KR101656673B1 - 석탄 연소 시뮬레이션 장치, 석탄 연소 최적화 장치 및 석탄 연소 최적화 방법 - Google Patents

석탄 연소 시뮬레이션 장치, 석탄 연소 최적화 장치 및 석탄 연소 최적화 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 석탄 연소 시뮬레이션 장치, 석탄 연소 최적화 장치 및 석탄 연소 최적화 방법에 관한 것이다. 석탄의 탄종별로 탄종성상을 추출하는 탄종성상 추출부; 탄종성상 및 연소 설비의 운전조건을 기초로 연소 설비의 열특성을 해석하는 열특성 해석부; 및 연소 설비의 열특성 및 연소 설비의 운전조건을 기초로 연소 설비의 석탄 연소를 해석하는 연소 해석부; 를 포함하는 석탄 연소 시뮬레이션 장치를 통해, 석탄의 탄종성상, 열특성 해석 및 연소 해석을 유기적으로 통합함으로써, 정밀도 및 예측정확도가 높은 연소 해석이 수행될 수 있다.

Description

석탄 연소 시뮬레이션 장치, 석탄 연소 최적화 장치 및 석탄 연소 최적화 방법 {Apparatus for coal combustion simulation, apparatus and method for coal combustion optimization}
본 발명은 석탄 연소 시뮬레이션 장치, 석탄 연소 최적화 장치 및 석탄 연소 최적화 방법에 관한 것이다.
일반적으로 화로내의 연소상태 예측은 발전소 운영에 있어서 핵심적인 기술이다. 보일러의 연소특성에 대한 분석은 실험과 해석의 두 가지 방법으로 나눠질 수 있다. 실험적인 방법에서 의미있는 데이터를 얻기 위해 장시간 동안의 여러가지 측정이 필요하다. 반면 연소 시뮬레이터를 이용한 해석적인 방법은 상대적으로 적은 제약조건으로 극단적인 운전상황까지도 시뮬레이션할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 따라서 연소 최적화 방법을 찾아낼 수 있는 유용한 대안이 될 수 있다.
최근 국내외 보일러 제작사, 발전회사, 대학 및 전산유체해석(CFD) 관련업체는 연소 해석 및 열성능 해석을 수행하고 있다. 그러나 연소최적화용 통합 시뮬레이터는 상용화된 제품이 없는 실정이다.
종래에는 보일러 화로의 화염측 해석 또는 열성능해석은 개별적으로 시행되어져왔고, 시뮬레이터의 형식이 아닌 전문가용 해석도구의 성격이 컸다. 즉 발전소의 일반 운전원들도 쉽게 활용 가능하도록 시뮬레이터들이 통합되기 어렵다는 문제점이 있다.
예를 들어, 석탄의 물성값을 활용한 지수에 의한 평가 방법은 석탄 및 회분의 분석치를 활용한 고전적인 평가지수를 적용한 평가방법으로 사용되고 있다. 이 방법은 연료자체의 특성에 대한 근사적인 경향파악에는 유용하나, 설비별 특성 및 운전조건별 특성이 반영되지 않는 단점이 있다. 또한 평가결과는 단편적인 경향성만 나타내기 때문에 활용성에 한계가 있다.
하기의 특허문헌 1은 전술한 석탄의 물성값을 활용한 지수에 의한 평가 방법에 관한 것을 개시하고 있다. 그러나 하기의 특허문헌 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 석탄 연소 최적화 장치 및 방법에 관한 내용을 개시하고 있지 못하고 있다.
일본 공개특허공보 특개2008-180481호
상기한 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명의 일 실시예는, 석탄 연소 시뮬레이션 장치, 석탄 연소 최적화 장치 및 석탄 연소 최적화 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 석탄 연소 시뮬레이션 장치는, 석탄의 탄종별로 탄종성상을 추출하는 탄종성상 추출부; 상기 탄종성상 및 연소 설비의 운전조건을 기초로 상기 연소 설비의 열특성을 해석하는 열특성 해석부; 및 상기 연소 설비의 열특성 및 상기 연소 설비의 운전조건을 기초로 상기 연소 설비의 석탄 연소를 해석하는 연소 해석부; 를 포함할 수 있다.
또한, 상기 열특성 해석부는 상기 연소 설비의 입구, 출구 및 표면의 열특성을 해석하고, 상기 연소 해석부는 상기 입구, 출구 및 표면의 열특성을 경계조건으로 하여 상기 연소 설비 내부의 석탄 연소를 해석할 수 있다.
또한, 상기 연소 해석부는 상기 연소 설비의 석탄 미연소율을 해석하여 상기 열특성 해석부로 피드백하고, 상기 열특성 해석부는 상기 석탄 미연소율을 기초로 상기 연소 설비의 열특성을 재해석할 수 있다.
또한, 상기 연소 해석부는 석탄 연소 민감도 및 키네틱(kinetic)을 해석하여 상기 연소 설비의 온도, 화학종, 부식, 마모, 슬래깅 중 적어도 하나를 좌표별로 추출할 수 있다.
또한, 상기 석탄의 탄종별로 반응지수를 추출하는 반응지수 추출부를 더 포함하고, 상기 연소 해석부는 상기 반응지수를 기초로 상기 연소 설비의 석탄 연소를 해석할 수 있다.
또한, 상기 연소 설비의 운전조건을 변경하는 운전조건 변경부를 더 포함하고, 상기 열특성 해석부는 운전조건의 변경에 따라 상기 연소 설비의 열특성을 반복적으로 해석하고, 상기 연소 해석부는 운전조건의 변경에 따라 상기 연소 설비의 석탄 연소를 반복적으로 해석할 수 있다.
