KR101310241B1 - 맥동 연소장치의 압력 제어 방법 - Google Patents

Abstract

급격한 압력변동을 최소화하거나 발생되지 않도록, 복수개의 맥동 제어밸브가 장착된 맥동 연소장치의 압력 제어방법에 있어서, 상기 복수개의 맥동 제어밸브의 작동 순번을 지정하는 단계와, 상기 순번 지정된 각 맥동 제어밸브를 일정한 시간 차이를 두고 순차적으로 개폐하기 위한 작동 간격을 설정하는 단계, 각 맥동 제어밸브가 설치된 배관의 내경에 따른 반응시간에 따라 작동 간격을 조정하는 단계, 조정된 작동 간격으로 순번 지정된 각 맥동 제어밸브를 순차적으로 개폐하는 단계를 포함하는 맥동 연소장치의 압력제어방법을 제공한다.

Description

맥동 연소장치의 압력 제어 방법{METHOD FOR CONTROLING PRESSURE OF OSCILLATING COMBUSTION APPARATUS}

본 발명은 맥동 연소장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게 본 발명은 하나 이상의 맥동 제어밸브를 구비한 맥동 연소장치에서 맥동 제어밸브의 개폐로 발생하는 압력 변동을 최소화하는 맥동 연소장치의 압력 제어 방법에 관한 것이다.

일반적으로 맥동 연소(OSCILLATING COMBUSTION)는 연료 또는 산화제에 주기적인 압력변동을 주어 유량 변동이 이루어지는 상황에서 연료를 연소시키는 연소기술을 말한다. 유량 변동의 결과 공기 과잉과 공기 희박 조건에서 연소가 반복적으로 이루어진다. 맥동 발생 초기에는 공기 희박과 공기 과잉이 뚜렷이 나타나며, 하류로 진행되면서 그 정도가 점차 감소하여 목표로 하는 공기비를 얻는다. 맥동 연소로 발생하는 강한 유동 교란으로 대류 열전달율 상승, 열효율 향상, 복사관 온도 균일화로 인한 수명 증대 효과를 얻을 수 있다.

이러한 맥동 연소는 연료를 공급라인에서 제어하는 방법이 주로 사용된다. 상기 맥동 연소 방법은 유량이 적은 연료에 주기적인 압력 변동을 주어, 통상 수십 Hz 이내의 맥동 상황에서 운전된다.

맥동 연소를 위해 하나 이상의 버너 또는 복사관에 하나 이상의 맥동 제어밸브를 설치하여 제어할 수 있다. 다수개의 맥동 제어밸브를 이용하는 연소설비에서는 동일 시점에서 개방되는 맥동 제어밸브가 많을 경우 연료 및 산화제를 공급하는 배관에 급격한 압력 변동이 발생하여 안정적인 연소가 어려워진다.

또한, 맥동 제어밸브는 제품별로 그 반응속도가 정해져있고, 연료 및 산화제 공급 배관의 직경 변경이 어렵기 때문에, 맥동 제어밸브의 일률적인 제어로는 압력변동을 최소화하기 어렵다.

이에, 급격한 압력변동을 최소화하거나 발생되지 않도록 하는 맥동 연소장치의 압력제어방법을 제공한다.

이를 위해 본 제어방법은 복수개의 맥동 제어밸브가 장착된 맥동 연소장치의 압력 제어방법에 있어서, 상기 복수개의 맥동 제어밸브의 작동 순번을 지정하는 단계와, 상기 순번 지정된 각 맥동 제어밸브를 일정한 시간 차이를 두고 순차적으로 개폐하기 위한 작동 간격을 설정하는 단계, 맥동 제어밸브의 반응시간에 따라 작동 간격을 조정하는 단계, 조정된 작동 간격으로 순번 지정된 각 맥동 제어밸브를 순차적으로 개폐하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 작동 간격 설정 단계는 맥동 연소장치의 연소조건 또는 운전조건에 따라 맥동 주기를 선정하는 단계와, 상기 선정된 맥동 주기를 상기 맥동 제어밸브의 개수로 나눠 작동 간격을 설정하는 단계를 포함할 수 있다.

