KR101669598B1 - 발전소의 유인송풍기 후단 질소산화물 계측기를 이용한 탈질 케스케이드 제어방법 - Google Patents

발전소의 유인송풍기 후단 질소산화물 계측기를 이용한 탈질 케스케이드 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 발전소의 유인 송풍기 후단 질소산화물 계측기를 이용한 탈질 케스케이드 제어방법은 연소기로부터 배출되는 연소가스가 탈질설비, 집진기, 및 유인송풍기를 거쳐 굴뚝을 통해 배출되는 발전소의 탈질공정 제어방법에 있어서, 발전소의 탈질설비(SCR)에서 처리해야 할 질소산화물(NOx) 량을 (처리해야 할 질소산화물(NOx)량 = (탈질설비(SCR) 입구측에 설치된 질소산화물 계측기에 의해 계측되는 탈질설비(SCR) 입구측 질소산화물(NOx) 농도 - 굴뚝 질소산화물(NOx) 농도 설정값) * 유량)에 따라 산출하고, 상기 산출된 질소산화물(NOx)량에 따라 탈질설비에 공급하는 암모니아 공급량을 산정하는 단계와, 굴뚝 질소산화물(NOx) 농도 설정값과 굴뚝의 질소산화물 계측기에 의한 실제 굴뚝 질소산화물(NOx) 농도를 이용한 PID제어로 유인 송풍기 후단 질소산화물(NOx) 농도 설정값을 산출하는 단계와, 상기 산출된 유인 송풍기 후단 질소산화물(NOx) 농도 설정값과 유인 송풍기 후단에 설치되는 계측기에 의해 계측된 실제 유인 송풍기 후단 질소산화물(NOx) 농도를 이용하여 PID제어로 암모니아 공급량 보정값을 산출하는 단계와, 산정된 암모니아 공급량으로서 피드포워드 값과 암모니아 공급량 보정값으로서 피드백 값으로 최종 암모니아 공급량을 산정하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

발전소의 유인송풍기 후단 질소산화물 계측기를 이용한 탈질 케스케이드 제어방법{Cascade control method using IDF outlet NOx analyzer for De-NOx process}
본 발명은 발전소의 탈질 케스케이드 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 화력발전소 또는 기타 플랜트에서 화석연료 연소 후 발생되는 질소산화물을 굴뚝을 통해 배출시킬 때, 배출농도 목표값에 빠르고 정확하게 도달 및 유지하도록 하기 위한 탈질 공정 제어방법에 관한 것이다.
화력발전소 또는 기타 플랜트의 보일러에서는 연소 과정 중 질소산화물이 발생하게 되고 이는 굴뚝을 통해 대기로 배출된다. 대기로 배출되는 질소산화물은 굴뚝에 설치된 질소산화물 계측기로 농도를 측정하고 규제치 이하로 유지해야 한다. 질소산화물의 제거 효율이 높아야 하는 플랜트는 탈질설비인 SCR(Selective Catalytic Reduction, 선택적 촉매 환원법)을 이용한 탈질 공정을 사용한다. 이는 촉매에 암모니아를 공급함으로서 질소산화물과 반응하여 질소와 수분으로 환원되는 원리를 이용한 것으로, 질소산화물 제거량은 암모니아 공급량에 의해 결정된다. 탈질 공정 제어는 제거해야 할 질소산화물 대비 암모니아 공급량을 제어하는 것으로, 굴뚝의 질소산화물 농도가 배출하고자 하는 목표 농도에 근접하도록 암모니아 유량을 빠르고 정확하게 제어하는 것이 관건이다.
종래의 탈질 공정 제어 방식은 SCR 입구측 질소산화물을 측정하여 암모니아 공급량을 산정하고, SCR 출구 또는 굴뚝의 질소산화물의 농도로 이를 보정하는 방식으로 암모니아 유량을 제어한다.
