KR20050012563A - 산소공장에서 공기압축기의 안티서지 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제철소의 산소제조공정 전에 설치되어 대기중의 공기를 압축하는 설비인 공기압축기의 서지(SURGE)로 인한 설비손상 및 산소, 질소, 알곤가스의 생산가동중단 현상을 방지하도록 개선된 산소공장에서 공기압축기의 안티서지 제어방법에 관한 것으로, 압력제어부의 압력신호입력부를 통해 토출압력 신호를 입력값으로 받아서 퍼센트값으로 변환하고 이를 출력하는 과정과; 안티서지라인이 내재된 자동유량설정부를 통해 흡입밸브의 개도, 입구측의 차압과 온도, 토출측 압력을 측정하여 테스트하는 서지테스트과정과; 상기 서지테스트과정을 통해 획득된 좌표들을 연결하여 서지라인과 안티서지라인을 드로잉하는 과정과; 유량변동에 의해 유발되는 서지현상을 방풍변의 개도조절을 통해 토출압력이 서지라인측에서 안티서지라인측으로 이동되도록 하여 안정화되도록 유량조절부를 통해 조절하는 과정과; 신호선택부를 통해 상기 압력제어부의 출력값과 유량제어부의 출력값을 연결하여 낮은값을 출력하는 과정과; 상기 신호선택부로부터 선택된 신호를 안티서지 제어밸브인 방풍변으로 출력을 내보내어 그 개폐속도를 조절토록하는 과정을 포함하여 구성된다.

Description

산소공장에서 공기압축기의 안티서지 제어방법{METHOD FOR CONTROLLING ANTI SURGE OF COMPRESSED AIR}

본 발명은 제철소의 산소제조공정 전에 설치되어 대기중의 공기를 압축하는 설비인 공기압축기의 서지(SURGE)로 인한 설비손상 및 산소, 질소, 알곤가스의 생산가동중단 현상을 방지하도록 개선된 산소공장에서 공기압축기의 안티서지 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 도 1에서와 같이, 제철소의 산소제조공정에 설치되어 대기공기를 압축하여 후공정설비인 열교환기(105), 공기분리장치(106) 등으로 보내는 역할을 하는 공기압축기(100)는 하절기 대기온도 상승으로 인해 흡입공기유량이 저하되거나 후공정에서의 유량처리 미흡으로 인한 토출압력상승에 의해 서지(SURGE)가 발생하게 된다.

여기에서, 서지(SURGE)란 주기적인 압력과 풍량의 맥동을 의미하는데 공기압축기(100)를 일정 회전수로 운전하면서 흡입밸브(101)를 고정하고 토출밸브(102)를 점차로 폐쇄하여 풍량을 감소해 나가면 어떤 풍량에 있어서 일정한 풍압을 얻을 수 있는데 도 2에서와 같이, 한계압력점 즉, 동작점②를 벗어나면 갑자기 관로의 압력과 풍량이 심한 맥동을 일으켜 심할경우 설비의 파손도 초래하게 되는데 이러한 현상을 서지라 한다.

도시와 같이, 만일 후공정에서 공기의 소모량을 줄이면 동작점은 ①에서 ②로 이동하며 이때 토출압력은 상승하게 된다. 이때, 동작점②는 최대로 도달할 수 있는 압력이자 한계점이 된다(통상, 공기압축기 임펠러에서는 한계압력점 이상의 압력을 발생할 수 없음).

이 상태가 되면 공기압축기(100)는 송풍을 정지하는 동시에 역류를 개시하여동작점②에서 동작점③으로 운동상태가 비동하고 동작점④로 이동하여 송풍량이 제로로 되고, 그 다음 순간에 동작점①로 이동하여 송풍량이 제로에서 급증하게 된다.

이때, 송풍관의 선단에서 송풍하는 풍량이 동작점①에서 풍량보다 적어지면 다시 운전상태는 동작점①에서 동작점②로 되돌아와서 동작점②에서 동작점③으로 이동하여 "동작점③ →동작점④ →동작점①"로 불안정한 운전상태를 반복하게 된다. 이를 서지특성주기(Surge Cycle)라 한다.

