KR102039906B1

KR102039906B1 - 액적 함유 부생가스 내 고형입자를 측정하는 고형입자 실시간 측정시스템

Info

Publication number: KR102039906B1
Application number: KR1020180089048A
Authority: KR
Inventors: 이춘우
Original assignee: 이춘우
Priority date: 2018-07-31
Filing date: 2018-07-31
Publication date: 2019-11-04

Abstract

고형입자 실시간 측정시스템은 메인배관으로부터 인출된 인출부생가스가 유동하는 측정배관, 측정배관을 통과하는 인출부생가스를 가열하여 액적을 증발시키는 가열기, 가열기를 통과한 인출부생가스 내 고형입자량을 측정하는 고형입자측정센서, 가열기의 상류 및 하류의 유속을 측정하는 상류 유속센서 및 하류 유속센서, 메인배관으로부터 측정배관으로 부생가스를 인출하는 블로워, 메인배관 내 부생가스의 유속을 측정하는 메인유속센서 및 상류 유속센서 및 메인유속센서로부터의 신호에 기초하여 고형입자측정센서를 통과하는 인출부생가스의 유속이 소정의 측정유속 범위 내에 있도록 블로워를 제어하고, 고형입자측정센서에 의해 측정된 고형입자량과 상류 유속센서로부터의 신호에 기초하여 메인배관을 이동하는 부생가스 내 고형입자의 농도를 산출하는 제어부를 포함한다.

Description

액적 함유 부생가스 내 고형입자를 측정하는 고형입자 실시간 측정시스템{Solid particle Real-time Measurement System for measuring solid particles in droplet-containing by-product gas}

본 발명은 고형입자 실시간 측정시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 발전용 연료로 사용되는 부생가스 내 고형입자를 실시간 정확하게 측정할 수 있는 고형입자 실시간 측정시스템에 관한 것이다.

제철이나 화학 공정에서 발생하는 폐가스(고로가스, 코크스제조가스, 메탄가스 등)인 부생가스를 정제하여 연료로 이용한다. 연료로 공급되는 부생가스는 고형입자농도가 많은 경우 연료분사노즐이 막히는 문제가 발생하므로 부생가스의 고형입자의 농도를 파악한다.

그러나 공급되는 부생가스는 계속 이동하고 있는 상태에서 고형입자농도를 측정할 때 샘플링을 해서 고형입자농도를 측정하므로 고형입자농도의 실시간 측정이 이루어지지 않는다. 이를 개선하기 위하여 부생가스 공급배관에 고형입자측정기를 설치하여 고형입자를 측정하려 하였다. 그러나 부생가스 생산과정에서는 고형입자농도를 줄이기 위해 흡착살수과정을 거치므로 부생가스 내에는 작은 물방울인 액적이 부유하고 있다. 이에 의해 고형입자측정기는 부유하고 있는 액적을 고형입자로 오인하여 고형입자측정의 정확성이 하락하는 문제가 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 액적 함유 부생가스 내 고형입자농도를 정확히 실시간 측정할 수 있는 고형입자 실시간 측정시스템을 제공하는 것이다.

상기 본 발명의 목적을 달성하기 위한 고형입자 실시간 측정시스템은, 상기 메인배관으로부터 인출된 인출부생가스가 유동하는 측정배관; 상기 측정배관을 통과하는 상기 인출부생가스를 가열하여 액적을 증발시키는 가열기; 상기 가열기를 통과한 상기 인출부생가스 내 고형입자량을 측정하는 고형입자측정센서; 상기 가열기의 상류 및 하류의 유속을 측정하는 상류 유속센서 및 하류 유속센서; 상기 메인배관으로부터 상기 측정배관으로 상기 부생가스를 인출하는 블로워; 상기 메인배관 내 상기 부생가스의 유속을 측정하는 메인유속센서; 및 상기 상류 유속센서 및 상기 메인유속센서로부터의 신호에 기초하여 상기 고형입자측정센서를 통과하는 상기 인출부생가스의 유속이 소정의 측정유속 범위 내에 있도록 상기 블로워를 제어하고, 상기 고형입자측정센서에 의해 측정된 고형입자량과 상기 상류 유속센서로부터의 신호에 기초하여 상기 메인배관을 이동하는 상기 부생가스 내 고형입자의 농도를 산출하는 제어부를 포함한다. 이에 의해 액적 함유 부생가스를 가열하여 액적을 증발시킨 후 고형입자를 측정하므로 고형입자측정의 정확성을 향상시킨다.

