KR20100037869A - 순 산소 보일러 연소 가스 물성 자동계산 시스템 및 방법 - Google Patents

순 산소 보일러 연소 가스 물성 자동계산 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

순산소 연소 보일러의 출구에 설치되어 보일러로부터 발생되어 나오는 연소 가스의 O2체적% 값을 구하는 적어도 하나의 O2%계측기; O2체적%계측기로부터 O2체적% 값에 대한 아날로그 신호를 수신하고 디지털화 된 O2체적% 데이터로 변환하는 데이터 취득 장치; 데이터 취득 장치로부터 디지털화된 O2체적%데이터를 저장하는 데이터베이스 장치; 및 데이터베이스 장치로부터 O2체적%데이터를 취득하여 계산식에 따라 연소 가스의 물성을 구하는 물성 계산 장치;를 포함하는 연소 가스 물성 자동계산 시스템 및 연소 가스 물성 자동계산 방법이 제공된다.
연소 가스, 데이터 취득 장치, 데이터베이스 장치, 물성 계산 장치

Description

순 산소 보일러 연소 가스 물성 자동계산 시스템 및 방법{Combustion Gas Properties Auto-Calculation System And Method for Oxygen Fuel Boiler}
본 발명은 연소 가스의 물성을 계산하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이고, 보다 상세하게는 산화제로서 순수한 산소만을 사용하는 순 산소 보일러에서 생성된 연소 가스의 물성을 자동적으로 계산할 수 있는 순 산소 보일러 연소 가스 물성 자동계산 시스템 및 방법에 관한 것이다.
공기를 산화제로 사용하는 기존의 보일러에서는 연소 가스 측정 및 계산 관련 경험식이 축적되어 연소 가스의 물성을 쉽게 구할 수 있었다. 즉 보일러 연소 가스 중 O2%를 측정하고 이 값을 근거로 하여 공기량, 가스량, 과잉공기율 등을 경험식으로 구하였다.
그러나 공기를 산화제로 사용하는 기존 연소방식과는 달리 순 산소 보일러에서는 순수 산소만를 산화제로서 사용하므로, 설치된 O2% 계측기로부터 기본값를 측 정하여 연소 가스의 물성을 계산하기 위해서는 순 산소 조건을 만족하는 새로운 경험식이 필요하다.
또한 순 산소 보일러에서는 보일러 출구에 Ljungstrom 타입 Pre-heater를 사용할 수 없어서 Tubular 타입 등 기존 보일러와는 다른 산화제(산소) 예열방법을 채용하여 기존과 동일한 방식으로 보일러 출구 계측기와 공기연소 경험식를 이용하여 연소물성을 구하는 방법으로는 정확한 연소 가스 물성 산출이 어렵다.
연소 가스의 물성 계산 경험식은 기존의 공기연소 조건에 적합하도록 수식화되어 있으므로 이를 대체할 수 있는 별도의 계산식을 수립하는 등 순 산소 조건에 맞도록 바꾸어야 한다.
그러나 순 산소 연소에 대해서는 아직 축적된 경험과 기술이 미비하여 기존의 계측기와 경험식을 이용한 연소물성 계산 방식으로는 보일러 성능산출 및 최적운영에 필수적인 연소 가스의 물성값을 정확하게 구할 수 없고 따라서 다른 방법적 고찰이 필요하다.
본 발명은 상기한 문제점을 감안하여 고안되었고, 본 발명의 일반적 목적은 산화제로서 공기 대신 순수한 산소만을 사용하는 순 산소 보일러에서 생성된 연소 가스의 물성을 자동적으로 계산할 수 있는 순 산소 보일러 연소 가스 물성 자동계산 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 태양에 따라, 보일러의 출구에 설치되어 상기 보일러로부터 발생되어 나오는 연소 가스의 O2체적% 값을 구하는 적어도 하나의 O2%계측기; 상기 O2체적%계측기로부터 상기 O2체적% 값에 대한 아날로그 신호를 수신하고 디지털화 된 O2체적% 데이터로 변환하는 데이터 취득 장치; 상기 데이터 취득 장치로부터 디지털화된 O2체적%데이터를 저장하는 데이터베이스 장치; 및 상기 데이터베이스 장치로부터 상기 O2체적%데이터를 취득하여 계산식에 따라 상기 연소 가스의 물성을 구하는 물성 계산 장치;를 포함하는 연소 가스 물성 자동계산 시스템이 제공된다.
