KR101467922B1 - 보일러 튜브 막힘 조기감지 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저부하시 막힘튜브의 온도가 정상튜브 보다 감소하고 고부하시 증가하는 특성을 이용하여 튜브 막힘 여부를 감지하는 보일러 튜브막힘 조기감지 방법에 관한 것이다. 본 발명에서는 같은 열(번들)내의 튜브간의 상관분석을 이용하여 기준값을 설정하고 실시간 측정값과 비교하며, 열들간의 온도편차 패턴을 이용하여 패턴을 벗어난 막힘튜브를 감지하고, 기초 운전상태와 관련 운전데이터를 화면 표시하며, 튜브별 온도 표시 및 막힘 발생시 색이나 알람음으로 경고 표시한다. 따라서, 본 발명은 보일러 기동시 튜브막힘 여부를 실시간 확인하여 스팀 블로잉의 실시 횟수나 방법을 조정할 수 있으며, 이로 인하여 스팀 블로잉 시 발생하는 연료비, 소내전력 등 기동비용 절감 및 기동시간 지연으로 인한 손실금을 최소화할 수 있으며, 정상운전 중에도 튜브 막힘 발생시 조기 확인이 가능하여 파급 사고 방지 및 빠른 대응이 가능하다.

Description

보일러 튜브 막힘 조기감지 방법{Method for early detection of boiler tube plugging}

본 발명은 보일러 튜브 막힘 감지에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 보일러 점화후 저부하에서부터 고부하시까지 막힘튜브와 정상튜브간의 온도변화 패턴을 이용하여 튜브막힘 발생을 조기에 감지하여 빠른 조치가 가능하도록 한 보일러 튜브막힘 조기감지 방법에 관한 것이다.

화력발전이란 석탄, 석유, 가스와 같은 화석연료를 태워서 나온 열로 보일러에서 물을 끓여 고온 고압의 증기를 만들고, 그 증기를 여러 겹의 프로펠러 형상을 가진 터빈내를 통과시켜 3,600rpm의 고속 회전력을 얻어 같은 축에 연결된 발전기를 회전시킴으로서 전기를 만드는 발전방식을 말한다.

화력발전소는 주로 관류형(Tube-type) 보일러로, 보일러 기동 및 운전시 튜브들이 막힘으로써 튜브파열에 의한 사고파급 및 불시정지로 인한 피해가 심각하다.

보일러 튜브의 막힘을 방지하기 위하여, 기존에는 보일러 튜브에 온도 감시장치를 설치하여 보일러 내부에 설치되어 있는 각 튜브의 온도를 감시하여 튜브의 막힘 여부를 확인하였다. 즉, 보일러 튜브 막힘 발생시 정상 튜브에 비해 확연히 증가된 온도를 파악하여 튜브의 막힘 여부를 확인하고 있다.

하지만, 보일러의 구조적 특성상 보일러 기동시 고부하에서만 막힘 튜브의 온도 증가폭이 커지고 저부하에서는 막힘 튜브의 온도 증가폭이 적고 다이나믹(dynamic)하게 프로세스가 변하기 때문에 수백개에서 천여개에 달하는 모든 튜브의 온도 변화 상태를 감지하여 튜브 막힘을 확인하기는 실질적으로 어렵다.

따라서, 본 발명의 목적은 전술한 점을 감안하여 안출된 것으로, 보일러 점화후 저부하에서부터 고부하시까지 믹힘 튜브와 정상 튜브 간의 온도변화 패턴을 이용하여 튜브막힘 발생시 조기 감지하여 빠른 조치가 가능하도록 한 보일러 튜브 막힘 조기감지 방법을 제공하는 데 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 보일러 튜브 막힘 조기감지 방법은, 보일러 튜브 막힘 조기감지를 위한 방법에 있어서, (1) 같은 열에 위치하는 튜브 간 온도를 비교하여 발생되는 온도 편차가 미리 설정된 허용범위를 벗어나면, 튜브 막힘으로 감지하는 열내 비교 감지단계와, (2) 좌우 열에 위치하는 튜브 간 온도를 비교하여 발생되는 온도 편차가 미리 설정된 허용범위를 벗어나면, 튜브 막힘으로 감지하는 열간 비교 감지단계, 및 (3) 상기 열내 및 열간 비교 감지단계의 감지 결과에 따라 튜브의 막힘 여부를 표시하는 단계를 포함하며, 저부하시 막힘튜브의 온도가 정상튜브 보다 감소하고, 고부하시 증가하는 특성에 따라 초기부하에서부터 튜브 막힘 여부를 조기 감지함을 특징으로 한다.

