KR101464486B1 - 발열량 변동 대응 공연비 제어 장치 및 시스템 그리고 이를 이용한 제어 방법 - Google Patents

발열량 변동 대응 공연비 제어 장치 및 시스템 그리고 이를 이용한 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 발열량 변동 공연비 제어 장치는 연료가스의 연소가 일어나는 공업로, 상기 공업로로 연료가스를 공급하는 연료가스 공급라인, 상기 공업로 연소에 필요한 공기를 공급하는 공기 공급라인, 상기 연료가스 공급라인 및/또는 상기 공기 공급라인에 설치되어 상기 공업로에 공급되는 상기 연료가스와 공기의 공연비를 조절하는 유량제어장치, 상기 연료가스 공급라인으로부터 상기 연료가스의 물성치를 측정하여 발열량을 추정하는 발열량 센서 및 상기 발열량 센서로부터 발열량 값을 입력받고 상기 유량제어장치에 공연비 제어신호를 전달하는 제어부를 포함하여 구성된다.

Description

발열량 변동 대응 공연비 제어 장치 및 시스템 그리고 이를 이용한 제어 방법 {air-fuel ratio control a control apparatus and system depending on heating value change and a control method using it}
본 발명은 발열량 변동 공연비 제어 시스템 및 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 공급되는 연료가스의 발열량을 측정하여 공연비를 조절하는 발열량 변동 공연비 제어 장치, 시스템 및 제어 방법에 관한 것이다.
공연비(air fuel ratio)라 함은 공기와 연료의 비율을 의미한다. 이론 공연비라 함은 연료가 완전히 연소되기 위하여 이론상 과부족이 없는 상태의 공연비를 말한다.
가열 공정, 열처리 공정 등에 사용되는 공업로에 있어서는 일반적으로 온도제어기 등의 마스터 제어기가 구비된다. 이러한 제어기에 있어서는 일반적으로 기 설정된 적정 공연비를 유지하기 위하여 온도제어 등에 요구되는 연료가스의 공급량을 조절하고, 이에 비례하여 연소에 사용되는 공기의 공급량을 조절하는 방식으로 공연비 제어가 이루어진다. 다른 한편으로는 연료가스 및 공기의 공급량을 동시에 조절하거나, 또 다른 한편으로는 공기의 공급량을 선 조절하고 이에 비례하여 연료가스의 공급량을 조절하는 방식이 있다. 위 세 가지 경우 모두 고정된 공연비를 기준으로 연료가스와 공기의 공급량이 제어되는 점은 다르지 않다.
상술한 종래의 공연비 제어 방식은 공급되는 연료가스의 가스 조성 및 발열량이 일정함을 기준으로 마련된 것으로서 미리 설정된 공연비를 기준으로 연료가스 및 공기의 공급량이 조절되므로, 연료가스의 조성 및 그에 따른 발열량이 운용과정에서 변동될 경우, 변동되는 가스조성 및 발열량에 대응되는 적정 공연비를 유지할 수 없는 문제점이 있다.
가열 공정, 열처리 공정 등에 사용되는 공업로 내부의 산소, 일산화 탄소, 이산화탄소, 온도 등의 분위기 조건이 제품의 품질에 결정적인 영향을 미치게 되며, 이러한 분위기 조건의 제어는 결국 공연비 제어로 귀결된다.
그러나, 종래의 일반적인 공업로의 제어 방식은 고정된 공연비를 기준으로 연료가스 및 공기를 제어하므로, 공급되는 연료가스의 가스조성 및 발열량이 변경될 경우 고정된 공연비와 실제 요구되는 공연비는 상당한 차이를 나타내게 되며, 결과적으로 분위기 조건 또한 실제 요구되는 분위기 조건과 상당한 차이를 나타내는 문제점이 발생된다.
이러한 문제점은 가스 공급이 표준 발열량 제도에서 가변 발열량 제도로 변하게 됨에 따라서 더욱 가중될 것으로 예상된다.
선행문헌 한국공개특허 제10-2012-0112104호
본 발명은, 상술한 문제점을 해결하기 위하여, 공급되는 연료가스의 발열량 변동에 따라 공급되는 연료가스의 발열량을 고려하여 적정 공연비를 설정하고 공연비 실시간으로 제어함으로써 공업로의 성능을 크게 향상시킬 수 있는 발열량 변동 공연비 제어 장치, 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위하여 안출된 본 발명에 따른 발열량 변동 공연비 제어 장치는 연료가스의 연소가 일어나는 공업로, 상기 공업로로 연료가스를 공급하는 연료가스 공급라인, 상기 공업로로 연소에 필요한 공기를 공급하는 공기 공급라인, 상기 연료가스 공급라인 및/또는 상기 공기 공급라인에 설치되어 상기 공업로에 공급되는 상기 연료가스와 공기의 공연비를 조절하는 유량제어장치, 상기 연료가스 공급라인으로부터 상기 연료가스의 물성치를 측정하여 발열량을 추정하는 발열량 센서 및 상기 발열량 센서로부터 발열량 값을 입력받고 상기 유량제어장치에 공연비 제어신호를 전달하는 제어부를 포함하여 구성된다.
