KR20200061572A - 공급가스 온도 제어 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가스 공급 시스템에 적용되는 가스 온도 제어 장치에 관한 것으로, 정압기 전단의 히터를 제어하여 정압기 후단의 온도를 빠르고 정확하게 제어하는 공급가스 온도 제어 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 공급가스 온도 제어 장치는 가스가 통과하는 정압기 전단에 설치된 전기히터에 제1 제어 값 및 제2 제어 값을 근거로 산출된 전류 또는 전압이 공급되며, 상기 제1 제어 값을 상기 가스의 유량 값을 근거로 산출하는 제1 산출 유니트와, 상기 제2 제어 값을 상기 가스의 온도 값을 근거로 산출하는 제2 산출 유니트를 포함할 수 있다.
본 발명의 공급가스 온도 제어 방법은 제1 제어 값을 정압기를 통과한 가스의 유량 측정값을 근거로 산출하는 제1 산출 단계와, 제2 제어 값을 상기 정압기를 통과한 상기 가스의 온도 측정값을 근거로 산출하는 제2 산출 단계와, 상기 제1 제어 값과 상기 제2 제어 값의 합산 값에 비례하는 전류 또는 전압을 상기 정압기 전단에서 가스를 가열하는 전기히터에 공급하는 최종 제어 단계를 포함하는 것일 수 있다.

Description

공급가스 온도 제어 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING TEMPERATURE OF SUPPLYING GAS}
본 발명은 가스 공급 시스템에 적용되는 가스 온도 제어에 관한 것으로, 정압기 전단의 히터를 제어하여 정압기 후단의 온도를 빠르고 정확하게 제어하는 공급가스 온도 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
천연가스 등의 다양한 산업에 사용되는 연료 가스는 고압의 주배관에서 개별 수요처에 전달될 때 정압기(regulator)를 통해 감압과정을 거쳐 최종적으로 수요처에 공급될 수 있다.
주배관에서의 가스 압력은 약 7MPa 정도이며, 수요처에 공급되는 가스의 압력은 약 0.7MPa 정도이다. 따라서, 감압과정에서 가스의 온도가 저하되며, 수요처에 공급되는 가스는 0℃ 이상을 유지해야 하기 때문에, 정압기의 전단에서 전기히터를 이용하여 가열된 가스를 정압기에 통과시켜 감압시킨다.
종래의 가스 온도 제어는 전기히터에 공급되는 전류를 정압기 후단의 온도 측정값을 근거로 PID 제어(Proportional Integral Derivative control) 방법으로 이루어 졌다.
특히, 소유량 가스 공급 시스템의 경우 대유량 공급 시스템보다 유체의 속도가 느려 제어의 속응성이 떨어졌다. 구체적으로, 단위 시간당 약 500t을 공급하는 대유량 시스템보다 약 0.2t을 공급하는 소유량 시스템의 경우 유체 속도가 약 40배 이상 느려진다. 따라서, 가스가 전기히터에서부터 정압기를 통과하여 온도 센서에 도착하기까지 시간 또한 약 40배이상 길어지기 때문에 제어의 응답도 느려질 수 밖에 없었다.
또한, 단속운전이나 유량변화 등으로 인한 과도응답기간에서 전기히터 전류제어 값의 오버슈팅으로 인한 전기히터의 트립이 자주 발생하였다.
일본공개특허 제2014-084824호에는 가스터빈 운전 제어 장치 및 그 방법 및 그것을 구비한 가스터빈에 대한 기술이 개시되어 있다.
일본공개특허 제2014-084824호
본 발명은 가스 공급 시스템에 적용되는 가스 온도 제어 장치에 관한 것으로, 정압기 전단의 히터를 제어하여 정압기 후단의 온도를 빠르고 정확하게 제어하는 공급가스 온도 제어 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 공급가스 온도 제어 장치는 가스가 통과하는 정압기 전단에 설치된 전기히터에 제1 제어 값 및 제2 제어 값을 근거로 산출된 전류 또는 전압이 공급되며, 상기 제1 제어 값을 상기 가스의 유량 값을 근거로 산출하는 제1 산출 유니트와, 상기 제2 제어 값을 상기 가스의 온도 값을 근거로 산출하는 제2 산출 유니트를 포함할 수 있다.
