KR20010010080A - 다단 연소설비의 산소농도 자동제어 방법 - Google Patents

다단 연소설비의 산소농도 자동제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연소설비의 산소농도를 제어하는 방법에 관한 것으로서, 2단 이상의 연소기기로 연소하는 다단 연소설비에 있어서, 공기비 조절기(70),(71),....와 산소농도 측정장치(110) 및 리미터(Limiter)가 내장된 PID(Proportional Integral Derivative)제어기(90),(91),...를 구비하여 연소부하가 가장 큰 단 혹은 연도 최전단의 연소단의 연소기기(80)는 상기 산소농도 측정장치(110)에서 측정한 산소농도 측정치(A)를 PID 제어기(90)로 피드백(feedback)시켜 공기비 조절기(70)에 의해 공기비를 조절하고, 나머지 단들은 각각 해당 공기비 조절기에서 독립적으로 목표 과잉 공기비를 조절함으로써 다단 연소설비의 안정적인 산소농도 자동제어가 가능하여 목표 산소농도의 정확한 설정과 그에 따른 과잉공기량 감소, 연소 배가스량의 감소에 따른 연소설비의 열효율 향상으로 연료를 절감할 수 있는 장점이 있는 것이다.

Description

다단 연소설비의 산소농도 자동제어 방법{Method of automatic oxygen concentration control for multi staged combustion appliances}
본 발명은 연소설비의 산소농도를 제어하는 방법에 관한 것으로서, 특히 여러 개의 연소단으로 구성되고 각 연소단 별로 연료와 공기의 유량제어를 실시하는 연소설비에서 산소농도를 자동제어함으로써 연소설비의 열효율을 높이는 다단 연소설비의 산소농도 자동제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로 종래의 연소기는 도 1에 도시한 바와 같이 여러 연소단으로 구별되어 각 단별로 연료와 공기가 공급되고, 각 단별로 산소농도 제어를 위한 PID(Proportional Integral Derivative)제어기(90),(91)가 설치된 연소설비에서 연소가스중 산소농도를 제어할 때에는 PID(Proportional Integral Derivative)제어기
(90),(91) 각각에 공기비 조절기(Ratio Setter, R/S ; 70,71)를 설치하여 연도에 설치한 산소농도측정장치(110)에서 측정된 산소농도(A)를 피드백(feedback)시켜 산소농도 설정치와 측정치의 오차를 줄이도록 상기 PID 제어기(90),(91)를 이용 공기비 조절기(70),(71)를 작동시켜 공연비의 설정치를 조절함으로써 공기유량의 조절로 산소농도를 추종하는 것이었다.
설명의 편의상 도 1과 같이 상단과 하단이 별도로 제어되는 설비를 대상으로 설명한다. 이러한 종래 연소설비에서 공기비 제어가 2단 이상으로 이루어질 경우에
산소농도 측정치(A)는 하나이나 공기비 제어단은 2단 이상으로서 MISO(Multi-Input Single-Output)의 문제가 된다.
이런 경우에는 산소농도 측정치(A)를 하나만 이용하여 2개의 단(상단 및 하단)을 제어하게 된다. 따라서 여러가지 외란(유량변동, 연료조성 변동, 유량측정 오차 등)에 의해 단별 공기비가 동일하게 유지되지 못하고 상단의 공기비 조절기(70)가 미리 설정해 놓은 최고(예 1.3) 혹은 최저(예 0.9)의 극한치를 추종하고, 하단의 공기비 조절기(71)는 반대의 극한치를 추종하는 현상이 빈번하게 발생하게 된다. 즉, 상단 및 하단의 공기비 조절기(70),(71)는 서로 다른 극한치를 추종해 가면서 목표 산소 농도를 추종하게 되어 결과적으로 자동제어의 소기 목적을 달성할 수 없게 된다.
예컨대 연소설비 전체의 공기비를 1.1로 유지하고자 하는 경우 상단은 1.3, 하단은 0.9로 유지될 수 있으며, 이때 공기가 부족한 단은 불완전 연소가 일어나게 되어 자동제어가 불가능하게 되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 실정을 감안하여 종래 다단 연소설비가 갖는 문제점들을 해결하고자 발명한 것으로서, 다단 연소설비에서 하나의 산소농도 측정치로 산소 농도 자동제어를 하고자 할 때 각 단의 공기비 조절기가 극한치를 추종하면서 벌어지는 현상을 극복하고, 목표치를 잘 추종하여 연소설비의 열효율을 높이는 다단 연소설비의 산소농도 자동제어 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
