KR102094288B1

KR102094288B1 - 보일러의 연소 최적화 연산을 위한 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR102094288B1
Application number: KR1020180152751A
Authority: KR
Inventors: 맹좌영; 나상건
Original assignee: 두산중공업 주식회사
Priority date: 2018-11-30
Filing date: 2018-11-30
Publication date: 2020-03-27
Also published as: DE102019126286A1; US11262065B2; CN111259512A; US20200173649A1

Abstract

본 발명은 발전소 내 보일러 장치가 최적화 된 조건으로 연소를 할 수 있도록 제어하는 시스템, 그리고 이러한 제어 시스템을 이용하여 보일러 연소를 최적화 하는 방법에 관한 것으로, 특히 보일러의 연소를 최적화 하기 위하여 최적화 된 값 또는 세트 포인트를 연산할 수 있는 시스템과 그 방법에 관한 것이다.

Description

보일러의 연소 최적화 연산을 위한 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR OPTIMIZING BOILER COMBUSTION}

일반적으로 화력 발전소는 그 내부에 보일러를 두어 석탄 등의 연료를 연소시킬 때에 발생되는 발열반응을 이용하여 물을 가열하고 이를 통해 터빈을 구동시키기 위한 증기를 생산한다. 보일러가 연소를 할 때에는 질소산화물, 이산화탄소와 같은 배출가스들이 발생되는데, 발전소 운영에 있어서 위와 같은 배출가스들을 관리하는 데에는 적지 않은 비용이 필요하기 때문에 최근에는 배출가스가 적게 발생되도록 연소 환경을 제어함과 동시에 보일러의 연소 효율을 높이기 위한 노력들이 지속적으로 이루어지고 있다.

한편, 종래 화력 발전소에서의 보일러 제어, 즉 연소 제어는 다년간의 경험을 가진 숙련된 전문가가 시운전 기간 동안의 성능시험 데이터를 참조하여 보일러의 연소 환경 변수들을 조정한 뒤 보일러 운전을 시작함으로써 이루어져 왔으며, 또한 보일러 운전이 시작된 이후에는 오프셋 값을 미세조정하는 방식으로 운영되어 왔다. 따라서 종래의 보일러 운전방식에 의할 때에는 보일러가 운전 중인 경우 최적의 연소상태로 제어를 수행하기가 쉽지 않았기 때문에, 통상적으로 최적제어구간보다는 보일러 장치의 안정성을 위한 안정적인 연소제어가 더 우선시 되어 왔다. 이러한 운영 방식에 의해 종래에는 최적의 보일러 연소 환경을 제대로 구현할 수 없었던 문제점이 있어 왔다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위해 최근에는 보일러의 운전데이터를 실시간으로 취득하여 분석하고, 분석된 결과에 따라 보일러의 다양한 제어변수들을 자동으로 조정함으로써 보일러의 연소제어를 최적화하고자 하는 연구가 이루어지고 있다.

본 발명은 이와 같은 연구로부터 고안된 것으로, 발전소의 보일러의 연소효율을 극대화 시키면서도 배출가스를 저감할 수 있도록 보일러 내 적어도 하나의 제어대상에 대하여 최적의 세트 포인트를 산출해 낼 수 있는 시스템, 그리고 그 방법에 관한 것이다.

등록특허공보 제10-1484496호 (2015.01.14.등록)

본 발명은 발전소 내 보일러를 제어하기 위한 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 특히 보일러의 연소 효율을 극대화 시킴과 동시에 산화질소 및 산화탄소를 포함한 배출가스의 발생을 최소화하기 위해 제어대상에 대한 최적의 세트 포인트 값을 산출하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 인공지능 알고리즘을 보일러 연소 제어에 활용함으로써 시스템이 자체적으로 학습 및 모델링을 통하여 보일러 연소에 가장 적합한 모델을 생성하도록 하며, 시스템은 이렇게 생성된 모델을 참조하여 보일러의 연소 환경을 제어하는 데에 필요한 최적의 세트 포인트를 산출하게 하는 것을 목적으로 한다.

위와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 보일러 연소 최적화 연산을 위한 시스템은, 모델링부로부터 보일러 연소 모델을 수신하고, 상기 보일러 연소 모델을 활용하여 보일러 연소 최적화 연산을 수행하는 최적화 연산부; 보일러 연소 모델을 생성하는 모델링부; 및 상기 최적화 연산부로부터 연산 결과에 따른 최적값을 수신하고, 상기 최적값을 보일러 제어 로직에 반영하여 보일러 운전을 제어하는 출력 제어부;를 포함할 수 있다.

또한, 상기 보일러 연소 최적화 연산을 위한 시스템에 있어서 상기 최적화 연산부는 연소 최적화 알고리즘을 활용하여 연소 최적화 연산을 수행하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 보일러 연소 최적화 연산을 위한 시스템에 있어서 상기 최적화 연산부는 상기 연소 최적화 연산을 수행함으로써 보일러 내 구비된 적어도 하나 이상의 제어대상에 대한 세트 포인트를 산출하되, 상기 연소 최적화 연산은 사용자로부터 수신된 목적에 따라 상이한 로직이 활용되는 것을 특징으로 할 수 있다. 이 때, 상기 목적은, 비용을 최우선으로 고려한 이익최대화 목적, 오염물질 저감을 최우선으로 고려한 오염물질최소화 목적, 보일러 기기보호를 최우선으로 고려한 기기보호 목적 중 어느 하나를 포함할 수 있다.