본 발명의 공급가스 온도 제어 장치에서 상기 제1 산출 유니트에 입력되는 상기 유량 값은 상기 정압기 후단에서 측정된 실측 유량 값일 수 있다.
본 발명의 공급가스 온도 제어 장치의 상기 제1 산출 유니트는 상기 유량 값의 제곱근에 비례하는 제1 제어 값을 산출하는 것일 수 있다.
본 발명의 공급가스 온도 제어 장치의 상기 제1 산출 유니트는 상기 유량 값의 제곱근에 온도 제어 계수 곱하여 상기 제1 제어 값을 산출하는 제1 산출부와, 상기 정압기 전단에서의 가스의 평균 온도, 상기 정압기 전단에서의 가스의 온도 편차, 상기 유량의 변화 값, 목표 온도, 상기 정압기 전단의 압력, 상기 정압기 후단의 압력, 배관에 배치된 밸브의 on/off 상태 중 하나 이상의 정보를 근거로 상기 온도 제어 계수를 튜닝하는 제1 튜닝부를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 공급가스 온도 제어 장치에서 상기 제2 산출 유니트에 입력되는 상기 온도 값은 상기 정압기 후단에서 측정된 온도 값일 수 있다.
본 발명의 공급가스 온도 제어 장치의 상기 제2 산출 유니트는 상기 측정된 온도 값과 목표 온도 값 사이의 온도 오차를 산출하는 오차 산출부와, 상기 온도 오차를 변수로 PID 제어 값을 산출하는 PID 제어부와, 상기 PID 제어 값에 스케일 계수를 곱해서 상기 제2 제어 값을 산출하는 제2 산출부를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 공급가스 온도 제어 장치의 상기 제2 산출 유니트는 상기 PID 제어부의 적분 게인을 튜닝하는 AWUR(Anti-WindUp-Reset) 튜닝부를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 공급가스 온도 제어 장치의 상기 AWUR 튜닝부는 상기 정압기 후단의 가스 온도의 이력을 근거로 상기 적분 게인을 튜닝하는 것일 수 있다.
본 발명의 공급가스 온도 제어 장치의 상기 제1 제어 값은 상기 제2 제어 값보다 크게 산출되는 것일 수 있다.
본 발명의 공급가스 온도 제어 장치는 상기 제1 제어 값과 상기 제2 제어 값을 합산하고, 제1 제어 값과 상기 제2 제어 값의 합산 값에 비례하는 전류 또는 전압을 공급하는 최종 산출 유니트를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 공급가스 온도 제어 방법은 제1 제어 값을 정압기를 통과한 가스의 유량 측정값을 근거로 산출하는 제1 산출 단계와, 제2 제어 값을 상기 정압기를 통과한 상기 가스의 온도 측정값을 근거로 산출하는 제2 산출 단계와, 상기 제1 제어 값과 상기 제2 제어 값의 합산 값에 비례하는 전류 또는 전압을 상기 정압기 전단에서 가스를 가열하는 전기히터에 공급하는 최종 제어 단계를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 공급가스 온도 제어 방법의 상기 제1 산출 단계는 상기 정압기 후단에서 측정된 유량 값의 제곱근에 비례하는 상기 제1 제어 값을 산출하는 것일 수 있다.
본 발명의 공급가스 온도 제어 방법의 상기 제2 산출 단계는 제1 제어 값보다 작은 제2 제어 값을 산출하는 것일 수 있다.
본 발명의 공급가스 온도 제어 방법 상기 제2 산출 단계는 상기 정압기 후단에서 측정된 온도 값과 목표 온도 값 사이의 온도 오차를 산출하는 오차 산출 단계와, 상기 온도 오차를 변수로 PID 제어 값을 산출하는 PID 제어 단계와, 상기 PID 제어 값에 스케일 계수를 곱해서 상기 제2 제어 값을 산출하는 스케일 적용 단계를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 공급가스 온도 제어 장치는 유량 변화가 빈번한 시스템에서 유량 값을 온도 제어의 변수로 사용함으로써, 안정적이면서도 빠른 온도 제어를 달성할 수 있다.
즉, 본 발명의 공급가스 온도 제어 장치는 온도와 유량을 온도 제어의 변수로 동시에 사용함으로써, 제어의 속응성 및 안정성을 높일 수 있다.
