KR20140012042A - 연도 가스 압축을 이용한 산소 연소 설비 및 방법 - Google Patents

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Abstract

보일러 설비의 운전을 위한 방법과 제어 장치가 기재되어 있다. 보일러 설비는, 노 용적부와, 노 용적부 내에서의 연료의 산소 연소를 위한 산소 연소 시스템과, 연소 후에 노 용적부로부터 배출되는 가스의 압축을 위한 압축 시스템을 포함한다. 본 방법과 제어 장치는 노 용적부 내의 압력을 제어하는 수단으로서 압축 시스템을 통과하는 가스의 질량 유량을 제어하는 단계를 특징으로 한다. 본 발명은 단일 및 다중 유닛 장치 모두에 관한 것이다.

Description

연도 가스 압축을 이용한 산소 연소 설비 및 방법{OXY-FUEL PLANT WITH FLUE GAS COMPRESSION AND METHOD}
본 발명은 산소 연소 능력(oxyfuel firing capability)을 가진 화력 발전 설비(thermal power plant)와 같은 보일러 설비의 운전을 위한 제어 시스템 및 운전 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 변화하는 요구사항 및 조건에 대응하여 안정적이고 안전한 운전에 적합한 화력 발전 설비를 통과하는 정확한 유량을 유지하기 위한 연소로(combustion furnace)의 운전을 위한 제어 시스템과 운전 방법에 관한 것이다. 본 발명은 단일 및 다중 유닛 장치(multi unit arrangement) 모두에 관한 것이다.
세계에서 사용되는 에너지의 대부분은 예를 들면 화력 발전소에서 석탄, 오일 및 천연 가스와 같은 화석 연료의 연소로부터 얻어진다. 그와 같은 화석 연료의 연소는 대기로 방출되는 대량의 CO2를 생성한다. 대기 중의 CO2는 주요 온실 가스인 것으로 인식되어 있다. 지구 온난화의 주원인들 중 하나는 인류의 영향으로 인한 대기 중의 온실 가스 오염의 증가인 것으로 확인되어 왔다. 온실 가스의 대기로의 더 이상의 방출에 대한 제한은 일반적으로 절박한 환경적 요건으로서 인식되고 있다. 전력 생산을 포함한 여러 응용 분야에서 화석 연료의 계속적 사용이 가능하기 위해서는, 화석 연료의 연소로부터 대기 중 CO2 방출을 감소시키기 위한 방안의 성공적 실시가 중요한다.
산소 연소는 산소 부화 연소 가스(oxygen enriched comburant gas)로 연료를 연소하는 방법이다. 종래의 화석 연료 점화형 연소 설비에 있어서, 예를 들면 증기 생성을 위한 보일러에 있어서는, 연소 가스로서 대기를 사용하여 연료를 연소하는 데에 필요한 산소를 공급한다. 산소 연소의 경우에, 산소 농도가 더욱 높은 가스 공급물 및 특히 실질적으로 순수한 O2와 재순환 CO2의 혼합물이 연소 가스로 사용된다. 이를 실시하기 위하여, 연소 가스 공급물은 노에 공급되기 전에 우선 적절한 공기 분리 유닛(air separation unit, ASU) 내에서 분리되어야 한다. 분리된 기상 산소(gaseous oxygen)만이 연소 공정에 공급되도록 계획된다. 분리된 질소/아르곤 기상 혼합물은 대기로 방출될 수 있다. 공기 분리 유닛 공정 내에서, 액체 산소는 내장형 액체 산소(liquid oxygen, LOX) 저장 설비 내에 저온으로 저장될 수 있다. 액체 공기(liquid aire, LA)는 내장형 액체 공기 저장 설비 내에서 저장될 수 있다.
산소 연소 공정(oxyfuel combustion process)은, 탄소 포집을 용이하게 하고 CO2 방출을 경감하기 위하여, CO2가 고농도로 농축된 연소 생성물, 특히 실질적으로 CO2와 물로 이루어진 연소 생성물을 생성하기 위한 것이다. 생성된 CO2는, 저장을 위하여 CO2를 압축하는 CO2 압축기를 통하여 시스템으로부터 추출된다.
산소 연소 공정과 관련된 종래 기술은, 산소 연소 사이클(oxyfuel cycle)의 기본 개념과, 산소 연소 사이클과 관련된 기계적 요소의 개발 및 효율 향상을 위한 그러한 요소들의 개량을 다루는 다양한 참고 문헌을 포함한다. 예를 들어, 미국 공개 특허 공보 제US2009/260585호 및 국제 공개 특허 공보 제WO2008/149284호에는, 산소 연소 운전(oxyfuel operation)에 적용되고 CO2 압축기에 의한 배출 CO2의 추출, 압축 및 저장 능력을 구비하는 설비가 기재되어 있다.
이 참고 문헌들에는, 노 압력의 효율적 제어를 위한 기구에 관하여 또는 산소 연소 공정의 특별한 요건에 의해 그러한 기구가 어떤 영향을 받을 수 있는지에 관하여 구체적으로 고려되어 있지는 않다.
산소 연소 사이클의 가스 시스템 내에서 주요 특정 변수, 특히 노 압력이 어떻게 제어될 수 있는지에 관한 지식은, 발전 설비 설계 및 운전에 있어서 당업자(skilled addressee) 또는 발전소 제어 시스템의 분야의 기술자에 의하여 정확히 확립되어 있지는 않다.
연소 조건의 제어는 화력 발전 설비의 안전하고 효율적이고 융통적인 운전을 위하여 중요하다. 종래의 공기 연소 발전 설비에 있어서, 정확한 연소 조건의 유지는 일반적으로 강제 통풍(forced draught, FD) 및 유도 통풍(induced draught, ID) 팬의 제어에 의해 달성되는데, 주위(environment)로부터 노 내로의 연소 공기의 전체 유량은 연료 유량에 상응하도록 FD 팬에 의해 제어되고, 연소 생성물 및 미연소 연료의 보일러실(boiler house) 내로 누설을 방지하기 위한 노 압력의 제어는 ID 팬에 의해 노로부터 주위로 추출되는 질량 유량(mass flow)의 변경에 의해 달성된다.
산소 연소 발전 설비는 '종래의' 공기 연소 모드로 운전될 수도 있고, 공정 가스가 시스템 주위를 순환하되 가스 흐름의 일부가 추출되어 CO2 압축 시스템을 통과하는 산소 연소 모드(oxyfuel mode)로도 운전될 수 있다. 현재의 산소 연소 설비 및 테스트 장비(test rig)는, ID 팬을 통과하는 질량 유량을 변경함으로써, 노 압력을 제어하기 위하여 공기 연소 모드에 이용되는 종래의 제어 설계를 사용하고, 이러한 방안을 산소 연소 방식에 적용하는 것으로 알려져 있다. 산소 연소 방식에서는 소정 순간에 ID 팬이 노로부터 소정 질량의 가스(a mass of gas)를 추출하고, 그 순간에 노로부터 추출된 질량이 노 압력의 변화에 대응하도록 제어되므로, 이러한 방법은 초기에는 유효하다. 그러나, 산소 연소 공정 내에서 가스의 재순환에 의하여, ID 팬에 의해 추출된 질량과 CO2 압축기에 의해 추출된 질량의 실질적 차이(nett difference)만큼의 질량은 재순환 도관을 통하여 노로 회송된다. 따라서, 공기 연소 보일러에 사용되는 종래 방법에 있어서, CO2 압축기를 통과하는 가스 흐름의 질량이 일정하게 유지된다면, ID 팬을 통해 가스 질량 유량을 변화시키는 효과는 노 압력에 매우 단시간의 일시적 효과만을 미치며, 노 압력 변동(furnace pressure excursion)에 기초하여 ID 팬 가스 유량을 변화시키는 것에 의해서는, 노 압력의 더욱 장기적 변동은 변화하지 않고 유지될 것이다. 현재로서, 이 문제에 대하여 발전소 설계와 제어 분야의 당업자에 의해 사용되는 해결책은, CO2가 부화된 가스 흐름의 일부를 재순환 도관으로부터 연돌로 연속적으로 방출하는 것이다.
