KR101420652B1 - 가열로의 배열회수 시스템의 배가스 온도 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 측면에 따르면, 가열로의 배가스 배열 회수 시스템의 배가스 온도 제어 방법은, 가열로로부터 나와 연도를 통해 흐르는 고온 배가스의 현열을 회수하기 위한 배열 회수 시스템의 배가스 온도 제어 방법에 있어서, 열교환기 전단측의 제1 배가스 온도(T1)와 열교환기 후단측의 제2 배가스 온도(T2)를 측정하는 단계; 상기 측정된 제1 배가스 온도(T1) 및 제2 배가스 온도(T2)가 열교환기 전단측에 대해 기설정된 제1 관리 상한 온도치(T10)와 열교환기 후단측에 대해 기설정된 제2 관리 상한 온도치(T20)와 각각 비교하는 단계; 및 상기 비교 결과, 제1 배가스 온도(T1)가 제1 관리 상한 온도치(T10)보다 크거나 제2 배가스 온도(T2)가 제2 관리 상한 온도치(T20)보다 큰 경우 상기 열교환기 전단측과 가열로 사이의 연도 내에 설치된 희석팬을 작동시키는 단계;를 포함한다.
배열 회수, 열교환기

Description

가열로의 배열회수 시스템의 배가스 온도 제어 방법{Waste gas temperature control method for recuperator in reheating furnace system}
본 발명은 가열로에서 발생되는 연소 배가스의 현열 회수를 위한 열교환기(recuperator) 방식의 열교환 시스템의 배가스 온도 제어 방법에 관한 것으로, 특히 열교환기 전단 및 후단의 배가스 온도 측정치를 기초로 희석팬의 동작을 제어함으로써 가열로 배열 회수 시스템의 내구성을 향상시킴과 동시에 배가스의 배출 온도를 관리 상한치 내로 유지하기 위한 배가스 온도 제어 방법에 관한 것이다.
강재 등을 적절한 온도를 가열하는 데에 이용되는 가열로에서 발생되는 배가스는 열교환기(recuperator) 방식의 가열로 배열 회수 시스템을 이용하여 연소용 공기를 고온으로 가열하는 데에 사용될 수 있다.
도 1은 종래의 가열로 배가스의 현열 회수용 열교환 시스템의 개략적인 구성도를 나타낸다. 도 1을 참조하면, 고온의 배가스는 가열로(11)로부터 나와서 연도(12) 내로 흐르고, 열교환기(15)의 튜브 다발(tube bundle) 내부를 통해 연소용 공기가 흐른다. 열교환기(15)의 전열면에서 고온의 배가스로부터 연소용 공기로 간접 열교환 방식으로 열교환이 이루어지면, 튜브 다발의 입구(17)로 들어간 저온의 연소용 공기는 튜브 다발의 출구(18)를 통해 고온의 연소용 공기로 나오게 된다.
가열로(11)를 나온 배가스는 고온의 가스로서 열교환기 등 배열 회수 시스템에 대해 고온 부식의 문제를 야기시킬 수 있다. 이러한 고온 부식의 문제를 방지하기 위해 열교환기(15) 전단 측에서 고온 배가스의 온도를 측정하고 측정온도가 소정의 상한 온도(약 770℃)를 넘으면 DCS 등의 제어 시스템(19)은 배가스의 온도를 상한 온도 이하로 낮추도록 희석팬(dilution pan:13)의 작동을 제어한다. 배가스 온도 측정을 위해 연도(12)의 상부로부터 약 1m 내지 1.5m 아래의 위치에서 열전대 등의 온도 측정기(9)를 통해 고온 배가스의 온도를 측정하고, 이 측정된 온도를 배가스 온도 제어를 위한 데이터로 이용한다.
