KR20130138159A - 지역난방 Plant 자동제어 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 발전소 열병합 장치 또는 첨두부하 보일러에서 생성된 난방용수의 공급 유량이 수용가의 위치별 특성을 고려하여 제공될 수 있고, 수용가로 인가되는 공급유량과 수용가에서 회수되는 회송유량의 편차를 최소화하여 자동 운전되도록 하여 수동 조작의 필요성을 최소화하는 지역난방 Plant 자동제어 시스템을 제안한다.
Description
본 발명은 지역난방 Plant 자동제어 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지역난방 Plant를 구성하는 설비 및 배관의 유량과 압력 온도 값을 참조하여 기존의 수동제어를 온전한 자동제어로 전환하는 지역난방 Plant 자동제어 시스템에 관한 것이다.
지역난방은 발전소에서 전력 생산 중 생성되는 배열을 이용하여 주택가, 상가 및 공장과 같은 수용가에 난방 용수를 제공함으로써, 개별난방에 비해 난방비용이 저렴하고, 발전소의 에너지 효율을 증대시키는 장점이 있다.
이러한 지역난방을 구축하기 위해서 지역난방 시스템은, 열병합 발전소, 열병합 발전소의 배열을 이용하여 용수를 가열하는 배열회수 보일러, 배열회수 보일러에서 가열된 난방용수를 수용가로 제공하는 공급 펌프 및 배열회수 보일러에서 가열된 용수를 축열 및 방열해 주는 축열조를 구비하여야 하며, 열병합 발전소의 열용량이 부족할 경우 열용량을 보충하기 위한 첨두부하 보일러(PLB : Peak Load Boiler)가 더 부가될 수 있다.
지역난방 시스템은 기본적으로 수용가로 인가되는 공급 난방용수와 수용가에서 배열회수 보일러로 회수되는 회송 용수의 량이 일치하여야 지속적인 난방이 가능하고, 수용가로 난방용수가 충분히 공급되도록 함으로써 수용가 전체가 적절한 난방 효과를 얻을 수 있다. 이를 위해, 지역난방 제어 시스템은 공급 펌프를 이용하여 공급 난방용수를 수용가로 제공하는데, 현재 가동 중인 지역난방 시스템 대부분은 DCS(Distributed Control System) 장비가 일부 도입되어 있음에도 수동 제어되고 있다. 이는 배관을 통해 흐르는 물의 유량이 급격히 변동될 경우 수격작용에 의해 배관이 손상되는데 따른 우려와, 배열회수 보일러에 공급되는 급수량의 급격한 변화에 의하여 발전소의 발전정지 우려 때문이다.
이에 대해 등록특허 10-1295098은 지역난방 네트워크의 각 지점에서 요구되는 온도에 적합하도록 열 공급량을 예측하고, 예측결과에 따라 지역난방 네트워크로 제공되는 열 공급량을 결정하는 지역난방 네트워크의 열 공급량 결정방법을 제안한 바 있다. 등록특허 10-1295098은 각 지점별 열 유체의 온도 및 압력을 예측하는 신경망 모델을 수립하고, 신경망 모델에 따라 예측된 각 지점별 열 유체의 온도 및 압력이 적정 열 공급량이 되도록 시뮬레이션하여 지역난방 네트워크에 공급되는 열 공급량을 결정하고 있다.
그러나 등록특허 10-1295098의 신경망 모델은 주어진 모델 내에서 열 공급량을 산출하고 있으므로, 지역난방 네트워크를 구성하는 다양한 변수나 장비 특성에 모두 대응하기 곤란하고, 미래에 필요한 열 공급량이 항상 적중할 수도 없는데다가, 결정된 열 공급량에 따라 배관을 타고 흐르는 열유체를 자동 제어하고자 할 경우, 수격작용 등을 고려하기 어려울 수 있다. 또한, 지역난방 네트워크를 구성하는 각 수용가의 상황은 고려되지 않고 있으며, 지역난방 설비 자체(DH Pump Speed Control)의 자동제어에 관해서는 언급되지 않는다.
본 발명의 목적은 열병합 발전소, 첨두보일러, 축열조에서 수용가로 왕래하는 실제 공급유량과 회송유량, 공급유량의 압력과 회송유량의 압력차인 차압 및 수용가의 위치별 압력 특성을 고려하여 펌프들의 속도와 가동 개수를 자동 제어하는 지역난방 Plant 자동제어 시스템을 제공함에 있다.
위와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 지역난방 Plant 자동제어 시스템은 플로우 산출부, 게인 산출부 및 펌프 제어부로 구성될 수 있다. 플로우 산출부는 축열조 및 펌프실의 가동 조건 및 용수의 온도를 참조하여 수용가로 향하는 용수의 총 공급유량과 수용가에서 열병합 발전소로 향하는 회송용수의 회송유량을 판단하고, 게인 산출부는 수용가로 향하는 급수량의 안정적인 제어를 위해, 펌프실에서 수용가로 방류하는 용수의 방류압력 및 각 펌프의 가동 대수와 용량을 참조하여 펌프실의 출력을 산출하며, 펌프 제어부는 회송유량과 공급유량의 편차가 감소하도록 펌프실의 출력을 제어하여 구동 대상 펌프와 각 펌프의 속도를 설정하며, 수용가의 각 영역에 공급되는 용수의 차압이 최소화되도록 하여 지역난방의 효과가 편중되지 않도록 함으로서 수용가의 열 요구량을 만족시킨다.
