는 보일러 내부의 불꽃이 꺼지고, 가스는 계속 공급되어 보일러가 폭발할 수 있는 위험섬이 있으므로, 보일러의 최저 가동 운전은 10％ 이상으로 설정하는 것이 안전을 위해 바람직하다. 신뢰성이 높아지면 보일러의 5％ 가동도 가능하고 보다 낮은 가동률로도 가능할 것이다.

한편, 상기 산업 보일러의 고부하 운전 전환 시점에서 기준 부하값은 0의 값으로 리셋되고, 이처럼 기준 부하값이 리셋된 상태에서 산업 보일러의 가동시 부하 변동 값을 모니터링하는 단계와, 상기 부하 변동 값을 모니터링 한 다음 수학적 계산에 의해 얻어진 결과 값을 설정된 기준 부하 값(스팀 압력 또는 온수 온도, Qeff)과 비교하여 산업 보일러의 고부하 가동 또는 저부하 가동 여부를 판단하는 단계를 반복 수행하게 됨으로써, 종래에 비하여 과도한 보일러의 온오프 작동을 방지할 수 있게 된다.

이때, 본 발명에서는 산업 보일러의 가동시 부하 변동 값을 모니터링하는 단계는 산업 보일러의 내부 조건(스팀 압력 또는 온수 온도 등)을 감지하는 센서를 구비한 모니터링부에서 수행하고, 상기 모니터링된 부하 변동 값은 연산부에 의해 수학적 계산 값인 결과 값을 추출하며, 상기 연산부에 의해 추출된 결과 값(즉, 수학적 계산 값)은 비교부(판단부)에 의해 이미 설정되어 있던 기준 부하 값(스팀 압력 또는 온수 온도, Qeff)과 비교되어 산업 보일러의 고부하 가동 또는 저부하 가동 여부를 판단하도록 구성할 수 있다. 또한, 고부하(50％ ~ 100％)나 저부하(1％ ~ 50％) 가동시에 보일러의 내부 조건인 스팀 압력 또는 온수 온도의 상승하는 기울기에 따라 가동률(가동 ％)를 가감하게 된다.

또한, 본 발명에서는 모니터링 단계에서의 모니터링 기술은 시간(T)과 스팀압력 또는 온수온도에 대한 값을 0.001sec 간격으로 받아 트랜드를 모니터링하는 것이 바람직하다. 물론, 스팀 압력이나 온수 온도에 값을 모니터링하는 것은 전술한 모니터링부에서 수행할 수 있음은 당연하다.

또한, 본 발명에서 수학적 계산(수학적 연산) 제어 기술은 모니터링 한 데이터(즉, 부하 변동 값)를 이용하여 단면적(가동 설정 값 아래로 내려가는 시점에서 최하점까지 도달할 때에 가동 설정 값과 부하 변동 값 사이의 전체 영역 면적(가동 설정 값 이하 부하 저하 영역)의 2분의 1에 해당하는 면적)을 계산하고 설정 값과 비교 분석하여 고부하 운전으로의 전환을 판단하며, 상기 기준 부하 값의 설정 값은 10 ~ 999까지의 범위로 정의하여 모든 현장 환경 조건에서도 정밀한 설정이 가능하도록 하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 본 발명은 산업용 증기보일러나 온수보일러에 적용되는 연동 감응식 비례제어 연소 제어기술에 있어서 현장의 부하변동에 대한 트랜드에 대한 모니터링 기술과 수학적 연산 제어 기능을 접목한 제어 방법이다. 즉, 본 발명은 기존의 연동 감응식 비례제어가스보일러의 제어 문제를 해결하기 위해 모니터링 기술과 수학적 연산 제어 방법을 적용하여 간단한 설정 값(이하 Qeff 값으로 지칭) 입력만으로 산업 보일러 설치현장 각 각의 부하 특성에 맞게 효율적으로 제어하고 관리할 수 있게 만드는 제어 방법이다. 이는 곧 컴퓨터를 구성하고 있는 하드웨어에서 소프트웨어를 어떻게 응용 및 활용하는 지에 따라 여러 가지의 SYSTEM 등을 구성해 나갈 수 있는 것과 일맥 상통한다고 볼 수 있다.