따라서, 산소 연소 모드에 대한 이러한 종래의 제어 방안의 적용은 어느 정도의 효과를 가질 수는 있다. 그러나, 이는 산소 연소 사이클의 가스 시스템과 관련하여 제기된 특별한 기술적 문제를 해결하지 못하며, 결과적으로, 아래와 같은 사항을 포함할 수 있는 불만족스러운 다수의 결과를 생성할 수 있다.
- CO2 부화 연도 가스(rich in CO2 flue gas)의 일부를 시스템으로부터 대기로 항시 배출할 필요성이 있다. 이는, 대기로의 배출보다는 격리(sequestration)를 위한 포집을 가능하게 하기 위하여 CO2 부화 연도 가스의 압축을 채용하는 산소 연소 모드의 본래의 목적에 위배된다.
- 노 압력 변동을 감소시키기 위하여 연소 점화 시스템이 '감속될(slowed down)' 필요성이 있다. 이로 인하여 발전 설비 설계의 융통성이 감소한다.
- 제매(sootblowing) 작업과 관련하여 손상을 일으킬 수도 있는 과도한 노 압력 변동이 발생하며, 제매를 시작할 때에 더욱 대규모의 방출 증가가 적용되지 않으면, 노 압력 변동은 흔히 설비 정지(plant trip)를 야기한다.
따라서, 산소 연소 사이클의 가스 시스템 내에서 주요 특정 변수, 특히 노 압력이 어떻게 제어될 수 있는지에 관한 지식에 더욱 적절히 기초하는 제어 방법에 대한 필요성이 존재한다.
더욱이, 산소 연소 사이클 내의 설비 요소는 제어 시스템 설계가 만족하여야 하는 부수적 제한 및 요건을 부여하는 것으로 또한 인식되어 있다.
이러한 요건들을 안전하고 효과적으로 충족하기 위한 산소 연소 모드에서의 특별한 운전 요건에 적합한 통합형 제어 설계와 방법을 개발할 필요성이 있다. 안전한 해결책에 대한 이러한 필요성은 발전 설비 소유자들에 의해 명확히 인식되어 있다. 결과적으로, 기술 공급자에 대한 공통적 요건은 아래의 사항을 포함할 수 있다.
- 25년의 설비 수명
- 높은 CO2 포집율(capture rate) 목표
- 개선된 효율, 연소 융통성 및 발전 설비 융통성
본 발명에 따르면, 제1 태양에 있어서는, 노 용적부(furnace volume)와, 노 용적부 내에서 연료의 산소 연소를 위한 산소 연소 시스템과, 연소 후에 노 용적부로부터 방출되는 가스의 압축을 위한 압축 시스템을 구비하는 화력 발전 설비와 같은 보일러 설비의 운전 방법이 제공되며, 이 방법은 노 용적부 내의 압력을 제어하기 위한 수단으로서 압축 시스템을 통과하는 가스의 질량 유량을 제어하는 단계를 특징으로 한다.
본 발명에서는, 공기 연소 모드를 위하여 사용되는 종래의 제어 설계의 이용은 산소 연소 모드에는 더 이상 바람직하지 않을 수도 있다는 사실을 인식한다. 특히, 본 발명에서는, 배출 가스 압축 시스템의 압축기로 일정량의 가스를 통과시키는 가정에 기초하는 설계에 의해서는, 분쇄 시스템(milling system)과 같은 연료 공급 시스템을 통과하는 정확한 가스 질량 유량으로, 그와 동시에 정확한 노 압력으로, 운전하는 요건이 충족되지 않을 수도 있다는 사실을 인식한다. 본 발명에서는, 노 압력 제어를 위한 ID 팬의 사용은 산소 연소 모드에서의 운전에 더 이상 유효하지 않다는 사실을 인식한다. 본 발명에서는, 산소 연소 사이클을 위한 제어 계획에 있어서 이러한 가정을 이용하면, 설비 및 작업자 모두의 안전과 효율을 저하시킬 수도 있는 수용 불가한 설비 조건을 야기하게 된다는 사실을 인식한다.
본 발명에서는, 노 압력의 안정화를 위하여 산소 연소 설비의 폐쇄형 가스 재순환 시스템(closed gas recycling system)으로부터 농축 CO2 가스를 대략 10% 이상 연속 방출하는 공지의 종래 기술의 사용은 불필요하고, 종래의 공기 연소에 대해서만 적합한 노 압력 제어 개념의 적용에 기인한다는 사실을 인식한다.
대신에, 본 발명에서는 CO2 압축기를 이용하며, 이에 의하여 CO2가 저장을 위하여 압축되고, CO2 압축기는 노를 통과하는 질량 균형(mass balance)을 제어하고 그에 따라 노 용적부 내의 압력을 제어하기 위한 산소 연소 설비의 CO2 압축 및 저장 시스템의 일부를 형성한다. 보다 구체적으로는, 본 방법은, 산소 연소 능력을 구비하고, 노 용적부와, 노 용적부 내에서의 연료의 산소 연소를 위한 산소 연소 시스템과, 산소 연소 후에 노 용적부로부터 배출되는 CO2 부화 가스의 저장용 압축을 위한 압축 및 저장 시스템을 포함하는 화력 발전 설비와 같은 보일러 설비의 운전 방법이며, 노 용적부 내에서 압력을 제어하는 수단으로서 상기 압축 및 저장 시스템의 압축기를 통과하는 가스의 질량 유량을 제어하는 단계를 특징으로 한다.
산소 연소 설비의 압축 및 저장 시스템의 압축기의 사용은, 이러한 목적으로 ID을 사용하는 종래 기술에 예시된 요건들을 회피한다. 결과적으로, 본 발명에 요약된 통합형 제어 시스템은 노 압력을 안정화시키기 위하여 농축 CO2 가스를 연돌 통기구(chimney vent)로 연속적으로 배출할 필요성을 제거하며, 그에 따라 설비의 탄소 풋프린트(carbon footprint) 및 배출량을 감소시킨다.
따라서, 그 대신에 본 발명의 방법에 따르면, CO2가 고농도로 농축된 산소 연소 생성물의 저장을 위한 압축을 위하여 제공된 압축 시스템은, 노 압력을 제어하는 수단으로서 압축 시스템의 압축기 내로의 가스 유량이 변화할 수 있도록, 노 용적부와 유체적으로 연결되어 작동한다. 특히, 압축 시스템을 통과하는 가스 유량의 제어는, 부하 요구(load demand)의 변화에 대응하여 운전 조건의 변화에 대한 신속하고 정확한 응답을 생성하기 위하여, 일관적이고 안정적인 방식으로 노 압력을 변화시키는 제어 파라미터로서 사용될 수 있다.