그러나 연도(12)의 유효 배관경이 약 3m 정도로서 연도 내부의 온도 분포는 연도 배관의 단면적에 대하여 균일하지 못하다(도 2 참조). 따라서, 연도 배관 내의 임의의 위치에 대한 온도 측정치를 기초로 한 배가스 온도 제어는 그 신뢰성에 문제가 있으며 이로 인해 열교환기(15)의 내구성에 악영향을 미치게 되는 실정이다. 또한, 열교환후 배가스 온도는 약 350℃를 넘지 않도록 규제하고 있는 상황에서 열교환기 후단측의 배가스 온도 측정 위치 역시 최적화가 이루어지지 않고 있어 열교환기 후단의 배가스의 온도 관리가 제대로 이루어지지 않고 있다.
본 발명의 일 측면은, 가열로 배열 회수 시스템의 내구성을 향상시키고 배가스 배출 온도를 상한 관리치 내로 유지하기 위한, 가열로 배열 회수 시스템의 배가스 온도 제어 방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 가열로의 배가스 배열 회수 시스템의 배가스 온도 제어 방법은, 가열로로부터 나와 연도를 통해 흐르는 고온 배가스의 현열을 회수하기 위한 배열 회수 시스템의 배가스 온도 제어 방법에 있어서, 열교환기 전단측의 제1 배가스 온도(T1)와 열교환기 후단측의 제2 배가스 온도(T2)를 측정하는 단계; 상기 측정된 제1 배가스 온도(T1) 및 제2 배가스 온도(T2)가 열교환기 전단측에 대해 기설정된 제1 관리 상한 온도치(T10)와 열교환기 후단측에 대해 기설정된 제2 관리 상한 온도치(T20)와 각각 비교하는 단계; 및 상기 비교 결과, 제1 배가스 온도(T1)가 제1 관리 상한 온도치(T10)보다 크거나 제2 배가스 온도(T2)가 제2 관리 상한 온도치(T20)보다 큰 경우 상기 열교환기 전단측과 가열로 사이의 연도 내에 설치된 희석팬을 작동시키는 단계;를 포함한다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 온도(T1, T2)를 측정하는 단계에서, 제1 배가스 온도(T1)는 열교환기 전단측에 설치된 제1 온도 측정기를 통해 측정되고, 상기 제2 배가스 온도(T2)는 열교환기 후단측에 설치된 제2 온도 측정기를 통해 측정되며, 상기 제1 및 제2 온도 측정기에 의해 측정된 제1 및 제2 배가스 온도 데이터는 온도 비교 및 희석팬 구동 제어를 위한 제어부에 전송될 수 있다. 상기 제어부는 상기 전송 받은 제1 및 제2 배가스 온도 데이터를 상기 제1 및 제2 관리 상한 온도치(T10, T20)와 각각 비교하고, 그 비교 결과, 상기 제1 배가스 온도 데이터가 상기 제1 관리 상한 온도치(T10)보다 크거나 상기 제2 배가스 온도 데이터가 상기 제2 관리 상한 온도치(T20)보다 큰 경우 상기 희석팬에 구동신호를 보낼 수 있다.
상기 제1 및 제2 온도 측정기는 열전대를 포함할 수 있고, 상기 제어부는 분산 제어 시스템을 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 상기 제1 배가스 온도(T1)는 상기 열교환기 전단측의 단면 상에서 최대 배가스 온도 영역에 대응하는 위치에서 측정되고, 상기 제2 배가스 온도(T2)는 상기 열교환기 후단측의 단면 상에서 최대 배가스 온도 영역에 대응하는 위치에서 측정된다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 제1 배가스 온도(T1)는 상기 열교환기 전단측의 연도 상단부로부터 연도 배관경의 3/2 깊이에 해당하는 위치에서 측정되고, 상기 제2 배가스 온도(T2)는 상기 열교환기 후단측의 연도 상단부로부터 연도 배관경의 1/6 깊이에 해당하는 위치에서 측정될 수 있다.