가스 공급 시스템에는 사용처에 최종적으로 공급되는 가스의 양을 계측하기 위해서 정압기의 후단에 유량계가 마련될 수 있다. 본 발명의 공급가스 온도 제어 장치는 기설치된 유량계를 활용함으로써, 별도의 배관 개조 없이 쉽게 적용될 수 있다.
본 발명의 공급가스 온도 제어 장치는 AWUR 튜닝부를 통해서, 제어 장치가 제어불능 상태에 빠지는 것을 방지 또는 해결할 수 있다.
도 1은 본 발명의 공급가스 온도 제어 장치가 적용되는 가스 공급 시스템의 계통도이다.
도 2는 본 발명의 공급가스 온도 제어 장치를 나타내는 블록도이다.
도 3은 제1 산출 유니트를 나타내는 블록도이다.
도 4는 제2 산출 유니트를 나타내는 블록도이다.
도 5는 본 발명의 공급가스 온도 제어 장치의 일실시 예를 나타내는 블록도이다.
도 6은 제2 산출 유니트의 다른 실시 예를 나타내는 블록도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.
이하, 도 1 내지 6를 참조하여 본 발명의 공급가스 온도 제어 장치 및 방법에 대한 구성 및 기능을 상세히 설명한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 공급가스 온도 장치가 적용되는 가스 공급 시스템은 주배관(1)에서 공급되는 가스를 정압기(70)(regulator)를 통해 사용처에서 요구되는 압력으로 변화시킨 후 사용처에 가스를 공급할 수 있다.
주배관(1)에서 공급되는 가스의 압력은 약 7MPa 정도이며, 사용처에서 요구하는 가스의 압력은 약 0.7MPa 정도 일 수 있다. 즉, 가스는 정압기(70)를 통과하면서 약 6.3MPa의 감압이 될 수 있다. 이 감압 과정에서 가스는 약 30℃의 온도 강하가 발생한다. 가스의 온도가 떨어지게 되면 공급 가스에 상변화가 발생하거나 가스 사용 효율이 저하될 수 있고, 이를 방지하기 위해서 정압기(70)의 전단에는 전기히터(10)(electric heater)가 마련될 수 있다.
전기히터(10)를 통해 가열된 가스는 정압기(70)로 감압되어 사용처로 공급될 수 있다. 사용처에 공급되는 가스의 상태를 모니터링하기 위해서 정압기(70)와 사용처로 가스를 주입하는 배관 사이에는 유량계(82), 온도계(81), 압력계(83)가 마련될 수 있다.
또한, 정압기(70) 후단에는 사용처에 공급되는 가스의 돌발적 이상 상태에 대응하기 위해서 PSV(40)(Pressure Safety Valve)가 마련되는 배관과 연결되는 분기관(branched pipe)이 마련될 수 있다. PSV(40)를 통과하는 가스는 방산탑(50)으로 전달되어 처리될 수 있다. PSV(40)는 기계식이며, 일정 이상 압력이 배관이 가해지면 개방될 수 있다. 가스 공급 시스템에 마련되는 정압기(70), 전기히터(10), 온도계(81), 압력계(83), 유량계(82) 등의 각종 배관 장치 사이에는 밸브(20)가 마련되어 가스의 흐름이 제어될 수 있다.
전기히터(10)는 가스가 정압기(70)를 통과하면서 떨어지는 온도를 보상하기 위해서, 정압기(70)를 통과하기 전에 미리 가스를 가열할 수 있다. 또한, 주 배관에서 공급되는 가스는 ±10℃의 온도 편차가 있기 때문에 피드백 제어를 통해 사용처로 출력되는 가스의 온도를 전기히터(10)로 일정하게 유지할 수 있다. 피드백 제어는 정압기(70) 후단에 마련되는 온도계(81)가 측정하는 온도 값을 근거로 수행될 수 있다.
즉, 전기히터(10)는 감압에 의한 온도 변화와 주배관(1)으로부터 공급되는 가스의 온도 편차에 의한 온도 변화를 해결해야 한다.