본 발명의 보일러 튜브 막힘 조기감지 방법은, 보일러 기동시 튜브막힘 여부를 실시간으로 확인할 수 있으므로 정비 데이터 및 기존 실적에 의존하여 의무적으로 시행하던 스팀블로잉(Steam Blowing)의 실시 횟수나 방법을 조정할 수 있어 최적화된 스팀블로잉 시행이 가능하다. 스팀블로잉은 HP 바이패스 밸브나 스팀 블로잉 전용 밸브를 이용하여 보일러 튜브에 급격한 유량(압력)변화를 발생시켜 튜브 내의 이물질을 제거하는 방법이다. 따라서, 스팀블로잉시 발생하는 연료비, 소내전력 등 기동비용 절감 및 기동시간 지연으로 인한 손실금을 최소화할 수 있는 효과를 갖는다.

또한, 정상 운전중에도 튜브 막힘 발생시 조기 확인이 가능하여 파급사고 방지 및 빠른 대응이 가능하며, 실시간 튜브 상태 판정에 따른 보일러 운전방법을 결정할 수 있어 신뢰성 확보가 가능하다.

도 1의 (가) 및 (나)는 보일러 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 보일러 튜브 막힘 조기감지 방법 중 부하변화에 따른 정상 튜브와 막힘 튜브 간 온도변화 특성을 이용한 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 보일러 튜브 막힘 조기감지 방법 중 상관관계 분석을 이용한 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 보일러 튜브 막힘 조기감지 방법 중 좌우 열간 온도편차의 비교를 이용한 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따라 컴퓨터에 표시되는 보일러 튜브 막힘 감지 화면이다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 기술하기로 한다.

도 1의 (가) 및 (나)는 일반적인 화력 보일러 구조를 개략적으로 도시한 것이다.

도 1의 (가) 및 (나)에 도시된 보일러의 구조적 특성에 따라 부하변화시 전열면에 따라 열부하량의 변화특성이 상이하다.

즉, 도 2에 도시한 바와 같이, 최종 과열기(Final Superheater; FSH) 구간의 경우(Two Pass Type Boiler) 저부하시와 고부하시의 정상튜브와 막힘튜브 간 온도변화 특성이 상이하다.

최종 과열기(Final Superheater; FSH)는 도 1에 도시한 바와 같이, 전열면 후부에 위치하여 위치 특성상 저부하시에는 복사에너지를 받을 수 없고 대류에너지량이 적어 유입 증기온도에 비해 출구 증기온도가 낮아지는 현상이 발생한다. 따라서, 튜브 막힘시 유입증기량이 적어져 정상 튜브보다도 더욱 온도가 낮아지게 되며, 반대로 고부하시에는 막힘 튜브의 온도가 더 높아지게 된다.

따라서, 본 발명에서는 이러한 특성을 활용하여 정상적인 튜브와 비정상 튜브 간의 온도 차이를 이용하여 병입 이전의 저부하시부터 튜브의 막힘 여부를 감지하도록 한다.

각 열(bundle)내에 위치한 튜브별 기준온도와 튜브에 설치한 센서에 의해 측정된 실제온도를 비교한다. 도 2에 도시한 부하변화에 따른 정상 튜브와 막힘 튜브 간의 온도편차 추이에 따라, 병입 이전의 초기 저부하에서는 튜브의 실제온도가 기준온도보다 낮으면 튜브 막힘으로 감지하고 일단 관심 상태로 경고한다. 부하 상승에 따른 고부하에서는 튜브의 실제온도가 기준온도보다 높을 경우 튜브 막힘 발생으로 감지하고 관심 상태로 경고한다.

같은 열(Bundle)내에 위치한 튜브는 그 형상 및 위치에 따라서 부하 변화에 따른 온도 변화 특성이 틀리다. 그러므로, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에서는 같은 열내에 위치한 인접한 튜브간의 온도변화특성을 상관관계 분석을 통해 유사 특성을 갖는 튜브들을 비교군으로 선정한다.

즉, 도 3에 도시한 바와 같이, 같은 열(Bundle)내에 13개 튜브가 위치한 경우, 튜브 1에서 13번까지 부하상승에 따른 열평균온도 대비 튜브온도 상관관계 분석을 통해 유사특성을 갖는 튜브 1과 2번, 튜브 3, 4, 6번, 튜브 5, 7, 11번, 튜브 8, 9, 10번, 튜브 12와 13번을 비교군으로 선정한다. 그런 다음, 선정된 비교군내에 위치한 특성이 같은 튜브간 온도를 비교하여 튜브 막힘을 감지한다. 여기에서 1, 2번 튜브는 복사 및 대류열을 가장 많이 받는 위치에 있기 때문에 부하변화의 영향이 크다. 5, 7, 11번 튜브는 행거(hanger)구조를 이루고 있어 스팀(STM)유로의 저항으로 작용하여 막힘 튜브와 비슷한 패턴을 보인다. 8, 9, 10번 튜브는 상대적으로 안정적 변화 패턴을 보인다.

