KR101883623B1 - 보일러 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

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KR101883623B1
KR101883623B1 KR1020180041626A KR20180041626A KR101883623B1 KR 101883623 B1 KR101883623 B1 KR 101883623B1 KR 1020180041626 A KR1020180041626 A KR 1020180041626A KR 20180041626 A KR20180041626 A KR 20180041626A KR 101883623 B1 KR101883623 B1 KR 101883623B1
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Abstract

본 발명은 지능형 자동 연소 제어 및 지능형 드럼 레벨 제어를 구현하고, 덕트 내로 유입되는 공기의 정전기에 의한 클러스터 발생을 방지하여 연소 효율 및 친 환경성을 동시에 증진시킬 수 있는 보일러 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 보일러 시스템은 증기압력의 설정값(MASTER LOAD값)에 기초하여 연료량 제어밸브 및 공기량 제어댐퍼의 개폐를 제어하되, 하이 셀렉터(High Selector) 및 로우 셀렉터(Low Selector)의 출력값을 변화시켜 연공비를 제어하는 제어부; 및
승온/승압시 정확한 수위 측정을 위한 포화수와 포화증기의 압력에 따른 밀도보정방식과 정확한 스팀유량측정을 위한 스팀의 압력보정방식에 의해, 그리고 스팀유량과 공급수유량을 실시간 분석함으로 드럼레벨을 예측하여 PID 제어에 반영하는 드럼레벨 제어부를 포함한다.

Description

보일러 시스템 및 그 제어 방법{Boiler system and control method the same}
본 발명은 보일러 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 지능형 자동 연소 제어 및 지능형 드럼 레벨 제어를 구현하고, 덕트 내로 유입되는 공기와 덕트의 충돌에 의한 정전기로 발생되는 클러스터를 방지하여 연소 효율 및 친 환경성을 동시에 증진시킬 수 있는 보일러 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
기존의 산업용 보일러는 몇 가지 경우의 수만 의존하는 제한적 자동제어시스템을 구성하고 있다.
이 때문에, 현재 산업용 보일러는 보일러 스스로가 가동 중 각 상황을 실시간 판단하여 스스로 최적의 판단을 내리는 소위 "지능형 자동 보일러 제어(Intelligent Automatic Boiler Control : IABC)" 기능을 만족하고 있지 않다.
이러한 실정을 감안하여, 본 발명자는 최적의 연소구간을 실시간 스스로 판단하여 제어하는 "지능형 자동 연소 제어(Intelligent Automatic Combustion Control : IACC)" 기능과, 드럼내 워터의 최적수위 구간을 실시간 스스로 판단하여 제어하는 "지능형 드럼 레벨제어(Intelligent Drum Level Control : IDLC)" 기능과, 이와 동시에 보일러 가동 시 화학적 특성을 이용하여 NOx 등의 공기클러스터의 분해를 토안 연소가능 산소를 증가시키고 NOx 등의공해 요소를 제거함으로 지능형 자동 연소 제어기능에서의 연소 제어성을 향상시킴으로 연소 효율 및 친 환경성을 동시에 증진시킬 수 있는 방안을 제시하고자 한다.
특허문헌 1: 등록특허 제10-1165551호(공고일 2012.07.16)
본 발명의 목적은 지능형 자동 연소 제어 및 지능형 드럼 레벨 제어를 구현하고, 덕트 내로 유입되는 공기의 정전기에 의한 클러스터 발생을 방지하여 연소 효율 및 친 환경성을 동시에 증진시킬 수 있는 보일러 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 보일러 시스템에 있어서, 증기압력의 설정값(MASTER LOAD값)에 기초하여 연료량 제어밸브 및 공기량 제어댐퍼의 개폐를 제어하되, 하이 셀렉터(High Selector) 및 로우 셀렉터(Low Selector)의 출력값을 변화시켜 연공비를 제어하는 연공비 제어부; 및 승온/승압시 정확한 수위 측정을 위한 포화수와 포화증기의 압력에 따른 밀도보정방식과 정확한 스팀유량측정을 위한 스팀의 압력보정방식에 의해, 그리고 스팀유량과 공급수유량을 실시간 분석함으로 드럼레벨을 예측하여 PID 제어에 반영하는 드럼레벨 제어부를 포함한다.
또한, 연공비 제어부는 약 1 : 9.524가 되는 이론 연공비를 기준으로 연공비 제어를 실시한다.
그리고, 연공비 제어부는, MASTER LOAD값이 증가할 경우, 다음의 ① 내지 ③ 과정을 반복 수행한다.
① MASTER LOAD값에 의해 하이 셀렉터의 출력값을 증가시킴으로써 공기량 설정(SV)값을 증가시키며, 그 결과 공기량을 증가시킨다.
② 공기량 증가를 연산한 후에, 연공비에 따라 연료량의 SV값을 증가시키며, 그 결과 연료량을 증가시킨다.
③ 연료량 증가에 의해 High Selector의 출력값을 증가시킴으로써 공기량을 증가시키며, 공기량 증가는 MASTER LOAD값으로 하여금 로우 셀렉터의 출력값을 감소시키는 결과를 이끌어, 다시 연료량을 감소시킨다.
그리고, 연공비 제어부는, MASTER LOAD값이 감소할 경우, 다음의 ④ 내지 ⑥ 과정을 반복 수행한다.
④ MASTER LOAD값에 의해 로우 셀렉터의 출력값을 감소시킴으로써 연료량 SV값을 감소시키며, 그 결과 연료량을 감소시킨다.
⑤ 연료량 감소를 연산한 후에, 연공비에 따라 공기량 SV값을 감소시키며, 그 결과 공기량을 감소시킨다.
