KR20200121315A - 연소 챔버를 운전하기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

연소 챔버를 운전하기 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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로버트 머피
질린 투
다유 후앙
샤올레이 시
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제네럴 일렉트릭 테크놀러지 게엠베하
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Abstract

연소 챔버(12)를 운전하기 위한 방법(96)이 제공된다. 본 방법(96)은 일산화탄소 센서(84)를 통해 연소 챔버(12)의 출구(36)에서 일산화탄소 판독치를 획득하는 단계(98), 및 제어기(22)를 통해 일산화탄소 판독치 및 일산화탄소 설정점(102)에 적어도 부분적으로 기초하여 산소 설정점 트림을 유도하는 단계(100)를 포함한다. 본 방법(96)은, 추가로, 연소 안정성 센서(82)를 통해 연소 챔버(12)의 안정성 상태를 결정하는 단계(104), 및 제어기(22)를 통해 안정성 상태에 적어도 부분적으로 기초하여 산소 설정점 트림으로 연소 챔버(12)의 산소 설정점(108)을 조절하는 단계(106)를 포함한다. 산소 설정점(18)은 연소 챔버(12)의 출구(36)에서의 원하는 산소 수준을 한정한다.

Description

연소 챔버를 운전하기 위한 시스템 및 방법
본 발명의 실시예는 대체적으로 에너지 생성에 관한 것으로, 더 구체적으로는, 연소 챔버를 운전하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
이하에서 간단히 "전력 그리드"로도 또한 지칭되는 전기 전력 그리드는 하나 이상의 발전소에 의해 발생되는 전기 에너지를 최종 소비자, 예를 들어, 사업체, 가정 등으로 전달하기 위한 시스템이다. 주어진 기간, 예컨대 하루 동안 소비자에 의해 전력 그리드로부터 인출/요구되는 최소 전력은 전력 그리드의 "기준 수요(baseline demand)"로 알려져 있다. 소비자에 의해 전력 그리드로부터 인출/요구되는 전력의 최고량은 전력 그리드의 "피크 수요(peak demand)"로 알려져 있고, 피크 수요가 일어나는 기간은 전형적으로 전력 그리드의 "피크 시간"으로 지칭된다. 유사하게, 전력 그리드의 피크 시간 이외의 기간은 통상 전력 그리드의 "오프 피크 시간"으로 지칭된다. 화석 연료 기반 발전소에 연결된 전력 그리드에 의해 요구되는 전력량과 통상 상관되는, 화석 연료 기반 발전소에서 연소되는 연료의 양 및/또는 속도는 화석 연료 기반 발전소 및/또는 그의 연소 챔버에 대한 "부하"로서 알려져 있다.
전통적으로, 많은 전력 그리드는 기준 수요를 만족시키기 위해 화석 연료 기반 발전소만을 사용하였다. 그러나, 재생가능 에너지원에 대한 수요가 계속 성장함에 따라, 많은 전력 그리드는 이제 재생가능 에너지원, 예를 들어, 태양, 바람 등으로부터 상당한 양의 전기를 수용한다. 그러나, 많은 재생가능 에너지원에 의해 제공되는 전기의 양은 종종 하루 및/또는 일년 동안 변동한다. 예를 들어, 풍력 기반 발전소는 전형적으로 낮 동안보다 밤에 더 많은 전기를 전력 그리드에 제공한다. 반대로, 태양 기반 발전소는 전형적으로 밤보다 낮 동안 더 많은 전기를 전력 그리드에 제공한다. 최근의 개발에 의해 많은 재생가능 에너지원이 오프 피크 시간 동안, 예를 들어 밤에, 전력 그리드의 기준 전력 수요를 만족시키는 것을 가능하게 하였으나, 많은 전력 그리드는 재생가능 에너지원 단독에 의해서는 만족될 수 없는 피크 수요 및/또는 다른 기간의 증가된 수요를 만족시키기 위하여 화석 연료 기반 발전소에 여전히 의존한다.
대체적으로, 화석 연료 기반 발전소의 운전 비용은 연결된 전력 그리드의 수요를 만족시키는 데 필요한 부하의 크기와 긍정적으로 상관되는데, 예를 들어, 전력 그리드로부터의 수요가 높을수록, 수요를 만족시키기 위해 부하를 생성하는 데 더 많은 화석 연료가 소비된다. 그러나, 많은 전력 그리드는 재생가능 에너지원이 오프 피크 시간 동안 전력 그리드의 기준 수요를 충족시킬 수 있을 때 화석 연료 발전소에 의해 생성되는 전체 부하를 소비하지 못한다. 화석 연료 기반 발전소를 정지시키는 것은, 즉, 모든 연소 운전을 중단시키는 것은 피크 시간과 오프 피크 시간 사이의 비교적 짧은 사이클을 고려하면 통상 문제가 된다. 따라서, 많은 화석 연료 기반 발전소는 하나 이상의 재생가능 에너지원이 전력 그리드의 기준 수요를 충족시킬 수 있는 경우에 더 낮은/감소된 부하로 작동/운전될 것이지만, 재생가능 에너지원이 기준 수요를 만족시킬 수 없는 경우에 더 높은 부하에서 작동/운전될 것이다. 그러나, 전통적인 화석 연료 기반 발전소의 연소 챔버 내의 화염 안정성 문제로 인해, 그러한 전통적인 화석 연료 기반 발전소는 단지 그의 부하를 그의 최대 운전 부하의, 즉, 화석 연료 기반 발전소 및/또는 내포된 연소 챔버가 지원/생성하도록 설계되는 최고 부하의 약 50 내지 40 퍼센트(50 내지 40%)에 이르기까지 감소시킬 수 있다. 많은 전력 그리드는 현재, 많은 전통적인 화석 연료 기반 발전소의 50% 감소된 부하조차도 완전히 소비되지 않도록 오프 피크 시간 동안 재생가능한 공급원으로부터 충분한 전기를 수용한다. 더욱이, 많은 재생가능 에너지원이 여러 정부에 의해 보조금을 지원받기 때문에, 포괄하는 전력 그리드에 의해 공급되는 전기의 가격, 즉 "그리드 가격"은 전형적으로 너무 낮아서 50% 감소된 부하 운전 동안 많은 전통적인 화석 연료 기반 발전소의 경우 수익성이 없다. 따라서, 많은 전통적인 화석 연료 기반 발전소는 오프 피크 시간 동안 과도한 부하의 생성으로 인해 환경 및/또는 경제적 비효율성을 겪는다.
또한, 많은 연소 챔버는 화염 안정성을 정확하게 모니터링할 수 없음으로 인해 감소된 부하에서 운전하는 그들의 능력이 제한된다. 예를 들어, 많은 전통적인 연소 챔버는 그들의 정상 운전 부하의 40 퍼센트(40%)보다 낮은 부하에서 안전하게 운전할 수 없다.