종래의 전기히터(10)의 제어는 PLC에서 온도계(81)(thermometer)의 값을 받아 PID(Proportional Integral Derivative) 제어 연산을 수행하여 전기히터(10)에 공급되는 전류 또는 전압을 제어하는 것으로 이루어졌다. 가스 공급 시스템은 정압기(70) 전단에 위치한 전기히터(10)를 이용하여 정압기(70) 후단의 가스 온도를 하는 것이기 때문에, 단속운전이나 유량변화 등으로 인한 과도응답기간에서 히터 전류제어 값이 오버슈트(Overshoot)에 인한 전기히터(10)의 트립(trip)이 자주 발생하였다. 또한, 소유량 가스 공급 시스템에서의 유체 속도는 대유량 가스 공급 시스템에서의 유체 속도보다 느리기 때문에 온도 제어의 속응성이 떨어졌다.
트립은 제어 전류 또는 온도에 특이점이 발생할 때, 발동하는 안전 모드일 수 있다.
본 발명이 적용되는 가스 공급 시스템은 단위 시간당 항상 일정한 유량의 가스를 공급하는 것이 아니라, 수요처의 요구에 따라 공급 가스의 유량이 변화할 수 있다.
전기히터(10)는 온도를 올리기 위해 마련되는 장치로, 구체적으로는 온도를 올리기 위해서 유체에 열을 공급하는 장치이다. 따라서, 같은 온도를 올리더라도 가열되는 대상의 양(질량)이 변화하면 목표 온도에 도달하기 위해서 요구되는 전력량이 달라질 수 있다. 즉, 유량이 변화하면 같은 온도를 올리는 경우라도 전기히터(10)에 공급되는 전류 또는 전압은 변화되어야 한다.
종래의 온도 제어 장치는 측정되는 온도 값에만 의존하여 온도를 제어하기 때문에, 가변하는 유량에 빠르게 대응하지 못할 뿐만 아니라, 제어의 안정성도 떨어졌다.
본 발명의 공급가스 온도 제어 장치는 유량 변화가 빈번한 시스템에서 유량 값을 온도 제어의 변수로 사용함으로써, 안정적이면서도 빠른 온도 제어를 달성할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 공급가스 온도 제어 장치는 가스가 통과하는 정압기(70) 전단에 설치된 전기히터(10)에 제1 제어 값과 제2 제어 값을 근거로 산출된 전류 또는 전압이 공급되며, 제1 제어 값을 가스의 유량 값을 근거로 산출하는 제1 산출 유니트(100)와, 제2 제어 값을 가스의 온도 값을 근거로 산출하는 제2 산출 유니트(200)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 공급가스 온도 제어 장치는 제1 제어 값과 제2 제어 값을 합산 하는 최종 산출 유니트(300)를 포함하고, 최종 산출 유니트(300)는 합산 값에 비례하는 전류 또는 전압을 전기히터(10)에 공급할 수 있다.
즉, 본 발명의 공급가스 온도 제어 장치는 제1 산출 유니트(100)에서 유량 값을 근거로 제1 제어 값을 산출하고, 제2 산출 유니트(200)에서 온도 값을 근거로 제2 제어 값을 산출하며, 최종 산출 유니트(300)에서 제1 제어 값과 제2 제어 값을 합산하고, 합산된 값에 비례하는 전류 또는 전압을 전기히터(10)에 공급할 수 있다.
제1 제어 값 및 제2 제어 값은 장치간에 전류로 전달되는 제어 신호이고, 전류 량의 변화로 제어 값의 변화를 전달할 수 있다.
본 발명의 공급가스 온도 제어 장치는 온도와 유량을 온도 제어의 변수로 동시에 사용함으로써, 제어의 속응성 및 안정성을 높일 수 있다.
유량 값은 유량계(82)에서 측정된 유량의 측정 수치 또는 신호일 수 있다. 즉, 정압기(70)를 통과한 가스의 유량을 의미할 수 있다. 온도 값은 온도계(81)에서 측정된 온도의 측정 수치 또는 신호일 수 있다. 즉, 정압기(70)를 통과한 가스의 온도를 의미할 수 있다.
도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 공급가스 온도 제어 장치에서 제1 산출 유니트(100)에 입력되는 유량 값은 정압기(70) 후단에서 측정된 유량 값일 수 있다.
가스 공급 시스템에는 사용처에 최종적으로 공급되는 가스의 양을 계측하기 위해서 정압기(70)의 후단에 유량계(82)가 마련될 수 있다. 본 발명의 공급가스 온도 제어 장치는 기설치된 유량계(82)를 활용함으로써, 별도의 배관 개조 없이 쉽게 적용될 수 있다.
