KR20150120574A - 보일러 화로 연소진동 감시장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 보일러 화로 연소진동 감시장치에 관한 것으로, 압력맥동 측정지그를 이용하여 화로의 외측에서 압력맥동을 간접 측정하고, 측정된 압력맥동과 화로의 공진 주파수를 비교하여 공진에 의한 화로의 이상 진동 발생을 예측 및 경보한다.

Description

보일러 화로 연소진동 감시장치{Apparatus for monitoring combustion vibration of boiler furnace}

본 발명은 보일러 화로 연소진동 감시장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 용이하고 정확하게 보일러 화로의 압력맥동을 측정할 수 있고, 압력맥동이 가진되어 화로의 이상 진동 발생이 예측되면 경보를 발생할 수 있도록 된 보일러 화로 연소진동 감시장치에 관한 것이다.

화력발전은 보일러에서 연료를 연소시켜 열을 발생시키고, 그 열로 물을 가열하여 고온고압의 증기를 발생시키며, 그 증기로 터빈을 돌려, 터빈에 연결된 발전기를 작동시킴으로써 전기를 생산한다.

보일러는 연료가 연소되는 화로와, 화로 측부에 형성된 공기 유입공간인 윈드박스와, 윈드박스 내측에 설치된 버너와, 화로의 내측 상부에 설치된 열교환기를 포함한다.

따라서, 버너의 노즐에서 연료가 분사/연소되면 화로 공간 내에 화염이 형성되고, 화염에서 발생한 열이 열교환기 내부의 물을 가열하여 증기를 생산하게 된다.

한편, 보일러 운전 중 화로의 내부에는 화염 생성에 따른 압력맥동(Pressure Pulsation)이 발생하며, 이 압력맥동의 주파수와 화로의 음향 공진 주파수가 중첩되면 큰 진동이 발생하는 문제점이 있었다.

상기와 같이 공진에 의해 화로에 큰 진동이 발생되면 큰 소음이 발생할 뿐만 아니라, 화로 및 이에 연결된 장치들의 파손 우려가 있으므로 보일러의 정상적인 운전이 불가능하게 되는 문제점이 있었다.

따라서, 보일러 화로의 압력맥동을 측정하고, 그에 따라 화로의 이상 진동을 예측하여 경고하기 위한 감시장치(모니터링 시스템)의 개발이 요구되는 실정이다.

상기와 같이 보일러 화로의 연소진동을 감시하는 장치에 관한 공지된 선행기술은 존재하지 않는다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 보일러 화로의 압력맥동을 용이하고 정확하게 측정하고, 측정된 압력맥동을 이용하여 화로의 이상 진동 발생 여부를 예측하며, 이상 진동이 발생할 것으로 예측되는 경우 이를 경보할 수 있도록 된 보일러 화로 연소진동 감시장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 보일러 화로 연소진동 감시장치는, 화로의 윈드박스에 설치된 버너의 배면에 설치되어 화로 내부의 압력맥동을 간접 측정하는 압력맥동 측정지그와, 상기 압력맥동 측정지그에서 측정된 압력맥동과 화로의 음향 공진 주파수(=압력맥동 가진주파수)를 비교하여 공진에 의한 화로의 이상 진동 발생 여부를 판단하는 제어부와, 상기 제어부에서 화로의 이상 진동이 발생할 것으로 판단되면 경보를 발생시키는 경보장치를 포함한다.

상기 압력맥동 측정지그는 화로의 압력맥동이 입력되는 삽입관과, 삽입관에 연결된 본체와, 본체의 측면에 설치된 압력맥동센서를 포함한다.

상기 압력맥동 측정지그는 본체에서 삽입관이 설치된 반대쪽 면에 감쇠관이 형성된다.

상기 감쇠관은 코일 형상으로 말려 있으며, 본체에 연결된 부분의 반대쪽 부분은 막혀있다.

상기 삽입관은 버너의 후면에서 버너의 내측으로 삽입되며, 버너의 노즐과 평행한 수평 상태로 설치된다.

상기 삽입관의 선단부는 상부가 길고 하부가 짧은 형상으로 경사지게 형성된 다.