추가적으로, 많은 전통적인 연소 챔버는 그들의 부하가 감소됨에 따라 분쇄기(pulverizer)를 사용하지 못할 것이다. 감소된 운전 동안 작동 중인 상태로 유지되는 분쇄기는 연료를 연소 챔버로 운반하기 위한 공기 요구량 감소에 기인하는 분쇄기로부터의 연료의 스위핑(sweeping)을 회피하기 위해 대체적으로 그들의 정상적인 공급기 속도의 절반으로 운전된다. 그러나, 감소된 부하에서 감소된 개수의 분쇄기를 작동시키는 것은, 통상, 연소 챔버 내의 화학량론적 조건(stoichiometric condition)을 변화시키며, 이는 이어서 분쇄기로부터 연소 챔버로의 연료의 불량한 운반과 연관된 추가의 위험을 또한 제공한다.
게다가, 전통적인 연소 챔버는 통상, 연소 챔버 내의 환경 변수/화학량론적 조건이 시간 경과에 따라 변화함에 따라, 일산화탄소("CO") 및/또는 아산화질소(nitrous oxide, "NOx")를 조절하기 위해 수동 조절식 제어(manually adjusted control)에 의존한다. 그러나, CO 및 NOx 방출물을 조절하기 위한 수동 조절 제어는 전형적으로 비효율적인데, 왜냐하면 그러한 수동 제어의 유효성은 흔히, 통상 개인마다 크게 다른, 조절을 수행하는 조작자의 경험에 의존하기 때문이다.
따라서, 연소 챔버를 운전하기 위한 개선된 시스템 및 방법이 필요하다.
위에 언급된 바와 같이, 많은 연소 챔버는 화염 안정성을 정확하게 모니터링할 수 없음으로 인해 감소된 부하에서 운전하는 그들의 능력이 제한된다. 따라서, 본 발명의 실시예는 측정된 CO 및 연소 챔버의 화염 안정성 상태에 기초하여 연소 챔버를 빠져나가는 O2에 대한 설정점을 조절하는 개선된 제어 피드백 루프를 제공한다.
예를 들어, 일 실시예에서, 연소 챔버를 운전하기 위한 방법이 제공된다. 본 방법은 일산화탄소 센서를 통해 연소 챔버의 출구에서 일산화탄소 판독치를 획득하는 단계, 및 제어기를 통해 일산화탄소 판독치 및 일산화탄소 설정점에 적어도 부분적으로 기초하여 산소 설정점 트림(oxygen set point trim)을 유도하는 단계를 포함한다. 본 방법은, 추가로, 연소 안정성 센서를 통해 연소 챔버의 안정성 상태를 결정하는 단계, 및 제어기를 통해 안정성 상태에 적어도 부분적으로 기초하여 산소 설정점 트림으로 연소 챔버의 산소 설정점을 조절하는 단계를 포함한다. 산소 설정점은 연소 챔버의 출구에서의 원하는 산소 수준을 한정한다.
또 다른 실시예에서, 연소 챔버를 운전하기 위한 시스템이 제공된다. 본 시스템은 일산화탄소 센서, 연소 안정성 센서, 및 제어기를 포함한다. 일산화탄소 센서는 연소 챔버의 출구에서 일산화탄소 판독치를 획득하도록 작동한다. 연소 안정성 센서는 연소 챔버의 안정성 상태를 결정하도록 작동한다. 제어기는 일산화탄소 판독치 및 일산화탄소 설정점에 적어도 부분적으로 기초하여 산소 설정점 트림을 유도하도록; 그리고 안정성 상태에 적어도 부분적으로 기초하여 산소 설정점 트림으로 연소 챔버의 산소 설정점을 조절하도록 작동하며, 이때 산소 설정점은 연소 챔버의 출구에서의 원하는 산소 수준을 한정한다.
또한 위에 언급된 바와 같이, 많은 전통적인 연소 챔버는 작동 분쇄기의 개수의 감소에 기인하는 화학량론적 조건의 변화로 인해 감소된 부하에서 운전하는 그들의 능력이 제한된다. 따라서, 본 발명의 실시예는, 연소 챔버 내의 다양한 발화 노즐들 사이의 화학량론적 조건의 변화를 설명하는, 연소 챔버를 운전하는 방법을 제공하며, 이는, 이어서, 연소 챔버가 많은 전통적인 연소 챔버보다 더 낮은 부하에서 운전하도록 허용한다.
예를 들어, 일 실시예에서, 연소 챔버를 운전하기 위한 방법이 제공된다. 본 방법은 복수의 발화 노즐들 중 하나의 발화 노즐에 각각 대응하는 2개 이상의 센서를 통해 복수의 발화 노즐들 중 2개 이상의 발화 노즐들 사이의 하나 이상의 화학량론적 불균형(stoichiometry imbalance)을 검출하는 단계를 포함한다. 본 방법은, 추가로, 검출된 화학량론적 불균형에 적어도 부분적으로 기초하여 제어기를 통해 복수의 발화 노즐들 중 적어도 하나의 발화 노즐의 화학량론값을 조절하는 단계를 포함한다.
또 다른 실시예에서, 연소 챔버를 운전하기 위한 시스템이 제공된다. 본 시스템은 2개 이상의 센서들 및 제어기를 포함한다. 2개 이상의 센서는 연소 챔버 내에 배치된 복수의 발화 노즐들 중 하나의 발화 노즐에 각각 대응한다. 제어기는 2개 이상의 센서들 사이의 하나 이상의 화학량론적 불균형을 검출하도록, 그리고 검출된 화학량론적 불균형에 적어도 부분적으로 기초하여 복수의 발화 노즐들 중 적어도 하나의 발화 노즐의 화학량론값을 조절하도록 작동한다.
위에 추가로 언급된 바와 같이, 많은 전통적인 연소 챔버는 통상, 연소 챔버 내의 환경 변수/화학량론적 조건이 시간 경과에 따라 변화함에 따라, 일산화탄소("CO") 및/또는 아산화질소("NOx")를 조절하기 위한 수동 제어에 대한 의존성으로 인해 비효율성을 겪는다. 따라서, 본 발명의 실시예는, 결과적으로 연소 챔버 내의 화학량론적 조건을 조절/제어하는 데 사용될 수 있는 화구 안정성 지수(fireball stability index)를 계산하기 위해, 연소 챔버와 연관된 다양한 메트릭(metric)/특성을 설명하는, 연소 챔버를 운전하는 자동화된 방법을 제공한다.
예를 들어, 또 다른 실시예에서, 연소 챔버를 운전하기 위한 방법이 제공된다. 본 방법은 압력 센서를 통해 연소 챔버의 압력 메트릭을 결정하는 단계, 및 하나 이상의 화염 안정성 센서를 통해 연소 챔버의 복수의 발화 노즐들 각각에 대한 하나 이상의 화염 안정성 메트릭을 결정하는 단계를 포함한다. 본 방법은, 추가로, 화구 센서를 통해 화구 메트릭을 결정하는 단계, 및 압력 메트릭, 하나 이상의 화염 안정성 메트릭, 및 화구 메트릭에 적어도 부분적으로 기초하여 화구 안정성 지수를 계산하는 단계를 포함한다.
