KR20050007971A - 석탄 연소 보일러에서의 그을음 침적 제거 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 석탄 연소 보일러에서의 그을음 침적 제거 시스템 및 방법에 관한 것이다.

종래에는 보일러 내부에 증기를 분사하는 부분을 순차적으로 하나씩 작동하는 방법을 사용하였는데, 이러한 방법은 보일러의 효율을 전혀 고려하지 않고, 주기적으로 증기 분사하여 그을음을 제거하므로, 그을음 제거용 증기가 과도하게 소비됨으로써 보일러의 효율이 저하되고 또한 일정 기간 동안 보일러 온도를 저하시켜서 석탄 연소 보일러의 열효율과 부하율을 저하시키게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 석탄 연소 보일러에서 석탄 연소시에 고온 연소 가스 영역의 전열면과 대류영역의 튜브에 발생되는 슬래깅과 파울링 현상에 기인하여 형성되는 그을음을 제거하는 경우에, 보일러 내부 각 부분의 오염도를 측정하여 기준치 이상 오염될 때 보일러 운용에 영향을 주지 않는 범주 내에서 그을음 제거용 증기 분사수단을 가동하여 그을음을 자동으로 제거케 하므로 그을음 제거에 기인한 열효율과 부하율의 저하를 방지하게 된다.

Description

석탄 연소 보일러에서의 그을음 침적 제거 시스템 및 방법{System and Method for Removal Soot Deposition in Coal Burning Boiler}

본 발명은 석탄 연소 보일러에서 석탄 연소시에 발생되는 그을음을 제거하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 석탄 연소 보일러에서 석탄 연소시에 고온 연소 가스 영역의 전열면과 대류영역의 튜브에 발생되는 슬래깅(slagging)과 파울링(fouling) 현상에 기인하여 형성되는 그을음을 자동으로 제거함으로써 보일러에 대한 열효율과 부하율의 저하를 방지하도록 하는 석탄 연소 보일러에서의 그을음 침적 제거 방법에 관한 것이다.

석탄 연소 보일러에서 고온 연소 가스 영역의 전열면(Water Wall Tube)에 고형 및용융된 그을음이 발생되는 현상을 슬래깅이라 하는데, 슬래깅은 초기에 수냉벽 표면에 그을음이 용융 부착되어 연소가스와 수냉벽 사이의 연전달을 방해한다. 그러나, 시간이 지남에 따라 노 출구의 연소가스 온도를 상승시키면서 그을음의 용융을 촉진시키게 되어 슬래깅의 성장은 가속된다. 그리고, 슬래깅과 함께 석탄 그을음 중에 함유되어 있는 휘발성분이 연소 중에 휘발하여 연소 가스류와 함께 흐르다가 연화온도 이하의 저온 영역인 대류전열부 표면에서 응축 및 부착되어 굳어지는 현상을 파울링이라고 하는데, 파울링이 진행되면 대류 전열면의 열전달을 저하시키고 연소가스의 흐름을 방해하게 된다. 석탄 연소 보일러의 가동시에는 이상과 같은 슬래깅과 파울링에 의해 보일러의 튜브 표면에 그을음이 점진적으로 침착되어 열전달을 저하시키게 되어, 보일러의 전체 효율과 부하율이 감소하게 되므로, 높은 열효율과 부하율을 유지하기 위해서는 그을음을 제거해 줄 필요가 있다.

종래에는 석탄 연소 보일러의 가동시에 생성되는 그을음을 제거하는 경우에 증기(steam)를 분사하여 제거하였는데, 그을음의 양이라든지 그을음을 제거하는 분사 증기의 특성을 고려하지 않고 정해진 시간에 한번씩 모든 보일러의 튜브에 대해서 일괄적으로 그을음을 제거하는 방법을 사용하였다. 즉, 보일러 내부에 증기를 분사하는 부분을 순차적으로 하나씩 작동하는 방법을 사용하고 있는데, 이러한 방법은 보일러의 효율을 전혀 고려하지 않고, 주기적으로 증기 분사하여 그을음을 제거하므로, 그을음 제거용 증기가 과도하게 소비됨으로써 보일러의 효율이 저하되고 또한 일정 기간 동안 보일러 온도를 저하시켜서 석탄 연소 보일러의 열효율과 부하율을 저하시키게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 석탄 연소 보일러에서 석탄 연소시에 고온 연소 가스 영역의 전열면과 대류영역의 튜브에 발생되는 슬래깅과 파울링 현상에 기인하여 형성되는 그을음을 제거하는 경우에, 보일러 내부 각 부분의 오염도를 측정하여 기준치 이상 오염될 때 보일러 운용에 영향을 주지 않는 범주 내에서 그을음 제거용 증기 분사수단을 가동하여 그을음을 자동으로 제거케 함으로써 그을음 제거에 기인한 열효율과 부하율의 저하를 방지하도록 하는 석탄 연소 보일러에서의 그을음 침적 제거 시스템 및 방법을 제공함에 목적이 있다.

