KR102313064B1 - 미세먼지 저감을 위한 가열로의 산소 농도 제어 장치 및 방법 - Google Patents

미세먼지 저감을 위한 가열로의 산소 농도 제어 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 산소농도 측정치(O2pv)와 산소농도 설정치(O2sv)의 산소 비율값(
Figure 112019131699171-pat00126
)의 출력제한 상,하한값(
Figure 112019131699171-pat00127
,
Figure 112019131699171-pat00128
)을 결정하기 위한 출력제한 계산부를 포함하며, 상기 출력제한 계산부는, 산화질소(NO) 기반의 제어 및 일산화탄소(CO) 기반의 제어의 우선순위를 결정하는 제어 우선 비율값(
Figure 112019131699171-pat00129
)을 입력받는 제어 우선 비율 설정부를 포함하며, 상기 제어 우선 비율값(
Figure 112019131699171-pat00130
), 산화질소 농도 측정치를 이용한 산소 비율값의 상,하한값(
Figure 112019131699171-pat00131
,
Figure 112019131699171-pat00132
) 및 일산화탄소 농도 측정치를 이용한 산소 비율값의 상,하한값(
Figure 112019131699171-pat00133
,
Figure 112019131699171-pat00134
)을 이용하여 출력제한 상,하한값을 계산하는 미세먼지 저감을 위한 가열로의 연소 제어 장치를 제공한다. 본 발명에 따르면 연소 효율 및 미세 먼지 저감을 위한 환경 오염 방지를 모두 고려하여 가열로의 연소를 제어할 수 있다.

Description

미세먼지 저감을 위한 가열로의 산소 농도 제어 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING OXYGEN CONCENTRATION IN A HEATING FURNACE TO FINE DUST REDUCTION}
본 발명은 가열로의 산소 농도 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 미세먼지 저감을 위한 가열로의 산소 농도 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 가열로는 공기(Air)와 연료(Fuel)의 비율인 공연비(Air Fuel Ratio, AFR)가 적절히 조절되어야 연소 효율을 개선할 수 있으며, 연소의 안전성을 보장할 수 있다. 만일, 공기가 연료에 비해 부족하면 불완전 연소가 발생하여 일산화탄소 또는 산화질소 같은 환경 유해물질이 다량 배출되는 문제가 발생하며, 과잉 연소가 발생하면 연소 효율이 떨어지게 되기 때문에 공연비 조절이 필수적이다.
종래 한국 공개특허 제2009-0069607호에서는 연료 유량 설정치 및 사용자에 의한 산소 농도 설정치를 이용하여 공연비 보정치를 결정하고, 이를 통해 연료 공급량 및 공기 공급량을 제어하였으나, 사용자에 의한 산소 농도 설정치가 적절한 연소 구간을 벗어나는 값으로 입력될 경우 열손실이 많아져 열 효율이 떨어지는 문제점이 있었다.
이를 해결하기 위해 적절한 연소 구간내에서 공기 유량을 공급하기 위한 방안으로 도 1 에 도시된 바와 같은 공연비 제어 기술이 제안되었다.
도 1은 종래의 가열로의 공연비 제어 시스템의 구성도이다.
도 1은 SAMA(Scientific Apparatus Makers Association) 기호법에 따라 도시된 것으로, 도 2를 참조하면, 종래의 가열로의 공연비 제어 시스템은, 연료유량설정치, 사용자에 의한 산소농도 변량(O2 bias)을 이용하여 설정된 산소농도 설정치(O2sv)를 제공하는 연료유량 설정 파트(21), 상기 산소농도 설정치(O2sv)와 산소 농도 측정치(O2pv)를 이용하여 출력 비율값(βa)을 제공하는 산소농도 제어 파트(22), 배가스의 일산화탄소 농도 측정치를 이용하여 출력제한 상한값/하한값(βH/βL)을 구하는 일산화탄소 리미터 조정파트(23), 상기 출력 비율값(βa)을 상기 출력제한 상한값/하한값(βH/βL)으로 제한하는 상한값/하한값 제한파트(24), 상기 과정으로부터 결정된 출력 비율값(βa) 및 수동설정 비율값(βm)중 하나를 선택하는 출력 모드 선택파트(25), 그리고 상기 선택된 출력 비율값을 이용하여 공연비(AFR) 보정치를 구하는 공연비 결정파트(26)를 포함한다.
이에 대한 자세한 설명은 한국 공개특허 제2009-0068810호에서 참조될 수 있다.
이와 같은 종래의 가열로의 공연비 제어 시스템에서는, 산소 농도 제어를 위해 사용자에 의해 설정되는 산소농도 변량(bias)이 직접 산소 농도 설정에 이용하므로, 안전한 연소를 유지할 수 있으나, 일산화탄소가 허용 범위를 벗어나는 등과 같이 최적연소를 달성할 수 없다는 문제점이 있다.
따라서 이를 해결하기 위해 도 2에 도시된 바와 같은 산소 농도 설정치를 일산화탄소 농도를 이용하여 자동으로 보정할 수 있는 가열로의 산소 농도 설정치 자동 보정 방법 및 연소 제어 시스템이 제안되었다.
도 2 는 일산화탄소 농도를 이용하여 가열로의 산소 농도 설정치를 자동 보정하는 연소 제어 시스템에 관한 구성도이다.