본 제어방법은, 복수개의 맥동 제어밸브가 장착된 맥동 연소장치의 제어방법에 있어서, 복수개의 맥동 제어밸브를 다수개의 제어그룹으로 나누는 그룹화 단계와, 나누어진 각 제어그룹의 작동 순번을 지정하는 단계와, 상기 지정된 순번으로 각 제어그룹의 맥동 제어밸브를 일정한 시간 차이를 두고 순차적으로 개폐하기 위한 작동 간격을 설정하는 단계, 제어그룹의 맥동 제어밸브 반응시간에 따라 작동 간격을 조정하는 단계, 조정된 작동 간격으로 맥동 제어밸브를 제어그룹 순번에 따라 순차적으로 개폐하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 작동 간격 설정 단계는 맥동 연소장치의 연소조건 또는 운전조건에 따라 맥동 주기를 선정하는 단계와, 상기 선정된 맥동 주기를 상기 제어그룹의 개수로 나눠 작동 간격을 설정하는 단계를 포함할 수 있다.

이상 설명한 바와 같은 본 실시예에 의하면, 배관의 내경에 따른 맥동 제어밸브의 반응속도에 따라 보다 정밀한 제어가 이루어질 수 있게 되어, 배관에 발생되는 급격한 압력 변동을 최소화할 수 있게 된다.

이에 안정적인 연소조건을 유지할 수 있게 되어 열효율 감소를 방지하고 시스템의 운영 효율을 높일 수 있고, 보다 안정적인 운용이 가능하다.

또한, 배관에 급격한 압력변동이 발생되지 않아, 고소음의 발생을 억제하여 작업 환경을 향상시킬 수 있게 된다.

또한, 배관의 크기에 따른 정밀 제어가 가능하여, 복사관 버너뿐만 아니라 일반 연소로 버너 등에도 폭넓게 적용할 수 있어 적용 범위를 넓힐 수 있게 된다.

도 1은 본 실시예에 따른 맥동 연소장치가 구비된 연소로를 도시한 개략적인 도면이다.
도 2는 본 실시예에 따른 맥동 연소장치에서 맥동 제어밸브의 배관 배치 구조를 도시한 개략적인 도면이다.
도 3은 본 실시예에 따른 맥동 연소장치의 압력 제어 과정을 도시한 개략적인 순서도이다.
도 4와 도 5는 본 실시예에 따른 압력 제어에 의한 맥동 제어밸브의 작동 간격을 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 압력 제어 과정을 도시한 개략적인 순서도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 가능한 한 동일하거나 유사한 부분은 도면에서 동일한 도면부호를 사용하여 나타낸다.

이하에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하 본 실시예는 맥동 연소장치로 연소로에 설치되어 연소로를 가열하는 다수개의 복사관을 포함하는 복사관 버너 시스템을 예로서 설명한다.

도 1은 복사관 버너 시스템이 연소로에 배치된 구조를 도시하고 있으며, 도 2는 복사관 버너 시스템의 각 맥동 제어밸브의 배관 배치 구조를 도시하고 있다.

복사관 버너 시스템(10)은 복사관 버너(12) 내에서 연료를 연소시켜 복사관을 적열시키고, 관 외벽에서 방사되는 복사열을 이용하여 연소로(20) 내부의 피가열물을 가열하게 된다.

도시된 바와 같이 연소로(20)를 따라 복수개의 복사관 버너(12)가 간격을 두고 배치된다. 상기 각 복사관 버너(12)는 메인관(14)에 각 배관(16)을 매개로 연결되어 연료를 공급받게 되며, 상기 배관(16)에는 배관을 개폐하는 맥동 제어밸브(18)가 설치되어 메인관으로부터 복사관 버너로 공급되는 원료의 공급을 제어하게 된다.

상기 맥동 제어밸브(18)는 특정 형태나 구조에 한정되지 않는다. 예를 들어, 상기 맥동 제어밸브(18)는 SSP(SOLID-STATE PROPORTIONING) 밸브 또는 맥동 연소를 위해 설계된 회전식 맥동 제어밸브 또는 솔레노이드 밸브가 사용될 수 있다. 상기 SSP 밸브나 회전식 맥동 제어밸브 또는 솔레노이드 밸브의 구성 및 작동은 공지된 것으로서, 그 자세한 설명은 생략한다.

복사관 버너 시스템(10)의 메인관(14)으로 공급된 연료는 각 배관(16)으로 분기되어 공급된다. 그리고 각 배관(16)에 설치된 맥동 제어밸브(18)의 개폐작동에 따라 각 복사관 버너(12)로 공급되어 연소된다.

여기서 본 제어방법은 상기와 같이 복수개의 맥동 제어밸브가 설치된 복사관 버너 시스템에서 배관의 압력 변동을 최소화하도록 맥동 제어밸브의 개폐 구동을 제어하게 된다.