⑥ 공기량 감소에 의해 로우 셀렉터의 출력값을 감소시킴으로써 연료량을 감소시키며, 연료량 감소는 MASTER LOAD값으로 하여금 하이 셀렉터의 출력값을 증가시키는 결과를 이끌어, 다시 공기량을 증가시킨다.
또한, 연공비 제어부는 연료량의 헌팅을 방지하기 위한 BIAS 값을 결정하는 (+)BIAS 및 (-)BIAS 기능부를 추가로 포함한다.
그리고, (+)BIAS 및 (-)BIAS의 값은, 평상운전상태인 MCR(Maximum Continuous Rating)상태에서의 표준 과잉산소량은 1%로 설정하고, 과잉산소의 상한값을 1.5%, 하한값을 0.5%로 설정할 할때, 다음과 같이 얻어질 수 있다.
과잉 공기율(U) = 이론공기량(QA) / MCR시 공기량(QF) = 21% / (21% - O2%)
과잉 공기율 상한값(과잉산소 1.5%일때)(UH) = 21% / (21% - 1.5%) = 1.077
과잉 공기율 하한값(과잉산소 0.5%일때)(UL) = 21% / (21% - 0.5 %) = 1.024
표준 과잉 공기율(U) = 21% / (21% - 1 %) = 1.050
과잉공기 상한율(KH) = 1.077 / 1.05 = 1.025
과잉공기 하한율(KL) = 1.024 / 1.05 = 0.975
(+)BIAS = 1 - 1.025 = -0.025 즉 -2.5%
(-)BIAS = 1 - 0.975 = +0.025 즉 +2.5%
또한, 보일러 시스템은, 하기의 (식 3)에 의해, O2 및 CO의 체적비 불균형에 의한 불완전연소를 방지하는 O2 및 CO 트리밍 제어부를 추가로 포함한다.
O2 및 CO 트리밍 제어 = [(100 - TRIMMING MV) x 0.006 + 0.7] x 공기량(온도보정) ... (식 3)
그리고, 드럼레벨 제어부는 하기의 (식 4)에 의해 드럼수위를 계산할 수 있다.
Figure 112018035635511-pat00001
...(식 4)
여기서, ΔP는 수위 지시계의 차압(mmH2O=kg/㎡), rs는 포화증기의 밀도(kg/㎥), rw는 포화수의 밀도(kg/㎥), h는 드럼수위(m), H는 탭 사이의 높이(m).
그리고, (식 4)의 드럼수위를 백분율로 표기하면, 하기의 (식 5)로 나타낼 수 있다.
Figure 112018035635511-pat00002
...(식 5)
또한, 드럼레벨 제어부는 하기의 (식 6)에 의해 스팀유량의 압력을 보정할 수 있다.
Figure 112018035635511-pat00003
...(식 6)
여기서, Qc는 압력이 보정된 스팀유량(ton/h), Qg는 유량계의 스팀유량(ton/h), Pa는 표준대기압(1.03322 ㎏/㎠), Ps는 스팀압력(㎏/㎠), Pd는 스팀설계압력(㎏/㎠).
그리고, 보일러 시스템은 덕트의 외부에 설치되어, 덕트의 표면내 정전기 발생을 방지할 수 있는 공기 클러스터 분해수단을 추가로 포함하여 지능형 자동 연소 제어의 연소 제어성과 친환경성을 향상시킨다.
또한, 공기 클러스터 분해수단은 14kJ/mol 보다 큰 전자친화도를 가진다.
그리고, 공기 클러스터 분해수단은 금(Au)으로 코팅 및 도금된 고밀도폴리에틸렌(HDPE) 또는 고밀도폴리프로필렌(HDPP)으로 형성된 제1층과 제3층, 압축섬유로 형성된 제1층과 제3층 사이의 제2층, 접착제층인 최내층, 및 외부보호층인 최외층을 포함하여 구성된다. 여기서, 압축섬유는 양모 또는 펠트이다.
이때, 공기 클러스터 분해수단은 정전기를 많이 일으킬 수 있는 덕트나 송풍기의 굴곡 부위에 설치된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 보일러 시스템의 제어 방법에 있어서, 연공비 제어부가 증기압력의 설정값(MASTER LOAD값)에 기초하여 최초 연료량과 공기량의 연공비 제어를 위해 연료량 제어밸브와 공기량 제어댐퍼의 개폐를 제어하되, 하이 셀렉터(High Selector) 및 로우 셀렉터(Low Selector)의 출력값을 변화시켜 연공비를 조절하는 단계; 및 드럼레벨 제어부가 승온/승압시 정확한 수위 측정을 위한 포화수와 포화증기의 압력에 따른 밀도보정방식과 정확한 스팀유량측정을 위한 스팀의 압력보정방식에 의해, 그리고 스팀유량과 공급수유량을 실시간 분석함으로 드럼레벨을 예측하여 PID 제어에 반영하는 단계를 포함한다.
본 발명에 의하면, 지능형 자동 연소 제어 및 지능형 드럼 레벨 제어가 구현가능하고, 덕트 내로 유입되는 공기의 정전기에 의한 클러스터 발생을 방지함으로써 지능형 자동 연소 제어의 연소 제어성 향상 곧, 연소 효율을 증진시킴과 동시에 친 환경성을 증진시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 연소에서 공기비와 열손실 및 열효율의 관계를 도시하는 도면이다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 보일러 연공비 제어를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명에 있어서 드럼수위를 계산하기 위한 파라미터를 도식화한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 드럼레벨 제어를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 공기 클러스터 분해막의 구성을 도시하는 도면이다.
이하, 상술한 해결과제가 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시 예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. 본 실시 예들을 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며, 이에 따른 부가적인 설명은 하기에서 생략된다.