제1 산출 유니트(100)는 유량 값의 제곱근에 비례하는 제1 제어 값을 산출할 수 있다. 가스에 온도 상승을 위해 가해지는 열은 전기히터(10)에서 소비되는 전력량과 비례할 수 있다. 소비 전력은 전기히터(10)에 입력되는 전류 또는 전압 제곱에 비례할 수 있다. 따라서, 전기히터(10)에 입력되는 전류 또는 전압은 유량의 제곱근에 비례할 수 있다.
제1 산출 유니트(100)는 측정된 유량 값을 입력받아 전류 또는 전압의 물리량에 비례하는 제1 제어 값을 산출하는 장치일 수 있다. 구체적으로는 제1 산출 유니트(100)는 비례 제어를 통해 전류 또는 전압의 물리량에 비례하는 제1 제어 값을 산출할 수 있다. 비례 제어는 입력 변수에 비례 상수 게인(gain)을 곱하여 출력 값을 산출하는 제어일 수 있다. 따라서, 제1 산출 유니트(100)는 입력 변수인 유량의 제곱근과 비례 상수 게인인 온도 제어 계수를 곱하여 제1 제어 값을 산출 할 수 있다.
온도 제어 계수는 정압기(70) 전단에서의 가스의 평균 온도, 상기 정압기(70) 전단에서의 가스의 온도 편차, 상기 유량의 변화 값, 목표 온도, 상기 정압기(70) 전단의 압력, 상기 정압기(70) 후단의 압력, 배관에 배치된 밸브(20)의 on/off 상태 중 하나 이상의 정보를 근거로 산출될 수 있다. 밸브(20)의 on/off는 밸브(20)의 개폐를 의미할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제1 산출 유니트(100)는 유량 값의 제곱근에 온도 제어 계수 곱하여 상기 제1 제어 값을 산출하는 제1 산출부(110)와, 정압기(70) 전단에서의 가스의 평균 온도, 정압기(70) 전단에서의 가스의 온도 편차, 유량의 변화 값, 목표 온도, 정압기(70) 전단의 압력, 정압기(70) 후단의 압력, 배관에 배치된 밸브(20)의 on/off 상태 중 하나 이상의 정보를 근거로 온도 제어 계수를 튜닝하는 제1 튜닝부(120)를 포함할 수 있다.
제1 튜닝부(120)는 가스 공급 시스템이 초기에 설치될 때, 가스 공급 시스템의 운행 전에 온도 제어 계수를 튜닝할 수 있다.
제1 튜닝부(120)는 가스 공급 시스템의 이전의 운행 이력 정보를 근거로 온도 제어 계수를 튜닝할 수 있다.
제2 산출 유니트(200)에 입력되는 온도 값은 정압기(70) 후단에서 측정된 온도 값일 수 있다. 즉 제2 산출 유니트(200)는 정압기(70) 후단에 마련되는 온도계(81)로부터 온도 값 또는 신호를 입력받아 제2 제어 값을 산출할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 제2 산출 유니트(200)는 측정된 온도 값과 목표 온도 값 사이의 온도 오차를 산출하는 오차 산출부(210)와, 온도 오차를 변수로 PID 제어 값을 산출하는 PID 제어부(220)와, PID 제어 값에 스케일 계수를 곱해서 상기 제2 제어 값을 산출하는 제2 산출부(230)를 포함할 수 있다.
오차 산출부(210)는 정압기(70) 후단의 온도계(81)로부터 입력받은 실측 온도 값 또는 신호를 입력받을 수 있다. 오차 산출부(210)는 입력받은 실측 온도를 목표 온도에서 차감하여 온도 오차를 산출할 수 있다. 목표 온도는 사용자가 설정하는 온도로, 최종적으로 도달해야 하는 온도일 수 있다. 즉, 목표 온도는 온도 지령 값일 수 있다.
오차 산출부(210)는 산출된 온도 오차를 PID 제어부(220)에 입력할 수 있다.
PID 제어부(220)는 온도 오차를 변수로 입력받아 PID 제어 값을 산출하여 출력할 수 있다. PID 제어 값은 PID 제어 방법을 통해 산출되는 결과값을 의미할 수 있다.