제 1 산소농도 변량을 설정받은 제 1 산소농도 변량 설정부(110), 일산화탄소 측정치가 일산화탄소 허용범위를 벗어나면 상기 일산화탄소 측정치 및 배가스의 산소 농도 측정치를 이용하여 제 2 산소농도 변량을 구하는 제 2 산소농도 변량 계산부(120), 제 1 산소 농도 변량 및 제 2 산소농도 변량을 이용하여 산소농도 변량을 제공하는 산소농도 변량 제공부(130)를 포함한다.
이에 대한 자세한 설명은 한국 특허공보 제10-1402848호에서 참조될 수 있다.
이와 같은 종래의 가열로의 공연비 제어 시스템에서는, 일산화탄소만을 고려하여 산소 농도 제어를 수행하므로, 산소 농도 제어를 통한 연소 에너지 최적화만을 고려하는 것으로 연소 배출물(NOx, SOx 등)에 의한 환경 오염을 방지하거나 환경오염 관리하는데 있어 한계를 가진다. 따라서, 운전자의 간섭없이 공연비 제어 시스템이 운전자의 의도에 맞게 일산화탄소 기반의 효율 극대화 제어 및 산화질소(NO) 기반의 환경 배가스 발생 억제 운전 제어를 자동으로 조절하는 제어 시스템이 필요하다.
(선행기술문헌)
(특허문헌 1) 한국 공개특허 제2009-0069607호
(특허문헌 2) 한국 공개특허 제2009-0068810호
(특허문헌 3) 한국 특허공보 제10-1402848호
본 발명의 일 실시예는 가열로의 연소 제어 시스템에서 일산화탄소(CO) 및 산화질소(NO) 농도를 이용하여 산소 농도 설정치를 자동으로 보정하거나, 산소 농도 설정치(O2sv)와 산소 농도 측정치(O2pv)를 이용한 출력 비율값(βa)의 상하한값을 제한하여 연소 효율의 극대화 및 환경오염 발생 억제를 모두 고려하는 연소 제어 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명은 산소농도 측정치(O2pv)와 산소농도 설정치(O2sv)의 산소 비율값(
Figure 112019131699171-pat00001
)의 출력제한 상,하한값(
Figure 112019131699171-pat00002
,
Figure 112019131699171-pat00003
)을 결정하기 위한 출력제한 계산부를 포함하며, 상기 출력제한 계산부는, 산화질소(NO) 기반의 제어 및 일산화탄소(CO) 기반의 제어의 우선순위를 결정하는 제어 우선 비율값(
Figure 112019131699171-pat00004
)을 입력받는 제어 우선 비율 설정부를 포함하며, 상기 제어 우선 비율값(
Figure 112019131699171-pat00005
), 산화질소 농도 측정치를 이용한 산소 비율값의 상,하한값(
Figure 112019131699171-pat00006
,
Figure 112019131699171-pat00007
) 및 일산화탄소 농도 측정치를 이용한 산소 비율값의 상,하한값(
Figure 112019131699171-pat00008
,
Figure 112019131699171-pat00009
)을 이용하여 출력제한 상,하한값을 계산하는, 미세먼지 저감을 위한 가열로의 연소 제어 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 출력제한 상,하한값은 하기 수학식
Figure 112019131699171-pat00010
을 이용하여 구하며, 상기 수학식에서 RNO 는 제어 우선 비율값이며,
Figure 112019131699171-pat00011
,
Figure 112019131699171-pat00012
은 산화질소 농도 측정치를 이용한 산소 비율 출력제한 상,하한값,
Figure 112019131699171-pat00013
,
Figure 112019131699171-pat00014
는 일산화탄소 농도 측정치를 이용한 산소 비율 출력제한 상,하한값일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 배가스의 산화질소 농도 측정치(NO)를 구하는 산화질소 농도 측정부, 입력받은 산화질소 농도 상,하한 한계치(
Figure 112019131699171-pat00015
,
Figure 112019131699171-pat00016
)와 상기 산화질소 농도 측정치를 비교하며, 상기 산화질소 농도 측정치 및 상기 산화질소 농도 상,하한 한계치를 이용하여 상,하한 비교값(
Figure 112019131699171-pat00017
,
Figure 112019131699171-pat00018
)을 구하는 산화질소 비교값 계산부, 상기 상한 비교값을 1 과 비교하여 큰 값을 상한 출력값(
Figure 112019131699171-pat00019
)으로 설정하며, 상기 하한 비교값을 1 과 비교하여 작은 값을 하한 출력값(
Figure 112019131699171-pat00020
)으로 설정하는 산화질소 출력값 계산부, 상기 상한 출력값(
Figure 112019131699171-pat00021
) 및 입력받은 산소 비율 출력제한 상,하한값을 이용하여 산화질소 농도 측정치를 이용한 산소 비율 출력제한 상,하한값(
Figure 112019131699171-pat00022
,
Figure 112019131699171-pat00023
)을 계산하는 출력제한 상,하한값 계산부를 포함하는 산화질소 자동 리미터부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 배가스의 일산화탄소 농도 측정치(CO)를 구하는 일산화탄소 농도 측정부, 입력받은 일산화탄소 농도 상,하한 한계치(
Figure 112019131699171-pat00024
,
Figure 112019131699171-pat00025