상기 제어부는, 압력맥동 측정지그에서 측정된 압력맥동에 보정계수를 곱하여 측정된 압력맥동을 실제 화로 내부의 압력맥동에 근사한 값으로 보정하는 압력맥동 레벨 보정부와, 상기 압력맥동 레벨 보정부에서 보정된 압력맥동을 고속 푸리에 변환하는 FFT처리부와, 화로의 형상과 화염의 형상을 고려하여 압력맥동 가진주파수 영역을 산출하는 압력맥동 가진주파수 연산부와, 상기 FFT처리부에서 처리된 압력맥동의 우세주파수가 압력맥동 가진주파수 연산부에서 연산된 압력맥동 가진주파수 영역에 포함되는지를 판단하여 상기 우세주파수가 상기 가진주파수 영역에 포함되면 화로의 진동 상태가 불안정한 것으로 판단하는 진동 안정 판별부와, 상기 진동 안정 판별부에서 화로의 진동 상태가 불안정한 것으로 판단되고 상기 우세주파수의 진폭이 감소하는 추세이면 경보장치를 정지시키고 진폭이 유지되면 진동 관찰 상태를 유지하며 진폭이 증가하는 추세이면 경보장치를 작동시키는 진동 예지 처리부를 포함한다.

상기 제어부는 상기 압력맥동 레벨 보정부에서 보정된 압력맥동의 진폭이 기설정된 경보판단 기준값 보다 크면 즉시 경보장치를 작동시켜 경보신호를 발생하는 압력맥동 레벨 판별부를 더 포함한다.

상기 화로의 실내 공간 온도를 구간별로 측정하여 온도 데이터를 상기 압력맥동 가진주파수 연산부로 전달하는 화로 온도 측정부를 더 포함한다.

상기 압력맥동 가진주파수 연산부는 화로 온도 측정부에서 전달된 온도 데이터로 화로 내 온도구배를 산출하고, 이를 압력맥동 가진주파수 산출을 위한 변환행렬 생성에 반영한다.

이상 설명한 바와 같은 본 발명에 따르면, 압력맥동 측정지그를 이용하여 보일러 화로의 압력맥동을 간편하고, 정확하며, 안전하게 측정할 수 있다.

즉, 버너의 후방에 설치되는 압력맥동 측정지그를 이용하여 화로 내부의 압력맥동을 간접 측정하므로 측정작업을 간편하고 안전하게 실시할 수 있다.

또한, 압력맥동 측정지그의 삽입관(압력맥동 전달경로 역할을 함)을 버너의 노즐과 평행한 수평방향으로 설치함으로써 불필요한 성분을 제외하고 필요한 수평방향의 성분만을 측정할 수 있게 되어 보다 정확한 측정값을 얻을 수 있다.

상기와 같이 측정된 압력맥동의 주파수와 압력맥동을 가진할 수 있는 화로의 음향 공진 주파수를 비교하여 공진에 따른 화로의 이상 진동이 예상될 경우 경보 처리 할 수 있게 됨으로써 후속처리를 통해 이상 진동의 발생을 예방할 수 있고, 이에 보일러를 보다 효율적으로 안전하게 운전할 수 있으며, 화로 및 연결 설비들의 파손을 방지할 수 있게 된다. 아울러 이상 진동에 의한 소음의 발생을 방지할 수 있다.

또한, 압력맥동 가진 주파수 연산시 화로의 온도를 고려함으로써 보다 정확한 가진 주파수 값을 산출할 수 있게 되어 이상 진동의 발생 여부를 정확하게 예측할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 보일러 화로 연소진동 감시장치의 구성도로서, 보일러의 개략적인 구성 및 본 발명의 주요 구성인 압력맥동 측정지그를 설명하기 위한 도면.
도 2는 상기 압력맥동 측정지그의 삽입관 선단부 확대도.
도 3은 본 발명에 따른 보일러 화로 연소진동 감시장치의 구성을 나타낸 블록도로서, 제어부의 상세 구성을 설명하기 위한 도면.
도 4와 도 5는 도 3의 진동 안정 판별부 및 진동 예지 처리부에서 이용되는 압력맥동의 진폭-주파수 그래프로서, 도 4는 압력맥동의 우세주파수가 가진주파수 영역에 포함되지 않는 경우, 도 5는 압력맥동의 우세주파수가 가진주파수 영역에 포함되는 경우를 도시한 그래프.
도 6은 도3의 압력맥동 레벨 판별부에서 이용되는 보정된 압력맥동의 진폭-시간 그래프.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 첨부된 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의를 위해 과장되게 도시되어 있을 수 있다.