한편, 본 발명에 따른 발열량 변동 공연비 제어 시스템은 연료가스와 공기의 공연비를 조절하는 공연비 제어 시스템에 있어서, 연료가스의 발열량 측정하여 연료가스의 이론 공연비를 출력하는 측정부, 상기 측정부로부터 출력된 이론 공연비 정보를 기반으로 공정별 설정 공연비를 출력하는 연산부 및 상기 공정별 설정 공연비를 입력받아 상기 연료가스 및 공기의 공급량을 조절하는 유량제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 본 발명에 따른 발열량 변동 공연비 제어 방법은 발열량 센서를 이용하여 연료가스의 발열량을 측정하는 측정단계, 측정단계에서 출력된 발열량 정보를 기반으로 공정별 설정 공연비를 출력하는 연산단계 및 상기 연산단계에서 출력된 공정별 설정 공연비를 입력받아 상기 연료가스 및 공기의 공급량을 조절하는 유량제어단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 연산단계는, 상기 발열량 센서로부터 측정된 발열량 측정값이 공연비 진단 프로그램으로 입력되는 단계, 상기 공연비 진단 프로그램으로부터 로컬 스풀을 거쳐 설정 공연비 설정프로그램으로 상기 발열량 측정값이 입력되는 단계, 상기 설정 공연비 설정프로그램에서 공정별 설정 공연비를 결정하는 단계, 상기 설정 공연비 프로그램으로부터 결정된 공정별 설정 공연비를 로컬 스풀을 통하여 상기 공연비 진단 프로그램으로 입력하는 단계, 상기 공연비 진단 프로그램으로부터 PLC(Programmable Logic Controller)를 거쳐 연료 보정 값, 연소 부하 출력 값 및 연료조정 제어 출력 값을 출력하는 단계 및 상기 PLC로부터 출력되는 연료 보정 값, 연소 부하 출력 값 및 연료조정 제어 출력 값을 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 발열량 변동 공연비 제어 장치, 시스템 및 방법은 연료가스의 발열량 변동 측정을 기반으로 연료가스의 발열량 변동에 실시간으로 대응하여 공업로에 공급되는 연료가스와 공기의 공연비를 일정하게 제어함으로써 각종 공정에서 이용되는 공업로의 보다 정밀한 운용을 가능케 하여 공정 결과물의 품질을 크게 향상시킬 수 있다.
보다 상세하게는, 각종 공정조건, 분위기 조건, 제어 설비의 종류를 반영하여 공연비를 지능적으로 결정할 수 있으며, 결과적으로 공업로 내부의 운용 조건을 보다 엄격하게 만족시킬 수 효과가 있다.
도 1은 각종 연료가스의 웨버 지수와 발열량과의 선형적 상관관계를 나타내는 그래프에 해당한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발열량 변동 공연비 제어 장치의 주요 구성 간의 연결관계를 나타내는 관계도에 해당한다.
도 3은 본 발명에 따른 발열량 변동 공연비 제어 장치에 포함되는 유량제어장치의 제1실시예를 나타내는 구성도에 해당한다.
도 4는 본 발명에 따른 발열량 변동 공연비 제어 장치에 포함되는 유량제어장치의 제2실시예를 나타내는 구성도에 해당한다.
도 5는 본 발명에 따른 발열량 변동 공연비 제어 장치에 포함되는 유량제어장치의 제3실시예를 나타내는 구성도에 해당한다.
도 6은 본 발명에 따른 발열량 변동 공연비 제어 장치에 포함되는 유량제어장치의 제4실시예를 나타내는 구성도에 해당한다.
도 7 내지 도 12는 본 발명에 따른 발열량 변동 공연비 조절 장치의 성능을 나타내는 그래프에 해당한다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 발열량 변동 공연비 제어 방법을 나타내는 과정도에 해당한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 상세히 살펴보기로 한다.
도 1은 웨버 지수와 이론 공연 사이의 상관 관계를 나타내는 그래프에 해당한다. 도 1에서 살펴볼 수 있듯이, 웨버 지수와 이론공연비는 선형적인 상관관계를 보인다. 보다 상세하게는 연료가스의 웨버 지수가 증가될수록, 즉 발열량이 증가될 수록, 이론 공연비가 증가됨을 알 수 있다. 본 발명은 이러한 상관관계를 이용하여 연료가스의 발열량을 실시간으로 측정하고 공업로(1)의 공연비를 실시간으로 제어하여 일정하게 유지시킴으로써 공업로(1)의 성능을 향상시키는 것에 관한 것이다. 여기서 공업로(1)라 함은 가열공정, 환원공정 및 각종 열처리 공정 등에서 사용되는 각종 연소로 장치를 의미한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발열량 변동 공연비 제어 장치의 주요 구성 간의 연결관계를 나타내는 관계도에 해당한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 발열량 변동 공연비 제어 시스템은 공업로(1), 연료가스 공급라인(20), 공기 공급라인(10), 발열량 센서(30) 및 제어부(40)를 포함하여 구성된다.
여기서 공업로(1)는 상기 연료가스와 공기의 혼합가스가 연소되는 구성에 해당하며, 구체적으로는 가열공정, 환원공정, 열처리공정에서 이용되는 공업로(1)를 고려할 수 있다.
한편, 상기 연료가스 공급라인(20)은 상기 공업로(1)로 연료가스를 공급하는 역할을 수행하며 연료가스의 공급량을 조절하는 밸브가 설치된다. 그리고, 상기 연료가스 공급라인(20)에는 상기 연료가스의 물성치를 측정하여 발열량을 추정하는 발열량 센서(30)가 연결된다. 그리고, 상기 발열량 센서(30)는 상기 제어부(40)에 연결되며, 상기 제어부(40)는 상기 발열량 센서(30)로부터 발열량 값을 입력받고 공연비 제어 신호를 유량제어장치로 전달하게 된다. 상기 공연비 제어 신호는 공정조건, 분위기 조건, 유량제어장치의 종류 조건 등을 고려하여 결정되며, 상기 유량제어장치로 출력되어 실제 공업로(1)로 공급되는 공연비를 제어하게 된다.
한편, 상기 발열량 센서(30)는 연료가스에서의 음속 및 연료가스의 열전도율 등을 측정하여 연료가스의 발열량을 추정하게 된다.
상기 유량제어장치라 함은 상기 제어부(40)로부터 설정 공연비 등의 제어 출력값을 입력받아 상기 연료가스 공급라인(20) 및 공기 공급라인(10)으로부터 공업로(1)로 공급되는 연료가스 및 공기의 공급량을 기계적으로 제어하는 일련의 구성을 말한다.