따라서, 본 발명은, 시스템 내의 질량 균형 및 그에 따라 노 용적부 내의 압력을 제어하는 제어 파라미터로서, 압축 시스템을 통하여 저장을 위하여 압축되는 가스의 질량 유량의 제어 조정(controlled modulation)의 단계를 포함한다. 바람직하게는, 압축 시스템을 통과하는 가스의 질량 유량의 제어 조정의 단계는 노 용적부 내의 압력을 제어하는 1차적 수단이다.
특정 종래 기술 시스템에 대한 특별한 경우에 있어서, 본 발명은 노 용적부 내의 압력을 제어하기 위한 제어 단계로서 ID 팬(들)을 통과하는 유량 및/또는 대기로 방출되는 유량의 이용에 대한 대안적인 방법 단계를 포함한다. 바람직하게는, 본 발명의 방법에 따르면, ID 팬(들)을 통과하는 질량 유량 및 ID 팬(들)을 통한 대기로의 방출 유량은 노 용적부 내의 압력 제어를 위한 제어 단계로서 전혀 사용되지 않게 된다.
본 발명은 특별한 목적을 위하여 그리고/또는 특별한 가상 상황에 대응하여 수시로 CO2 부화 배출 가스의 방출 가능성을 허용하지만, CO2 부화 배출 가스의 대기로의 지속적 방출은 본 발명의 요건이 아니며, 바람직하게는 본 발명의 일부로서 실행되지도 않는다.
산소 연소 공정은 CO2가 고농도로 농축되고 특히 실질적으로 CO2로 이루어진 연소 생성물을 생성하기 위한 것이며, 노 용적부 내의 압력을 제어하기 위한 수단으로서 본 발명에 따른 압축 시스템은 연료의 연소 후에 노 용적부로부터 배출되는 CO2의 압축을 위하여 전형적으로 하나 이상의 CO2 압축기를 포함하게 된다.
압축 시스템은 압축 중 및/또는 후에 압축 CO2의 재냉각을 위하여 적어도 하나의 냉각기 또는 열 교환기를 포함할 수도 있다.
본 발명의 방법의 간단한 실시 형태에 있어서, 노 압력의 효과적 제어는 압축기를 통과하는 가스의 질량 유량의 조정에 의하여 적어도 부분적으로 달성될 수 있다. 예를 들면, 압축기를 통과하는 가스의 질량 유량은 압축기 작동의 직접 제어에 의하여 적어도 부분적으로 직접 조정될 수도 있다. 따라서, 노를 통과하는 질량 균형 및 그에 따른 노 압력의 제어를 실시하기 위하여, 압축기를 통과하는 질량 유량은 직접 조정될 수 있다.
이러한 기본 원리는, 노 압력의 동적 제어(dynamic control) 및 조정을 실시하기 위한 수단으로서, 압축기 속도를 조정하는 간단한 압력 제어 루프에 통하여, 그리고/또는 유입 유량 제어 장치를 조정함으로써, 그리고/또는 기능적으로 관련된 기타 방법에 의하여 선택적으로 달성될 수 있다.
따라서, 본 발명의 방법의 간단한 실시 형태에 있어서, 노 압력의 효과적 제어는 압축기를 통과하는 가스의 질량 유량의 직접 조정에 의해 적어도 부분적으로 달성된다. 바람직한 실시 형태에 있어서, 노 압력의 제어는, 거의 전적으로, 압축기를 통과하는 가스의 질량 유량의 직접 조정에 의해 달성된다. 그러나, 본 발명의 원리로부터 벗어나지 않고 소망 효과에 기여하도록, 압축기 유입구에서의 가스 유량을 변화시키는 다른 방법이 부가적으로 또는 대안적으로 사용될 수도 있다.
따라서, 본 발명은 특히, 소망 노 압력의 달성 또는 유지에 기여하는 질량 유량의 실시간 결정에 의하여, 그리고 소망 노 압력의 달성 또는 유지에 기여하도록 소망 질량 유량으로의 질량 유량의 동적 조정에 의하여, 노 압력을 동적으로 조정하는 방법을 포함한다.
CO2 압축 시스템을 통과하는 가스의 소망 질량 유량을 달성하기 위한 구체적 방법은 본 발명에 있어서 필수적인 것은 아니다. 압축기 시스템을 통해 산소 연소 공정으로부터 추출된 가스의 질량 유량의 변화를 실현하는 여러 방법들이 존재한다. 본 발명을 실시하는 가능한 방법의 예가 이하에 기재되어 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
- 예를 들면, 압축 시스템의 질량 유량은 압축기로의 동력의 감소 또는 증가에 의해 감소하거나 증가할 수 있다.
- 두 번째로, 압축 시스템의 질량 유량은 유입 안내 날개(inlet guide vane)와 같은 제어 수단 또는 별도의 제어 조절판(control damper)에 의하여 감소하거나 증가할 수 있다.
- 다수의 압축기들 또는 병치된 압축기 열(train)로 이루어진 압축 시스템의 경우에, 압축 시스템을 통과하는 질량 유량의 감소를 달성하기 위하여, 적어도 하나의 압축기를 통과하는 질량 유량의 차단(shut down) 또는 부분적 차단 또는 감소가 이용될 수 있다.
- CO2 가스가 도 10에 도시된 바와 같이 재순환되는 경우에, 시스템으로부터 추출된 질량 유량의 변경은 재순환 CO2 질량 유량의 조정에 의해 달성될 수 있다.
- 각 유닛이 산소 연소 보일러이고, 고려 대상의 모든 유닛들이 CO2 부화 연도 가스를 생성하고, 설치된 하나 이상의 CO2 압축 시스템을 구비하는 공통 연도 가스 도관에 연결된 구성의 다중 유닛 장치에 있어서, 각 유닛이 개별적으로 각 노 압력을 제어하도록 각 유닛으로부터 수집기(collector)로 추출되는 질량 유량을 제어하는 제어 조절판에 의하여, 각 유닛 시스템으로부터 추출되는 질량 유량이 변경됨으로써 본 발명이 실현될 수 있으며, CO2 압축 시스템을 통과하는 질량 유량은 각 유닛으로부터 추출된 질량 유량의 합계와 동일하다. 이와 같이 가능한 장치에 있어서, (하나 이상의) 각 CO2 압축 시스템을 통과하는 유량은 가스 수집기로부터 제거되는 필요한 전체 질량 유량을 만족하도록 조정될 수 있고 그리고/또는 추가 장점을 달성하도록, 즉 CO2 압축 시스템의 전체 작동 동력(total works power)이 감소하도록 조정될 수 있거나, 다른 예로서 CO2 압축 시스템이 하나 이상의 산소 연소 유닛과 쌍을 이루는 경우에, 유량은 유닛 유출 요건(unit sent out demand)을 달성하도록 조정될 수 있을 것이다. 이러한 가능한 실시 형태가 도 11에 도시되어 있다.