만일 공기압축기(100)가 주어진 압력에서 안티서지 라인에 대응되는 값보다 적은 유량을 공급하도록 요구되어지면 서지가 발생되며 이때 흡입유량과 토출압력은 빨리 그리고 연속적으로 상승 및 하강을 반복하게 되고 큰 충격음을 동반하게 된다.

이러한 공기압축기(100)의 서지로 인해 발생할 수 있는 문제점은 다음과 같다.

첫째, 공기압축기(100)의 치명적인 기계적 손상을 가져온다. 즉, 서지가 발생되면 공기압축기(100)를 통과하는 유량에 의해 공기압축기(100)의 중심축이 전후단으로 급격하게 왕복운동을 하면서 공기압축기(100)의 저널베어링이 파손되고, 라비린스스크립의 마모로 축방향으로 보다 큰 공기의 리크를 발생시키며, 임펠러 및 블레이드를 마모시키면서 과도한 스트레스와 열화발생으로 급기야 블레이드를 파손하게 되고, 출구측 필터와 소음기 등을 파손시키게 된다.

둘째, 공기압축기(100) 설비의 중단으로 산소제조공정이 가동을 못함에 따라산소, 질소, 알곤가스를 생산하지 못하게 된다. 즉, 공기압축기(100)에 서지가 발생될 경우 중심축이 흡입과 토출방향으로 왕복운동을 반복하면서 불규칙적인 진동과 굉음을 나타내고 결국은 정지하게 된다.

이렇게 산소제조공정의 주원료인 공기를 압축하여 이를 공기분리장치(106)인 정유통으로 보내는 역할을 하는 공기압축기(100)가 정지되면서 산소제조공정은 함께 가동을 중단하게 되어 산소, 질소, 알곤가스를 생산하지 못하게 됨으로써 사용처인 고로, 제강, 열연, 냉연 및 기타 부대설비에 사용가스를 공급하지 못하게 되어 철강제품 생산을 할 수 없을 뿐만 아니라 철강제품의 품질을 저하시킨다.

셋째, 운전자의 감각에 의존한 수동운전을 해야만한다. 즉, 공기압축기(100)를 초기에 기동시에는 압축기를 가동하고 토출라인에 걸리는 압력에 비하여 공기압축기 흡입유량이 서지곡선에 얼마나 근접하여 운전되고 있는지 알 수가 없어 공기압축기의 서지가 발생될 경우 공기압축기의 흡입밸브(101)을 닫으면서 유량과 압력을 감소시키나 흡입밸브(101) 개도를 얼마정도로 조작해야 할지를 알 수 없으므로 오히려 서지현상을 더욱 악화시키는 운전을 하는 경우가 발생된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창출한 것으로, 산소, 질소, 알곤가스를 생산하는 산소제조공정에서 대기중의 공기를 흡입하여 고압으로 압축하는 설비인 공기압축기의 서지로 인한 설비손상을 방지하기 위해 안티서지라인에 따른 안티서지 제어프로그램을 이용하여 흡입유량 및 토출압력 변화에 유기적인 반응을 할 수 있도록 구성함으로써 공기압축기의 기계적 손상을 막고 산소, 질소, 알곤가스의 생산중단현상을 방지하여 철강제품을 원활히 생산할 수 있도록 한 산소공장에서 공기압축기의 안티서지 제어방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 일반적인 산소공장에서의 가스 제조과정을 보인 구성 블럭도,

도 2는 일반적인 공기압축기상의 서지특성주기를 보인 그래프,

도 3은 본 발명을 설명하기 위한 구성 블럭도,

도 4는 본 발명을 설명하기 위한 세부구성 블럭도,

도 5는 본 발명에 따른 서지라인과 안티서지라인의 제어그래프,

도 6 및 도 7은 본 발명의 제어흐름을 설명하기 위한 블럭구성에 따른 흐름도.