상기 유량제어장치는 공정에 따라 이하의 네 가지 실시예로 나누어 볼 수 있다.
도 3은 상기 유량제어장치의 제1실시예를 나타내는 구성도에 해당한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 유량제어장치의 제1실시예는 상기 공기 공급라인(10)에 설치되는 제1밸브(110), 상기 연료가스 공급라인(20)에 설치되는 제2밸브(120), 상기 제1밸브를 작동시키는 액츄에이터(130) 및 상기 제1밸브(110)와 제2밸브(120)를 상호 기계적으로 연동시켜 개폐하는 링크부(140)를 포함하여 구성된다. 그리고, 상기 링크부(140)는 상기 제어부(40)의 연료조정 출력 제어신호에 따라 상기 제1밸브와 제2밸브의 상대적인 개폐 비율을 조절하는 역할을 수행한다. 상기 링크부는 상기 제어부(40)로부터 개폐 비율에 대한 연료조정 출력 값을 실시간으로 입력받고, 일정주기로 상기 상대적인 개폐 비율을 조절함으로써, 상기 공업로(1)로 공급되는 연료가스와 공기의 공연비를 일정 주기로 조절할 수 있다. 보다 상세하게는 상기 링크부(140)는 상기 제1밸브(110)와 연결된 제1링크(141)와 상기 제2밸브(120)와 연결되는 제2링크(142)를 포함하며, 상기 제1링크(141)와 제2링크(142)의 연동율을 조절하는 조절부(143)를 더 포함하는 것이 바람직하며, 실질적으로 상기 조절부(143)를 통하여 상대적인 개폐 비율을 조절하게 된다. 상기 연동율이라 함은 제1링크(141)의 움직임에 따라 제2링크(142)가 연동되는 움직임의 비율을 말하여, 상기 연동율의 조절은 지렛대 연결에 있어서의 중심축 이동, 기어 연결에 있어서의 기어비 조절 등의 다양한 방법을 고려할 수 있다.
한편, 도 4는 상기 유량제어장치의 제2실시예를 나타내는 구성도에 해당한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 유량제어장치의 제2실시예는 상기 유량제어장치는 상기 공기 공급라인(10)에 설치되는 제1밸브(210), 상기 연료가스 공급라인(20)에 설치되어, 상기 제1밸브(210)후에서의 상기 공기 공급라인(10)의 압력에 비례하여 상기 연료가스 공급라인(20)의 계폐 정도를 조절하는 하는 압력비 조정기형 제어밸브(ratio regulator)(220), 및 상기 연료가스 공급라인(20)에 있어서 상기 압력비 조정기형 제어밸브 (220)와 상기 연료가스 공급라인(20)이 최종 연결되는 공업로(1) 사이에 위치되며 상기 압력비 조정기형 제어밸브(220)를 통과하여 상기 공업로(1)로 공급되는 연료가스의 공급량을 조절하는 미세제어수단(240)을 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 미세제어수단은 상기 제어부(40)의 공연비 제어신호를 입력받아 상기 연료가스의 공급량을 조절하는 구성에 해당한다. 상기 미세제어수단(240)은 상기 제어부(40)로부터 연료조정 출력 제어 신호를 입력받아, 즉 상기 미세제어수단(240)의 개폐 정도는 나타내는 신호를 입력받아, 최종적으로 상기 연료가스 공급라인(20)을 통과하는 연료가스의 공급량을 조절함으로써 상기 공업로(1)로 공급되는 연료가스의 공연비를 일정 주기로 조절하게 된다. 상기 미세제어수단(240)은 상기 신호에 따라 개폐율이 가변되는 각종 전동식 밸브류로 이루어지는 것을 고려할 수 있다.
한편, 도 5는 상기 유량제어장치의 제3실시예를 나태나는 구성도에 해당한다. 도 3에 도시된 바와 같이 상기 유량제어장치의 제3실시예는 상기 공기 공급라인(10)에 설치되는 제1밸브(310), 상기 연료가스 공급라인(20)에 설치되는 제2밸브(320), 상기 제1밸브(310) 및 제2밸브(320)의 개폐 정도를 각각 조절하는 제1액츄에이터(330) 및 제2액츄에이터(340)를 포함한다. 여기서, 상기 제1액츄에이터(330) 및 제2액츄에이터(340)는 각각 상기 제어부(40)로부터 연료조정 출력 제어신호를 전달받아 상기 제1밸브(310) 및 제2밸브(320)의 상대적인 개폐비율을 일정 주기로 조절하는 역할을 수행한다.
한편, 도 6은 상기 유량 제어장치의 제4실시예를 나타내는 구성도에 해당한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 유량제어장치는 상기 공기 공급라인(10)에 설치되는 제1유량센서(410), 상기 연료가스 공급라인(20)에 설치되는 제2유량센서(420), 상기 공기 공급라인(10)에 있어서 상기 제1유량센서(410)와 상기 공업로(1) 사이에 설치되는 제1밸브(430), 상기 연료가스 공급라인(20)에 있어서 상기 제2유량센서와 공업로(1) 사이에 설치되는 제2밸브(440), 상기 제1밸브(430) 및 제2밸브(440)의 개폐정도를 각각 조절하는 제1액츄에이터(450) 및 제2액츄에이터(460), 및 상기 제1유량센서(410) 및 제2유량센서(420)로부터 공기 및 연료가스의 유량 정보를 입력받고 상기 제1액츄에이터(450) 및 제2액츄에이터(460)를 작동시키는 유량 제어 콘트롤러(470)를 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 유량 제어 콘트롤러(470)는 상기 제어부(40)로부터 연료조정 출력 제어신호를 전달받아 주로 컴퓨터를 이용하여 공연비를 계산하고 유량 설정치를 재 설정하여 제1액츄에이터(450) 및 제2액츄에이터(460)를 독립적으로 작동시켜 상기 제1밸브(430) 및 제2밸브(440)의 상대적인 개폐비율을 일정 주기로 조절하는 역할을 수행한다.