본 발명에 따르면, 열병합 발전소에서 가열된 용수의 공급유량이 수용가의 위치별 특성을 고려하여 제공될 수 있고, 수용가로 제공되는 공급유량과 수용가에서 회수되는 회송유량의 편차를 최소화하여 자동 운전되도록 함으로써 불필요한 인력낭비를 최소화하며, 지역난방 시스템의 효율이 극대화되며, 지역난방 시스템에 대한 유지관리비용이 절감됨은 물론 지역난방을 제어하는 관리자의 수작업 부담을 낮출 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 지역난방 시스템의 개략적인 연결 개념도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 지역난방 Plant 자동제어 시스템의 블록개념도를 도시한다.
도 3과 도 4는 펌프 제어부의 작동 방식에 대한 참조도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 지역난방 Plant 자동제어 시스템의 블록개념도를 도시한다.
도 3과 도 4는 펌프 제어부의 작동 방식에 대한 참조도를 나타낸다.
본 명세서에서 언급되는 차압은 수용가로 인가되는 압력과 수용가에서 회수되는 용수의 압력 차이를 의미할 수 있다. 차압에 "DP"라는 식별부호를 부여할 때, 차압(DP)은 다음과 같이 정의될 수 있다.
DP = | 수용가로 인가되는 용수의 압력 - 수용가에서 회수되는 용수의 압력|
본 명세서에서 언급되는 "용수"는 지역난방을 위해 발전소 또는 첨두부하 보일러에서 수용가로 제공되는 물 또는 수용가에서 난방을 마치고 열병합 발전소 또는 첨두부하 보일러로 회송되는 물을 지칭할 수 있으며, 물이 주성분을 이루나, 배관 부식 및 협착의 원인인 칼슘(Ca)이나 마그네슘(Mg)의 내벽 침전을 억제하기 위한 방청제 또는 배관 또는 배관을 지나는 용수의 특성 향상을 위한 화학물질이 첨가된 혼합액일 수 있다. 용수는 열병합 발전소(또는 첨두부하 보일러)에서 수용가로 향할 때, 공급용수라 칭하고, 수용가에서 열병합 발전소(또는 첨두부하 보일러)로 향할 때에는 회송용수라 지칭될 수 있다.
본 명세서에서 언급되는 수용가는 실시 예에 따른 지역난방 시스템에서 제공하는 용수를 이용하여 난방을 수행하는 주택, 아파트, 상가, 공장 및 기타 거주지역을 의미할 수 있다.
본 명세서에서 언급되는 열병합 장치는 열병합 발전소 및 열병합 발전소에서 발생하는 배열을 이용하는 배열회수 보일러를 통칭할 수 있다.
본 명세서에서 언급되는 DH 펌프는 District Heating(지역난방) 펌프의 약어로서, 배열회수 보일러 또는 첨두부하 보일러로 용수를 공급하기 위한 펌프를 지칭할 수 있다.
본 명세서에서 언급되는 축열조는 배열급수보일러에서 보내지는 남는 열을 축열하거나, 축열조에 축열된 난방수를 수용가에게 방열하는 것을 통칭할 수 있다.
본 명세서에서 언급되는 배열회수 보일러는 통상 열병합 발전소와 연동되거나 결합되어 이용되는 바, 본 명세서에서 배열회수 보일러와 열병합 발전소는 상호 혼용되어 기재될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
도 1 내지 도 3을 함께 참조하여 설명하면,
실시예에 따른 지역난방 Plant 자동제어 시스템(300)은, 크게 열병합 발전소(140), 수용가(200), 펌프 실(130), 첨두부하 보일러(110), 축열조(120)와 연계되어 구성될 수 있다.
열병합 발전소(140)는 액화천연가스(LNG) 또는 LPG(Liquefied Propane Gas)를 연료로 하여 전기를 발전하며, 전기 발전시 부수적으로 생성되는 배기가스의 열(이하 "배열"이라 함)을 배열회수 보일러(150)로 제공하여 배열회수 보일러(150)에서 난방용 용수를 생성하도록 한다.
지역난방 시스템에서 요구되는 난방용 용수는 주로 배열회수 보일러(150)에서 생성되는데, 일부는 배열회수 보일러(150) 대신 첨두부하 보일러(110)에서 생성될 수도 있다.
펌프실(130)은 용량이 상이한 복수의 펌프(예컨대 6개 내지 8개의 펌프)를 구비할 수 있다. 예컨대, 펌프실(130)은 대용량의 Supply Pump 및 Reserve Pump, 중간 용량인 DH 1 Pump 및 DH 2 Pump, 그리고 소용량인 첨두부하 보일러(PLB) Pump 및 축열조(Acc) Pump로 구성될 수 있다.
수용가의 열 요구량이 아주 작을 경우에는 PLB Pump를 가동하여 가열된 용수를 수용가로 공급하고, 수용가의 열 요구량이 증가함에 따라 이에 응답하여 순차적으로 대용량의 펌프를 가동하여 열병합 발전소(140)로 공급할 수 있다.