또한, 상기 보일러 연소 최적화 연산을 위한 시스템에 있어서 상기 연소 최적화 연산은 아래 목적함수 f 에 따라 이루어질 수 있다.

[목적함수]

(C:목적에 따른 가중치; Factor: 목적에 따른 임의의 값을 산출하기 위한 수식들의 집합)

또한, 이 때 사용자에 의해 어느 하나의 목적이 선택된 경우 상기 목적함수 내 포함된 복수의 가중치들 중 상기 선택된 목적에 대응되는 가중치가 사용자에 의해 선택되지 않은 목적들에 대응되는 가중치들보다 더 큰 값으로 설정되는 것을 특징으로 할 수 있다. 이 때, 상기 사용자에 의해 선택되지 않은 목적들에 대응되는 가중치들의 값은 0보다 큰 것이 바람직하다.

한편, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 보일러 연소 최적화 방법은 보일러 연소 모델을 생성하는 단계; 생성된 보일러 연소 모델을 활용하여 연소 최적화 연산을 수행하고 최적값을 산출하는 단계; 상기 최적값을 보일러 제어 로직에 반영하여 보일러 운전을 제어하는 단계; 를 포함할 수 있다.

또한, 상기 보일러 연소 최적화 방법에 있어서 상기 연소 최적화 연산을 수행하고 최적값을 산출하는 단계는, 보일러 내 구비된 적어도 하나 이상의 제어대상에 대한 세트 포인트를 산출하는 단계를 포함하되, 상기 연소 최적화 연산은 사용자에 의해 선택된 목적에 따라 상이한 로직이 활용되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 이 때, 상기 목적은 비용을 최우선으로 고려한 이익최대화 목적, 오염물질 저감을 최우선으로 고려한 오염물질최소화 목적, 보일러 기기보호를 최우선으로 고려한 기기보호 목적 중 어느 하나를 포함할 수 있다.

또한, 상기 보일러 연소 최적화 방법에 있어서 상기 연소 최적화 연산은 아래 목적함수 f 에 따라 이루어질 수 있다.

[목적함수]

또한, 상기 보일러 연소 최적화 방법에 있어서 사용자에 의해 어느 하나의 목적이 선택된 경우, 상기 목적함수 내 포함된 복수의 가중치들 중 상기 선택된 목적에 대응되는 가중치가 사용자에 의해 선택되지 않은 목적들에 대응되는 가중치들보다 더 큰 값으로 설정될 수 있으며, 상기 사용자에 의해 선택되지 않은 목적들에 대응되는 가중치들의 값은 0보다 클 수 있다.

본 발명에 따르면 발전소 내 보일러의 연소 효율을 높일 수 있음과 동시에 환경 오염을 일으키는 배출가스를 최소화 할 수 있는 효과가 있다. 또한, 배출가스 처리에 소모되는 비용을 상당 부분 줄일 수 있어 발전소 운영비를 크게 줄일 수 있는 효과도 있다.

또한 본 발명은 종래 숙련된 전문가에 의하여 보일러 연소환경을 조정하던 것에 비하여 더 나은 연소환경을 구현해 낼 수 있으며, 인공지능에 의해 학습된 결과물을 참조하게 되므로 비숙련 작업자도 어려움 없이 보일러를 최적화 된 상태로 조작할 수 있게 되는 효과가 있다.

도 1은 화력 발전소의 개괄적인 구성을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 보일러 제어 시스템의 구성을 블록도로 도시한 것이다.
도 3은 제어 시스템 내 구성들 중 특히 최적화 연산부의 기능을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 최적화 연산부의 세부구성을 도시한 것이다.

본 발명의 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용 효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 명세서에 첨부된 도면에 의거한 이하의 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다. 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세하게 설명한다.

본 명세서에서 개시되는 실시예들은 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 해석되거나 이용되지 않아야 할 것이다. 이 분야의 통상의 기술자에게 본 명세서의 실시예를 포함한 설명은 다양한 응용을 갖는다는 것이 당연하다. 따라서, 본 발명의 상세한 설명에 기재된 임의의 실시예들은 본 발명을 보다 잘 설명하기 위한 예시적인 것이며 본 발명의 범위가 실시예들로 한정되는 것을 의도하지 않는다.

도면에 표시되고 아래에 설명되는 기능 블록들은 가능한 구현의 예들일 뿐이다. 다른 구현들에서는 상세한 설명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위에서 다른 기능 블록들이 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 하나 이상의 기능 블록이 개별 블록들로 표시되지만, 본 발명의 기능 블록들 중 하나 이상은 동일 기능을 실행하는 다양한 하드웨어 및 소프트웨어 구성들의 조합일 수 있다.

또한, 어떤 구성요소들을 포함한다는 표현은 “개방형”의 표현으로서 해당 구성요소들이 존재하는 것을 단순히 지칭할 뿐이며, 추가적인 구성요소들을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다.

나아가 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 “연결되어” 있다거나 “접속되어” 있다고 언급될 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 한다.

이하에서는 도면들을 참조하여 본 발명이 제안하고자 하는 보일러 제어 시스템 및 그 방법에 대해 자세히 살펴보기로 한다.

먼저 도 1은 화력 발전소의 개괄적인 구성들을 도시한 것으로, 특히 본 발명에서의 제어 대상이 되는 보일러의 위치 및 역할에 대해 설명하기 위한 것이다. 화력 발전소는 기본적으로 석탄이나 석유에 의한 화력으로 증기를 발생시켜 증기 터빈을 돌리고 이를 통해 전기 에너지를 생산하게 되는데, 이 중에서 특히 보일러는 증기 터빈에 고온 고압의 증기를 공급하기 위해 연료를 태워 물을 끓이는 핵심적인 구성에 해당한다. 보일러의 주된 구성으로는 물과 증기를 담는 보일러 본체, 연료의 연소장치, 그리고 화로가 있으며, 이 중 연소장치, 화로 등은 제어 시스템에 의해 조정됨으로써 온도, 압력 등이 조절된다.