예를 들면, 튜브 1의 실제 온도와 같은 비교군에 속하는 튜브 2의 실제 온도를 비교하여 튜브 1의 막힘 여부를 감지하며, 이때 튜브 2의 온도가 기준값이 되게 된다. 반대로, 튜브 2의 막힘 여부 감지시에는 같은 비교군에 속하는 튜브 1의 온도가 기준값이 되게 된다.

마찬가지로, 같은 비교군에 속하는 튜브 3, 4, 6번에 대해서 튜브 3의 막힘 여부 감지시 튜브 4 및 6의 온도를 각각 기준값으로 하여 튜브 3의 실제 온도와 튜브 4의 온도를 비교하고, 튜브 3의 실제 온도와 튜브 6의 온도를 비교하여 저부하에서는 비교한 온도편차가 허용범위를 벗어나 더욱 낮을 때, 고부하에서는 온도편차가 허용범위를 벗어나 더욱 높을 때 막힘 튜브로 감지하게 된다.

한편, 좌우로 일정간격을 두고 길게 늘어선 튜브열들은 가스편류 등의 이유로 같은 부하에서도 구간별로 온도 편차가 발생함으로 열간의 온도편차가 발생한다.

따라서, 본 발명에서는 같은 열 내에 위치한 튜브 간 비교에 의한 막힘 여부를 감지하는 열내 비교 감지에 더하여, 열 간 비교에 의한 막힘 여부를 감지하는 열간 비교 감지를 한다.

열(bundle)간 비교 감지는 도 4에 도시한 바와 같이, 인접 열간 열분포에 따른 온도패턴을 수집하여 인접 열간 온도 편차 패턴을 구현해놓고, 패턴을 벗어난 튜브를 감지하여 막힘상태를 확인하게 된다. 즉, 실시간 측정값이 구현해놓은 패턴에서 허용범위를 벗어날 경우 튜브 막힘을 감지한다.

이때, 허용범위의 설정은 부하증감에 따라 허용범위를 조정하여 설정하며, 증기온도와 압력을 이용해 열량(HeatFlux)을 계산하여 최종 과열기(FSH) 구간의 열부하량 변화에 따라 허용범위를 조정한다.

예를 들면, 26번열 튜브1의 막힘 여부를 감지시, 26번열 튜브 1의 실제 온도와 좌우에 있는 25번열과 27번열의 튜브1의 온도를 각각 비교하여 비교한 온도편차가 구현해놓은 패턴에서 허용범위 이상 벗어날 경우 26번열 튜브1을 막힘 상태로 감지하고, 이때에는 주의 경고를 하게 된다.

최종적으로, 열내 비교 감지에서 관심 경고되고 열간 비교 감지에서 주의 경고된 튜브의 경우에는 튜브 막힘 정도를 위험상태로 감지하여 위험 경고를 하게 된다. 즉, 열간 및 열내 비교의 이중 적용으로 막힘 판정하여 튜브 막힘 정도를 관심, 경고, 위험 상태로 감지하여 경고 표시할 수 있게 된다.

도 5는 본 발명에 따라 컴퓨터에 표시되는 보일러 튜브막힘 감지 화면이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에서는 운전데이타 표시창(510), 튜브별 온도 표시창(520), 상태 표시창(530), 그리고 튜브막힘 감지 상태 표시창(540)으로 보일러 튜브 모니터링 화면을 구성한다.

화면 좌측 최상단에 위치한 운전데이타 표시창(510)에는 발전출력, 보일러 튜브중 가장 높은 튜브의 온도, 주중기 온도, 열량 및 유량, 바이패스밸브 개도 등의 주요 운전데이터 및 튜브온도 영향 데이타가 표시된다.

튜브별 온도 표시창(520)에는 전체 열의 모든 튜브 온도가 표시된다.

상태 표시창(530)에는 튜브의 막힘 여부가 표시되되, 색이나 알람을 통해 경고 표시된다. 본 실시예에서는 막히지 않은 튜브는 파란색으로 정상 표시하고, 막힌 튜브는 그 막힘 정도에 따라 3단계로 구분 표시하되 노란색으로 관심 경고 표시, 주황색으로 주의 경고 표시 및 빨간색으로 위험 경고 표시하여 운전자가 쉽게 인식할 수 있도록 한다. 이때, 온도표시창(520)과 중복 표현도 가능하다.