도 1은 본 발명에서의 보일러 내부 영역에 대한 구분 그룹을 도시한 도면.

도2는 본 발명에 따른 보일러에서의 그을음 침적 제거 시스템의 구성도.

도3은 본 발명에 따른 그을음 침적 제거 과정을 도시한 흐름도.

이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 석탄 연소 보일러에서의 그을음 침적 제거 시스템에 있어서, 보일러의 내부 영역을 구분하는 다수개의 그룹에 대한 상태를 감지하는 감지수단과; 제어신호를 입력받아 그을음 제거를 위한 제어를 수행하는 제어수단과; 상기 그룹에 설치되어 상기 제어수단의 제어에 따라 증기를 분사하여 그을음을 제거하는 다수개의 그을음 제거수단과; 상기 그룹의 상태에 의거하여 해당 그룹의 그을음 오염도를 측정하고 해당 오염도가 기준치 이상인 경우에 그을음 제거를 위한 제어신호를 출력하는 메인 프로세서 수단과; 상기 메인 프로세서 수단의 가동시에 생성되는 데이터를 저장하여 관리하는 데이터 베이스 수단과; 상기 감지수단으로부터 인가되는 정보를 상기 메인 프로세서 수단에게 전달하여 주고, 상기 메인 프로세서 수단으로부터 생성되는 제어신호를 상기 제어수단에게 전달하여 분산 제어 동작을 수행하는 분산 제어 수단을 포함하는데 있다.

본 발명의 또 다른 특징은, 석탄 연소 보일러에서의 그을음 침적 제거 방법에 있어서, 보일러의 내부 영역을 구분하는 다수개의 그룹에 대한 상태를 판독하여 현재 부하 상태에서의 상기 그룹별 기준값을 계산하는 과정과; 상기 그룹에 대한 그을음 오염도를 산출하는 과정과; 상기 산출된 오염도가 상기 기준값 이상이면 보일러의 운용에 영향을 주지 않는 범주 내에서 상기 그룹에 증기를 분사하여 그을음을 제거하는 과정을 포함하는데 있다.

이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명에서는 석탄 연소 보일러(10)의 내부를 도1에 도시된 바와 같이 다수개의 그룹(11~14)으로 분할하고, 해당 각 그룹 내에서 생성되는 그을음에 의한 오염도를 측정하고, 해당 요염도가 기준값을 초과하는 경우에 해당 그룹(11~14)에 대해 그을음 제거용 증기를 분사해 줌으로써 그을음을 제거한다. 이와 같은 그을음 제거 동작을 수행하기 위해서 각 그룹(11~14)에는 온도, 압력 및 유량을 감지하기 위한 센서(sensor)가 설치됨과 아울러 해당 그룹 내에 생성된 그을음을 제거하는 그을음 제거용 증기를 분사하는 그을음 제거기가 설치되는데, 해당 그룹 내에 생성된 그을음은 그을음 제거기로부터 분사되는 증기에 의하여 제거되며, 각 그룹 내에는 다수개의 그을음 제거기를 적절한 위치에 분산하여 설치한다.

이와 같은 그을음을 자동 제거하기 위한 시스템은 도2에 도시된 바와 같이메인 프로세서(21), 데이터 베이스(22), 분산 제어시스템(23), 제어기(24), 그을음 제거기(25) 및 센서(26)를 구비하여 이루어 진다. 메인 프로세서(21)는 보일러 운전자와의 인터페이스를 위한 부분으로, 동작 상황을 시각적으로 확인케 하기 위한 모니터와, 운전자에 의해 입력되는 데이터 또는 분산 제어시스템(23)을 통해 입력되는 데이터를 처리하여 오염도를 계산하고 해당 오염도의 기준값 초과 여부를 판단하여 그을음 제거 명령을 출력하는 동작을 수행하는 프로세서를 구비한다. 그리고, 데이터 베이스(22)는 메인 프로세서(21)에서 처리되는 데이터를 저장하고, 해당 저장 데이터를 메인 프로세서(21)에 제공하는 기능을 수행한다. 또한, 센서(26)는 각 그룹(11~14)에 설치되어 해당 그룹 내에서 감지되는 온도, 압력 및 유량 정보를 수집하여 분산 제어시스템(23)에 전송하는데, 해당 센서(26)로서는 온도 센서, 압력 센서 및 유량 센서를 포함한다. 분산 제어시스템(23)은 각 그룹(11~14)에 대한 그을음 제거를 위한 동작을 분산 제어하는데, 센서(26)로부터 인가되는 온도, 압력 및 유량 정보를 수집하여 메인 프로세서(21)에게 전송하고, 메인 프로세서(21)로부터 인가되는 그을음 제거 명령에 의거하여 제어기(24)에게 제어 명령을 전송하여 제어기(24)에 의한 그을음 제거 동작을 제어한다. 또한, 제어기(24)는 분산 제어시스템(23)으로부터 인가되는 제어 명령에 의거하여 그을음 제거기(25)의 동작을 제어한다. 그을음 제거기(25)는 각 그룹(11~14) 내에 분산 설치되어 제어기(24)로부터 인가되는 명령에 따라 증기를 분사하여 그을음을 제거하는 동작을 수행한다. 이 그을음 제거기(25)는 보일러로부터 공급되는 증기를 분사하기 위한 노즐과, 해당 노즐을 통해 분사되는 증기를 제어하기 위한 밸브를 구비한다.

