KR101764590B1 - 화력발전소의 보일러에서 다단형 체적식 석탄공급기의 급탄량 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 화력발전소의 보일러에서 다단형 체적식 석탄공급기의 급탄량 제어방법은 화력발전소의 보일러에 석탄을 공급하기 위해 1단 급탄기로부터 2단 급탄기를 거쳐 최종 급탄기로 석탄을 공급하는 다단형 체적식 석탄공급기에서 최종 급탄기의 구동용 전동기의 전류값의 변화에 따른 슈트 레벨 변화의 특성시험을 통해 최종 급탄기의 구동용 전동기의 전류값을 가상의 슈트 레벨값으로 변환하는 특성함수(f(x))를 산출하는 단계와, 산출된 상기 특성함수(f(x))가 내장된 함수변환기를 통해 현재 최종 급탄기의 전동기의 전류값을 이용하여 가상의 슈트 레벨의 매개변수(PV)를 생성하는 단계와, 생성된 상기 가상의 슈트 레벨의 매개변수(PV)와 기설정된 슈트 레벨 목표값(SP)을 편차계산기에서 비교하여 편차를 계산하는 단계와, 상기 편차계산기에서 계산된 편차의 상쇄를 목표로 제어부(PID controller)에서 PID제어를 통해 조작량을 발생하고, 발생된 조작량과 최종 급탄기 요구량의 평균값을 합하여 1,2단 급탄기 요구량(demand)을 발생시키는 단계를 포함하여 이루어져서 슈트 레벨 안정화 및 급탄량 제어품질을 향상시키는 것을 특징으로 한다.

Description

화력발전소의 보일러에서 다단형 체적식 석탄공급기의 급탄량 제어방법{Method for controlling coal feed of multi-stage coal supplier in a fluidized boiler of thermal power plant}

본 발명은 석탄공급기의 급탄량 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 화력발전소의 보일러에 석탄을 공급하는 다단형 체적식 석탄공급기의 급탄량을 안정적으로 제어하는 방법에 관한 것이다.

유동층 보일러에서 연료로 사용되는 석탄은 석탄이 저장되는 저탄장에서 석탄사일로(Silo)로 운반된 다음 다단형 체적식 급탄기로 구성되는 석탄 공급기를 통해 보일러 내부로 공급된다.

이 때 석탄공급기에서 석탄 이송과정을 살펴보면 도1에 도시된 바와 같이 먼저 1단 급탄기(1)에서 2단 급탄기(2)로 석탄이 공급된 다음 2단 급탄기(2)에서 3개 또는 4개의 최종 3단 급탄기(3)에 각각 석탄이 공급되게 된다.

이 때 급탄량의 제어과정을 살펴보면 도2에 도시된 바와 같이 석탄 마스터 요구량을 모든 최종 3단 급탄기(3)에 각각 분배하여 3단 급탄기(3)의 속도를 제어한다. 이 때 2단 급탄기(2)는 슈트(4)가 일정한 레벨을 유지하도록 급탄량 제어가 필요한데, 이를 위한 조작량과 3단 급탄기(3) 요구량(demand)의 평균값을 합한 값이 2단 급탄기(2)의 요구량(demand)이 되며, 이 요구량은 1단 급탄기(1)의 요구량(demand)과 같다.

전술한 바와 같이 석탄 공급기는 보일러 내부로 연속적인 석탄 공급을 위해 최종 3단 급탄기(3)의 끝부분에 슈트(4)를 설치하여 일정한 레벨을 유지하도록 유기적으로 연관되어 있다. 그리고, 유동층 보일러 급탄량 제어는 최종 3단 급탄기(3)의 요구량과 슈트 레벨을 합쳐 상위 급탄기의 요구량이 되므로 슈트 레벨의 안정화가 선행되어야 한다. 이를 위해 기존에는 초음파 및 레이더 방식의 레벨측정장치가 사용되고 있는데 이러한 기존 초음파 및 레이더 방식의 레벨측정장치는 슈트 내부 석탄의 유동 및 밀봉용 공기 흐름의 영향으로 레벨값이 안정되지 않아 급탄량 제어 난조로 수동운전이 불가피한 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로 안정적인 슈트 레벨(Chute Level) 값을 통해 보일러의 급탄량을 안정적으로 제어하는 다단형 체적식 석탄공급기의 급탄량 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 화력발전소의 보일러에서 다단형 체적식 석탄공급기의 급탄량 제어방법은 1) 화력발전소의 보일러에 석탄을 공급하기 위해 1단 급탄기로부터 2단 급탄기를 거쳐 최종 급탄기로 석탄을 공급하는 다단형 체적식 석탄공급기에서 최종 급탄기의 구동용 전동기의 전류값의 변화에 따른 슈트 레벨 변화의 특성시험을 통해 최종 급탄기의 구동용 전동기의 전류값을 가상의 슈트 레벨값으로 변환하는 특성함수(f(x))를 산출하는 단계와, 2) 산출된 상기 특성함수(f(x))가 내장된 함수변환기를 통해 현재 최종 급탄기의 구동용 전동기의 전류값을 이용하여 가상의 슈트 레벨의 매개변수(PV)를 생성하는 단계와, 3) 생성된 상기 가상의 슈트 레벨의 매개변수(PV)와 기설정된 슈트 레벨 목표값(SP)을 편차계산기에서 비교하여 편차를 계산하는 단계와, 4) 상기 편차계산기에서 계산된 편차의 상쇄를 목표로 제어부(PID controller)에서 PID제어를 통해 조작량을 발생하고, 발생된 조작량과 최종 급탄기 요구량의 평균값을 합하여 1,2단 급탄기 요구량(demand)을 발생시키는 단계를 포함하여 이루어져서 슈트 레벨 안정화 및 급탄량 제어품질을 향상시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 4) 단계에서 상기 1,2단 급탄기(1,2) 요구량(demand)을 1,2단 급탄기(1,2) 인버터에 전달하여 1,2단 급탄기(1,2)의 전동기 속도를 조절한다.