그런데, 이러한 종래 탈질 공정 제어방식에서 굴뚝에 설치된 질소산화물 계측기는 측정 지연시간이 길어 연소상태 변화시 질소산화물 발생량 변화에 따른 암모니아 공급량 제어가 원활하지 못하다. 또한 SCR은 두 개의 덕트에 별도로 설치되어 있고 각 덕트의 가스가 합류되어 굴뚝으로 배출되며 이의 질소산화물 농도로 두 개의 SCR에 똑같은 보정값을 적용하여 암모니아 유량을 조정하게 한다. 그러나 이는 각 SCR별 상태에 따라 암모니아의 과소, 과다 주입을 초래하게 된다. 질소산화물 대비 암모니아 유량이 과다 주입시에는 촉매층에서 질소산화물과 반응하지 못한 암모니아(NH3 Slip, 암모니아 슬립)가 저온영역(150∼220℃)에서 중황산암모늄(Ammonium Bisulfate, ABS)으로 변환되어 SCR 후단의 열교환기 소자에 부착 및 고착되어 부식, 막힘 등 설비 운영에 악영향을 끼친다. 반대로 암모니아 유량이 부족한 곳은 질소산화물 농도가 설정치(또는 규제치)를 초과하게 되어 굴뚝 계측값에 의한 전체 보정값을 증가시키게 되어 암모니아 유량이 많이 주입되고 있는 쪽의 상태를 가중시키게 된다.
따라서, 본 발명은 화석연료를 사용하는 플랜트에서 발생하는 질소산화물의 배출 농도를 설정치에 빠르고 정확하게 추종토록 하여 규제치 이하의 운전점에서 안정된 공정 제어가 가능한 탈질 케스케이드 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 발전소의 유인 송풍기 후단 질소산화물 계측기를 이용한 탈질 케스케이드 제어방법은 연소기로부터 배출되는 연소가스가 탈질설비, 집진기, 및 유인송풍기를 거쳐 굴뚝을 통해 배출되는 발전소의 탈질공정 제어방법에 있어서, 1) 발전소의 탈질설비(SCR)에서 처리해야 할 질소산화물(NOx) 량을 하기 수식 (1)에 따라 산출하고, 수식 (1) : 처리해야 할 질소산화물(NOx)량 = (탈질설비(SCR) 입구측에 설치된 질소산화물 계측기에 의해 계측되는 탈질설비(SCR) 입구측 질소산화물(NOx) 농도 - 굴뚝 질소산화물(NOx) 농도 설정값) * 유량
상기 수식 (1)에 따라 산출된 질소산화물(NOx)량에 따라 탈질설비에 공급하는 암모니아 공급량을 산정하는 단계와,
2) 굴뚝 질소산화물(NOx) 농도 설정값과 굴뚝의 질소산화물 계측기에 의한 실제 굴뚝 질소산화물(NOx) 농도를 이용한 PID제어로 유인 송풍기 후단 질소산화물(NOx) 농도 설정값을 산출하는 단계와,
3) 상기 단계 2)에서 산출된 유인 송풍기 후단 질소산화물(NOx) 농도 설정값과 유인 송풍기 후단에 설치되는 계측기에 의해 계측된 실제 유인 송풍기 후단 질소산화물(NOx) 농도를 이용하여 PID제어로 암모니아 공급량 보정값을 산출하는 단계와,
4) 상기 단계 1)에서 산정된 암모니아 공급량으로서 피드포워드 값과 상기 단계 3)에서 산출된 암모니아 공급량 보정값으로서 피드백 값으로 최종 암모니아 공급량을 산정하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 발전소의 연소기로부터 배출되는 연소가스는 두 개의 덕트를 통해 배출되고, 각 덕트를 통해 연소가스가 탈질설비, 집진기, 및 유인송풍기를 거친 다음 합류하여 굴뚝을 통해 배출되며, 각 덕트의 탈질설비에서의 탈질 제어공정이 상기 단계 1) 내지 단계 4)를 포함하여 개별적으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명에 따른 발전소의 유인송풍기 후단 질소산화물 계측기를 이용한 탈질 케스케이드 제어방법은 화석연료를 사용하는 플랜트에서 발생하는 질소산화물의 배출 농도를 설정치에 빠르고 정확하게 추종토록 하여 규제치 이하의 운전점에서 안정된 공정 제어가 가능하며, 또한 각 SCR 별 정확한 암모니아 유량 보정으로 암모니아의 과다, 과소 공급의 문제를 해결함으로써 후단 설비의 막힘 등 생산성을 저해하는 요소를 제거할 수 있는 효과를 가져 올 수 있다.