또한, 상기 석탄의 탄종 및 연소 설비의 운전조건을 입력 받아 상기 탄종성상 추출부, 열특성 해석부 및 연소 해석부를 제어하는 시뮬레이션 제어부를 더 포함하고, 상기 석탄의 탄종이 변경될 경우, 상기 시뮬레이션 제어부는 상기 탄종성상 추출부의 동작을 제어하고, 상기 연소 설비의 운전조건이 변경될 경우, 상기 시뮬레이션 제어부는 상기 열특성 해석부 및 연소 해석부의 동작을 제어할 수 있다.
또한, 상기 연소 해석부의 석탄 연소 해석 결과를 저장하는 저장부; 및 상기 저장부에 저장된 석탄 연소 해석 결과를 기초로 상기 연소 설비의 좌표별 석탄 연소를 3D(3-dimension)로 표시하는 표시부; 를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 석탄 연소 최적화 장치는, 연소 설비의 연료로 사용될 석탄의 탄종을 선택하는 탄종 선택부; 상기 탄종 선택부에서 선택된 석탄의 탄종 및 연소 설비의 운전조건을 기초로 상기 연소 설비의 열특성을 해석하는 열특성 해석부; 상기 연소 설비의 열특성 및 상기 연소 설비의 운전조건을 기초로 상기 연소 설비의 석탄 연소를 해석하는 연소 해석부; 및 상기 연소 해석부의 해석 결과를 기초로 선택된 석탄의 탄종을 평가하는 탄종 평가부; 를 포함할 수 있다.
또한, 상기 탄종 평가부는 상기 연소 해석부의 해석 결과를 기초로 선택된 탄종의 경제성, 선택된 탄종의 연소에 의한 설비영향성 및 환경성 중에서 적어도 하나를 평가할 수 있다.
또한, 상기 연소 설비의 운전조건을 선택하는 운전조건 선택부; 및 상기 연소 해석부의 해석 결과를 기초로 선택된 운전조건을 평가하는 운전조건 평가부; 를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 탄종 평가부의 평가에 기초하여 상기 탄종 선택부가 선택한 탄종의 변경을 제어하는 제어부를 더 포함하고, 상기 탄종이 변경될 경우, 상기 제어부는 상기 열특성 해석부 및 연소 해석부의 동작을 제어하고, 상기 탄종이 변경되지 않을 경우, 상기 제어부는 상기 탄종 선택부가 선택한 탄종이 연소 설비에 사용되도록 상기 연소 설비를 제어할 수 있다.
또한, 상기 연소 해석부에서 사전에 수행된 석탄 연소 해석 결과를 저장하는 저장부를 더 포함하고, 상기 탄종 평가부는 상기 연소 해석부의 석탄 연소 해석 결과를 상기 저장부에 저장된 석탄 연소 해석 결과와 비교할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 석탄 연소 시뮬레이션 방법은, 석탄의 탄종 및 연소 설비의 운전조건을 선택하는 선택단계; 상기 석탄의 탄종 및 연소 설비의 운전조건을 기초로 상기 연소 설비의 열특성을 해석하는 열특성 해석단계; 상기 연소 설비의 열특성 및 상기 연소 설비의 운전조건을 기초로 상기 연소 설비의 석탄 연소를 해석하는 연소 해석단계; 및 상기 연소 해석 단계에서의 해석 결과를 기초로 선택된 석탄의 탄종 또는 선택된 운전조건의 변경을 제어하는 변경 제어단계; 를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 석탄 연소 시뮬레이션 방법은, 상기 연소 해석단계의 해석 결과를 기초로 선택된 탄종 또는 운전조건을 평가하는 평가단계; 상기 연소 해석단계의 석탄 연소 해석 결과를 저장하는 저장단계; 상기 저장단계에 저장된 석탄 연소 해석 결과를 기초로 상기 연소 설비의 좌표별 석탄 연소를 3D(3-dimension)로 표시하는 표시단계; 및 상기 연소 해석단계의 석탄 연소 해석 결과를 상기 변경 제어단계에 의해 상기 석탄의 탄종 또는 연소 설비의 운전조건이 변경되기 전의 상기 저장단계에 저장된 석탄 연소 해석 결과와 비교하는 비교단계; 를 더 포함할 수 있다.
석탄의 탄종성상, 열특성 해석 및 연소 해석을 유기적으로 통합함으로써, 정밀도 및 예측정확도가 높은 연소 해석이 수행될 수 있다.
또한, 연소 설비 화염측의 연소와 스팀측의 연소를 연계해석을 함으로써, 석탄 연소 시뮬레이션의 신뢰도가 높아질 수 있다.
또한, 석탄 연소 해석, 경제성, 연소에 의한 설비영향성 및 환경성이 통합된 석탄의 탄종 및 연소 설비 운전조건의 최적화에 의해, 연소 설비의 안정적인 운영 및 연료비의 절감이 실현될 수 있다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 석탄 연소 시뮬레이션 장치를 나타낸 블록도이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 석탄 연소 최적화 장치를 나타낸 블록도이다.
도3은 석탄 연소 시뮬레이션 장치에 포함된 탄종성상 추출부 및 반응지수 추출부의 동작을 예시한 도면이다.
도4는 석탄 연소 시뮬레이션 장치 및 석탄 연소 최적화 장치에 포함된 열특성 해석부의 동작을 예시한 도면이다.