)와 상기 일산화탄소 농도 측정치를 비교하며, 상기 일산화탄소 농도 측정치 및 상기 일산화탄소 농도 상,하한 한계치를 이용하여 상,하한 비교값(
Figure 112019131699171-pat00026
,
Figure 112019131699171-pat00027
)을 구하는 일산화탄소 비교값 계산부, 상기 상한 비교값을 1 과 비교하여 큰 값을 상한 출력값(
Figure 112019131699171-pat00028
)으로 설정하며, 상기 하한 비교값을 1 과 비교하여 작은 값을 하한 출력값(
Figure 112019131699171-pat00029
)으로 설정하는 일산화탄소 출력값 계산부, 상기 상한 출력값(
Figure 112019131699171-pat00030
) 및 입력받은 산소 비율 출력제한 상,하한값을 이용하여 일산화탄소 농도 측정치를 이용한 산소 비율 출력제한 상,하한값(
Figure 112019131699171-pat00031
,
Figure 112019131699171-pat00032
)을 계산하는 출력제한 상,하한값 계산부를 포함하는 일산화탄소 자동 리미터부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 산소 농도 제어 장치는, 제 1 산소농도 변량을 설정받은 제 1 산소농도 변량 설정부; 배가스의 일산화탄소 측정치가 일산화탄소 허용범위를 벗어나거나 상기 배가스의 산화질소 측정치가 산화질소 허용범위를 벗어나면, 설정받은 제어 우선 비율값을 반영하여 일산화탄소(CO) 측정치 및 산화질소(NO) 측정치 중 적어도 하나에 따른 제 2 산소농도 변량을 계산하는 제 2 산소농도 변량 계산부, 상기 제 1 산소농도 변량과 상기 제 2 산소농도 변량을 이용하여 산소농도 변량을 제공하는 산소농도 제공부 및 상기 산소농도 변량 제공부에서 제공되는 상기 산소농도 변량을 이용하여 산소농도 설정치를 보정하는 산소농도설정치 보정부를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제 2 산소농도 변량이 산소 변량 허용범위를 벗어났는지 판단하여 상기 제 2 산소농도 변량을 상하한값으로 제한하는 산소변량 제한부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 일산화탄소 측정치가 일산화탄소 허용범위를 벗어나는지 판단하는 일산화탄소 판단부, 상기 일산화탄소 측정치가 일산화탄소 허용범위를 벗어나면, 상기 일산화탄소 측정치 및 산소 농도 측정치를 이용하여 제 1 산소농도 변화량을 계산하는 제 1 산소 변화량 계산부, 상기 산화질소 측정치가 산화질소 허용범위를 벗어나는지 판단하는 산화질소 판단부, 상기 산화질소 측정치가 산화질소 허용범위를 벗어나면 산소 농도 측정치 및 산화질소 측정치를 이용하면 제 2 산소농도 변화량을 계산하는 제 2 산소 변화량 계산부, 상기 제어 우선 비율값, 제 1 산소농도 변화량 및 상기 제 2 산소농도 변화량을 이용하여 제 2 산소농도 변량을 계산하는 제 2 산소농도 변량 계산부를 포함할 수 있고, 상기 일산화탄소 측정치가 일산화탄소 허용범위를 벗어나지 않으며, 상기 산화질소 측정치가 산화질소 허용범위를 벗어나지 않으면, 상기 제 2 산소농도 변량을 제공하지 않을 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 제어 우선 비율값은 0 내지 1 사이에서 설정받으며, 하기 수학식
Figure 112019131699171-pat00033
에 따라 제 2 산소농도 변량을 계산하고, 상기 수학식에서 RNO 는 제어 우선 비율값이고,
Figure 112019131699171-pat00034
는 제 2 산소농도 변화량이고,
Figure 112019131699171-pat00035
는 제 1 산소농도 변화량이며,
상기 제 1 산소 변화량 계산부는, 상기 제 1 산소농도 변화량을 하기 수학식
Figure 112019131699171-pat00036
을 이용하여 구하고, 상기 수학식에서 COpv는 일산화탄소 측정치이고, O2pv는 산소 측정치이며,
Figure 112019131699171-pat00037
는 상기 일산화탄소 측정치의 이동 평균값의 변화량, a는 민감도 계수, b는 조절용 옵셋이며,
상기 제 2 산소 변화량 계산부는, 상기 제 2 산소농도 변화량을 하기 수학식
Figure 112019131699171-pat00038
을 이용하여 구하고, 상기 수학식에서 NOpv는 산화질소 측정치이고, O2pv는 산소 측정치이며,
Figure 112019131699171-pat00039
는 상기 산화질소 측정치의 이동 평균값의 변화량, a는 민감도 계수, b는 조절용 옵셋일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 운전자의 개입 없이도 운전자의 의도에 맞춰 연소 효율 극대화 및 환경 배가스 발생 억제 사이의 제어를 수행하도록 하여 최대 열효율을 유지함과 동시에 환경 오염 억제가 가능하다.
도 1은 종래의 가열로의 공연비 제어 시스템의 구성도이다.
도 2는 종래의 산소 농도 제어 장치의 구성도이다.
도 3은 종래의 일산화탄소 및 산소 농도의 관계에 따른 열손실 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 산소 농도 제어 장치 및 산화질소 리미터를 포함하는 연소 제어 장치의 일 예시도이다.
도 5는 일산화탄소, 산화질소 및 산소 농도의 관계에 따른 열손실 그래프이다.
이하에서는, 본 발명은 설명되는 실시 예에 한정되지 않으며, 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다양하게 변경될 수 있음이 이해되어야 한다.