도 1은 본 발명에서 연소기로부터 굴뚝까지 정화설비 및 연소가스의 흐름 구성도이고,
도 2는 본 발명에 따른 탈질 케스케이드 제어를 위한 개념도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발전소의 유인송풍기 후단 질소산화물 계측기를 이용한 탈질 케스케이드 제어을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에서 연소기로부터 굴뚝까지 정화설비 및 배출가스의 흐름 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 탈질 케스케이드 제어를 위한 개념도이다.
먼저 도1을 참조하여 연소기로부터 굴뚝까지 정화설비 및 배출가스의 흐름 구성을 살펴보면, 연소기(10)로부터 두 개의 덕트A, 덕트B로 연소가스가 배출되며 각 덕트에는 탈질 설비(SCR, Selective Catalytic Reduction)(20, 21)와, 전기 집진기(EP, Electric Precipitator)(30, 31)와, 유인 송풍기(IDF, Induced Draft Fan)(40, 41)가 순차 설치되고 유인 송풍기(40, 41)의 후단에서 두 개의 덕트가 합류하여 연소가스가 탈황설비(FGD, Flue Gas Desulfurizer)(50)를 거쳐 굴뚝(60)을 통해 대기로 배출되게 된다.
탈질 설비(20, 21)(SCR)는 촉매에 암모니아를 공급함으로서 질소산화물과 반응하여 질소와 수분으로 환원되는 원리를 이용한 것으로, 질소산화물 제거량은 암모니아 공급량에 의해 결정되고, 탈질 공정 제어는 제거해야 할 질소산화물 대비 암모니아 공급량을 제어하는 것으로, 굴뚝(60)의 질소산화물 농도가 배출하고자 하는 목표 농도에 근접하도록 암모니아 유량을 빠르고 정확하게 제어하는 것이 관건이다.
탈질 설비(20, 21)에서 질소산화물이 제거된 연소가스는 전기 집진기(30, 31)에서 분진 등의 고체 입자가 제거된 다음 유인 송풍기(40, 41)를 거쳐 탈황설비(50)로 유입되는데, 탈황설비(50)에서 황산화물(SOx)이 제거된 후 굴뚝(60)을 통해 대기로 배출된다.
그리고, 탈질 케스케이드 제어를 위해 각 덕트의 탈질설비(20, 21)의 입구측과 출구측, 굴뚝(60)에 질소산화물 계측기(20a, 20b, 61)가 설치되며, 추가적으로 각 덕트의 유인 송풍기(40, 41) 후단에 질소산화물 계측기(40a, 40b)가 설치된다.
도 2를 참조하여 본 발명에 따른 탈질 케스케이드 제어방법에 대해 설명하면 다음과 같다.
1) 먼저, 탈질설비(SCR)(20, 21)에서 처리해야 할 질소산화물(NOx)량 및 암모니아 공급량을 산정한다. 탈질설비(SCR)(20, 21)에서 처리해야 할 질소산화물(NOx)량은 다음의 수식 (1)에 따라 산출한다.
처리해야 할 질소산화물(NOx)량 = 탈질설비(SCR) 입구측에 설치된 질소산화물 계측기에 의해 계측되는 탈질설비(SCR) 입구측 질소산화물(NOx) 농도 - 굴뚝 질소산화물(NOx) 농도 설정값) * 유량(gas flow) ------------ 수식 (1)
상기 수식 (1)에서 굴뚝 NOx 농도 설정값은 굴뚝(60)으로 배출될 수 있는 질소산화물(NOx)농도 허용값을 말하며, 이와 같은 수식 (1)에 따라 탈질설비(SCR)(20, 21)에서 처리해야 할 NOx량을 산출하고, 산출된 NOx량에 따라 탈질설비(20, 21)에 공급하는 암모니아 공급량을 산정하게 된다.