도 3 내지 도 5를 참조하여 본 실시예의 제어방법을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 제어방법은 다수개의 맥동 제어밸브의 제어를 위한 작동 순번을 지정하고, 작동 순번에 따른 맥동 제어밸브간의 작동 간격을 설정하는 단계를 거친다.(S100 ~ S120)

본 실시예에서 맥동 제어밸브의 순번 지정 단계는 작동 간격 설정 단계에 앞서 진행되나, 반드시 이에 한정되지 않으며, 작동 간격 설정한 후 순번 지정 단계가 진행될 수 있다.

또한, 본 제어방법은 각 맥동 제어밸브가 설치된 배관의 내경에 따른 반응시간을 참조하여 작동 간격을 조정하는 단계와, 조정된 작동 간격으로 순번 지정된 각 맥동 제어밸브를 순차적으로 개폐하는 단계를 포함한다.(S130 ~ S140)

상기 맥동 제어밸브 각각의 순번 지정은 순차적 작동을 위한 각 맥동 제어밸브의 순서를 정하는 것이다. 맥동 제어밸브의 작동 순서는 임의로 정할 수 있으며, 어느 특별한 방법에 한정되지 않는다.

상기 작동 간격 설정 단계는 순번 지정된 각 맥동 제어밸브를 일정한 시간 차이를 두고 순차적으로 개폐하기 위한 시간값을 설정하는 것이다.

본 제어 방법은 상기 작동 간격 설정을 위해 복사관 버너 시스템의 연소조건 및 운전조건에 따라 맥동 주기를 선정하는 단계와, 상기 선정된 맥동 주기를 상기 맥동 제어밸브의 개수로 나눠 작동 간격을 설정하는 단계를 거친다.(S110 ~ S120)

맥동 주기 선정을 위해 복사관 버너 시스템이 구비된 연소로의 각 복사관 중 기준이 되는 하나의 복사관을 임의로 선정한다. 그리고 선정된 임의의 복사관에서 최적의 성능을 발휘하는 연소조건과 운전조건을 구한다. 이는 예를 들어, 배가스 내 NOx 농도, 연소로 내 온도, 배가스 온도 등을 모니터링하여 이루어진다. 이와 같은 모니터링을 통해 연소조건과 운전조건을 만족하는 최적의 맥동 주기와 맥동 진폭 및 듀티비를 얻게 된다.

여기서 상기 맥동 주기는 일회 맥동 발생 시간으로 단위 시간당 맥동이 발생하는 수(Hz)의 역수이며, 맥동 진폭(N㎥/h)은 맥동으로 발생하는 연료량의 변화를 나타내며, 듀티비(%)는 한 주기내 맥동 제어밸브의 개방시간으로 정의된다.

상기 과정을 거쳐 얻어진 맥동 주기는 복사관 버너 시스템 전체 복사관의 맥동 주기로 확정한다.

맥동 주기가 선정되면 선정된 맥동 주기를 맥동 제어밸브의 개수로 나눔으로써 순차적으로 작동되는 각 맥동 제어밸브의 작동 간격이 설정된다. 즉, 상기 작동 간격(도 4의 T1)은 작동 순서에 따라 앞쪽 맥동 제어밸브 작동 시점에서 다음 맥동 제어밸브 작동 시점 사이의 시간 차이이다.

도 4는 상기 과정을 통해 순번 지정된 다수개의 맥동 제어밸브가 작동 간격을 두고 순차적으로 제어되었을 때, 각 맥동 제어밸브의 순차적인 개방에 따른 맥동 주기와 시간과의 관계를 도시하고 있다.

도시된 바와 같이, 듀티비 x 밸브 개수 ≤ 1.0 인 경우, 다수개의 맥동 제어밸브의 개방은 맥동 주기를 맥동 제어밸브의 개수로 나눈 시간차를 갖도록 개방 제어가 실시된다. 예를 들어, 맥동수가 2Hz(또는 1초에 2번 밸브 개폐됨)이고, 듀티비가 10%를 갖도록 설정된 밸브가 총 5개가 운용되는 경우, 0.1(듀티비) x 5(맥동 제어밸브 개수)는 0.5로 1.0 이하 값이다. 맥동 주기는 맥동수의 역수값이므로 0.5초이다. 이에 각각의 맥동 제어밸브의 작동 간격(T1)은 맥동 주기를 맥동 제어밸브 개수로 나눈 값인 0.5(초)/5(개) = 0.1초로 설정된다. 이 경우 각 맥동 제어밸브는 도 4에 도시된 바와 같이 서로 중첩되지 않고 순차적으로 작동된다.

이와 같이, 다수개의 맥동 제어밸브를 순차적으로 개방제어를 실시하면 동일한 시점에 맥동 제어밸브의 개방압력이 중첩되지 않고 맥동 주기 내에서 분산된다.