산소 연소 시스템에 본 발명을 적용하기 위하여, 전술한 가능한 실시 형태들 중 일부 또는 모두의 조합은 하나의 시스템 내에 동시에 공존할 수 있다.
동적 성능(dynamic performance)은, 압축기를 통과하는 가스의 소망 질량 유량의 결정 단계 내에 피드포워드 형식의 제어 연산의 표현(manifestation)의 선택적 포함에 의하여 개선될 수 있다.
동적 성능은, 압축기를 통과하는 가스의 소망 질량 유량의 결정 단계 내에 비선형 보정 항(nonlinear compensation term)의 선택적 포함에 의해 개선될 수 있다.
본 방법의 바람직한 개량 형태에 있어서는, 노로부터의 공기 누설에 관하여 결정이 이루어지며, 노 압력의 정확한 값을 유지하기 위하여 필요한 추출 유량을 결정함에 있어서 이를 추가로 고려한다.
본 발명의 개량 형태에 있어서, 연소 시스템 내에서 산소 연소를 위하여 산소의 주입을 위한 다수의 지점이 제공될 수 있고, 본 방법은 노 시스템의 운전 특성의 제어를 위한 제어 파라미터로서 이러한 다수의 지점들에서 또는 지점들 사이에서 산소 질량 유량의 조정을 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 가장 포괄적으로, 노 압력의 제어는 압축기를 통과하는 가스의 질량 유량의 조정에 의해 달성될 수 있다.
성능을 최적화하기 위하여 채용될 수 있는 추가 공정 변수는,
연료 연소율,
노 출구 가스의 산소 함량,
연소 시스템으로의 재순환 가스 유량,
산소 주입 유량,
압축기 공급 압력의
모든 조합을 포함할 수 있다.
본 발명의 제1 태양의 방법은 바람직하게는, 동적 연소 성능을 최적화하는 데에 기여하는 하나 이상의 전술한 파라미터들 또는 기타 파라미터들의 동적 조정과 더불어, 소망 노 압력을 달성하거나 유지하는 데에 기여하는 질량 유량의 실시간 결정에 의하여, 그리고 소망 노 압력을 달성하거나 유지하는 데에 기여하도록 소망 질량 유량으로의 질량 유량의 동적 조정에 의하여, 노 압력을 동적 조정하는 방법을 포함한다.
본 발명의 방법은, 산소 연소 능력을 구비하고 공정 가스가 시스템 주위를 순환하되 가스 흐름의 일부가 추출되어 후속 저장을 위하여 CO2 압축 시스템을 통과하는 화력 발전 설비와 같은 보일러 설비의 운전에 적용될 수 있고, 노 압력에 대한 제어 파라미터로서 압축 및 저장 시스템의 압축기를 통과하는 질량 유량을 이용한다. 산소 연소 설비는 전형적으로 '종래의' 공기 연소 모드로 운전될 수도 있고 산소 연소 모드로 운전될 수도 있다. 산소 연소 설비는 2가지 모드들 사이의 천이(transition) 모드로 운전될 수도 있다. 본 발명의 방법은 바람직하게는 적어도 산소 연소 모드의 시스템에 적용된다.
본 발명에 따르면 또 다른 태양에 있어서, 보일러 설비 장치 및 예를 들어 화력 발전 설비 장치의 전력 생산 시스템은, 노 용적부와, 노 용적부 내에서 화석 연료의 산소 연소를 위한 산소 연소 시스템과, 연소 후에 노 용적부로부터 배출되는 가스의 압축을 위한 압축 시스템을 포함하며, 연소 요건의 협조적 변화(co-ordinated change)와 더불어, 노 용적부 내에서 압력을 제어하기 위한 수단으로서 압축 시스템을 통과하는 가스의 질량 유량을 제어하도록 구성된 제어 시스템의 제공을 특징으로 한다.
이해할 수 있는 바와 같이, 산소 연소 능력을 구비한 화력 발전 설비와 같은 보일러 설비는, 노 용적부와, 노 용적부 내에서 연료의 산소 연소를 위한 산소 연소 시스템과, 산소 연소 후에 노 용적부로부터 배출되는 CO2 부화 가스의 저장용 압축을 위한 압축 및 저장 시스템을 포함한다. 본 발명의 장치는 노 용적부 내의 압력을 제어하는 수단으로서 상기 압축 및 저장 시스템의 압축기를 통과하는 그와 같은 가스의 질량 유량을 조정하는 제어 시스템의 제공을 특징으로 한다.
제어 시스템은 바람직하게는 압축기를 통과하는 가스의 질량 유량의 직접 조정에 의하여 노 압력의 효과적 제어가 적어도 부분적으로 달성되도록 제공된다. 압축기를 통과하는 가스의 질량 유량은 압축기 작동의 직접 제어에 의해 적어도 부분적으로는 직접 조정될 수 있고, 제어 시스템은 바람직하게는 이를 실시하도록 구성된다. 바람직한 실시 형태에 있어서, 노 압력의 제어는, 거의 전적으로, 압축기를 통과하는 가스의 질량 유량의 직접 조정에 의해 달성될 수 있고, 제어 시스템은 바람직하게는 이를 실시하도록 구성된다. 그러나, 이러한 소망 효과에 기여하도록, 압축기 유입구에서 가스 유량을 변경하는 다른 방법들이 부가적으로 또는 대안적으로 이용될 수 있다.
바람직하게는, 제어 시스템은 소망 노 압력을 달성하거나 유지하는 데에 기여하는 질량 유량으로서 압축기를 통과하는 가스의 소망 질량 유량의 실시간 결정에 의하여, 그리고 소망 노 압력을 달성하거나 유지하는 데에 기여하도록 소망 질량 유량으로의 질량 유량의 동적 조정에 의하여, 노 압력을 동적으로 조정하도록 구성된다.
본 발명의 제2 태양의 화력 발전 설비의 다른 바람직한 특징들은, 본 발명의 제1 태양의 방법과의 유사성에 의하여 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 제2 태양에 따른 화력 발전 설비의 전력 생산 시스템에는, 노 용적부로터 가스를 제거하기 위하여, 유도 통풍 팬(ID fan)부터 연돌까지 조정식 통기구 조절판이 제공될 수 있다. 그와 같은 경우에, 본 발명의 제1 태양의 방법은 연소율의 급속 증가, 하나 이상의 압축기의 손상(loss) 또는 일부 손상 또는 급격한 일부 차단과 같은 상황에 기인하는 양의 압력 변동을 최소화하도록 ID 통기구 제어의 단계를 선택적으로 포함할 수 있다. 본 발명의 제2 태양의 장치는 이를 실시하기 위하여 ID 통기구 제어 수단을 선택적으로 포함할 수 있으며, 예를 들면 ID 팬에서 방출되는 CO2의 비율이 변경될 수 있게 하는 선택 작동형 폐쇄 조립체(selectively operable closure assembly)를 포함한다.
그러나, 바람직한 경우에, ID 팬(들)을 통과하는 유량 및/또는 ID 팬(들)을 통해 대기로 방출되는 유량의 제어는 노 용적부 내의 압력을 제어하는 1차 제어 단계로서 사용되지는 않는다.