여기서, 상기 가열기의 상류 및 하류의 온도를 측정하는 상류 온도센서 및 하류 온도센서를 더 포함하며, 상기 제어부는 상기 상류 온도센서와 상기 하류 온도센서에서 측정된 온도차에 기초하여 상기 가열기를 통과하는 상기 인출부생가스의 유속을 산출하며, 산출된 유속과 상기 하류 유속센서에서 측정된 유속의 유속차가 커질수록 가열온도가 증가되도록 상기 가열기를 제어하면 액적량이 많아질수록 가열온도를 증가시켜 액적의 증발이 원만히 이루어지도록 할 수 있어 바람직하다.

그리고 상기 메인배관 내 상기 부생가스의 온도를 측정하는 메인온도센서를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 가열기를 통과하는 상기 인출부생가스의 상기 산출된 유속과 상기 하류 유속센서에서 측정된 유속의 유속차에 기초하여 상기 인출부생가스의 단위 체적당 액적량을 산출하며, 상기 상류온도센서와 상기 메인온도센서에서 측정된 온도차에 기초하여 상기 메인배관을 이동하는 상기 부생가스의 단위 체적당 액적량을 산출하고, 통신부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 메인배관 내 상기 부생가스의 단위 체적당 액적량의 정상범위를 저장하고, 상기 메인배관 내 상기 부생가스의 단위 체적당 액적량이 정상범위를 초과했다고 판단되면 중앙제어부로 상기 메인배관 내 상기 부생가스의 단위 체적당 액적량을 전송하도록 상기 통신부를 제어하면 메인배관 내 부생가스의 액적량을 조절할 수 있도록 할 수 있어 바람직하다.

여기서, 통신부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 메인배관 내 상기 부생가스의 고형입자농도의 정상범위를 저장하고, 상기 메인배관 내 상기 부생가스의 고형입자농도가 정상범위를 초과했다고 판단되면 중앙제어부로 상기 메인배관 내 상기 부생가스의 고형입자농도를 전송하면 고형입자에 의해 발생되는 막힘현상 등의 문제를 감소시킬 수 있어 바람직하다.

본 발명에 따르면 액적 함유 부생가스를 가열하여 액적을 증발시킨 후 고형입자를 측정하므로 고형입자측정의 정확성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

액적량이 많아질수록 열교환기의 가열온도를 증가시켜 액적의 증발이 원만히 이루어지도록 할 수 있는 효과가 있다.

메인배관 내 부생가스의 단위 체적당 액적량을 전송하면 메인배관 내 부생가스의 액적량을 조절할 수 있도록 할 수 있어 효과가 있다.

메인배관 내 부생가스의 고형입자농도가 정상보다 초과된 것을 중앙제어부에 알려 고형입자에 의해 발생되는 막힘현상 등의 문제를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 고형입자 실시간 측정시스템의 간략도.
도 2는 열교환기의 상세도.
도 3은 제어블록도.

이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고형입자 실시간 측정시스템(1)을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 고형입자 실시간 측정시스템(1)의 간략도이다. 고형입자 실시간 측정시스템(1)은 측정배관(10), 가열기(20), 고형입자측정센서(30), 상류 유속센서(31), 하류 유속센서(32), 상류 온도센서(33), 하류 온도센서(34), 메인유속센서(35), 메인온도센서(36), 블로워(40), 통신부(50) 및 제어부(60)를 포함한다.