또한, 상기 최종 급탄기는 다수 개로 이루어지고 상기 2단 급탄기의 끝단 하측에 위치하는 최종 급탄기에 슈트가 배치된다.

따라서, 본 발명에 따르면 안정적인 슈트 레벨(Chute Level) 값을 통해 유동층보일러의 급탄량을 안정적으로 제어하는 방법을 제공함으로써 유동층보일러 급탄량 제어불안정으로 인한 급탄기 고장발생 시간 증가로 인한 비계획 손실 및 정비비용(7억/년)을 감소시키는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면 급탄량 제어 안정으로 보일러 고장감소 및 발전제어 품질을 향상시키는 효과가 있고 부수적으로 운전원의 급탄량 수동 조작 감소로 근무편의를 향상시키며, 유동층 보일러 급탄량 제어 및 튜닝기술을 확보할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 유동층보일러의 다단형 석탄공급기를 모식화한 도면이고,
도 2는 도1에서 급탄량을 제어하는 과정을 도시한 도면이며,
도 3은 본 발명에 따른 화력발전소의 보일러에서 다단형 체적식 석탄공급기의 제어과정을 도시한 도면이고,
도4는 본 발명에서 석탄공급기 제어회로 특성함수를 도출하는 과정을 도시한 도면이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 화력발전소의 보일러에서 다단형 체적식 석탄공급기의 급탄량 제어방법을 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 화력발전소 보일러에서 다단형 체적식 석탄공급기의 제어과정을 도시한 도면이고, 도4는 본 발명에서 석탄공급기 제어회로 특성함수를 도출하는 과정을 도시한 도면이다.

먼저, 도3을 참조하여 석탄공급기를 통한 석탄공급과정을 살펴보면 석탄이 저장되어 있는 석탄 사일로(1a)에서 1단 급탄기(1)로 석탄이 공급되고, 1단 급탄기(1)에서 2단 급탄기(2)로 석탄이 이송된 다음 2단 급탄기(2)에서 3개의 최종 급탄기(3)로 석탄이 이송되는 과정을 거친다. 2단 급탄기(2)의 끝단에 배치되는 최종 급탄기(3)에는 슈트(4)가 설치된다.

본 발명에 따른 석탄공급기의 급탄량 제어과정에서는 최종 급탄기(3)의 구동용 전동기의 전류값과 슈트 레벨(5)의 매우 높은 상관성을 이용하여 이를 급탄량 제어 로직에 적용하는 시험을 통해 전동기의 전류값에 대한 가상의 석탄 슈트 레벨(5)의 특성함수(f(x))를 구하고 이 값을 슈트 레벨(5) 제어의 매개변수(Process Variable, PV)로 이용한다.

그리고, 제어회로는 특성함수에 의해 구해진 매개변수(PV)가 운전원이 설정한 슈트 레벨(5) 목표값(Set Point, SP) 추종을 목표로 제어부(30)(PID controller)에서 조작량 발생 및 제어대상(1단, 2단 급탄기 인버터(coal feeder inverter))에 전달하여 1단, 2단 급탄기(1,2)의 스피드를 조절함으로서 석탄 슈트(4)에 일정한 레벨을 유지할 수 있다.

본 발명에 따른 석탄공급기의 급탄량 제어방법을 도3 및 도4를 참조하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

1) 먼저, 최종 급탄기(3)의 구동용 전동기의 전류값을 감지하여 석탄 슈트 레벨(5)로 변환하도록 특성시험을 통해 특성함수(f(x))를 산출한다.