이상과 같이 구성되는 본 발명에 따른 그을음 제거 시스템은 보일러 내의 그을음을 제거하는 경우에 도3에 도시된 바와 같이 동작 수행한다.

먼저, 메인 프로세서(21)는 각 그룹(11~!4)에 설치되어 있는 센서(26) 들로부터 전송되는 온도, 압력 및 유량 정보를 포함하는 데이터를 읽어들이고(스텝 S31), 현재 부하 상태에서의 각 그룹(11~14) 별 기준값을 계산하되 각 그룹(11~14)에 대한 그을음 제거 기준을 위한 오염도 기준값을 계산한다(스텝 S32). 그리고, 메인 프로세서(21)는 각 그룹(11~14)에 대한 히트 플럭스(Heat Flux)를 계산하고(스텝 S33), 각 그룹(11~!4)에 대한 비열비를 계산하고(스텝 S34), 각 그룹(11~!4) 별로 열흡수율을 계산한 후(스텝 S35), 해당 각 그룹(11~!4)에 대한 현재의 오염도를 판정한다(스텝 S36). 또한, 메인 프로세서(21)는 해당 판정된 오염도가 기준값 이상인지를 판단하여(스텝 S37), 기준값 이상이 아니라고 판단되는 경우에는 상술한 스텝 S31로 귀환하여 반복 동작을 수행하고, 기준값 이상이라고 판단되는 경우에는 데이터 베이스(22)를 검색하여서 증기를 분사하여 그을음을 제거한 시간을 체크하고(스텝 S38), 그을음 제거용 증기를 분사할 수 있는 제한 조건을 체크하고(스텝 S39), 증기 분사 정지 조건을 체크한 후(스텝 S40), 증기 분사 명령을 결정하고(스텝 S41), 그룹(11~14)의 온도, 압력, 유량 부하 등의 데이터를 데이터 베이스(22)에 기록하고(스텝 S42), 증기 분사 명령을 출력하여 분산 제어 시스템(23) 및 제어기(24)를 통하여 각 그룹(11~14)의 그을음 제거기(25)를 가동시켜 해당 그을음 제거기(25)에 의해 분사되는 증기로 해당 그룹의 그을음을 제거한다(스텝 S43).

예를들어, 보일러 내부를 분할한 그룹(11~14) 중에서, 제1그룹(11)을 보일러의 화로 부분으로 설정하고, 제2그룹(12)을 보일러의 슈퍼히트/ 리히트(Superheat/Reheat)부로 설정하고, 제3그룹(13)을 보일러의 주 리히트(Primary RH)와 주 슈퍼히트(Primary SH)로 설정하고, 제4그룹(14)을 보일러의 가스 에어 히트(Gas Air Heat)로 설정한 경우를 기준으로 설명하면, 메인 프로세서(21)에서 각 그룹(11~14) 별 오염도를 판정하기 위해서는 여러 가지의 데이터가 필요한데, 제1그룹(11)과 제2그룹(12)에 대해서는, 보일러 출구 연소가스 온도, 전체 석탄 소비량, 보일러 출구 산소 양, 과잉 공기량, 절탄기 입출구에 대한 급수 온도, 압력 및 유량, 화로 입출구에 대한 급수/증기 온도, 압력 및 유량, 화로 노즈 출구에 대한 급수/증기 온도, HRA(heat recovery area) 입출구에 대한 증기 온도, 압력 및 유량, 1단 과열기 입출구에 대한 증기 온도, 압력 및 유량, 3단 과열기 입출구에 대한 증기 온도, 압력 및 유량, 최종 과열기 입출구에 대한 증기 온도, 압력 및 유량, 1단 재열기 입출구에 대한 증기 온도, 압력 및 유량, 최종 재열기 입출구에 대한 증기 온도, 압력 및 유량 등의 데이터가 필요하며, 제3그룹(13)에 대해서는, 화로 입출구에 대한 급수/증기 온도, 압력 및 유량, 절탄기 입출구에 대한 급수 온도, 압력 및 유량 등의 데이터가 필요하며, 제4그룹(14)에 대해서는, 보일러 출구에 대한 연소가스 온도, 연소가스-공기 예열기출구에 대한 연소가스 온도, 연소가스-공기 예열기 입구에 대한 일차공기 온도 등의 데이터가 필요하다.