상기 공업로(1)는 도 3 내지 도 6에 도시된 바와 같이 상기 공기 공급라인(10)과 상기 연료가스 공급라인(20)이 최종 연결되고 공기 및 연료가스가 공급되어, 연소가 발생되는 구성을 의미한다.
한편, 상기 제1밸브(110, 210, 310, 430) 및 제2밸브(120, 320, 440)는 버터플라이 밸브로 이루어지는 것을 고려할 수 있다.
첨부된 도 7 내지 도 12는 본 발명에 따른 발열량 변동 공연비 조절 장치의 성능을 나타내는 그래프에 해당한다.
도 7 내지 도 12에서 사용된 test gas 는 1: 10550 kcal/Nm3, 2: 10300kcal/Nm3, 3: 11000 kcal/Nm3, 4: 9800 kcal/Nm3, 5: 9500 kcal/Nm3 의 발열량을 나타낸다.
먼저, 도 7은 본 발명의 발열량 변동 공연비 제어 장치를 이용한 가열공정에 있어서 상기 유량제어장치의 제1실시예를 적용한 경우의 O2 제어 성능을 나타내는 그래프에 해당한다. 가열공정에 있어서 단위 연료가스당 가열 효율을 최대화하기 위하여는 O2의 비율이 필수적인 제어 요건에 해당한다. 도 7은 O2 고부하 제어와 저부하 제어 두 가지로 볼 수 있다.
도 7의 (a)는 발열량 변동을 고려하지 않은 경우를 나타내며, 도 7의 (b)는 발열량 변동을 고려한 경우를 나타낸다. 가열공정에 있어서, 제1실시예에 따른 유량제어장치를 적용한 경우, 도 7에 도시된 바와 같이 저부하 제어에 있어서 괄목할 만한 성능을 나타내는 것을 살펴볼 수 있다. 발열량 변동을 고려하지 않은 도 7 (a)의 경우 연료가스의 발열량이 변화함에 따라서 O2 % 농도가 비교적 크게 변화되는 것을 볼 수 있지만, 발열량 변동이 고려된 도 7 (b)는 도 7의 (a)에 비하여 제어 대상인 O2 % 농도가 비교적 일정한 것을 살펴볼 수 있다.
도 8은 본 발명의 발열량 변동 공연비 제어 장치를 이용한 가열공정에 있어서 상기 유량제어장치의 제2실시예를 적용한 경우의 O2 제어 성능을 나타내는 그래프에 해당한다.
도 8의 (a)는 발열량 변동을 고려하지 않은 경우를 나타내고 도 8의 (b)는 발열량 변동을 고려한 경우를 나타낸다. 가열공정에 있어서, 상기 제2실시예에 따른 유량제어장치를 적용한 경우, 도 8에 도시된 바와 같이 고부하 제어 및 저부하 제어 모두에 있어서 괄목할 만한 성능을 나타내는 것을 살펴볼 수 있다. 발열량 변동을 고려하지 않은 도 8 (a)의 경우 연료가스의 발열량이 변화함에 따라서 O2 농도가 비교적 크게 변화되는 것을 볼 수 있지만, 발열량 변동이 고려된 도 8 (b)의 고부하 제어 및 저부하 제어 모두 도 8의 (a)에 비하여 제어 대상인 O2 % 농도가 비교적 일정한 것을 살펴볼 수 있다.
한편, 도 9는 본 발명의 발열량 변동 공연비 제어 장치를 이용한 직화식 소둔 열처리 공정에 있어서 상기 유량제어장치의 제1실시예를 적용한 경우의 CO 제어 성능을 나타내는 그래프에 해당하며, 도 10은 제2실시예를 적용한 CO2 제어 성능을 나타내는 그래프에 해당한다.
도 9의 경우 결과적으로 비교적 양호한 CO 제어 성능 성능을 나타내는 것을 볼 수 있으며, 특히 도 10의 경우, 발열량 변동을 고려하지 않은 (a)에 비하여 발열량 변동을 고려한 (b) CO 제어 성능이 월등함을 알 수 있다.
한편, 도 11은 본 발명의 발열량 변동 공연비 제어 장치를 이용한 Dx 가스 식 소둔 열처리 공정에 있어서 상기 유량제어장치의 제1실시예를 적용한 경우의 CO 제어 성능을 나타내는 그래프에 해당하며, 도 12은 제2실시예를 적용한 CO 제어 성능을 나타내는 그래프에 해당한다.
도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 발열량 변동 공연비 제어 장치가 적용된 경우 양호한 CO 제어 성능을 나타내는 것을 살펴 볼 수 있다.
한편, 본 발명의 발열량 변동 공연비 제어 장치를 이용한 가열공정 및 열처리 공정에 있어서 상기 유량제어장치의 제3실시예 및 제4실시예를 적용한 경우, 제2실시예와 마찬가지로 실질적으로 연료가스 공급라인(20)과 공기 공급라인(10)이 개별 조절되므로 상기 제2실시예에 상당하는 성능이 도출될 것임을 충분히 예상할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발열량 변동 공연비 제어 시스템은 연료가스의 발열량 측정하여 연료가스의 이론 공연비를 출력하는 측정부, 상기 측정부로부터 출력된 이론 공연비 정보를 기반으로 공정별 설정 공연비를 출력하는 연산부 및 상기 공정별 설정 공연비를 입력받아 상기 연료가스 및 공기의 공급량을 조절하는 유량제어부를 포함한다. 그리고, 상기 연산부로부터 출력된 공정별 설정 공연비 및 상기 측정부에서 측정된 발열량의 변동을 화면에 출력하는 디스플레이부(50)를 더 포함하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 연산부는 공정조건, 분위기조건 및 상기 유량제어부의 종류를 고려하여 상기 연료가스 및 연료공기의 공급량을 결정한다. 보다 엄밀하게는 상기 공정조건, 분위기조건 및 상기 유량제어부의 종류를 고려하여 공정별 설정 공연비와 함께 상기 연료가스 및 연료공기의 공급량을 결정하여 상기 유량제어부로 해당 신호를 전달하여 연료가스 공급라인(20)과 공기 공급라인(10)의 개폐 정도를 제어하게 된다.