측정배관(10)은 부생가스를 이송하는 메인배관(2)에 연결되어 부생가스를 인출하는 흡입구와 흡입구를 통해 흡입된 부생가스를 메인배관(2)으로 배출하는 배출구를 갖는다. 측정배관(10)은 메인배관(2)으로부터 인출된 인출부생가스가 유동한다.

가열기(20)는 측정배관(10)의 소정 구간을 감싸며 배치되어 측정배관(10)을 지나는 부생가스를 가열하는 역할을 한다. 이에 의해 인출부생가스에 포함된 액적이 수증기로 기화되도록 한다. 가열기(20)는 측정배관(10)의 소정 구간을 감싸는 열교환기(200)와 고온의 스팀을 발생시키며 공급하는 고온스팀공급기(202)를 포함한다. 고온스팀공급기(202)는 고온의 스팀을 생산하는 스팀발생기, 스팀이동펌프, 스팀배관(202-1) 및 스팀조절밸브를 포함할 수 있다. 고온스팀공급기(202)는 열교환기(200)로 고온의 스팀을 공급한다. 열교환기(200)는 고온의 스팀이 유입되는 유입구와 배출되는 배출구를 갖는다. 스팀배관(202-1)은 측정배관(10)과 인접하게 배치하고, 스팀배관(202-1)과 측정배관(10)은 보온배관에 의해 둘러싸여져 있어 인출부생가스를 미리 예열할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

고형입자측정센서(30)는 가열기(20)를 통과하여 온도가 변화되어 유동하는 인출부생가스 내의 고형입자량을 측정한다. 고형입자측정센서(30)는 광센서로 마련되어 인출부생가스 내에 부유하고 있는 고형입자량을 측정한다. 측정된 고형입자량은 후술할 제어부(60)로 전달한다.

상류 유속센서(31) 및 하류 유속센서(32)는 고형입자측정센서(30)가 배치된 측정배관(10)으로 인출부생가스가 이동되는 유속을 측정한다. 측정된 유속은 후술할 제어부(60)로 전달한다. 제어부(60)는 측정된 측정배관(10)의 단면적, 유속 및 시간 등을 이용하여 인출부생가스 내의 고형입자농도를 산출한다. 상류 유속센서(31) 및 하류 유속센서(32)는 가열기(20)의 열교환기(200)의 상류 및 하류의 인출부생가스의 유속을 측정한다. 측정된 유속은 후술할 제어부(60)로 전달한다.

상류 온도센서(33) 및 하류 온도센서(34)는 가열기(20)의 열교환기(200)의 상류 및 하류의 인출부생가스의 온도를 측정한다. 측정된 온도는 후술할 제어부(60)로 전달한다.

메인유속센서(35)는 부생가스를 이송하는 메인배관(2) 내에 배치되어 부생가스의 유속을 측정한다.

메인온도센서(36)는 부생가스를 이송하는 메인배관(2) 내에 배치되어 부생가스의 온도를 측정한다.

블로워(40)는 하류 유속센서(32)의 후단에 측정배관(10) 상에 배치되며 인출부생가스를 측정배관(10)의 흡입구에서 배출구 방향으로 유동시킨다. 블로워(40)는 후술할 제어부(60)에 의해 인출부생가스의 이동속도를 조절할 수 있다. 블로워(40)는 메인배관(2)으로부터 측정배관(10)으로 부생가스를 인출한다.

통신부(50)는 외부기기와 데이터를 송수신할 수 있다.

제어부(60)는 상류 유속센서(31) 및 메인유속센서(35)로부터의 신호에 기초하여 고형입자측정센서(30)를 통과하는 인출부생가스의 유속이 소정의 측정유속 범위 내에 있도록 블로워(40)를 제어하고, 고형입자측정센서(30)에 의해 측정된 고형입자량과 상류 유속센서(31)로부터의 신호에 기초하여 메인배관(2)을 이동하는 부생가스 내 고형입자의 농도를 산출한다.