1. 지능형 자동 연소 제어
지능형 자동 연소 제어(Intelligent Automatic Combustion Control : IACC)의 핵심은 연소 후에 배출되는 배기가스내 산소량을 일정하게 배출하되, 얼마나 적게 배출하느냐가 관건이다.
만약 배기가스내 산소량을 기준치보다 적게 배출하도록 제어한다면, 불완전 연소의 가능성을 높여 일산화탄소 및 그을음이 발생될 뿐 아니라 보일러 수명 단축의 원인이 된다. 반대로, 배기가스내 산소량을 기준치보다 과하게 배출하도록 제어한다면, 불완전 연소의 가능성은 없어지지만, 에너지효율이 저하됨과 동시에, 공기중 NOx, SOx 등의 악성 오염물질의 배출량을 증가시키게 된다. 따라서, 완전연소, 에너지효율, 공해예방(저녹스) 등 여러가지 요소를 고려하여 최적의 배출 산소량 산정하여야 한다.
이를 위해서, 지능형 자동 연소 제어 방식이 제안되었으며, 보일러가 스스로 판단하여 최적의 연소영역(도 1 참조)을 정하도록 제어한다.
1-1. 보일러 부하 제어
보일러의 증발부가 압력용기를 구성하고 있고, 증기압력에 따라 출력량을 산출할 수 있으므로, 증기압력을 설계치로 유지하는 것이 필요하다. 즉, 보일러 연소제어의 주된 목적은 증기압력을 일정치로 유지시키기 위한 것이라고 볼 수 있다.
이를 위해, 최초 증기압력신호의 설정 즉, 보일러 부하신호는 연료량과 공기량의 연공비를 제어하는 기본 지령 신호가 된다. 예를 들어, 증기압력신호의 범위(Range)가 0~10kg/㎠이라 하면, 희망 보일러 부하신호를 7kg/㎠으로 지령할 시, 목표 압력으로 승압을 위한 보일러 연소제어 즉, 연료량과 공기량을 최적비율로 맞추기 위한 제어를 진행할 것이다. 본 제어는 일반적으로 역동작 즉, 목표치(SP)에 대한 측정치(PV)가 높을 때에 출력신호(MV)가 감소하는 방향으로 발생하며, 증기드럼의 승압을 위해 갑자기 다량의 연료를 투입함에 따른 폭파 위험성 및 보일러장치의 수명단축과 연료손실 등 부정적 요소를 막기 위해 RAMP기능을 두어 보일러의 설정압력이 서서히 증가하도록 한다.
1-2. 보일러 연공비 제어
보일러의 부하 제어로 인해 보일러의 부하가 서서히 변화함에 따라 연료량 및 공기량이 변화한다. LNG(메탄)를 주 연료로 사용할 경우에, (식 1)에 의해 완전 연소식이 구현된다.
Figure 112018035635511-pat00004
... (식 1)
(식 1)에 의거하여, 연료인 메탄(CH4)의 양과 산소(O2)의 양은 체적비로 볼 때 1 : 2 의 비율로 반응한다. 공기중 산소량은 체적을 기준으로 21%이기 때문에, 다시 메탄과 이론 공기량의 체적비를 계산하면 1 : (2/0.21) 즉, 약 1 : 9.524가 된다. 이는 이론 연공비이며, 이러한 이론 연공비를 근거로 하여 다음 1)항 ~ 3)항의 순서로 연공비 제어를 실시한다.
도 2를 참조하면, 보일러의 연공비 제어부(10)는 증기압력의 설정값(MASTER LOAD값)에 기초하여 연료량 제어밸브 및 공기량 제어댐퍼의 개폐를 제어하되, 하이 셀렉터(High Selector) 및 로우 셀렉터(Low Selector)의 출력값을 변화시켜 연료량과 공기량의 연공비를 제어한다.
구체적으로, 보일러의 연공비 제어부(10)는 다음과 같이 동작한다.
1) 공기에 의한 퍼지(PURGE) 이후, 최초 보일러 로드업(LOADUP)시 보일러의 증기압력 즉, MASTER LOAD값(증기압력의 SV(Setting Value))이 증가함에 따라 캐스케이드(CASCADE) PID 제어로 연료량과 공기량이 증가한다. 즉 증기압력의 설정신호가 최초 연료량과 공기량을 제어한다(도 2 참조).
2) 보일러 LOADUP이후 MASTER LOAD값이 증가할 경우(도 3 참조)
① MASTER LOAD값에 의해 하이 셀렉터(High Selector)의 출력값을 증가시킴으로써 공기량 SV값을 증가시키며, 그 결과 공기량을 증가시킨다(MASTER LOAD↑->공기량↑).
② 공기량 증가를 연산 후, 연공비에 따라 연료량의 SV값을 증가시키며, 그 결과 연료량을 증가시킨다(공기량↑->연료량↑).
③ 연료량 증가에 의해 High Selector의 출력값을 증가시킴으로써 공기량을 증가시키며, 공기량 증가는 MASTER LOAD값으로 하여금 로우 셀렉터(Low Selector)의 출력값을 감소시키는 결과를 이끌어, 다시 연료량을 감소시킨다(연료량↑->공기량↑; 또는 MASTER LOAD -> 연료량↓).
④ ①~③이 반복됨에 따라, 연공비를 실시간 스스로 맞추며 연소한다.
3) 보일러 LOADUP이후 MASTER LOAD값이 감소할 경우(도 4 참조)
① MASTER LOAD에 의해 Low Selector의 출력값을 감소시킴으로써 연료량 SV를 감소시키며, 그 결과 연료량을 감소시킨다(MASTER LOAD↓->연료량↓).