상기 연소 가스 물성 자동계산 시스템은 상기 물성 계산 장치로부터 구해진 상기 연소 가스의 물성을 모니터링할 수 있도록 하는 모니터링 PC를 더 포함할 수 있다.
상기 계산식은,
[표 1]
Figure 112008069376889-PAT00001
및,
[표 2]
Figure 112008069376889-PAT00002
를 포함할 수 있다.
상기 연소 가스의 물성은 생성 가스량, 필요산소량, 및 과잉산소율을 포함할 수 있다.
상기 물성 계산 장치는 상기 취득한 O2체적%데이터 및 상기 [표 2]로부터 O2 의 질량(ExO2)을 구하고, 상기 구해진 O2의 질량(ExO2) 및 상기 [표 1]로부터 과잉산소의 양을 계산하고 상기 연소 가스의 각각의 성분의 물성을 순차적으로 구할 수 있다.
상기 데이터베이스 장치는 상기 구해진 연소 가스의 물성을 저장할 수 있다.
본 발명의 다른 일 태양에 따라, 보일러의 출구에 설치되어 상기 보일러로부터 발생되어 나오는 연소 가스의 O2체적% 값을 구하는 단계; 상기 구해진 O2체적% 값에 대한 아날로그 신호를 수신하고 디지털화 된 O2체적% 데이터로 변환하는 단계; 상기 디지털화된 O2체적%데이터를 저장하는 단계; 및 상기 O2체적%데이터를 취득하여 계산식에 따라 상기 연소 가스의 물성을 구하는 단계;를 포함하고, 상기 계산식은,
[표 1]
Figure 112008069376889-PAT00003
및,
[표 2]
Figure 112008069376889-PAT00004
를 포함하는 연소 가스 물성 자동계산 방법이 제공된다.
상기한 본 발명에 따른 연소 가스 물성 자동계산 시스템 및 방법에 따라 산화제로서 순수한 산소만을 사용하는 순 산소 보일러에서 생성된 연소 가스의 물성을 자동적으로 계산할 수 있다.
이하 동일한 부재번호는 동일한 구성요소를 참조로하는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명한다. 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적 의미로 한정되어 해석되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사항에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실 시 예이며, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것이 아니므로, 본 출원 시점에서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있다.
먼저, 본 발명에서는 순 산소 조건에서의 연소 가스 성분, 필요산소량, 가스량 등의 물성값 외 추가로 가스성분 등의 물성값을 계산하기 위하여 순 산소 조건에 대한 연소 화학 반응식을 수립하고, 계산의 기준이 되는 기준값은 계측기를 통해 계측한 계측값를 활용하였다. 예컨대, 이러한 기준값은 이후 설명될 O2체적%계측기로부터 계측된 O2체적%값일 수 있다. 이에 대하여는 이후 보다 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 순 산소 보일러 연소 가스 물성 자동계산 시스템(1)의 개략적인 구성을 도시한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 연소 가스 물성 자동계산 시스템(1)은 O2체적%계측기(10), 데이터 취득 장치(20), 데이터베이스 장치(30), 물성 계산 장치(40), 및 모니터링 PC(50)를 포함한다.
상기 O2%계측기는 (도시 안된) 보일러의 출구에 설치되어 보일러로부터 발생되어 나오는 연소 가스의 O2체적% 값을 구하여 그 값을 아날로그 신호로서 데이터 취득 장치(20)에 전송한다. O2체적%계측기(10)는 복수로 제공될 수 있다.