또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 판례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 하여 내려져야 할 것이다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 보일러 화로 연소진동 감시장치의 구성도로서, 본 발명에 따른 보일러 화로 연소진동 감시장치는, 화로의 윈드박스에 설치된 버너의 배면에 설치되어 화로의 압력맥동을 간접 측정하는 압력맥동 측정지그(10)와, 압력맥동 측정지그(10)에서 측정된 압력맥동과 화로의 음향 공진 주파수를 비교하여 공진에 의한 화로의 이상 진동 발생 여부를 판단하는 제어부(20)와, 제어부(20)에서 화로의 이상 진동이 발생할 것으로 판단되면 경보를 발생시키는 경보장치(30)을 포함한다.

보일러의 화로(1)에는 측면에 외부 공기가 유입되는 윈드박스(2)가 설치되고, 윈드박스(2)의 내부에서 화로(1)의 측벽을 관통하여 버너(3)가 설치된다. 버너(3)는 복수 개 설치될 수 있다.

버너(3)의 중앙에 설치된 노즐을 통해 연료가 분사되며, 분사된 연료가 착화 연소되어 화염을 생성하게 된다.

화염에 의해 생성된 열은 화로(1)의 상부에 설치된 열교환기(미도시)를 통해 물을 가열하여 증기를 생성한다. 화로(1)에서 생성된 고온고압의 증기는 증기터빈을 작동시켜 이에 연결된 제너레이터를 구동함으로써 발전이 이루어진다.

압력맥동 측정지그(10)는 내부가 비어 있는 본체(11)와, 본체(11)의 전면에 연통 설치된 삽입관(12)과, 본체(11)의 측면에 설치된 압력맥동센서(13)와, 본체(11)의 전면에 연통 설치된 감쇠관(14)을 포함한다. 즉, 본체(11)에서 삽입관(12)과 감쇠관(14)은 서로 마주보는 반대쪽 위치에 형성되고, 압력맥동센서(13)는 이들 사이의 본체(11) 중앙 측부에 설치된다. 상기 감쇠관(14)의 타단은 막혀 있다.

압력맥동 측정지그(10)는 상기 삽입관(12)이 버너(3)의 후면을 통해 버너(3)의 내측으로 삽입된 상태로 설치된다.

따라서, 화로(1)내에 발생한 압력맥동이 삽입관(12)을 통해 본체(11) 내부로 전달되므로 본체(11)에 설치된 압력맥동센서(13)가 압력맥동을 측정할 수 있다. 즉, 화로(1)의 외부에 설치된 압력맥동 측정지그(10)를 이용하여 화로(1) 내부에서 발생하는 압력맥동을 간접적으로 측정할 수 있도록 된 것이다.

상기 삽입관(12)은 도 2에 도시된 바와 같이, 선단부가 상부는 길고 하부는 짧은 형태로 경사지게 형성되어 있다. 삽입관(12)의 선단 경사각(θ)은 예를 들어 30°, 45°등으로 적절히 형성될 수 있다. 이와 같이 삽입관(12)의 선단부가 상부는 길고 하부는 짧은 형태로 경사지게 형성됨으로써 입구 면적이 증대될 뿐만 아니라 입구에 애쉬(ash) 등의 연소부산물 적재량이 감소됨으로써 본체(11)로의 압력맥동 유입 및 전달이 보다 원활히 이루어지게 된다.

본체(11)의 후면에 연결된 감쇠관(14)은 얇은 직경의 관이 코일 형상으로 말려 있는 것으로, 본체(11)에 전달된 압력맥동을 좁고 긴 경로를 통해 감쇠 소멸시킴으로써 본체(11)내에서 압력맥동의 반사파동이 발생하는 것을 방지하여 압력맥동센서(13)에서 보다 정확한 화로(1)의 압력맥동을 측정할 수 있도록 한다.

압력맥동센서(13)에서 측정된 압력맥동은 제어부(20)로 전달되며, 제어부(20)는 이하에서 설명하는 제어과정을 거쳐 화로에 이상 진동이 발생할 것으로 예측되면 경보장치(30)를 작동시켜 시스템 운전자에게 알려줌으로써 응급 상황에 대처할 수 있도록 한다.