한편, 각 그룹(11~!4)의 오염도를 계산하는 경우에 열역학을 기반으로 각 부위별 측정 가능한 데이터를 이용하여 각 그룹의 오염도를 계산하는데, 각 그룹별오염도를 계산하기 위해서는 설계 데이터를 기반으로 현재 보일러의 상태(온도, 압력, 유량 등)에 대한 데이터를 입력받아 오염도를 예측한다. 보일러의 오염상태를 판정하기 위해서 상기 스텝 S32에서 기준값을 결정하는데, 이 기준값과 상기 스텝 S33 내지 스텝 S35를 거쳐서 계산되는 보일러의 상태량에 의한 계산값을 비교하여 스텝 S36에서 오염도를 판정한다. 각 그룹(11~!4)에 대한 오염도를 판정함에 있어서는 해당 그룹에서의 수열량을 오염도 판정 기준으로 이용한다. 그리고, 상술한 스텝 S37에서는 오염도가 기준치 이상인지를 판단하는 동작을 수행하는데, 여기서 기준값이란 보일러 전체의 가열 밸란스(heat balance)에 영향을 주거나, 효율에 영향을 줄 수 있는 크기를 의미하는 것으로, 만일 그을음이 침적되어 있는 정도가 미미하거나 효율 또는 가열 밸란스에 영향을 주지 않는 경우 그을음을 제거할 필요는 없으며, 이는 증기 분사하여 그을음을 제거하기 위해서는 증기가 소비되고 그을음 제거기(25)를 구동하기 위한 전원이 공급되어야 하므로 전체적으로 볼 때 그을음을 소거하지 않음이 경제적이기 때문이다. 한편, 상술한 스텝 S39에서 증기 분사 제한 조건을 체크하는 경우에, 그을음 제거 가능한 증기조건을 만족하는지의 여부, 그을음 제거기(25)가 정상 상태 인지의 여부, 발전소 운전에 영향을 주는 상황 인지의 여부, 일정 이상의 부하가 걸린 상태 인지의 여부, 설정되어 있는 그을음 제거 최소 시간이 경과되었는지의 여부 등을 체크하는 동작을 수행한다.

본 발명은 석탄 연소 보일러에서 석탄 연소시에 고온 연소 가스 영역의 전열면과 대류영역의 튜브에 발생되는 슬래깅과 파울링 현상에 기인하여 형성되는 그을음을 제거하는 경우에, 보일러 내부 각 부분의 오염도를 측정하여 기준치 이상 오염될 때 보일러 운용에 영향을 주지 않는 범주 내에서 그을음 제거용 증기 분사수단을 가동하여 그을음을 자동으로 제거케 하므로 그을음 제거에 기인한 열효율과 부하율의 저하를 방지하게 된다.

Claims (2)

1. 석탄 연소 보일러에서의 그을음 침적 제거 시스템에 있어서, 보일러의 내부 영역을 구분하는 다수개의 그룹에 대한 상태를 감지하는 감지수단과; 제어신호를 입력받아 그을음 제거를 위한 제어를 수행하는 제어수단과; 상기 그룹에 설치되어 상기 제어수단의 제어에 따라 증기를 분사하여 그을음을 제거하는 다수개의 그을음 제거수단과; 상기 그룹의 상태에 의거하여 해당 그룹의 그을음 오염도를 측정하고 해당 오염도가 기준치 이상인 경우에 그을음 제거를 위한 제어신호를 출력하는 메인 프로세서 수단과; 상기 메인 프로세서 수단의 가동시에 생성되는 데이터를 저장하여 관리하는 데이터 베이스 수단과; 상기 감지수단으로부터 인가되는 정보를 상기 메인 프로세서 수단에게 전달하여 주고, 상기 메인 프로세서 수단으로부터 생성되는 제어신호를 상기 제어수단에게 전달하여 분산 제어 동작을 수행하는 분산 제어 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 석탄 연소 보일러에서의 그을음 침적 제거 시스템..
2. 석탄 연소 보일러에서의 그을음 침적 제거 방법에 있어서, 보일러의 내부 영역을 구분하는 다수개의 그룹에 대한 상태를 판독하여 현재 부하 상태에서의 상기 그룹별 기준값을 계산하는 과정과; 상기 그룹에 대한 그을음 오염도를 산출하는 과정과; 상기 산출된 오염도가 상기 기준값 이상이면 보일러의 운용에 영향을 주지 않는 범주 내에서 상기 그룹에 증기를 분사하여 그을음을 제거하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 석탄 연소 보일러에서의 그을음 침적 제거 방법.