② 연료량 감소를 연산한 후에 연공비에 따라 공기량 SV값을 감소시키며, 그 결과 공기량을 감소시킨다(연료량↓->공기량↓).
③ 공기량 감소에 의해 Low Selector의 출력값을 감소시킴으로써 연료량을 감소시키며, 연료량 감소는 MASTER LOAD로 하여금 High Selector의 출력값을 증가시키는 결과를 이끌어, 다시 공기량을 증가시킨다.
④ ①~③이 반복됨에 따라, 연공비를 실시간 스스로 맞추며 연소한다.
한편, 차압식 공기량 측정시 나타나는 특유의 헌팅의 영향이 연료량의 헌팅을 유발하며, 최종적으로는 전체 시스템을 헌팅 시키는 결과를 초래한다.
이를 개선하기 위해, 연공비 제어부(10)는 연료량의 헌팅 방지를 위한 BIAS 값을 결정하는 (+)BIAS 및 (-)BIAS 기능부(도 2에서 +BIAS 및 -BIAS로 표시됨)를 추가로 포함한다.
이러한 (+)BIAS 및 (-)BIAS 기능부의 도입은 헌팅 현상의 파급을 방지할 뿐만 아니라 급격한 보일러 부하 상승에 대하여 선행적으로 연료량을 더 적게 이끌어 보일러 부하의 추종성 개선에도 효과가 있다.
BIAS의 값을 결정하기 위해, 평상운전상태인 MCR(maximum continuous rating, 최대연속출력) 상태에서의 표준 과잉산소량은 1%로 설정하고, 과잉산소의 상한값을 1.5%로, 하한값을 0.5%로 설정할 때, (+)BIAS 및 (-)BIAS의 값은 하기와 같이 계산된다.
과잉 공기율(U) = 이론공기량(QA) / MCR시 공기량(QF) = 21% / (21% - O2%)
과잉 공기율 상한값(과잉산소 1.5%일때)(UH) = 21% / (21% - 1.5%) = 1.077
과잉 공기율 하한값(과잉산소 0.5%일때)(UL) = 21% / (21% - 0.5 %) = 1.024
표준 과잉 공기율(U) = 21% / (21% - 1 %) = 1.050
과잉공기 상한율(KH) = 1.077 / 1.05 = 1.025
과잉공기 하한율(KL) = 1.024 / 1.05 = 0.975
(+)BIAS = 1 - 1.025 = -0.025 즉 -2.5%
(-)BIAS = 1 - 0.975 = +0.025 즉 +2.5%
1-3. O2 및 CO 트리밍(TRIMMING) 제어
위에서와 같이 표준 과잉산소량을 1%로 남겨두었는데, 이는 불완전연소를 방지하기 위해 완전연소 후 남은 여분의 산소이다. LNG(메탄)과 산소의 체적비는 1:2에서 완전연소를 이루지만, 약간의 산소를 더 투입함으로써 불완전연소 가능성을 미연에 방지할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 과잉산소량 1%는 현격히 낮은 수치이다. 때문에, 이는 약간의 헌팅에서도 산소부족으로 인한 불완전연소를 야기할 수 있게 된다. 여기서, LNG(메탄)의 완전연소시 체적비 1:2보다 커지게 되면 불완전연소가 형성되는데, 다음 (식 2)는 LNG:산소 체적비 2:3에서의 불완전연소식으로 일산화탄소+증기+열이 발생한다.
Figure 112018035635511-pat00005
... (식 2)
(식 2)와 같이, 불완전연소시 가장 큰 특징 중 하나는 배기가스 중 일산화탄소가 나오게 되는 것이다. 그런데, 배기가스내 일산화탄소가 발생하지 않는다는 것은 역으로 불완전연소가 이루어지지 않았다는 것이고, 이는 곧 완전연소가 되었다는 것을 의미한다. 그러므로, 배기가스내 일산화탄소를 제로(ZERO)화 한다면, 역으로 불완전연소를 방지할 수 있는 좋은 방안이 될 것이다.
이를 위해, 본 발명의 보일러 시스템은 O2 및 CO의 체적비 불균형에 의한 불완전연소를 방지하는 O2 및 CO 트리밍 제어부(20)를 추가로 포함한다.
도 3은 도 2에서의 연공비 제어 도면에 O2및 CO 트리밍 제어부(20)를 추가한 도면이고, O2 및 CO 트리밍 제어는 (식 3)으로 표현된다. 여기서, 트리밍의 출력신호(MV)는 SV값(O2 및 CO 셋팅값)에 비해 배기가스내 O2농도가 높을수록 작아지고(공기량↓) 낮을수록 커지는 반면(공기량↑), 배기가스내 CO농도가 높을수록 커지고(공기량↑) 낮을수록 작아진다(공기량↓).
O2 및 CO 트리밍 제어 = [(100 - TRIMMING MV) x 0.006 + 0.7] x 공기량(온도보정) ... (식 3)
2. 지능형 드럼수위 제어(Intelligent Drum Level Control : IDLC)
2-1. 밀도보상(포화증기, 포화수)
보일러 압력이 대기압과 동일조건시, 수위계와 전자식 수위 지시계(LEVEL TRANSMITTER)는 동일한 수위를 지시하지만, 승온/승압시에는 밀도차로 인해 최대 10% 이상의 편차가 발생된다. 이에 따라, 포화수와 포화증기의 압력에 따른 밀도차를 보정해 주어야 한다.
도 4는 본 발명에 따른 보일러 드럼의 수위를 계산하기 위한 드럼의 개략도이다.
도 4를 참조하면, H, L측 도압관에 ra밀도의 유체(20℃의 포화수)가 가득 채워져 있는 상태에서 영점을 맞추고 드럼 수위(h)를 구하면, 다음과 같이 계산될 수 있다.