또 다른 실시예에서, 연소 챔버를 운전하기 위한 시스템이 제공된다. 본 시스템은 압력 센서, 하나 이상의 화염 안정성 센서, 화구 센서, 및 제어기를 포함한다. 하나 이상의 화염 안정성 센서는 연소 챔버 내에 배치된 복수의 발화 노즐들 중 하나의 발화 노즐에 각각 대응한다. 제어기는 압력 센서를 통해 연소 챔버의 압력 메트릭을 결정하도록, 그리고 복수의 노즐들 중 각각의 노즐에 대한 하나 이상의 화염 안정성 메트릭을 결정하도록 작동한다. 제어기는, 추가로, 화구 센서를 통해 화구 메트릭을 결정하도록, 그리고 압력 메트릭, 하나 이상의 화염 안정성 메트릭, 및 화구 메트릭에 적어도 부분적으로 기초하여 화구 안정성 지수를 계산하도록 작동한다.
본 발명은 첨부 도면을 참조하여, 비제한적인 실시예의 하기의 설명을 읽음으로써 더 잘 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 연소 챔버를 운전하기 위한 시스템의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 도 1의 시스템의 연소 챔버의 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 도 2의 연소 챔버의 발화 층(firing layer)의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 도 1의 시스템을 이용하여 연소 챔버를 운전하는 방법을 도시한 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 도 4의 방법을 도시한 다른 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 도 4의 방법을 도시한 또 다른 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른, 도 4의 방법을 도시한 또 다른 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른, 도 4의 방법에 의해 이용되는 입력 출력("I/O") 모델의 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른, 도 4의 방법을 도시한 또 다른 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른, 도 4의 방법을 도시한 또 다른 흐름도이다.
본 발명의 예시적인 실시예를 아래에서 상세히 참조할 것이며, 실시예의 예가 첨부 도면에 도시되어 있다. 가능한 경우, 도면 전체에 걸쳐 사용되는 동일한 도면 부호는, 반복적인 설명 없이, 동일하거나 유사한 부분을 지칭한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "실질적으로", "대체적으로" 및 "약"은 구성요소 또는 조립체의 기능적 목적을 달성하기에 적합한 이상적인 원하는 상태에 비해, 합리적으로 달성가능한 제조 및 조립 허용오차 내의 상태를 나타낸다. 본 명세서에 사용되는 바와 같은, 용어 "실시간"은 사용자가 충분히 즉각적으로 감지하는 또는 프로세서가 외부 공정을 따르는 것을 가능하게 하는 처리 반응성의 수준을 의미한다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "전기적으로 결합된", "전기적으로 연결된", 및 "전기 통신"은 언급된 요소들이 직접적으로 또는 간접적으로 연결되어 전류 또는 다른 통신 매체가 하나로부터 다른 것으로 흐를 수 있게 하는 것을 의미한다. 연결부는 직접 전도성 연결부, 즉, 개재되는 용량성, 유도성 또는 능동 요소가 없는 직접 전도성 연결부, 유도성 연결부, 용량성 연결부, 및/또는 임의의 다른 적합한 전기 연결부를 포함할 수 있다. 개재되는 구성요소가 존재할 수 있다. 본 명세서에 또한 사용되는 바와 같이, 용어 "유체 연결된"은 언급된 요소들이 연결되어 (액체, 가스, 및/또는 플라즈마를 포함하는) 유체가 하나로부터 다른 것으로 유동할 수 있도록 하는 것을 의미한다. 따라서, 본 명세서에 사용되는 바와 같은, 용어 "상류" 및 "하류"는 언급된 요소들 사이에서 그리고/또는 그들 근처에서 유동하는 유체 및/또는 가스의 유동 경로에 대한 언급된 요소들의 위치를 설명한다. 추가로, 입자와 관련하여 본 명세서에 사용되는 바와 같은, 용어 "스트림"은 입자의 연속적인 또는 거의 연속적인 유동을 의미한다. 본 명세서에 또한 사용되는 바와 같이, 용어 "가열 접촉"은 언급된 물체들이 서로 근접해 있어서 열/열적 에너지가 그들 사이에서 전달될 수 있도록 하는 것을 의미한다. 본 명세서에 추가로 사용되는 바와 같이, 용어 "부유 상태 연소", "부유 상태에서의 연소", 및 "부유 상태에서 연소되는"은 공기 중에서 부유하는 연료를 연소시키는 공정을 지칭한다. 연소 챔버에 관하여 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "화염 안정성"은 연소 챔버 내의 화구가 예측가능한 방식으로 연소될 가능성을 지칭한다. 따라서, 연소 챔버의 화염 안정성이 높을 때, 화구는 연소 챔버의 화염 안정성이 낮을 때보다 더 예측가능한 방식으로 연소될 것이다. 예측불가능한 방식으로 연소되는 화구는 세기 및/또는 화학량론값, 즉 스퍼터링(sputtering)이 다를 수 있는 반면, 예측가능한 방식으로 연소되는 화구는 안정된 세기 및/또는 화학량론값을 가질 수 있다. 다시 말하면, 예측가능한 방식으로 연소되는 화구는 예측불가능한 방식으로 연소되는 화구보다 더 일관된 열 에너지 출력을 갖는다.
부가적으로, 본 명세서에 개시된 실시예가 보일러의 일부를 형성하는 연소 챔버를 갖는 접선방향 발화형 석탄 기반 발전소(tangentially fired coal based power plant)에 관하여 주로 설명되어 있지만, 본 발명의 실시예는, 예를 들어 노(furnace) 내의 연료의 연소를 동시에 중단시키지 않고서 연료의 연소 속도를 제한하고/하거나 낮출 필요가 있는 임의의 장치 및/또는 방법에 적용가능할 수 있는 것으로 이해하여야 한다.
이제 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연소 챔버(12)를 운전하기 위한 시스템(10)이 도시되어 있다. 이해되는 바와 같이, 실시예에서, 연소 챔버(12)는 보일러(14)의 일부를 형성할 수 있는데, 이는 이어서 연료(18)(도 2), 예를 들어, 석탄, 오일, 및/또는 가스와 같은 화석 연료를 연소시켜 증기 터빈 발전기(20)를 통하여 전기를 발생시키기 위한 증기를 생성하는 발전소(16)의 일부를 형성할 수 있다. 시스템(10)은 적어도 하나의 프로세서(24) 및 메모리 디바이스(26)를 갖는 제어기(22), 하나 이상의 밀(mill)(28), 선택적 촉매 환원기(selective catalytic reducer, "SCR")(30), 및/또는 배기 스택(exhaust stack)(32)을 추가로 포함할 수 있다.
이해되는 바와 같이, 하나 이상의 밀(28)은 연소 챔버(12) 내에서의 연소를 위해 연료(18)를 수용 및 처리하도록 작동하는데, 즉, 밀(28)은 연소 챔버(12) 내에서의 발화를 위해 연료(18)를 세절(shred), 분쇄 및/또는 달리 컨디셔닝한다. 예를 들어, 실시예에서, 하나 이상의 밀(28)은 분쇄기 밀일 수 있는데, 이는, 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 연삭 롤러와 회전 보울(bowl) 사이에서 고체 연료를 파쇄/분쇄하는 유형의 밀을 지칭한다. 이어서, 처리된 연료(18)는 도관(34)을 통하여 밀(28)로부터 연소 챔버(12)로 운반/공급된다.