본 제어 방법은 산업 보일러의 가동 후 Min부하(1%) ~ Max부하(100%)까지 전환되기 전의 응답경계를 정의하는 방식으로 해당 구간에서 부하(스팀압력 또는 온수온도)의 감소시간 및 감소범위를 자동 모니터링 한 후 수학적 계산에 의해 얻어진 결과 값(즉, 도 2와 도 3에 도시된 바와 같이, Qeff = Q1 + Q2 + Q3)을 이미 설정된 스팀압력 또는 온수온도(이미 설정된 스팀 압력 또는 온수 온도는 상기와 같이 기준 부하 값을 의미함)와 비교하여 Maximum 부하 또는 고부하 운전까지 전환을 해야 할지 혹은 1% ~ 50% 정도의 저부하로 운전을 유지할지 판단하여 필요 이상의 고부하로 보일러가 가동되어 보일러 운전이 오프(Off)되는 것을 방지하는 제어 방법이다.

여기서 모니터링 기술은 설정된 기준 부하 값(Qeff 값)을 바탕으로 지금 현재의 보일러 운전조건 및 현장 부하율(부하 사용량) 등을 모니터링하여, 스팀압력 또는 온수온도의 설정 값을 찾아가는 패턴을 감시하면서 Qeff 값에 해당되는 범위(도 2와 도 3에서 각각 Q1, Q2, Q3 범위)를 적산하여 설정된 기준 부하 값(Qeff 값)에 도달하는지를 모니터링하는 것이며, 수학적 계산은 도 2에서와 같이 Qeff 값의 해당 범위(면적)(즉, Q1, Q2, Q3)를 계산하는 것이다.

도 1과 도 3은 보일러의 Qeff 값 적용 여부에 따른 연소 온오프(On/Off) 의한 부하 곡선도이다. 도 1은 Qeff 값 미적용 시의 종래 부하 곡선도로서, 도 1에 도시된 종래 일반비례제어 운전 패턴과 같이, 증기 사용처의 보일러 설정 스팀압력 또는 설정 온수온도(w)를 만족하기 위하여 보일러의 잦은 온오프(On/Off)와 고부하 운전(50%~100%)으로 부하 변동의 폭이 크게 발생하여 점선의 부하변동 곡선(10)처럼 설정 스팀압력 또는 온수 온도(w)의 이상 및 이하 수치로 크게 변화한다. 이는 지금까지 일반적인 산업용 보일러의 보편적인 연소제어 방식에 따른 부하변동 유형이다.

기존에 PID제어로만 이루어지는 방식의 비례제어에 대한 운전 패턴으로 보일러 운전이 ON 되면 기본적으로 설치현장마다 틀리지만, 현장마다 필요하여 설정한 스팀압력 또는 온수온도의 설정 값을 만족하기 위하여 저부하 운전에서 고부하 운전으로 바로 전환되어 가동되다가(a구간), 설정한 스팀압력 또는 온수온도의 설정 값을 만족하는 순간에 저부하 운전으로 전환되어 가동되고(b구간), 보일러 OFF 설정값에 도달하게 되면 저부하 운전 상태에서 운전이 완전 OFF되어 대기상태(c구간)가 되며, 사용처의 부하가 변동되어 다시 부하가 필요하게 되면, 다시 보일러 ON 설정값을 기준으로 a, b, c 구간의 패턴을 따라가게 되면서 잦은 보일러 온오프(On/Off)가 발생된다.

이로 인하여 종래에는 또한, 수많은 산업 보일러 설치 현장의 특성에 따라 잦은 보일러 온오프(온오프(On/Off)) 발생으로 전배기(pre-purge) 및 후배기(post-purge)에 따른 화실 내의 잔열(殘熱)의 배출로 열 손실이 발생하여 연료비 상승 등의 문제가 있으며, 초기 점화 후 정상적인 연소단계까지 연소이행 과정 중에 불완전 연소에 따라 과도한 일산화탄소(CO) 및 질소산화물(NOx) 등의 대기환경 오염물질이 발생할 수 있는 문제를 초래한다.