본 발명의 제2 태양에 따른 산소 연소 보일러 설비 전력 생산 시스템에는, 연도 가스를 대기로 방출하기 위하여 연도 가스 연돌이 제공될 수 있다. 그와 같은 경우에, 본 발명의 제1 태양의 방법은, 양의 압력 변동을 최소화하기 위하여, 예를 들면 연돌 차단 조절판 조립체의 제어식 개방에 의하여 연돌로 가스를 방출하는 연돌 통기구 제어를 선택적으로 포함할 수 있다. 본 발명의 제2 태양의 장치는 이를 실시하기 위하여 연돌 통기구 시스템 및 통기구 제어 수단을 선택적으로 포함할 수 있으며, 예를 들면 CO2의 모두 또는 일부가 연돌로 방출될 수 있게 하는 선택 개방형 연돌 차단 조절판 조립체(selectively openable chimney isolation damper assembly)를 포함한다.
예를 들면, 압축 시스템은 CO2의 모두 또는 일부가 압축기(들)를 우회할 수 있게 하는 우회로(bypass)를 포함할 수 있으며, 이는 예를 들면 CO2 압축 시스템의 하류의 연도 가스 연돌에 연결된다. 이러한 조절판 조립체 또는 우회로는 압축 시스템의 정비 중의 설비 운전뿐만 아니라 설비의 시동(start-up) 및 정지(shut down)에도 유리할 수 있다.
본 발명의 제2 태양에 따른 산소 연소 보일러 설비 전력 생산 시스템에는, 강제 통풍 팬(FD fan)의 상류에 조정식 통기구(또는 공기 흡입구)가 사용되는 시스템이 제공될 수 있다. 그와 같은 경우에, 본 방법은 연소율의 급속 감소, 하나 이상의 압축기의 시동, 또는 속도 또는 전력의 급속 증가에 기인하는 음의 압력 변동을 최소화하기 위하여 선택적으로 FD 통기구 제어의 단계를 선택적으로 포함할 수 있다. 본 발명의 제2 태양의 장치는 이를 실시하기 위하여, 예를 들면 추가 공기가 주위로부터 FD 팬의 흡인부(suction) 내로 진입할 수 있게 하는 선택 작동형 유입구 폐쇄 조립체를 포함하는 FD 통기구 제어 수단을 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에서는 선택적으로 그리고 전술한 발명에 부가적으로 또는 대안으로서, 노 압력의 음의 변동을 제한하기 위한 동일한 목적으로, 가변 비율의 CO2 부화 가스가 재순환 가스 흐름 내에 주입될 수 있다는 사실을 인식한다. 이러한 가능한 실시 형태가 도 12에 도시되어 있다.
본 발명은, 공기 연소를 위해 개발된 제어가 부적절하게 산소 연소에 적용되었을 때에 발생하는 문제들을 회피하고, 산소 연소 사이클의 모든 운전 요건들을 동시에 충족하는 방식으로 산소 연소 설비의 안전하고 효율적인 운전을 제공하는 통합형 설계 및 방안을 위한 원리를 개발한다.
특히, 본 발명은 이러한 원리들이 실제로 어떻게 실현될 수 있는지를 인식한다.
특히, 본 발명은 운전에 있어서의 공기 누설의 중요성과 설비의 제어 가능성을 인식하고 관련된 문제들을 회피하는 방법을 설명한다.
특히, 본 발명은 설비의 효율, 제어 및 운전 특성을 변화시키기 위하여 산소 주입을 위한 여러 지점들이 사용될 수 있다는 사실을 인식한다.
특히, 본 발명은 공기 연소와 산소 연소 사이클 운전 사이의 주요 운전 차이를 인식한다. 공기 연소 사이클의 경우에, 주요 제어 변수들 사이의 상호 작용의 크기는 제한되어, 간단하고 독립적인 제어 루프 구조의 사용을 가능하게 한다. 그러나, 방출 없이 운전되는 산소 연소 사이클에서의 상호 작용의 증가된 수준은, 주요 공정 변수들의 과도한 변동이 방지되어야 한다면, 전반적인 산소 연료 및 가스 시스템 내에서 모든 설비 요소들의 제어에 대한 통합형 방법을 필요로 한다.
특히, 본 발명은 그와 같은 전체적인 제어의 통합에 의하여 다음과 같은 많은 장점들이 달성될 수 있다는 사실을 인식한다.
- 방출의 필요성의 상당한 감소 또는 제거, 그에 따라 환경에 미치는 악영향 감소
- 개선된 연소 제어에 기인하는 개선된 열 효율
- 손상을 일으킬 수도 있는 노 가스 압력 변동의 수준의 감소
- 부하 응답(load response)에 있어서 최대 융통성을 달성하고 유지하는 능력.
도 1은 산소 연소 사이클을 단순화한 개략도이다.
도 2는 산소 연소 사이클을 위한 전체 제어 시스템의 실시 형태의 전반적 개략도이다.
도 3은 산소 연소 모드 협조 제어의 원리의 개략도이다.
도 4는 CO2 압축기를 이용하는 산소 연소 모드 노 압력 제어의 원리의 요약 개략도이다.
도 5는 노 압력의 제어를 위한 연돌 통기구 제어 방법의 원리의 개략도이다.
도 6은 노 압력의 제어를 위한 FD 팬 공기 유입 공급 통기구 제어 방법의 원리의 개략도이다.
도 7은 재순환 가스 유량 제어의 개략도이다.
도 8은 산소 제어의 개략도이다.
도 9는 압축기 공급 압력 제어의 개략도이다.
도 10은 CO2 압축 재순환이 채용된 산소 연소 시스템의 개략도이다.
도 11은 공통 연도 가스 수집기에 연결된 다중 산소 연소 보일러 유닛 장치의 개략도이다.
도 12는 음의 노 압력에 사용되는 CO2 부화 가스 재순환 및 공기 흡입의 개략도이다.
이제부터 첨부 도면의 도 1 내지 도 12만을 참조하여 예시적으로 본 발명을 설명하기로 한다.
산소 연소 사이클의 제어에 있어서 근본 문제들을 해결하는 일련의 통합형 제어 계획을 개선하고 그와 동시에 안전하고 효율적인 방식으로 설비를 운전하는 데에 필요한 여러 공정 조건을 충족할 수 있는 본 발명의 예시적 실시 형태가 기재되어 있다. 본 발명의 실시 형태는 전체 성능에 있어서 공기 누설의 중요한 역할 및 공정의 제어 가능성을 또한 고려하며 이러한 요인들을 처리하는 예시적 방법들을 설명한다.
산소 연소 사이클 및 공정을 단순화한 개략도가 도 1에 도시되어 있다.
산소 연소 사이클의 안전하고 효율적인 운전을 위하여, 이하의 요건이 만족되어야 한다.
그와 동시에, 노 내로의 질량 유량은 아래의 상호 관련 요건을 만족하여야 한다.
i) 연료 질량 유량은 부하 및 보일러 증기 압력 요건을 만족하여야 하고 비교적 짧은 시간 동안에 상당히 변화할 수 있다.
ii) 특정 연료 유량에 대하여, 재순환 가스의 질량 유량은 노 내로의 분쇄 연료(pulverised fuel)의 이송을 위하여 연료 준비 및 공급 시스템 설비를 통하여 정확한 질량 유량을 유지하도록 구성되어야 한다. 필요한 유량은 일반적으로 연료 유량의 비선형 함수이다.
iii) 산소 질량 유량은 노 내로 진입하는 연료의 완전 연소를 제공하기에 충분하여야 한다.
iv) 연료 준비 및 공급 시스템 설비의 상류에서 산소가 재순환 가스와 혼합되는 설계에 있어서, 혼합물 내의 산소의 농도는 폭발 가능성을 피하기 위하여 적절하고 안전한 수준을 유지하여야 한다.