♧ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ♧

100....공기압축기 200....압력제어부

300....자동유량설정부 400....유량제어부

500....수동제어부 600....신호선택부

700....출력제어부

본 발명은 상술한 기술적과제를 달성하기 위하여, 압력제어부의 압력신호입력부를 통해 토출압력 신호를 입력값으로 받아서 퍼센트값으로 변환하고 이를 출력하는 과정과; 안티서지라인이 내재된 자동유량설정부를 통해 흡입밸브의 개도, 입구측의 차압과 온도, 토출측 압력을 측정하여 테스트하는 서지테스트과정과; 상기 서지테스트과정을 통해 획득된 좌표들을 연결하여 서지라인과 안티서지라인을 드로잉하는 과정과; 유량변동에 의해 유발되는 서지현상을 방풍변의 개도조절을 통해 토출압력이 서지라인측에서 안티서지라인측으로 이동되도록 하여 안정화되도록 유량조절부를 통해 조절하는 과정과; 신호선택부를 통해 상기 압력제어부의 출력값과 유량제어부의 출력값을 연결하여 낮은값을 출력하는 과정과; 상기 신호선택부로부터 선택된 신호를 안티서지 제어밸브인 방풍변으로 출력을 내보내어 그 개폐속도를 조절토록하는 과정을 포함하여 구성되는 산소공장에서 공기압축기의 안티서지 제어방법을 제공함에 그 특징이 있다.

이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명을 설명하기 위한 구성 블럭도이고, 도 4는 본 발명을 설명하기 위한 세부구성 블럭도이며, 도 5는 본 발명에 따른 서지라인과 안티서지라인의 제어그래프이고, 도 6 및 도 7은 본 발명의 제어흐름을 설명하기 위한 블럭구성에 따른 흐름도이다.

도 3에서와 같이, 본 발명은 토출압력신호를 입력으로 하여 그 출력을 조절하는 압력제어부(200)와; 상기 압력제어부(200)와 연결되고 토출압력의 변동에 따라 흡입유량을 리모트컨트롤 하기 위해 안티서지라인을 내재한 자동유량설정부(300)와; 그와 연결되고 흡입유량신호를 입력으로 하여 유량을 조절하는 유량조절부를 갖는 유량제어부(400)와; 각 제어블록의 수동절환으로 인한 안티서지 프로그램 불이행 및 이탈현상을 방지하기 위해 구비된 수동제어부(500)와; 상기 압력제어부(200)의 출력과 유량제어부(400)의 출력 그리고, 수동제어부(500)의 출력값을 입력값으로 연결하여 낮은값을 출력으로 내보내는 기능을 하는 신호선택부(600) 및 상기 신호선택부(600)의 출력값을 변환하여 최종적으로 안티서지밸브인 방풍변을 제어하는 출력부를 갖는 출력제어부(700)로 이루어진다.

도 4에서와 같이, 압력제어부(200)는 토출압력(104) 신호를 입력값으로 연결하여 이를 퍼센트값(0~100%)으로 변환하는 기능을 하는 압력신호입력부(210)와, 압력신호입력부(210)의 출력값을 입력값으로 연결하여 운전자의 수동설정으로 설정된 값에 의해 출력을 내보내는 압력조절부(220)로 구성된다.

자동유량설정부(300)는 압력신호입력부(210)의 출력값을 입력으로 연결하며 서지테스트를 통해 얻어진 안티서지라인에 의해 출력값이 나가도록 구성된다.

유량제어부(400)는 흡입유량(103) 신호를 입력값으로 연결하여 이를 퍼센트값(0~100%)으로 변환하는 기능을 하는 유량신호입력부(410)와, 그 출력값을 입력으로 하여 유량신호를 변환하는 유량신호변환부(420)와, 유량신호변환부(420)의 출력값을 입력으로 하고 상기 자동유량설정부(300)의 출력값을 설정값으로 입력하여 입력값과 설정값을 감산한 다음 편차발생량 만큼의 출력을 내보내도록 구성하되 입력값이 설정값 미만일 때는 비례대(PB)값이 자동조절되어 응답속도를 변경하는 기능을 하는 유량조절부(430)로 구성된다.