도5는 석탄 연소 시뮬레이션 장치 및 석탄 연소 최적화 장치에 포함된 연소 해석부의 동작을 예시한 도면이다.
도6은 석탄 연소 시뮬레이션 장치 및 석탄 연소 최적화 장치에 포함된 연소 해석부의 민감도 및 키네틱 해석을 예시한 도면이다.
도7은 석탄 연소 시뮬레이션 장치 및 석탄 연소 최적화 장치에 포함된 표시부를 예시한 도면이다.
도8은 본 발명의 일 실시예에 따른 석탄 연소 최적화 방법을 나타낸 순서도이다.
도9는 본 발명의 일 실시예에 따른 석탄 연소 최적화 방법을 구체적으로 나타낸 순서도이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 실시 예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 석탄 연소 시뮬레이션 장치를 나타낸 블록도이다.
도1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 석탄 연소 시뮬레이션 장치(100)는, 탄종성상 추출부(110), 반응지수 추출부(111), 열특성 해석부(120), 연소 해석부(130), 운전조건 변경부(140), 시뮬레이션 제어부(150), 저장부(160) 및 표시부(170)를 포함할 수 있다.
탄종성상 추출부(110)는, 석탄의 탄종별로 탄종성상을 추출할 수 있다. 예를 들어, 탄종성상 추출부(110)는 탄종성상 추출을 통해 석탄의 탄종 자체의 연소성, 슬래깅성, 파울링성 등을 해석할 수 있다.
반응지수 추출부(111)는, 상기 석탄의 탄종별로 반응지수를 추출할 수 있다. 이에 따라, 연소 해석부(130)는 상기 반응지수를 기초로 연소 설비의 석탄 연소를 해석할 수 있다.
한편, 탄종성상 추출부(110) 및 반응지수 추출부(111)는 하나의 모듈에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 탄종성상 추출부(110) 및 반응지수 추출부(111)가 포함된 하나의 모듈은 상기 탄종성상과 반응지수를 열특성 해석부(120)나 시뮬레이션 제어부(150)에 보내줄 수 있다. 마찬가지로, 시뮬레이션 제어부(150)는 상기 하나의 모듈을 제어할 수 있다. 탄종성상 추출부(110) 및 반응지수 추출부(111)에 대한 구체적인 내용은 도3을 참조하여 후술된다.
열특성 해석부(120)는, 상기 탄종성상 및 연소 설비의 운전조건을 기초로 상기 연소 설비의 열특성을 해석할 수 있다. 예를 들어, 열특성 해석부(120)는 일차원 열역학 및 열전달 계산에 의한 연소 열평형 해석을 할 수 있다. 이를 통해, C, H, O, N, S 및 발열량으로부터 연소계산 및 열전달 계산이 수행될 수 있으며, 보일러 화염측의 온도 압력 유량 화학종 및 증기 측의 온도 압력 유량 계산이 수행될 수 있다. 한편, 연료와 운전조건에 따른 미연분 발생 및 유동 및 열유속이 불균일은 연소 해석부(130)와의 연계해석을 통해 고려될 수 있다.
또한, 열특성 해석부(120)는 상기 연소 설비의 입구, 출구 및 표면의 열특성을 해석할 수 있다. 이에 따라, 연소 해석부(130)는 상기 입구, 출구 및 표면의 열특성을 경계조건으로 하여 상기 연소 설비 내부의 석탄 연소를 해석할 수 있다. 예를 들어, 열특성 해석부(120)가 각각의 계산 단면에서의 평균값을 해석한다면, 연소 해석부(130)는 국부적인 연소 해석을 할 수 있다.
이처럼, 탄종성상 추출부(110), 열특성 해석부(120) 및 연소 해석부(130)는 각각 입력 및 출력변수를 정하고 특정 출력변수 중 연계변수를 지정할 수 있다. 이를 통해, 각각의 부에서 수행된 해석들이 유기적으로 통합될 수 있다. 마찬가지로, 석탄 연소 시뮬레이션 장치(100)는 석탄 연소의 해석 및 최적화에 이용될 수 있는 다양한 모델과 프로그램 정보를 수집 및 분석하여 통합시킬 수 있다. 즉, 석탄 연소 시뮬레이션 장치(100)는 상기 다양한 모델과 프로그램 각각의 특징과 장단점을 분석하여 입력변수, 출력변수, 연계변수 및 경계조건 등을 추출하고 이를 유기적으로 통합시킬 수 있다.
연소 해석부(130)는, 상기 연소 설비의 열특성 및 상기 연소 설비의 운전조건을 기초로 상기 연소 설비의 석탄 연소를 해석할 수 있다. 예를 들어, 연소 해석부(130)는 전산유체학 기반의 보일러 화로내부 화염 측 해석을 삼차원으로 수행할 수 있다. 이에 따라, 연소 해석부(130)는 연소해석 화로내의 국부적 유동, 온도 및 화학종 분포를 예측할 수 있다. 또한, 각각의 보일러 전열면에 대한 튜브의 증기측 온도, 증기측 열흡수율 등 스팀측 해석은 열특성 해석부(120)와의 연계해석을 통한 경계조건의 설정을 통해 수행될 수 있다.
또한, 상기 연소 해석부(130)는 상기 연소 설비의 석탄 미연소율을 해석하여 상기 열특성 해석부로 피드백할 수 있다. 이에 따라, 상기 열특성 해석부는 상기 석탄 미연소율을 기초로 상기 연소 설비의 열특성을 재해석할 수 있다. 즉, 석탄 연소 시뮬레이션 장치(100)는 미연소율을 연소 해석부(130)와 열특성 해석부(120)의 연계변수로 이용함으로써, 각각의 부에서 수행된 해석들을 유기적으로 통합시킬 수 있다.