경보장치(30)는 경고등, 스피커, 디스플레이 화면 등으로 구성되어, 빛, 소리, 문자의 형태로 경고신호를 발생할 수 있다.

상기 제어부(20)는 도 3에 도시된 바와 같이, 압력맥동 레벨 보정부(21), FFT처리부(22), 압력맥동 가진주파수 연산부(23), 진동 안정 판별부(24), 진동 예지 처리부(25)를 포함한다.

압력맥동 레벨 보정부(21)는 간접 측정된 압력맥동값을 화로(1)내에서 직접 측정한 값과 같아지도록(최대한 근접하도록) 미리 준비된 보정계수(K)를 곱하는 연산을 수행한다.

상기 보정계수(K)는, 일측 단부에 맥동 발생체로서 스피커가 설치되고 타측 단부에 반사 방지재인 흡음재가 설치된 비교적 큰(압력맥동 측정지그(10)의 삽입관(12)에 비해) 직경의 관체의 측면에 압력맥동 측정지그(10)의 삽입관(12)을 연결하고, 상기 관체의 일측에 압력맥동센서(S1)를 설치한 화로 압력맥동 모사장치 및 압력맥동 측정지그를 이용하여 구할 수 있다.

상기와 같이 구성된 화로 압력맥동 모사 측정장치에는 관체에 설치된 압력맥동센서(S1)와 압력맥동 측정지그(10)의 본체(11)에 설치된 압력맥동센서(13; 보정계수 산출에 관한 설명시에만 S1센서와 구별하여 S2로 지칭함)가 구비되어 있다. 여기서, 관체의 압력맥동센서(S1)에서 측정된 압력맥동값은 화로내의 실제 압력맥동값에 해당된다.

관체의 압력맥동센서(S1)에서 측정된 압력맥동값(P1) = 압력측정지그의 압력맥동센서(S2)에서 측정된 압력맥동값(P2)×보정계수(K)의 관계가 성립하므로, 보정계수(K) = 관체의 압력맥동센서(S1)에서 측정된 압력맥동값(P1) / 압력측정지그의 압력맥동센서(S2)에서 측정된 압력맥동값(P2)의 관계로부터 구할 수 있다. 그런데, 압력측정지그의 압력맥동센서(S2)로부터 측정되는 압력맥동값(P2)은 압력측정지그(10)의 삽입관(12)의 길이에 영향 받으므로 서로 다른 길이의 삽입관(12)을 갖는 압력측정지그(10)들을 이용하여 반복 실험을 통해 삽입관(12)의 길이 별로 각각의 보정계수(K) 차트를 마련할 수 있으며, 이러한 보정계수 차트가 제어부(20)에 입력된다.

따라서, 압력맥동 레벨 보정부(21)는 압력측정지그(10)의 압력맥동센서(13)에서 측정된 압력맥동값에 상기 보정계수 차트로부터 취하여진 보정계수(K)를 곱하여 압력맥동 레벨을 보정함으로써 화로(1)내 실제 압력맥동값과 같은(최대한 근접한) 압력맥동값을 산출할 수 있다.

FFT처리부(22)는 고속 푸리에 변환(FFT; Fast Fourier Transform)을 실시하여 측정된 압력맥동(보정된 상태)의 변화를 진동수에 따라 진폭이 변화하는 상태로 표시할 수 있다. 즉, 도 6의 진폭-시간 관계의 그래프에 표시되는 압력맥동을 도 4 또는 도 5의 그래프와 같이 진폭-주파수 관계의 그래프로 표시해준다. 따라서, 이후 설명할 진동 안정 판별부(24)에서 측정된 압력맥동의 우세주파수가 화로의 음향 공진 주파수 영역에 포함되는지를 판별할 수 있게 된다.

압력맥동 가진주파수 연산부(23)는 화로(1)의 형상, 화염의 형상 등을 고려하여 화로(1)의 음향 공진 주파수(= 압력맥동을 가진하는 주파수) 영역을 산출한다. 이는 화로(1)의 형상 데이터, 화염의 형상 데이터에 근거하여 생성된 복수의 변환행렬(Transfer matrix)을 대각 요소로 하는 전체행렬(global matrix)에 대해 고유치 문제(eigenvalue problem)를 해석함으로써 이루어진다.