질량 유량 조건 이외에도, 시스템은 이하의 요건을 또한 만족하여야 한다.
- 노 압력은, 보일러실 내로의 미연소 연료 및 연소 생성물의 누설을 방지하기 위하여, 대기압보다 약간 작은 값(~ -0.05 kPag 내지 -0.1 kPag이 전형적)으로 유지되어야 한다.
- CO2 압축기로의 가스 공급 압력은, 충분하고 안정적인 압축기 작동을 보장하기 위하여, 허용 가능한 압력 범위 내로 유지되어야 한다.
- CO2 압축기의 손상, 급속 시동 또는 정지가 안전 문제를 일으키거나 노 또는 관련 배관(ductwork)의 구조(fabric)를 손상시킬 수도 있는 압력 변동을 일으키지 않도록, 제어가 이루어져야 한다.
- 노 내에서 강열 감량 또는 부분적 강열 감량(partial loss of ignition)이 안전 문제를 일으키거나 노 또는 관련 배관의 구조를 손상시킬 수도 있는 압력 변동을 일으키지 않도록, 제어가 이루어져야 한다.
산소 연소 설비를 설계함에 있어서 그리고 운전 절차(operating procedure)의 개발에 있어서, 압축기가 노로부터 가스 질량 유량의 일정한 분량(α)을 취입하고, 나머지는 연소 시스템으로 재순환된다고 가정하면 편리하다. 설비의 산소 주입 시스템에 따라서, 이 분량은 CO2 압축기 추출 지점(extraction point) 이전에 전체 재순환 질량 유량의 대략 30% 내지 35%로 설정될 수 있다.
특히 본 발명은 이하의 변화들 모두가 노 압력의 정확한 값을 유지하는 데에 필요한 압축기에 의해 추출된 재순환 가스 유량의 분량에 상당한 변화를 일으킨다는 것을 인식한다.
- 연료 유량
- 노 압력 변화로 인한 노 누설 유량
- 회전형 공기 가열기 내의 밀봉부 마모(seal wear) 또는 밀봉부 대 밀봉부 변화에 의한 공기 가열기 누설 유량
- 도관(ducting), ESP, FGD, 직접 접촉 냉각기(DCC), 팬과 같은 설비 영역 내에서 노 출구 가스 내로의 누설 유량
특히, 본 발명은 이러한 누설 요인들이 직접 측정될 수 없다는 것을 인식하고, 이러한 문제점을 극복하고 그와 동시에 전 장에 요약된 기타 운전 요건을 만족하는 제어 시스템의 원리와 설계를 설명한다.
이러한 기능적 설계 인자들은, 본 발명의 기능적 구조와 원리의 이해를 돕기 위하여 종래의 공기 연소 및 산소 연소 운전 모드에 적용될 수 있는 가능한 제어 방법들을 비교한 표 1에 고려되어 있다.
종래의 공기 연소 및 산소 연소 운전 모드에 필요한 제어 비교
제어방법
항목 제어되는
공정 변수		 종래의 공기 연소 모드 산소 연소 모드
1 연료 연소율 확립된 연료 연소율 제어
제어 계획은
- FD 팬 제어(항목 3)에 사용을 위하여 필요한 전체 연소 공기 유량을 연산한다. 		확립된 연료 연소율 제어
추가 모델에 기초한 제어와 조합
- CO2 압축기 제어에 피드포워드 항으로 사용되는 CO2 압축기 추출 분량(αff) (표 1의 항목 2)
- 설정값에 FGR 시스템 재순환 질량 유량 제어 보정 (표 1의 항목 5)
- 산소 주입 유량 제어를 위한 O2 질량 유량 설정값 (표 1의 항목 6)
- 설정값에 압축기 공급 압력 제어 보정 (표 1의 항목 7)
2 노 압력 ID 팬
(속도 또는 속도와 제어 조절판 또는 제어 조절판)		 압축기 추출
(속도 또는 속도와 제어 조절판 또는 제어 조절판을 통해)
그리고 선택적으로
연돌 통기구 제어 조절판으로
그리고 선택적으로
FD 공기 유입구 제어 조절판으로
3 전체 연소 공기 유량 FD 팬
(속도 또는 속도와 제어 조절판 또는 제어 조절판을 통해)		 N/A
(직접 측정은 가능하지 않음)
4 노 출구 가스의 산소 함량 FD 팬 제어에 트림(trim) 산소 공급 제어에 트림
(아래 참조)
5 연소 시스템으로의 재순환 가스 유량 N/A FGR 조절판 및/또는 FD 팬
(속도 또는 속도와 제어 조절판 또는 제어 조절판을 통해)
6 산소 주입 유량 N/A 산소 공급 제어 조절판
선택적으로 영국 특허 출원 제1018227.7호에 통합
7 압축기 공급 압력 Pc N/A ID 팬
(속도 또는 속도와 제어 조절판 또는 제어 조절판을 통해)
표 1에 기재된 그러한 공정 변수들의 조정을 제어 파라미터로 적용하는 전반적인 제어 시스템의 실시 형태의 전체적인 개략도가 도 2에 도시되어 있다. 실시 형태에서는, 가능한 공정 변수들의 범위에 기초하는 가능한 제어 변수들의 범위가 고려된다.
이해될 수 있는 바와 같이, 본 발명은 가장 기본적으로 노 압력의 제어(표 1의 항목 2)를 위하여 CO2 압축기를 이용한다. 포괄적으로, 본 발명은 적어도 이러한 공정 변수의 제어에 기초하는 제어 방법 및 시스템이다. 도 2에 비제한적 예로서 추가로 도시된 다른 공정 변수들은 운전 역학(dynamics of operation)을 최적화하기 위하여 개별적으로 또는 조합되어 또한 사용될 수 있다.
도 2에 예시된 공정 제어 방법 및 이하의 특별한 몇몇 공정 제어들에 대한 더욱 상세한 논의는 그러한 일반적 원리의 실시 가능한 예로서 이해될 수 있을 것이다.
특히, 본 예에서는, 산소 연소 모드에서 가스 재순환의 존재에 기인하는 상호 작용의 증가된 수준에 의한 제어 루프들 사이의 추가적인 감결합(de-coupling) 및 협조(co-ordination)의 값을 인식한다.
특히, 본 예에서는, 산소 연소 협조 제어(co-ordinating control)의 사용에 의하여 또는 개별 제어 루프들로의 이러한 기능의 일부 이전(devolvement)에 의하여, 협조 및 감결합 기능이 실제로 달성될 수 있다는 것을 인식한다.
도 2에 예시된 전체 제어 설계의 각 부분의 기능은 그에 기초하여 이하에서 상세히 고려된다.
산소 연소 모드 협조 제어(표 1의 항목 1)
전체 제어 설계의 이 부분의 주 기능은, 노 압력 및 재순환 가스 유량과 같은 각각의 특정 기능을 위한 각 제어 루프들이 일관적이고 안정적으로 작동하여 운전 조건의 변화에 신속하고 정확한 응답을 생성하는 것을 보장한다.
