KR101193660B1 - 연소식 열량계 및 연소식 열량측정방법 - Google Patents

연소식 열량계 및 연소식 열량측정방법 Download PDF

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Abstract

버너를 포함하는 연소로; 상기 연소로로 가스가 주입되는 주배관; 입구와 출구 양단이 주배관에 연결된 지관; 상기 지관의 입구에 형성된 삼방밸브; 상기 지관 상에 부분적으로 충진된 흡습제와 상기 흡습제의 하부에 위치하여 흡습제의 중량 변화를 감지하는 압전센서를 포함하는 측정부 및 상기 압전센서로 부터 감지된 흡습제의 중량변화를 전송받아 가스내의 수분량을 측정하는 제어부를 포함하는 연소식 열량계는 에너지효율 산정의 기준점이 열량계에 따라 차이가 없어 정확한 공정의 제어가 가능하고, 에너지 효율계산에 있어서 오차를 최소화할 수 있어 정확한 계산이 가능하다.

Description

연소식 열량계 및 연소식 열량측정방법{Combusion type caloriemeter and method of combusion type calorie measurement}
본 발명은 연료에 포함된 수분의 양에 관계없이 정확한 열량을 측정할 수 있는 연소식 열량계 및 연소식 열량측정방법에 관한 것이다.
제철소에서는 용광로에서 발생하는 고로가스, 코크스 건류과정에서 발생하는 코크 오븐가스, 전로에서의 제련과정에서 발생하는 전로가스 등의 부생가스와 작업공정에 따라 LNG또는 LPG를 연료로 사용하고 있다.
이들 가스연료의 경우 대부분은 폐열을 이용한 레큐퍼레이터나 열교환기를 거쳐 고온으로 예열 후 연소기내로 유도되나 경우에 따라서는 예열없이 상온의 가스연료를 그대로 사용하기도 한다.
본 발명의 목적은 연료에 포함된 수분의 양에 관계없이 정확한 열량을 측정할 수 있는 연소식 열량계 및 연소식 열량측정방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일측면에 따른 연소식 열량계는 버너를 포함하는 연소로; 상기 연소로로 가스가 주입되는 주배관; 입구와 출구 양단이 주배관에 연결된 지관; 상기 지관의 입구에 형성된 삼방밸브; 상기 지관 상에 부분적으로 충진된 흡습제와 상기 흡습제의 하부에 위치하여 흡습제의 중량 변화를 감지하는 압전센서를 포함하는 측정부 및 상기 압전센서로 부터 감지된 흡습제의 중량변화를 전송받아 가스내의 수분량을 측정하는 제어부를 포함한다.
상기 측정부는 상기 충진된 흡습제의 양단에 위치하여 흡습제를 고정하는 다공성부재를 더 포함할 수 있다.
특히, 상기 측정부의 상기 다공성부재는 ABS계통 수지가 코팅된 것을 이용할 수 있다.
상기 측정부는 상기 흡습제의 상부에 제어부에 의해 개폐가능한 도어를 더 포함할 수 있으며, 상기 도어의 개방시 상기 흡습제를 건조시키는 히터를 더 포함할 수 있다.
상기 지관상에서 상기 충진재 보다 상기 지관의 입구쪽에 위치하며, 상기 지관으로 유입되는 가스를 냉각시키는 냉각부를 더 포함할 수 있다.
상기 냉각부는 냉각수를 이용하는 것을 특징으로 하며, 상기 제어부에 의해 상기 냉각수 공급이 제어될 수 있다.
상기 지관상에 열전대를 더 포함하고, 상기 열전대에서 감지한 온도가 기준온도보다 높은 경우 상기 제어부는 상기 냉각수를 냉각부에 공급할 수 있다.
상기 압전센서의 신호가 상기 제어부로 전달될 때 상기 신호를 증폭시키는 OP-AMP를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 연소식 열량측정방법은 연소식 열량계의 주배관에 연결된 지관 상에 충진된 흡습제의 하단에 위치한 압전센서로 부터 초기 압력을 측정하는 단계; 상기 주배관에 유입되는 가스의 흐름을 상기 지관으로 변경하는 단계; 상기 흡습제에 기준시간 동안 가스를 통과시킨 후 연소로에서 가스의 연소 시 발열량을 측정하고, 가스흐름을 다시 상기 주배관으로 변경하는 단계; 상기 압전센서에서 상기 초기 압력 대비 압력변화량을 측정하고, 이를 기초로 상기 가스에 포함된 수분함량을 계산하는 단계; 및 상기 수분함량과 상기 측정열량을 출력하거나 상기 수분함량을 고려하여 상기 발열량의 보정한 값을 출력하는 단계를 포함한다.