따라서 동일한 시점에 다수개의 밸브가 작동되지 않고, 균일한 작동이 가능하여 배관 내의 급격한 압력 변동이 발생되지 않는다. 이에 복사관 내 연소가 안정적으로 이루어지며 소음 발생을 억제할 수 있게 된다.

그러나, 상기 도 4에 도시된 그래프는 배관의 내경이 매우 작은 경우 또는 맥동 제어밸브의 반응시간을 고려하지 않은 것으로, 실제 설비 운영시에는 배관의 내경 등에 따라 배관 내 압력 변동이 발생하게 된다.

이에 본 제어방법은 각 맥동 제어밸브가 설치된 배관의 내경에 따른 반응시간을 참조하여 작동 간격을 조정하는 단계(S130)를 거쳐, 조정된 작동 간격으로 순번 지정된 각 맥동 제어밸브를 순차적으로 개폐하게 된다.(S130) 이하 설명의 편의를 위해 조정된 작동 간격을 보정 간격(도 5의 T2)이라 한다.

이에 예를 들어, 배관의 내경이 커서 맥동 제어밸브의 반응시간이 늦은 경우에는 맥동 제어밸브를 상기 작동 간격에 따라 순차 개폐하였을 때, 마치 맥동 제어밸브가 중첩 작동하는 것과 같은 압력변동이 일어난다.

즉, 배관의 직경이 커 맥동 제어밸브의 반응시간이 늦어지게 되면 미처 다음 맥동 제어밸브가 개방되지 않아 배관 내 압력이 급격히 상승하는 짧은 시간대가 발생하게 된다.

이에 앞선 맥동 제어밸브에 이어서 작동되는 다음 맥동 제어밸브의 개방 시간을 좀더 빨리하여, 앞선 맥동 제어밸브가 닫히기 전에 다음 맥동 제어밸브를 개방하도록 제어할 필요가 있다.

따라서 본 제어방법은 상기와 같이 작동 간격을 줄이거나 늘려 보정 간격(T2)으로 조정하는 단계를 거침으로써, 배관의 내경에 따른 맥동 제어밸브 반응시간 차이를 보상하게 된다.

도 5는 배관의 내경에 따라 맥동 제어밸브의 작동 간격을 조정한 그래프이다.

도시된 바와 같이, 맥동 제어밸브의 반응시간에 따라 맥동 제어밸브의 작동 간격을 보정 간격(T2)으로 조정함으로써 각 맥동 제어밸브의 사이에 중첩되는 시간대(L)가 나타난다.

상기 보정 간격으로 인한 중첩 시간대(L)는 실질적으로 맥동 제어밸브 사이의 반응시간 차이를 보상하게 된다. 이에 본 실시예에서 중첩 시간대(L)가 존재하더라도 맥동 제어밸브가 중첩해서 작동하는 것과 같은 압력변동은 일어나지 않는다.

상기 보정 간격(T2)에 따른 맥동 제어밸브의 중첩 시간대(L)는 설비에 따라 또는 맥동 제어밸브 종류에 따라 달라지며, 어느 특정값으로 한정되지 않는다.

이와 같이 맥동 제어밸브의 반응시간을 고려하여 맥동 제어밸브 간의 작동 간격을 보정 간격으로 수정하고 중첩되는 시간대를 둠으로써 급격한 압력변동 발생을 보다 줄일 수 있게 된다.

여기서 선정된 맥동 주기에 대해 전체 맥동 제어밸브의 작동 간격이 보정 간격으로 조정되면 맥동 주기 내에 전체 맥동 제어밸브가 작동되지 않는 시간대가 존재할 수 있는 데, 맥동 제어밸브의 개수가 많은 경우 이에 대한 영향은 거의 전무하므로 무시해도 무방하다. 또한, 상기 시간대 역시 맥동 주기마다 규칙적으로 발생되므로 전체적인 맥동 연소 과정에서 압력 변동은 균일하게 유지할 수 있다.

한편, 도 6은 본 제어방법의 또다른 실시예로, 다수개의 맥동 제어밸브를 갖는 다수개의 그룹들이 메인관에 독립적으로 연결된 구조에 있어서, 압력 제어 과정을 도시하고 있다.