도4는 특성함수 도출과정의 예를 나타낸 것으로 도시된 바와 같이 최종 급탄기(3)의 구동용 전동기의 전류값의 변화(5A, 7A, 9A)에 따른 슈트 레벨(5)의 변화(0mm, 500mm, 1000mm)의 특성시험을 통해 최종 급탄기(3)의 구동용 전동기의 전류값을 가상의 슈트 레벨값으로 변환하는 특성함수(f(x))를 산출한다.

2) 그리고, 산출된 특성함수(f(x))가 내장된 함수변환기(10)를 통해 현재 최종 급탄기(3)의 전류값을 이용하여 가상의 슈트 레벨(5)의 매개변수(PV)를 생성한다.

3) 그 다음, 생성된 가상의 슈트 레벨(5)의 매개변수(PV)와 운전원에 의해 설정된 슈트 레벨 목표값(SP)을 편차계산기(20)에서 비교하여 편차를 계산한다.

4) 편차계산기(20)에서 계산된 편차의 상쇄를 목표로 제어부(30)(PID controller)에서 PID제어를 통해 조작량을 발생하고, 이 조작량과 최종 급탄기(3) 요구량(demand)의 평균값을 합하여 1,2단 급탄기(1,2) 요구량(demand)을 발생하여 1,2단 급탄기(1,2) 인버터에 각각 전달하여 전동기 속도를 조절한다.

슈트 레벨(5)의 일정한 유지를 위한 2단 급탄기(3) 속도제어에 이용한 제어부(30)에서 PID제어과정을 보다 상세하게 설명하면, 슈트(4)와 연결된 3단 급탄기(3)의 전류는 함수변환기(10)를 통해 가상의 슈트 레벨(5)의 매개변수(PV)를 생성하고, 생성된 가상의 슈트 레벨(PV)과 운전원에 의해 설정된 슈트 레벨(5)의 목표값(SP)을 편차계산기(20)에서 비교하여 편차를 계산한다. 이 편차가 제어부(30)의 Error가 되고 제어부(30)는 이 Error에 비례적분 동작을 수행하여 Error가 0이 되는 방향으로 출력값(③)을 변화시킨다. 즉 제어부(30)의 출력은 다음과 같다.

(MV(t) : 조작량, Kp:비례상수, Ti:적분상수,E(t):편차)

제어부(30)의 출력값은 급탄량 제어의 속응성 및 3단 최종 급탄기(3) 외란에 대응하기 위하여 3단 최종 급탄기(3) 요구량의 평균값(선행제어값)을 합하여 1단, 2단 급탄기 요구량을 발생한다.

예를 들어 슈트 레벨의 증가는 3단 최종 급탄기(3) 전동기 전류값의 증가로 이어지며, 이는 가상의 슈트 레벨(5)이 상승하게 한다. 편차계산기(20)는 부(-) 방향의 편차를 발생하게 되며 PID 제어부(30)는 부(-)방향의 편차를 상쇄하기 위하여 조작량을 감소시킨다. 이 때 3단 최종 급탄기(3)의 요구량의 평균값이 변화가 없다면 PID 제어부(30)의 조작량 감소분만큼 1단, 2단 급탄기(1,2)의 요구량은 감소하게 된다. 가상의 슈트 레벨(5)이 운전원이 설정한 슈트 레벨(5)의 목표값에 도달할 때까지 조작량은 감소되며, 편차가 완전 상쇄하여 Error가 0이 되면 공정은 안정화 된다. 슈트 레벨(5)이 감소할 경우에는 상기와 반대 방향으로 PID 제어부(30)가 동작하여 계가 평형을 이룰 때까지 1단,2단 급탄기 요구량을 증가시키게 된다.

전술한 바와 같이 발생된 2단 급탄기(2) 요구량은 1단 급탄기(1) 요구량으로 전달되고, 1,2단 급탄기(1,2) 요구량은 1,2단 급탄기(1,2) 인버터로 전달되어 1,2단 급탄기(1,2)의 전동기 속도를 조절함으로써 슈트(4)에 일정할 레벨(5)을 유지하도록 한다.

인버터는 전동기의 속도 제어를 통한 석탄 이송량을 조절하는데, 급탄기 요구량에 의해 교류전력의 주파수를 가변하면 다음과 같은 식에 의해 전동기 속도는 증감되고 이로 인해 급탄량이 조절된다.