압력맥동 가진주파수 연산부(23)에서 산출된 압력맥동 가진주파수 영역은 도 4와 도 5에서 (a)와 같이 표시될 수 있다. 동일 도면에서 상기 FFT처리부(22)에서 변환된 압력맥동은 (b)와 같이 표시된다.

진동 안정 판별부(24)는 FFT처리부(22)에서 변환된 압력맥동(b)과 압력맥동 가진주파수 연산부(23)에서 산출된 압력맥동 가진주파수 영역(a)을 비교하여 진동 안정성을 판별한다.

즉, 도 4와 같이 압력맥동(b)의 우세주파수(Predominant frequency ; f0)가 압력맥동 가진주파수 영역(a)에 포함되지 않은 경우는 공진에 의한 화로 이상 진동이 발생할 가능성이 없는 안정한 상태로 판단하고, 도 5와 같이 압력맥동(b)의 우세주파수(f0)가 압력맥동 가진주파수 영역(a)에 포함된 경우는 공진에 의한 화로 이상 진동이 발생할 가능성이 높은 불안정한 상태로 판단한다.

이후, 진동 예지 처리부(25)에서는 압력맥동(b)의 우세주파수(f0)가 압력맥동 가진주파수 영역(a)에 포함되면서 그 진폭(Amplitude)이 점차 감소하는 경우에 경보가 발생되어 있는 상태라면 경보를 해제하고, 진폭이 유지되는 경우에는 진동 발생 상태를 지속적으로 관찰하며, 진폭이 증가하는 경우에 경보가 발생되지 않은 상태라면 경보장치(30)를 작동시켜 경보를 발생시킨다.

상기 제어부(20)는 압력맥동 레벨 판별부(26)를 더 포함할 수 있다.

압력맥동 레벨 판별부(26)는 도 6에 도시된 바와 같이, 압력맥동 레벨 보정부(21)에서 보정된 압력맥동의 진폭이 미리 설정된 경보판단 기준값 보다 크면 현재 화로(1)에서 발생하고 있는 압력맥동의 크기만으로도 화로(1)에 안전 및 효율적인 운전을 위협하는 이상 진동이 발생할 수 있는 것으로 판단하고 경보장치(30)를 작동시켜 경보를 발생시킨다.

반대로 보정후 입력된 압력맥동의 진폭이 기준값 보다 작으면 화로 이상 진동이 발생할 위험이 없는 것으로 판단하여 경보장치(30)를 작동시키지 않는다.

이와 같이 압력맥동 레벨 판별부(26)를 갖춤으로써 과도한 크기의 압력맥동이 검출되었을 경우에는 압력맥동 가진주파수(a)의 영역에 포함되는지의 여부를 따지지 않고 즉시 경보장치(30)를 작동시킬 수 있게 됨으로써 보다 신속한 경보 발생 및 이에 따른 신속한 후속조치가 가능하게 된다.

본 발명은 상기 압력맥동 가진주파수(a) 연산부(23)에서 압력맥동 가진주파수를 산출할 때 보다 정확한 압력맥동 가진주파수(a)를 산출할 수 있도록 압력맥동 가진주파수(a) 연산부(23)에 화로(1)의 온도 데이터를 제공하는 화로 온도 측정부(40)를 더 포함한다.

화로 온도 측정부(40)는 화로(1) 내부 공간의 수평 방향을 따라 설치된 다수의 온도센서로서, 이들 온도센서에서 측정된 온도 데이터를 통해 압력맥동이 발생하는 화로(1) 내부 공간의 온도 구배값을 알 수 있고, 제공된 온도 구배값은 압력맥동 가진주파수 연산부(23)에서 압력맥동 가진주파수를 산출할 때 사용되어 보다 정확한 압력맥동 가진주파수(a)를 산출하는데 도움을 준다.

이제 본 발명의 작용 및 효과를 설명한다.

보일러의 화로(1) 내부에서 발생하는 압력맥동은 버너(3)의 후면에 삽입 설치된 압력맥동 측정지그(10)에 의해 간접적으로 측정된다.

