KR20090068810A - 가열로의 공연비 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가열로의 공연비 제어방법에 관한 것으로서, 가열로의 배가스의 산소농도 측정치(O₂PV)를 제어하기 위하여 산소농도 측정치(O₂PV)와 목표설정치(O₂SV)의 비율값(β_R)의 출력제한 상,하한값을 결정하기 위한 가열로의 공연비 제어방법에 있어서, (a) 상기 일산화탄소의 농도를 측정한 계측치(CO_PV)를 입력하는 단계; (b) 상기 계측치(CO_PV)와 사용자로부터 입력받은 상,하한 한계치(CO_H,CO_L)를 비교하는 단계; (c) 상기 계측치(CO_PV)와 상기 상하한 한계치(CO_H,CO_L)를 이용하여 상한 비교설정값(r_H) 및 하한 비교설정값(r_L)을 구하는 단계; (d) 상기 상한 비교설정값(r_H)을 1과 비교하여 큰 값을 상한 출력설정값(R_H)으로 취하고, 상기 하한 비교설정값(r_L)을 1과 비교하여 작은 값을 하한 출력설정값(R_L)으로 취하는 단계; (e) 상기 상,하한 출력설정값(R_H,R_L)과 사용자가 초기에 설정한 한계 상,하한값(β_H,A,β_L,A)을 이용하여 출력제한 상,하한값(β_H,β_L)을 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 산소농도 최종 출력제한 상,하한값이 최적의 연소구간 내에서 설정될 수 있도록 변화하는 것이 가능하여 최종적으로 증기발생기에 공급할 공급 공기유량을 자동으로 제어할 수 있으므로, 증기 발생기의 열효율이 증가하는 이점이 있다.

가열로, 연소, 열효율, 일산화탄소, 산소, 공연비, 제어방법

Description

가열로의 공연비 제어방법{Control method of Air-fuel ratio in furnace}

본 발명은 가열로의 공연비 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 가열로에서 연료와 공기가 혼합되어 연소된 후 배출되는 가스에 포함된 일산화탄소의 농도를 측정하여 상기 가열로에 공급되는 산소량을 제어함으로서, 가열로에서 최적의 공기량을 산정하여 최적의 열효율을 유지시키는 가열로의 공연비 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로, 가스 연료를 사용하는 보일러와 같은 가열로에 있어서는 적정 연소를 위하여 그 연료에 가장 적정한 비율의 연소 공기가 공급되어야 한다.

만일, 상기 연소 공기가 연료에 비하여 부족하면 불완전 연소에 의한 매연이나 환경 유해물질이 다량 배출되는 문제가 발생하며, 과잉이면 백연이나 연료 소비량이 많아져서 자원낭비의 문제가 발생한다.

이로 인해, 최근에는 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 연소 공기의 공급량을 제어할 수 있는 제어방법에 대한 많은 연구가 활발히 진행되고 있다.

도 1은 상기 종래 기술에 따른 가열로의 공연비 제어방법을 SAMA(Scientific Apparatus Makers Association)기호법에 따라 구성한 것이다.

먼저, 상기 산소 센서가 없는 기존의 방식에서는 상기 도 1 및 아래의 식 (1)에서와 같이, 이론 공연비(Basic Air/Fuel Ratio: AFR(B))값을 사용자로부터 입력받고, 여기에 고정 과잉 공기비(exAir: α)를 곱하여 구해진 값이 실질 공연비(Real AFR: AFR)가 되어, 일반적인 공기유량 결정루프를 통해 공기와 연료비를 조절하였다.

AFR=AFR(B)×α ------ 식(1)

한편, 상기 도 1에 보인 것과 같이 종래 기술에 따른 가열로의 공연비 제어방법은 주로 산소 센서를 이용하여 배가스 중의 산소농도를 검출함으로서 공기와 연료비를 조절하였다. 상기 산소 센서를 이용한 공연비 제어방법은 상기 도 1에서와 같이, 배가스의 산소농도 측정치(O₂PV)와 사용자의 목표 설정치(O₂SV)가 산소농도 제어부(C)에 입력되면, 상기 산소농도 제어부(C)는 상기 측정치(O₂PV)가 상기 설정치(O₂SV)의 범위 내에서 작동되어 통상적으로 1.0 근처의 출력 비율값(β_a)으로 출력한다.