제어부(60)는 상류 온도센서(33)와 하류 온도센서(34)에서 측정된 온도차에 기초하여 가열기(20)를 통과하는 인출부생가스의 유속을 산출하며, 산출된 유속과 하류 유속센서(32)에서 측정된 유속의 유속차가 커질수록 가열온도가 증가되도록 가열기(20)를 제어한다.

여기서, 산출된 유속과 하류 유속센서(32)에서 측정된 유속의 유속차가 커진다는 것은 부생가스 내의 액적농도가 높아진다는 것이다. 그러므로 부생가스 단위체적당 액적이 많아지므로 액적의 증발이 완벽하게 이루어지도록 가열기(20)의 가열온도를 올린다. 가열기(2)는 기본적으로 열교환기(200)를 통과하는 액적이 증발될 수 있도록 하는 온도를 유지하지만 액적이 많을 경우 온도를 더 올려서 열교환기(200)를 통과하는 동안 액적이 충분히 증발될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

제어부(60)는 산출된 유속과 하류 유속센서(32)에서 측정된 유속의 유속차에 기초하여 인출부생가스의 단위 체적당 액적량을 산출하며, 상류 온도센서(33)와 메인온도센서(36)에서 측정된 온도차에 기초하여 메인배관(2)을 이동하는 부생가스의 단위 체적당 액적량을 산출한다.

열교환기(200)를 통과한 인출부생가스는 온도차에 의해 부피가 팽창한다. 또한, 인출부생가스 내의 액적이 증발되면 액적증발에 의한 팽창이 이루어진다. 인출부생가스의 가열에 의한 팽창은 상류 온도센서(33)와 하류 온도센서(34)에서 측정된 온도에 의해 기설정된 팽창계수를 적용하여 가열된 인출부생가스의 부피를 산출할 수 있고 이에 의해 가열기(20)를 통과하는 인출부생가스의 유속을 산출할 수 있다. 그러나 하류 유속센서(32)에서 측정된 유속은 가열기(20)를 통과하는 인출부생가스의 산출된 유속보다 크다. 이는 액적증발에 의한 팽창이 계산되지 않았기 때문이다. 그래서 하류 유속센서(32)에서 측정된 유속과 가열기(20)를 통과하는 인출부생가스의 산출된 유속의 차이를 이용하여 액적의 증발에 의한 부피를 산출할 수 있으며 산출된 액적의 증발부피를 이용하여 액적의 부피를 산출할 수 있다.

제어부(60)는 메인배관(2) 내 부생가스의 단위 체적당 액적량의 정상범위를 저장하고, 메인배관(2) 내 부생가스의 단위 체적당 액적량이 정상범위를 초과했다고 판단되면 부생가스의 이동을 전반적으로 제어하는 외부의 중앙제어부로 메인배관(2) 내 부생가스의 단위 체적당 액적량을 전송하도록 통신부(50)를 제어한다.

제어부(60)는 메인배관(2) 내 부생가스의 고형입자농도의 정상범위를 저장하고, 메인배관(2) 내 부생가스의 고형입자농도가 정상범위를 초과했다고 판단되면 부생가스의 이동을 전반적으로 제어하는 외부의 중앙제어부로 메인배관 내 부생가스의 고형입자농도를 전송하도록 통신부(50)를 제어한다.