또한, 펌프실(130)은 축열조(120)의 용수를 수용가로 공급하기 위한 축열 펌프, 첨두부하 보일러(110)로 용수를 공급하는 첨두부하 보일러 펌프를 더 구비할 수 있다.
펌프실(130)에 구비되는 각 펌프의 출력은 서로 상이할 수 있으며, 축열조(120)의 난방용수를 수용가로 공급하는 축열조 펌프나 첨두부하 보일러(110)로 용수를 공급하는 첨두부하 보일러 펌프는 각각 축열조(120) 및 첨두부하 보일러(110)와 인접하게 배치될 수 있다. 도 1에서 펌프실(130)은 수용가(200)와 배열회수 보일러(150) 사이에 배치되어 용수 공급 관계를 개략적으로 설명하고 있으나, 펌프실(130)에는 복수의 펌프가 마련되고, 각 펌프는 동일한 위치에 배치되지 않고 용도에 따라 이격되어 배치될 수 있다.
열병합 발전소(140)와 연동되는 배열회수 보일러(150)는 펌프실(130)에서 제공하는 용수를 가열하여 수용가(200)를 위한 난방수를 생성하여 수용가(200)로 제공하고, 수용가(200)에는 열교환 설비(미도시)를 이용하여 난방에 이용한 후, 난방수는 냉각되며, 냉각된 난방수는 펌프실(130)로 회송된다.
그런데, 열병합 발전소(140)의 운전 조건이나, 수용가(200) 주변의 기온 변화에 의해 수용가(200)에서 필요로 하는 열 요구량이 변동될 수 있다.
예컨대, 열병합 발전소(140)의 메인터넌스(maintenance)를 위해 일시 가동이 중단되는 경우, 열병합 발전소(140)와 연동되는 배열회수 보일러(150)에서 용수를 가열하기 곤란하며, 이 경우 첨두부하 보일러(120)에서 용수를 가열하여 수용가(200)로 제공할 필요가 있다. 반대로 수용가(200) 주변 기온이 높아 열 요구량이 적은 경우, 배열회수 보일러(150)에서 가열된 용수는 수용가(200)에서 제대로 이용되지 못할 수 있다.
이처럼 수용가(200)의 열 요구량보다 생산된 용수가 부족하거나 넘치는 경우 잉여 용수는 축열조(120)에 저장되어 수용가(200)의 열 요구량이 증가하는 밤 시간대에 제공하여 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 축열조(120)는 열 부하가 낮은 낮 시간대에 발전소(140)에서 가열된 용수를 저장하고, 열 부하가 높은 밤 시간대에 수용가(200)로 축열된 용수를 제공할 수 있다. 축열조(120)의 열 축적에 의해 첨두부하 보일러(110)의 가동 시간을 감소시킬 수 있으며, 이는 첨두부하 보일러(110) 가동에 따른 에너지 소모를 저감하고, 난방 비용을 낮추는데 일조할 수 있을 뿐만 아니라, 발전소 운영이 효율적으로 되어 에너지를 합리적으로 사용할 수 있다.
이 외에도, 수용가(200)의 열 요구량이 배열회수 보일러(150)의 공급 열량을 초과하는 경우 첨두부하 보일러(110)가 구동하여 초과되는 열량을 공급할 수도 있다. 따라서, 본 실시예에 따른 지역난방 Plant 자동제어 시스템(300)이 공급용수와 회송용수를 산출 시, 첨두부하 보일러(110)의 용수 공급량, 축열조(120)에서 수용가(200)로 향하는 용수 공급량 및 배열회수 보일러(150)에서 수용가(200)로 향하는 용수를 파악할 필요가 있으며, 공급 용수의 파악은 열병합 발전소(140), 첨두부하 보일러(110) 및 축열조(120)의 가동 조건에 따라 파악될 필요가 있다.
가동 조건에 따라, 첨두부하 보일러(110), 축열조(120), 펌프실(130) 및 수용가(200) 사이에 마련되는 밸브(Valve)가 선택적으로 개패되어 용수의 흐름을 제어할 수 있다.
한편, 수용가(200)는 복수의 아파트, 주택, 상가, 공장, 사무실 및 기타 사람이 거주 가능한 다양한 시설물로 구성된다. 수용가(200)는 도면에서 공급 펌프 실(130)을 통해 발전소(140)에서 가열된 용수를 공급받고 있으나, 지면에서의 높낮이, 펌프실(130)과의 거리에 따라 용수의 공급이 차별될 소지가 있다.
예컨대, 수용가(200)를 몇 개의 영역으로 구획할 때, 대부분의 영역은 평지에 위치하는 반면, 어떤 영역은 고지대에 위치한다고 가정할 때, 펌프실(130)에 마련되는 펌프들은 평지에 위치하는 대다수의 수용가에 용수 공급이 적정한 속도로 펌핑하게 되며, 이 경우, 고지대에 위치하는 수용가에는 적절한 난방용 용수가 공급되지 않거나 부족할 수 있다.
마찬가지로, 펌프실(130)과 원거리에 위치하는 영역의 수용가도 배관 내부의 압력 저하로 인해 충분한 난방용 용수를 공급받지 못할 수 있다.