또한, 상기 연소 해석부(130)는 석탄 연소 민감도 및 키네틱(kinetic)을 해석하여 상기 연소 설비의 온도, 화학종, 부식, 마모, 슬래깅 중 적어도 하나를 좌표별로 추출할 수 있다. 즉, 석탄 연소 시뮬레이션 장치(100)는 민감도 및 키네틱 해석을 통해 연소 설비내 3D 해석을 수행할 수 있고, 정밀도 및 예측정확도가 높은 연소 해석을 수행할 수 있다. 또한, 상기 연소 해석부(130)는 석탄 연소 민감도 및 키네틱(kinetic)을 해석함으로써, 연소 설비에서 발생되는 문제점을 신속하고 안전하게 파악할 수 있다.
운전조건 변경부(140)는, 연소 설비의 운전조건을 변경할 수 있다. 이에 따라, 열특성 해석부(120)는 운전조건의 변경에 따라 상기 연소 설비의 열특성을 반복적으로 해석하고, 연소 해석부(130)는 운전조건의 변경에 따라 상기 연소 설비의 석탄 연소를 반복적으로 해석할 수 있다. 열특성 해석부(120) 및 연소 해석부(130)의 상기 운전조건의 변경까지 고려한 해석은 매우 어려울 수 있고, 정밀도 및 예측정확도의 저하를 유발할 수 있다. 따라서 열특성 해석부(120) 및 연소 해석부(130)는 상기 운전조건이 정지된 상태라고 가정하여 해석하고, 운전조건을 조금씩 변경하면서 반복적으로 해석할 수 있다.
시뮬레이션 제어부(150)는, 상기 석탄의 탄종 및 연소 설비의 운전조건을 입력 받아 상기 탄종성상 추출부(110), 열특성 해석부(120) 및 연소 해석부(130)를 제어할 수 있다. 예를 들어 상기 석탄의 탄종이 변경될 경우, 상기 시뮬레이션 제어부는 상기 탄종성상 추출부의 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어 상기 연소 설비의 운전조건이 변경될 경우, 상기 시뮬레이션 제어부는 상기 열특성 해석부 및 연소 해석부의 동작을 제어할 수 있다. 즉, 상기 시뮬레이션 제어부(150)는 각각의 부들의 동작 및 변수들을 제어함으로써, 각각의 부에서 수행된 해석들을 유기적으로 통합시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 시뮬레이션 제어부(150)는 스프레드시트(spreadsheet)가 될 수 있다.
저장부(160)는, 상기 연소 해석부(130)의 석탄 연소 해석 결과를 저장할 수 있다. 여기서, 저장되는 해석 결과는 시뮬레이션 제어부(150)의 제어에 이용될 수 있고, 표시부(170)의 표시 전 임시 저장에 이용될 수 있다.
표시부(170)는, 상기 저장부에 저장된 석탄 연소 해석 결과를 기초로 상기 연소 설비의 좌표별 석탄 연소를 3D(3-dimension)로 표시할 수 있다. 석탄 연소 시뮬레이션 장치(100)는 상기 표시부(170)에서의 3D표시를 통해 사용자 및 연소 설비 운영자에게 석탄 연소 정보를 효율적으로 전달할 수 있다. 한편, 표시부(170)의 3D 표시의 이용을 통해, 연소 설비의 운영뿐만아니라 연소 설비 운전자의 교육까지도 효율적으로 수행될 수 있다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 석탄 연소 최적화 장치를 나타낸 블록도이다.
도2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 석탄 연소 최적화 장치(200)는, 탄종 선택부(210), 운전조건 선택부(211), 열특성 해석부(220), 연소 해석부(230), 탄종 평가부(240), 운전조건 평가부(241), 제어부(250), 저장부(260) 및 표시부(270)를 포함할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 석탄 연소 최적화 장치(200)에 포함되는 구성을 설명한다. 도 1을 참조하여 상술한 석탄 연소 시뮬레이션 장치(100)에 포함된 구성 및 이에 대해 상술한 설명과 동일하거나 그에 상응하는 내용에 대해서는 중복적으로 설명하지 아니한다.
탄종 선택부(210)는, 연소 설비(300)의 연료로 사용될 석탄의 탄종을 선택할 수 있다. 예를 들어, 탄종 선택부(210)는 다양한 석탄의 탄종에 대한 실험 및 분석을 통해 표준화 및 최적화된 석탄 데이터베이스(DB)를 이용할 수 있다. 이를 통해, 탄종 선택부(210)는 연소 설비의 연료로 사용될 석탄의 탄종을 선택함으로써, 상기 석탄의 탄종에 대한 탄종성상 및 반응지수 등을 열특성 해석부(220) 및 연소 해석부(230)에 보내줄 수 있다.
운전조건 선택부(211)는, 상기 연소 설비(300)의 운전조건을 선택할 수 있다. 또한, 운전조건 선택부(211)는 제어부(250)의 제어 신호를 입력 받고 연소 설비의 운전조건을 변경할 수 있다. 이에 따라, 열특성 해석부(220)는 운전조건의 변경에 따라 상기 연소 설비의 열특성을 반복적으로 해석하고, 연소 해석부(230)는 운전조건의 변경에 따라 상기 연소 설비의 석탄 연소를 반복적으로 해석할 수 있다.
탄종 평가부(240)는, 상기 연소 해석부의 해석 결과를 기초로 선택된 석탄의 탄종을 평가할 수 있다.