이렇게 출력된 상기 출력 비율값(β_a)은 자동/수동전환부(T)에서 사용자에 의해 그대로 사용되거나, 상기 사용자의 입력 비율값(β_U)으로 사용된다. 이때, 상 기 자동/수동전환부(T)로부터 출력된 비율값(β_a,β_U)이 너무 작거나(β_L) 너무 크면(β_H) 불완전연소를 초래하거나 지나치게 많은 공기가 공급될 수 있으므로 상하한 제한부(L)를 거친다. 이러한 상기 과정을 통해 실질 보정 비율값(β_R)이 구해진다.

이렇게 구해진 상기 실질 보정 비율값(β_R)에 상기 실질 공연비(AFR)를 곱해진 값이 실질 공연비(AFR(R))로 갱신된다.

따라서, 아래의 식 (2)에서와 같이, 상기 실질 공연비(AFR)에 산소센서로부터 얻은 실질 보정 비율값(β_R)을 곱하면, 이론 공연비를 한정하는 실질 공연비 (AFR(R))를 얻을 수 있다.

AFR(R)=AFR×β_R ------ 식(2)

이상에서와 같이, 실질 공연비(AFR(R))가 구해지면 아래의 식 (3)에서와 같이, 최종적으로 증기발생기에 공급할 공급 공기유량을 구할 수 있었다.

A=G×AFR(R) ------ 식 (3)

이때, A=공급 공기유량이며, G=연료유량이다.

그러나, 상기와 같이 종래의 산소 센서를 이용한 공연비 제어방법은 공기유량이 이론적으로 필요한 공기유량보다 항상 크게 유지하여 불완전 연소를 방지할 수 있어 안전한 연소 상황을 유지하는 것은 가능하지만, 사용자 설정의 산소 농도 설정치가 일정 이상의 값으로 입력될 경우에는 열손실이 많아지는 문제를 야기하였 다.

또한, 상기 종래와 같은 산소센서는 응답속도가 산소이온의 고체 전해질내 확산 때문에 30초 이상 느리며, 측정센서의 동작온도가 약 600~800℃정도로 높아서 별도의 가열장치가 필요한 문제가 있으며, 측정가스 중에 미연 가연성가스 성분이 남아 있거나, 혹은 가스 누출 등에 의한 저공연비일 경우 연소에 의한 산소농도의 저하가 발생하는 문제가 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 열효율이 높은 최적의 연소 구간 내에서 공기유량이 공급될 수 있도록 자동 제어할 수 있는 가열로의 공연비 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이와 같은 목적을 구현하기 위하여 본 발명의 가열로의 공연비 제어방법은 가열로의 배가스의 산소농도 측정치(O₂PV)를 제어하기 위하여 산소농도 측정치(O₂PV)와 목표설정치(O₂SV)의 비율값(β_R)의 출력제한 상,하한값을 결정하기 위한 가열로의 공연비 제어방법에 있어서, (a) 상기 일산화탄소의 농도를 측정한 계측치(CO_PV)를 입력하는 단계; (b) 상기 계측치(CO_PV)와 사용자로부터 입력받은 상하한 한계치(CO_H,CO_L)를 비교하는 단계; (c) 상기 계측치(CO_PV)와 상기 상하한 한계치(CO_H,CO_L)를 이용하여 상한 비교설정값(r_H) 및 하한 비교설정값(r_L)을 구하는 단계; (d) 상기 상한 비교설정값(r_H)을 1과 비교하여 큰 값을 상한 출력설정값(R_H)으로 취하고, 상기 하한 비교설정값(r_L)을 1과 비교하여 작은 값을 하한 출력설정값(R_L)으로 취하는 단계; (e) 상기 상,하한 출력설정값(R_H,R_L)과 사용자가 초기에 설정한 한계 상,하한값(β_H,A,β_L,A)을 이용하여 출력제한 상,하한값(β_H,β_L)을 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 가열로의 공연비 제어방법은 (f) 상기 출력제한 상,하한값(β_H,β_L)과 상기 상,하한 출력설정값(R_H,R_L)을 이용하여 최종 출력제한 상,하한값(β_H',β_L')을 구하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

이에 더하여, 상기 가열로의 공연비 제어방법은 (g) 상기 최종 출력제한 하한값(β_L')과 상기 최종 출력제한 상한값(β_H')은 상기 한계 하한값(β_L,A) 및 상기 한계 상한값(β_H,A)으로 갱신되는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 한계 하한값(β_L,A)은 1보다 작은 값으로 설정하며, 상기 한계 상한값(β_H,A)은 1보다 큰 값으로 설정되는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 계측치(CO_PV)는 상기 가열로의 배가스에 포함된 일산화탄소 농도를 최근 3회 이상 측정한 평균치인 것이 바람직하다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 가열로의 공연비 제어방법은 산소농도 최종 출력제한 상,하한값이 최적의 연소구간 내에서 설정될 수 있도록 변화하는 것이 가능하여 최종적으로 증기발생기에 공급할 공급 공기유량을 자동으로 제어할 수 있으므로, 증기발생기의 열효율이 증가하는 이점이 있다.