수동제어부(500)는 상기 각 제어부들의 수동절환으로 인한 안티서지 프로그램 불이행 및 이탈현상을 방지하기 위해 각 제어부들의 수동/자동모드(M/A)에 값을 입력하도록 하는 수동입력조절부(510)와, 그 출력값을 입력으로 연결하여 수동값을 출력하는 수동조절부(520)로 구성된다.

신호선택부(600)는 상기 압력제어부(200)의 출력과 유량제어부(400)의 출력 그리고, 수동제어부(500)의 출력값을 입력값으로 연결하여 낮은값을 출력하도록 구성된다.

출력제어부(700)는 너무 빠른 방풍변(102)의 닫힘으로 인해 공기압축기(100)의 서지를 유발할 수 있으므로 그것을 방지하기 위해 방풍변(102)이 열릴때는 빠르게, 닫힐때는 천천히 되도록 신호선택부(600)의 출력값을 입력으로 연결하여 출력신호를 변환하는 출력신호변환부(710)와, 신호선택부(600)의 출력값을 입력으로 연결하되 출력신호변환부(710)의 출력신호 여부에 따라 그 출력을 조절하는 출력조절부(720)와, 출력조절부(720)의 출력값을 받아서 안티서지 조절밸브인 방풍변(102)을 제어하는 출력을 내보내는 출력부(730)로 구성된다.

이하에서는, 본 발명의 제어방법을 설명한다.

압력제어부(200)의 압력신호입력부(210)는 토출압력(104) 신호를 입력값으로 받아서 퍼센트값(0~100%)으로 변환하고 이를 출력하는 기능을 하며, 이 압력신호입력부(210)의 출력값은 압력조절부(220)의 입력값으로 연결되는데 설정값은 운전자가 임의로 줄 수 있으며 그 설정된 값에 따라 출력값이 변경하게 되는 조절계이다.

자동유량설정부(300)는 상기 구성에서 설명한 바와 같이 안티서지라인을 내재하고 있다.

이 안티서지라인은 서지테스트를 통하여 얻어진 공기압축기(100)의 서지라인에서 일정한(10%내외) 간격을 두고 형성된 임의의 값이며 이때 서지테스트는 압축기의 성능을 판가름하는 테스트로서 방법을 간단히 설명하자면 다음과 같다.

서지테스트시 반드시 측정해야 할 값으로는 흡입밸브(101)의 개도, 입구측 차압(103)과 온도, 토출측 압력(104)이다.

테스트 방법은 후공정으로 가는 라인을 철저히 차단하고 방풍변(102)을 완전히 개방한 뒤 공기압축기(100)를 가동한 후 정상속도까지 기동하여 흡입밸브(101)의 각도를 고정시킨 상태에서 방풍변(102)을 서서히 조작하여 닫는다.

흡입밸브(101)를 고정한 상태에서 방풍변(102)을 서서히 닫으면 서지가 발생되는데 이때의 방풍변(102) 개도와 함께 흡입유량(103)과 토출압력(104) 값을 좌표에 기록한다.

이때, 서지가 발생되는 시점에서의 방풍변(102)의 개도는 완전히 열린상태로부터 얼마간 닫히게 되는데 서지가 발생되는 시점에서의 방풍변(102) 개도까지 도달하기전에 몇몇 포인트(2포인트 이상)를 지정하여 이때의 흡입유량(103)과 토출압력(104)값을 좌표에 함께 기록한다.

서지가 발생하면 방풍변(102)을 신속히 열어서 설비를 보호한다.

흡입밸브(101)의 개도각도를 초기값보다 더 열어가면서 위의 테스트를 반복하며 최소한 세개 이상의 각도에서 테스트를 해야 한다.

이때, 흡입밸브(101)를 초기상태에서부터 두번 이상의 개도변화를 주고 서지테스트를 했을 경우 서지가 발생되는 시점에서의 흡입유량(103)과 토출압력(104) 값을 좌표에 기록하고 그 점을 연결한 것이 서지라인(Surge Line)이 된다.