부생가스 내에는 불규칙하게 고형입자 및 액적이 분포되어 있으므로 메인배관(2)을 이동하는 부생가스와 유사한 속도로 흡입하여 고형입자농도를 측정한다. 이에 의해 메인배관(2)을 이동하는 부생가스 내 실시간 고형입자의 농도를 최대한 정확히 반영할 수 있다. 예컨대, 메인배관(2)의 부생가스 이동속도보다 측정배관(10)으로 부생가스를 빠르게 흡입하여 인출부생가스 내 고형입자를 측정하는 경우 실시간 메인배관(2)을 이동하는 부생가스와 고형입자뿐만 아니라 인출하는 지점을 중심으로 이미 지나간 부생가스와 고형입자가 측정배관(10)으로 흡입될 수도 있고, 인출하는 지점에 도착하지 않은 부생가스와 고형입자가 측정배관(10)으로 흡입될 수 있다. 메인배관(2)을 이동하는 부생가스 내 고형입자농도는 흐름에 따라 다르게 나타날 수 있으므로 실시간으로 고형입자농도를 산출하기 위해서는 메인배관의 부생가스 이동속도에 대응하는 이동속도를 유지하면서 고형입자량을 측정하는 것이 바람직하다.

여기서, 액적을 다량 함유한 부생가스 내 고형입자를 측정하기 위해서는 부생가스를 가열하여 액적을 제거한 후 고형입자량의 측정을 수행하게 되는데 이 경우 부생가스 내의 수증기 내지 액적이 상변화를 하게 되므로 부생가스의 부피는 팽창하게 되어 고형입자측정센서(30)를 이동하는 인출부생가스는 이동속도가 변하게 된다. 그러므로 블로워(40)를 제어하여 상류 유속센서(31)를 유동하는 인출부생가스의 유속이 메인배관(2)을 이동하는 부생가스의 유속 즉 메인유속센서(35)에서 측정되는 유속과 유사해지도록 한다. 이에 의해 실시간으로 메인배관(2)을 이동하는 부생가스의 고형입자농도를 측정할 수 있다.

도 2는 가열기(20)의 열교환기(200) 상세도이다.

열교환기(200)는 측정배관(10)의 소정 구간을 감싸며 배치된다. 측정배관(10)의 소정 구간의 시작에서 복수의 미세관(A)으로 분기되었다가 소정 구간의 마지막에서 다시 합쳐지는 형상으로 이루어진다. 이에 의해 열교환기(200)로 유입되는 고온의 스팀에 의해 복수의 미세관(A)을 유동하는 인출부생가스에 고온의 스팀열이 최대한 면적으로 전달될 수 있다. 고온의 스팀에 의해 열교환기(200) 구간을 지나는 인출부생가스 내의 액적은 증발하여 수증기가 되며 액적이 없어진 상태가 되므로 고형입자측정센서(30)는 인출부생가스 내 고형입자를 정확하게 측정할 수 있다.

상기의 실시 예 이외의 변형 예를 설명한다.

블로워(40)의 흡입부와 배출부에는 측정배관(10)이 연결된다. 다만, 블로워(40)의 흡입부에 연결되는 측정배관(10)의 관경보다 블로워(40)의 배출부에 연결되는 측정배관(10)의 관경이 크게 형성된다. 측정배관(10)의 배출구로 측정배관(10)의 흡입구로 흡입되는 유속보다 큰 배출유속을 갖지 않고 측정배관(10)의 배출구로 배출되는 인출부생가스의 배출유속이 감소되도록 블로워(40)의 배출부에 연결되는 측정배관(10)의 관경을 블로워(40)의 흡입부에 연결되는 측정배관(10)의 관경보다 크게 하는 것이 바람직하다.

상기의 고형입자 실시간 측정시스템(1)으로 인하여, 액적 함유 부생가스를 가열하여 액적을 증발시킨 후 고형입자를 측정하므로 고형입자측정의 정확성을 향상시킬 수 있다. 액적량이 많아질수록 열교환기(200)의 가열온도를 증가시켜 액적의 증발이 원만히 이루어지도록 할 수 있다. 메인배관(2) 내 부생가스의 단위 체적당 액적량을 전송하면 메인배관(2) 내 부생가스의 액적량을 조절할 수 있다. 메인배관(2) 내 부생가스의 고형입자농도가 정상보다 초과된 것을 중앙제어부에 알려 고형입자에 의해 발생되는 막힘현상 등의 문제를 감소시킬 수 있다.