이하에서는 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 대해서 상세하게 설명한다.

도 2는 일산화탄소 및 산소 농도의 관계에 따른 열손실을 나타내는 그래프이며, 도 3은 본 발명에 따른 일산화탄소 센서를 이용한 가열로의 공연비 제어방법을 SAMA 기호법에 따라 구성한 구성도이다.

상기 도 2에서와 같이, 본 발명에 따른 가열로의 공연비 제어방법은 열손실이 최저가 되는 연소 구간 내에서 일산화탄소 농도의 상,하한 한계치(CO_H,CO_L)가 유지되도록 산소센서의 보정 비율값(β_R)의 출력제한 상,하한값을 자동으로 변화하도록 구성한다. 이는 이론 공연비보다 높은 구간에서 일산화탄소의 농도는 급격히 감 소하고, 특정점 이후는 산소 농도의 비례적 증가에도 불구하고 매우 완만하게 일산화탄소의 농도가 감소하는 특성에 의하여 가능하다.

아래에서는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제공한다. 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공하는 것이고, 본 실시예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

본 발명에 따른 가열로의 공연비 제어방법은 상기 도 3에 보인 것과 같이, 기존의 산소 센서에 일산화탄소 센서를 추가하여 공연비를 제어하도록 구성된다. 상기 도 3은 일반적인 공기유량 결정루프를 생략하여 나타낸 것이다.

먼저, 가열로로부터 배출되는 배가스 중 일산화탄소 농도의 계측치(CO_PV)를 측정한다. 이때, 상기 계측치(CO_PV)는 상기 가열로의 배가스로부터 최근 3회 이상 측정된 일산화탄소 농도의 평균치인 것이 바람직하다. 이후, 사용자로부터 일산화탄소 농도의 상,하한 한계치(CO_H,CO_L)를 입력받는다.

아래의 표 1은 상기 계측치(CO_PV)와 상,하한 한계치(CO_H,CO_L)의 데이터를 예시적으로 나타낸 것이다. 이하에서는 아래의 표 1에 기재된 데이터에 의거하여 본 발명의 공연비 제어방법을 설명한다.

CO 계측치(COPV)	상한 한계치(COH)	하한 한계치(COL)
7000ppm	5000ppm	80ppm
log(COPV)=3.8	log(COH)=3.7	log(COL)=1.9

전술한 바와 같이, 일산화탄소 농도의 계측치(CO_PV)와, 사용자로부터 상,하한 한계치(CO_H,CO_L)를 입력받아 상호 비교한다. 본 실시예에서는 상기 표 1에서와 같이, 일산화탄소 농도의 계측치(CO_PV)가 상한 한계치(CO_H)의 치수보다 큰 경우를 예시한 것이다.

이 후, 상기 계측치(CO_PV)와 상기 상,하한 한계치(CO_H,CO_L)를 로그함수를 이용하여 상,하한 비교설정값(r_H,r_L)을 구한다. 상기 상,하한 비교설정값(r_H,r_L)은 아래의 수학식 1에서와 같이 구할 수 있다.

상기 수학식 1에서 보인 것과 같이, 상기 계측치(CO_PV)와 상기 상,하한 한계치(CO_H,CO_L)를 이용하여 구해진 상한 비교설정값(r_H)은 약 1.03이며, 하한 비교설정값(r_L)은 2이다.

이와 같이, 구해진 상,하한 비교설정값(r_H,r_L)을 이용하여 출력제한 상,하한값(β_H,β_L)을 구할 수 있다.

먼저, 상기 상한 비교설정값(r_H)을 1과 비교하여 큰 값을 상한 출력설정값(R_H)으로 취한다. 본 실시예에서는 상한 비교설정값(r_H)이 1.03으로 1보다 큰 값이므로 상한 비교설정값(r_H)을 상한 출력설정값(R_H)으로 취한다. 또한, 상기 하한 비교설정값(r_L)을 1과 비교하여 작은 값을 하한 출력 설정값(R_L)으로 취한다. 본 실시예에서는 하한 비교설정값(r_L)이 2이므로 1을 하한 출력설정값(R_L)으로 취한다.