이때, 고지대에 위치하거나 원거리에 위치하는 수용가로 적절히 용수를 공급하고자 한다면, 펌프실(130)의 공급 유량을 증가시켜야 하는데, 공급 유량이 필요 이상으로 증가하는 경우 과도 난방이 발생하여 열 효율이 낮아지는 문제가 있다. 현재의 지역난방 시스템은, 공급유량을 수동 제어에 의해 제어하였으므로 공급 유량을 적절히 제어하기보다는 대다수의 수용가가 만족하는 수준으로 제어하는 일이 많았다.
이에 따라, 최적의 열 효율을 보이면서, 고지대나 원거리에 위치하는 수용가를 배려하는 자동제어 시스템의 필요성이 요구된다.
본 실시예는 이러한 자동제어 시스템을 제공하기 위해, 도 1에 도시된 지역난방 시스템을 자동제어 하는 지역난방 Plant 자동제어 시스템(300)을 고안하였으며, 실시 예에 따른 지역난방 Plant 자동제어 시스템(300)은 도 2에 도시된 형태로 구현될 수 있다.
도 2에 도시된 지역난방 Plant 자동제어 시스템(300)은 도 1에 도시된 수용가(200), 발전소(140), 첨두부하 보일러(110), 축열조(120) 및 펌프실(130)에 배치되거나 그 주변에 배치되거나 또는 수용가(200)와 이웃하게 위치하는 기관실에 마련될 수도 있다. 실시 예에 따른 지역난방 Plant 자동제어 시스템(300)은 수용가(200), 배열회수 보일러(150), 첨두부하 보일러(110), 축열조(120) 및 펌프실(130)사이에 마련되는 배관에 유량 센서와 압력 센서 온도 센서 수위 센서를 배치할 수 있다. 이들 센서는 각 구성요소(110 내지 200) 사이에 유동하는 용수의 압력, 온도, 수위 및 유량을 파악하여 지역난방 Plant 자동제어 시스템(300)에 제공하며, 지역난방 Plant 자동제어 시스템(300)은 이들 센서의 검출값을 참조하여 펌프실(130)를 구성하는 복수의 펌프들 중 가동해야 할 펌프를 선정하고, 가동하는 각 펌프의 회전속도를 설정하고, 축열조(120)의 이용 여부, 첨두부하 보일러(110)의 구동 여부를 자동 제어할 수 있다.
또한, 실시 예에 따른 지역난방 Plant 자동제어 시스템(300)은 수용가(200)를 복수의 영역으로 구획하고, 구획된 영역들 중 용수 공급이 용이한 영역과 용이하지 않은 영역에 대해서는 별도의 압력 센서를 배치할 수 있다.
실시예에 따른 지역난방 Plant 자동제어 시스템(300)은 용수 공급이 용이한 영역과 용이하지 않은 영역의 압력차가 최소가 되도록 구동 펌프(130)의 출력을 제어하며, 이를 통해 지역난방 시스템이 수용가(200)의 주민 만족도를 최대로 이끌어낼 수 있도록 한다.
실시예에 따른 지역난방 Plant 자동제어 시스템(300)은 플로우 산출부(310), 펌프 Master 제어부(320), 펌프 속도 제어부(330), 첨두부하 보일러 가동부(340), 선택펌프 구동부(350) 및 게인 산출부(360)를 포함하여 구성될 수 있다.
플로우 산출부(310)는 축열조(120), 펌프실(130)의 가동 조건 및 용수의 온도를 참조하여 수용가(200)로 공급되는 용수의 총량을 산출한다.
실시예에서 플로우 산출부(310)는 7개의 센서와 연결되는데, 각각을 살펴보면,
축열조 온도센서(311 313), 축열조 유량센서(312), 첨두부하 보일러 온도센서(314), 첨두부하 보일러 유량센서(315), 공급펌프 온도센서(316) 및 공급 펌프 유량센서(317)를 포함할 수 있다.
플로우 산출부(310)는 두 가지 조건에 따라 공급 유량을 산출할 수 있다.
1) 발전소(140)에서 축열조(120)로 가열된 용수를 축열하는 제1조건 및
2) 축열조(120)에 축열된 용수를 수용가(200)로 제공하는 제2조건이 있으며,
플로우 산출부(310)는 온도별 용수의 부피가 정의되는 유량-온도 테이블을 구비하며, 유량-온도 테이블을 참조하여 배관을 따라 흐르는 용수의 실 용량을 산출할 수 있다.
예컨대, 유량-온도 테이블은 아래의 표 1과 같은 형태의 데이터 구조를 가질 수 있다.
표 1은 용수 1리터에 대한 부피 변화를 나타낸 것으로서, 온도가 낮을수록 용수의 부피는 감소 측정하고, 온도가 높을수록 용수의 부피가 증가 측정됨을 볼 수 있다. 즉, 축열조 유량센서(312)에서 용수 1 m3에 해당하는 유량이 계측되었다 하더라도, 용수의 온도를 따져 용수의 실 용량이 산출되어야 한다. 통상 지역난방 시스템에서 용수의 온도는 수용가(200)로 제공되는 측이 높고, 수용가(200)에서 회수되는 측의 온도가 낮은데, 이러한 온도차를 고려하지 않고 유량을 판단 시, 공급 유량과 회송 유량의 차이가 나서, 공급 모터(130)를 적정히 구동하지 못할 수 있다.