본 발명에 따르면, 가열로 배열회수 시스템의 내구성 향상 및 배가스 배출 온도를 관리 상한치 내로 유지할 수 있다. 또한 열교환기 전후단의 최적의 위치에서 배가스 온도를 측정할 수 있고, 이를 통해 적정 시점에서 희석팬을 가동시킬 수 있으며, 열교환기의 고온 부식 및 배가스 출구 온도의 안정적이고 효율적 관리가 가능하게 된다. 열교환기의 내구성 개선에 의해 열교환 시스템의 유지 및 보수 비용이 절감되고, 배가스 관리 규제치의 초과 방지에 의해 환경 규제에 효율적으로 대처할 수 있게 된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
도 2는 배열 회수용 열교환기 전후단의 온도 분포를 나타낸 그래프로서, 연도의 상단(상부)로부터 바닥면까지의 깊이(또는 바닥면으로부터의 높이)에 따른 배가스의 측정 온도 분포를 나타낸다. 도 3은 본 발명의 실시형태에 적용되는 가열로 배열 회수용 열교환 시스템의 개략적 구성도이다.
도 2 및 3에 도시된 바와 같이, 본 실시형태에 적용되는 가열로 배열 회수용 열교환 시스템에서는, 열교환기(15)의 전단측에 열전대 등의 온도 측정기(24)를 설치할 뿐만 아니라 열교환후 배가스가 배출되는 열교환기(15)의 후단측에도 열전대 등의 온도 측정기(26)를 설치한다. 이 2가지 온도 측정기(24, 26)는 분산 제어 시스템(Distributed Control System: DCS, 29))와 연계되어 각 온도 측정기(24, 26)에서 획득한 온도 데이터가 이 제어 시스템(29)으로 전송된다. 제어 시스템(29)은 전송 받은 온도 데이터를 관리 상한 온도치들과 비교하고 그 비교 결과에 따라 희석팬(13)에 구동 신호를 전송하여, 열교환기(15) 전단 및 후단측의 배가스 온도를 관리 상한치 이하로 관리한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 열교환기(15)의 전단부에서 연도(12)의 상단으로부터의 깊이 방향으로 측정된 온도 분포를 살펴보면, 약 2.5m의 깊이(연도의 전체 배관경(D)은 약 3.5m임)에서 최대 온도(최저 온도 + 약 50℃)를 나타내고 있다. 이는 종래의 열전대의 측정 깊이(도 1 참조)에서 측정된 배가스 온도보다 약 25 ℃ 높게 나타난 것이다. 따라서, 종래의 온도 측정 위치에서 측정하여 열교환기(15)의 전단측 배가스 온도를 제어할 경우, 관리 상한치인 약 770℃를 넘는 고온의 연소 배가스가 열교환기(15)로 공급되어 고온 부식을 촉진하게 되는 문제가 발생하게 된다.
따라서, 열교환기(15) 전단측의 배가스 온도는 열교환기(15) 전단측의 연도의 단면 상에서 최대 배가스 온도를 나타내는 영역(A)에서 측정되는 것이 바람직하다. 이러한 최대 배가스 온도 영역(A)에 대응하는 위치에 열전대 등의 온도 측정기(24)의 측정부를 배치시킨다. 본 실시예에서는, 열교환기(15) 전단측의 연도(12)의 상단부로부터 연도 배관경(D)의 약 2/3 깊이(2D/3)에서 열교환기(15) 전단측 최대 배가스 영역(A)이 위치하므로 약 2D/3 깊이에 온도 측정기(24)의 측정부를 배치시키는 것이 바람직하다.
열교환기 후단측의 온도 분포에 관하여는, 통상적으로 열교환기(15)의 튜브 다발의 상부(B)에서 열교환이 잘 이루어지지 않기 때문에, 도 2에 도시된 바와 같이 열교환기(15) 후단측의 최대 배가스 온도 영역은 연도 상부에 위치한다. 본 실시예에서는, 깊이(또는 위치)에 따라 열교환기(15) 후단측에서 최대 80℃의 편차를 보이고 있다. 따라서, 이러한 온도 편차를 고려하여 열교환기(15) 후단측의 배가스 출구 온도를 관리할 필요가 있다. 본 실시형태에서는, 열교환기(15) 후단측의 배가스 출구 온도를 관리 상한치(약 350℃)이하로 관리하기 위하여, 열교환기(15) 후단측의 연도(12)의 상단부로부터 연도 배관경(D)의 약 1/6 깊이(D/6)에 열전대 등의 온도 측정기(26)의 측정부를 배치시키는 것이 바람직하다.