**H측 압력(P1) = P + rs (H - h) + rwh
**L측 압력(P2) = P
ΔP = P1 - P2 = rs H - rsh + rwh = (rw - rs)h + rsH
즉, 드럼 수위(h)는 다음의 (식 4)로 나타낼 수 있다.
Figure 112018035635511-pat00006
...(식 4)
이를 백분율로 표기하면, 다음의 (식 5)로 나타낼 수 있다.
Figure 112018035635511-pat00007
...(식 5)
여기서, h는 드럼수위(m), ΔP는 수위 지시계의 차압(mmH2O=kg/m2), ra는 도압관내 유체의 밀도(kg/m3), rs는 포화증기의 밀도(kg/m3), rw는 포화수의 밀도(kg/m3), H는 탭 사이의 높이(m), P는 드럼 압력(kg/cm2)이다.
위 내용을 표로 정리하면, 다음과 같은 [표 1]로 나타낼 수 있다.
[표 1]
Figure 112018035635511-pat00008
[표 1]의 최우측 열은 보일러 가열전 100%하의 드럼 수위로, 가열 후 드럼에 압력이 가해진 상황과 비교한다면, 산업용 보일러의 보통 사용압력인 7kg/㎠이므로, 0kg/㎠과 7kg/㎠ 간의 수위차를 비교하면, 약 11.25%의 수위차가 나는 것을 볼 수 있다. 따라서, 드럼수위 측정시 밀도보상을 해주지 않는다면, 이와 같은 오차가 발생할 것이다. 그러므로, 위에 제시된 방식으로 반드시 밀도보상을 해주어야 한다.
2-2. 스팀유량의 압력보정
응축수의 경우, 압력에 대해 체적이 불변한 비압축성이지만, 스팀은 압력에 대해 체적이 유동적인 압축성으로 압력보정을 해야 하며, 다음의 (식 6)에 스팀의 압력 보정을 공식화 하였다.
Figure 112018035635511-pat00009
...(식 6)
여기서, Qc는 압력이 보정된 스팀유량(ton/h), Qg는 유량계의 스팀유량(ton/h), Pa는 표준대기압(1.03322 ㎏/㎠), Ps는 스팀압력(㎏/㎠), Pd는 스팀설계압력(㎏/㎠).
2-3. 스팀유량과 워터유량을 이용한 수위 제어 보정
보일러는 스팀을 생산하는 장비로 스팀 생산을 위해 필수적으로 보일러에 응축수를 지속적으로 공급하여야 한다. 즉, INPUT인 공급수와 OUTPUT인 스팀이 존재하게 된다. 만약 들어오는 공급수에 비해 나가는 스팀의 양이 더 많아지면, INPUT대비 OUTPUT이 더 크기 때문에, 보일러 드럼의 수위는 줄어들게 된다. 반면, 공급수에 비해 나가는 스팀의 양이 더 적어지면, 보일러 드럼의 수위는 늘어나게 된다. 이는 보일러 수위에 적지않은 영향을 끼치기 때문에 보일러의 수위 지시계만으로 PID 제어를 구현할 시 목표로 하는 수위를 지속적으로 유지시키기가 어렵다.
특히, 산업용 보일러에서와 같이 보일러의 부하량 즉, 나가는 스팀의 양이 급변하는 경우에는 드럼내 수위의 부족과 과잉이 반복되어 위험한 결과를 초래하기 쉽다. 따라서, 만족할 만한 보일러 드럼 수위 제어를 위해서는 보일러에서 나가는 스팀량과 들어오면 공급수의 양을 실시간 분석/예측하여 이를 목표 수위에 반영하여야 한다.
즉, 미래의 값을 예측하여 제어하는 방식인 피드 포워드 제어(FEED FORWARD CONTROL)를 적용하여야 한다.
앞서 2-1절에서 표현했던, 드럼 수위에 대한 밀도 보상값을 PID 제어로 구현하는 것과, 스팀유량과 공급수유량의 값을 실시간 예측하여 PID 제어에 반영하는 것을 종합적으로 도식화하면, 도 5와 같다.
도 5를 참조하면, 본 발명에서는 드럼레벨 제어부가 승온/승압시 정확한 수위 측정을 위한 포화수와 포화증기의 압력에 따른 밀도보정방식과 정확한 스팀유량측정을 위한 스팀의 압력보정방식에 의해, 그리고 스팀유량과 공급수유량을 실시간 분석함으로 드럼레벨을 예측하여 PID 제어에 반영하는 드럼레벨 제어부(30)를 포함한다.
도 5에 있어서, 드럼수위측정부(32)는 위의 (식 4)(또는 (식 5))에 의해 드럼수위를 측정하며, 스팀유량의 압력 보정부(34)는 위의 (식 6)에 의해 스팀유량의 압력보정을 수행한다. 또한, 목표수위 예측부(36)는 스팀유량과 공급수유량의 값을 통해 실시간 드럼수위를 예측하여 PID 제어에 반영한다. 즉, 들어오는 물의 유량이 많으면 목표수위를 줄이고, 나가는 스팀의 유량의 많으면 목표수위를 늘린다.
3. 공기 클러스터 분해(Air Cluster Decomposition)
3-1. 공기 클러스터
공기 클러스터란, 공기가 분자간의 인력으로 인해 서로가 결합되는 현상으로, 정전기에 의해 발생된다. 특히, 회전체(FAN)에 의해 공기를 주입할 시, 덕트의 표면에서 공기는 덕트와 충돌을 일으켜 정전기를 발생하며, 공기 중의 산소분자와 질소분자는 정전기에 의해 덕트표면으로 이끌려 상호 클러스터를 형성하게 된다. 이러한 이유로 인해, N2-O2 클러스터에 포함된 O2는 연료와 함께 연소 반응을 일으킬 수 없게 된다. 이는 곧 보일러 효율 저하를 일으키며, 더 많은 과잉공기가 유입됨으로 인해 NOx(질소산화물) 등의 유독성 물질을 더 많이 방출하는 결과를 초래하여 대기환경에 심각한 악영향을 초래하게 된다.