그리고, 상기 디스플레이부(50)는 웨버지수, 밀도(공기 밀도 대비), 연료 보정율 및 발열량 대응 제어출력을 더 포함하는 데이터를 화면에 출력하는 것이 바람직하다.
한편, 도 13 및 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 발열량 변동 공연비 제어 방법을 나타내는 논리도에 해당한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발열량 변동 공연비 제어 방법은, 발열량 센서(30)를 이용하여 연료가스의 발열량을 측정하는 측정단계, 측정단계에서 출력된 발열량 정보를 기반으로 공정별 설정 공연비(CARI)를 출력하는 연산단계 및 상기 연산단계에서 출력된 공정별 설정 공연비를 입력받아 상기 연료가스 및 공기의 공급량을 조절하는 유량제어단계를 포함하여 이루어진다. 상기 측정단계는 도 13에서의 가스 물성 측정에 대응되며, 상기 연산단계는 가스 물성 측정을 제외한 나머지 과정에 해당한다.
구체적으로 상기 연산단계는 상기 발열량 센서(30)로부터 측정된 발열량 측정값이 공연비 진단 프로그램으로 입력되는 단계, 상기 공연비 진단 프로그램으로부터 로컬 스풀을 거쳐 설정 공연비 설정프로그램으로 상기 발열량 측정값이 입력되는 단계, 상기 설정 공연비 설정프로그램에서 공정별 설정 공연비를 결정하는 단계, 상기 설정 공연비 프로그램으로부터 결정된 공정별 설정 공연비를 로컬 스풀을 통하여 상기 공연비 진단 프로그램으로 입력하는 단계, 상기 공연비 진단 프로그램으로부터 PLC(Programmable Logic Controller)를 거쳐 연료 보정 값, 연소 부하 출력 값(마스터 제어신호, 선택적 option 기능) 및 연료조정 제어 출력 값을 출력하는 단계 및 상기 PLC로부터 출력되는 연료 보정 값, 연소 부하 출력 값 및 연료조정 제어 출력 값을 출력하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 유량제어단계의 제1실시예는, 공기 공급라인(10)에 제1밸브 및 연료가스 공급라인(20)에 설치되는 제2밸브를 통하여 상기 공기 및 연료가스의 공급량을 조절하되, 상기 제1밸브를 작동시키는 액츄에이터를 마련하고, 상기 제1밸브와 제2밸브를 상호 기계적으로 연동시켜 개폐하는 링크부를 마련하여, 상기 연산단계의 공정별 설정 공연비에 따라 상기 링크부의 상기 제1밸브와 제2밸브의 상대적인 개폐 비율을 조절하여 발열량 변동에 따른 공연비를 제어하는 것을 고려할 수 있다.
그리고, 보다 구체적으로 상기 링크부는 일정 주기로 상기 상대적인 개폐 비율을 재설정하는 것을 역할을 수행한다.
한편, 상기 유량제어단계의 제2실시예는, 상기 공기 공급라인(10)에 설치되는 제1밸브 및 상기 연료가스 공급라인(20)에 설치되어 상기 제1밸브를 지나 상기 공기 공급라인(10)의 압력과 상기 연료가스 공급라인(20)의 압력비를 일정하게 하는 압력비 조정기형 제어밸브를 통하여 상기 공기 및 연료가스의 공급량을 조절하되, 상기 연료가스 공급라인(20)에 있어서 상기 하는 압력비 조정기형 제어밸브와 공업로(1) 사이에 위치되며, 상기 압력비 조정기형 제어밸브를 통과하여 상기 공업로(1)로 공급되는 연료가스의 공급량을 조절하는 미세제어수단을 마련하여, 상기 연산단계의 공정별 연료조정 제어 출력에 따라 상기 미세제어수단의 개폐율을 조절하여 상기 연료가스의 공급량을 조절하여 발열량 변동에 따른 공연비를 제어하는 것을 고려할 수 있다. 그리고, 상기 미세제어수단은 일정 주기로 상기 연료가스의 공급량을 조절한다.
한편, 상기 유량제어단계의 제3실시예는 상기 공기 공급라인(10)에 설치되는 제1밸브 및 상기 연료가스 공급라인(20)에 설치되는 제2밸브를 통하여 상기 공기 및 연료가스의 공급량을 조절하되 상기 제1밸브 및 제2밸브의 개폐정도를 각각 조절하는 제1액츄에이터 및 제2액츄에이터를 마련하여 상기 연산단계의 공정별 연료조정 제어 출력에 따라 상기 제1액츄에이터 및 제2액츄에이터를 독립적으로 작동시켜 상기 제1밸브 및 제2밸브의 상대적인 개폐비율을 조절하여 발열량 변동에 따른 공연비를 제어하는 것을 고려할 수 있다. 그리고, 상기 제1액츄에이터 및 제2액츄에이터는 일정 주기로 상기 제1밸브 및 제2밸브의 상대적인 개폐비율을 조절하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 유량제어단계의 제4실시예는 상기 공기 공급라인(10)에 설치되는 제1유량센서 및 상기 연료가스 공급라인(20)에 설치되는 제2유량센서를 통하여 공기 공급라인(10) 및 연료가스 공급라인(20)으로 공급되는 공기 및 연료가스의 유량을 측정하며, 상기 공기 공급라인(10)에 있어서 상기 제1유량센서와 상기 공업로(1) 사이에 설치되는 제1밸브 및 상기 연료가스 공급라인(20)에 있어서 상기 제2유량센서와 공업로(1) 사이에 설치되는 제2밸브를 통하여 상기 공기 및 연료가스의 유량을 조절하되, 상기 제1밸브 및 제2밸브의 개폐정도를 각각 조절하는 제1액츄에이터 및 제2액츄에이터 및 상기 제1유량센서 및 제2유량센서로부터 공기 및 연료가스의 유량 정보를 입력받고 상기 제1액츄에이터 및 제2액츄에이터를 작동시키는 유량 제어 콘트롤러를 마련하여, 상기 연산단계의 공정별 연료조정 제어 출력 제어신호를 전달받아 주로 컴퓨터를 이용하여 공연비를 계산하고 유량 설정치를 재 설정하여 상기 유량 제어 콘트롤러는 상기 제1액츄에이터 및 제2액츄에이터를 독립적으로 작동시켜 상기 제1밸브 및 제2밸브의 상대적인 개폐비율을 조절하는 것을 고려할 수 있다. 그리고, 상기 유량 제어 콘트롤러는 일정 주기로 상기 제1밸브 및 제2밸브의 상대적인 개폐비율을 조절하는 것이 바람직하다.