한편, 발전소 내에서 보일러 제어는 가장 핵심이 되는 것으로, 과거에는 보일러를 조작하는 것이 매우 복잡한 과정을 거쳐 이루어져 왔기 때문에 정상적인 운전을 위해서는 숙련된 전문가를 반드시 필요로 하였으나 최근에는 보일러 운전에 자동제어방식을 채택함으로써 일일이 사람의 손으로 조작하지 않아도 효율적으로 운전이 가능하도록 시스템이 구현되고 있다. 또한, 이렇게 자동제어방식을 채택하게 됨으로써 과거에는 불가능하였던 보일러의 실시간 제어 또한 가능하게 되었는데, 최근에는 보일러의 연소 효율을 높이기 위하여 짧은 주기마다 보일러의 현재 상태를 체크하고 현재 상태에 따른 각 제어 대상 별 제어를 함으로써 점진적으로 실시간에 가까운 제어를 구현하는 데에 많은 연구가 이루어지고 있다.

본 발명은 현재까지의 보일러 제어 시스템 및 방법에 (i) 인공지능을 활용한 보일러 연소 모델의 생성 및 갱신, 그리고 (ii) 현재 가동 중인 보일러의 상태를 참조하여 제어 대상 별로 최적의 세트 포인트(set point)를 찾는 최적화 연산 과정을 더함으로써 기존보다 더 연소 효율을 높임과 동시에 배출되는 가스량은 줄일 수 있는 보일러 제어 시스템 및 방법을 제안하고자 한다.

도 2는 본 발명에 따른 보일러 제어 시스템을 블록도로 나타낸 것이다. 도 2에 따르면, 보일러 제어 시스템은 크게 작업 관리부, 전처리부(20), 최적화 연산부(30), 모델링부(40), 및 출력 제어부(50)를 포함하며, 각 구성들에 대해서는 아래에서 자세히 설명하기로 한다. 참고로, 도 2의 보일러 제어 시스템은 발명의 이해를 돕기 위하여 수행하는 기능별 또는 단계별로 블록을 지정하여 구별하였으나, 위 보일러 제어 시스템은 연산을 위한 중앙처리유닛(CPU) 및 연산을 위한 프로그램과 데이터가 저장될 수 있는 메모리(Memory)를 갖춘 장치로 구현될 수 있으며, 상기 작업 관리부 내지 출력 제어부(50)의 구성들은 컴퓨터가 판독가능한 언어로 설계된 프로그램 상에서 구현되어 상기 중앙처리유닛(CPU)에 의해 실행될 수 있음을 이해해야 할 것이다. 나아가, 보일러 제어 시스템은 하드웨어(hardware) 또는 펌웨어(firmware), 소프트웨어, 또는 이들의 결합에 의해 구현될 수 있는데, 하드웨어를 이용하여 구현하는 경우에는 ASIC(application specific integrated circuit) 또는 DSP(digital signal processor), DSPD(digital signal processing device), PLD(programmable logic device), FPGA(field programmable gate array) 등으로, 펌웨어나 소프트웨어를 이용하여 구현하는 경우에는 위와 같은 기능 또는 동작들을 수행하는 모듈, 절차 또는 함수 등을 포함하도록 펌웨어나 소프트웨어로 구성될 수 있다.

다시 도 2를 참조하여 각 구성들에 대해 살펴보기로 한다.

먼저 작업관리부(10)(Task Manager)는 보일러의 현재 운전 상태를 파악하고 보일러 연소 최적화를 수행할 지 여부에 대해 판단한다. 구체적으로, 상기 작업관리부(10)는 현재 운전 중인 보일러의 운전 데이터 및 상태데이터(상태이진값)를 수집할 수 있으며, 이를 기반으로 보일러의 연소 최적화가 가능한지 여부, 즉, 보일러의 연소 최적화를 수행할 것인지 여부를 판단하게 된다. 보일러의 운전데이터는 현재 운전 중인 보일러 내에 설치된 각종 센서들로부터 수신된 측정값, 또는 당해 보일러 제어 시스템에 의해 모니터링이 가능한 제어값을 포함하며, 이러한 운전데이터의 예시로는 발전출력(MW), 지령치 및 순시치 등이 포함될 수 있다. 상태데이터는 보일러 출력의 변동, 연료 변동 여부, 각 부품에서의 온도 및 압력 등을 나타내는 값들을 포함한다.

상기 작업관리부(10)는 앞서 수집한 운전데이터 및 상태데이터를 기초로 연소 최적화가 필요한지 또는 가능한지에 대해 판단하게 되는데, 이러한 판단과정에는 보일러 시스템의 건전성(예: 하드웨어의 정상동작 여부, 시스템 자원현황, 정상 통신 가능 여부 등), 보일러 내 각 모듈 별 건전성 (소프트웨어의 정상동작 여부, 보일러 연소 모델의 존재 여부 등) 등이 더 고려된다. 예를 들어, 작업관리부(10)는 발전 출력이 급격하게 변하는 구간에서는 발전소가 안정화 되지 않은 것으로 판단할 수 있으며, 더 구체적으로 30분 동안 수십 메가와트의 발전 출력 변동이 기준값보다 크게 발생하는 경우, 예를 들어 발전 출력이 500MW일 때에 발전 출력 변동이 30분 동안 50MW 이상일 경우 작업관리부(10)는 이를 불안정 상태로 판단하여 최적화 진행을 하지 않도록 할 수 있다.