또한, 잦은 보일러 온오프(온오프(On/Off))는 스팀 또는 온수 공급처 설비의 급격한 부하(Load) 변동에 즉각적이고 능동적인 대처가 어려워 연료비 상승, 제품 불량 등의 많은 문제가 발생될 소지가 있어서, 여러 장점을 보유하고 있는 연동 감응식 비례제어 가스 보일러를 효율적으로 사용할 수 없다는 문제도 생긴다.

이에 반해, 본 발명의 산업 보일러용 연동 감응식 제어 방법(즉, 연동 감응식 비례제어 연소제어기술)을 적용하여 설정 Qeff 값을 적절하게 사용하면, 도 3에 도시된 비례제어 운전 패턴에서 실선의 부하변동 곡선(20)처럼 보일러의 온오프(On/Off) 없이 효율적이며 안정적으로 설정한 스팀압력 또는 온수온도(w)를 유지하게 된다.

Qeff 값은 보일러 가동 후 고부하 운전(50%~100%)으로 전환되기 전까지의 응답경계를 정의하는 개념으로 해당 구간의 부하(스팀압력 또는 온수온도) 감소 시간 및 감소 범위를 모니터링한 후 수학적 계산에 의해 얻어진 Qeff 값을 설정 값과 비교하여 고부하 운전(50%~100%)으로의 전환을 판단한다. 이때, 온도가 상승하는 기울기에 따라서 50％ ~ 100％ 사이에서 고부하 운전 설정값을 주게 된다. 세분하여, 일정 시간(1분 ~ 5분) 동안 기울기 상승(스팀 압력이나 온수 온도의 상승 기울기)이 미비하면 상대적으로 높은 가동률로 보일러를 가동하고 기울기 상승률이 높은 경우(온도 상승률이나 스팀 압력 상승률이 주어진 시간 단위에서 상대적으로 높은 경우)에는 낮은 고부하 운전으로 주어지게 된다.

Qeff 값의 수치는 Qeff = Q1+Q2+Q3 의 합계에 의해 결정되고, 설정한 스팀압력 또는 온수온도(w)의 포인트에 다다르면, Qeff는 0으로 다시 리셋(Reset)되며, 설정된 Qeff 값을 계속 실현하게 된다. 또한 설정한 스팀압력 또는 온수 온도(w)의 급격하거나 완만한 부하 저하(低下) 속도를 인지(認知) 반응하여, 사용처의 필요 부하량에 대응할 수 있게 된다.

도 3에서와 같이, Qeff 값 기술이 적용되면 보일러 운전 ON이 되면서 바로 고부하 운전으로 전환되지 않고 저부하 운전으로 가동되다가 설정한 Qeff(=Q1+Q2+Q3) 값을 만족하게 되면 그때서야 고부하 운전으로 전환되고 설정한 Qeff 값은 0으로 리셋(Reset)되어 다시 연산이 이루어지며 이후 운전과정은 앞에 과정의 반복으로 이루어지게 되는 것이다.

한편, 상기 부하 변동 값을 모니터링 한 다음 수학적 계산에 의해 얻어진 결과 값을 설정된 기준 부하 값(스팀 압력 또는 온수 온도, Qeff)과 비교하여 상기 산업 보일러의 고부하 가동 또는 저부하 가동 여부를 판단한 다음에는 산업 보일러의 점화부 등의 보일러 가동부에 연결된 컨트롤부에 의해 고부하 가동 또는 저부하 가동 전환 콘트롤이 이루어지도록 구성할 수 있다. 예를 들어, 산업용 가스 보일러인 경우, 화실에 송풍기가 연통되도록 설치되고, 상기 화실에는 가스 공급부가 연결됨과 동시에 화실 내부에는 파일럿 보일러가 구비되어, 가스 공급부로부터 가스가 공급되면서 송풍기부터 연소용 공기가 공급되어 혼합된 상태에서 화실의 파일럿 보일러에 의해 점화를 하여 가동되는 구조를 취할 수 있는데, 상기 컨트롤부가 가스 공급부와 송풍기 및 파일럿 보일러 등에 연결되어, 컨트롤부의 제어 신호에 의해 산업용 보일러의 고부하 가동 또는 저부하 가동이 가능할 것이다.