상기 지관에 흐르는 가스의 온도를 측정하는 단계; 및 상기 측정온도가 기준온도보다 높은 경우 상기 가스를 냉각시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 지관으로 가스를 차단한 경우, 상기 흡습제의 상부를 개폐하는 도어를 개방하여 상기 흡습제를 건조시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 연소식 열량계는 에너지효율 산정의 기준점이 열량계에 따라 차이가 없어 정확한 공정의 제어가 가능하고, 에너지 효율계산에 있어서 오차를 최소화할 수 있어 정확한 계산이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 연소식 열량계를 나타낸 개념도
도 2는 도 1의 연소식 열량계의 측정부를 나타낸 개념도
도 3은 본 발명의 다른 측면에 따른 연소식 열량측정방법을 나타낸 순서도.
이하에서는 도면을 중심으로 본 발명의 실시예를 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일측면에 따른 연소식 열량계를 나타낸 개념도이고, 도 2는 도 1의 연소식 열량계의 측정부를 나타낸 개념도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면 연소로(10), 주배관(15), 측정부(20), 압전센서(21), 흡습제(23), 다공성부재(25), 도어(29), 지관(30), 열전대(31), 삼방밸브(33), 냉각부(35), 냉각수밸브(37), 제어부(40) 및 OP-AMP(45)가 도시되어 있다.
제철소에서는 연료의 공급이나 연소환경을 제어를 하기 위해 연료의 열량을 측정한다. 제철소에서 이용하는 열량계는 크게 두 가지가 있으며, 직접 가스연료를 연소시키는 방식의 연소식열량계나 표본가스를 자동으로 포집하여 가스크로미터를 이용한 열량계가 사용되고 있다.
연소식열량계는 가스연료 내 수분이 많으면 많을 수록 연소에 방해가 되므로 연료가스 내 가연성분의 비율에 저위발열량을 곱해 열량을 산정하는 가스크로미터 방식의 열량계보다는 낮은 값을 나타내게 된다.
본 발명은 연료에 포함된 수분의 양에 관계없이 정확한 열량을 측정할 수 있는 연소식 열량계에 관한 것이다.
연소로(10)는 연소식 열량계에서 열량을 측정하기 위해 가스를 직접 연소하기위한 공간이며, 버너에서 열을 가해 가스를 연소하고, 주배관(15)은 연소로(10)로 가스를 공급하는 통로이다.
지관(30)은 도 1에 도시된 바와 같이 입구와 출구 양단이 주배관(15)에 연결되어 주배관(15)을 통과하는 가스의 수분량을 측정하기 위해 가스를 우회시킨다. 주배관(15)과 연결된 지관(30)의 입구에 위치하는 삼방밸브(33)가 밸브를 여닫음으로써 주배관(15)으로 흐르던 가스의 흐름을 지관(30)으로 바꾼다.
측정부(20)는 가스에 포함된 수분량을 측정하는 장치로서 지관(30) 상에 위치하고 지관(30) 상 부분적으로 충진된 흡습제(23)와 흡습제(23)의 하부에 위치하여 흡습제(23)의 중량 변화를 감지하는 압전센서(21)를 포함한다.
흡습제(23)는 실리카겔이나 염화칼슘과 같이 수분을 흡수하는 성질의 물질을 이용할 수 있고, 흡습제(23)에 흡수된 수분의 양이 증가하면 중력에 의해 흡습제(23)가 압전센서(21)를 누르는 힘이 커져 압전센서(21)의 측정 값이 변화되며 이를 통해 가스에 포함된 수분의 양을 측정할 수 있다. 수분량의 변화는 매우 미세하므로 압전센서(21)의 압력감지 신호를 증폭시키는 OP-AMP(45)를 통과시켜 신호의 크기를 증폭시킬 수 있다. OP-AMP(45)는 100배 내지 1000배 정도의 증폭기능을 갖는 것을 이용하면 된다.