연소 챔버(12)는 연료(18)를 수용하고 그의 연소를 용이하게 하도록 운전되며, 이는 열 및 연도 가스의 발생을 야기한다. 연도 가스는 연소 챔버(12)로부터 도관(36)을 통하여 SCR(30)로 전송될 수 있다. 연소 챔버(12)가 보일러(14) 내로 통합된 실시예에서, 연료(18)의 연소에 의한 열은 포획되어, 예를 들어 연도 가스와 가열 접촉하는 수벽(water wall)을 통하여, 증기를 발생시키기 위해 사용될 수 있으며, 이는 이어서 도관(38)을 통하여 증기 터빈 발생기(20)로 전송된다.
SCR(30)은 도관(40) 및 배기 스택(32)을 통한 대기 중으로의 연도 가스의 방출 전에 연도 가스 내의 NOx를 환원시키도록 작동한다.
이제 도 2를 참조하면, 연소 챔버(12)의 내부가 도시되어 있다. 시스템(10)은 감소된 부하에 따라 수행될 수 있는, 1차 공기 스트림(48)을 통하여 연료(18)를 연소 챔버(12) 내로 도입하도록 작동하는 복수의 노즐(42, 44, 및/또는 46)을 추가로 포함한다. 다시 말하면, 노즐(42, 44, 및/또는 46)은 연소 챔버(12)의 최대 운전 부하의 절반 미만인 부하에 대응하는 속도로 연료(18) 및 1차 공기(48)를 연소 챔버(12) 내로 도입한다. 이해되는 바와 같이, 연료(18) 및 1차 공기 스트림(48)은 화구(50)를 형성하기 위하여 노즐(42, 44, 46)의 출구 단부를 빠져나간 후에 점화/연소된다. 시스템(10)은 추가 노즐(52 및/또는 54)을 포함할 수 있는데, 이를 통하여 2차 공기(56) 및 과발화 공기(58)가 연소 챔버(12) 내로 도입되어 화구(50) 내의 연료(18)의 연소를 제어/통제할 수 있다.
실시예에서, 노즐(42, 44, 46, 52, 및/또는 54)은 하나 이상의 윈드박스(windbox)(60) 내에 배치될 수 있고/있거나 하나 이상의 발화 층(62, 64, 66, 68, 70) 내로 배열될 수 있는데, 즉, 노즐(42, 44, 46, 52, 54)의 군(group)이 연소 챔버(12)의 수직 축/종축(72)을 따라서 동일한 위치에 그리고/또는 그 근처에 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 발화 층(62)은 연료(18) 및 1차 공기(48)를 도입하는 노즐(42)을 포함할 수 있고, 제2 발화 층(64)은 2차 공기(56)를 도입하는 노즐(52)을 포함할 수 있고, 제3 발화 층(66) 및/또는 제4 발화 층(68)은 연료(18) 및 1차 공기(48)를 도입하는 노즐(44, 46)을 포함할 수 있고, 제5 발화 층(70)은 분리 과발화 공기(separated overfired air, "SOFA")(58)를 도입하는 노즐(54)을 포함할 수 있다. 발화 층(62, 64, 66, 68, 70)이 본 명세서에서 균일한 것으로 도시되어 있지만, 즉, 각각의 발화 층(62, 64, 66, 68, 70)이 단지 1차 공기(48) 및 연료(18)만을 도입하는 노즐(42, 44, 46), 단지 2차 공기(56)만을 도입하는 노즐(52), 또는 단지 SOFA(58)만을 도입하는 노즐(54)을 포함하지만, 실시예에서, 개별 발화 층(62, 64, 66, 68, 70)은 노즐(42, 44, 46, 52, 및/또는 54)의 임의의 조합을 포함할 수 있는 것으로 이해될 것이다. 추가로, 도 2가 5개의 발화 층(62, 64, 66, 68, 70)을 도시하지만, 본 발명의 실시예는 임의의 수의 발화 층을 포함할 수 있는 것으로 이해될 것이다. 추가로 더, 노즐(52 및/또는 54)은 2차 공기(56) 및/또는 SOFA(58)가 각각의 노즐(42, 44, 및/또는 46)에서 1차 공기(48)를 직접적으로 보충하도록 노즐(42, 44, 및/또는 46) 옆에 배치될 수 있고/있거나 그로 지향될 수 있다.
이제 도 3으로 가면, 발화 층(62)의 단면도가 도시되어 있다. 이해되는 바와 같이, 실시예에서, 연료(18)는 접선 방향으로 발화될 수 있는데, 즉, 연료(18)는 1차 공기 스트림(48)의 궤적과 수직 축(72)으로부터 노즐(42)로 연장되는 반경방향 라인(74) 사이에 형성된 각도(
Figure pct00001
)로 노즐(42)을 통하여 연소 챔버 내로 도입된다. 다시 말하면, 노즐(42)은 수직 축(72)을 중심으로 하는, 화구를 나타내는, 가상 원(50)에 접선방향으로 연료(18)를 1차 공기 스트림(48)을 통하여 주입한다. 소정 태양에서, 각도(
Figure pct00002
Figure pct00003
)는 2 내지 10 도의 범위일 수 있다. 도 3이 연소 챔버(12)의 코너에 배치되는 바와 같은 제1 발화 층(62) 내의 노즐(42)을 도시하지만, 다른 실시예에서, 노즐(42)은 화구(50) 외측의 발화 층(62) 내의 임의의 지점에 배치될 수 있다. 이해되는 바와 같이, 다른 발화 층(64, 66, 68, 및/또는 70)(도 2)의 노즐(44, 46, 52, 및/또는 54)(도 2)은 도 3에 도시된 제1 발화 층(62)의 노즐(42)과 동일한 방식으로 배향될 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 노즐(42, 44 및/또는 46)을 떠날 때, 연료(12)의 연소 입자는, 그가 연소 챔버(12)의 상류측(78)으로부터 연소 챔버(12)의 하류측(80)으로 이동하는 방향으로 유동함에 따라, 화구(50) 내의, 코르크스크류와 같은, 나선 형상의 비행 경로(76)를 따른다. 다시 말하면, 연료(18)를 접선방향으로 발화시키는 것은 화구(50)가 수직 축(72)을 중심으로 나선을 이루게 한다.