또한, 본 발명의 각 실시 예에 있어서, 하나의 예로써 설명되는 구조, 형상 및 수치는 본 발명의 기술적 사항의 이해를 돕기 위한 예에 불과하므로, 이에 한정되는 것이 아니라 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다양하게 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 본 발명의 실시 예들은 서로 조합되어 여러 가지 새로운 실시 예가 이루어질 수 있다.
그리고, 본 발명에 참조된 도면에서 본 발명의 전반적인 내용에 비추어 실질적으로 동일한 구성과 기능을 가진 구성요소들은 동일한 부호를 사용할 것이다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위해서, 본 발명의 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세먼지 저감을 위한 연소 제어 장치의 구성도를 도시한 것이다.
도 4는 SAMA(Scientific Apparatus Makers Association) 기호법에 따라 도시된 것으로, 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 산소 농도 제어 장치는, 산소농도 변량 보정부(100)를 포함할 수 있다.
상기 산소농도 변량 보정부(100)는 배가스의 일산화탄소 및 산화질소 중 어느 것을 우선하여 제어할지가 선택된 제어 우선 비율 값과 일산화탄소 측정치(COpv) 및 산화질소 측정치(NOpv)를 이용하여 산소농도 변량을 보정하기 위해, 제 1 산소농도 변량 설정부(110), 제 2 산소농도 변량 계산부(120) 및 산소농도 변량 제공부(130)을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 산소농도 측정치(COpv)와 산소농도 설정치(O2SV)의 산소 비율값(βA)의 출력제한 상,하한값(
Figure 112019131699171-pat00040
,
Figure 112019131699171-pat00041
)을 결정하기 위한 출력제한 계산부(300)를 포함할 수 있다.
한편, 도 4를 참조하여, 본 발명의 기술적인 특징에 대해서 설명하고, 종래의 기술과 중복되는 사항에 대해서는 한국 공개특허 제2009-0069607호, 한국 공개특허 제2009-0068810호 및 한국 특허공보 제10-1402848호 등의 선행 문헌에서 참조될 수 있으므로 생략될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 출력제한 계산부(300)은 사용자에 의해 설정받은 제어 우선 비율 설정부를 포함할 수 있다. 사용자는 연소 제어 장치의 제어 결과를 기반으로 미세 먼지 저감을 위한 산화질소(NO) 우선 제어를 원할 경우 1에 가까운 제어 우선 비율을 선택할 수 있으며, 연소 효율을 높이기 위한 일산화탄소(CO) 우선 제어를 원할 경우 0에 가까운 제어 우선 비율을 선택할 수 있다.
따라서, 산화질소(NO) 자동 리미터(400)를 통해 얻은 산화질소 농도 측정치를 이용한 산소 비율값의 상,하한값(
Figure 112019131699171-pat00042
,
Figure 112019131699171-pat00043
), 일산화탄소(CO) 자동 리미터(500)를 통해 얻은 일산화탄소 농도 측정치를 이용한 산소 비율값의 상,하한값(
Figure 112019131699171-pat00044
,
Figure 112019131699171-pat00045
)을 이용하여 설정받은 제어 우선 비율(
Figure 112019131699171-pat00046
)을 바탕으로 출력제한 상,하한값(
Figure 112019131699171-pat00047
,
Figure 112019131699171-pat00048
)을 계산하는 f7 함수를 통하여, 사용자의 의도에 따라 연소 제어 장치가 자동적으로 출력 제한 상,하한값을 조절할 수 있다.
상기 출력제한 상,하한값은 하기 수학식에 따라 계산될 수 있으며, 상기 수학식에서 RNO 는 제어 우선 비율값이며,
Figure 112019131699171-pat00049
,
Figure 112019131699171-pat00050
은 산화질소 농도 측정치를 이용한 산소 비율 출력제한 상,하한값,
Figure 112019131699171-pat00051
,
Figure 112019131699171-pat00052
는 일산화탄소 농도 측정치를 이용한 산소 비율 출력제한 상,하한값이다.
Figure 112019131699171-pat00053
상기 구성을 통해 일산화탄소 자동 리미터(500) 및 산화질소 자동 리미터(400)을 혼합한 형태로 사용할 수 있으며, 운전자의 의도에 따라 NO 제어 우선 비율을 조절하여 본 발명의 연소 제어 장치를 사용할 수 있다.
또한, 상기 산화질소(NO) 자동 리미터(400)는, 산화질소 농도 측정부, 산화질소 비교값 계산부, 산화질소 출력값 계산부, 출력제한 상,하한값 계산부를 포함할 수 있으며, 상기 구성을 통해 산화질소 농도 측정치를 이용한 산소 비율 출력 제한 상,하한값(
Figure 112019131699171-pat00054
,
Figure 112019131699171-pat00055
)을 구하여 출력 제한 계산부(300)에 출력할 수 있다.
산화질소 자동 리미터(400)는 일산화탄소 자동 리미터(500)의 구성과 상당수 중복되며, 다만, 일산화탄소 농도와 산소 농도의 상관관계는 로그 관계를 가지는 바, f3 함수를 통해 일산화탄소 측정치에 로그를 취하는 계산부가 더 포함될 수 있으나, 산화질소 농도는 산소 농도와 선형관계를 가지므로 로그 취하는 과정 없이 산소 비율 출력 제한 상,하한값(
Figure 112019131699171-pat00056
,
Figure 112019131699171-pat00057
)을 출력할 수 있다.