이와 같이 화로(1)의 외부에서 간단한 구조의 압력맥동 측정지그(10)를 설치하여 압력맥동을 측정함으로써 간편하게 화로(1)의 압력맥동을 측정할 수 있다.

압력맥동을 간접 측정함으로써 발생하는 오차는 압력맥동 레벨 보정부(21)에서 측정된 압력맥동값에 보정계수(K)를 곱해줌으로써 실제값에 근사하게 보정해 줄 수 있다. 따라서, 간접 측정 방법을 사용하면서도 정확한 압력맥동값을 얻을 수 있다.

상기 보정계수(K)는 제어부(20)에 선입력된 보정계수(K) 차트로부터 알 수 있는데, 보정계수 차트는 화로 압력맥동 모사 측정장치를 이용하여 압력맥동 측정 시험을 반복함으로써 압력맥동 측정지그(10)의 삽입관(12) 길이 별로 마련될 수 있다.

압력맥동 측정지그(10)의 삽입관(12)은 버너(3)의 노즐(4)과 평행하게 수평 방향으로 삽입 설치됨으로써 화로(1)내 압력맥동 성분 중 관심 대상이 되는 수평 방향의 성분만을 측정할 수 있게 된다.

또한, 상기 삽입관(12)의 선단부가 상부가 길고 하부가 짧은 형태로 경사지게 형성됨으로써 압력맥동이 유입되는 삽입관(12)의 입구 면적이 증대되어 보다 원활하게 압력맥동센서(13)쪽으로 화로(1)의 압력맥동을 전달할 수 있게 된다. 동일한 형상에 의해서 화로(1)내 연소 부산물이 삽입관(12)의 입구 부분에 쌓이는 현상을 방지할 수 있는 바, 이 또한 압력맥동의 원활한 전달에 도움을 준다. 이와 같이 화로(1)의 압력맥동을 삽입관(12)을 통해 압력맥동센서(13)로 원활히 전달할 수 있게 됨에 따라 간접 측정임에도 불구하고 보다 정확한 측정값을 얻을 수 있게 된다.

압력맥동 측정지그(10)의 본체(11) 후면에 연결된 감쇠관(14)은 본체(11)로 전달된 압력맥동이 경유하여 감쇠 소멸되는 경로를 제공하는 것으로, 압력맥동이 감쇠관(14)의 좁은 통로를 통해 이동하다가 음향 에너지가 소산됨으로써 그 파동이 감쇠 소멸된다. 따라서, 본체(11) 내부에서 화로(1)로부터 압력맥동이 전달되는 삽입관(12)의 출구(본체(11)와 삽입관(12)의 연결부)쪽으로 반사파가 형성되지 않으므로 화로(1)의 압력맥동이 압력맥동센서(13)가 설치된 본체(11)쪽으로 원활하게 전달되고, 이에 압력맥동 측정의 정확도가 향상된다.

상기와 같이 압력맥동 측정지그(10)에서 측정된 압력맥동값은 압력맥동 레벨 보정부(21)로 전달된다.

압력맥동 레벨 보정부(21)는 미리 준비되어 제어기(20)내에 입력되어 있는 보정계수(K) 차트로부터 취해지는 보정계수(K)를 이용하여 측정된 압력맥동값을 실제값에 근사하도록 보정한다. 이와 같은 보정 과정을 통해 얻어진 압력맥동값은 실제 화로(1) 내에서 측정된 값에 근접하므로 보정된 압력맥동값을 이용한 진동 안정 판별, 진동 예지 처리의 결과에 대한 신뢰성이 향상된다.

압력맥동 레벨 보정부(21)에서 보정된 압력맥동값은 FFT처리부(22)에서 고속 푸리에 변환되어 주파수에 따른 진폭 변화를 관찰할 수 있는 상태로 표시된다.

한편, 압력맥동 가진주파수(a) 연산부(23)에서는 화로(1)의 형상, 화염의 형상을 고려하여 생성된 변환행렬의 고유치 문제를 해석함으로써 화로의 압력맥동을 가진하는 음향 공진 주파수 즉, 압력맥동 가진주파수(a)의 영역을 산출할 수 있다.