1: 공업로
10: 공기 공급라인
20: 연료가스 공급라인
30: 발열량 센서
40: 제어부
50: 디스플레이부
110: 제1밸브
120: 제2밸브
130: 액츄에이터
140: 링크부
141: 제1링크
142: 제2링크
143: 조절부
210: 제1밸브
220: 압력비 조정기형 제어밸브
230: 액츄에이터
240: 미세제어수단
310: 제1밸브
320: 제2밸브
330: 제1액츄에이터
340: 제2액츄에이터
410: 제1유량센서
420: 제2유량센서
430: 제1밸브
440: 제2밸브
450: 제1액츄에이터
460: 제2액츄에이터
470: 유량 제어 콘트롤러

Claims (35)

  1. 연료가스의 연소가 일어나는 공업로;
    상기 공업로로 연료가스를 공급하는 연료가스 공급라인;
    상기 공업로로 연소에 필요한 공기를 공급하는 공기 공급라인;
    상기 연료가스 공급라인 및/또는 상기 공기 공급라인에 설치되어 상기 공업로에 공급되는 상기 연료가스와 공기의 공연비를 조절하는 유량제어장치;
    상기 연료가스 공급라인으로부터 상기 연료가스의 물성치를 측정하여 발열량을 추정하는 발열량 센서; 및
    상기 발열량 센서로부터 발열량 값을 입력받고 상기 유량제어장치에 공연비 제어신호를 전달하는 제어부;를 포함하며,
    상기 유량제어장치는,
    상기 공기 공급라인에 설치되는 제1밸브;
    상기 연료가스 공급라인에 설치되어, 상기 제1밸브를 지난후 상기 공기 공급라인의 압력과 상기 연료가스 공급라인의 압력비를 일정하게 하는 압력비 조정기형 제어밸브; 및
    상기 연료가스 공급라인에 있어서 상기 압력비 조정기형 제어밸브와 공업로 사이에 위치되며, 상기 압력비 조정기형 제어밸브를 통과하여 상기 공업로로 공급되는 연료가스의 공급량을 조절하는 미세제어수단;을 포함하되,
    상기 미세제어수단은 상기 제어부의 연료조정 제어 출력 제어신호를 입력받아 상기 연료가스의 공급량을 조절하는 것을 특징으로 하는 발열량 변동 공연비 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 발열량 센서가 측정하는 물성치는 음속 및/또는 열전도성인 것을 특징으로 하는 발열량 변동 공연비 제어 장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 미세제어수단은 일정 주기로 상기 연료가스의 공급량을 조절하는 것을 특징으로 하는 발열량 변동 공연비 제어 장치.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 연료가스와 공기의 공연비를 조절하는 공연비 제어 시스템에 있어서,
    연료가스의 발열량 측정하여 연료가스의 발열량 정보를 출력하는 측정부;
    상기 측정부로부터 출력된 이론 공연비 정보를 기반으로 공정별 설정 공연비를 계산하고 연료조정 제어 출력을 연산하는 연산부; 및
    상기 공정별 연료조정 제어 출력 값을 입력받아 상기 연료가스 및 공기의 공급량을 조절하는 유량제어부;를 포함하며,
    상기 연산부로부터 계산된 공정별 설정 공연비, 연료 조정율, 연료조정 제어 출력 및 상기 측정부에서 측정된 발열량의 변동을 화면에 출력하는 디스플레이부;를 더 포함하며,
    상기 디스플레이부는, 웨버지수, 비중(공기밀도 대비), 연료 보정률 및 발열량 대응 출력을 더 포함하는 데이터를 화면에 출력하는 것을 특징으로 하는 발열량 변동 공연비 제어 시스템.
  12. 삭제
  13. 제11항에 있어서,
    상기 연산부는 공정조건, 분위기조건 및 상기 유량제어부의 종류를 고려하여 상기 연료가스 및 연료공기의 공급량, 연료 조정율, 연료조정 제어 출력을 결정하는 것을 특징으로 하는 발열량 변동 공연비 제어 시스템.