이해되는 바와 같이, 실시예에서, 연소 챔버(12)는 발전소(16)와 동일한 전력 그리드에 연결된 재생가능 에너지원이 기준 수요를 충족시킬 수 없을 때의 기간 동안, 정상 부하, 즉, 그의 최대 부하의 60 내지 100%에서 운전된다. 전력 그리드에 연결된 재생가능 에너지원이 기준 수요를 충족시킬 수 있을 때, 제어기(22)는 연소 챔버(12) 내로 도입되는 연료(18), 1차 공기(48), 2차 공기(56), 및/또는 SOFA(58)의 양을 감소시킴으로써 연소 챔버(12)를 감소된 부하, 예컨대, 그의 최대 부하의 50% 미만에서 운전할 수 있다. 그러나, 이해되는 바와 같이, 연소 챔버(12)를 통한 연료(18)의 이동을 용이하게 하기 위해, 1차 공기(48), 2차 공기(56), 및/또는 SOFA(58)에 의해 제공되는 공기의 최소량이 유지되어야 한다. 따라서, 실시예에서, 공기의 전술한 최소량은 연소 챔버(12)의 부하를 감소시키는 제어기(22)의 능력에 대한 더 낮은 제약일 수 있다. 예를 들어, 실시예에서, 1차 공기(48)는 각각의 노즐(42, 44, 및/또는 46)에 연료 1 lb당 약 1 내지 1.5 lb로 제공될 수 있고, 제어기(22)는 연료(18)의 연소를 위해 각각의 노즐(42, 44, 및/또는 46)에서 이용가능한 공기의 총량이 연료 1 lb당 약 10.0 lb이도록 2차 공기(56) 및/또는 SOFA(58)를 조절할 수 있다.
앞서 언급된 바와 같이, 감소된 부하에서 연소 챔버(12)를 운전하는 것은 연소 챔버(12)의 화염 안정성을 낮추는 위험이 있는데, 즉, 화구(50)가 더 예측불가능한 방식으로 연소되기 시작할 수 있는 위험이 증가된다. 특히, 연소 챔버(12)의 화염 안정성은 노즐들(42, 44, 및/또는 46) 중 하나 이상의 노즐의 화학량론값에 적어도 부분적으로 기초한다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 노즐(42, 44, 및/또는 46)의 화학량론값은 1차 공기(48)와 연료(18)의 화학 반응 비를 지칭하고, 일부 실시예에서, 노즐(42, 44, 및/또는 46)에서의 연료(18)의 연소에 의해 소비되는 2차 공기(56) 및/또는 SOFA(58)의 비를 지칭한다. 이해되는 바와 같이, 연소 챔버(12)에 대한 부하를 감소시키기 위한 제어기(22)에 의한 연료(18), 1차 공기(48), 2차 공기(56), 및/또는 SOFA(58)의 환원은 이어서 노즐들(42, 44, 및/또는 46) 중 하나 이상의 노즐의 화학량론값을 변화시킨다.
따라서, 그리고 또한 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 시스템(10)은, 제어기(22)와 전자 통신하고 화학량론적 데이터, 즉, 실시간으로 수행될 수 있는, 1차 공기(48) 및 연료(18), 및/또는 생성된 연도 가스 내의 화학 물질을 도입하는 노즐들(42, 44, 46) 중 적어도 하나의 노즐의 화학량론값의 측정/모니터링을 통하여, 노즐(42, 44, 및/또는 46)에서의 연소 반응의 생성물 및 반응물의 화학량론값에 관련된 데이터를 획득하도록 작동하는 하나 이상의 센서(82(도 2), 84(도 1), 86(도 1), 87(도 1), 88(도 1), 90(도 2))를 추가로 포함한다. 예를 들어, 실시예에서, 센서(82 및/또는 90)는 화구(50)의 시각적 이미지/비디오 피드(video feed)를 획득하도록 작동하는 연소 안정성 센서, 예컨대 카메라일 수 있다. 다른 실시예에서, 센서(82 및/또는 90)는 화학량론적 데이터에 대응하는 화구(50)의 스펙트럼 라인을 획득할 수 있다. 이해되는 바와 같이, 스펙트럼 라인의 세기는 노즐(42, 44, 46)에 대한 연소 반응의 생성물 및/또는 반응물의 화학량론적 양에 대응할 수 있다. 다시 말하면, 스펙트럼 라인은 각각의 노즐(42, 44, 46)의 화학량론값의 표시를 제공한다. 추가로 이해되는 바와 같이, 스펙트럼 라인의 세기는 노 소음(furnace rumble)의 결과로서 시간 경과에 따라 변동할 수 있는데, 이는 초당 약 20 내지 약 200 사이클일 수 있고, 그에 의해 일정 진폭 및 주파수를 갖는 파형을 생성할 수 있다.
이해되는 바와 같이, 스펙트럼 라인 변동의 주파수 및/또는 진폭의 변화는, 연소 챔버(12)의 화염 안정성이 불안정하고/하거나 불안정하게 되는 경향이 있다는 표시를 제공할 수 있다. 따라서, 실시예에서, 노즐들(42, 44, 46) 중 하나 이상의 노즐의 화학량론값은 스펙트럼 라인 변동의 주파수 및/또는 진폭이 임계치를 초과하는 경우에 조절될 수 있다. 예를 들어, 기준 주파수 및/또는 진폭, 즉, 정상 부하 운전 하에서의 스펙트럼 라인 변동의 주파수 및/또는 진폭으로부터 약 20% 내지 약 25%의 스펙트럼 라인 변동의 주파수 및/또는 진폭의 변화는, 연소 챔버(12)의 화염 안정성이 불안정하고/하거나 불안정해지는 경향이 있는 것을 나타낼 수 있다.
따라서, 노즐들(42, 44, 46) 중 하나 이상의 노즐에서 화학량론값을 측정함으로써, 제어기(22)는 연소 챔버의 화염 안정성이 불안정하고/하거나 불안정해지는 경향이 있는 것을 검출할 수 있고, 이어서 노즐들(42, 44, 및/또는 46) 중 하나 이상의 노즐의 개별 화학량론값을 조절함으로써 연소 챔버(12)의 화염 안정성을 교정/유지할 수 있다. 이해되는 바와 같이, 제어기(22)는 노즐(42, 44, 및/또는 46)에 공급/전달되는 1차 공기(48) 및/또는 연료(18)의 양을 조절함으로써 노즐(42, 44, 및/또는 46)의 화학량론값을 조절할 수 있다. 따라서, 실시예에서, 센서(82)는 제어기(22)가, 노즐들(42, 44, 및/또는 46) 중 하나 이상의 노즐의 1차 공기(48) 및/또는 연료(18)를 실시간으로 모니터링 및 조절함으로써 연소 챔버(12)의 화염 안정성을 유지 및/또는 증가시키게 한다. 제어기(22)는 또한, 노즐들(42, 44, 및/또는 46) 중 하나 이상의 노즐에서 화학량론값을 조절하기 위해 2차 공기(56) 및/또는 SOFA(58)를 조절할 수 있다.
이해되는 바와 같이, 실시예에서, 센서(82)는, 특정 노즐(42, 44, 및/또는 46)에 의해 연소 챔버(12) 내로 도입되는 1차 공기(48) 및 연료(18)의 연소에 의해 방출되는 광자의 주파수를 분석함으로써 그 노즐(42, 44, 및/또는 46)에서의 화학량론값을 측정하는 스펙트럼 분석기일 수 있다. 그러한 실시예에서, 센서(82, 90)는 또한 화염 검출기, 즉, 특정 노즐(42, 44 및/또는 46)에서의 연료(18) 및 1차 공기(48)가 실제로 연소되고 있는 것을 보장하는 디바이스로서 역할을 할 수 있다.