이러한 제어의 주 기능들이 도 3에 도시되어 있다.
노 압력 제어(표 1의 항목 2)
노 압력의 제어를 위한 본 발명의 원리 및 CO2 압축기의 사용을 일반화하여 나타낸 개략도가 도 4에 요약되어 있다.
예시적 실시 형태의 이러한 태양과 관련하여 이하의 특징들이 관찰된다.
- 노 압력 제어를 위한 ID 팬의 사용은 산소 연소 모드에서의 운전에 있어서는 더 이상 유효하지 않다.
- 노 압력의 효과적 제어는 압축기를 통과하는 가스 유량을 조정함으로써 달성될 수 있다.
- 이러한 근본 원리는, 선택적으로, 압축기 속도를 조정하는 간단한 압력 제어 루프 또는 유입 유량 제어 장치로 달성될 수 있거나, 기능적으로 관련된 다수의 방법들에 의하여 달성될 수 있다.
- 동적 성능은 도 4에 예시된 바와 같은 본 발명 내에서 피드포워드 형태의 제어의 표현의 선택적 포함에 의해 개선될 수 있다.
- 동적 성능은 도 4에 예시된 비-선형 보정 항들의 선택적 포함에 의하여 개선될 수 있다.
- 공기 누설은, 노 압력의 정확한 값을 유지하기 위하여 필요한 일부 유량(α)과 그에 따른 추출 유량의 값 및 그 효과를 결정함에 있어서 중요하고, 압력 감도(pressure sensitivity) 및 그에 따른 노 압력 제어 시스템의 조정(tuning)의 관점에서도 중요하다.
- 도 5에 예시된 바와 같은 ID 통기구 제어는, 연소율의 급속 증가, 하나 이상의 CO2 압축기의 손상 또는 부분 손상 또는 급속한 부분 차단과 같은 경우에 발생하는 양의 압력 변동을 최소화하기 위하여 선택적으로 포함될 수 있다.
- 도 6에 예시된 바와 같은 FD 통기구 제어는, 연소율의 급속 감소, 하나 이상의 CO2 압축기의 시동, 또는 속도 또는 전력의 급속 증가와 같은 경우에 발생하는 음의 압력 변동을 최소화하기 위하여 선택적으로 포함될 수 있다.
- 음의 노 압력 변동에 대하여, 본 발명은 공기 흡입 통기구 조정 제어 대신에 추가 CO2 부화 가스 주입에 의하여 실현될 수 있다.
피드포워드 항에 대한 값은 제어 시스템 내에 개발된 특별하고 적합한 코드(code) 내의 2개의 방법 중 하나에 의해서 산정될 수 있다.
제1 대안적 방법에서는, 예를 들면 연료 준비 및 공급 시스템이 상류 및 연료 준비 및 공급 시스템의 하류(즉, 버너 또는 풍상(windbox))에서의 산소 주입을 포함하는 기여 인자들을 모델화하기에 적합한 수식을 이용하여, 피드포워드 항의 직접 연산이 이루어질 수 있다.
전형적으로 -5 kPag인 노 압력 제어에 대한 설정 값(setpoint value)과 함께, 공기 가열기와 도관, ESP, FGD, DCC 누설 질량 유량 및 노 누설 인자(k)에 대한 평가(또는 설계 값)를 사용하는 적절한 알고리듬이 개발될 수 있다.
연료 질량 유량은 항상 측정될 수 있는 것은 아니며, 이 경우에 연료 준비 및 공급 시스템의 동적 응답(dynamic response)을 고려한 요구 연료 값에 기초하거나, 직접 연소의 경우에는 분쇄 연료 저장고(silo)에 기초한 평가가 사용될 수 있다.
이 방법의 바람직한 실시는 제어 시스템 내에 수식의 직접 코드화(direct coding)에 의하는데, 이는 연산 내의 항들이 직접 측정을 통하여 갱신되거나 설비 성능 조사의 일부로서 얻어진 오프라인 데이터로부터 갱신될 수 있게 하기 때문이다.
제2 대안적 방법에서는, 여러 연소율에서 설정 압력을 유지하는 데에 필요한 피드포워드 값을 확인하기 위하여, 설비 테스트가 실시된다. 그 후에 이 값들은, 연산 또는 설비 테스트 데이터에 의해 결정된 연료 유량의 함수로서 피드포워드 항이 설정되도록, 제어 시스템 내의 특성 평가 블록(characterisation block) 내에 입력된다.
연돌 및 FD 팬 유입 도관 통기구 제어
이 선택적 구성은 예를 들면 이하의 사항이 고려될 수 있게 한다.
- 양으로 변화하는 노 압력 변동은, 연돌 차단 조절판 조립체의 제어된 개방에 의하여 가스 유량을 연돌로 배출함으로써 감소될 수 있다.
- 음으로 변화하는 노 압력 변동은, FD 유입 공기 공급 도관 차단 조절판 조립체의 제어된 개방에 의하여 공기를 시스템에 유입시킴으로써 감소될 수 있다.
- 압력 변동을 교정하기 위하여 통상적으로 비교적 작은 값의 질량 유량이 필요하므로, 주 차단 조절판의 이용보다는 우회 조절판 배치의 (선택적) 사용에 의해 개선된 제어가 달성될 수 있다.
- 편차(deviation)의 크기가 클 경우에는, '분할 범위(split range)' 제어를 사용하여, 소형 통기구 조절판이 우선 개방된 후에 필요에 따라 대형 차단 조절판이 개방된다.
통기구 및 관련 제어 설계에 대한 요약 개략도가 도 5 및 도 6에 도시되어 있으며, 각 도면은 노 압력의 제어를 위한 연돌 통기구 제어 방법의 요약 개략도 및 노 압력의 제어를 위한 FD 팬 공기 유입 공급 통기구 제어 방법의 요약 개략도를 각각 나타낸다.
재순환 가스 질량 유량 제어(표 1의 항목 5)
이 선택적 구성은 예를 들면 이하의 사항이 고려될 수 있게 한다.
- FGR 유량 제어 조절판 및 FGR 팬 속도(또는 FD 팬 속도)는, 작동 전력의 최소화를 위하여, 조절판의 동작에 의한 유량 제어의 허용 가능한 수준의 유지에 상응하는 최대 조절판 개방 및 최소 팬 속도에서, 필요한 FGR 질량 유량을 공급하도록 제어된다.
FD 팬 유입 공급 통기구 제어가 채용되는 경우(표 1의 항목 2 참조)에, FGR 시스템 및 조절판의 설계와 제어는 외부 공기 공급 도관과 FD 팬 유입구 사이의 교차점에서 대기압 이하의 압력을 유지하여야 한다.
재순환 가스 유량 제어의 요약 개략도가 도 7에 도시되어 있다.
산소 주입 제어(표 1의 항목 6)
이 선택적 구성은 예를 들면 이하의 사항이 고려될 수 있게 한다.
- 산소 주입 및 농도의 정확한 제어는 연소 및 안전상의 이유로 중요하다.
- 시스템 내에 산소 농도의 정확한 제어를 달성함에 있어서, 연료 준비 및 공급 시스템과 분쇄 연료 이송 시스템과 관련된 공정 역학의 중요성이 고려된다.