예를 들어, 상기 탄종 평가부(240)는 상기 연소 해석부의 해석 결과를 기초로 선택된 탄종의 경제성, 선택된 탄종의 연소에 의한 설비영향성 및 환경성 중에서 적어도 하나를 평가할 수 있다.
운전조건 평가부(241)는, 상기 연소 해석부의 해석 결과를 기초로 선택된 운전조건을 평가할 수 있다. 운전조건 선택부(221)의 운전조건 선택 및 변경을 통해, 열특성 해석부(220) 및 연소 해석부(230)는 여러 운전조건일 때의 해석을 수행할 수 있고, 운전조건 평가부(241)는 상기 해석들을 평가함으로써, 최적의 운전조건을 판단할 수 있다.
제어부(250)는, 탄종 평가부(240)의 평가에 기초하여 상기 탄종 선택부(240)가 선택한 탄종의 변경을 제어할 수 있다. 예를 들어 상기 탄종이 변경될 경우, 상기 제어부(250)는 상기 열특성 해석부(220) 및 연소 해석부(230)의 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어 상기 탄종이 변경되지 않을 경우, 상기 제어부(250)는 상기 탄종 선택부(210)가 선택한 탄종이 연소 설비(300)에 사용되도록 상기 연소 설비(300)를 제어할 수 있다.
저장부(260)는, 상기 연소 해석부(230)에서 사전에 수행된 석탄 연소 해석 결과를 저장할 수 있다. 이에 따라, 탄종 평가부(240)는 상기 연소 해석부의 석탄 연소 해석 결과를 상기 저장부에 저장된 석탄 연소 해석 결과와 비교할 수 있다.
도3은 석탄 연소 시뮬레이션 장치에 포함된 탄종성상 추출부 및 반응지수 추출부의 동작을 예시한 도면이다.
도3을 참조하면, 좌측 상단에는 탄종성상 추출부(110) 및 반응지수 추출부(111)의 변수 추출을 수행하는 프로그램이 도시된다. 우측 상단에는 상기 프로그램의 수행에 의해 추출된 변수들인 공업분석, 원소분석, 회분석, 발열량, 반응지수 및 슬래깅성 등이 수치로 도시된다. 좌측 하단에는 상기 프로그램의 수행에 의해 평가된 탄종별 슬래깅/파울링이 수치 및 그래프로 도시된다. 우측 하단에는 상기 추출 및 평가를 통해 선택된 최적혼탄(석탄의 탄종) 및 평가 결과가 그래프로 도시된다.
구체적으로 탄종성상 추출부(110) 및 반응지수 추출부(111)는 DTF(Drop Tube Furnace) 실험, 별도 시험연소로의 연소실험 등을 통해 단탄 및 혼탄에 의한 상호작용 인자를 도출하고, 미연분 및 환경오염물질의 발생, 슬래깅 및 파울링의 거동특성 등 혼탄의 중요변수를 추출할 수 있다. 여기서 탄종성상 추출부(110) 및 반응지수 추출부(111)가 모든 조건을 실험으로 수행하기에는 한계가 있으므로, 실험장치를 잘 모사할 수 있는 전산해석 모델(프로그램)의 개발 및 활용을 통해 실험과 해석 각각의 한계성을 보완하고 시너지효과를 극대화할 수 있다.
도4는 석탄 연소 시뮬레이션 장치 및 석탄 연소 최적화 장치에 포함된 열특성 해석부의 동작을 예시한 도면이다.
도4를 참조하면, 상단에는 열특성 해석부(120, 220)의 열특성 해석을 위한 입력변수, 출력변수 및 연계변수들이 도시된다. 하단에는 열특성 해석부(120, 220)의 연소 설비의 입구, 출구 및 표면의 열특성을 해석을 위한 연소설비 각각의 위치에서의 입력변수, 출력변수 및 연계변수들이 도시된다.
예를 들어, 상기 입력변수는 탄종성상, 운전조건 및 미연소율일 수 있다. 상기 출력변수는 전열면별 열흡수율, 전열면별 입출구 평균증기온도 및 전열면별 입출구 평균가스온도일 수 있다. 여기서, 열흡수율 및 입출구 평균증기온도 등은 연계변수가 될 수 있다.
도5는 석탄 연소 시뮬레이션 장치 및 석탄 연소 최적화 장치에 포함된 연소 해석부의 동작을 예시한 도면이다.
도5를 참조하면, 상단에는 연소 해석부(130, 230)의 설비 좌표별 해석을 위한 맵핑(data mapping)이 도시된다. 하단에는 연소 해석부(130, 230)의 각각의 변수별로 수행된 연소 해석이 설비 좌표별로 3차원으로 도시된다.
예를 들어, 입력변수는 탄종성상, 반응지수, 운전조건, 전열면별 열흡수율, 전열면별 입출구 평균증기온도일 수 있다. 출력변수는 입도별 미연소율, 3D 온도분포, 3D 화학종분포, 3D 부식, 마모, 슬래깅분포일 수 있다. 여기서, 입도별 미연소율 등은 연계변수가 될 수 있다.
도6은 석탄 연소 시뮬레이션 장치 및 석탄 연소 최적화 장치에 포함된 연소 해석부의 민감도 및 키네틱 해석을 예시한 도면이다.
도6을 참조하면, 좌측에는 연소 해석부(130, 230)의 각 변수별 민감도 해석이 도시된다. 우측에는 연소 해석부(130, 230)의 각 변수별 키네틱 해석이 도시된다.
도7은 석탄의 탄종 및 운전조건 변화에 따른 효율 및 열전달량 계산을 예시한 도면이다.