1 : 고형입자 실시간 측정시스템 2 : 메인배관
10 : 측정배관 20 : 가열기
30 : 고형입자측정센서 31 : 상류 유속센서
32 : 하류 유속센서 33 : 상류 온도센서
34 : 하류 온도센서 35 : 메인유속센서
36 : 메인온도센서 40 : 블로워
50 : 통신부 60 : 제어부

Claims

메인배관을 이동하는 액적 함유 부생가스 내 고형입자를 측정하는 고형입자 실시간 측정시스템에 있어서,
상기 메인배관으로부터 인출된 인출부생가스가 유동하는 측정배관;
상기 측정배관을 통과하는 상기 인출부생가스를 가열하여 액적을 증발시키는 가열기;
상기 가열기를 통과한 상기 인출부생가스 내 고형입자량을 측정하는 고형입자측정센서;
상기 가열기의 상류 및 하류의 유속을 측정하는 상류 유속센서 및 하류 유속센서;
상기 메인배관으로부터 상기 측정배관으로 상기 부생가스를 인출하는 블로워;
상기 메인배관 내 상기 부생가스의 유속을 측정하는 메인유속센서; 및
상기 상류 유속센서 및 상기 메인유속센서로부터의 신호에 기초하여 상기 고형입자측정센서를 통과하는 상기 인출부생가스의 유속이 소정의 측정유속 범위 내에 있도록 상기 블로워를 제어하고, 상기 고형입자측정센서에 의해 측정된 고형입자량과 상기 상류 유속센서로부터의 신호에 기초하여 상기 메인배관을 이동하는 상기 부생가스 내 고형입자의 농도를 산출하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고형입자 실시간 측정시스템.
제 1항에 있어서,
상기 가열기의 상류 및 하류의 온도를 측정하는 상류 온도센서 및 하류 온도센서를 더 포함하며,
상기 제어부는 상기 상류 온도센서와 상기 하류 온도센서에서 측정된 온도차에 기초하여 상기 가열기를 통과하는 상기 인출부생가스의 유속을 산출하며, 산출된 유속과 상기 하류 유속센서에서 측정된 유속의 유속차가 커질수록 가열온도가 증가되도록 상기 가열기를 제어하는 것을 특징으로 하는 고형입자 실시간 측정시스템.
제 2항에 있어서,
상기 메인배관 내 상기 부생가스의 온도를 측정하는 메인온도센서를 더 포함하고,
상기 제어부는 상기 가열기를 통과하는 상기 인출부생가스의 상기 산출된 유속과 상기 하류 유속센서에서 측정된 유속의 유속차에 기초하여 상기 인출부생가스의 단위 체적당 액적량을 산출하며, 상기 상류온도센서와 상기 메인온도센서에서 측정된 온도차에 기초하여 상기 메인배관을 이동하는 상기 부생가스의 단위 체적당 액적량을 산출하는 것을 특징으로 하는 고형입자 실시간 측정시스템.
제 3항에 있어서,
통신부를 더 포함하고,
상기 제어부는 상기 메인배관 내 상기 부생가스의 단위 체적당 액적량의 정상범위를 저장하고, 상기 메인배관 내 상기 부생가스의 단위 체적당 액적량이 정상범위를 초과했다고 판단되면 중앙제어부로 상기 메인배관 내 상기 부생가스의 단위 체적당 액적량을 전송하도록 상기 통신부를 제어하는 것을 특징으로 하는 고형입자 실시간 측정시스템.
제 1항에 있어서,
통신부를 더 포함하고,
상기 제어부는 상기 메인배관 내 상기 부생가스의 고형입자농도의 정상범위를 저장하고, 상기 메인배관 내 상기 부생가스의 고형입자농도가 정상범위를 초과했다고 판단되면 중앙제어부로 상기 메인배관 내 상기 부생가스의 고형입자농도를 전송하도록 상기 통신부를 제어하는 것을 특징으로 하는 고형입자 실시간 측정시스템.