(P:전동기의 극수, f:주파수)

본 발명의 제어과정을 예를 들어 설명하면 도4에 도시된 바와 같이 전류값의 변화(5A, 7A, 9A)에 따른 슈트 레벨의 변화(0mm, 500mm, 1000mm)의 특성시험을 통해 최종 급탄기(3)의 전류값을 가상의 슈트 레벨값으로 변환하는 특성함수(f(x))를 산출한다. 그리고, 현재 최종 급탄기(3) 전동기의 전류값을 감지하고 예를 들어 9A가 감지된 경우 함수변환기(10)에서 1000mm의 가상의 슈트 레벨(5)을 산출하게 된다.

그 다음 산출된 1000mm의 가상의 슈트 레벨(5)과 운전원이 설정한 슈트 레벨(5) 목표값(예로서 500mm)을 편차 계산기(20)에서 계산하면 편차는 500mm가 된다. 이 계산된 편차 500mm가 상쇄되도록 제어부(30)에서 PID제어를 통해 조작량을 산출한다. 현재 2단 급탄기(2)의 조작량이 50%라고 가정하면, 가상의 슈트(5) 레벨이 1000mm→500mm로 감소하기 위하여, 즉 3단 급탄기(3)의 전동기 전류가 9A→7A로 감소하기 위하여 2단 급탄기(2) 조작량을 제어부(30)의 PID제어에 의해 조절한다. 2단 급탄기(2) 조작량이 점점 감소하여 40%에서 전동기 전류가 7A가 되면 가상의 슈트 레벨(5)은 500mm가 되고 이는 운전원이 목표로 한 슈트 레벨과 수렴하게 되도록 안정적 제어가 이루어진다. 이 때 출력의 급격한 감발로 인하여 3단 최종 급탄기(3) 요구량이 각각 -10% 감소하게 되면 2단 급탄기(2) 요구량은 선행제어값에 의해 40%→30%로 감소시킨 후에 가상의 슈트 레벨(5)을 설정한 목표값에 수렴할 수 있도록 상세 제어가 제어부(30)에 의해 이루어진다.

따라서, 본 발명은 전술한 바와 같은 구성을 가짐으로써 급탄량 제어의 안정화를 위해 기존 초음파 및 레이더 방식의 레벨측정장치는 운전원 참고용의 비교값으로 활용하고 전동기 전류변화값으로 제어를 함으로써 슈트 레벨(5)의 안정화 및 급탄량 제어의 품질을 향상시키게 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.

1 : 1단 급탄기 2 : 2단 급탄기
3 : 최종 급탄기 4 : 슈트
10 : 함수 변환기 20 : 편차 계산기
30 : 제어부

Claims (3)

1) 화력발전소의 보일러에 석탄을 공급하기 위해 1단 급탄기(1)로부터 2단 급탄기(2)를 거쳐 최종 급탄기(3)로 석탄을 공급하는 다단형 체적식 석탄공급기에서 최종 급탄기(3)의 구동용 전동기의 전류값의 변화에 따른 슈트 레벨(5)의 변화의 특성시험을 통해 최종 급탄기(3)의 구동용 전동기의 전류값을 가상의 슈트 레벨값으로 변환하는 특성함수(f(x))를 산출하는 단계와,
2) 산출된 상기 특성함수(f(x))가 내장된 함수변환기(10)를 통해 현재 최종 급탄기(3)의 구동용 전동기의 전류값을 이용하여 가상의 슈트 레벨(5)의 매개변수(PV)를 생성하는 단계와,
3) 생성된 상기 가상의 슈트 레벨(5)의 매개변수(PV)와 기설정된 슈트 레벨(5) 목표값(SP)을 편차계산기(20)에서 비교하여 편차를 계산하는 단계와,
4) 상기 편차계산기(20)에서 계산된 편차의 상쇄를 목표로 제어부(30)(PID controller)에서 PID제어를 통해 조작량을 발생하고, 발생된 조작량과 최종 급탄기(3) 요구량의 평균값을 합하여 1,2단 급탄기(1,2) 요구량(demand)을 발생시키는 단계를 포함하여 이루어져서 슈트 레벨 안정화 및 급탄량 제어품질을 향상시키는 것을 특징으로 하는 화력발전소의 보일러에서 다단형 체적식 석탄공급기의 급탄량 제어방법.

제1항에 있어서,
상기 4)단계에서 상기 1,2단 급탄기(1,2) 요구량(demand)을 1,2단 급탄기(1,2) 인버터에 전달하여 1,2단 급탄기(1,2)의 전동기 속도를 조절하는 화력발전소의 보일러에서 다단형 체적식 석탄공급기의 급탄량 제어방법.

제1항에 있어서,
상기 최종 급탄기(3)는 다수 개로 이루어지고 상기 2단 급탄기(2)의 끝단 하측에 위치하는 최종 급탄기(3)에 슈트(4)가 배치되는 화력발전소의 보일러에서 다단형 체적식 석탄공급기의 급탄량 제어방법.

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