한편, 상기 연소 최적화가 필요한지 여부 또는 가능한지 여부에 대한 판단과정에는 크게 3가지의 분석법이 활용될 수 있는데, 여기에는 보일러 운전 데이터 기반의 분석법, 상태이진값 기반의 분석법, 그리고 사전에 기록 및 저장된 전문가의 지식 및 경험 기반의 분석법이 포함될 수 있다. 이들 분석법들은 상기 작업관리부(10)가 연소 최적화 수행여부를 판단함에 있어 어느 하나만 활용될 수 있거나 또는 둘 이상이 조합되어 활용될 수 있다. 참고로 사전에 기록 및 저장된 전문가의 지식 및 경험 기반의 분석법은 숙련된 전문가가 보일러 운전을 조작할 때 조작 당시의 상황 및 상황에 따른 전문가의 조작내용을 저장해 둔 것을 기반으로 하는 것을 의미하는데, 예를 들어 보일러 연소실 내 온도가 A값일 때 공급연료량을 B값으로 조작한 내용, 보일러 연소실 내 온도가 C값일 때 댐퍼 각도를 D값으로 조작한 내용 등이 저장된 것을 참조한 분석법을 의미한다.

다음으로 전처리부(20)(Data Pre-processing Unit)는 후술하게 될 모델링을 하기에 적합한 데이터들, 즉 모델링부(40)가 학습을 하기에 적합한 데이터만을 사전에 필터링하는 구성이다. 일반적으로 보일러로부터 수집될 수 있는 입력, 그리고 상기 입력에 따른 출력 데이터는 그 양이 방대한데, 이들 데이터들 중에는 상호 연관성이 떨어지거나 상황에 맞지 않는 오류값들이 혼합되어 있어 모델링을 할 때에 정확도를 떨어트리는 요인이 될 수 있다. 전처리부(20)는 이러한 불필요한 데이터들을 사전에 필터링 함으로써 향후 모델링부(40)에서의 모델 생성시 보다 정확도를 높이기 위해 필요한 구성이라 할 수 있다.

전처리부(20)는 크게 신호복원, 필터링, 아웃라이어 처리 기능을 수행하게 된다. 신호복원은 보일러부로부터 수집된 신호들에 일부 손실이 있는 경우 이를 복원하거나 보일러에 이상 또는 고장이 있는 경우에 해당 신호를 복원하는 기능, 필터링은 기반지식기반의 로직을 활용하여 상기 복원된 신호들 중 정상적인 데이터 범위를 벗어난 데이터들을 필터링하거나 신호의 노이즈를 제거하고, 나아가 모델링, 최적화 연산, 출력 제어에 사용될 데이터만을 추출하는 기능, 아웃라이어 처리는 데이터 기반의 로직을 활용하여 추세를 벗어난 데이터들을 처리하는 기능을 의미한다.

한편, 전처리부(20)는 설계자의 의도 또는 사용자의 필요에 따라 태그 클러스터링 기능 및 데이터 샘플링 기능을 더 수행할 수 있도록 구현될 수 있는데, 이 때 태그 클러스터링이란 보일러의 각 제어대상에 대응되는 태그들 중 필요 없는 태그정보는 삭제하고 관련성이 높은 태그정보만을 추출하여 하나의 데이터 집단을 구성하는 기능, 데이터 샘플링은 데이터의 패턴을 연산하고 샘플링 알고리즘에 따라 데이터를 샘플링 함으로써 모델링에 필요한 학습데이터를 출력으로 내는 것을 의미한다.

이상 살펴본 바와 같이 전처리부(20)는 보일러의 운전과 관련된 데이터들을 수집한 후 이를 향후 모델링에 활용하기에 적합한 형태로 가공하는 것을 의미한다.

다음으로 최적화 연산부(30)(Optimizer)는 후술하게 될 모델링부(40)에서 보일러 연소 모델이 생성되었음을 전제로, 상기 보일러 연소 모델을 이용하여 최적의 연소상태를 만드는 입력을 산출해 내는 구성이다. 최적화 연산부(30)는 크게 사용자로부터 최적화 목적 선택을 수신하는 기능, 모델링부(40)로부터 보일러 연소 모델을 수신하는 기능, 위 보일러 연소 모델을 사용하여 보일러 연소 최적화 연산을 하는 기능을 수행한다.

먼저 사용자로부터 최적화의 목적 선택을 수신하는 기능과 관련하여, 사용자, 즉 보일러 제어 시스템을 조작하는 자는 연소 최적화를 실행시키기에 앞서 어떤 목적에 더 무게를 두어 연소 최적화를 실행시킬 것인지에 대한 선택을 할 수 있는데, 상기 최적화 연산부(30)는 사용자에게 복수의 목적을 선택할 수 있도록 인터페이스를 제공함으로써 사용자의 선택을 수신할 수 있다. 복수의 목적 중에는 예를 들어 비용(Cost)을 최우선으로 고려한 비용 최적화, 오염물질 저감을 최우선으로 고려한 오염물질 최적화, 그리고 기기보호를 최우선으로 고려한 기기보호 최적화가 포함될 수 있다. 다만, 이는 하나의 실시예에 불과한 것일 뿐 최적화의 대상에는 또 다른 목적을 고려한 다양한 것들이 포함될 수 있다. 최적화 연산부(30)는 사용자로부터 수신한 목적 선택에 따라 각각 다른 로직을 적용하여 최적화 연산을 수행하게 된다.