또한, 상기 산화질소(NO) 자동 리미터(400) 및 일산화탄소 자동 리미터(500)에 개시된 f5 함수는 상기 산화질소 측정치/일산화탄소 측정치의 순간변화량을 구하여 상기 순간변화량이 너무 커서 계산값이 갑자기 튀거나 오작동하는 것을 방지하기 위해 순간변화량이 사전 설정된 값이나 일정 수치 이상을 넘는 경우 산화질소 측정치/일산화탄소 측정치를 기존 산화질소 측정치/기존 일산화탄소 측정치로 홀드할 수 있다.
이에 따라서, 제 2 산소농도 변량 계산부에서 제 1 산소 변화량 계산부 또는 제 2 산소 변화량 계산부는 산화질소 측정치의 순간변화량/일산화탄소 측정치의 순간변화량이 일정 수치를 초과하는 경우 기존 측정하였던 기존 산화질소 측정치/기존 일산화탄소 측정치를 계산에 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 산화질소 자동 리미터(400)는, 상기 배가스의 산화질소 농도 측정치를 입력 받음으로써 배가스의 산화질소 농도 측정치(NO)를 구하는 산화질소 농도 측정부, 입력받은 산화질소 농도 상,하한 한계치(
Figure 112019131699171-pat00058
,
Figure 112019131699171-pat00059
)와 상기 산화질소 농도 측정치를 비교하며, 상기 산화질소 농도 측정치 및 상기 산화질소 농도 상,하한 한계치를 이용하여 상,하한 비교값(
Figure 112019131699171-pat00060
,
Figure 112019131699171-pat00061
)을 구하는 산화질소 비교값 계산부, 상기 상한 비교값을 1 과 비교하여 큰 값을 상한 출력값(
Figure 112019131699171-pat00062
)으로 설정하며, 상기 하한 비교값을 1 과 비교하여 작은 값을 하한 출력값(
Figure 112019131699171-pat00063
)으로 설정하는 산화질소 출력값 계산부, 상기 상한 출력값(
Figure 112019131699171-pat00064
) 및 입력받은 산소 비율 출력제한 상,하한값을 이용하여 산화질소 농도 측정치를 이용한 산소 비율 출력제한 상,하한값(
Figure 112019131699171-pat00065
,
Figure 112019131699171-pat00066
)을 계산하는 출력제한 상,하한값 계산부를 포함할 수 있다.
이 때, 산화질소 농도에 대한 상,하한 비교값은 하기 수학식으로 구할 수 있으며 NO 는 현재 배가스의 산화질소 농도 측정치,
Figure 112019131699171-pat00067
,
Figure 112019131699171-pat00068
은 위에서 언급하였듯이 입력받은 산화질소 농도 상,하한 한계치를 의미한다.
Figure 112019131699171-pat00069
Figure 112019131699171-pat00070
이외에 산화질소 자동 리미터(400)의 내용은 한국 공개특허 제2009-0068810호 개시된 내용과 중복되는바 설명의 편의를 위해 생략하도록 한다.
한편, 미세먼지 저감을 위한 NO 제어 및 연소 효율을 위한 CO 제어를 통합하여 실행가능한 연소 제어 장치에 있어서, 산소 농도 제어 장치로서 제 1 산소농도 변량을 설정받은 제 1 산소농도 변량 설정부, 배가스의 일산화탄소 측정치가 일산화탄소 허용범위를 벗어나거나 상기 배가스의 산화질소 측정치가 산화질소 허용범위를 벗어나면, 설정받은 제어 우선 비율값을 반영하여 일산화탄소(CO) 측정치 및 산화질소(NO) 측정치 중 적어도 하나에 따른 제 2 산소농도 변량을 계산하는 제 2 산소농도 변량 계산부, 상기 제 1 산소농도 변량과 상기 제 2 산소농도 변량을 이용하여 산소농도 변량을 제공하는 산소농도 제공부를 포함하는 산소 농도 변량 보정부(100), 상기 산소농도 변량 보정부(100)의 산소농도 제공부에서 제공되는 상기 산소농도 변량을 이용하여 산소농도 설정치를 보정하는 산소농도설정치 보정부(200)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 산소 변량의 급격한 증감에 따른 오작동을 방지하기 위하여, 제 2 산소농도 변량 계산부에 의해 계산된 제 2 산소농도 변량이 제 2 산소농도 변량 상하한값(
Figure 112019131699171-pat00071
,
Figure 112019131699171-pat00072
)을 벗어나는 경우, 상기 제 2 산소농도 변량의 상하한값으로 제한할 수 있다.
또한, 상기 산소농도 변량 보정부(100)는 상기 산화질소(NO)의 측정치가 산화질소 농도 상,하한 한계치(
Figure 112019131699171-pat00073
,
Figure 112019131699171-pat00074
)를 벗어나는지를 판단하여, 벗어나지 않는 경우, 사용자에 의한 바이어스 항(BIAS BY USER)인 제 1 산소농도 변량만을 제공하고, 제 2 산소농도 변량을 제공하지 않지만, 상기 산화질소 농도 상,하한 한계치(
Figure 112019131699171-pat00075
,
Figure 112019131699171-pat00076
)를 벗어나는 경우 상기 제 1 산소농도 변량에 제 2 산소농도 변량을 합하여 산소농도설정치 보정부(200)에 산소농도 변량을 제공한다.
일산화탄소 측정치가 일산화탄소 농도 상,하한 한계치를 벗어나는지를 판단하여 산소농도 설정치 보정부(200)에 제공하는 산소농도 변량을 제어하는 것도 마찬가지다.