한편, 일례로서 산업용 보일러에서 프리퍼지(Pre purge) 및 포스트 퍼지(Post purge) 시간에 따른 열 배출량 계산을 측정된 데이터와 조건들로부터 이론적으로 산정하여 보면 다음과 같다.

(1) 운전조건

(가)포스트 퍼지시 관체 스팀 압력 약 8kg/㎠ <== 절대압력 9kg/㎠시 포화수의 온도는 171℃

(나) 프리 퍼지시 관체 스팀 압력 약 2kg/㎠ <== 절대압력 3kg/㎠시 포화수의 온도는 133℃

(다) 프리 퍼지시간 + 포스트 퍼지 시간 = 40(sec)+20(sec)= 60(sec)

(라)초(sec)당 배출 공기량 0.65㎥/sec(송풍기 풍량)

(2) 프리 퍼지 + 포스트 퍼지 1회당 열 배출량 계산

배출 가스 온도는 (프리 퍼지시 관체 온도+ 포스트 퍼지시 관체 온도)/2 = (171+133)/2 = 152℃

배출 공기 온도에 따른 비열 = 0.311 (kcal/N㎥℃)

따라서, (프리 퍼지+포스트 퍼지) 1회당 열 배출량은 보일러실 실내 온도를 30℃로 가정할 때에, 60(sec) * 0.65(㎥/sec) * 0.311(kcal/N㎥℃) * {152(℃)-30(℃)} ≒1,479 (kcal/1회)

(3) 시간당 퍼지횟수를 5회로 가정, 1일 가동시간 10시간 가정 시 열량손실

1,479 * 5 = 7,395 (kcal/h)

7,395 * 10 = 73,950 (kcal/day)

(4) 상기 열량 손실을 1년으로 계산시

73,950 * 365 = 26,991,750(kcal) = 약 2700백만 키로 칼로리

도시 가스의 경우 2700만 키로 칼로리를 가스량으로 환산하면 27,000,000/10500 = 약 2570N㎥

상기 가스 손실량 2570N㎥을 출원 시점의 가스 가격으로 환산하면 연간 약 230만원 손실

따라서, 본 발명에 의하면 도시 가스의 경우 연간 230만원 정도의 비용 절감을 가져올 수 있으며, 국내에 있는 모든 도시 가스 사용처에서 상기와 같이 절감하는 비용을 합산한다면 상당한 비용 절감 이득을 가져올 수 있는 것이다. 상기와 같이 시간당 퍼지 횟수를 5회로 가정한 경우에 이처럼 많은 비용적인 절감이 될 수 있는데, 하루에 수십 번 수백 번 온오프 동작이 이루어지는 것을 가정하면 연간 실로 엄청난 경제적 이득을 가져올 수 있는 것이며, 이러한 점에서 본 발명이 가지는 의미는 매우 크다 할 것이다.

<연소 전환 단계에서 발생되는 오염 물질에 관한 고찰>

1. 일반 Step제어 방식이나 Link 비례제어는 각 구간(저연소, 중연소, 고연소, 또는 20%영역, 40%영역, 60%영역 ~ 100%영역)에서 연료량과 연소용 공기량을 조절하여 연비를 조절하는 것이 기본이며, 각 구간별로는 연비가 좋을 수 있다.