이 서지라인은 흡입온도의 보정을 거친 뒤 최종적인 서지라인이 생성되는데 이 서지라인에서 일정한 간격(10%내외)을 두고 생성된 좌표가 바로 안티서지라인(Anti-Surge Line)이다.

이 안티서지라인은 자동유량설정부(300)에 내재하여 입력된 압력신호입력부(210)의 출력값 즉, 토출압력(104)의 변동에 따라 유량값을 자동으로 출력하는 기능을 하게 된다.

도 5를 참조하면, 공기압축기(100)의 일정한 속도와 흡입밸브(101)의 개도에서 만일 후공정의 소요유량이 감소하면 유량(103)은 작동곡선을 따라 V1에서 V2로 감소한다. 즉, 서지라인에 접근하게 되는 것이다.

유량이 V3으로 더욱 감소하면 서지가 발생되는데 이를 방지하기 위하여 작동포인트가 C*에 도달하면 방풍변을 열게 되어 서지를 방지하게 된다.

이와 같이 서지를 미연에 방지하기 위해 생성된 안티서지라인은 서지라인으로부터 일정한 간격을 두고 좌표가 만들어지며 이 좌표는 자동유량설정부(300)에 삽입된다.

한편, 유량제어부(400)는 공기압축기(100)의 흡입유량(103) 신호를 유량신호입력부(410)의 입력값으로 연결하고 이를 퍼센트값(0~100%)으로 변환하여 출력하며 그 출력값은 유량신호변환부(420)에서 도 6과 같은 플로우차트에 의해 유량조절부(430)와 연계된다.

유량신호변환부(420)에서는 도 6과 같은 흐름제어용 프로그램이 내재되어 있으며 그 작동원리는 다음과 같다.

유량조절부(430)의 설정값(X)에서 입력값(Y)를 감했을 때 출력(Z)이 양수이면 메모리1(M01)이,음수이면 메모리2(M02)가 출력되어 유량조절부의 비례대(PB) 값으로 입력되게 된다.

비례대(PB)= 1 /감도(KG)

비례대는 위의 식과 같이 감도와 반비례하며 유량제어부(400)에서의 역할은 유량조절부(430)의 설정값이 자동유량설정부(300)의 출력값이므로 이 설정값보다 많은 입력이 들어오게 되면 그 차이가 음수가 되고 음수가 되면 비례대값을 조절하여,즉 감도를 더욱 예민하게 하여 동작을 빠르게 한다.

이는 만일 공기압축기(100)의 흡입유량(103) 대비 토출압력(104)의 작동포인트가 급격히 서지라인으로 이동하면 정상적인 비례, 적분(PI) 제어로는 서지를 방지할 수 없기 때문에 이러한 경우 편차값이 미리 지정된 값을 초과(음수)하면 더 빠른 출력이 나갈 수 있도록 하는 기능이다.

수동제어부(500)의 수동입력조절부(510)는 상기의 각 제어부들의 수동절환으로 인한 안티서지 프로그램 불이행 및 이탈현상을 방지하기 위해 각 제어부들의 수동/자동모드(M/A)에 수동입력조절부(510)의 출력값을 입력하며 수동조절부(520)는수동입력조절부(510)의 출력값을 입력으로 연결하여 출력값을 내보낸다.

신호선택부(600)는 상기 압력제어부의 출력(200)과 유량제어부(400)의 출력

그리고, 수동제어부(500)의 출력값등 3개의 값을 입력값으로 연결하여 낮은값을 출력하는 기능을 한다.

출력제어부(700)는 신호선택부(600)로부터 선택된 신호를 안티서지 제어밸브인 방풍변으로 출력을 내보냄에 있어서 너무 빠른 방풍변(102)의 닫힘으로 인하여 공기압축기(100)의 서지를 유발할 수 있으므로 서지를 방지하기 위해 방풍변(102)이 열릴 때는 빠르게, 닫힐 때는 천천히 되도록 하는 기능을 하며 도 7을 참조하여 설명한다.

도 7에서와 같이, 공기압축기(100) 및 플랜트(106)의 가동유무에 따라 출력신호변환부(710)의 Z값은 디지털입력(0,1)을 입력받게 되고 메모리2(M02) 값인 1이 Y로 출력되게 된다.