이렇게 구해진 상기 상한 출력설정값(R_H)과 하한 출력설정값(R_L)에 초기에 설정된 한계 하한값(β_L,A)과 한계 상한값(β_H,A)을 각각 곱하여 출력제한 하한값(β_L)과 출력제한 상한값(β_H)을 얻을 수 있다.

아래의 표 2는 상기 한계 하한값(β_L,A)과 한계 상한값(β_H,A)을 예시적으로 나타낸 것이며, 사용자는 상기 한계 하한값(β_L,A)을 1보다 작은 값으로 설정하며, 상기 한계 상한값(β_H,A)을 1보다 큰 값으로 설정한다.

한계 하한값(βL,A)	한계 상한값(βH,A)
0.8	1.2

따라서, 상기 수학식 2에서와 같이, 출력제한 하한값(β_L)은 0.824가 되며, 출력제한 상한값(β_H)은 1.2가 된다.

이때, 상기 출력제한 하한값(β_L)과, 상기 출력제한 상한값(β_H)에 각각 상기 하한 출력설정값(R_L)과, 상기 상한 출력설정값(R_H)을 곱하여 최종 출력제한 하한값(β_L') 및 최종 출력제한 상한값(β_H')을 구하는 것이 바람직하다. 즉, 아래의 수학식 3에서와 같이, 최종 출력제한 하한값(β_L')은 상기 출력제한 하한값(β_L)인 0.824에 상기 하한 출력설정값(R_L)인 1을 곱하여 0.824이며, 최종 출력제한 상한값(β_H')은 상기 출력제한 상한값(β_H)인 1.2에 상기 상한 출력설정값(R_H)인 1.03을 곱하여 1.236이 된다.

이와 같이, 최종적으로 구해진 최종 출력제한 상,하한값(β_H',β_L')은 자동/수동전환부(T')를 거친다. 여기서, 자동일 경우에는 상기 구해진 최종 출력제한 상,하한값(β_H',β_L')이 상하한 제한부(L)에 입력되어 상기 산소농도 제어부(C)로부터 출력된 출력 비율값(β_a)을 제한하며, 수동일 경우에는 사용자가 입력한 사용자 출력제한 상,하한값(β_H,U,β_L,U)에 의해 상기 출력 비율값(β_a)을 제한한다.

이때, 상기 최종 출력제한 하한값(β_L')과 상기 최종 출력제한 상한값(β_H')은 통상적으로 동일 연료에서 구성 성분의 조성비가 바뀌는 경우에도 일정하게 유지되나, 상기 증기발생기에 유입되는 연료가 바뀌는 경우에는 상기 도 2의 점선에서와 같이, 상기 한계 하한값(β_L,A) 및 상기 한계 상한값(β_H,A)으로 갱신되는 것이 바람직하다.

아래의 표 3 및 표 4는 최초 입력된 한계 상,하한값(β_H,A,β_L,A)과 최종 출력제한 상,하한값(β_H',β_L')을 비교한 것이다.

한계 하한값(βL,A)	최종 출력제한 하한치(βL')	증감
0.8	0.824	(+)0.024

한계 상한값(βH,A)	최종 출력제한 상한치(βH')	증감
1.2	1.236	(+)0.036

전술한 실시예에 따르면 본 발명에 따른 공연비 제어방법은 최종 출력제한 하한값(β_L')이 최초의 한계 하한값(β_L,A)인 0.8보다 0.024 증가한 0.824이며, 최종 출력제한 상한값(β_H')이 최초의 한계 상한값(β_H,A)인 1.2보다 0.036 증가한 1.236인 것을 알 수 있다. 이는 최초 입력된 계측치(CO_PV)가 불완전연소를 발생하는 상황이므로 공기를 더 공급하도록 한계 상,하한값(β_H,A,β_L,A)의 범위가 증가되었음을 알 수 있다.

한편, 공기가 많아서 일산화탄소가 하한 한계치(CO_L)인 80ppm 이하로 떨어지는 경우에도 전술한 상기 방법을 통해 산소농도 최종 출력제한 상,하한값(β_H',β_L')을 구하게 되면, 공기의 공급량을 감소하도록 한계 상,하한값(β_H,A,β_L,A)의 범위가 감소되는 것을 확인할 수 있다.