도 1은 종래 다단 연소설비의 산소농도 제어시스템 모식도,
도 2는 본 발명의 방법에 의한 다단 연소설비의 산소농도 자동 제어시스템
모식도,
도 3은 종래의 방법에 의한 다단 연소설비의 상/하단 연소기 동시제어시 출
력값의 변화를 나타낸 그래프,
도 4는 본 발명의 방법에 의한 다단 연소설비의 상단 연소기 단독제어시 출
력값의 변화를 나타낸 그래프이다.
〈 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 〉
10 : 목표 산소농도 20 : 실제 산소농도 측정치
30 : 상단 산소농도 40 : 하단 산소농도
50 : 상단의 공기비 60 : 하단의 공기비
70 : 상단 공기비 조절기 71 : 하단 공기비 조절기
80 : 상단 연소기기 81 : 하단 연소기기
90 : 상단 PID 제어기 91 : 하단 PID 제어기
110 : 산소농도 측정장치 A : 산소농도 측정치
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명 다단 연소설비의 산소농도 자동제어 방법은 2단 이상의 연소기기로 연소하는 다단 연소설비에 있어서, 공기비 조절기(70),(71),...와 산소농도 측정장치(110) 및 리미터(Limiter)가 내장된 PID(Proportional Integral Derivative)제어기(90),(91),...를 구비하여 연소부하가 가장 큰 단 혹은 연도 최전단의 연소단의 연소기기(80)는 상기 산소농도 측정장치(110)에서 측정한 산소농도 측정치(A)를 PID 제어기(90)로 피드백(feedback)시켜 공기비 조절기(70)에 의해 공기비를 조절하고, 나머지 단들은 각각 해당 공기비 조절기에서 독립적으로 목표 과잉 공기비를 조절하는 것을 특징으로 한다.
이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명 다단 연소설비의 산소농도 자동제어 방법을 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 방법에 의한 다단 연소설비의 산소농도 자동 제어시스템 모식도로서, 다단 연소설비의 목표 공기비는 연료의 조성, 유량과 버너의 성능으로부터 정해지고, 이로부터 목표 산소농도를 구할 수 있다. 예컨대 중유연소의 경우 목표 공기비가 1.1이라면 공기비 m=21/{21-(O2)}등의 식으로부터 목표 산소농도 2%를 얻을수 있다.
통상 연소제어에서는 연료주입량을 기준으로 하여 이론적인 공기량에 과잉공기율을 적용한 공기량 제어가 이루어지는데, 이는 공기비 조절기(70),(71)에서 이루어진다. 그러나 공기비 조절기(70),(71)의 공연비 설정치를 일정하게 하는 경우에도 연료와 공기 유량의 측정 정도, 부하변동, 연료조성 변동 등의 외란 요인으로 인하여 실질적인 공기비는 변동하게 되고, 그에 따라 산소농도도 변하게 되는 것이다. 그러므로 산소농도제어는 산소농도 측정기(110)와 제어기를 사용하여 목표로 하는 산소농도를 유지하고자 하는 것이다. 도 1에 도시한 종래 다단 연소설비와 같이 연소단별로 제어계를 구성하는 경우는 상기한 바와 같이 외란요인이 발생할 때 연소단간 공기비의 큰 편차가 생기는 문제점을 야기하게 된다. 따라서 본 발명에 의한 산소농도 제어방법은 상단만을 자동제어하고 나머지 단은 연소 조건별로 적절한 공기과잉율로 산소농도를 설정하는 것이다.
이와 같이 하나의 대표단만 산소농도를 자동으로 제어하고, 나머지 단은 공기비 조절기로 공기과잉율을 적정 설정치치로 운전하면 자동제어를 하지 않는 단의 외란을 자동제어를 실시하는 단에서 흡수하여 제어하게 되므로 전체적으로 설정치를 추종하면서 불완전연소의 문제없이 자동제어가 가능하게 된다. 즉, 도 2에서 상단을 산소농도 자동제어하고 하단을 고정하는 경우 상단은 하단의 변동치를 수용하여 공기의 부족/과잉에 대응하게 되며, 이때 하단은 적절한 과잉율로 유지하여 불완전 연소의 문제점 없이 연소조업이 이루어지게 되므로 종래 방법의 문제점을 해결할 수 있는 것이다.