측정부(20)는 충진된 흡습제(23)가 압전센서(21) 위에서 벗어나지 않도록 흡습제(23)를 고정하기 위해 양단에 다공성부재(25)를 더 구비할 수 있다. 다공성 부재(25)는 흡습제(23)를 고정하면서도, 가스와 수증기가 통과할 수 있어야 하므로, 플레이트에 구멍이 형성되거나 매쉬구조의 부재를 이용할 수 있다.
이때 다공성부재(25)는 고온의 가스가 통과하므로 SS400 에폭시 코팅과 같이 ABS계통 수지가 코팅된 것을 이용하면 다공성부재(25)가 고온에서 변형되는 것을 방지할 수 있다.
도어(29)는 흡습제(23)의 상부에 위치하며, 수분량을 측정하지 않아 지관으로 가스가 흐르지 않는 경우 도어(29)를 개방하여 흡습제(23)를 건조시킨다. 필요에 따라서는 증발이 빨리 이루어지도록 흡습제에 열을 가하는 히터(미도시)를 더 포함할 수 있다. 흡습제(23)를 건조하지 않고 계속 사용하는 경우 흡습제(23)의 수분 흡수 능력이 한계치를 초과하게되어 측정이 부정확해질 수 있기 때문에 도어나 히터와 같이 건조 장비를 구비한다.
냉각부(35)는 지관의 입구 부근에 위치하여 지관을 흐르는 가스와 냉각수와의 열교환을 통해 가스의 온도를 낮춘다. 측정부(20)로 이동하는 가스의 정확한 수분량을 측정하기 위해서는 포화상태일 때 흡습제에 수분이 잘 포집되므로, 포화상태 또는 거의 그에 준하는 수준의 상태가 될 때까지 온도를 낮추어주는 역할을 한다.
냉각수밸브(37)는 냉각부(35)에 냉각수를 제공하는 역할을 하며, 냉각수밸브(37)의 개폐를 통해 냉각부(35)의 작동을 제어할 수 있다. 열전대(31)은 지관상에 위치하는 온도 측정장치로서, 열전대에서 감지한 온도가 기준온도보다 높은 경우 냉각부(35)가 작동하도록 제어할 수 있다. 기준온도란 가스의 수분이 포화 또는 그에 준하는 정도가 되는 온도를 의미며, 일 실시예로서 70℃를 설정하여 냉각시킬 수 있다.
제어부(40)는 상술한 도어(29), 열전대(31), 삼방밸브(33) 및 냉각수밸브(37)의 작동을 관장하는 장치로, 각 장치가 감지한 측정치를 전송받고 적절한 명령을 지시하여 연소식 열량계에서 가스의 수분을 측정하는 역할을 한다.
도 3은 본 발명의 다른 측면에 따른 연소식 열량측정방법을 나타낸 순서도 이다. 도 1 및 도 2의 도면을 참조하여 설명하도록 하며, 연소식 열량계의 설명과 중복되는 내용은 생략하도록 한다.
먼저, 연소식 열량계의 주배관(15)에 연결된 지관 상에 충진된 흡습제(23)의 하단에 위치한 압전센서(21)로 부터 초기 압력을 측정한다(S100).
다음으로, 주배관(15)에 유입되는 가스의 흐름을 지관으로 변경하여(S200), 흡습제(23)에 기준시간 동안 가스를 통과시킨 후 연소로에서 가스의 연소 시 발열량을 측정하고, 가스흐름을 다시 주배관(15)으로 변경하고(S300), 압전센서(21)에서 초기 압력 대비 압력변화량을 측정하고, 이를 기초로 가스에 포함된 수분함량을 계산한다(S400). 기준시간이란 흡습제가 수분을 흡수하기에 적절한 시간을 의미한다(예를 들면 약 1분).
정확한 수분량 측정을 위해 압력변화량을 측정하기(S300) 이전에 지관에 흐르는 가스 온도를 측정하여 기준온도보다 높으면(S230) 냉각기를 가동하여 가스를 기준온도까지 냉각시킨다(S260). 이때, 수분량은 반드시 완전히 포화상태일 필요는 없으나, 일정 수준 이상 포화상태가 될 수 있는 온도(예를 들면 약 70℃)를 설정하여 흡습제(23)에서 수분이 흡수될 수 있도록 한다.
수분함량과 상기 측정열량을 출력하거나 상기 수분함량을 고려하여 상기 측정열량의 보정한 값을 출력한다(S500). 지관으로 가스가 통과하지 않는 동안 도어(29)를 개방하고 히터(미도시)를 가동하여 흡습제(23)를 건조한다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 연소로 15: 주배관
20: 측정부 21: 압전센서
23: 흡습제 25: 다공성부재
29: 도어 30: 지관
31: 열전대 33: 삼방밸브
35: 냉각부 37: 냉각수밸브
40: 제어부 45: OP-AMP