  14. 삭제
  15. 제13항에 있어서,
    상기 유량제어부는,
    공기 공급라인에 설치되는 제1밸브;
    연료가스 공급라인에 설치되는 제2밸브;
    상기 제1밸브를 작동시키는 액츄에이터; 및
    상기 제1밸브와 제2밸브를 상호 기계적으로 연동시켜 개폐하는 링크부;를 포함하되,
    상기 링크부는 상기 연산부의 공정별 연료조정 제어 출력에 따라 상기 제1밸브와 제2밸브의 상대적인 개폐 비율을 조절하는 것을 특징으로 하는 발열량 변동 공연비 제어 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 링크부는 일정 주기로 상기 상대적인 개폐 비율을 재설정하는 것을 특징으로 하는 발열량 변동 공연비 제어 시스템.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 유량제어부는,
    공기 공급라인에 설치되는 제1밸브;
    연료가스 공급라인에 설치되어, 상기 제1밸브를 통과한 상기 공기 공급라인의 압력과 상기 연료가스 공급라인의 압력비를 일정하게 하는 압력비 조정기형 제어밸브; 및
    상기 연료가스 공급라인에 있어서, 상기 압력비 조정기형 제어밸브와 상기 연료가스 공급라인이 최종 연결되는 공업로 사이에 위치되며, 상기 압력비 조정기형 제어밸브를 통과하여 상기 공업로로 공급되는 연료가스의 공급량을 조절하는 미세제어수단;을 포함하되,
    상기 미세제어수단은 상기 연산부의 공정별 연료조정 제어 출력에 따라 상기 연료가스의 공급량을 조절하는 것을 특징으로 하는 발열량 변동 공연비 제어 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 미세제어수단은 일정 주기로 상기 연료가스의 공급량을 조절하는 것을 특징으로 하는 발열량 변동 공연비 제어 시스템.
  19. 제13항에 있어서,
    상기 유량제어부는,
    공기 공급라인에 설치되는 제1밸브;
    연료가스 공급라인에 설치되는 제2밸브;
    상기 제1밸브 및 제2밸브의 개폐정도를 각각 조절하는 제1액츄에이터 및 제2액츄에이터;를 포함하되,
    상기 제1액츄에이터 및 제2액츄에이터는 각각 상기 연산부의 공정별 연료조정 제어 출력에 따라 상기 제1밸브 및 제2밸브의 상대적인 개폐비율을 조절하는 것을 특징으로 하는 발열량 변동 공연비 제어 시스템.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 제1액츄에이터 및 제2액츄에이터는 일정 주기로 상기 제1밸브 및 제2밸브의 상대적인 개폐비율을 조절하는 것을 특징으로 하는 발열량 변동 공연비 제어 시스템.
  21. 제11항에 있어서,
    공기 공급라인에 설치되는 제1유량센서;
    연료가스 공급라인에 설치되는 제2유량센서;
    상기 공기 공급라인 및 연료가스 공급라인이 연결되어 공기 및 연료가스가 공급되는 공업로;
    상기 공기 공급라인에 있어서, 상기 제1유량센서와 상기 공업로 사이에 설치되는 제1밸브;
    상기 연료가스 공급라인에 있어서 상기 제2유량센서와 상기 공업로 사이에 설치되는 제2밸브;
    상기 제1밸브 및 제2밸브의 개폐정도를 각각 조절하는 제1액츄에이터 및 제2액츄에이터; 및
    상기 제1유량센서 및 제2유량센서로부터 공기 및 연료가스의 유량 정보를 입력받고 상기 제1액츄에이터 및 제2액츄에이터를 작동시키는 유량 제어 콘트롤러(FIC);를 포함하되,
    상기 유량 제어 콘트롤러(FIC)는 상기 각각 상기 연산부의 공정별 연료조정 제어 출력에 따라 상기 제1밸브 및 제2밸브의 상대적인 개폐비율을 조절하는 것을 특징으로 하는 발열량 변동 공연비 제어 시스템.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 유량 제어 콘트롤러(FIC)는 일정 주기로 상기 제1밸브 및 제2밸브의 상대적인 개폐비율을 조절하는 것을 특징으로 하는 발열량 변동 공연비 제어 시스템.
  23. 제13항에 있어서,
    상기 측정부는 상기 연료가스의 음속 및/또는 열전도성을 측정하여 발열량을 출력하는 것을 특징으로 하는 발열량 변동 공연비 제어 시스템
  24. 제13항에 있어서,
    상기 분위기조건은,
    공업로로 내부의 O2 % 농도, CO % 농도 또는 온도 중 적어도 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 발열량 변동 공연비 제어 시스템.
  25. 제13항에 있어서,
    상기 공정조건은,
    가열공정, 직화식 소둔 열처리공정, DX 가스 소둔 열처리공정 중 어느 하나의 공정인 것을 특징으로 하는 발열량 변동 공연비 제어 시스템.
  26. 발열량 센서를 이용하여 연료가스의 발열량을 측정하는 측정단계;
    측정단계에서 출력된 발열량 정보를 기반으로 공정별 설정 공연비를 계산하고, 연료 보정율, 연료조정 제어 출력을 출력하는 연산단계; 및
    상기 연산단계에서 출력된 공정별 연료조정 제어 출력 입력받아 상기 연료가스 및 공기의 공급량을 조절하는 유량제어단계;
    를 포함하며,
    상기 연산단계는,
    상기 발열량 센서로부터 측정된 발열량 측정값이 공연비 진단 프로그램으로 입력되는 단계;
    상기 공연비 진단 프로그램으로부터 로컬 스풀을 거쳐 설정 공연비 설정프로그램으로 상기 발열량 측정값이 입력되는 단계;
    상기 설정 공연비 설정프로그램에서 공정별 설정 공연비를 결정하는 단계;
    상기 설정 공연비 프로그램으로부터 결정된 공정별 설정 공연비를 로컬 스풀을 통하여 상기 공연비 진단 프로그램으로 입력하는 단계;
    상기 공연비 진단 프로그램으로부터 PLC(Programmable Logic Controller)를 거쳐 연료 보정 값, 연소 부하 출력 값 및 연료조정 제어 출력 값을 출력하는 단계; 및
    상기 PLC로부터 출력되는 연료 보정 값, 연소 부하 출력 값 및 연료조정 제어 출력 값을 출력하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 발열량 변동 공연비 제어 방법.