다른 실시예에서, 센서는 생성된 연도 가스 내의 CO, CO2, 및/또는 NOx의 양을 분석함으로써 노즐들(42, 44, 및/또는 46) 중 하나 이상의 노즐의 화학량론값을 결정할 수 있는, 연소 챔버(12)의 하류에 위치된 CO 센서/검출기(84)(도 1), 산소("O2") 센서(86), 이산화탄소("CO2") 센서/검출기(87)(도 1), 및/또는 NOx 검출기/센서(88)(도 1)일 수 있다.
이해되는 바와 같이, 제어기(22)는 연소 챔버(12)의 화염 안정성을 유지하기 위하여 정상 및/또는 감소된 부하 운전 동안 센서(82, 84, 86, 87, 88, 및/또는 90)를 통하여 노즐들(42, 44 및/또는 46)의 화학량론값을 모니터링/측정하고/하거나 조절할 수 있는데, 즉, 제어기(22)는 연소 챔버의 화염 안정성이 바람직하지 않은 수준으로 떨어질 위험을 완화시키기 위해 노즐들(42, 44 및/또는 46)의 화학량론값을 조절한다. 따라서, 실시예에서, 제어기(22)는 노즐들(42, 44, 및/또는 46) 중 하나 이상의 노즐에서 화학량론값의 변동을 감지함으로써 연소 챔버(12)의 화염 안정성이 감소하고 있음을 검출/결정할 수 있다. 예를 들어, 센서(82)가 스펙트럼 분석기인 실시예에서, 노즐(42, 44, 및/또는 46)에서의 화학량론값의 변동은 센서(82)가 노즐(42, 44, 및/또는 46)에서의 화학량론값을 모니터링하는 것에 의해 측정되는 바와 같은 스펙트럼 라인 내의 변화에 대응할 수 있다.
소정 태양에서, 제어기(22)는 노즐들(42, 44, 및/또는 46) 각각에서의 화학량론값들이 서로에 대해 실질적으로 균일하도록 노즐들(42, 44, 및/또는 46) 각각에서의 화학량론값들을 조절할 수 있다. 다시 말하면, 제어기(22)는 노즐들(42, 44, 및/또는 46) 각각에 전달되는 1차 공기(48) 및 연료(18)의 양이 실질적으로 동일한 것을 보장할 수 있다. 예를 들어, 제어기(22)가 제1 노즐(42)에서의 화학량론값이 제2 노즐(44)에서의 화학량론값보다 더 높다는 것을 센서(82)를 통하여 검출하는 경우, 제어기(22)는 제1 노즐(42) 및 제2 노즐(44)의 화학량론값들이 동일/균일하도록 제2 노즐(44)에 대한 1차 공기(48) 및/또는 연료(18)의 양을 증가시킬 수 있거나 제1 노즐(42)에 대한 1차 공기(48) 및/또는 연료(18)의 양을 감소시킬 수 있다. 실시예에서, 제어기(22)는, 발화 층 상의 노즐들 모두가 서로에 대해 동일/균일하도록, 특정 발화 층(예컨대, 68)의 노즐들(예컨대, 46) 모두의 화학량론값을 조절할 수 있다.
추가적으로, 실시예에서, 시스템(10)은 화구(50)의 안정성을 검출/모니터링하는 화염 안정성/화구 센서(90)(도 2)를 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 실시예에서, 화염 안정성 검출기(90)는 수직 축(72) 아래로 화구(50)를 보는, 연소 챔버(12)에 장착된 카메라일 수 있다. 그러한 실시예에서, 화염 안정성 검출기(90)가 볼 때, 화구(50) 내의 어두운 줄무늬는 연소 챔버(12)의 화염 안정성이 저하되고 있다는 것을 신호로 알려줄 수 있다. 화염 안정성 센서(90)는 또한, 수직 축(72) 아래로 화구(50)를 보고 화구(50)에 의해 방출되는 광자의 주파수의 분석에 적어도 부분적으로 기초하여 화염 안정성을 결정하는, 연소 챔버(12)에 장착된 스펙트럼 분석기일 수 있다. 따라서, 실시예에서, 화염 안정성 검출기(90)는 극도의 낮은 부하 조건, 즉, 화구(50)가 연소 챔버(12)의 계속되는 운전에 대해 너무 신뢰할 수 없는 조건의 검출을 제공할 수 있다. 다시 말하면, 화염 안정성 검출기(90)는 제어기(22)가 연소 챔버(12)의 가장 낮은 가능한 부하를 결정하는 데 도움을 줄 수 있다.
게다가, 시스템(10)의 실시예는 또한, 제어기(22)와 전자 연통하고 연소 챔버(12)로부터의 NOx 방출물을 감소시키도록 작동하는 우산형(umbrella)/삽통형(telescoping) 선택적 무촉매 환원기(selective non-catalytic reducer, "SNCR")(92)(도 1)를 포함할 수 있다. 이해되는 바와 같이, 우산형 SNCR(92)은 암모니아 및/또는 암모니아 형성제가 NOx 환원을 위한 최적 온도, 예를 들어 1600℉를 갖는 변화하는 위치에서 연소 챔버(12) 내로 주입되게 하는 조절가능한 삽통형 노즐(94)(도 1)을 포함한다. 감소된 부하 운전이 통상, 예컨대, 700℉ 미만의 더 낮은 연도 가스 온도를 생성하고, 이는 이어서 NOx 방출물을 감소시키기 위해 SCR(30)의 효율을 저하시킬 수 있지만, 감소된 부하 운전은 통상, 정상 부하 운전보다 적은 NOx를 생성한다. 따라서, 이해되는 바와 같이, 실시예에서, 우산형 SNCR(92)에 의해 제공되는 NOx 환원의 증가는 감소된 부하 운전과 연관된 더 낮은 연도 가스 온도에 기인하는 SCR(30)에 의한 NOx 환원의 감소를 보상할 수 있다.
이제 도 4로 가면, 본 발명의 실시예에 따른, 연소 챔버(12)를 운전하는 방법(96)이 도시되어 있다. 본 방법(96)은 CO 센서(84)(도 1)를 통해 연소 챔버(12)(도 1)의 출구(도 1의 도관(36))에 대응하는/그에서의/그리고/또는 그 부근에서의 CO 판독치를 획득하는 단계(98), 및 CO 판독치 및 CO 설정점(102)에 적어도 부분적으로 기초하여 O2 설정점 트림을 유도하는 단계(100)를 포함한다. O2 설정점 트림은, 실시예에서, 제어기(22)(도 1)의 일부를 형성할 수 있는 CO 제어기를 통해 유도/계산될 수 있다. 설정점과 관련하여 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "트림"은 설정점이 시간 경과에 따라 변화되는 값/양을 지칭한다. 예를 들어, 예시적인 설정점의 초기 값이 100 단위인 경우, 설정점에 대한 트림은 5 단위이고, 트림이 시간 사이클 tx(여기에서, x >= 1임)당 한번 설정점에 적용되는 경우, 설정점은 시간 사이클 tx마다 5 단위만큼 증가될 것인데, 예컨대, 설정점은 t0 내지 t5에 걸쳐 하기의 값을 가질 것이다: t0 = 100 단위; t0 = 105 단위; t2 = 110 단위; t3 = 115 단위; t4 = 120 단위; 및 t5 = 125 단위. 이해되는 바와 같이, 트림은 양의 값 또는 음의 값을 가질 수 있다. 이해되는 바와 같이, 일부 실시예에서, 트림은 하나 이상의 시간 사이클 tx에 대해 0의 값을 가질 수 있다.