2) 그 다음 굴뚝 NOx 농도 설정값과 굴뚝(60)의 질소산화물 계측기(61)에 의한 실제 굴뚝 NOx 농도를 이용한 PID(Proportional Integral Derivative)제어로 유인 송풍기 후단 NOx 농도 설정값을 산출한다.
3) 그리고, 상부 PID 제어기에서 계산된 유인 송풍기 후단 NOx 농도 설정값과 실제 유인 송풍기 후단 계측기에 의해 계측된 실제 유인 송풍기 후단 NOx 농도를 이용하여 PID제어로 암모니아 공급량 보정값을 산출한다.
4) 그 다음 상기 단계 1)에서 산정된 피드포워드 값과 상기 단계 3)에서 산출된 피드백 값으로 각 탈질설비(20, 21)에 공급할 최종 암모니아 공급량을 산정하게 된다.
여기서, 상기 굴뚝 NOx 농도 설정값과 굴뚝의 질소산화물 계측기에 의한 실제 굴뚝 NOx 농도를 이용한 PID제어과정을 간략하게 설명하면, 굴뚝 질소산화물 배출농도 설정값(Set Point, 이하 SP)과 실제 굴뚝 질소산화물 농도(Process Variable, 이하 PV)의 편차가 상부 PID 제어기(controller)의 Error가 되고 PID 제어기는 이 Error에 비례동작과 적분동작을 수행하여 Error가 0이 되는 방향으로 출력값(②)을 변화시킨다. 즉 PID 제어기의 출력은 Kp·Error + Ki∫Error·dt (여기서, Kp는 비례상수, Ki는 적분상수)를 나타낸다. 상부 PID 제어기의 출력값은 하부 PID 제어기의 SP가 되고 PV(IDF 후단 질소산화물 농도)와의 편차가 Error가 된다. 하부 PID 제어기는 상부 PID 제어기와 동일한 방법으로 Error가 0이 되는 방향으로 출력값(③)을 변화시켜 암모니아 공급량을 가감시킨다. 단, 이때 상부 PID 제어기 타입은 인디렉트(Indirect)로 설정하여 Error = SP - PV로 설정하고, 하부의 PID 제어기 타입은 디렉트(Direct)로 설정하여 Error = PV - SP로 설정한다. 예를 들어, 굴뚝 배출농도 설정값보다 실제 굴뚝 배출농도가 높을 경우 Error는 음의 값이 되어 상부 PID 제어기 출력은 감소(하부 PID 제어기의 SP)하게 되며, 하부 PID 제어기의 Error는 SP 감소에 따라 양의 값이 되어 제어기 출력은 증가하여 암모니아 공급량을 늘린다. 암모니아 공급량이 증가하면 유인송풍기(IDF) 후단의 질소산화물 농도는 낮아져 하부 PID 제어기의 Error는 0이 되어 출력값을 고정시킨다. 지연시간 후 굴뚝의 질소산화물 농도도 낮아져 상부 PID 제어기의 Error도 0이 되어 공정은 안정화된다. 굴뚝 배출농도 설정값보다 실제 굴뚝 배출농도가 낮을 경우에는 상기와 반대 방향으로 PID 제어기가 동작하여 계가 평형을 이룰 때까지 암모니아 공급량을 감소시키게 된다.