따라서, FFT처리부(22)에서 얻어진 압력맥동(b)과 압력맥동 가진주파수(a) 연산부(23)에서 얻어진 압력맥동 가진주파수(a)의 중첩 여부를 진동 안정 판별부(24)에서 판단할 수 있다. 즉, 도 5에서와 같이 압력맥동 가진주파수(a)의 영역에 측정, 보정, 변환된 압력맥동(b)의 우세주파수(f0)가 존재하면 화로내 발생한 압력맥동이 화로의 음향 공진 주파수와 공진하여 화로에 과도한 이상 진동이 발생할 가능성이 큰 것으로 판단하고, 그렇지 않으면(도 4의 상태) 이상 진동이 발생할 가능성이 낮은 안정된 상태로 판단하는 것이다.

상기 진동 안정 판별부(24)에서 불안정한 상태로 판별된 경우, 즉, 압력맥동 가진주파수(a)의 영역에 측정 압력맥동(b)(보정 및 고속 푸리에 변환된 상태)의 우세주파수(f0)가 존재하는 경우, 진동 예지 처리부(25)는 압력맥동(b)의 우세주파수(f0)의 레벨(진폭) 변화(감소, 유지, 증가)에 따라 레벨이 감소하면 경보장치(30)를 비작동 상태로 유지하거나 경보장치(30)가 작동 중이라면 이를 중지시키고, 레벨이 유지되면 관찰 상태를 유지하고, 레벨이 증가하면 경보장치(30) 작동 중일 경우 이를 유지하고 경보장치(30)가 비작동 중이라면 이를 작동시켜 경보를 발생시킨다.

이와 같이, 압력맥동 측정지그(10)에서 측정된 압력맥동과 화로의 음향 공진 주파수의 공진 여부 및 측정된 압력맥동의 우세주파수의 레벨(진폭) 변화에 따라서 화로 이상 진동의 발생 여부를 예측함으로써 보다 정확하게 화로의 이상 진동 발생을 경보할 수 있게 된다.

화로의 이상 진동 발생이 정확히 경보됨으로써 공진 발생을 회피하는 후속 처리를 신속하게 실시할 수 있게 됨에 따라 보일러를 보다 안전하면서 고효율 상태로 운전할 수 있게 된다. 이에 보일러의 화로 및 화로에 연계 설치된 설비 들의 파손을 예방할 수 있게 된다.

한편, 상기 압력맥동 레벨 판별부(26)는 압력맥동 레벨 보정부(21)에서 측정 압력맥동의 레벨을 보정한 후에 바로 압력맥동의 레벨(진폭)을 미리 설정된 경보판단 기준값과 비교하여 압력맥동의 레벨이 경보판단 기준값을 초과하면 즉시 경보장치(30)를 작동시켜 경보를 발생시킨다.

이와 같이, 측정된 압력맥동의 우세주파수가 압력맥동 가진주파수의 영역에 포함되는지의 여부를 판별하는 과정의 실시 없이 압력맥동 보정 후 즉시 그 레벨을 기준값과 비교하여 기준값 보다 클 경우 경보를 발생시킴으로써 과도한 크기의 압력맥동이 발생했을 때 보다 신속하게 경보를 발생시킬 수 있게 된다. 따라서, 보일러 시스템 운전자들이 비상 셧 다운 등의 대응 조치를 신속하게 취할 수 있게 됨으로써 장치를 더욱 효과적으로 보호할 수 있다.

한편, 화로 온도 측정부(40)는 화로(1) 내부 공간에서 수평 방향으로 다수 개 설치된 온도센서로서, 각 온도센서의 설치 위치에서의 온도값을 측정하여 압력맥동 가진주파수 연산부(23)로 전달한다. 압력맥동 가진주파수 연산부(23)는 압력맥동 가진주파수 연산시 상기 온도값들로부터 화로(1) 내부 공간의 온도 구배값을 알 수 있으며, 이러한 온도 구배 정보를 포함하는 변환행렬을 전체행렬에 포함시킴으로써 전체행렬의 고유치 문제 해석 결과가 보다 정확해진다. 따라서, 보다 정확한 압력맥동 가진주파수(a)를 산출할 수 있게 됨으로써 공진에 의한 화로의 이상 진동 발생 여부를 보다 정확하게 예측하여 경보할 수 있게 된다.