본 실시 예는 이러한 문제를 방지하기 위해, 축열조 유량센서(312) 및 첨두부하 보일러 유량센서(314)에서 측정된 유량을 각각 축열조 온도센서(311) 및 첨두부하 보일러 온도센서(313)로 측정된 온도값을 이용하여 보정할 수 있다.
또한, 플로우 산출부(310)는 공급 펌프 유량센서(317)를 통해 공급 펌프(310)에서 수용가(200)로 제공되는 용수의 량을 파악하는데, 마찬가지로 공급펌프 온도센서(316)를 통해 측정된 온도를 이용하여 펌프실(130)에서 수용가(200)로 제공되는 용수의 실 용적을 파악할 수 있다.
이렇게 파악한 실 용적을 토대로, 플로우 산출부(310)는,
제1조건일 경우(축열 조건), 펌프실(130)에서 수용가(200)로 토출되는 용수의 량은 펌프실(130)에서 보내는 용수의 량 - 축열조 축열용수의 량으로 계산하고,
제2조건일 경우(방열 조건), 펌프실(130)에서 수용가(200)로 토출되는 용수의 량은 펌프실(130)에서 보내는 용수의 량 + 축열조 방열용수의 량으로 계산하며, 조건별로 계산된 결과는 펌프 제어부(320)로 제공된다.
게인 산출부(360)는 배열회수 보일러(150), 첨두부하 보일러(110) 및 축열조(120)에서 수용가(200)로 향하는 용수의 급수량 제어를 위해, 펌프실(130)에서 수용가(200)로 향하는 용수의 압력 및 펌프실(130)에 포함되는 각 펌프의 가동 대수 및 용량을 참조하여 펌프실(130)의 출력 Gain을 산출한다. 산출되는 출력 Gain은 PID(Proportional Integral Derivative) 제어기에 대한 게인(Gain)의 형태로 산출될 수 있으며, 펌프 제어부(320)는 출력 Gain을 이용하여 펌프실(130)에서 가동해야 할 펌프의 용량 및 개수를 판단할 수 있다. 게인 산출부(360)는 펌프실(130)의 용수 방출 압력을 참조하여 펌프실(130)의 적정 출력을 판단할 수 있다.
도 2에서 게인 산출부(360)는 각 펌프의 가동 여부를 나타내는 제어신호(361)로서 PLB PP ON(첨두부하 보일러 가동신호), Acc PP ON(축열조 가동신호), DH1 PP ON(DH1 펌프 가동신호), DH2 PP ON(DH2 펌프 가동신호), REV PP ON, SUP PP ON(용수 공급 펌프 가동신호)를 획득하고 이를 참조하여 펌프실(130)에서 펌핑되는 용수의 최대 용량을 파악할 수 있다. 게인 산출부(360)는 펌프실(130)에서 가동하는 펌프의 개수와 제어신호(361)를 통해 각 펌프의 용량을 계산하여 펌프의 양정 용량을 파악하고, 수용가(200)로 향하는 용수의 방류 압력에 대한 측정값(Pump disch press)(362)을 획득한다.
게인 산출부(360)는 사용자 정의된 적정 방출 압력값을 구비하며, 펌프실(130)에서 수용가(200)로 제공하는 용수의 압력이 될 때까지 펌프 제어부(320) 마스터 제어기 C2 Gain값을 증가 또는 감소시키는 게인 제어값을 생성할 수 있고, 펌프가동 대수에 따라서 펌프 제어부(320)에 마련되는 마스터 제어기 C2 Gain 값을 증가 또는 감소시킬 수 있다. 게인 산출부(360)는 사용자 정의된 방출 압력(362) 값보다 측정된 방출 압력값이 작을 경우, 또는 펌프 가동수가 증가한 경우 펌프 제어부(320)에 마련되는 마스터 제어기 C2의 Gain 값을 감소시켜 펌프실(130)의 출력이 서서히 증감하도록 산출하고, 반대의 경우 급속히 증감하도록 산출할 수 있다. 예컨대, 게인 값은 1을 기준으로, 1보다 커질수록 펌프실(130)의 출력을 빨리 증감시키고, 1보다 작아질수록 펌프실(130)의 출력을 서서히 증감시키는 방식으로 구현될 수 있다. 다만 한정하지는 않는다.
펌프 제어부(320)는 펌프실(130)에 마련되는 각 펌프(예컨대 첨두부하 보일러 펌프, 축열조 펌프, DH 펌프, 축열조 펌프 등)의 가동 대수에 따라 펌프실(130) 전체의 양정 용량 대비 가동할 펌프의 개수를 판단하고, 각 펌프에서 용수가 토출되는 출구의 압력변화를 참조하여 가동할 펌프의 출력을 조절할 수 있다. 이때, 펌프들의 출력은 게인 산출부(360)에서 산출된 게인 값에 따라 결정될 수 있으며, 사용자 정의된 적정 방출 압력 값이 될 때까지 펌프들의 출력이 증감될 수 있다.