따라서, 본 발명은 전술한 바와 같이 구성됨으로써 편류된 가스 농도가 열교환기와 전기집진기를 거치며 균질화되고 분진이 감소된 유인송풍기 후단에 질소산화물 계측기를 설치하여 덕트 전체의 평균값을 계측할 수 있게 하고 또한 SCR 출구보다 저온의 청정한 가스상태에서 계측기를 운영하여 오동작 및 고장 요인을 줄일 수 있다. 그리고, 이를 이용해 케스케이드 제어를 통한 정확한 탈질공정 제어가 가능하게 된다. 즉, SCR 입구측 질소산화물 농도로 암모니아 주입량을 선행 제어하고 지연시간이 짧고 정확한 유인송풍기 후단의 질소산화물 농도를 피드백 제어하되 후단의 질소산화물 농도 목표값은 굴뚝 질소산화물 농도값에 의한 케스케이드 제어 방식을 적용하여 굴뚝과 유인 송풍기 후단간의 농도 편차를 보정할 수 있도록 한다. 또한, 본 발명에서는 개별적으로 설치된 서로 다른 두 개의 SCR 입구측 질소산화물 농도와 유인송풍기 후단의 질소산화물 농도를 이용해 암모니아 공급량을 제어함으로서 질소산화물 배출 설정치에 따라 SCR별로 필요한 만큼의 암모니아를 공급할 수 있다. 또한, 이에 의해 SCR의 암모니아 과다, 과소 주입의 문제점을 해소할 수 있으며. 질소산화물의 배출 농도를 설정값에 빠르고 정확하게 추종할 수 있게 된다.
본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
10 : 연소기 20, 21 : 탈질 설비
30, 31 : 전기 집진기 40, 41 : 유인 송풍기
50 : 탈황설비 60 : 굴뚝

Claims (2)

  1. 연소기로부터 배출되는 연소가스가 탈질설비, 집진기, 및 유인송풍기를 거쳐 굴뚝을 통해 배출되는 발전소의 탈질공정 제어방법에 있어서,
    1) 발전소의 탈질설비(SCR)에서 처리해야 할 질소산화물(NOx) 량을 하기 수식 (1)에 따라 산출하고,
    수식 (1) : 처리해야 할 질소산화물(NOx)량 = (탈질설비(SCR) 입구측에 설치된 질소산화물 계측기에 의해 계측되는 탈질설비(SCR) 입구측 질소산화물(NOx) 농도 - 굴뚝 질소산화물(NOx) 농도 설정값) * 유량
    상기 수식 (1)에 따라 산출된 질소산화물(NOx)량에 따라 탈질설비에 공급하는 암모니아 공급량을 산정하는 단계와,
    2) 굴뚝 질소산화물(NOx) 농도 설정값과 굴뚝의 질소산화물 계측기에 의한 실제 굴뚝 질소산화물(NOx) 농도를 이용한 PID제어로 유인 송풍기 후단 질소산화물(NOx) 농도 설정값을 산출하는 단계와,
    3) 상기 단계 2)에서 산출된 유인 송풍기 후단 질소산화물(NOx) 농도 설정값과 유인 송풍기 후단에 설치되는 계측기에 의해 계측된 실제 유인 송풍기 후단 질소산화물(NOx) 농도를 이용하여 PID제어로 암모니아 공급량 보정값을 산출하는 단계와,
    4) 상기 단계 1)에서 산정된 암모니아 공급량으로서 피드포워드 값과 상기 단계 3)에서 산출된 암모니아 공급량 보정값으로서 피드백 값으로 최종 암모니아 공급량을 산정하는 단계를 포함하여 이루어지고,
    상기 발전소의 연소기로부터 배출되는 연소가스는 두 개의 덕트를 통해 배출되고, 각 덕트를 통해 연소가스가 탈질설비, 집진기, 및 유인송풍기를 거친 다음 합류하여 굴뚝을 통해 배출되며, 각 덕트의 탈질설비에서의 탈질 제어공정이 상기 단계 1) 내지 단계 4)를 포함하여 개별적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 발전소의 유인 송풍기 후단 질소산화물 계측기를 이용한 탈질 케스케이드 제어방법.
  2. 삭제
KR1020150170477A 2015-12-02 2015-12-02 발전소의 유인송풍기 후단 질소산화물 계측기를 이용한 탈질 케스케이드 제어방법 KR101669598B1 (ko)

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