도 4는 본 발명의 실시형태에 따른 배가스 온도 제어 방법을 설명한 흐름도 이다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 열교환기(15) 전단측의 열전대 등 온도 측정기(24)를 통해 열교환기(15) 전단측의 배가스 온도(T1)를 측정하고 열교환기(15) 후단측의 열전대 등 온도 측정기(24)를 통해 열교환기(15) 후단측의 배가스 온도(T2)를 측정한다(S10). 이 때, 바람직하게는 전술한 바와 같이 전후단 각각에 있어서 최대 배가스 온도 영역에 대응하는 위치(예컨대, 도 2의 실시예에서 2D/3 깊이, D/6 깊이)에 온도 측정 위치를 정한다.
열교환기(15) 전후단의 각 온도 측정기(24, 25)에서 측정된 온도 데이터(T1, T2)는 DCS 등을 구비한 제어 시스템 또는 제어부(29)에 전송된다. 제어부(29)는 이 온도 데이터(T1, T2)를 기설정된 열교환기(15) 전단측의 관리 상한 온도치(T10)(예컨대, 약 770℃) 및 기설정된 열교환기(15) 후단측의 관리 상한 온도치(T20)(예컨대, 약 350℃)와 각각 비교하여 대소를 판정한다(S20).
측정된 온도 데이터(T1, T2)와 기설정된 관리 상한 온도치(T10, T20) 간의 비교 결과, 열교환기(15) 전단측 온도 데이터(T1)가 관리 상한 온도치(T10)보다 크거나 열교환기(15) 후단측 온도 데이터(T2)가 관리 상한 온도치(T20)보다 큰 경우에는, 제어부(29)는 희석팬 구동 신호를 발생하여 이를 희석팬(13)에 전송한다(S30). 구동 신호를 받은 희석팬(13)은 팬 동작을 실행하여 상온의 외기를 연도(12) 안으로 공급한다. 이로써, 열교환기(15) 전단 및/또는 후단측의 배가스 온도를 관리 상한치 이하로 낮추게 된다.
즉, 열교환기(15) 전후단 열전대(24, 26)의 측정 온도 중 어느 하나가 먼저 관리 상한치를 넘는 경우가 발생하면, 제어부(29)는 희석팬(13)을 구동시켜서 연도(12) 내의 배가스 온도를 안정 운행 범위 내로 관리하는 것이다. 예컨대, 열교환기(15) 전단측의 측정 온도(T1)가 관리 상한 온도치(T10)를 넘으면, 제어부(29)의 구동신호에 의해 희석팬(13)이 동작하여 열교환기(15) 전단측 배가스의 온도를 관리 상한 온도치(T10) 이하로 낮추어 배가스를 열교환기로 공급한다. 열교환기(15) 후단측의 측정 온도(T1)가 관리 상한 온도치(T20)를 넘으면, 제어부(29)의 구동신호에 의해 희석팬(13)이 동작하여 열교환기(15) 후단측 배가스의 온도를 관리 상한 온도치(T20) 이하로 낮추어 열교환기 후단으로 배가스를 배출시킨다.
희석팬(13)의 동작 후에도 열전대(24, 26)에 의한 온도 측정은 계속 진행될 수 있다. 희석팬(13) 동작 후에 열전대(24, 26)에 의해 측정된 온도 데이터(T1, T2)는 제어부(29)로 전송되고, 제어부(29)는 희석팬(13) 동작후 전송된 온도 데이터(T1, T2)를 관리 상한 온도치(T10, T20)와 비교할 수 있다. 그 비교 결과, 희석팬 동작 후 열교환기(15) 전후단측의 측정 온도(T1, T2)가 해당 관리 상한 온도치(T10, T20) 이하로 된 때에는 제어부(29)는 희석팬 동작중지 신호를 발생하여 이를 희석팬(13)에 보냄으로써 희석팬(13)의 동작을 중지시키거나 오프시킬 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
도 1은 종래의 가열로 배열 회수용 열교환 시스템의 개략적 구성도이다.