산소 유량 제어에 대한 요약 개략도가 도 8에 도시되어 있다.
압축기 공급 압력 제어(표 1의 항목 7)
이 선택적 구성은 예를 들면 이하의 사항이 고려될 수 있게 한다.
- 압축기로의 공급 압력의 제어는, 팬 속도를 변경함으로써, 또는 ID 팬 조절판 위치를 변경함으로써, 또는 양자를 조합함으로써, 또는 ID 팬의 하류에 추가 조절판의 위치를 변경함으로써, ID 팬을 통과하는 가스 유량의 조정에 의해 달성된다.
- 다른 제어 요소들과의 밀접한 연관성(coupling) 및 상호 작용은 계획들 사이에 제어의 효과적 협조를 필요로 하며, 이는 전술한 산소 연소 모드 협조 제어에 의해 달성된다.
- 요소들 사이의 상호 작용을 분리하는 보정은 도 9에 도시된 바와 같이 압력 제어기에, 또는 대안적으로 설계의 피드포워드 요소에, 또는 대안적으로 피드포워드 및 압력 제어 요소 모두에 적용될 수 있다.
압축기 공급 제어에 대한 요약 개략도가 도 9에 도시되어 있다.
도 11은 공통 연도 가스 수집기에 연결된 다중 산소 연소 보일러 유닛 배치의 개략도이다.
도 12는 음의 노 압력에 사용되는 CO2 부화 가스 재순환 및 공기 흡입의 개략도이다.

Claims (16)

  1. 노 용적부와, 노 용적부 내에서의 연료의 산소 연소를 위한 산소 연소 시스템과, 연소 후에 노 용적부로부터 배출되는 가스의 압축을 위한 압축 시스템을 포함하는 보일러 설비의 운전 방법에 있어서,
    노 용적부 내의 압력을 제어하는 수단으로서 압축 시스템을 통과하는 가스의 질량 유량을 제어하는 단계를 특징으로 하는 보일러 설비의 운전 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    압축 시스템을 통과하는 가스 유량의 제어는, 부하 요구의 변화에 대응하여 운전 조건의 변화에 대한 신속하고 정확한 응답을 생성하기 위하여, 일관적이고 안정적인 방식으로 노 압력을 변화시키는 제어 파라미터로서 사용되는 것을 특징으로 하는 보일러 설비의 운전 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    노 용적부 내의 압력을 제어하는 수단으로서 사용되는 압축 시스템은, 연료의 연소 후에 노로부터 배출되는 CO2의 압축을 위하여 하나 이상의 CO2 압축기를 포함하는 것을 특징으로 하는 보일러 설비의 운전 방법.
  4. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    노 압력을 제어하기 위하여 압축기를 통과하는 가스의 질량 유량을 조정하는 단계를 특징으로 하는 보일러 설비의 운전 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    압축기를 통과하는 질량 유량을 조정하는 단계는, 노 압력의 동적 제어 및 조정을 실시하기 위한 수단으로서 압축기 속도를 조정함으로써 실시되는 것을 특징으로 하는 보일러 설비의 운전 방법.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    압축기를 통과하는 가스의 질량 유량을 조정하는 단계는 유입 유량 제어 장치를 조정함으로써 실시되는 것을 특징으로 하는 보일러 설비의 운전 방법.
  7. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    소망 노 압력을 달성하거나 유지하는 데에 기여하는 질량 유량의 실시간 결정에 의하여, 그리고 소망 노 압력을 달성하거나 유지하는 데에 기여하도록 소망 질량 유량으로의 질량 유량의 동적 조정에 의하여, 노 압력을 동적 조정하는 단계를 특징으로 하는 보일러 설비의 운전 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    동적 연소 성능을 최적화하는 데에 기여하도록,
    연료 연소율,
    노 출구 가스의 산소 함량,
    연소 시스템으로의 재순환 가스 유량,
    산소 주입 유량 및
    압축기 공급 압력의 공정 파리미터들 중 하나 이상의 모든 조합의 동적 조정과 함께,
    소망 노 압력을 달성하거나 유지하는 데에 기여하는 질량 유량의 실시간 결정에 의하여, 그리고 소망 노 압력을 달성하거나 유지하는 데에 기여하도록 소망 질량 유량으로의 질량 유량의 동적 조정에 의하여, 노 압력을 동적 조정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 보일러 설비의 운전 방법.
  9. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    보일러 설비는 노 용적부로부터 가스를 제거하기 위하여 조정된 통기구 조절판을 갖는 유도 통풍(ID) 팬을 구비하며,
    연소율의 급속 상승, 하나 이상의 압축기의 손상 또는 부분 손상 또는 급속 부분 차단과 같은 경우에 발생하는 양의 압력 변동을 최소화하기 위한 ID 통기구 제어의 단계를 포함하는 보일러 설비의 운전 방법.
  10. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    보일러 설비는 노 용적부 내로 연도 가스를 재순환시키는 강제 통풍(FD) 팬을 구비하며,
    연소율의 급속 감소, 하나 이상의 압축기의 시동 또는 속도 또는 전력의 급속 증가와 같은 경우에 발생하는 음의 압력 변동을 최소화하기 위한 FD 통기구 제어의 단계를 포함하는 보일러 설비의 운전 방법.
  11. 노 용적부와, 노 용적부 내에서 화석 연료의 산소 연소를 위한 산소 연소 시스템과, 연소 후에 노 용적부로부터 배출되는 가스의 압축을 위한 압축 시스템을 구비하는 전력 생산 시스템을 포함하는 보일러 설비 장치에 있어서,
    노 용적부 내의 압력을 제어하는 수단으로서 압축기를 통과하는 가스의 질량 유량을 제어하도록 구성된 제어 시스템이 제공된 것을 특징으로 하는 보일러 설비 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    제어 시스템은, 소망 노 압력을 달성하거나 유지하는 데에 기여하는 질량 유량으로서 압축 시스템을 통과하는 가스의 소망 질량 유량의 실시간 결정에 의하여, 그리고 소망 노 압력을 달성하거나 유지하는 데에 기여하도록 소망 질량 유량으로의 질량 유량의 동적 조정에 의하여, 노 압력을 동적으로 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하는 보일러 설비 장치.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    화력 발전 설비의 일부로서 제공된 보일러 설비 장치.
  14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    노 용적부로부터 가스를 제거하기 위하여 조정된 통기구 조절판을 구비하는 유도 통풍(ID) 팬과, ID 팬에서 배출되는 CO2의 비율이 변경될 수 있게 하는 선택 작동형 폐쇄 조립체를 포함하는 ID 통기구 제어 수단이 제공된 것을 특징으로 하는 보일러 설비 장치.
  15. 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    압축 시스템은 CO2의 모두 또는 일부가 압축 시스템을 우회할 수 있게 하는 우회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 보일러 설비 장치.
  16. 제11항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    노 용적부 내로 연도 가스를 재순환시키는 강제 통풍(FD) 팬과, 재순환되는 가스의 비율이 변경될 수 있게 하는 선택 작동형 유입구 폐쇄 조립체를 포함하는 FD 통기구 제어 수단이 제공된 것을 특징으로 하는 보일러 설비 장치.
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