PID 제어부(220)는 온도 오차를 변수로 비례 제어, 미분 제어, 적분 제어를 수행하고, 세 가지 결과값을 합산하는 것으로 PID 제어 값을 결과값으로 산출할 수 있다.
비례 제어는 온도 오차에 비례 제어 계수를 곱하여 결과값을 산출할 수 있다. 따라서, 비례 제어 계수는 비례 게인일 수 있다.
미분 제어는 온도 오차를 미분한 값에 미분 제어 계수를 곱하여 결과값을 산출할 수 있다. 따라서, 미분 제어 계수는 미분 게인일 수 있다.
적분 제어는 온도 오차를 적분한 값에 적분 제어 계수를 곱하여 결과값을 산출할 수 있다. 따라서, 적분 제어 계수는 적분 게인일 수 있다.
비례 제어 계수, 미분 제어 계수, 적분 제어 계수는 상수로 사용자의 경험 또는 가스 공급 시스템의 사용 이력, 설비 스팩에 따라 설정될 수 있다.
제2 산출부(230)는 PID 제어부(220)로부터 PID 제어 값을 입력받아 제2 제어 값을 출력할 수 있다. 구체적으로는, 제2 산출부(230)는 PID 제어 값에 스케일 계수를 곱하여 제2 제어 값을 산출할 수 있다.
스케일 계수는 상수로 전기히터(10)에 입력되는 최종 전류 또는 전압 값에서 제2 제어 값이 적용되는 비율을 조절할 수 있다.
스케일 상수는 가스 공급 시스템의 설비 특성에 따라 설정될 수 있다.
제1 산출부(110)에서 출력된 제1 제어 값과 제2 산출부(230)에서 출력된 제2 제어 값은 최종 산출 유니트(300)에 입력될 수 있다.
최종 산출 유니트(300)는 입력된 제1 제어 값과 제2 제어 값을 합산하고, 합산된 값에 비례하는 전류 또는 전압을 전기히터(10)에 공급할 수 있다.
제2 산출 유니트(200)는 PID 제어부(220)의 적분 게인을 튜닝하는 AWUR(Anti-WindUp-Reset) 튜닝부(240)를 포함할 수 있다. AWUR 튜닝부(240)는 정압기(70) 후단의 가스 온도의 이력을 근거로 적분 게인인 적분 제어 계수을 튜닝할 수 있다.
온도를 제어하는 것이 있어서, 실제 온도 값이 목표 온도에 수렴하지 못하고 장기간 오차가 지속적으로 유지되면 적분 제어의 값이 누적되어, 제어불능 상태에 빠질 수 있다. AWUR 튜닝부(240)는 적분 제어 계수의 값에 변화를 주어 제어불능 상태를 해결할 수 있다.
AWUR 튜닝부(240)는 상황에 따라서 적분 제어 계수를 조절하는 것 외에도 PID 제어부(220)에 누적된 적분 제어 결과 값을 초기화하는 것으로 제어불능 상태를 해결할 수 있다. 또는, AWUR 튜닝부(240)는 적분 제어 결과값이 사전에 설정된 값 이상 또는 이하로 누적되는 것을 방지할 수 있다. 또는, AWUR 튜닝부(240)는 제어불능 상태가 해결되기 전까지 적분 제어는 PID 제어에서 제외시킬 수 있다.
본 발명의 공급가스 온도 제어 장치가 적용되는 가스 공급 시스템은 개방 유로이다. 즉, 가스 공급 시스템에 입력되는 가스는 출력되는 가스의 온도와 상관없이 일정 수준의 온도에서 약간의 온도 편차만 가지고 가스 공급 시스템에 입력될 수 있다. 따라서, 상황에 따라서 적분 제어의 결과값이 누적될 수 있고, AWUR 튜닝부(240)를 통해서 이를 해결할 수 있다.
이하, 도 5를 참조하여 본 발명의 공급가스 온도 제어 장치의 기능을 다시 한번 설명한다.
유량계(82)에서 측정한 실측 유량 값 F는 제1 산출부(110)에 입력되어 제1 제어 값 x로 산출될 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
제1 산출부(110)는 수학식 1로 제1 제어 값 x를 산출할 수 있다.
x는 제1 제어 값, F는 유량 값,
Figure pat00002
는 온도 제어 계수일 수 있다.
오차 산출부(210)는 실측 온도 값 T를 목표 온도 값 T*에서 차감하여 온도 오차 e를 산출할 수 있다.