튜브막힘 감지를 위한 분석값 표시창(540)은 본 발명에 따른 보일러 튜브 막힘 조기감지 동작 상태를 실시간으로 보여주는 화면으로, 이는 감춤기능을 보유하여 화면 상에서 표시를 숨길 수 있다.

발전소 보일러 제어실 운전용 컴퓨터 화면(500)에는 현재 보일러 운전상태 뿐만 아니라 튜브별 온도, 튜브열(Bundle)간 온도편차, 튜브별 막힘 여부 등이 표시됨으로써, 운전자가 현재 보일러 튜브의 온도 및 막힘을 손쉽게 파악할 수 있게 된다. 따라서, 보일러 튜브 막힘 발생 상태를 조기에 발견함으로써 튜브 파열 등의 사고를 예방할 수 있다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 보일러 튜브 막힘 조기감지 방법을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

FSH : 최종 과열기 500 : 컴퓨터 화면
510 : 운전데이터 표시창 520 : 튜브별 온도 표시창
530 : 상태 표시창 540 : 분석값 표시창

Claims (7)

1. 보일러 튜브 막힘 조기감지를 위한 방법에 있어서,
   (1) 같은 열에 위치하는 튜브 간 온도를 비교하여 발생되는 온도 편차가 미리 설정된 허용범위를 벗어나면, 튜브 막힘으로 감지하는 열내 비교 감지단계;
   (2) 좌우 열에 위치하는 튜브 간 온도를 비교하여 발생되는 온도 편차가 미리 설정된 허용범위를 벗어나면, 튜브 막힘으로 감지하는 열간 비교 감지단계; 및
   (3) 상기 열내 및 열간 비교 감지단계의 감지 결과에 따라 튜브의 막힘 여부를 표시하는 단계를 포함하며,
   저부하시 막힘튜브의 온도가 정상튜브 보다 감소하고, 고부하시 증가하는 특성에 따라 초기부하에서부터 튜브 막힘 여부를 조기 감지함을 특징으로 하는 보일러 튜브 막힘 조기감지 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 단계 (1)은
   (1a) 같은 열에 위치하는 튜브별 부하에 따른 온도 변화 특성 중 상관관계 분석을 통해 유사 특성을 갖는 튜브들을 비교군으로 선정하는 단계;
   (1b) 같은 비교군에 속하는 튜브들간 온도를 비교하는 단계; 및
   (1c) 비교결과, 저부하시 튜브 온도가 비교군의 튜브 온도 보다 낮아지게 되면 막힘 튜브로 감지하고, 고부하시 튜브 온도가 비교군의 튜브 온도 보다 높아지게 되면 막힘 튜브로 감지하는 단계를 구비함을 특징으로 하는 보일러 튜브 막힘 조기감지 방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 단계 (2)는
   (2a) 인접 열간 열분포에 따른 온도패턴을 수집하여 인접 열간 온도 편차 패턴을 구현하는 단계; 및
   (2b) 구현해놓은 패턴을 벗어난 튜브를 감지하여 막힘상태를 확인하는 단계를 구비함을 특징으로 하는 보일러 튜브 막힘 조기감지 방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 허용범위는 증기온도와 압력을 이용해 열량을 계산하여 최종 과열기 구간의 열부하량 변화에 따라 조정함을 특징으로 하는 보일러 튜브 막힘 조기감지 방법.
5. 제 1항에 있어서, 상기 단계 (3)은 운전상태와 운전데이터 표시, 튜브별 온도 표시, 막힘 발생시 경고 표시함을 특징으로 하는 보일러 튜브 막힘 조기감지 방법.
6. 제 5항에 있어서, 상기 막힘 발생시 색이나 알람음으로 경고 표시함을 특징으로 하는 보일러 튜브 막힘 조기감지 방법.
7. 제 6항에 있어서, 튜브 막힘 정도에 따라 색을 달리하여 경고 표시하되, 상기 단계 (1)에서만 막힘 감지되는 튜브는 제 1색으로 관심 경고 표시하고, 상기 단계 (2)에서만 막힘 감지되는 튜브는 제 2색으로 주의 경고 표시하고, 상기 단계 (1)과 (2)에서 모두 막힘 감지되는 튜브는 제 3색으로 위험 경고 표시함을 특징으로 하는 보일러 튜브 막힘 조기감지 방법.

Images