KR20010061662A - 고로 열풍로의 온도 제어 방법 - Google Patents

Abstract

이 발명은 고로에 연속적으로 열풍을 공급하는 열풍로설비에서 연소시에 축열실의 돔의 온도와 배가스의 온도를 적절하게 제어하면서 연료사용을 최소화하려는 것으로서, 축열실의 돔의 온도와 배가스의 온도에 대한 원하는 궤적을 모델링하는 단계와, 축열실의 돔의 목표온도와 배가스의 목표온도를 설정하고 모델링된 궤적 중에서 원하는 궤적을 기준모델로 설정하는 단계와, 축열실의 돔의 온도와 배가스의 온도의 측정값을 변수로 하는 평가함수를 이용하여 축열실의 돔의 온도와 배가스의 온도 사이의 편차를 적절하게 제어할 수 있고 연료사용량을 최소화할 수 있는 제어입력을 산출하는 단계와, 산출된 제어입력에 따라 연료 및 공기의 유량제어기를 피이드-포워드제어하는 단계와, 축열실의 돔의 온도와 배가스의 온도의 실측치에 의해 피이드백제어하는 단계를 포함하는 온도제어방법이 제공된다.

Description

고로 열풍로의 온도 제어 방법 {Method for controlling temperature of a hot blower for a furnace}

이 발명은 고로에 열풍을 공급하는 열풍로의 온도를 제어하는 방법에 관한 것이며, 특히, 열풍의 온도를 일정하게 유지하면서도 연료사용량을 최소화하는 온도제어방법에 관한 것이다.

고로의 열풍로에서는 연소말기의 축열실의 돔의 온도와 배가스의 온도를 관리하고 있다. 축열실의 돔의 온도는 도 1에 보이듯이 축열실(2)의 체커(3)로 들어가는 연소가스의 온도이므로, 설비보호적인 측면과 열효율을 고려하여 적절한 온도로 제어되어야 한다. 배가스온도도 연소시에 체커(3)를 통과하여 스텍으로 빠져 나가는 연소가스(화살표 4의 방향)의 온도이므로, 축열 및 설비보호적 측면을 고려하여 적절한 온도로 제어되어야 한다.

열풍로의 목적은 송풍기에 의해 고로로 일정한 온도의 열풍(회살표 5의 방향)을 공급하는 것이므로, 송풍시간동안 송풍온도를 일정하게 유지하기 위해서는 연소시에 축열상태를 확보하여야 한다. 원하는 축열상태를 확보하기 위한 방법은 연소말기에 축열실의 돔의 온도와 배가스의 온도가 원하는 온도로 되도록 하는 것이다. 따라서, 연소하는 동안 축열실의 돔의 온도와 배가스의 온도를 적절하게 제어하는 것은 열효율적인 측면과 송풍조건을 만족시키고자 하는 측면에서 상당히 중요한 문제이다. 즉, 온도제어가 적절하게 수행되지 못하여 과축열상태가 되면 불필요한 열손실이 발생하여 효율이 저하되며 만약 미축열상태가 되면 송풍기에 원하는 온도로서 송풍을 할 수 없게 되므로 고로조업에 상당한 지장을 초래하게 된다.

연소하는 동안 축열실의 돔의 온도는 원하는 일정온도로 제어하고 배가스의 온도는 시간이 지남에 따라 점차적으로 증가하여 연소종료시점에서 원하는 온도가 되도록 제어하는 것이 바람직하다.

