KR20090069607A - 산소 농도 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가열로에서의 산소 농도 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가열로에서 산소센서의 측정치를 이용하여 적정산소농도를 관리하는 방법에 있어서 설정치 산소농도를 수동으로 입력받는 방법 이외에 가열부하 및 침입공기량을 고려하여 설정치가 자동으로 계산되도록 구성하는 제어 로직을 통해 운전자의 개입없이 항상 연소부하에 적당한 적정 산소 농도로 관리되도록 하는 산소 농도 제어 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 산소 농도 제어 방법은, 사용자 설정 산소 농도를 바탕으로 산소농도 제어 루프를 통해 가열로에서의 산소농도를 제어하는 산소 농도 제어 방법에 관한 것으로서, 연료유량설정신호를 입력받는 단계; 이동평균 연산기가 상기 연료유량설정신호의 신호헌팅을 감소시키는 단계; 변환함수가 상기 신호헌팅이 감소된 연료유량설정신호를 대응산소농도로 변환하는 단계; 가열로 개방시 유입되는 공기의 영향을 제거하도록 상기 대응산소농도를 오프셋시키는 단계; 및 상기 오프셋된 대응산소농도를 산소농도 제어루프에서 사용자 설정 산소농도로 사용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

산소 농도, 가열로, 가열 부하, 침입 공기량

Description

산소 농도 제어 방법{A Method For Controlling Oxygen Concentration}

본 발명은 가열로에서의 산소 농도 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가열로에서 산소센서의 측정치를 이용하여 적정산소농도를 관리하는 방법에 있어서 설정치 산소농도를 수동으로 입력받는 방법 이외에 가열부하 및 침입공기량을 고려하여 설정치가 자동으로 계산되도록 구성하는 제어 로직을 통해 운전자의 개입없이 항상 연소부하에 적당한 적정 산소 농도로 관리되도록 하는 산소 농도 제어 방법에 관한 것이다.

도 1은 종래의 산소 농도 제어 방법의 구성도이며, 종래의 산소 농도 제어 루프를 구성하는 구성도를 SAMA 기호법을 기준으로 도시한다. 도 2는 종래의 산소 농도 제어 시스템에서의 산소 농도의 부하 의존성을 도시한 그래프이다.

종래의 산소 농도 제어 루프는, 현재의 공정치 출력 산소농도(배가스의 산소농도)(110)가 계측되어 산소제어기(120)로 전달되고, 사용자의 산소농도 목표설정치(130) 역시 산소제어기(120)로 전달된다.

사용자의 산소농도 목표설정치(130)를 유지하도록 산소제어기(120)가 PI 제어를 수행하며, 그 출력치는 일반적으로 1.0 근처의 비율값(βa)로 출력된다. 이렇 게 출력된 제어 출력값(βa)은 직접 사용되거나, 사용자 입력 비율값(βu)을 사용하는 자동/수동 전환부(140)를 거친다.

제어 출력값(βa) 또는 자동/수동 전환부(140)를 거친 제어 출력값은 그 값이 너무 작으면(βL 이하) 불완전 연소를 초래하거나, 너무 크면(βH 이상) 지나치게 많은 공기가 공급되므로, 상하한 제어 선택기(150)를 거쳐 실질적으로 이용되는 보정비율값(βR)이 얻어진다.

산소농도 제어 루프(100)가 없는 방식에서는 이론 공연비(basic AFR; basic Air/Fuel Ratio)(BAFR; 210)값을 사용자로부터 입력받고, 여기에 과잉공기비(α; 230)를 곱하여(220), 그 값이 실질공연비(Real AFR; RAFR)로 결정되는 일반적인 공기유량 결정 루프(200)만에 의해 구성된다.

산소농도 제어 루프(100)가 있는 방식에서는 공기유량 결정 루프(200)에 의해 계산된 실질공연비(RAFR)에 보정비율값(βR)이 곱해져(300) 보정실질공연비(RAFT')가 구해진다. 따라서, 실질 공급 공기 유량(A)은, 식(1)과 같다.

A = G×BAFR×α×βR 식(1)

그러나, 이러한 제어 구성에서는 산소농도 목표설정치(130)를 운전자가 설정하여야 하므로 매번 설정치를 조정하여야 하는 문제점이 존재한다. 그런데, 도 2에 도시된 바와 같이, 연소기(버너)는 연소 특성상 저유량(통상 FULL 부하시의 20%미만)에서의 화염 안전성 및 연소성을 고려하여 추가적으로 공기를 공급하고, 과잉공 기량에 일정비율을 더한다. 만약 그 비율을 "γ"라고 하면 실질 공급 공기유량(A)은 식(2)와 같다.

A= G×BAFR×(α+γ)×βR 식(2)

식(2)의 경우 산소 농도 제어 루프(100)가 동작하더라도 저유량에서는 강제적으로 추가되는 공기량(G×BAFR×γ×βR) 때문에 사용자가 이를 고려하여 수동으로 산소농도 설정치를 갱신하지 않는다면 산소 농도 제어가 이루어지지 않으며, 실제로 실조업에서는 저유량이라는 이유로 매번 산소농도 설정치를 수동으로 조작하지 않으므로 실질적으로 산소 농도 제어는 이루어지지 않는다.

본 발명의 목적은 상기 종래 기술의 문제점을 개선하기 위한 것이며, 산소 농도 설정치를 가열로의 상황을 고려하여 적절하게 제공하도록 구성하여 산소농도 제어 루프가 항상 정상 동작할 수 있도록 하는 것이다.