  27. 삭제
  28. 제26항에 있어서,
    상기 유량제어단계는,
    공기 공급라인에 설치되는 제1밸브 및 연료가스 공급라인에 설치되는 제2밸브를 통하여 상기 공기 및 연료가스의 공급량을 조절하되,
    상기 제1밸브를 작동시키는 액츄에이터를 마련하고, 상기 제1밸브와 제2밸브를 상호 기계적으로 연동시켜 개폐하는 링크부를 마련하여,
    상기 연산단계의 공정별 연료조정 제어 출력에 따라 상기 링크부의 상기 제1밸브와 제2밸브의 상대적인 개폐 비율을 조절하여 발열량 변동에 따른 공연비를 제어하는 것을 특징으로 발열량 변동 공연비 제어 방법.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 링크부는 일정 주기로 상기 상대적인 개폐 비율을 재설정하는 것을 특징으로 하는 발열량 변동 공연비 제어 방법.
  30. 발열량 센서를 이용하여 연료가스의 발열량을 측정하는 측정단계;
    측정단계에서 출력된 발열량 정보를 기반으로 공정별 설정 공연비를 계산하고, 연료 보정율, 연료조정 제어 출력을 출력하는 연산단계; 및
    상기 연산단계에서 출력된 공정별 연료조정 제어 출력 입력받아 상기 연료가스 및 공기의 공급량을 조절하는 유량제어단계;
    를 포함하며,
    상기 유량제어단계는,
    공기 공급라인 및 연료가스 공급라인을 통하여 공업로에 공기 및 연료가스를 공급하며,
    상기 공기 공급라인에 설치되는 제1밸브 및 상기 연료가스 공급라인에 설치되어 상기 제1밸브를 통과한 상기 공기 공급라인의 압력과 상기 연료가스 공급라인의 압력비를 일정하게 하는 압력비 조정기형 제어밸브를 통하여 상기 공기 및 연료가스의 공급량을 조절하되,
    상기 연료가스 공급라인에 있어서, 상기 압력비 조정기형 제어밸브와 상기 공업로 사이에 위치되며, 상기 압력비 조정기형 제어밸브를 통과하여 상기 공업로로 공급되는 연료가스의 공급량을 조절하는 미세제어수단을 마련하여,
    상기 연산단계의 공정별 연료조정 제어 출력에 따라 상기 미세제어수단의 개폐율을 조절하여 상기 연료가스의 공급량을 조절하여 발열량 변동에 따른 공연비를 제어하는 것을 특징으로 발열량 변동 공연비 제어 방법.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 미세제어수단은 일정 주기로 상기 연료가스의 공급량을 조절하는 것을 특징으로 하는 발열량 변동 공연비 제어 방법.
  32. 제26항에 있어서,
    상기 유량제어단계는,
    공기 공급라인 및 연료가스 공급라인을 통하여 공업로에 공기 및 연료가스를 공급하며,
    상기 공기 공급라인에 설치되는 제1밸브 및 상기 연료가스 공급라인에 설치되는 제2밸브를 통하여 상기 공기 및 연료가스의 공급량을 조절하되,
    상기 제1밸브 및 제2밸브의 개폐정도를 각각 조절하는 제1액츄에이터 및 제2액츄에이터를 마련하여,
    상기 연산단계의 공정별 연료조정 제어 출력에 따라 상기 제1액츄에이터 및 제2액츄에이터를 독립적으로 작동시켜 상기 제1밸브 및 제2밸브의 상대적인 개폐비율을 조절하여 발열량 변동에 따른 공연비를 제어하는 것을 특징으로 발열량 변동 공연비 제어 방법.
  33. 제32항에 있어서,
    상기 제1액츄에이터 및 제2액츄에이터는 일정 주기로 상기 제1밸브 및 제2밸브의 상대적인 개폐비율을 조절하는 것을 특징으로 하는 발열량 변동 공연비 제어 방법.
  34. 제26항에 있어서,
    상기 유량제어단계는,
    공기 공급라인 및 연료가스 공급라인을 통하여 공업로에 공기 및 연료가스를 공급하며,
    상기 공기 공급라인에 설치되는 제1유량센서 및 상기 연료가스 공급라인에 설치되는 제2유량센서를 통하여 공기 공급라인 및 연료가스 공급라인으로 공급되는 공기 및 연료가스의 유량을 측정하며,
    상기 공기 공급라인에 있어서 상기 제1유량센서와 상기 공업로 사이에 설치되는 제1밸브 및 상기 연료가스 공급라인에 있어서 상기 제2유량센서와 상기 공업로 사이에 설치되는 제2밸브를 통하여 상기 공기 및 연료가스의 유량을 조절하되,
    상기 제1밸브 및 제2밸브의 개폐정도를 각각 조절하는 제1액츄에이터 및 제2액츄에이터 및 상기 제1유량센서 및 제2유량센서로부터 공기 및 연료가스의 유량 정보를 입력받고 상기 제1액츄에이터 및 제2액츄에이터를 작동시키는 유량 제어 콘트롤러(FIC)를 마련하여,
    상기 연산단계의 공정별 설정 공연비, 공정별 연료조정 제어 출력에 따라 상기 유량 제어 콘트롤러는 상기 제1액츄에이터 및 제2액츄에이터를 독립적으로 작동시켜 상기 제1밸브 및 제2밸브의 상대적인 개폐비율을 조절하는 것을 특징으로 하는 발열량 변동 공연비 제어 방법.
  35. 제34항에 있어서,
    상기 유량 제어 콘트롤러(FIC)는 일정 주기로 상기 제1밸브 및 제2밸브의 상대적인 개폐비율을 조절하는 것을 특징으로 하는 발열량 변동 공연비 제어 방법.
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CN109579044A (zh) * 2018-11-09 2019-04-05 鞍钢股份有限公司 一种步进式加热炉空燃比动态前馈燃烧控制方法

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