본 방법은 연소/화염 안정성 센서(82 및/또는 90)(도 2)를 통해 연소 챔버(12)의 안정성 상태를 결정하는 단계(104); 및 안정성 상태(104)에 적어도 부분적으로 기초하여 O2 설정점 트림으로 연소 챔버(12)의 O2 설정점(108)을 조절하는 단계(106)를 추가로 포함한다. 따라서, 도 4에 도시된 바와 같이, 실시예에서, CO 판독치(98) 및 CO 설정점(102)은 O2 설정점 트림을 생성하는 CO 제어기(100)에 공급되고, 이러한 O2 설정점 트림은 O2 설정점(108)과 합산되며(106), 그 값은 안정성 상태(104)에 의해 결정된 조건(112)에 기초하여 O2 제어기(110)에 전달된다. 이해되는 바와 같이, 안정성 상태(104)는 화구(50) 및/또는 개별 노즐(42, 44, 46)에 대한 화염 안정성의 정도를 전달하는 메트릭이다. 예를 들어, 실시예에서, 조절된 O2 설정점(106)은 안정성 상태가 허용가능한 임계치, 예컨대 사용자 및/또는 법정 정의된 수준/양보다 높은 경우에만 O2 제어기(110)에 전달될 수 있다. 일부 실시예에서, 안정성 상태는 단순히 화염 상태, 예를 들어 화염, 예컨대 화구가 연소 챔버(12) 내에 여전히 존재/연소하고 있다는 표시일 수 있다. 그러한 실시예에서, 화염 상태는 "존재", "부존재", "스퍼터링", "안정", 및/또는 다른 적합한 값일 수 있다.
따라서, 위에 도시된 바와 같이, 출구, 예컨대 도관(36)에서의 측정된 CO와 CO 한계/설정점을 비교함으로써, 제어기(22)는 기존의 O2 설정점에 대한 보정 신호를 출력하며, 이는 전형적으로, 주 증기 유동, 예컨대 현재의 연소 챔버 부하에 인덱싱(indexing)된다. 새로운 보정된/조절된 O2 설정점은 기존의 O2 설정점으로부터 O2 트림을 감산함으로써 계산될 수 있다. 따라서, 제어기(22)는 출구, 예컨대 도관(36)에서의 측정된 CO 판독치를 실시간으로, 또는 거의 실시간으로 계속 관찰할 것이고, 방출된 CO를 한계 내로 유지시키도록 폐루프 모드에서 O2 설정점을 보정할 것이다.
게다가, 또한 위에 도시된 바와 같이, 일부 실시예에서, 보정된/조절된 O2 설정점은 센서(82 및/또는 90), 예컨대 카메라를 사용하여 화염 안정성을 연속적으로 확인/결정하는 전달 블록(112)으로 전송될 수 있다. 화염 안정성 모니터, 예컨대 센서(82 및/또는 90)가 불량한 연소 조건을 나타내면, 연소 조건이 개선될 때까지 O2 설정점은 낮아지지 않을 것이다. 그러한 실시예에서, O2 제어기(110)는 보정된/조절된 O2 설정점과 출구, 예컨대 도관(36)에서의 측정된 O2 사이의 차이에 작용할 수 있고, 총 단위 공기 수요에 대한 보정 계수(전형적으로 88 내지 120%)를 출력한다. 총 측정된 공기 유동과 보정된 총 단위 공기 유동 수요를 비교하여, 공기 유동 제어기가 2차 공기에 대한 유동 수요를 생성하며, 이는 하나 이상의 팬(fan) 및/또는 댐퍼(damper)를 위한 입구 베인(inlet vane)을 제어하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 현재의 출구 O2가 여전히 약 3.2%인 동안 새로운 O2 설정점이 3.2%로부터 2.8%로 떨어지면, 제어기(100)는 1.0보다 작은 값을 출력할 것이다. 따라서, 총 단위 공기 유동 수요는 약 0.90배만큼 보정될 것이고, 이에 상응하게, 공기 유동 제어기는 빠져나가는 O2를 궁극적으로 약 2.8%, 예컨대 평형 상태로 낮추기 위해 공기 유동을 감소시키도록 하나 이상의 팬 및/또는 댐퍼를 조절함으로써 응답할 것이다.
도 5를 참조하면, 실시예에서, 본 방법(96)은 NOx 센서(88)(도 1)를 통해 연소 챔버의 출구(도 1의 도관(36))에 대응하는/그에서의 그리고/또는 그 부근에서의 NOx 판독치를 획득하는 단계(114), 및 NOx 판독치 및 NOx 설정점(118)에 적어도 부분적으로 기초하여 화학량론값 설정점 트림(stoichiometry set point trim)을 유도하는 단계(116)를 추가로 포함할 수 있다. 화학량론값 설정점 트림은, 이어서, CO 판독치(98)(도 5)에 적어도 부분적으로 기초하여 화학량론값 설정점(122)을 조절하는(120) 데 사용된다. 예를 들어, 실시예에서, 조절된 화학량론값 설정점(120)은, CO 판독치(98)가 허용가능한 임계치, 예컨대 사용자 및/또는 법정 정의된 수준/양보다 높다고 결정되지 않는 한, 제어기(22)(도 1)의 일부를 형성할 수 있는 하나 이상의 화학량론값 제어기(124, 126, 128, 130)에 전달되지 않을 수 있다. 이해되는 바와 같이, 화학량론값 제어기(124, 126, 128, 130)는 각각 발화 층(62, 64, 66, 68, 70)(도 2) 내의 상이한 노즐(42)(도 3)에 대응/그를 제어할 수 있고, 수신된 화학량론값 설정점(120)에 적어도 부분적으로 기초하여 대응하는 노즐(42)의 화학량론값을 제어/조절할 수 있다.
따라서, 실시예에서, NOx 제어기(116)는 NOx 설정점과 빠져나가는 NOx를 비교하여, 실시예에서, 총 공기 유동의 함수일 수 있는, 기존의 주 보일러 구역(main boiler zone, "MBZ") 화학량론값 설정점에 대한 보정 신호를 생성한다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, MBZ는 발화 층, 예컨대 64, 66, 및/또는 68(도 2)을 지칭하며, 여기에서 화구(50)(도 2) 내의 연소의 대부분이 발생한다. MBZ 화학량론값을 낮추는 것이 연소 챔버(12) 내의 CO의 양을 증가시킬 수 있기 때문에, 보정된 MBZ 화학량론값 설정점은 빠져나가는 CO를 연속적으로 모니터링하는 전달 블록으로 전송된다. 빠져나가는 CO가 급증하는 경우, 전달 블록은 빠져나가는 CO가 회수될 때까지 MBZ 화학량론값 설정점이 낮아지지 않을 것임을 보장할 것이다. 따라서, 전달 블록으로부터의 보정된 MBZ 화학량론값 설정점은 저레벨 화학량론값 제어기에 대한 설정점으로서 사용될 수 있다.