따라서, 위와 같은 산소농도 변량 보정부(100)는 산화질소 측정치 및 일산화탄소 측정치를 모두 고려하여 제 2 산소농도 변량을 계산하며, 이때, 산화질소 및 일산화탄소 중 우선적으로 제어에 고려할 것을 선택하여 제어 우선 비율 값을 결정할 수 있다. 이 때, 제어 우선 비율 값을 1 로 설정하면 산화질소 측정치 기반으로 연소 제어 장치를 운전하며, 0으로 설정하면 일산화탄소 측정치 기반으로만 연소 제어 장치를 운전하여, 제어 우선 비율 값을 0 내지 1 로 설정하여 운전자의 의도대로 연소 제어 장치가 운전되도록 설정할 수 있다.
상기 제어 우선 비율 값은, 하기 식을 이용하여 구할 수 있으며, 상기 수학식에서 RNO 는 제어 우선 비율값이고,
Figure 112019131699171-pat00077
는 제 2 산소농도 변화량이고,
Figure 112019131699171-pat00078
는 제 1 산소농도 변화량을 의미한다.
Figure 112019131699171-pat00079
또한, 제 2 산소농도 변량 계산부는, 상기 일산화탄소 측정치가 일산화탄소 허용범위를 벗어나는지 판단하는 일산화탄소 판단부, 상기 일산화탄소 측정치가 일산화탄소 허용범위를 벗어나면, 상기 일산화탄소 측정치 및 산소 농도 측정치를 이용하여 제 1 산소농도 변화량을 계산하는 제 1 산소 변화량 계산부, 상기 산화질소 측정치가 산화질소 허용범위를 벗어나는지 판단하는 산화질소 판단부, 상기 산화질소 측정치가 산화질소 허용범위를 벗어나면 산소 농도 측정치 및 산화질소 측정치를 이용하면 제 2 산소농도 변화량을 계산하는 제 2 산소 변화량 계산부, 상기 제어 우선 비율값, 제 1 산소농도 변화량 및 상기 제 2 산소농도 변화량을 이용하여 제 2 산소농도 변량을 계산하는 제 2 산소농도 변량 계산부를 포함하며, 상기 일산화탄소 측정치가 일산화탄소 허용범위를 벗어나지 않으며, 상기 산화질소 측정치가 산화질소 허용범위를 벗어나지 않으면, 상기 제 2 산소농도 변량을 제공하지 않을 수 있다.
이 때 , 상기 제 1 산소 변화량 계산부는 하기 수학식으로 제 1 산소농도 변화량을 구할 수 있으며, 상기 수학식에서 COpv는 일산화탄소 측정치이고, O2pv는 산소 측정치이며,
Figure 112019131699171-pat00080
는 상기 일산화탄소 측정치의 이동 평균값의 변화량, a는 민감도 계수, b는 조절용 옵셋이다.
Figure 112019131699171-pat00081
또한, 상기 제 2 산소 변화량 계산부는 하기 수학식으로 제 2 산소농도 변화량을 구할 수 있으며, 상기 수학식에서 NOpv는 산화질소 측정치이고, O2pv는 산소 측정치이며,
Figure 112019131699171-pat00082
는 상기 산화질소 측정치의 이동 평균값의 변화량, a는 민감도 계수, b는 조절용 옵셋이다.
Figure 112019131699171-pat00083
따라서, 산화질소 자동 리미터에서 설정받은 산화질소 농도 측정치(NOpv)에 대해 순시치 기준의 미분(d/dt)을 취하고, 산소 농도 측정치(O2pv)에도 순시치 기준의 미분을 취하여 상기 산화질소 농도 측정치의 순시치 미분값으로 나눈 후, 여기에 n-스텝의 이동 평균값 기준 변동량인
Figure 112019131699171-pat00084
를 곱하여 NO 변동에 따른 미세먼지 저감 효율이 극대화되는 산소 농도 설정치 변량(
Figure 112019131699171-pat00085
)을 산출할 수 있다.
일산화탄소 자동 리미터에서 설정받은 일산화탄소 농도 측정치(COpv)를 통해 CO 변동에 따른 연소 효율 극대화시키는 산소 농도 설정치 변량(
Figure 112019131699171-pat00086
)을 산출할 때도 마찬가지다.
구체적으로 예를 들어, 도 4 에서 산소 농도 변량 보정부(100)의 제 1 산소농도 변량 설정부, 제 2 산소농도 변량 계산부, 산소농도 변량 제공부 및 산소농도 설정치 보정부(200) 각각은, 마이크로 프로세서(microprocessor) 등의 하드웨어와 이에 탑재되어 기 정해진 동작을 수행하도록 프로그래밍된 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
상기 하드웨어는 적어도 하나의 프로세싱 유닛 및 메모리를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 프로세싱 유닛은, 예를 들어 신호 처리기(signal processor), 마이크로 프로세서(microprocessor), CPU(Central Processing Unit), 주문형 반도체(Application Specific Integrated Circuit, ASIC), 및 Field Programmable Gate Arrays(FPGA) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 메모리는 휘발성 메모리(예를 들어, RAM 등), 비휘발성 메모리(예를 들어, ROM, 플래시 메모리 등)중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 서류에서의 각 도면에서는, 동일한 부호 및 동일한 기능의 구성요소에 대해서는 가능한 불필요한 중복 설명은 생략될 수 있다.