다음, 모델링부(40)로부터 보일러 연소 모델을 수신하는 기능과 관련하여, 최적화 연산부(30)는 최적화 연산을 수행하기 위해 반드시 보일러 연소 모델을 필요로 하는데, 이 때 보일러 연소 모델은 보일러의 연소를 모델을 의미하는 것으로 인공신경망을 포함한 수학적 모델의 조합으로 구성될 수 있고, 이는 모델링부(40)가 반복적인 학습을 통하여 생성한 것일 수 있다.

마지막으로, 보일러 연소 최적화 연산을 수행하는 기능과 관련하여, 최적화 연산부(30)는 앞선 사용자의 목적 선택, 그리고 앞서 수신한 보일러 연소 모델을 적용시켜 시뮬레이션을 실행함으로써 최적의 입력값을 최종 출력값으로 산출하게 되는데, 이 때 활용되는 알고리즘 또는 컨트롤러로는 PID(Proportional-Integral-Deravative) 알고리즘, DOF(degree Of Freedom) 알고리즘, MPC(Model Predictive Control) 알고리즘, 어댑티브(adaptive) 알고리즘, 퍼지 알고리즘, H-infinity 알고리즘, LPV(Linear Parameter Varying) Model-based 알고리즘, 입자군집최적화 알고리즘(Particle Swarm Optimization), 진화알고리즘 (Genetic Algorithm) 등이 활용될 수 있다.

이상과 같이 최적화 연산부(30)는 사용자에 의해 선택된 목적, 모델링부(40)로부터 수신한 보일러 연소 모델에 따라 최적화 연산을 수행함으로써 최종적으로 보일러 연소 제어에 필요한 최적의 입력값을 산출하게 된다.

다음으로 모델링부(40)는 궁극적으로 상기 최적화 연산부(30)에서 연산에 활용할 수 있는 보일러 연소 모델을 생성하는 것으로, 본 발명에 따른 모델링부(40)는 인공신경망을 활용하여 보일러 연소 모델을 생성하는 것을 하나의 특징으로 한다.

인공신경망이란 신경세포로 이루어진 뇌의 정보처리 구조를 수학적으로 모델링 함으로써 귀납적 학습능력을 모사한 데이터 처리 방법론의 하나로, 입력값과 출력값의 상관관계를 패턴화 하고, 도출된 패턴을 통해 새로운 입력값에 대한 출력값을 예측하는 것을 기본 목적으로 한다. 인공신경망은 신경세포의 역할을 수행하는 노드(node)의 병렬 연결 구조(층; layer)로 이루어지는데, 일반적으로는 입력층-은닉층-출력층 (Input layer-Hidden layer-Output layer)의 직렬 연결을 가지도록 구성되며, 은닉층을 복수 개 두어 복잡한 입출력의 상관관계를 처리할 수 있도록 구현될 수도 있다. 이러한 인공신경망을 활용하는 경우 물리적인 특성이나 관계를 명확히 알 수 없는 상황이라 하더라도 입력과 출력 만으로 상관관계의 학습이 가능하고, 다수의 출력값 예측, 비선형 거동에 대한 별도의 선형가정화 없이 입력과 출력의 상관관계를 도출할 수 있는 장점이 있다.

한편, 본 발명에 따른 모델링부(40)는 보일러 연소와 관련된 입력값 및 출력값을 전술한 전처리부(20)로부터 수신할 수 있으며, 입력데이터의 예로는 1차공기와 2차공기의 댐퍼 각도, 연소용 공기 노즐(OFA)의 댐퍼 각도, 급탄기의 급탄량, 외기 온도 등이 포함될 수 있고, 출력데이터의 예로는 보일러 출력, 보일러 내 연소가스의 온도 및 압력, 질소산화물, 일산화탄소, 연소가스 내 산소량, 재열기 스프레이 유량 등이 포함될 수 있다.

이상과 같이 모델링부(40)는 인공신경망을 이용하여 실제의 보일러의 운전 상태와 가까운 보일러 연소 모델을 생성하며, 이렇게 생성된 보일러 연소 모델은 최적화 연산부(30)에 제공된다.

다음으로, 출력 제어부(50)는 최종적으로 보일러의 연소 제어를 실행하는 구성으로, 크게 보일러 제어에 앞서 기존의 보일러 운전상태를 파악하는 기능, 그리고 앞서 최적화 연산부(30)에 의해 산출된 최적값을 기존 보일러 제어 로직에 연계시켜 상기 최적값을 반영하는 기능을 수행한다.

먼저 보일러의 운전상태를 파악하는 기능과 관련하여, 출력 제어부(50)는 보일러를 실제 제어하기에 앞서 현재의 보일러 상태가 어떤지를 파악할 필요가 있는데, 최적화 연산부(30)에 의해 최적값이 산출되었다 하더라도 이를 곧바로 보일러 운전 상태에 반영시키는 경우 보일러가 불안정한 상태에 놓이게 되거나 오류가 발생할 수 있기 때문에 현재의 보일러 상태를 먼저 파악한 후 상기 최적값을 적절하게 나누어 반영하기 위함이다.