도시된 바와 같이, 본 제어방법은 먼저 다수개의 맥동 제어밸브를 다수개의 제어그룹으로 분리 지정하는 그룹화 단계를 거친다.(S200)

그리고 본 제어방법은 그룹화 단계를 거쳐 나누어진 각 제어그룹의 작동 순번을 지정하는 단계와, 상기 순번 지정된 각 제어그룹의 맥동 제어밸브를 일정한 시간 차이를 두고 순차적으로 개폐하기 위한 작동 간격을 설정하는 단계, 제어그룹의 맥동 제어밸브 반응시간을 참조하여 작동 간격을 조정하는 단계, 조정된 작동 간격으로 맥동 제어밸브를 제어그룹 순번에 따라 순차적으로 개폐하는 단계를 포함한다.(S200 ~ S250)

상기 복수개의 맥동 제어밸브를 각 제어그룹으로 나누고 각 제어그룹의 작동 순서를 정하는 것은 임의로 이루어질 수 있으며, 특별히 한정되지 않는다.

상기 작동 간격 설정 단계를 포함한 이하 단계는 제어그룹에 따라 이루어진다는 것을 제외하고 언급한 실시예와 동일하다.

즉, 상기 작동 간격 설정은 맥동 주기를 맥동 제어밸브가 아닌 제어그룹의 개수로 나눈 시간값으로 설정된다. 작동 간격 조정 단계와 제어그룹의 순차적 개폐단계 역시 제어그룹 별로 이루어진다. 이에 동일한 제어그룹에 속한 맥동 제어밸브는 동일한 시간에 개방이 이루어지며, 다른 제어그룹에 속한 맥동 제어밸브와는 조정된 작동 간격을 두고 개방이 이루어지게 된다.

상기와 같이 맥동 제어밸브를 다수개의 제어그룹으로 분리함으로서 맥동 제어밸브가 일정 개수를 초과하더라도 보다 용이하게 제어가 가능하게 된다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명의 예시적인 실시예가 도시되어 설명되었지만, 다양한 변형과 다른 실시예가 본 분야의 숙련된 기술자들에 의해 행해질 수 있을 것이다. 이러한 변형과 다른 실시예들은 첨부된 청구범위에 모두 고려되고 포함되어, 본 발명의 진정한 취지 및 범위를 벗어나지 않는다 할 것이다.

10 : 복사관 버너 시스템 12 : 복사관 버너
14 : 메인관 16 : 배관
18 : 맥동 제어밸브 20 : 연소로

Claims (4)

1. 원료를 공급하는 배관에 설치되어 원료 공급을 제어하는 복수개의 맥동 제어밸브를 포함하는 맥동 연소장치에서 상기 배관의 내부 압력 변동을 줄이기 위한 맥동 연소장치의 압력 제어방법에 있어서,
   상기 복수개의 맥동 제어밸브의 작동 순번을 지정하는 단계와,
   상기 순번 지정된 각 맥동 제어밸브를 일정한 시간 차이를 두고 순차적으로 개폐하기 위한 작동 간격을 설정하는 단계,
   상기 배관의 내경에 따른 맥동 제어밸브의 반응시간에 따라 상기 작동 간격을 조정하는 단계,
   조정된 작동 간격으로 순번 지정된 각 맥동 제어밸브를 순차적으로 개폐하는 단계
   를 포함하는 맥동 연소장치의 압력 제어 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 작동 간격 설정 단계는
   맥동 연소장치의 연소조건 또는 운전조건에 따라 맥동 주기를 선정하는 단계와,
   상기 선정된 맥동 주기를 상기 맥동 제어밸브의 개수로 나눠 작동 간격을 설정하는 단계
   를 포함하는 맥동 연소장치의 압력 제어 방법.
3. 원료를 공급하는 배관에 설치되어 원료 공급을 제어하는 복수개의 맥동 제어밸브를 포함하는 맥동 연소장치에서 상기 배관의 내부 압력 변동을 줄이기 위한 맥동 연소장치의 압력 제어방법에 있어서,
   복수개의 맥동 제어밸브를 다수개의 제어그룹으로 나누는 그룹화 단계와,
   나누어진 각 제어그룹의 작동 순번을 지정하는 단계와,
   상기 순번 지정된 각 제어그룹의 맥동 제어밸브를 일정한 시간 차이를 두고 순차적으로 개폐하기 위한 작동 간격을 설정하는 단계,
   제어그룹 내 배관 내경에 따른 맥동 제어밸브의 반응시간에 따라 상기 작동 간격을 조정하는 단계,
   조정된 작동 간격으로 맥동 제어밸브를 제어그룹 순번에 따라 순차적으로 개폐하는 단계
   를 포함하는 맥동 연소장치의 압력 제어 방법.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 작동 간격 설정 단계는
   맥동 연소장치의 연소조건 또는 운전조건에 따라 맥동 주기를 선정하는 단계와,
   상기 선정된 맥동 주기를 상기 제어그룹의 개수로 나눠 작동 간격을 설정하는 단계
   를 포함하는 맥동 연소장치의 압력 제어 방법.

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