상기 데이터 취득 장치(20)는 O2체적%계측기(10)로부터 O2체적% 값에 대한 아날로그 신호를 수신하여 이를 디지털 신호로 변환하여, 즉 디지털화 된 O2체적% 데이터를 데이터베이스 장치(30)에 전송한다.
상기 데이터베이스 장치(30)는 데이터 취득 장치(20)로부터 전송되어 온 디지털화된 O2체적%데이터를 저장한다.
상기 물성 계산 장치(40)는 데이터베이스 장치(30)로부터 O2체적% 데이터를 취득하여 그 내에 포함된 소정의 계산식에 따라 연소 가스의 물성을 구한다.
상기 모니터링 PC(50)는 사용자가 상기 물성 계산 장치(40)로부터 구해진 연소 가스의 물성을 모니터링할 수 있도록 한다.
이하, 도 2를 참조하여, 연소 가스의 물성을 구하기 위한 기준값인, 상기 O2체적%계측기(10)로부터 계측된 O2체적%값으로부터 소정의 물성 계산식에 따라 연소 가스의 물성을 구하는 방법을 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소 가스 물성 자동계산 시스템의 시스템 계층도를 나타낸다.
이하의 [표 1]은 보일러의 연료에 포함되어 있는 각각의 성분의 연소에 필요한 산소의 량(kg) 및 생성된 연소 가스의 량(kg)을 계산하는 물성 계산식을 나타낸다.
Figure 112008069376889-PAT00005
위 식에서 Total Mass In = Total Mass Out 이 되어 반응물과 생성물간 mass balance가 유지되어 계산의 정확성은 검증된다. 또한 상기 계산식으로부터 생성된 연소 가스의 성분 즉, CO2, H2O, SO2, O2, N2, H2O의 중량이 구해지고, 생성 가스량(MASSTOTAL), 필요산소량(필요O2), 과잉산소율(과잉O2)도 구해진다.
또한 체적 물성으로도 표현이 가능하여 순 산소 연소반응 계산 중 체적 계산식을 다음의 [표 2]와 같이 수립하여 체적 관련 물성값을 구할 수 있다.
Figure 112008069376889-PAT00006
연소 가스 각 성분의 물성값을 구하기 위해, 먼저 보일러 출구에 O2체적%계측기(10)를 설치하여 그 O2체적%계측기(10)로부터 O2체적% (즉, O2몰분율*100)를 얻는다(S1).
이렇게 얻어진 O2체적%은 상기한 바와 같이 데이터 취득 장치(20)에 의해 수집되어 디지털 데이터로 변환되어 데이터베이스 장치(30)에 저장된다(S2).
다음, 물성 계산 장치(40)는 상기 수집된 데이터를 데이터베이스 장치(30)로부터 추출하여(S3) 추출된 데이터 및 상기 [표 1] 및 [표 2]로 부터 연소 가스의 물성을 계산하고 그 결과를 데이터베이스 장치(30)에 저장(S3) 및 모니터링 PC(50)에 전송한다(S4).
보다 상세하게는, 데이터베이스 장치(30)에 저장된 O2체적% 및 물성 계산 장치(40)내에 저장된 상기 [표 2]로부터 다음과 같은 절차로 가스성분중 O2의 질량(ExO2)을 구할 수 있다.
먼저 [표 2]에서 가스성분중 CO2, H2O, SO2, N2는 [표 1]의 계산으로부터 구해지는 값이다. 그러나 ExO2는 O2가 다른 성분과 반응하고 남은 질량이므로 과잉산소량에 따라 중량이 변하는 값이다. 예를들면 과잉산소가 많이 공급되면 ExO2도 많아지고 적게 공급되면 적어진다. O2체적% 이 측정되면 [표 2]의 가스성분 O2값(ExO2)을 가정하고 [표 2]의 계산순서대로 계산하여 계산된 O2체적%가 계측된 O2체적%와 일치하는지 보고, 일치하지 않으면 다시 다른 가정값을 주어서 일치할 때 까지 반복한다. 이렇게 구해진 가스성분 O2질량(ExO2)을 이용하여 물성 계산 장치(40)내에 저장된 [표 1]의 계산식으로부터 과잉O2%, 과잉산소량, 발생가스량 등을 구할 수 있다. 방법은 다음과 같다.