2. 하지만, 저연소에서 중연소로 전환되는 순간에는(0.5sec 정도) 연소용 공기량의 변환(증, 감)되는 시간과 연료가 변환(증, 감)되는 속도의 차이로 공기가 더 빨리 공급될 경우에는 과잉공기로 인한 화염의 불안정하고, 연료가 더 빨리 공급될 경우에는 공기부족으로 인한 불완전 연소로 인하여 CO(ppm)이 500ppm(안정적일 경우에는 50ppm이하) 정도 발생되며, NOx(ppm)은 100ppm(안정적일 경우에는 40ppm이하) 정도 발생되는 것을 확인할 수 있다.

3. 연소전환은 보일러 ON/OFF 횟수보다 2배 ~ 3배 정도 더 많이 발생되며, 이는 보일러 설정압과 사용처의 부하변동에 따라 더 많이 발생될 수도 있다.

4. 이를 보일러 1대, NO 기준으로 계산해보면

(1) 천연가스 1Nm3 연소 시 발생되는 습연소 가스량(공기비1.2) : 13.7Nm³

(2) 2ton/h의 증기보일러 가스소비량 : 150Nm³/h

(3) (1), (2)를 곱하면 시간당 발생하는 연소가스량 : 2,000Nm³/h

(4) 평균 NO 발생량(40ppm)과 순간적인 불균형 단계의 NO발생량(100ppm)과의 차이인 60ppm을 0℃, 1기압 기준으로 무게로 환산하면 발생가스량 1Nm³당 무게는 ppm * 분자량/22.4 그러므로 60 * 30.01/22.4 = 80.4mg/Nm³ 이 발생

(5) 시간당 발생하는 연소가스량 2,000Nm³/h의 3%(가정)가 연소전환단계에서 발생되는 가스량이라면, 2,000 * 0.03 * 80.4 = 4,824mg/h (시간당 추가적으로 발생되는 NO량)

(6) 하루 8시간, 1년 300일 가동 기준으로 계산하면 연간

4,824 * 8 * 300 =11,577,600 mg/year = 11.6 kg/year 을 저감시킬 수 있다.

5. 이를 보일러 1대, CO 기준으로 계산해보면

(1) 천연가스 1Nm³ 연소 시 발생되는 습연소 가스량(공기비1.2) : 13.7Nm³

(2) 2ton/h의 증기보일러 가스소비량 : 150Nm³/h

(3) (1), (2)를 곱하면 시간당 발생하는 연소가스량 : 2,000Nm³/h

(4) 평균 CO 발생량(50ppm)과 순간적인 불균형 단계의 CO발생량(500ppm)과의 차이인 450ppm을 0℃, 1기압 기준으로 무게로 환산하면 발생가스량 1Nm³당 무게는 ppm * 분자량/22.4 그러므로 450 * 28/22.4 = 562.5mg/Nm³ 이 발생

(5) 시간당 발생하는 연소가스량 2,000Nm³/h의 3%(가정)가 연소전환단계에서 발생되는 가스량이라면, 2,000 * 0.03 * 562.5 = 33,750mg/h (시간당 추가적으로 발생되는 CO량)

(6) 하루 8시간, 1년 300일 가동 기준으로 계산하면 연간 33,750 * 8 * 300 = 81,000,000 mg/year = 81 kg/year 을 저감시킬 수 있다.

따라서, 본 발명에서와 같이 Qeff 값 적용에 의해 보일러의 온오프 횟수를 극소화시키는 기술을 채용함으로써 상기와 같은 열량 손실을 방지할 수 있으므로, 보일러의 온오프(On/Off) 횟수를 감소시켜 정지 및 재가동 시 안전을 위해 반드시 실시되는 전배기(pre-purge) 및 후배기(post-purge)에 의한 화실 내의 잔열(殘熱)의 배출로 인한 열 손실을 방지하여 에너지 절감이 가능하며, 재점화 후 정상적인 연소단계까지의 연소이행 과정 중에 불완전 연소에 의한 과농의 일산화탄소(CO) 및 질소산화물(NOx) 등의 대기환경 오염물질 발생을 방지할 수 있어 대기환경오염 물질 저감이 가능하다.