도 2는 배열 회수용 열교환기 전후단의 온도 분포를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시형태에 적용되는 가열로 배열 회수용 열교환 시스템의 개략적 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시형태에 따른 배가스 온도 제어 방법을 설명한 흐름도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
11: 가열로 12: 연도
13: 희석팬 14, 24: 열교환기 전단측 열전대
15: 열교환기(recuperator) 17: 연소용 공기 입구
18: 연소용 공기 출구 26: 열교환기 후단측 열전대
29: 분산 제어 시스템(DCS)

Claims (5)

  1. 가열로로부터 나와 연도를 통해 흐르는 고온 배가스의 현열을 회수하기 위한 배열 회수 시스템의 배가스 온도 제어 방법에 있어서,
    열교환기 전단측의 제1 배가스 온도(T1)와 열교환기 후단측의 제2 배가스 온도(T2)를 측정하는 단계;
    상기 제1 배가스 온도(T1) 및 제2 배가스 온도(T2)를 상기 열교환기 전단측에 대해 기설정된 제1 관리 상한 온도치(T10)와 상기 열교환기 후단측에 대해 기설정된 제2 관리 상한 온도치(T20)와 각각 비교하는 단계; 및
    상기 비교 결과, 상기 제1 배가스 온도(T1)가 상기 제1 관리 상한 온도치(T10)보다 크거나 상기 제2 배가스 온도(T2)가 상기 제2 관리 상한 온도치(T20)보다 큰 경우 상기 열교환기 전단측과 상기 가열로 사이의 연도 내에 설치된 희석팬을 작동시키는 단계;를 포함하는 가열로의 배가스 배열 회수 시스템의 배가스 온도 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 온도(T1, T2)를 측정하는 단계에서, 상기 제1 배가스 온도(T1)는 상기 열교환기 전단측에 설치된 제1 온도 측정기를 통해 측정되고, 상기 제2 배가스 온도(T2)는 상기 열교환기 후단측에 설치된 제2 온도 측정기를 통해 측정되며, 상기 제1 및 제2 온도 측정기에 의해 측정된 제1 및 제2 배가스 온도 데이터는 온도 비교 및 희석팬 구동 제어를 위한 제어부에 전송되고,
    상기 제어부는 상기 제1 및 제2 배가스 온도 데이터를 상기 제1 및 제2 관리 상한 온도치(T10, T20)와 각각 비교하여, 그 비교 결과, 상기 제1 배가스 온도 데이터가 상기 제1 관리 상한 온도치(T10)보다 크거나 상기 제2 배가스 온도 데이터가 상기 제2 관리 상한 온도치(T20)보다 큰 경우 상기 희석팬에 구동신호를 전송하는 가열로의 배가스 배열 회수 시스템의 배가스 온도 제어 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 온도 측정기는 열전대를 포함하고, 상기 제어부는 분산 제어 시스템을 포함하는 가열로의 배가스 배열 회수 시스템의 배가스 온도 제어 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 배가스 온도(T1)는 상기 열교환기 전단측의 단면 상에서 최대 배가스 온도 영역에 대응하는 위치에서 측정되고, 상기 제2 배가스 온도(T2)는 상기 열교환기 후단측의 단면 상에서 최대 배가스 온도 영역에 대응하는 위치에서 측정되는 가열로의 배가스 배열 회수 시스템의 배가스 온도 제어 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 배가스 온도(T1)는 상기 열교환기 전단측의 연도 상단부로부터 연도 배관경의 3/2 깊이에 해당하는 위치에서 측정되고, 상기 제2 배가스 온도(T2)는 상기 열교환기 후단측의 연도 상단부로부터 연도 배관경의 1/6 깊이에 해당하는 위치에서 측정되는 가열로의 배가스 배열 회수 시스템의 배가스 온도 제어 방법.
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