상술한 바와 같이 본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

1 : 화로 2 : 윈드박스
3 : 버너 4 : 노즐
10 : 압력맥동 측정지그 11 : 본체
12 : 삽입관 13 : 압력맥동센서
14 : 감쇠관 20 : 제어부
21 압력맥동 레벨 보정부 22 : FFT처리부
23 : 압력맥동 가진주파수 연산부 24 진동 안정 판별부
25 : 진동 예지 처리부 26 : 압력맥동 레벨 판별부
30 : 경보장치

Claims (10)

1. 화로의 윈드박스에 설치된 버너의 배면에 설치되어 화로 내부의 압력맥동을 간접 측정하는 압력맥동 측정지그와,
   상기 압력맥동 측정지그에서 측정된 압력맥동과 화로의 음향 공진 주파수(=압력맥동 가진주파수)를 비교하여 공진에 의한 화로의 이상 진동 발생 여부를 판단하는 제어부와,
   상기 제어부에서 화로의 이상 진동이 발생할 것으로 판단되면 경보를 발생시키는 경보장치
   를 포함하는 보일러 화로 연소진동 감시장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 압력맥동 측정지그는 화로의 압력맥동이 입력되는 삽입관과, 삽입관에 연결된 본체와, 본체의 측면에 설치된 압력맥동센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 보일러 화로 연소진동 감시장치.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 압력맥동 측정지그는 본체에서 삽입관이 설치된 반대쪽 면에 감쇠관이 형성된 것을 특징으로 하는 보일러 화로 연소진동 감시장치.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 감쇠관은 코일 형상으로 말려 있으며, 본체에 연결된 부분의 반대쪽 부분은 막힌 것을 특징으로 하는 보일러 화로 연소진동 감시장치.
5. 청구항 2에 있어서,
   상기 삽입관은 버너의 후면에서 버너의 내측으로 삽입되며, 버너의 노즐과 평행한 수평 상태로 설치된 것을 특징으로 하는 보일러 화로 연소진동 감시장치.
6. 청구항 2에 있어서,
   상기 삽입관의 선단부는 상부가 길고 하부가 짧은 형상으로 경사지게 형성된 것을 특징으로 하는 보일러 화로 연소진동 감시장치.
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 제어부는, 압력맥동 측정지그에서 측정된 압력맥동에 보정계수를 곱하여 측정된 압력맥동을 실제 화로 내부의 압력맥동에 근사한 값으로 보정하는 압력맥동 레벨 보정부와,
   상기 압력맥동 레벨 보정부에서 보정된 압력맥동을 고속 푸리에 변환하는 FFT처리부와,
   화로의 형상과 화염의 형상을 고려하여 압력맥동 가진주파수 영역을 산출하는 압력맥동 가진주파수 연산부와,
   상기 FFT처리부에서 처리된 압력맥동의 우세주파수가 압력맥동 가진주파수 연산부에서 연산된 압력맥동 가진주파수 영역에 포함되는지를 판단하여 상기 우세주파수가 상기 가진주파수 영역에 포함되면 화로의 진동 상태가 불안정한 것으로 판단하는 진동 안정 판별부와,
   상기 진동 안정 판별부에서 화로의 진동 상태가 불안정한 것으로 판단되고, 상기 우세주파수의 진폭이 감소하는 추세이면 경보장치를 정지시키고, 진폭이 유지되면 진동 관찰 상태를 유지하며, 진폭이 증가하는 추세이면 경보장치를 작동시키는 진동 예지 처리부
   를 포함하는 보일러 화로 연소진동 감시장치.
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 제어부는 상기 압력맥동 레벨 보정부에서 보정된 압력맥동의 진폭이 기설정된 경보판단 기준값 보다 크면 즉시 경보장치를 작동시켜 경보신호를 발생하는 압력맥동 레벨 판별부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보일러 화로 연소진동 감시장치.
9. 청구항 7에 있어서,
   상기 화로의 실내 공간 온도를 구간별로 측정하여 온도 데이터를 상기 압력맥동 가진주파수 연산부로 전달하는 화로 온도 측정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보일러 화로 연소진동 감시장치.
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 압력맥동 가진주파수 연산부는 화로 온도 측정부에서 전달된 온도 데이터로 화로 내 온도구배를 산출하고, 이를 압력맥동 가진주파수 산출을 위한 변환행렬 생성에 반영하는 것을 특징으로 하는 보일러 화로 연소진동 감시장치.
    

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