또한, 본 발명은 고부하 운전을 진행하다가 설정한 스팀의 압력 또는 온수 온도에 도달하거나 도달하기 직전에 고부하 운전을 저부하 운전(1％ ~ 50％)으로 전환하여, 보일러의 오프(off) 설정 값에 도달하지 않도록 함으로써 보일러의 오프(off) 횟수를 최소화시키는 것에 특징이 있는 발명이다. 이때, 고부하 운전을 하다가 설정한 스팀 압력 또는 온수 온도에 도달하거나 도달 직전에 고부하 운전을 저부하 운전으로 전환한다는 의미는 저부하의 정해진 부하 영역대 범위에서 보일러 운전을 행함으로써 산업 보일러가 설정한 스팀 압력 또는 온수 온도와 보일러 오프 설정 값 사이의 범위에서 운전하도록 유지하여, 보일러의 오프(off) 설정 값에 도달하는 것을 방지함으로써 보일러의 오프(off) 횟수를 가장 최소화시키는 것이라고 이해해야 한다. 즉, 본 발명에서 저부하 운전 대역은 산업 보일러의 최대 용량의 1％ ~ 50％ 범위로 설정되는데, 상기 산업 보일러의 부하가 고부하에 도달하거나 고부하에 도달하기 직전에 저부하 운전 대역 중에서 상대적으로 높은 부하 대역인 35％ ~ 50％ 부하 대역(상기 35％ ~ 50％ 저부하 대역을 상대 고역 저부하라 칭함) 운전으로 전환하였다가 상기 설정한 스팀 압력 또는 온수 온도와 보일러 오프 설정 값 사이의 범위에서 지속적으로 온도 상승을 하면 상기 저부하 대역 중에서 상대적으로 낮은 부하 대역인 35％ 이하 1％ 이상의 부하 대역(상기 1％ ~ 35％ 저부하 대역을 상대 저역 저부하라 칭함) 운전으로 전환하고, 상기 온도가 유지되면 다시 상기 상대 고역 저부하 운전을 유지하여 보일러의 오프(off) 설정 값에 도달하지 않도록 함으로써 보일러의 오프(off) 횟수를 최소화시키는 것에 특징이 있는 발명이다. 즉, 보일러의 고부하 운전을 진행하고 있다가 보일러의 부하 변동 값(즉, 보일러의 스팀 압력이나 온수 온도 상승 값)이 가동 부하 전환 값(즉, 상기 스팀의 압력 또는 온수 온도)에 도달한 상태 또는 가동 부하 전환 값에 도달하기 직전에 고부하 운전을 상기 저부하 운전으로 전환하는데, 상기 보일러의 스팀 압력이나 온수 온도가 지속적으로 상승을 하게 되면 상기 상대 고역 저부하 운전에서 상기 저역 저부하 운전으로 전환하고, 반면 보일러의 스팀 압력이나 온수 온도가 지속적으로 유지되면 저역 저부하 운전에서 상대 고역 저부하 운전을 유지함으로써, 보일러의 스팀 압력이나 온수 온도가 저부하 운전 상태에서 보일러의 오프 설정 값(즉, 가동 정지 설정 값) 이상으로는 넘어가지 않도록 조절하므로, 빈번한 보일러의 오프(on/off) 횟수를 최대한 적게 하는 것이다. 스팀의 압력 또는 온수 온도가 설정한 스팀의 압력 또는 온수 온도에 도달하기 직전에 상대 고역 저부하 운전으로 전환하여 도 3의 부하 변동 값 영역(TB) 범위에서 산업 보일러 운전을 진행하고, 상기 부하 변동 값 범위(TB)에서 지속적으로 스팀의 압력이나 온수 온도가 상승하면 다시 상기 상대 고연 저부하 운전에서 더 낮은 상기 상대 저역 저부하 운전으로 전환하는 과정을 필요에 따라 반복하여 산업 보일러의 부하 변동 영역을 최적 부하 변동 값 영역(TB)에서 보다 확실하게 유지하고, 이로 인하여 보일러의 온오프 횟수를 보다 확실하게 극소화시킬 수 있는 것이다. 물론, 외부 부하(예를 들어, 보일러 사용처)에서 온수 등의 사용량이 급격히 늘어나서 산업 보일러 부하 변동 값이 상기 최적 부하 변동 값 영역(TB)을 벗어나는 경우에는 상기한 과정을 반복하여 산업 보일러의 운전 제어를 할 수 있는 것은 당연하다. 본 발명은 고부하(50％ ~ 100％)나 저부하(1％ ~ 50％) 가동시에 보일러의 내부 조건인 스팀 압력 또는 온수 온도의 상승하는 기울기에 따라 가동률(가동 ％)를 가감하게 되는 것으로 이해해야 할 것이다.