PID 제어부(220)는 온도 오차 e를 변수로 PID 제어를 통해 PID 제어 값 y를 산출할 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00003
PID 제어부(220)는 수학식 2로 PID 제어 값 y를 산출할 수 있다.
y는 PID 제어 값, e는 온도 오차,
Figure pat00004
는 비례 제어 계수,
Figure pat00005
는 적분 제어 계수,
Figure pat00006
는 미분 제어 계수 일 수 있다.
제2 산출부(230)는 PID 제어 값 y에 스케일 계수 G를 곱하여 제2 제어 값 Gy를 산출할 수 있다.
최종 산출 유니트(300)는 제1 제어 값 x와 제2 제어 값 Gy를 합산하여 합산 값 z를 산출화고, 합산 값 z에 비례하는 전류 또는 전압을 전기히터(10)에 입력할 수 있다.
튜닝은 온도 제어 계수, 미분 제어 계수, 비례 제어 계수, 적분 제어 계수, 스케일 계수 등의 제어 게인을 가스 공급 시스템 운행 이전 또는 도중에 속응성, 안정성 등의 목적으로 산출하는 것일 수 있다.
제1 제어 값은 제2 제어 값보다 크게 산출될 수 있다. 즉,
Figure pat00007
의 관계가 성립할 수 있다. 도 3 및 6에 도시된 바와 같이, 제1 튜닝부(120)에 의해서 온도 제어 계수 및 스케일 계수는 튜닝될 수 있다.
본 발명의 공급가스 온도 제어 장치가 적용되는 가스 공급 시스템은 개방 유로이다. 즉, 한번 온도를 올린 가스가 회수되는 구조가 아닌 새로운 가스가 지속적으로 공급되는 시스템이다. 따라서, 새로 공급되는 가스의 감압으로 인한 온도 저하를 보상하기 위한 온도 제어량이 온도 편차를 줄이기 위한 온도 제어량보다 클 수 있다. 따라서, 가스의 감압으로 인한 온도 저하의 보상과 직접적으로 관련되는 제1 제어 값의 비중이 온도 편차를 줄이는 것과 관련되는 제2 제어 값보다 커야 효율적으로 장치가 구동될 수 있다.
상황에 따라서, 공급되는 유량이 크게 변화하면 가스 공급 시스템 자체가 흡수 또는 방출하는 열이 변수로 작용하여 감압 보상 온도와 편차 보정 온도의 비율이 달라져야 효율적으로 장치가 구동될 수 있다. 또한, 방산탑(50)으로 방출되는 가스가 발생하거나 그 양이 변화하면 감압 보상 온도와 편차 보정 온도의 비율이 달라져야 효율적으로 장치가 구동될 수 있다. 이와 같은 경우에는 제1 튜닝부(120)에서 온도 제어 계수와 스케일 계수를 튜닝하여 제1 제어 값과 제2 제어 값의 비율을 조정할 수 있다.
본 발명의 공급가스 온도 제어 방법은 제1 제어 값을 정압기(70)를 통과한 가스의 유량 측정값을 근거로 산출하는 제1 산출 단계와, 제2 제어 값을 정압기(70)를 통과한 가스의 온도 측정값을 근거로 산출하는 제2 산출 단계와, 제1 제어 값과 제2 제어 값의 합산 값에 비례하는 전류 또는 전압을 정압기(70) 전단에서 가스를 가열하는 전기히터(10)에 공급하는 최종 제어 단계를 포함하는 것일 수 있다.
제1 산출 단계는 정압기(70) 후단에서 측정된 유량 값의 제곱근에 비례하는 제1 제어 값을 산출할 수 있다.
제2 산출 단계는 제1 제어 값보다 작은 제2 제어 값을 산출할 수 있다.