보일러 화로내부 화염 측 해석에 있어서, 연소 해석부(230)는 콜파이프(coal pipe), 버너(burner) 및 윈드박스(windbox) 등의 특성 데이터의 입력을 받을 수 있다. 이를 통해, 연소 해석부(230)는 석탄의 탄종 특성 및 운전조건 변화를 알 수 있고, 열전달 플럭스를 정량화 할 수 있고, CO, LOI, NOx 또는 Sox의 슬래깅/파울링, 열전달, 부식, 마모, 화로출구가스온도(FEGT) 등을 해석할 수 있다.
각각의 보일러 전열면에 대한 튜브의 증기측 온도, 증기측 열흡수율 등 스팀측 해석에 있어서, 연소 해석부(230)는 보일러 열효율계산, 스팀온도와 이에 따른 스프레이변화, 화염측 열전달계산량 등을 해석할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 석탄 연소 최적화 방법을 설명한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 석탄 연소 최적화 방법은 도 1 및 도2를 참조하여 상술한 석탄 연소 시뮬레이션 장치(100) 및 석탄 연소 최적화 장치(200)에서 수행될 수 있으므로, 상술한 설명과 동일하거나 그에 상응하는 내용에 대해서는 중복적으로 설명하지 아니한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 석탄 연소 최적화 방법을 나타낸 순서도이다.
도8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 석탄 연소 최적화 방법은, 선택단계(S10), 열특성 해석단계(S20), 연소 해석단계(S30) 및 변경 제어단계(S50)를 포함할 수 있다.
선택단계(S10)에서의 석탄 연소 최적화 장치는, 석탄의 탄종 및 연소 설비의 운전조건을 선택할 수 있다. 여기서, 석탄의 탄종 및 운전조건은 열특성 해석단계(S20) 및 연소 해석단계(S30)에서의 해석 조건이 될 수 있다.
열특성 해석단계(S20)에서의 석탄 연소 최적화 장치는, 상기 석탄의 탄종 및 연소 설비의 운전조건을 기초로 상기 연소 설비의 열특성을 해석할 수 있다. 또한, 상기 석탄 연소 최적화 장치는 열특성 해석단계(S20)에서 상기 연소 설비의 입구, 출구 및 표면의 열특성을 해석하고, 연소 해석단계(S30)에서 상기 입구, 출구 및 표면의 열특성을 경계조건으로 하여 상기 연소 설비 내부의 석탄 연소를 해석할 수 있다.
연소 해석단계(S30)에서의 석탄 연소 최적화 장치는, 상기 연소 설비의 열특성 및 상기 연소 설비의 운전조건을 기초로 상기 연소 설비의 석탄 연소를 해석할 수 있다. 또한, 상기 석탄 연소 최적화 장치는 연소 해석단계(S30)에서 상기 연소 설비의 석탄 미연소율을 해석하여 상기 열특성 해석단계(S20)로 피드백하고, 열특성 해석단계(S20)에서 상기 석탄 미연소율을 기초로 상기 연소 설비의 열특성을 재해석할 수 있다. 또한, 상기 석탄 연소 최적화 장치는 상기 연소 해석단계(S30)에서 석탄 연소 민감도 및 키네틱(kinetic)을 해석하여 상기 연소 설비의 온도, 화학종, 부식, 마모, 슬래깅 중 적어도 하나를 좌표별로 추출할 수 있다.
변경 제어단계(S50)에서의 석탄 연소 최적화 장치는, 상기 연소 해석 단계에서의 해석 결과를 기초로 선택된 석탄의 탄종 또는 선택된 운전조건의 변경을 제어할 수 있다. 여기서, 상기 석탄 연소 최적화 장치는 상기 변경 제어단계(S50)에 의해 상기 석탄의 탄종 또는 연소 설비의 운전조건이 변경될 경우, 상기 선택단계(S10), 열특성 해석단계(S20), 연소 해석단계(S30) 및 변경 제어단계(S50)를 재수행할 수 있다. 예를 들어, 상기 석탄 연소 최적화 장치는 상기 변경 제어단계(S50)에 의해 상기 석탄의 탄종 및 연소 설비의 운전조건이 변경되지 않을 경우, 상기 변경 제어단계(S50)는 선택된 탄종 및 운전조건이 연소 설비에 사용되도록 상기 연소 설비를 제어할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 석탄 연소 최적화 방법을 구체적으로 나타낸 순서도이다.
도9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 석탄 연소 최적화 방법은, 평가단계(S40), 저장단계(S60), 표시단계(S70) 및 비교단계(S80)를 더 포함할 수 있다.
평가단계(S40)에서의 석탄 연소 최적화 장치는, 연소 해석단계(S30)의 해석 결과를 기초로 선택된 탄종 또는 운전조건을 평가할 수 있다. 예를 들어, 상기 평가단계(S40)에서의 석탄 연소 최적화 장치는 연소 해석단계(S30)에서의 해석 결과를 기초로 선택된 탄종 또는 선택된 운전조건의 경제성, 연소에 의한 설비영향성 및 환경성 중에서 적어도 하나를 평가할 수 있다.
저장단계(S60)에서의 석탄 연소 최적화 장치는, 연소 해석단계(S30)의 석탄 연소 해석 결과를 저장할 수 있다. 예를 들어, 변경 제어단계(S50)에서 석탄의 탄종 또는 운전조건이 변경될 때마다 상기 석탄 연소 해석 결과는 저장될 수 있다. 이를 통해, 다양한 석탄의 탄종 또는 운전조건에 대한 석탄 연소 해석 결과가 누적될 수 있다.