따라서, 종래에는 한계 상,하한값(β_H,A,β_L,A)이 고정되어 최적의 연소구간을 설정하는 것이 불가능하였으나, 본 발명에서는 산소농도 최종 출력제한 상,하한값(β_H',β_L')이 최적의 연소구간 내에서 설정될 수 있도록 변화하는 것이 가능하여 최종적으로 증기발생기에 공급할 공급 공기유량을 자동으로 제어할 수 있는 이점이 있다.

한편, 본 발명은 전술한 전형적인 바람직한 실시예에만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 개량, 변경, 대체 또는 부가하여 실시할 수 있는 것임은 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 이러한 개량, 변경, 대체 또는 부가에 의한 실시가 이하의 첨부된 특허청구범위의 범주에 속하는 것이라면 그 기술사상 역시 본 발명에 속하는 것으로 보아야 한다.

도 1은 상기 종래 기술에 따른 가열로의 공연비 제어방법을 SAMA 기호법에 따라 구성한 구성도이며,

도 2는 일산화탄소 및 산소 농도의 관계에 따른 열손실을 나타내는 그래프이며,

도 3은 본 발명에 따른 일산화탄소 센서를 이용한 가열로의 공연비 제어방법을 SAMA 기호법에 따라 구성한 구성도이다.

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

CO_PV: 계측치 CO_H: 상한 한계치

CO_L: 하한 한계치 r_H: 상한 비교설정값

r_L: 하한 비교설정값 R_H: 상한 출력설정값

R_L: 하한 출력설정값 β_L,A: 한계 하한값

β_H,A: 한계 상한값 β_L: 출력제한 하한값

β_H: 출력제한 상한값 β_L': 최종 출력제한 하한값

β_H': 최종 출력제한 상한값

Claims (5)

1. 가열로의 배가스의 산소농도 측정치(O₂PV)를 제어하기 위하여 산소농도 측정치(O₂PV)와 목표설정치(O₂SV)의 비율값(β_R)의 출력제한 상,하한값을 결정하기 위한 가열로의 공연비 제어방법에 있어서,

   (a) 상기 가열로로부터 배출되는 가스에 포함된 일산화탄소의 농도를 측정한 계측치(CO_PV)를 입력하는 단계;

   (b) 상기 계측치(CO_PV)와 사용자로부터 입력받은 상하한 한계치(CO_H,CO_L)를 비교하는 단계;

   (c) 상기 계측치(CO_PV)와 상기 상하한 한계치(CO_H,CO_L)를 하기의 수학식 1을 이용하여 상한 비교설정값(r_H) 및 하한 비교설정값(r_L)을 구하는 단계;

   (d) 상기 상한 비교설정값(r_H)을 1과 비교하여 큰 값을 상한 출력설정값(R_H)으로 취하고, 상기 하한 비교설정값(r_L)을 1과 비교하여 작은 값을 하한 출력설정값(R_L)으로 취하는 단계;

   (e) 상기 상,하한 출력설정값(R_H,R_L)과 사용자가 초기에 설정한 한계 상,하한값(β_H,A,β_L,A)을 하기의 수학식 2를 이용하여 출력제한 상,하한값(β_H,β_L)을 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가열로의 공연비 제어방법.

   [수학식 1]

   

   

   [수학식 2]

   

   
2. 제 1항에 있어서,

   (f) 상기 출력제한 상,하한값(β_H,β_L)과 상기 상,하한 출력설정값(R_H,R_L)을 하기 수학식 3을 이용하여 최종 출력제한 상,하한값(β_H',β_L')을 구하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가열로의 공연비 제어방법.

   [수학식 3]

   

   
3. 제 2항에 있어서,

   (g) 상기 최종 출력제한 하한값(β_L')과 상기 최종 출력제한 상한값(β_H')은 상기 한계 하한값(β_L,A) 및 상기 한계 상한값(β_H,A)으로 갱신되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가열로의 공연비 제어방법.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 한계 하한값(β_L,A)은 1보다 작은 값으로 설정하며, 상기 한계 상한값(β_H,A)은 1보다 큰 값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 가열로의 공연비 제어방법.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 계측치(CO_PV)는 상기 가열로의 배가스에 포함된 일산화탄소 농도를 최근 3회 이상 측정한 평균치인 것을 특징으로 하는 가열로의 공연비 제어방법.

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