이러한 공기 클러스터와 관련하여, 회전체의 작동 전 공기 중의 산소와 질소는 전하를 띠지 않는 중성화 상태로 존재하고 있으나, 회전체의 작동 후 덕트 내로 공기가 유입되면 덕트의 표면과 공기와의 마찰로 인해 정전기가 발생하게 되면서 전하를 띠는 산소와 질소들이 덕트의 표면으로 이끌려 클러스터를 형성하여 결합하게 된다.
3-2. 공기 클러스터 분해
일반적으로 덕트내 공기의 마찰로 정전기가 발생되며, 이를 방지하기 위해 본 발명에서는 도 6과 같은 구조의 공기 클러스터 분해막(Air Cluster Decomposition Layer)(40)을 덕트(D)의 외부에 설치한다.
이러한 공기 클러스터 분해막(40)은 덕트(D) 내 양이온과 음이온을 중성화시키며, 덕트(D) 내 양이온과 음이온이 중성화됨에 따라 덕트(D)의 표면내 정전기 발생을 방지할 수 있다.
공기의 전자친화도가 약 14kJ/mol인 점을 감안하면, 공기 클러스터 분해막(40)은 14kJ/mol 보다 큰 전자친화도(Electron affinity)를 가짐으로써 분해막이 전자를 공기중에 더 활발히 이끌 수 있다. 이는 중성화를 더욱 활발히 일어나도록 해주는데, 전자친화도가 클수록 공기 클러스터 분해막의 효과는 더 좋아진다. 그 중에서도 금속인 금, 은, 주석, 구리, 알루미늄, 아연 등의 11~14족 금속원소가 적정한데, 그 중에서 구리, 아연, 주석 등은 공기 중에서 쉽게 산화되어 부적합하다. 때문에, 공기 클러스터 분해막(40)에 대해서는 반응성이 낮은 금이나 은이 적합하다.
3-3. 공기 클러스터 분해막(ACDLayer)
도 6을 참조하면, 공기 클러스터 분해막(40)은 정전기를 방지하기 위한 중성화용으로서 3층의 막으로 구성되어 있으며, 최내층의 접착층 및 최외층의 외부보호층을 포함한다.
제1층과 제3층은 금(Au)으로 코팅 및 도금된 고밀도폴리에틸렌(HDPE) 또는 고밀도폴리프로필렌(HDPP)으로 형성되고, 이들 사이의 제2층은 양모 또는 펠트(felt)와 같은 압축섬유로 형성되며, 그리고 최내층의 접착층은 아크릴 접착제 또는 그 외에 적용 가능한 접착제로 될 수 있고, 최외층의 외부보호층은 폴리에스테르, PVC, 알루미늄 또는 그 외 기타 금속 물질로 형성될 수 있다.
여기서, 전하를 띠고 있는 공기 클러스터의 전자 친화도는 약 14KJ/mol이므로 가스상태에서 음이온을 제거하기 위해 공기 클러스터 분해막은 최소 14KJ/mol보다 큰 전자친화도를 가지는 물질로 선정하여야 하며, 산화가 쉽게 이루어지지 않아야 한다. 따라서, 본 조건을 만족하기 위해서는 11~14족 원소중 0.95g/cm³이상의 밀도를 가지는 열가소성(Thermoplastic)을 띠는 물질 중 전자친화도가 클수록 좋다. 때문에, 본 발명에서는 바람직하게 금을 최종 선택할 수 있다. 또한, 금이 고가인 점을 고려하여, 금액 대비하여 효용을 높이기 위해 HDPE 또는 HDPP에 금을 전기도금하는 형식으로 구성가능하다.
금이 사용되는 고가인 점을 고려할 때, 공기 클러스터 분해막(40)은 전체 덕트에 설치하기 보다는 표면내 공기마찰이 활발한 굴곡부위 등 특정부위에 설치함으로써 금액대비 효과를 높일 수 있다. 예를 들면, 공기 클러스터 분해막(40)은 정전기를 많이 일으킬 수 있는 덕트 또는 송풍기의 굴곡부위에 설치되는 것이 바람직하다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 특정한 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형의 실시가 가능하고 이러한 변형은 본 발명의 범위에 속한다.

Claims (23)

  1. 증기압력의 설정값(MASTER LOAD값)에 기초하여 연료량 제어밸브 및 공기량 제어댐퍼의 개폐를 제어하되, 하이 셀렉터(High Selector) 및 로우 셀렉터(Low Selector)의 출력값을 변화시켜 연공비를 제어하는 연공비 제어부; 및
    승온/승압시 정확한 수위 측정을 위한 포화수와 포화증기의 압력에 따른 밀도보정방식과 정확한 스팀유량측정을 위한 스팀의 압력보정방식에 의해, 그리고 스팀유량과 공급수유량을 실시간 분석함으로 드럼레벨을 예측하여 PID 제어에 반영하는 드럼레벨 제어부를 포함하고,
    연공비 제어부는, MASTER LOAD값이 증가할 경우, 다음의 ① 내지 ③ 과정을 반복 수행하는 것을 특징으로 하는 보일러 시스템.
    ① MASTER LOAD값에 의해 하이 셀렉터의 출력값을 증가시킴으로써 공기량 설정(SV)값을 증가시키며, 그 결과 공기량을 증가시킨다.