한편, 출력 제어부(50)는 앞서 최적화 연산부(30)에 의해 산출된 최적값을 현재 운전 중인 보일러에 입력시킴으로써 실제 보일러 연소의 효율을 극대화 시키게 되는데, 이 때 출력 제어부(50)는 앞서 산출한 최적값을 다이나믹 바이어스 트랙킹(Dynamic Bias Tracking) 함으로써 실시간으로 기존의 보일러 연소로직에 반영할 수 있게 된다. 예를 들어, 상기 최적값이 보일러 연소실 내 온도값 T₁₀₀이라 가정할 때에, 현재 보일러 보일러 연소실 내 온도가 T₁이라면 출력 제어부(50)는 이를 T₁으로부터 T₁₀₀까지 상승시키는 제어를 수행하여야 하는데, 갑작스러운 온도 변경은 문제를 야기할 수 있기 때문에 이를 단계별로 제어할 필요성이 있다. 이 경우 출력 제어부(50)는 T₁₀₀까지의 온도 변경을 복수 회의 단주기 별로 나누어 실행시킬 수 있는데, 예를 들어 출력 제어부(50)는 1단주기에서는 T₁에서 T₂₀까지, 2단주기에는 T₂₀에서 T₄₀까지, 3단주기에는 T₄₀부터 T₆₀까지, 4단주기에는 T₆₀부터 T₈₀까지, 마지막으로 5단주기에는 T₈₀에서 T₁₀₀까지 단계적으로 온도 상승을 제어할 수 있다. 위 주기는 상기 최적화 연산부(30)에 의해 최적값이 산출되는 주기에 비해 짧으며, 예를 들어 최적화 연산부(30)가 5분 주기로 최적값을 산출한다고 가정할 때 상기 출력 제어부(50)는 10초마다의 단주기마다 보일러 운전 제어를 실행할 수 있다. 이렇게 단주기마다 나누어 보일러 운전 제어를 실행하는 것을 본 상세한 설명에서는 다이나믹 바이어스 트랙킹이라 정의하며, 이는 보일러의 운전 상태를 실시간으로 파악함과 동시에 보일러의 운전에 급작스러운 변경 없이 안정적으로 최적값을 반영하기 위한 것임을 이해한다.

이상 도 2를 참조하여 본 발명에 따른 보일러 제어 시스템의 개별 구성들 및 개별 구성들의 보일러 제어 방법들에 대해 살펴보았다.

도 3은 위 구성들 중 특히 최적화 연산부(30)를 더 자세히 설명하기 위한 것으로, 도 3을 참조할 때에 최적화 연산부(30)는 내부적으로 보일러 연소 모델, 그리고 연소 최적화 알고리즘을 통해 최종적으로 최적값을 산출해 냄을 확인할 수 있다. 언급된 연소 최적화 알고리즘이란, 연소 최적화를 위한 절차, 방법, 명령어들의 집합을 의미하는 것으로 이해될 수 있으며, 연소 최적화 알고리즘은 또 다른 용어인 연소 최적화 기술, 연소 최적화 컨트롤(컨트롤러) 등에 의해 대체될 수 있다.

이 중 보일러 연소 모델은 앞서 설명한 모델링부(40)에 의해 생성된 것으로 이는 인공신경망을 통해 학습된 결과에 따른 것이며, 이에 대한 설명은 앞서에 하였으므로 자세한 설명을 생략하기로 한다.

한편, 본 발명에서 설명되는 연소 최적화 알고리즘은 여러 가지 종류의 것이 존재할 수 있겠으나, 본 상세한 설명에서는 일 실시예로 입자군집최적화 기술을 이용한 제어를 의미할 수 있다. 그러나 본 발명에 따른 시스템은 반드시 입자군집최적화 알고리즘만을 연소 최적화 알고리즘으로 사용하는 것은 아니며, PID(Proportional-Integral-Derivative), DOF(Degree Of Freedom), MPC(Model Predictive Control) 등 다른 종류의 알고리즘들도 연소 최적화 알고리즘으로 활용될 수 있음을 이해한다.

참고로 입자군집최적화 알고리즘이란 군집 지능 기법(Swarm Intelligence Technique)으로 분류되는 것으로 물고기나 새떼와 같은 동물들의 사회적 행동양식으로부터 영감을 받아 개발된 확률적 전역 최적화 기법이다. 입자군집최적화 알고리즘은 입자(particle)라 불리는 다수의 개체들이 각 입자의 정보와 군집 전체의 정보를 기반으로 주어진 탐색 영역 내에서 최적의 해를 찾아가는 방식을 모사한 것인데, 이는 다른 휴리스틱 최적화 기법에 비해 사칙연산만으로 탐색이 가능하므로 구현이 쉽다는 장점이 있으며, 특히 기울기 정보를 사용하지 않으므로 미분이 불가능한 자연현상에 대해 분석을 하기가 용이하다는 장점이 있다.

최적화 연산부(30)는 이와 같이 하나의 보일러 연소 모델이 존재함을 전제로, 상기 보일러 연소 모델에 복수의 제어 변수들을 입력시키고, 이들 제어 변수들을 하나의 입자로 보아 이것들이 입자군집최적화 알고리즘에 의해 최적의 값으로 수렴하게 되는 과정을 반복적으로 수행하는 것으로 이해될 수 있다.

도 4는 상기 최적화 연산부(30)의 세부구성들을 도시한 것이다. 도 4를 참조할 때, 상기 최적화 연산부(30)는 목적 선택부(301), 모델 수신부(303), 및 최적값 산출부(305)를 세부구성으로 포함한다. 이하 각 세부구성들에 대해 자세히 설명하기로 한다. 참고로, 최적화 연산부(30)의 각 세부구성들은 발명의 이해를 돕기 위하여 최적화 연산부(30)가 수행하는 기능별로 구성들을 나눈 것이며, 각 세부구성들의 실제 구현은 앞서 언급한 중앙처리유닛(CPU)이 메모리에 저장된 컴퓨터 판독 가능한 코드들을 실행시키는 것에 의해 이루어질 수 있음을 이해해야 할 것이다.