[표 1]에서 연료성상은 주어지는 값이므로 계산절차에 따라 가스성분의 중량인 CO2, H2O, SO2, N2, H2O, Ash이 구해지고 유일한 미지수인 ExO2도 상기에서 구했으므로 계산식에 따라 이제 발생가스량(Total Mass Out)이 구해지고, 과잉O2(%), Total O2가 구해진다.
이렇게 보일러 출구에서 측정된 O2체적%로부터 원하는 연소관련 물성들을 순차적으로 구할 수 있게 된다.
계산결과는 데이터베이스 장치(30)에 저장되어 모니터링 PC(50)을 통해 사용자가 모니터링한다. 또한, 과거 데이터를 불러와서 현재 데이터와 비교 등의 연소 변화상태 등을 파악할 수 있는 데이터 관리 기능도 수행 가능하다.
이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이고 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 순 산소 보일러 연소 가스 물성 자동계산 시스템의 개략적인 구성을 도시한 블록도; 및
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소 가스 물성 자동계산 시스템의 시스템 계층도.

Claims (7)

  1. 보일러의 출구에 설치되어 상기 보일러로부터 발생되어 나오는 연소 가스의 O2체적% 값을 구하는 적어도 하나의 O2%계측기;
    상기 O2체적%계측기로부터 상기 O2체적% 값에 대한 아날로그 신호를 수신하고 디지털화 된 O2체적% 데이터로 변환하는 데이터 취득 장치;
    상기 데이터 취득 장치로부터 디지털화된 O2체적%데이터를 저장하는 데이터베이스 장치; 및
    상기 데이터베이스 장치로부터 상기 O2체적%데이터를 취득하여 계산식에 따라 상기 연소 가스의 물성을 구하는 물성 계산 장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 가스 물성 자동계산 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 물성 계산 장치로부터 구해진 상기 연소 가스의 물성을 모니터링할 수 있도록 하는 모니터링 PC를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 가스 물성 자동계산 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 계산식은,
    [표 1]
    Figure 112008069376889-PAT00007
    및,
    [표 2]
    Figure 112008069376889-PAT00008
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 가스 물성 자동계산 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 연소 가스의 물성은 생성 가스량, 필요산소량, 및 과잉산소율을 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 가스 물성 자동계산 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 물성 계산 장치는 상기 취득한 O2체적%데이터 및 상기 [표 2]로부터 연소가스 중 O2의 질량(ExO2)을 구하고, 상기 구해진 O2의 질량(ExO2)으로 상기 [표 1]로부터 발생가스량(Total Mass Out), 과잉O2(%)을 계산하고 상기 연소 가스의 각각의 성분의 물성을 순차적으로 구하는 것을 특징으로 하는 연소 가스 물성 자동계산 시스템.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 데이터베이스 장치는 상기 구해진 연소 가스의 물성을 저장하는 것을 특징으로 하는 연소 가스 물성 자동계산 시스템.
  7. 보일러의 출구에 설치되어 상기 보일러로부터 발생되어 나오는 연소 가스의 O2체적% 값을 구하는 단계;
    상기 구해진 O2체적% 값에 대한 아날로그 신호를 수신하고 디지털화 된 O2체적% 데이터로 변환하는 단계;
    상기 디지털화된 O2체적%데이터를 저장하는 단계; 및
    상기 O2체적%데이터를 취득하여 계산식에 따라 상기 연소 가스의 물성을 구하는 단계;를 포함하고,
    상기 계산식은,
    [표 1]
    Figure 112008069376889-PAT00009
    및,
    [표 2]
    Figure 112008069376889-PAT00010
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 가스 물성 자동계산 방법.
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