펌프실(130)에 마련되는 각 펌프의 출력은 각 펌프의 출력을 제어하는 PID 제어기(331b 336b)의 출력 이득에 따라 결정되며, 펌프 제어부(320)는 각 PID 제어기(331b 336b)의 출력 이득을 자동 산출하여 제공하고, 각 제어기(331b 336b)는 펌프 제어부(320)에서 제공되는 출력 값에 따라 각 펌프(331 336)의 펌핑 속도를 증감할 수 있다.
또한, 펌프 제어부(320)는 수용가(200)에서 배열회수 보일러(150)로 회수되는 회송유량을 산출하고, 펌프실(130)에서 수용가(200)로 제공된 공급유량과의 편차가 최소화되도록 C2 Pump Master 제어기에 의하여 펌프실(130)의 구동량을 설정할 수 있다. 이때 펌프 제어부(320)는 회송유량을 정확히 파악할 필요가 있으며, 회송유량의 파악은, 노드(N2)에서 회송되는 유량을 측정하는 제1회송유량 센서(321), 제2회송유량 센서(323)를 통해 측정되는 수용가(200)의 회송유량을 측정하고, 이때, 제1회송온도 센서(322) 및 제2회송온도 센서(324)의 온도 측정값으로 각각 제1회송유량과 제2회송유량을 보정 함으로서 정확히 파악될 수 있다.
다음으로, 펌프 제어부(320)는 차압계(327)를 통해 수용가(200)로 공급된 용수의 압력과 수용가(200)에서 회송되는 용수의 압력의 차값인 차압(DP)을 측정한다. 차압계(327)는 노드(N1)와 노드(N2)에 설치되어 용수의 압력을 산출 후, 산출된 압력값의 차를 산출할 수 있으며, 차압(DP) = | 수용가로 인가되는 용수의 압력 - 수용가에서 회수되는 용수의 압력|로 정의될 수 있다. 이 차압(DP) 측정값과 설정값을 비교 Cascade 상위 PID제어기(C1)에 적용하여 항상 안정되게 난방용수를 수용가로 보낼 수 있다.
또한, 펌프 제어부(320)는 수용가(200)를 복수의 영역으로 구획하고, 구획된 영역 중, 용수 공급이 원활하지 않은 두 지역(제1지역 및 제2지역)의 수용가(200)로 공급되는 용수의 압력을 제1압력센서(325)와 제2압력센서(326)로 측정하여 평균값을 산출하고, 평균값과 사용자 설정된 설정값을 비교하여 평균값과 사용자 설정값의 편차가 작을 경우 펌프 속도를 시켜 압력 편차가 최적화되도록 할 수 있다.
즉, 펌프 제어부(320)는 제1압력센서(325)와 제2압력센서(326)의 압력 편차가 감소할수록 내장된 함수발생기(F(x))(320a)를 통해 회송유량(321,323)을 증감시켜 펌프실(130)의 펌프 속도를 증감시킬 수 있다.
펌프 제어부(320)는 수용가(200)에서 회송되는 용수가 제1지역과 제2지역에서 편차를 보일 경우, 펌프실(130)에서 구동하는 펌프(331 336 중 적어도 하나)의 펌핑 속도를 증가시켜 제1지역과 제2지역의 압력 편차를 자동 감소시킬 수 있다.
속도 제어부(330)는 유체 커플링되는 각 펌프(331 336)의 전단에 PID 제어기(331a 336a) 및 A/M Station(331b 336b)를 구비하며, PID 제어기(331a 336a) 및 A/M Station(331b 336b)을 통해 각 모터(331 336)의 회전속도를 증감할 수 있다. 여기서 각 펌프(331 336)의 펌프 용량은 서로 상이할 수 있다.
선택펌프 구동부(350)는 펌프 제어부(320)에서 산출되는 수용가(200)의 열 요구량에 맞추어 가동할 펌프를 선택 및 구동할 수 있다.
예컨대, 펌프실(130)를 구성하는 펌프들 중 어느 하나가 가동중인 상태에서 수용가(200)의 열 요구량이 증가하는 경우, 펌프 제어부(320)에서의 열 요구량이 증가하며, 열 요구량이 가동중인 한 대의 펌프의 최대 용량 대비 80% 이상이 되면 펌프 자동 선택로직(351)이 이에 응답하여 이웃하는 타 펌프를 추가 구동할 수 있다. 이는 도 3을 참조하여 설명하도록 한다. 처음 가동 상태인 펌프를 제1펌프(P1)라 하고, 추가되는 펌프가 제2펌프(P2) 및 제3펌프(P3)라고 가정할 때, 제1펌프(P1)의 최대 용량 대비 80% 이상의 수용가(200) 열 요구량이 펌프 제어부(320)로부터 수신되면, 펌프 자동 선택로직(351)은 이에 응답하여 제2펌프(P2)를 가동하며, 펌프 제어부(320)에서 요구되는 열 요구량이 제1펌프(P1)와 제2펌프(P2)의 합산 용량 대비 80% 이상이면 제3펌프(P3)를 추가로 가동할 수 있다. 만일, 수용가의 열 요구량이 제1펌프(P1), 제2펌프(P2) 및 제3펌프(P3)의 합산 용량 대비 30% 이하로 떨어지면, 제3펌프(P3)는 가동을 중단하고, 제1펌프(P1)와 제2펌프(P2)만을 구동시킬 수 있다. 이와 같이, 펌프 자동 선택로직(351)은 펌프 제어부(320)에서 제공되는 수용가(200) 열 요구량에 응답하여 가동되는 펌프의 개수를 증감함으로써, 수용가(200)의 열 요구량에 따라 별도의 펌프 가동을 위한 수동 제어를 필요로 하지 않으며, 지역난방 시스템을 구성하는 펌프들이 과부하 상태가 되지 않도록 할 수 있다.