종래의 온도제어방법에서는 축열실의 돔의 온도와 배가스의 온도가 각각 독립적인 비례미적분기(PID : Proportional Integral and Derivative)를 이용한 제어루프로 구성되어 있으므로, 축열실의 돔의 온도를 제어하기 위해 연소실로 들어가는 냉공기의 양을 제어하고 배가스의 온도를 제어하기 위해 혼합가스(BFG+COG)의 유량을 제어하고 있다. 그러나, 이러한 제어방법에서는 혼합가스의 유량 및 공기의 유량과 축열실의 돔의 온도 및 배가스의 온도 사이에는 상호간섭이 존재하게 되어 제어기의 성능이 저하되는 문제점이 있다. 즉, 만약에 축열실의 돔의 온도가 목표온도보다 과다하여 냉공기의 양을 증가시켜 축열실의 돔의 온도를 낮추도록 제어할 경우, 공기유량증가에 의한 전체가스유량(혼합가스+공기)이 증가하고, 이 것은 배가스의 온도를 상승시키는 역할을 한다. 배가스의 온도를 줄이기 위해서는 혼합가스의 양을 줄이도록 제어해야 하고, 이로 인하여 축열실의 돔의 온도가 다시 변하게 된다. 따라서, 단순한 PID제어기를 각각 독립적으로 사용할 경우 이러한 제어변수 사이의 상호영향으로 인하여 프로세스에 외란이 존재할 경우 외란의 효과를 빨리 제거시키지 못하고 제어성능을 저하시키게 된다.

또한, 단순 PID 제어기의 경우, 목표온도만을 추종하도록 제어하고 있으므로 투입되는 연료량을 고려할 수 없다는 문제점이 있다.

이 발명은 종래의 온도제어방법에서의 위와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로서, 제어입력과 프로세스변수 사이의 상호영향을 제어모델에 반영하여 혼합가스의 양과 공기의 양을 적절하게 제어함으로써 축열실의 돔의 온도와 배가스의 온도가 동시에 제어될 수 있도록 함과 동시에, 투입되는 연료의 양이 최소화 하도록 할 수 있는 제어방법을 제공하려는 것이다.

도 1은 이 발명에 따른 온도제어방법이 구현되는 열풍로의 구성을 개략적으로 도시한 도면이며,

도 2는 이 발명에 따른 온도제어방법을 구현하기 위해 이용되는 시스템을 도시한 블록선도이고,

도 3 내지 도 5는 이 발명에 따른 온도제어방법을 이용한 온도제어를 시뮬레이션한 결과를 도시한 그래프이다.

위와 같은 기술적 과제를 해결하기 위한 이 발명에 의하면, 고로에 연속적으로 열풍을 공급하는 열풍로설비에 있어서 연소시에 축열실의 돔의 온도와 배가스의온도를 적절하게 제어하면서 연료사용을 최소화하기 위한 온도제어방법이 제공된다.

이 발명에 따르면, 연소실과 축열실을 구비하고 송풍기에 의해 고로로 일정한 온도의 열풍을 공급하는 열풍로에 이용되는 온도제어방법에 있어서, 축열실의 돔의 온도와 배가스의 온도에 대한 원하는 궤적을 모델링하는 단계와, 축열실의 돔의 목표온도와 배가스의 목표온도를 설정하고 모델링된 궤적 중에서 원하는 궤적을 기준모델로 설정하는 단계와, 축열실의 돔의 온도와 배가스의 온도의 측정값을 변수로 하는 평가함수를 이용하여 축열실의 돔의 온도와 배가스의 온도 사이의 편차를 적절하게 제어할 수 있고 연료사용량을 최소화할 수 있는 제어입력을 산출하는 단계와, 산출된 제어입력에 따라 연료 및 공기의 유량제어기를 피이드-포워드제어하는 단계와, 축열실의 돔의 온도와 배가스의 온도의 실측치에 의해 피이드백제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 온도제어방법이 제공된다.

이러한 온도제어방법을 이용하면, 제어입력과 프로세스변수 사이의 상호영향을 제어모델에 반영하여 혼합가스의 양과 공기의 양을 적절하게 제어함으로써 축열실의 돔의 온도와 배가스의 온도를 동시에 제어함과 동시에 최적제어에 기반하여 제어기를 구성함으로써 연료사용량을 최소화 한다.

이하에서 첨부한 도면을 참고로 하여 이 발명의 한 실시예에 따른 고로열풍로의 온도제어방법을 설명한다. 이 발명은 도 2에 보이듯이, 최적온도제어기를 사용함으로써 혼합가스와 공기유량에 의하여 축열실의 돔의 온도와 배가스의 온도가 동시에 제어된다.