    ② 공기량 증가를 연산 후, 연공비에 따라 연료량의 SV값을 증가시키며, 그 결과 연료량을 증가시킨다.
    ③ 연료량 증가에 의해 High Selector의 출력값을 증가시킴으로써 공기량을 증가시키며, 공기량 증가는 MASTER LOAD값으로 하여금 로우 셀렉터의 출력값을 감소시키는 결과를 이끌어, 다시 연료량을 감소시킨다.
  2. 제1항에 있어서,
    연공비 제어부는 1 : 9.524가 되는 이론 연공비를 기준으로 연공비 제어를 실시하는 것을 특징으로 하는 보일러 시스템.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    연공비 제어부는, MASTER LOAD값이 감소할 경우, 다음의 ④ 내지 ⑥ 과정을 반복 수행하는 것을 특징으로 하는 보일러 시스템.
    ④ MASTER LOAD값에 의해 로우 셀렉터의 출력값을 감소시킴으로써 연료량 SV값을 감소시키며, 그 결과 연료량을 감소시킨다.
    ⑤ 연료량 감소를 연산한 후에 연공비에 따라 공기량 SV값을 감소시키며, 그 결과 공기량을 감소시킨다.
    ⑥ 공기량 감소에 의해 로우 셀렉터의 출력값을 감소시킴으로써 연료량을 감소시키며, 연료량 감소는 MASTER LOAD값에 기인하여 하이 셀렉터의 출력값을 증가시키는 결과를 이끌어, 다시 공기량을 증가시킨다.
  5. 제1항에 있어서,
    연공비 제어부는 연료량의 헌팅 방지를 위한 BIAS 값을 결정하는 (+)BIAS 및 (-)BIAS 기능부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 보일러 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    (+)BIAS 및 (-)BIAS의 값은, 평상운전상태인 MCR상태에서의 표준 과잉산소량은 1%로 설정하고, 과잉산소의 상한값을 1.5%, 하한값을 0.5%로 설정할 할때, 다음과 같이 얻어지는 것을 특징으로 하는 보일러 시스템.
    과잉 공기율(U) = 이론공기량(QA) / MCR시 공기량(QF) = 21% / (21% - O2%)
    과잉 공기율 상한값(과잉산소 1.5%일때)(UH) = 21% / (21% - 1.5%) = 1.077
    과잉 공기율 하한값(과잉산소 0.5%일때)(UL) = 21% / (21% - 0.5 %) = 1.024
    표준 과잉 공기율(U) = 21% / (21% - 1 %) = 1.050
    과잉공기 상한율(KH) = 1.077 / 1.05 = 1.025
    과잉공기 하한율(KL) = 1.024 / 1.05 = 0.975
    (+)BIAS = 1 - 1.025 = -0.025 즉 -2.5%
    (-)BIAS = 1 - 0.975 = +0.025 즉 +2.5%
  7. 제1항에 있어서,
    상기 보일러 시스템은, 하기의 (식 3)에 의해, O2 및 CO의 체적비 불균형에 의한 불완전연소를 방지하는 O2 및 CO 트리밍 제어부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 보일러 시스템.
    O2 및 CO 트리밍 제어 = [(100 - TRIMMING MV) x 0.006 + 0.7] x 공기량(온도보정) ... (식 3)
  8. 제1항에 있어서,
    드럼레벨 제어부는 하기의 (식 4)에 의해 드럼수위를 계산하고, 하기의 (식 4)의 드럼수위를 백분율로 표기하면, 하기의 (식 5)로 나타낼 수 있는 것을 특징으로 하는 보일러 시스템.
    Figure 112018035635511-pat00010
    ...(식 4)
    여기서, ΔP는 수위 지시계의 차압(mmH2O=kg/㎡), rs는 포화증기의 밀도(kg/㎥), rw는 포화수의 밀도(kg/㎥), H는 탭 사이의 높이(m).
    Figure 112018035635511-pat00011
    ...(식 5)
  9. 제1항에 있어서,
    드럼레벨 제어부는 하기의 (식 6)에 의해 스팀유량의 압력을 보정하는 것을 특징으로 하는 보일러 시스템.
    Figure 112018035635511-pat00012
    ...(식 6)
    여기서, Qc는 압력이 보정된 스팀유량(ton/h), Qg는 유량계의 스팀유량(ton/h), Pa는 표준대기압(1.03322 ㎏/㎠), Ps는 스팀압력(㎏/㎠), Pd는 스팀설계압력(㎏/㎠).
  10. 제1항에 있어서,
    상기 보일러 시스템은 덕트의 외부에 설치되어, 덕트의 표면내 정전기 발생을 방지할 수 있는 공기 클러스터 분해수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 보일러 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    공기 클러스터 분해수단은 14kJ/mol 보다 큰 전자친화도를 가지는 것을 특징으로 하는 보일러 시스템.
  12. 제10항에 있어서,
    공기 클러스터 분해수단은 금(Au)으로 코팅 및 도금된 고밀도폴리에틸렌(HDPE) 또는 고밀도폴리프로필렌(HDPP)으로 형성된 제1층과 제3층, 압축섬유로 형성된 제1층과 제3층 사이의 제2층, 접착제층인 최내층, 및 외부보호층인 최외층을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 보일러 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    압축섬유는 양모 또는 펠트인 것을 특징으로 하는 보일러 시스템.
  14. 제10항에 있어서,
    공기 클러스터 분해수단은 정전기를 많이 일으킬 수 있는 덕트 또는 송풍기의 굴곡부위에 설치되는 것을 특징으로 하는 보일러 시스템.