먼저, 목적 선택부(301)는 사용자, 즉 당해 보일러를 조작하는 자에게 최적화 연산을 어떤 목적에 맞추어 수행시킬 것인지를 선택할 수 있도록 인터페이스를 통해 복수 개의 목적 리스트를 제공할 수 있으며, 상기 사용자에 의해 특정 목적이 선택되면 이를 수신할 수 있다. 최적화 연산부(30)는 후술하게 될 최적값 산출부(305)를 통하여 최종적으로 하나의 값을 산출해 내는 것을 목적으로 하는데, 이 때 상기 최적값 산출부(305)는 사용자에 의해 선택된 목적에 따라 상이한 로직을 활용하여 연산을 수행하게 된다.

본 발명에 따른 목적 선택부(301)는 사용자에게 보일러의 각 상황에 따라 비용을 최우선으로 고려한 최적화 목적(이익최대; Profit Max), 오염물질 저감을 최우선으로 고려한 최적화 (오염물질최소; Emission Min), 기기보호를 최우선으로 고려한 최적화 (기기보호; Equipment Durability) 등 적어도 3가지 목적이 포함된 리스트를 제공할 수 있으며, 사용자로부터 이들 중 어느 하나의 선택에 대한 입력을 수신할 수 있다.

다음으로, 모델 수신부(303)는 전술한 모델링부(40)로부터 생성된 보일러 연소 모델을 수신하는 세부구성으로, 상기 모델 수신부(303)는 기 설정된 주기에 따라 또는 주기와 관계 없이 보일러 연소 모델을 수신할 수 있다. 모델링부(40)는 새로운 보일러 연소 모델을 지속적으로 생성할 수 있으며, 여러 개의 모델링부(40)를 축적한 뒤 이들 중 현재 보일러 운전 환경 또는 현재 보일러 운전 상태와 가장 유사한 운전 상태를 모사한 보일러 연소 모델을 제공하게 되는데, 모델 수신부(303)는 이렇게 모델링부(40)에서 제공하는 보일러 연소 모델을 수신할 수 있다.

다음으로, 최적값 산출부(305)는 앞서 사용자에 의해 선택된 목적, 그리고 모델링부(40)로부터 제공 받은 보일러 연소 모델을 기반으로 보일러 내 적어도 하나의 제어대상에 대한 최적값, 즉 세트 포인트를 산출한다.

최적값 산출부(305)는 사용자에 의해 선택된 목적에 따라 각각 다른 로직을 이용하게 된다. 예를 들어 이익을 최대로 하고자 하는 목적이 선택된 경우에는 설비 효율개선에 따른 연료비와 배출가스(Emission) 처리비용을 포함한 총 비용의 최소화를 목표로 하되, 여기에는 재열기스프레이(Reheater Spray)의 총량과 연소가스 내 산소량을 감소시키는 것도 포함된다. 이와 달리, 오염물질최소화를 하고자 하는 목적이 선택된 경우에는 연소가스 내 질소산화물(NOx)과 일산화탄소(CO) 량을 최소화 하는 것을 목표로 하며, 기기보호를 최우선으로 하고자 하는 목적이 선택된 경우에는 보일러 내에서 발생할 수 있는 공간 별 온도 편차, 재열기스프레이의 공간 별 분사량 편차를 최소화 하는 것을 목표로 한다.

한편, 사용자에 의해 어느 하나의 모드가 선택되었다 하더라도 최적값 산출부(305)는 상기 선택된 모드에 대응되는 목적만을 위한 연산을 하는 것은 아니며, 선택되지 않은 다른 모드에서의 목적들에 대해서도 그 비중을 줄여 함께 연산하는 것을 하나의 특징으로 한다. 다시 말해, 사용자에 의해 이익최대를 우선으로 하는 목적이 선택되었다 하더라도 최적값 산출부(305)는 위 목적에 대응되는 연산 변수들만을 고려하는 것이 아니라 다른 두 개의 목적들, 즉 오염물질최소 및 기기보호 목적들에 대응되는 연산 변수들까지 포함시켜 최적값 산출을 위한 연산을 수행할 수 있다. 이는 어느 하나의 목적에 대응되는 연산 변수들만을 고려하여 최적값 산출을 위한 연산을 하였을 경우 당해 연산에서 고려되지 않았던 다른 연산 변수들에 의하여 보일러 운전 상태가 악화되는 것을 예방하기 위한 것이다.

한편, 앞서 언급한 실시예들, 특히 세 종류의 목적은 다양한 목적들 중 몇 가지 실시예에 불과한 것이며, 보일러 제어 시스템의 설계자 의도에 따라 상기 목적은 더 다양할 수 있음을 이해한다.

이상의 설명을 참조할 때, 최적값 산출부(305)에 의해 실행되는 연산은 아래의 일반화 된 목적함수 f를 따라 이루어질 수 있다.