따라서, 상기와 같이, 고부하 운전을 진행하다가 설정한 스팀의 압력 또는 온수 온도에 도달하거나 도달하기 직전에 고부하 운전을 저부하 운전으로 전환하면, 도 3에 도시된 부하 변동 값 영역(TB) 내에서 부하 변동(즉, 스팀 압력이나 온수 온도 변화)이 일어나므로, 보일러의 오프 설정 값까지는 넘어가지 않고 TB로 표시된 변동 영역에서 부하 변동이 지속되는 한편, 보일러 사용처에서의 가스 사용량이 많아져서 상기 TB 변동 영역 이하로 부하 변동 값이 떨어지면 상기한 과정을 반복하여 보일러의 작동이 이루어지도록 한다.

이를테면, 본 발명은 산업용 증기보일러나 온수보일러에 적용되는 연동 감응식 비례제어 연소 제어기술에 있어서 현장의 부하변동에 대한 트랜드에 대한 모니터링 기술과 수학적 연산 제어 기능을 접목한 제어 방법으로서, 특히 본 발명은 산업 보일러의 가동 이후에 지속적인 저부하 가동을 수행하다가 고부하 운전 전환 시점에서 산업 보일러의 온도가 산업 보일러의 가동 정지 설정 값(즉, 보일러의 Off 작동 설정 값) 이하로 유지되도록 가동 부하 전환 값을 설정하여, 고부하 가동으로 인하여 산업 보일러의 상승하는 온도가 가동 부하 전환 값을 초과하는 시점이 되면, 고부하 운전 모드에서 저부하 운전 모드로 전환되도록 컨트롤함으로써 산업 보일러의 온오프 횟수를 최대한 줄여줌으로써 연료비 상승 등의 문제를 해소하고 과도한 대기환경 오염물질의 발생을 방지하며, 빈번한 보일러 온오프로 인하여 스팀 또는 온수 공급처 설비의 급격한 부하 변동에 즉각적이고 능동적인 대처가 용이하여 연료비 상승, 제품 불량 등의 많은 문제를 해소할 수 있으므로, 여러 장점을 보유하고 있는 연동 감응식 비례제어 가스 보일러를 효율적으로 사용할 수 있도록 하는 새로운 개념의 산업 보일러용 연동 감응식 제어 방법이라 하겠다.

이상, 본 발명의 특정 실시예에 대하여 상술하였다. 그러나, 본 발명의 사상 및 범위는 이러한 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 것이다.

따라서, 이상에서 기술한 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이므로, 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 하며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

10,20. 부하 변동 곡선

Claims (8)