  15. 연공비 제어부가 증기압력의 설정값(MASTER LOAD값)에 기초하여 연료량 제어밸브 및 공기량 제어댐퍼의 개폐를 제어하되, 하이 셀렉터(High Selector) 및 로우 셀렉터(Low Selector)의 출력값을 변화시켜 연공비를 제어하는 단계; 및
    드럼레벨 제어부가 승온/승압시 정확한 수위 측정을 위한 포화수와 포화증기의 압력에 따른 밀도보정방식과 정확한 스팀유량측정을 위한 스팀의 압력보정방식에 의해, 그리고 스팀유량과 공급수유량을 실시간 분석함으로 드럼레벨을 예측하여 PID 제어에 반영하는 단계를 포함하고,
    연공비 제어부는, MASTER LOAD값이 증가할 경우, 다음의 ① 내지 ③ 과정을 반복 수행하는 것을 특징으로 하는 보일러 시스템의 제어 방법.
    ① MASTER LOAD값에 의해 하이 셀렉터의 출력값을 증가시킴으로써 공기량 설정(SV)값을 증가시키며, 그 결과 공기량을 증가시킨다.
    ② 공기량 증가를 연산 후, 연공비에 따라 연료량의 SV값을 증가시키며, 그 결과 연료량을 증가시킨다.
    ③ 연료량 증가에 의해 High Selector의 출력값을 증가시킴으로써 공기량을 증가시키며, 공기량 증가는 MASTER LOAD값으로 하여금 로우 셀렉터의 출력값을 감소시키는 결과를 이끌어, 다시 연료량을 감소시킨다.
  16. 제15항에 있어서,
    연공비 제어부는 1 : 9.524가 되는 이론 연공비를 기준으로 연공비 제어를 실시하는 것을 특징으로 하는 보일러 시스템의 제어 방법.
  17. 삭제
  18. 제15항에 있어서,
    연공비 제어부는, MASTER LOAD값이 감소할 경우, 다음의 ④ 내지 ⑥ 과정을 반복 수행하는 것을 특징으로 하는 보일러 시스템의 제어 방법.
    ④ MASTER LOAD값에 의해 로우 셀렉터의 출력값을 감소시킴으로써 연료량 SV값을 감소시키며, 그 결과 연료량을 감소시킨다.
    ⑤ 연료량 감소를 연산한 후에 연공비에 따라 공기량 SV값을 감소시키며, 그 결과 공기량을 감소시킨다.
    ⑥ 공기량 감소에 의해 로우 셀렉터의 출력값을 감소시킴으로써 연료량을 감소시키며, 연료량 감소는 MASTER LOAD값에 기인하여 하이 셀렉터의 출력값을 증가시키는 결과를 이끌어, 다시 공기량을 증가시킨다.
  19. 제15항에 있어서,
    (+)BIAS 및 (-)BIAS 기능부가 연료량의 헌팅 방지를 위한 BIAS 값을 결정하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 보일러 시스템의 제어 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    (+)BIAS 및 (-)BIAS의 값은, 평상운전상태인 MCR상태에서의 표준 과잉산소량은 1%로 설정하고, 과잉산소의 상한값을 1.5%, 하한값을 0.5%로 설정할 할때, 다음과 같이 얻어지는 것을 특징으로 하는 보일러 시스템의 제어 방법.
    과잉 공기율(U) = 이론공기량(QA) / MCR시 공기량(QF) = 21% / (21% - O2%)
    과잉 공기율 상한값(과잉산소 1.5%일때)(UH) = 21% / (21% - 1.5%) = 1.077
    과잉 공기율 하한값(과잉산소 0.5%일때)(UL) = 21% / (21% - 0.5 %) = 1.024
    표준 과잉 공기율(U) = 21% / (21% - 1 %) = 1.050
    과잉공기 상한율(KH) = 1.077 / 1.05 = 1.025
    과잉공기 하한율(KL) = 1.024 / 1.05 = 0.975
    (+)BIAS = 1 - 1.025 = -0.025 즉 -2.5%
    (-)BIAS = 1 - 0.975 = +0.025 즉 +2.5%
  21. 제15항에 있어서,
    O2 및 CO 트리밍 제어부가 하기의 (식 3)에 기초하여 O2 및 CO 트리밍 제어를 수행하는 단계가 추가로 포함되는 것을 특징으로 하는 보일러 시스템의 제어 방법.
    O2 및 CO 트리밍 제어 = [(100 - TRIMMING MV) x 0.006 + 0.7] x 공기량(온도보정) ... (식 3)
  22. 제15항에 있어서,
    하기의 (식 4)에 의해 드럼수위를 계산하고, 하기의 (식 4)의 드럼수위를 백분율로 표기하면, 하기의 (식 5)로 나타낼 수 있는 것을 특징으로 하는 보일러 시스템의 제어 방법.
    Figure 112018060542639-pat00013
    ...(식 4)
    여기서, ΔP는 수위 지시계의 차압(mmH2O=kg/㎡), rs는 포화증기의 밀도(kg/㎥), rw는 포화수의 밀도(kg/㎥), H는 탭 사이의 높이(m).
    Figure 112018060542639-pat00014
    ...(식 5)
  23. 제15항에 있어서,
    드럼레벨 제어부는 하기의 (식 6)에 의해 스팀유량의 압력을 보정하는 것을 특징으로 하는 보일러 시스템의 제어 방법.
    Figure 112018035635511-pat00015
    ...(식 6)
    여기서, Qc는 압력이 보정된 스팀유량(ton/h), Qg는 유량계의 스팀유량(ton/h), Pa는 표준대기압(1.03322 ㎏/㎠), Ps는 스팀압력(㎏/㎠), Pd는 스팀설계압력(㎏/㎠).
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