축열실의 돔온도의 목표값과 배가스온도의 목표값은 연소종료시점에서 달성하기 위한 온도이며, 잔축열상태 및 송풍조건을 고려하여 주어진다. 온도궤적발생기(9)는 축열실의 돔의 온도와 배가스의 온도에 대한 원하는 궤적을 만들어내는 부분이며, 프로세스의 응답속도 및 온도패턴을 고려하여 설정된다. 피이드백제어기(13)와 피이드-포워드제어기(10)의 작동 및 직접게인(8)의 결정은 아래와 같다.

제1 단계로, 축열실의 돔의 온도와 배가스의 온도 사이의 편차를 적절하게 제어하면서 투입되는 연료를 최소화할 수 있도록 아래의 수학식 1과 같은 평가함수를 정한다.

여기에서, Q와 R은 양의 반한정행렬이며, u는 각각 혼합가스유량의 설정치와 공기유량의 설정치이고, y는 축열실의 돔의 온도와 배가스의 온도의 측정값을 나타내며,는 기준모델의 출력으로서 원하는 온도궤적을 각각 나타내고 있다.

제2 단계로, 아래의 수학식 2 및 3과 같이 기준모델을 설정한다.

제3 단계로, 아래의 수학식 4 및 5와 같이 열풍로를 2입력-2출력시스템으로 모델링한다.

제4 단계로, 아래의 수학식 6 및 7과 같이 기준모델과 플랜트모델을 결합한 통합모델을 만든다.

수학식 6 및 7에서 각각의 함수는 아래의 수학식 8 내지 12와 같다.

제5 단계로, 제4 단계에서의 통합모델에 대하여 수학식 1의 평가함수를 최소로 하는 제어입력은 아래의 수학식 13 및 14와 같이 결정된다.

여기서, S는 아래의 수학식 15와 같은 리카티방정식의 해이다.

수학식 13 및 14에서로 분리하면, 제어입력은 아래의 수학식 16과 같이 된다.

여기에서,은 피이드백제어기이고,는 피이드-포워드제어기이며,는 직접게인이다.

아래에서는 이 실시예에 따른 연소온도제어방법을 이용하여 컴퓨터시뮬레이션을 수행한 것을 설명한다. 도 3은 축열실의 돔온도의 제어결과를 도시한 그래프로서, 모델의 출력은 온도궤적발생기(9)의 출력을 의미한다. 축열실의 돔의 온도는 연소시작시점에서 1100도에서 증가하기 시작하여 목표온도인 1280도를 유지하도록 제어되고 있다. 도 4는 배가스의 온도제어결과를 도시한 그래프로서, 연소시작시점에서 180도에서 시작하여 점차적으로 증가하여 연소종료시점에서는 목표온도인 250도가 되도록 제어되고 있다. 도 5는 이 때의 혼합가스유량과 공기량의 제어를 도시한 그래프이다.

이상에서 설명한 바와 같은 이 발명에 따른 열풍로의 최적온도의 제어방법은 혼합가스와 공기를 동시에 제어함으로써 기존의 제어방식에서 문제시된 상호간섭문제를 해결하여 온도제어성능을 높일 뿐만 아니라, 최적제어에 기반하여 제어기를 구현하였으므로 투입되는 연료를 줄일 수 있다.

Claims (1)

1. 연소실과 축열실을 구비하고 송풍기에 의해 고로로 일정한 온도의 열풍을 공급하는 열풍로에 이용되는 온도제어방법에 있어서,

   축열실의 돔의 온도와 배가스의 온도에 대한 원하는 궤적을 모델링하는 단계와, 축열실의 돔의 목표온도와 배가스의 목표온도를 설정하고 모델링된 궤적 중에서 원하는 궤적을 기준모델로 설정하는 단계와, 축열실의 돔의 온도와 배가스의 온도의 측정값을 변수로 하는 평가함수를 이용하여 축열실의 돔의 온도와 배가스의 온도 사이의 편차를 적절하게 제어할 수 있고 연료사용량을 최소화할 수 있는 제어입력을 산출하는 단계와, 산출된 제어입력에 따라 연료 및 공기의 유량제어기를 피이드-포워드제어하는 단계와, 축열실의 돔의 온도와 배가스의 온도의 실측치에 의해 피이드백제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 온도제어방법.