위 수식에서 C는 사용자가 선택한 특정 목적에 따른 가중치를 의미하며, 각각의 가중치들은 사용자가 선택한 목적에 따라 그 값이 달라질 수 있다. 예를 들어 사용자가 제1목적을 선택한 경우 C_obj1 이 C_obj2이나 C_obj3 보다 상대적으로 큰 값을 가질 것이며, 사용자가 제2목적을 선택한 경우, 또는 제3목적을 선택한 경우에는 각각 C_obj2과 C_obj3 값이 상대적으로 나머지 상수에 비해 큰 값을 가지게 된다. 참고로 위 목적함수 f의 Factor1, Factor2, Factor3은 각각의 목적에 따라 실제 값을 산출하기 위한 수식들을 의미하며, 예를 들어 상기 Factor1에는 공급되는 연료의 비용을 산출하기 위한 수식, 재열스프레이 사용에 따른 비용을 산출하기 위한 수식 등이 포함될 수 있고, Factor2에는 오염물질 배출량을 산출하기 위한 수식이 포함될 수 있으며, Factor3에는 보일러 내 설치된 각종 부품들의 수명을 예측하기 위한 수식이 포함될 수 있다.

이상 보일러를 제어하기 위한 시스템 및 그 방법에 대해 살펴보았다. 본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 응용예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 구별되어 이해되어서는 안 될 것이다.

10 작업관리부
20 전처리부
30 최적화 연산부
301 목적 선택부 303 모델 수신부 305 최적값 산출부
40 모델링부
50 출력 제어부

Claims

보일러의 연소 최적화 연산을 위한 시스템에 있어서,
모델링부로부터 보일러 연소 모델을 수신하고, 상기 보일러 연소 모델을 활용하여 보일러 연소 최적화 연산을 수행하는 최적화 연산부;
보일러 연소 모델을 생성하는 모델링부; 및
상기 최적화 연산부로부터 연산 결과에 따른 최적값을 수신하고, 상기 최적값을 보일러 제어 로직에 반영하여 보일러 운전을 제어하는 출력 제어부;
를 포함하되,
상기 최적화 연산부는 상기 연소 최적화 연산을 수행함으로써 보일러 내 구비된 적어도 하나 이상의 제어대상에 대한 세트 포인트를 산출하되, 상기 연소 최적화 연산은 사용자로부터 수신된 목적에 따라 상이한 로직이 활용되는 것을 특징으로 하고,
상기 연소 최적화 연산은 아래 목적함수 f 에 따라 이루어지는 것을 특징으로 하는,
보일러의 연소 최적화 연산을 위한 시스템.
[목적함수]

(C:목적에 따른 가중치; Factor: 목적에 따른 임의의 값을 산출하기 위한 수식들의 집합)
제1항에 있어서,
상기 최적화 연산부는 연소 최적화 알고리즘을 활용하여 연소 최적화 연산을 수행하는 것을 특징으로 하는,
보일러의 연소 최적화 연산을 위한 시스템.
삭제
제1항에 있어서,
상기 목적은, 비용을 최우선으로 고려한 이익최대화 목적, 오염물질 저감을 최우선으로 고려한 오염물질최소화 목적, 보일러 기기보호를 최우선으로 고려한 기기보호 목적 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는,
보일러의 연소 최적화 연산을 위한 시스템.
삭제
제1항에 있어서,
사용자에 의해 어느 하나의 목적이 선택된 경우,
상기 목적함수 내 포함된 복수의 가중치들 중 상기 선택된 목적에 대응되는 가중치가 사용자에 의해 선택되지 않은 목적들에 대응되는 가중치들보다 더 큰 값으로 설정되는 것을 특징으로 하는,
보일러의 연소 최적화를 위한 시스템.
제6항에 있어서,
상기 사용자에 의해 선택되지 않은 목적들에 대응되는 가중치들의 값은 0보다 큰 것을 특징으로 하는,
보일러의 연소 최적화를 위한 시스템.
보일러 연소 최적화 방법에 있어서,
보일러 연소 모델을 생성하는 단계;
생성된 보일러 연소 모델을 활용하여 연소 최적화 연산을 수행하고 최적값을 산출하는 단계;
상기 최적값을 보일러 제어 로직에 반영하여 보일러 운전을 제어하는 단계;
를 포함하되,
상기 연소 최적화 연산을 수행하고 최적값을 산출하는 단계는,
보일러 내 구비된 적어도 하나 이상의 제어대상에 대한 세트 포인트를 산출하는 단계를 포함하되, 상기 연소 최적화 연산은 사용자에 의해 선택된 목적에 따라 상이한 로직이 활용되는 것을 특징으로 하고,
상기 연소 최적화 연산은 아래 목적함수 f 에 따라 이루어지는 것을 특징으로 하는,
보일러 연소 최적화 방법.
[목적함수]

(C:목적에 따른 가중치; Factor: 목적에 따른 임의의 값을 산출하기 위한 수식들의 집합)
삭제
제8항에 있어서,
상기 목적은, 비용을 최우선으로 고려한 이익최대화 목적, 오염물질 저감을 최우선으로 고려한 오염물질최소화 목적, 보일러 기기보호를 최우선으로 고려한 기기보호 목적 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는,
보일러 연소 최적화 방법.
삭제
제8항에 있어서,
사용자에 의해 어느 하나의 목적이 선택된 경우,
상기 목적함수 내 포함된 복수의 가중치들 중 상기 선택된 목적에 대응되는 가중치가 사용자에 의해 선택되지 않은 목적들에 대응되는 가중치들보다 더 큰 값으로 설정되는 것을 특징으로 하는,
보일러 연소 최적화 방법.
제12항에 있어서,
상기 사용자에 의해 선택되지 않은 목적들에 대응되는 가중치들의 값은 0보다 큰 것을 특징으로 하는,
보일러 연소 최적화 방법.