이때, 입력값인 X에서 메모리1(M01) 값을 감한 값이 양수인지 아닌지의 여부에 따라 양수이면 메모리2(M02) 값인 1이, 음수이면 메모리3(M03) 값인 0가 Y로 출력된다.

상기 출력신호변환부(710)의 출력값인 Y가 양수이면 출력조절부(720)의 입력값(X)은 그대로 출력값(Y)로 출력되고, Y가 음수이면 출력조절부(720)의 입력값(X)이 입력값(X)을 설정치로 인식하여 출력값(Y)을 일정한 시간(T) 동안 메모리1(M01:0.2)만큼씩 출력하게 된다.

따라서, 공기압축기(100) 및 플랜트(106)가 가동중일 때는 방풍변(102)을 일정한 시간(T) 동안 서서히 닫게 되고 공기압축기(100) 후단의 급격한 압력차단으로 인해 토출압력(104)이 급격히 상승될 경우에는 방풍변(102)의 출력은 지연시간이 없이 신속히 열리게 된다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 안티서지라인에 따른 안티서지 제어프로그램을 이용하여 서지로 인해 공기압축기의 블레이드 파손 및 출구측 필터와 소음기의 파손과 같은 설비손상을 방지함은 물론 자동 안티서지제어가 가능하여 공기압축기의 가동정지를 막아 산소, 질소, 알곤가스를 원활히 공급할 수 있으며, 이로인해 철강 생산불가 및 철강의 품질저하 현상을 막는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 압력제어부의 압력신호입력부를 통해 토출압력 신호를 입력값으로 받아서 퍼센트값으로 변환하고 이를 출력하는 과정과;

   안티서지라인이 내재된 자동유량설정부를 통해 흡입밸브의 개도, 입구측의 차압과 온도, 토출측 압력을 측정하여 테스트하는 서지테스트과정과;

   상기 서지테스트과정을 통해 획득된 좌표들을 연결하여 서지라인과 안티서지라인을 드로잉하는 과정과;

   유량변동에 의해 유발되는 서지현상을 방풍변의 개도조절을 통해 토출압력이 서지라인측에서 안티서지라인측으로 이동되도록 하여 안정화되도록 유량조절부를 통해 조절하는 과정과;

   신호선택부를 통해 상기 압력제어부의 출력값과 유량제어부의 출력값을 연결하여 낮은값을 출력하는 과정과;

   상기 신호선택부로부터 선택된 신호를 안티서지 제어밸브인 방풍변으로 출력을 내보내어 그 개폐속도를 조절토록하는 과정을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 산소공장에서 공기압축기의 안티서지 제어방법.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 압력제어부에서의 출력과정은 입력조절부를 통해 사용자가 임의의 설정값을 지정해 줄 수 있음과 동시에 그 설정값에 따라 출력값이 변경될 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 산소공장에서 공기압축기의 안티서지 제어방법.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 서지테스트과정은 후공정으로 가는 라인을 완전히 차단하고 방풍변을 완전히 개방한 뒤 공기압축기를 가동하여 정상속도까지 기동한 다음 흡입밸브의 각도를 고정시킨 상태에서 방풍변을 서서히 조작하면서 닫는 과정과;

   흡입밸브를 고정한 상태에서 방풍변을 서서히 닫으면 서지가 발생되는데 이때의 방풍변 개도와 함께 흡입유량 및 토출압력 값을 좌표로 기록하는 과정과;

   서지 발생시 그 시점으로부터 방풍변의 완전개도까지 도달하기 전에 최소 2포인트 이상을 지정하여 이때의 흡입유량과 토출압력 값을 좌표에 함께 기록하는 과정을 통해 반복수행함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 산소공장에서 공기압축기의 안티서지 제어방법.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 유량조절부를 통해 유량을 조절하는 과정에는 수동제어부를 통해 수동조작이 가능하도록 하는 기능이 부가되는 것을 특징으로 하는 산소공장에서 공기압축기의 안티서지 제어방법.