제2 산출 단계는 정압기(70) 후단에서 측정된 온도 값과 목표 온도 값 사이의 온도 오차를 산출하는 오차 산출 단계와, 온도 오차를 변수로 PID 제어 값을 산출하는 PID 제어 단계와, PID 제어 값에 스케일 계수를 곱해서 상기 제2 제어 값을 산출하는 스케일 적용 단계를 포함할 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
1...주배관 10...전기히터
20...밸브 30...필터
40...PSV 50...방산탑
70...정압기 81...온도계
82...유량계 83...압력계
100...제1 산출 유니트 110...제1 산출부
120...제1 튜닝부 200...제2 산출 유니트
210...오차 산출부 220...PID 제어부
230...제2 산출부 240...AWUR 튜닝부
300...최종 산출 유니트

Claims (14)

  1. 가스가 통과하는 정압기 전단에 설치된 전기히터에 제1 제어 값 및 제2 제어 값을 근거로 산출된 전류 또는 전압이 공급되며,
    상기 제1 제어 값을 상기 가스의 유량 값을 근거로 산출하는 제1 산출 유니트;
    상기 제2 제어 값을 상기 가스의 온도 값을 근거로 산출하는 제2 산출 유니트;를 포함하는 것인 공급가스 온도 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 산출 유니트에 입력되는 상기 유량 값은 상기 정압기 후단에서 측정된 실측 유량 값인 공급가스 온도 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 산출 유니트는 상기 유량 값의 제곱근에 비례하는 제1 제어 값을 산출하는 것인 공급가스 온도 제어 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 산출 유니트는,
    상기 유량 값의 제곱근에 온도 제어 계수 곱하여 상기 제1 제어 값을 산출하는 제1 산출부와,
    상기 정압기 전단에서의 가스의 평균 온도, 상기 정압기 전단에서의 가스의 온도 편차, 상기 유량의 변화 값, 목표 온도, 상기 정압기 전단의 압력, 상기 정압기 후단의 압력, 배관에 배치된 밸브의 on/off 상태 중 하나 이상의 정보를 근거로 상기 온도 제어 계수를 튜닝하는 제1 튜닝부를 포함하는 것인 공급가스 온도 제어 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 산출 유니트에 입력되는 상기 온도 값은 상기 정압기 후단에서 측정된 온도 값인 공급가스 온도 제어 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 산출 유니트는,
    상기 측정된 온도 값과 목표 온도 값 사이의 온도 오차를 산출하는 오차 산출부와,
    상기 온도 오차를 변수로 PID 제어 값을 산출하는 PID 제어부와,
    상기 PID 제어 값에 스케일 계수를 곱해서 상기 제2 제어 값을 산출하는 제2 산출부를 포함하는 것인 공급가스 온도 제어 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 산출 유니트는,
    상기 PID 제어부의 적분 게인을 튜닝하는 AWUR(Anti-WindUp-Reset) 튜닝부를 포함하는 것인 공급가스 온도 제어 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 AWUR 튜닝부는 상기 정압기 후단의 가스 온도의 이력을 근거로 상기 적분 게인을 튜닝하는 것인 공급가스 온도 제어 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 제어 값은 상기 제2 제어 값보다 크게 산출되는 것인 공급가스 온도 제어 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 제어 값과 상기 제2 제어 값을 합산하고, 제1 제어 값과 상기 제2 제어 값의 합산 값에 비례하는 전류 또는 전압을 공급하는 최종 산출 유니트를 포함하는 것인 공급가스 온도 제어 장치.
  11. 제1 제어 값을 정압기를 통과한 가스의 유량 측정값을 근거로 산출하는 제1 산출 단계;
    제2 제어 값을 상기 정압기를 통과한 상기 가스의 온도 측정값을 근거로 산출하는 제2 산출 단계;
    상기 제1 제어 값과 상기 제2 제어 값의 합산 값에 비례하는 전류 또는 전압을 상기 정압기 전단에서 가스를 가열하는 전기히터에 공급하는 최종 제어 단계를 포함하는 것인 공급가스 온도 제어 방법
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 산출 단계는 상기 정압기 후단에서 측정된 유량 값의 제곱근에 비례하는 상기 제1 제어 값을 산출하는 것인 공급가스 온도 제어 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제2 산출 단계는 제1 제어 값보다 작은 제2 제어 값을 산출하는 것인 공급가스 온도 제어 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 제2 산출 단계는,
    상기 정압기 후단에서 측정된 온도 값과 목표 온도 값 사이의 온도 오차를 산출하는 오차 산출 단계와,
    상기 온도 오차를 변수로 PID 제어 값을 산출하는 PID 제어 단계와,
    상기 PID 제어 값에 스케일 계수를 곱해서 상기 제2 제어 값을 산출하는 스케일 적용 단계를 포함하는 것인 공급가스 온도 제어 방법.
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