표시단계(S70)에서의 석탄 연소 최적화 장치는, 저장단계(60)에 저장된 석탄 연소 해석 결과를 기초로 상기 연소 설비의 좌표별 석탄 연소를 3D(3-dimension)로 표시할 수 있다. 예를 들어, 변경 제어단계(S50)에서 석탄의 탄종 또는 운전조건이 변경될 때마다 사용자 및 연소 설비 운영자는 석탄 연소 해석 결과를 확인할 수 있다. 이를 통해, 사용자 및 연소 설비 운영자는 최적의 석탄의 탄종 및 운전조건을 결정할 수 있다.
비교단계(S80)에서의 석탄 연소 최적화 장치는, 연소 해석단계(S30)의 석탄 연소 해석 결과를 변경 제어단계(S50)에 의해 상기 석탄의 탄종 또는 연소 설비의 운전조건이 변경되기 전의 상기 저장단계(S60)에 저장된 석탄 연소 해석 결과와 비교할 수 있다.
이상에서는 본 발명을 실시 예로써 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형이 가능할 것이다.
100: 석탄 연소 시뮬레이션 장치 110: 탄종성상 추출부
111: 반응지수 추출부 120: 열특성 해석부
130: 연소 해석부 140: 운전조건 변경부
150: 시뮬레이션 제어부 160: 저장부
170: 표시부
200: 석탄 연소 최적화 장치 210: 탄종 선택부
211: 운전조건 선택부 220: 열특성 해석부
230: 연소 해석부 240: 탄종 평가부
241: 운전조건 평가부 250: 제어부
260: 저장부 270: 표시부
S10: 선택단계 S20: 열특성 해석단계
S30: 연소 해석단계 S40: 평가단계
S50: 변경 제어단계 S60: 저장단계
S70: 표시단계 S80: 비교단계

Claims (24)

  1. 석탄의 탄종별로 탄종성상을 추출하는 탄종성상 추출부;
    상기 탄종성상 및 연소 설비의 운전조건을 기초로 상기 연소 설비의 열특성을 해석하는 열특성 해석부; 및
    상기 연소 설비의 열특성 및 상기 연소 설비의 운전조건을 기초로 상기 연소 설비의 석탄 연소를 해석하는 연소 해석부; 를 포함하고,
    상기 석탄의 탄종 및 연소 설비의 운전조건을 입력 받아 상기 탄종성상 추출부, 열특성 해석부 및 연소 해석부를 제어하는 시뮬레이션 제어부를 더 포함하고,
    상기 석탄의 탄종이 변경될 경우, 상기 시뮬레이션 제어부는 상기 탄종성상 추출부의 동작을 제어하고,
    상기 연소 설비의 운전조건이 변경될 경우, 상기 시뮬레이션 제어부는 상기 열특성 해석부 및 연소 해석부의 동작을 제어하는 석탄 연소 시뮬레이션 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열특성 해석부는 상기 연소 설비의 입구, 출구 및 표면의 열특성을 해석하고,
    상기 연소 해석부는 상기 입구, 출구 및 표면의 열특성을 경계조건으로 하여 상기 연소 설비 내부의 석탄 연소를 해석하는 석탄 연소 시뮬레이션 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연소 해석부는 상기 연소 설비의 석탄 미연소율을 해석하여 상기 열특성 해석부로 피드백하고,
    상기 열특성 해석부는 상기 석탄 미연소율을 기초로 상기 연소 설비의 열특성을 재해석하는 석탄 연소 시뮬레이션 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 연소 해석부는 석탄 연소 민감도 및 키네틱(kinetic)을 해석하여 상기 연소 설비의 온도, 화학종, 부식, 마모, 슬래깅 중 적어도 하나를 좌표별로 추출하는 석탄 연소 시뮬레이션 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 석탄의 탄종별로 반응지수를 추출하는 반응지수 추출부를 더 포함하고,
    상기 연소 해석부는 상기 반응지수를 기초로 상기 연소 설비의 석탄 연소를 해석하는 석탄 연소 시뮬레이션 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 연소 설비의 운전조건을 변경하는 운전조건 변경부를 더 포함하고,
    상기 열특성 해석부는 운전조건의 변경에 따라 상기 연소 설비의 열특성을 반복적으로 해석하고,
    상기 연소 해석부는 운전조건의 변경에 따라 상기 연소 설비의 석탄 연소를 반복적으로 해석하는 석탄 연소 시뮬레이션 장치.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 연소 해석부의 석탄 연소 해석 결과를 저장하는 저장부; 및
    상기 저장부에 저장된 석탄 연소 해석 결과를 기초로 상기 연소 설비의 좌표별 석탄 연소를 3D(3-dimension)로 표시하는 표시부; 를 더 포함하는 석탄 연소 시뮬레이션 장치.