본 발명에 따른 산소 농도 제어 방법은, 사용자 설정 산소 농도를 바탕으로 산소농도 제어 루프를 통해 가열로에서의 산소농도를 제어하는 산소 농도 제어 방법에 관한 것으로서, 연료유량설정신호를 입력받는 단계; 이동평균 연산기가 상기 연료유량설정신호의 신호헌팅을 감소시키는 단계; 변환함수가 상기 신호헌팅이 감소된 연료유량설정신호를 대응산소농도로 변환하는 단계; 가열로 개방시 유입되는 공기의 영향을 고려하도록 상기 대응산소농도값을 오프셋시키는 단계; 및 상기 오프셋된 대응산소농도를 산소농도 제어루프에서 사용자 설정 산소농도로 사용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 변환함수는 상기 연료 유량이 증가함에 따라 상기 대응산소농도가 감소하여 수렴하는 그래프인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 산소 농도 제어 방법은 모든 가열 부하(연료유량)영역과 침입 공기 하에서도 공기유량 제어시스템이 항상 안정적으로 동작하고 버너 설계시의 최적 연소 조건 및 목표 산소 농도를 유지하여 가열로에서의 스케일 생성억제를 달 성한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 산소 농도 제어 방법에 대하여 상세하게 설명한다. 종래 기술에 기재된 구성요소와 동일한 기능을 수행하는 구성요소는 동일한 도면부호를 기재한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 산소 농도 제어 방법의 구성도이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 산소 농도 제어 방법에 사용되는 산소 농도 목표 설정치와 연료 유량과의 관계를 도시한 그래프이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 산소 농도 제어 방법은 종래의 산소 농도 제어 시스템의 산소 농도 목표 설정치를 연료 유량 설정 신호(가열 부하) 및 가열로 침입 공기량을 고려하여 자동으로 결정하도록 하는 산소 농도 설정 제어루프(400)를 추가하는 것을 특징으로 한다.

산소 농도 설정 제어루프(400)에는, 설정온도에 만족되는 연료유량이 자동으로 결정되는 제어방식인 캐스케이드(cascade) 제어루프에 의해 연료유량의 설정치(410)가 입력되며, 이동 평균 연산기 f(t)(420)에 의해 신호의 헌팅이 감소되며, 이후 도 2에 도시된 산소 농도와 가열부하의 관계를 도시한 그래프인 f(x)를 통해 적정 산소 농도 목표 설정치(431)가 결정(430)되며, 추가적으로 바이어스항(440)이 추가된다.

바이어스항(440)이 추가되는 이유는 가열로와 같이 입출 도어를 가지는 연소 설비에서는 도어 개방시 외부로부터 가열로 내부로 침입하는 공기가 있으므로, 침 입량을 고려하여 도 4에 도시된 바와 같이 적정 산소 농도 목표 설정치(431)에 이러한 침입공기의 영향만큼 상하로 적정 산소 농도 목표 설정치(431)를 오프셋시켜야 올바른 설정치(441)가 달성된다. 이는 노내 압력의 함수로 만들어 처리하거나 사용자 입력으로 처리한다.

이러한 방식으로 산소 농도 설정 제어루프(400)에서 출력된 산소농도목표설정치(451)는 수동/자동 전환 과정에서 자동인 경우에 사용자의 산소농도 목표설정치(130)를 대신하여 산소농도 제어 루프(100)의 입력값이 되어 종래 기술에서 기재한 바와 같은 방식으로 산소농도 제어 루프(100) 및 공기유량 결정 루프(200)를 거쳐 실질 공급 공기 유량(A)를 식(2)에 의하여 계산하게 된다.

위에 설명된 예시적인 실시예는 제한적이기보다는 본 발명의 모든 관점들 내에서 설명적인 것이 되도록 의도되었다. 따라서 본 발명은 본 기술 분야의 숙련된 자들에 의하여 본 명세서 내에 포함된 설명으로부터 얻어질 수 있는 많은 변형과 상세한 실행이 가능하다. 다음의 청구범위에 의하여 한정된 바와 같이 이러한 모든 변형과 변경은 본 발명의 범위 및 사상 내에 있는 것으로 고려되어야 한다.

도 1은 종래의 산소 농도 제어 방법의 구성도이다.

도 2는 종래의 산소 농도 제어 시스템에서의 산소 농도의 부하 의존성을 도시한 그래프이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 산소 농도 제어 방법의 구성도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 산소 농도 제어 방법에 사용되는 산소 농도 목표 설정치와 연료 유량과의 관계를 도시한 그래프이다.

Claims (2)

1. 사용자 설정 산소 농도를 바탕으로 산소농도 제어루프를 통해 가열로에서의 산소농도를 제어하는 산소 농도 제어 방법에 있어서,

   연료유량설정신호를 입력받는 단계;

   이동평균 연산기가 상기 연료유량설정신호의 신호헌팅을 감소시키는 단계;

   변환함수가 상기 신호헌팅이 감소된 연료유량설정신호를 대응산소농도로 변환하는 단계;

   가열로 개방시 유입되는 공기의 영향을 고려하도록 상기 대응산소농도를 오프셋시키는 단계; 및

   상기 오프셋된 대응산소농도를 산소농도 제어루프에서 사용자 설정 산소농도로 사용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 산소 농도 제어 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 변환함수는

   상기 연료 유량이 증가함에 따라 상기 대응산소농도가 감소하여 수렴하는 그래프인 것을 특징으로 하는 산소 농도 제어 방법.

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