첨두부하 보일러 가동부(340)는 열병합 발전소(140)의 가동이 중단되거나, 수용가(200)의 열 요구량이 증가하여 열병합 발전소(140)가 제공 가능한 공급유량을 초과할 때 첨두부하 보일러(110)를 가동한다. 첨두부하 보일러 가동부(340)는 내장된 보일러 버너를 가동하여 용수를 가열하며, 용수의 온도(341)가 기준온도(예컨대 98 deg)로 상승하면 PLB Load Setter 신호(342)를 생성하고, PLB Load Setter 신호는 PID 제어기(332b)로 제공되어 PLB 펌프(332)를 자동으로 가동하는데, 이때의 작동 모드를 PLB 모드라 지칭할 수 있다.
PLB 모드 시, 열병합 발전소(140)에서 수용가(200)로 향하는 용수의 부족분을 충당하기 위해 PLB 펌프(332)의 펌핑 속도를 증가시킬 수 있는데, 이 경우, 펌프 제어부(320)는 PLB 보일러(110)로 공급되는 연료량 및 공기의 량이 공급 용수에 맞게 증가되도록 PLB 마스터 제어기에 Feedforward 신호로 작용하여 연료 벨브(344) 및 공기 공급 벨브(345)를 조절하여 더 많은 연료와 공기가 첨두부하 보일러(110)로 자동 공급할 수 있으며, PLB 펌프(332)의 가동 및 제어를 위한 별도의 인력을 요구하지 않고도 자동 제어할 수 있는 것이다.
또한, 첨두부하 보일러(110)는 기동 조건에 따라 내장된 버너에 흐르는 용수의 온도(예컨대 60도 이상)가 충분히 높은 경우 기동하는 웜 스타트(Warm start) 또는 용수의 온도가 충분치 못한 온도(예컨대 30도 이하)에서 기동하는 콜드 스타트(Cold start) 조건에 따라 구동될 수 있다. 첨두부하 보일러(110)의 온도가 충분히 높은 경우 콜드 스타트가 가능하고, 반대의 경우는 웜 스타트가 요구될 수 있는데, 이는 첨두부하 보일러(110)에 내장된 버너의 온도 조건에 따라 결정될 수 있으며, 온도 조건에 따른 제어신호는 버너의 온도에 따라 펌프 제어부(320)에서 생성될 수 있으고, 생성된 제어 신호(346)는 첨두부하 보일러 가동부(340)로 제공되어 첨두부하 보일러(110)가 콜드 스타트하거나 웜 스타트하도록 할 수 있다.
한편, PLB 모드에서, 첨두부하 보일러(110)가 제공하는 용수의 온도(341)가 기준온도(예컨대 98 deg) 이상 상승하면 펌프 제어부(320)는 첨두부하 보일러(110)로 제공되는 연료나 공기의 량을 감소시켜 온도를 자동 제어한다. 또한 첨두부하보일러만으로 수용가에 난방을 할 경우는, 펌프 제어부(320) 신호로 전환하여, 수용가(200)에서 회송되는 용수의 유량이 수용가(200)로 공급되는 용수의 유량보다 적은 경우, 즉 과도한 용수가 공급되는 경우 첨두부하 보일러(110)에 용수를 공급하는 PID 제어기(332b)로 제공되는 제어 이득을 감소시켜 PLB 펌프(332)의 펌핑 속도를 감소시켜 첨두부하 보일러(110)에서 일정한 온도의 용수를 수용가(200)가 필요로하는 유량만큼 제공한다.