  9. 연소 설비의 연료로 사용될 석탄의 탄종을 선택하는 탄종 선택부;
    상기 탄종 선택부에서 선택된 석탄의 탄종 및 연소 설비의 운전조건을 기초로 상기 연소 설비의 열특성을 해석하는 열특성 해석부;
    상기 연소 설비의 열특성 및 상기 연소 설비의 운전조건을 기초로 상기 연소 설비의 석탄 연소를 해석하는 연소 해석부; 및
    상기 연소 해석부의 해석 결과를 기초로 선택된 석탄의 탄종을 평가하는 탄종 평가부; 를 포함하고,
    상기 탄종 평가부의 평가에 기초하여 상기 탄종 선택부가 선택한 탄종의 변경을 제어하는 제어부를 더 포함하고,
    상기 탄종이 변경될 경우, 상기 제어부는 상기 열특성 해석부 및 연소 해석부의 동작을 제어하고,
    상기 탄종이 변경되지 않을 경우, 상기 제어부는 상기 탄종 선택부가 선택한 탄종이 연소 설비에 사용되도록 상기 연소 설비를 제어하는 석탄 연소 최적화 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 열특성 해석부는 상기 연소 설비의 입구, 출구 및 표면의 열특성을 해석하고,
    상기 연소 해석부는 상기 입구, 출구 및 표면의 열특성을 경계조건으로 하여 상기 연소 설비 내부의 석탄 연소를 해석하는 석탄 연소 최적화 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 연소 해석부는 상기 연소 설비의 석탄 미연소율을 해석하여 상기 열특성 해석부로 피드백하고,
    상기 열특성 해석부는 상기 석탄 미연소율을 기초로 상기 연소 설비의 열특성을 재해석하는 석탄 연소 최적화 장치.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 연소 해석부는 석탄 연소 민감도 및 키네틱(kinetic)을 해석하여 상기 연소 설비의 온도, 화학종, 부식, 마모, 슬래깅 중 적어도 하나를 좌표별로 추출하는 석탄 연소 최적화 장치.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 탄종 평가부는 상기 연소 해석부의 해석 결과를 기초로 선택된 탄종의 경제성, 선택된 탄종의 연소에 의한 설비영향성 및 환경성 중에서 적어도 하나를 평가하는 석탄 연소 최적화 장치.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 연소 설비의 운전조건을 선택하는 운전조건 선택부; 및
    상기 연소 해석부의 해석 결과를 기초로 선택된 운전조건을 평가하는 운전조건 평가부; 를 더 포함하는 석탄 연소 최적화 장치.
  15. 삭제
  16. 제9항에 있어서,
    상기 연소 해석부에서 사전에 수행된 석탄 연소 해석 결과를 저장하는 저장부를 더 포함하고,
    상기 탄종 평가부는 상기 연소 해석부의 석탄 연소 해석 결과를 상기 저장부에 저장된 석탄 연소 해석 결과와 비교하는 석탄 연소 최적화 장치.
  17. 석탄의 탄종 및 연소 설비의 운전조건을 선택하는 선택단계;
    상기 석탄의 탄종 및 연소 설비의 운전조건을 기초로 상기 연소 설비의 열특성을 해석하는 열특성 해석단계;
    상기 연소 설비의 열특성 및 상기 연소 설비의 운전조건을 기초로 상기 연소 설비의 석탄 연소를 해석하는 연소 해석단계; 및
    상기 연소 해석 단계에서의 해석 결과를 기초로 선택된 석탄의 탄종 또는 선택된 운전조건의 변경을 제어하는 변경 제어단계; 를 포함하고,
    상기 변경 제어단계에 의해 상기 석탄의 탄종 또는 연소 설비의 운전조건이 변경될 경우, 상기 선택단계, 열특성 해석단계, 연소 해석단계 및 변경 제어단계를 재수행하고,
    상기 변경 제어단계에 의해 상기 석탄의 탄종 및 연소 설비의 운전조건이 변경되지 않을 경우, 상기 변경 제어단계는 선택된 탄종 및 운전조건이 연소 설비에 사용되도록 상기 연소 설비를 제어하는 석탄 연소 최적화 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 열특성 해석단계는 상기 연소 설비의 입구, 출구 및 표면의 열특성을 해석하고,
    상기 연소 해석단계는 상기 입구, 출구 및 표면의 열특성을 경계조건으로 하여 상기 연소 설비 내부의 석탄 연소를 해석하는 석탄 연소 최적화 방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 연소 해석단계는 상기 연소 설비의 석탄 미연소율을 해석하여 상기 열특성 해석단계로 피드백하고,
    상기 열특성 해석단계는 상기 석탄 미연소율을 기초로 상기 연소 설비의 열특성을 재해석하는 석탄 연소 최적화 방법.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 연소 해석단계는 석탄 연소 민감도 및 키네틱(kinetic)을 해석하여 상기 연소 설비의 온도, 화학종, 부식, 마모, 슬래깅 중 적어도 하나를 좌표별로 추출하는 석탄 연소 최적화 방법.
  21. 삭제
  22. 제17항에 있어서,
    상기 연소 해석단계의 석탄 연소 해석 결과를 저장하는 저장단계; 및
    상기 저장단계에 저장된 석탄 연소 해석 결과를 기초로 상기 연소 설비의 좌표별 석탄 연소를 3D(3-dimension)로 표시하는 표시단계; 를 더 포함하는 석탄 연소 최적화 방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 연소 해석단계의 석탄 연소 해석 결과를 상기 변경 제어단계에 의해 상기 석탄의 탄종 또는 연소 설비의 운전조건이 변경되기 전의 상기 저장단계에 저장된 석탄 연소 해석 결과와 비교하는 비교단계를 더 포함하는 석탄 연소 최적화 방법.
  24. 제17항에 있어서,
    상기 연소 해석단계의 해석 결과를 기초로 선택된 탄종 또는 운전조건을 평가하는 평가단계; 를 더 포함하고,
    상기 평가단계는 상기 연소 해석단계에서의 해석 결과를 기초로 선택된 탄종 또는 선택된 운전조건의 경제성, 연소에 의한 설비영향성 및 환경성 중에서 적어도 하나를 평가하는 석탄 연소 최적화 방법.
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