도 3 은 일산화탄소 농도만을 고려한 일산화탄소 농도 및 산소 농도의 상관관계를 도시하였으며, 그에 따른 열 손실을 도시하고 있으며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 일산화탄소 농도 뿐만 아니라 산화질소 농도를 포함하여 산소 농도와의 상관 관계를 도시하고 그에 따른 열 손실을 도시한 도면이다.
도 3 및 도 5 의 열 손실 그래프가 상이한 것을 알 수 있으며, 운전자의 제어 우선 비율에 따라 열 손실이 낮으면서도 산화질소(NO)의 농도가 낮게 유지되는 연소 구간을 자동으로 찾아 산소농도 설정치를 보정하고, 산소농도 제한 비율을 조절할 수 있다.
100: 산소농도 변량 보정부,
200: 산소농도설정치 보정부,
300: 출력제한 계산부,
400: 산화질소(NO) 자동 리미터,
500: 일산화탄소(CO) 자동 리미터

Claims (12)

  1. 산소농도 측정치(O2pv)와 산소농도 설정치(O2sv)의 산소 비율값(
    Figure 112019131699171-pat00087
    )의 출력제한 상,하한값(
    Figure 112019131699171-pat00088
    ,
    Figure 112019131699171-pat00089
    )을 결정하기 위한 출력제한 계산부를 포함하며,
    상기 출력제한 계산부는,
    산화질소(NO) 기반의 제어 및 일산화탄소(CO) 기반의 제어의 우선순위를 결정하는 제어 우선 비율값(
    Figure 112019131699171-pat00090
    )을 입력받는 제어 우선 비율 설정부를 포함하며,
    상기 제어 우선 비율값(
    Figure 112019131699171-pat00091
    ), 산화질소 농도 측정치를 이용한 산소 비율값의 상,하한값(
    Figure 112019131699171-pat00092
    ,
    Figure 112019131699171-pat00093
    ) 및 일산화탄소 농도 측정치를 이용한 산소 비율값의 상,하한값(
    Figure 112019131699171-pat00094
    ,
    Figure 112019131699171-pat00095
    )을 이용하여 출력제한 상,하한값을 계산하는, 미세먼지 저감을 위한 가열로의 연소 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 출력제한 상,하한값은 하기 수학식
    Figure 112019131699171-pat00096
    을 이용하여 구하며, 상기 수학식에서 RNO 는 제어 우선 비율값이며,
    Figure 112019131699171-pat00097
    ,
    Figure 112019131699171-pat00098
    은 산화질소 농도 측정치를 이용한 산소 비율 출력제한 상,하한값,
    Figure 112019131699171-pat00099
    ,
    Figure 112019131699171-pat00100
    는 일산화탄소 농도 측정치를 이용한 산소 비율 출력제한 상,하한값인, 미세먼지 저감을 위한 가열로의 연소 제어 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    배가스의 산화질소 농도 측정치(NO)를 구하는 산화질소 농도 측정부;
    입력받은 산화질소 농도 상,하한 한계치(
    Figure 112019131699171-pat00101
    ,
    Figure 112019131699171-pat00102
    )와 상기 산화질소 농도 측정치를 비교하며, 상기 산화질소 농도 측정치 및 상기 산화질소 농도 상,하한 한계치를 이용하여 상,하한 비교값(
    Figure 112019131699171-pat00103
    ,
    Figure 112019131699171-pat00104
    )을 구하는 산화질소 비교값 계산부;
    상기 상한 비교값을 1 과 비교하여 큰 값을 상한 출력값(
    Figure 112019131699171-pat00105
    )으로 설정하며, 상기 하한 비교값을 1 과 비교하여 작은 값을 하한 출력값(
    Figure 112019131699171-pat00106
    )으로 설정하는 산화질소 출력값 계산부;
    상기 상한 출력값(
    Figure 112019131699171-pat00107
    ) 및 입력받은 산소 비율 출력제한 상,하한값을 이용하여 산화질소 농도 측정치를 이용한 산소 비율 출력제한 상,하한값(
    Figure 112019131699171-pat00108
    ,
    Figure 112019131699171-pat00109
    )을 계산하는 출력제한 상,하한값 계산부를 포함하는,
    산화질소 자동 리미터부를 더 포함하는 미세먼지 저감을 위한 가열로의 연소 제어 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    배가스의 일산화탄소 농도 측정치(CO)를 구하는 일산화탄소 농도 측정부;
    입력받은 일산화탄소 농도 상,하한 한계치(
    Figure 112019131699171-pat00110
    ,
    Figure 112019131699171-pat00111
    )와 상기 일산화탄소 농도 측정치를 비교하며, 상기 일산화탄소 농도 측정치 및 상기 일산화탄소 농도 상,하한 한계치를 이용하여 상,하한 비교값(
    Figure 112019131699171-pat00112
    ,
    Figure 112019131699171-pat00113
    )을 구하는 일산화탄소 비교값 계산부;
    상기 상한 비교값을 1 과 비교하여 큰 값을 상한 출력값(
    Figure 112019131699171-pat00114
    )으로 설정하며, 상기 하한 비교값을 1 과 비교하여 작은 값을 하한 출력값(
    Figure 112019131699171-pat00115
    )으로 설정하는 일산화탄소 출력값 계산부;