1. 산업 보일러의 가동시 부하 변동 값을 모니터링하는 단계와;
   상기 부하 변동 값을 모니터링 한 다음 수학적 계산에 의해 얻어진 결과 값을 설정된 기준 부하 값과 비교하여 상기 산업 보일러의 고부하 가동 또는 저부하 가동 여부를 판단하는 단계;를 포함하며,
   상기 부하 변동 값을 모니터링하는 단계는, 설정된 기준 부하 값을 바탕으로 상기 산업 보일러의 가동 조건을 모니터링 하여, 수학적 계산에 의해 얻어진 결과 값이 상기 기준 부하 값에 도달하는 지의 여부를 모니터링하는 단계이며, 상기 수학적 계산은, 상기 부하 변동 값이 상기 산업 보일러의 가동 설정 값 아래로 내려가는 영역의 면적을 계산하는 단계인 것을 특징으로 하는 산업 보일러용 연동 감응식 제어 방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 영역의 면적은 상기 부하 변동 값이 상기 산업 보일러의 가동 설정 값 아래로 내려가는 시점에서 최하점까지 도달할 때에 상기 가동 설정 값과 상기 부하 변동 값 사이의 영역 면적이며, 상기 가동 설정 값 이하 부하 변동 값 영역 면적의 적산 값이 상기 기준 부하 값에 도달하면 상기 산업 보일러를 고부하 운전으로 전환하는 것을 특징으로 하는 산업 보일러용 연동 감응식 제어 방법.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 고부하 운전 전환 시점에서 상기 산업 보일러의 부하 변동 값이 상승하다가 상기 산업 보일러의 가동 정지 설정 값 이하로 유지되도록 가동 부하 전환 값을 설정하여, 상기 고부하 가동으로 인하여 상기 산업 보일러의 상승하는 부하 변동 값이 상기 가동 부하 전환 값을 초과하는 시점이 되면, 상기 고부하 운전 모드에서 저부하 운전 모드로 전환하는 것을 특징으로 하는 산업 보일러용 연동 감응식 제어 방법.
   
4. 제2항에 있어서,
   본 발명은 고부하 운전을 진행하다가 설정한 스팀의 압력 또는 온수 온도에 도달하거나 도달하기 직전에 고부하 운전을 저부하 운전 범위로 전환하여, 상기 산업 보일러가 설정한 스팀 압력 또는 온수 온도와 보일러 오프 설정 값 사이의 범위에서 운전하도록 유지하여 보일러의 오프(off) 설정 값에 도달하지 않도록 함으로써 보일러의 오프 횟수를 최소화시키는 것을 특징으로 하는 산업 보일러용 연동 감응식 제어 방법.
   
5. 제2항에 있어서,
   상기 산업 보일러의 고부하 운전 전환 시점에서 상기 기준 부하값은 0의 값으로 리셋되고, 상기 기준 부하값이 리셋된 상태에서 산업 보일러의 가동시 부하 변동 값을 모니터링하는 단계와, 상기 부하 변동 값을 모니터링 한 다음 수학적 계산에 의해 얻어진 결과 값을 설정된 기준 부하 값과 비교하여 상기 산업 보일러의 고부하 가동 또는 저부하 가동 여부를 판단하는 단계를 반복 수행하는 것을 특징으로 하는 산업 보일러용 연동 감응식 제어 방법.
   
6. 제1항에 있어서,
   산업 보일러의 가동시 부하 변동 값을 모니터링하는 단계는 상기 산업 보일러의 내부 조건을 감지하는 센서를 구비한 모니터링부에서 수행하고, 상기 모니터링된 부하 변동 값은 연산부에 의해 수학적 계산 값인 결과 값을 추출하며, 상기 연산부에 의해 추출된 상기 결과 값은 비교부에 의해 설정된 기준 부하 값과 비교되어 상기 산업 보일러의 고부하 가동 또는 저부하 가동 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 산업 보일러용 연동 감응식 제어 방법.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 모니터링 단계에서의 모니터링 기술은 시간과 스팀압력 또는 온수온도에 대한 값을 0.001sec 간격으로 받아 트랜드를 모니터링하는 것을 특징으로 하는 산업 보일러용 연동 감응식 제어 방법.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 수학적 계산 제어 기술은 상기 모니터링 한 데이터를 이용하여 단면적을 계산하고 설정 값과 비교 분석하여 고부하 운전으로의 전환을 판단하며, 상기 기준 부하 값의 설정 값은 10 ~ 999까지의 범위로 정의하여 모든 현장 환경 조건에서도 정밀한 설정이 가능하도록 하는 산업 보일러용 연동 감응식 제어 방법.

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