한편, 도 2를 통해 설명된 지역난방 Plant 자동제어 시스템(300)은 프로세서 메모리 및 기타 입출력장치를 구비하는 하드웨어를 제어 프로그램이 제어하는 형태로 구현되거나, 논리 로직으로 Full 하드웨어로 구현되거나, PLC 로직으로 구현되거나, FPGA(Field Programmable Gate Array)로 구현될 수 있다. 본 실시예는 하드웨어 제어, 프로그램 제어, 및 논리 로직에 의한 구현도 가능하며, 언급된 것 중 어느 한가지에 의해 그 구현방식이 제한되지 않는다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 본 발명이 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
300 : 지역난방 Plant 자동제어 시스템 310 : 플로우 산출부
320 : 펌프 제어부 330 : 속도 제어부
340 : 첨두부하 보일러 가동부 350 : 선택펌프 구동부
360 : 게인 산출부
320 : 펌프 제어부 330 : 속도 제어부
340 : 첨두부하 보일러 가동부 350 : 선택펌프 구동부
360 : 게인 산출부
Claims (10)
- 열병합 발전소 또는 첨두부하 보일러에서 가열되는 용수를 수용가로 공급하며, 복수의 펌프를 구비하는 펌프실, 상기 용수를 축열 저장 또는 방열하는 축열조를 구비하는 지역난방 Plant 자동제어 시스템에 있어서,
상기 축열조, 상기 펌프실의 가동 조건 및 상기 용수의 온도를 참조하여 상기 수용가로 향하는 용수의 공급유량, 상기 수용가에서 상기 열병합 발전소 또는 첨두부하 보일러로 회송되는 회송용수의 회송유량을 산출하는 플로우 산출부;
상기 수용가로 향하는 용수의 급수량의 안정적인 제어를 위해, 상기 펌프실에서 상기 수용가로 방류하는 용수의 방류압력 및 각 펌프의 가동 대수와 용량을 참조하여 상기 펌프 제어실의 출력 Gain을 산출하는 게인 산출부;
상기 회송유량과 상기 공급유량과의 편차가 감소하도록 상기 펌프실의 출력을 제어하여 상기 펌프실에서 구동할 펌프의 수와 속도를 설정하고, 상기 수용가의 영역별 압력 편차가 최대인 두 영역에 대한 압력값을 획득하고, 획득된 압력값 편차가 미리 설정된 편차가 되도록 상기 펌프실을 제어하며, 상기 수용가로 유입되는 용수와 상기 수용가에서 방출되는 용수의 압력차인 차압의 편차를 감소시켜 상기 수용가의 열 요구량을 만족시키는 펌프 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 지역난방 Plant 자동제어 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 게인 산출부는,
상기 펌프를 자동 가동하기 위하여 상기 펌프실에서 펌프의 가동 댓수에 따라서 펌프 제어부 제어기 Gain을 설정하고, 상기 수용가로 향하는 용수의 방류 압력이 낮아지면 상기 펌프의 출력이 증가되어 이를 보상하도록 펌프 출력이득을 산출하는 것을 특징으로 하는 지역난방 Plant 자동제어 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 펌프실의 각 펌프는,
PID(Proportional Integral Derivative) 제어기와 연결되며,
상기 각 펌프별 PID 제어기는 상기 펌프 제어부에 연결되어 상기 펌프 제어부에 의해 일괄 제어되고,
상기 PID 제어기는 가동 정지되는 펌프의 제어 목표는 속도 0으로 설정하고, 트랙킹 하는 것을 특징으로 하는 지역난방 Plant 자동제어 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 펌프 제어부는,
상기 수용가로 향하는 공급 용수의 총량 및 상기 수용가에서 상기 열병합 발전소로 향하는 회송 용수의 총량을 비교하여 양자의 편차가 최소가 되도록 상기 펌프실의 펌핑량을 제어하고, 수용가의 입 출구 압력차가 일정하도록 Cascade PID 제어기를 사용하고, 특정지역의 압력차가 보상될 수 있도록 회수유량을 보정할 수 있는 것을 특징으로 하는 지역난방 Plant 자동제어 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 가동 조건은,
상기 축열조에 축열된 용수가 상기 수용가로 제공되는 제1조건 및
상기 열병합 장치에서 생성되는 용수가 상기 축열조로 축열하는 제2조건 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 지역난방 Plant 자동제어 시스템. - 제5항에 있어서,
상기 플로우 산출부는,
상기 제1조건일 때, 첨두부하 보일러(PLB)의 방출 유량과 상기 축열조에서 방출되는 방출유량을 가산하여 상기 공급유량을 산출하고,
상기 제2조건일 때, 상기 첨두부하 보일러(PLB)의 방출 유량에서 상기 축열조의 방출 유량을 차감하여 산출하는 것을 특징으로 하는 지역난방 Plant 자동제어 시스템. - 제6항에 있어서,
상기 플로우 산출부는,
온도별 상기 용수의 부피가 정의되는 유량-온도 테이블을 구비하며,
상기 유량-온도 테이블을 참조하여 상기 첨두부하 보일러(PLB)에서 방출되는 용수 및 상기 축열조에서 방출되는 용수 중 적어도 하나에 대한 실(Real) 용량을 산출하는 것을 특징으로 하는 지역난방 Plant 자동제어 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 펌프실은, 제1펌프, 제2펌프 및 적어도 하나의 제3펌프를 구비하고,
상기 펌프 제어부는,
상기 제1펌프의 토출량이 미리 설정된 한계 토출량에 도달 시, 상기 제2펌프를 가동하며,
상기 제1펌프와 상기 제2펌프의 합산 토출량이 상기 한계 토출량에 도달 시, 상기 제3펌프를 추가 가동하도록 상기 펌프실을 제어하는 것을 특징으로 하는 지역난방 Plant 자동제어 시스템. - 제8항에 있어서,
상기 한계 토출량은,
상기 제1 내지 상기 제3펌프 각각이 최대 양정 가능한 토출량 대비 70% 내지 90%인 것을 특징으로 하는 지역난방 Plant 자동제어 시스템. - 제1항에 있어서
상기 첨두부하 보일러의 자동제어 시스템은 보일러 출구온도를 자동제어하기 위하여 급수량에 따른 공기량 연료량이 자동으로 제어되고, 내장되는 버너의 온도에 따라 자동으로 Cold Start 또는 Warm Star하는 것을 특징으로 하는 지역난방 Plant 자동제어 시스템.
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