    상기 상한 출력값(
    Figure 112019131699171-pat00116
    ) 및 입력받은 산소 비율 출력제한 상,하한값을 이용하여 일산화탄소 농도 측정치를 이용한 산소 비율 출력제한 상,하한값(
    Figure 112019131699171-pat00117
    ,
    Figure 112019131699171-pat00118
    )을 계산하는 출력제한 상,하한값 계산부를 포함하는,
    일산화탄소 자동 리미터부를 더 포함하는 미세먼지 저감을 위한 가열로의 연소 제어 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    산소 농도 제어 장치에 있어서,
    제 1 산소농도 변량을 설정받은 제 1 산소농도 변량 설정부;
    배가스의 일산화탄소 측정치가 일산화탄소 허용범위를 벗어나거나 상기 배가스의 산화질소 측정치가 산화질소 허용범위를 벗어나면, 설정받은 제어 우선 비율값을 반영하여 일산화탄소(CO) 측정치 및 산화질소(NO) 측정치 중 적어도 하나에 따른 제 2 산소농도 변량을 계산하는 제 2 산소농도 변량 계산부;
    상기 제 1 산소농도 변량과 상기 제 2 산소농도 변량을 이용하여 산소농도 변량을 제공하는 산소농도 제공부; 및
    상기 산소농도 제공부에서 제공되는 상기 산소농도 변량을 이용하여 산소농도 설정치를 보정하는 산소농도설정치 보정부;
    를 포함하는,
    산소 농도 제어장치를 포함하는 미세먼지 저감을 위한 가열로의 연소 제어 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 산소 농도 제어 장치는, 상기 제 2 산소농도 변량이 산소 변량 허용범위를 벗어났는지 판단하여 상기 제 2 산소농도 변량을 상하한값으로 제한하는 산소변량 제한부를 더 포함하는, 미세먼지 저감을 위한 가열로의 연소 제어 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 일산화탄소 측정치가 일산화탄소 허용범위를 벗어나는지 판단하는 일산화탄소 판단부;
    상기 일산화탄소 측정치가 일산화탄소 허용범위를 벗어나면, 상기 일산화탄소 측정치 및 산소 농도 측정치를 이용하여 제 1 산소농도 변화량을 계산하는 제 1 산소 변화량 계산부;
    상기 산화질소 측정치가 산화질소 허용범위를 벗어나는지 판단하는 산화질소 판단부;
    상기 산화질소 측정치가 산화질소 허용범위를 벗어나면 산소 농도 측정치 및 산화질소 측정치를 이용하면 제 2 산소농도 변화량을 계산하는 제 2 산소 변화량 계산부;
    상기 제어 우선 비율값, 제 1 산소농도 변화량 및 상기 제 2 산소농도 변화량을 이용하여 제 2 산소농도 변량을 계산하는 제 2 산소농도 변량 계산부를 포함하며,
    상기 일산화탄소 측정치가 일산화탄소 허용범위를 벗어나지 않으며, 상기 산화질소 측정치가 산화질소 허용범위를 벗어나지 않으면, 상기 제 2 산소농도 변량을 제공하지 않는, 미세먼지 저감을 위한 가열로의 연소 제어 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제어 우선 비율값은 0 내지 1 사이에서 설정받으며, 하기 수학식
    Figure 112019131699171-pat00119
    에 따라 제 2 산소농도 변량을 계산하고, 상기 수학식에서 RNO 는 제어 우선 비율값이고,
    Figure 112019131699171-pat00120
    는 제 2 산소농도 변화량이고,
    Figure 112019131699171-pat00121
    는 제 1 산소농도 변화량인, 미세먼지 저감을 위한 가열로의 연소 제어 장치.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 제 1 산소 변화량 계산부는,
    상기 제 1 산소농도 변화량을 하기 수학식,
    Figure 112019131699171-pat00122
    을 이용하여 구하고, 상기 수학식에서 COpv는 일산화탄소 측정치이고, O2pv는 산소 측정치이며,
    Figure 112019131699171-pat00123
    는 상기 일산화탄소 측정치의 이동 평균값의 변화량, a는 민감도 계수, b는 조절용 옵셋인 미세 먼지 저감을 위한 가열로의 연소 제어 장치.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 2 산소 변화량 계산부는,
    상기 제 2 산소농도 변화량을 하기 수학식
    Figure 112019131699171-pat00124

    을 이용하여 구하고, 상기 수학식에서 NOpv는 산화질소 측정치이고, O2pv는 산소 측정치이며,
    Figure 112019131699171-pat00125
    는 상기 산화질소 측정치의 이동 평균값의 변화량, a는 민감도 계수, b는 조절용 옵셋인 미세 먼지 저감을 위한 가열로의 연소 제어 장치.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 2 산소농도 변량 계산부는
    상기 일산화탄소 측정치의 순간변화량을 구하여 상기 순간변화량이 일정한 수치를 초과하는 경우 상기 일산화탄소 측정치를 기존 일산화탄소 측정치로 고정하는 상기 제 1 산소 변화량 계산부; 또는
    상기 산화질소 측정치의 순간변화량을 구하여 상기 순간변화량이 일정한 수치를 초과하는 경우 상기 산화질소 측정치를 기존 산화질소 측정치로 고정하는 상기 제 2 산소 변화량 계산부;
    를 포함하는 미세먼지 저감을 위한 가열로의 연소 제어 장치.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 2 산소농도 변량 계산부는,
    최초로 산소농도 변량 계산할 때, 일산화탄소에 의한 산소농도 변량 기존값을 초기화 하는, 미세먼지 저감을 위한 가열로의 연소 제어 장치.
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