Claims (12)

  1. 버너를 포함하는 연소로;
    상기 연소로로 가스가 주입되는 주배관;
    입구와 출구 양단이 주배관에 연결된 지관;
    상기 지관의 입구에 형성된 삼방밸브;
    상기 지관 상에 부분적으로 충진된 흡습제와 상기 흡습제의 하부에 위치하여 흡습제의 중량 변화를 감지하는 압전센서를 포함하는 측정부 및
    상기 압전센서로 부터 감지된 흡습제의 중량변화를 전송받아 가스내의 수분량을 측정하는 제어부를 포함하는 연소식 열량계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 측정부는
    상기 충진된 흡습제의 양단에 위치하여 흡습제를 고정하는 다공성부재를 더 포함하는 연소식 열량계.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 측정부는
    상기 다공성부재는 ABS계통 수지가 코팅된 것을 특징으로 하는 연소식 열량계.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 측정부는
    상기 흡습제의 상부에 제어부에 의해 개폐가능한 도어를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연소식 열량계.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 도어의 개방시 상기 흡습제를 건조시키는 히터를 더 포함하는 연소식 열량계.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 지관상에서 상기 흡습제 보다 상기 지관의 입구쪽에 위치하며,
    상기 지관으로 유입되는 가스를 냉각시키는 냉각부를 더 포함하는 연소식 열량계.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 냉각부는 냉각수를 이용하는 것을 특징으로 하며,
    상기 제어부에 의해 상기 냉각수 공급이 제어되는 것을 특징으로 하는 연소식 열량계.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 지관상에 열전대를 더 포함하고,
    상기 열전대에서 감지한 온도가 기준온도보다 높은 경우
    상기 제어부는 상기 냉각수를 냉각부에 공급하는 것을 특징으로 하는 연소식 열량계.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 압전센서의 신호가 상기 제어부로 전달될 때 상기 신호를 증폭시키는 OP-AMP를 더 포함하는 연소식 열량계.
  10. 연소식 열량계의 주배관에 연결된 지관 상에 충진된 흡습제의 하단에 위치한 압전센서로 부터 초기 압력을 측정하는 단계;
    상기 주배관에 유입되는 가스의 흐름을 상기 지관으로 변경하는 단계;
    상기 흡습제에 기준시간 동안 가스를 통과시킨 후 연소로에서 가스의 연소 시 발열량을 측정하고, 가스흐름을 다시 상기 주배관으로 변경하는 단계;
    상기 압전센서에서 상기 초기 압력 대비 압력변화량을 측정하고, 이를 기초로 상기 가스에 포함된 수분함량을 계산하는 단계; 및
    상기 수분함량과 상기 발열량을 출력하거나 상기 수분함량을 고려하여 상기 발열량의 보정한 값을 출력하는 단계를 포함하는 연소식 열량측정방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 지관에 흐르는 가스의 온도를 측정하는 단계; 및
    상기 측정온도가 기준온도보다 높은 경우 상기 가스를 냉각시키는 단계를 더 포함하는 연소식 열량측정방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 지관으로 가스를 차단한 경우,
    상기 흡습제의 상부를 개폐하는 도어를 개방하여 상기 흡습제를 건조시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연소식 열량측정방법.
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