[실시예]
다음에는 본 발명을 125T/hr 증기 생산용량의 보일러에 적용한 예로서 설명한다. 종래까지 125T/hr용량의 보일러는 도 1에 도시한 바와 같은 산소농도 자동제어 장치가 설치되어 있었으나, 상기한 공기비 조절기(70),(71)의 공연비 극한치 추종 현상으로 인하여 자동제어가 이루어지지 못하고 있었다.
본 발명의 발명자 들은 보일러의 연소 배가스가 빠져 나가는 가스/공기히터(
Gas/Air Heater) 전단에 지르코니아(ziriconia)식 산소센서를 설치하고, 여러 번의 오픈루프테스트(open-loop test)를 통하여 대상 보일러 공정의 상단 및 하단의 전달함수를 구하였다. 전달함수는 FOPDT(First-Order Plus Dead Time)모델로 근사할 수 있었으며 각 계수의 값은 표 1과 같다.
상단 및 하단의 전달함수
단의 구분 K θ τ
상단 2.05 20.0 60.0
하단 3.15 27.0 73.0
공정모델 :
여기서, G(s)는 전달함수, K는 공정이득, θ는 지연시간,τ는 시정수를 각각 나타낸다.
전달함수를 구한 후 ITAE(Integral of the Time-weighted Absolute value of the Error)튜닝룰(tuning rule)에 의하여 PID(90),(91)제어기의 제어계수를 구하고, 그 값을 하기 표 2로 나타냈다.
상단 및 하단의 제어계수
단의 구분 Kc T1
상단 0.391 61.538
하단 0.231 75.338
여기서 Kc는 비례계수, T1는 적분시간을 나타낸다.
이 제어계수를 PID 제어기(90),(91)에 입력하고, 산소농도의 목표치를 설정한 후 상단의 공기비를 고정시키고, 하단 공기비 조절기(91)의 공연비가 목표 산소농도를 추종하도록 자동제어를 실시하였다.
표 3은 상기 실시예를 위한 전산모사의 조건을 나타낸 표이다.
전산모사의 조건
단의 구분 시 간(s) 입력함수
500 1000 1500
상단입력크기 0.1 ­ ­ 계단입력
하단입력크기 ­ 0.1 ­
도 3은 종래 방법에 의해 상단 및 하단의 공기비를 동시에 제어하는 경우에 대한 전산모사 결과이며, 도 4는 본 발명의 방법에 의해 제어계수를 입력하고 상단의 공기비는 고정시킨 후 하단의 공기비만을 자동제어 하는 경우에 대한 전산모사 결과를 나타낸 그래프이다. 도 3 처럼 상/하단 공기비를 동시에 제어할 경우 상단 및 하단 산소농도(30),(40)의 평균치인 측정치(20)는 목표 산소농도(10)를 잘 추적하지 못하고 있으며, 상단 및 하단의 공기비(50),(60)가 극한치를 향해 벌어지는 현상을 보이고 있다. 반면에 도 4의 예처럼 하단의 공기비를 고정시키고 상단의 공기비만을 조절하는 경우에는 목표 산소농도(10)를 비교적 잘 추종하고 있으며, 상단 및 하단의 공기비(50),(60)가 벌어지는 현상은 발생하지 않았다. 실제 조업에서도 종래의 방법은 상/하단 공기비의 벌어짐이 심각하여 실제 조업에 활용치 못하였으나, 본 발명의 방법을 이용한 제어시 장기간의 운전에서도 안정되게 목표치의 추종이 가능하였다.
상기한 바와 같이 본 발명에 의하면 다단 연소설비의 안정적인 산소농도 자동제어가 가능하여 목표 산소농도의 정확한 설정과 그에 따른 과잉공기량 감소, 연소 배가스량의 감소에 따른 연소설비의 열효율 향상으로 연료를 절감할 수 있는 장점이 있다.

Claims (1)

  1. 2단 이상의 연소기기로 연소하는 다단 연소설비에 있어서, 공기비 조절기(70),(71),...와 산소농도 측정장치(110) 및 리미터(Limiter)가 내장된 PID(Proportional Integral Derivative)제어기(90),(91),...를 구비하여 연소부하가 가장 큰 단 혹은 연도 최전단의 연소단의 연소기기(80)는 상기 산소농도 측정장치(110)에서 측정한 산소농도 측정치(A)를 PID 제어기(90)로 피드백(feedback)시켜 공기비 조절기(70)에 의해 공기비를 조절하고, 나머지 단들은 각각 해당 공기비 조절기에서 독립적으로 목표 과잉 공기비를 조절하는 것을 특징으로 하는 다단 연소설비의 산소농도 자동제어 방법.
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