도 6으로 가면, 위에서 논의된 바와 같이, 실시예에서, 제어기(22)는 보일러 연소 공정, 예컨대 센서(82, 84, 86, 88, 90)로부터의 피드백에 기초하여 연속적으로 과잉 공기 및 MBZ 화학량론값, 예컨대 화학량론값 설정점(122)(도 5)을 수정할 수 있다. 따라서, 제어기(22)(도 1)는 연소 챔버(12)에 대한 공기 유동 요구량을 만족시키기 위해 SOFA(58)(도 2)의 양을 추가로 계산/업데이트할 수 있다. 그러한 실시예에서, 연소 챔버(12)에 대한 새로운 보정된/업데이트된 화학량론값 및 측정된 O2에 기초하여 계산된/생성된 새로운 단위 화학량론값에 기초하여, 연소 챔버 공기 유동 비가 계산될 수 있다. 이해되는 바와 같이, 연소 챔버 공기 유동 비에 공기 유동의 총 측정 단위를 곱함으로써, 연소 챔버 수요가 결정될 수 있다. 유사한 방식으로, 연소 챔버(12) 및 하부 분리 과발화 공기(lower separated overfired air, "LSOFA") 둘 모두에 대한 총 공기 유동 수요가 LSOFA 화학량론값 설정점에 기초하여 결정될 수 있다. 주 버너 구역 유동 수요를 감산함으로써, LSOFA 구역에 대한 유동 수요가 계산될 수 있으며, 이는 각각의 코너 및 각각의 높이(elevation)에 대한 LSOFA 댐퍼 위치 수요를 결정하기 위해 저레벨 LSOFA 유동 제어기로 전송될 것이다. 유사하게, 상부 분리 과발화 공기(higher separated overfired air, "HSOFA") 수요가 각각의 코너 및 각각의 높이에 대한 HSOFA 댐퍼 위치 수요를 결정하기 위해 계산될 수 있다.
예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, LSOFA 공기 댐퍼(134) 및/또는 HSOFA 공기 댐퍼(136)는 조절된/보정된 화학량론값 설정점(122), 단위 화학량론값(138), 총 단위 공기 유동(140), 및/또는 LSOFA 설정점(142)에 적어도 부분적으로 기초하여 제어될 수 있다. 그러한 실시예에서, 공기 유동 수요(라인(144)으로 나타냄)가 화학량론값 설정점(122), 단위 화학량론값(138), 및 총 단위 공기 유동(140)에 기초하여 생성될 수 있다. 이어서, LSOFA 수요(146)가 공기 유동 수요(144)에 기초하여 생성되며, 이는 이어서 LSOFA 유량(150)과 함께 LSOFA 제어기(148)에 공급되어 LSOFA 공기 댐퍼(134)를 제어한다. 유사하게, HSOFA 수요(라인(152)으로 나타냄)는 라인(154)으로 나타낸, 연소 챔버 공기 유동 수요(144)와 LSOFA 수요(146)의 합에 기초할 수 있다. HSOFA 수요(152)는 이어서 HSOFA 유량(158)과 함께 HSOFA 제어기(156)에 공급되며, 이는 HSOFA 공기 댐퍼(136)를 조절/제어한다.
도 7을 참조하면, 실시예에서, (도 4에 도시된 바와 같이) O2 설정점 트림을 유도하는 것, (도 5에 도시된 바와 같이) 화학량론값 설정점을 유도하는 것, 및/또는 (도 6에 도시된 바와 같이) LSOFA 댐퍼 및/또는 HSOFA 댐퍼를 제어하는 것은 모델 예측 제어기(model predictive controller, "MPC")(158)에 적어도 부분적으로 기초할 수 있다. 그러한 실시예에서, MPC(158)는 CO 판독치(98), NOx 판독치(114), 연소 챔버(12)(도 1)에 의해 생성된 증기(160)(도 1에 또한 도시됨), 예컨대 과열 증기 및/또는 재열 증기의 온도, 및/또는 연소 챔버(12) 및/또는 포괄하는 노(14) 및/또는 발전소(16)의 운전과 관련된 다른 파라미터를 입력으로서 수신할 수 있다. 이해되는 바와 같이, MPC(158)는 CO 판독치(98), NOx 판독치(114), 및 증기 온도(160)와 같은 주요 제어 변수로부터 수신된 피드백에 적어도 부분적으로 기초하여 조절 제어 루프에 대한 최적의 설정점을 계산/생성함으로써 연소 챔버(12)에 대한 제어 최적화를 다룰 수 있다. 이해되는 바와 같이, 간단한 피드백 루프 상에서 작동하는 전통적인 연소 챔버 제어기와는 달리, MPC(158)는 연소 챔버(12)의 하나 이상의 환경 작동 파라미터, 예컨대 빠져나가는 NOx, CO, O2 등의 값을 예측한다.
따라서, MPC(158)(도 7)에 의해 이용되는 입력 출력("I/O") 모델(162)의 일 실시예가 도 8에 예시되어 있다. I/O 모델(162)은 조작 변수(manipulated variable)(164), 예컨대 O2 설정점 바이어스(bias)(166), MBZ 화학량론값 설정점(168), 과발화 공기 댐퍼 수요(170), WB/fum DP 설정점(172), 윈드 박스 틸트(wind box tilt)(174) 등; 외란 변수(disturbance variable)(175), 예컨대 수트 블로잉(soot blowing)(176), 단위 부하 수요(178), 연료 특성(180), 주변 조건(182) 등; 및/또는 제어 변수(184), 예컨대 NOx 설정점(118), CO 설정점(102), SHO 온도 편차(186), RHO 온도 편차(188), RH 스프레이 유량(190) 등을 포함할 수 있다. 따라서, MPC는 외란 변수(175) 및/또는 조작 변수(164)에 적어도 부분적으로 기초하여 제어 변수(184)를 생성 및/또는 조절한다.
도 9에 도시된 바와 같이, 실시예에서, 본 방법(96)은 센서(82)(도 2)를 통해 2개 이상의 발화 노즐들(42)(도 1) 사이의 하나 이상의 화학량론적 불균형을 검출하는 단계, 및 발화 노즐들(42) 사이의 화학량론값의 균형을 얻기 위해, MPC(158)(도 7)를 포함할 수 있는 제어기(22)를 통해 발화 노즐들 중 적어도 하나의 발화 노즐의 화학량론값을 조절하는 단계를 포함할 수 있다. 그러한 실시예에서, 제어기(22)는 발화 층, 예컨대 62(도 2 및 도 3) 내의 노즐들(42) 각각 사이의 불균형을 획득/계산할 수 있고, 이들 불균형을 카테고리, 예컨대 쌍별 분류로 분류/그룹화할 수 있다. 예를 들어, 센서(82)는 카메라, 예컨대 UV, 가시광 및/또는 근적외선 광 스펙트럼의 포토다이오드, 및/또는 센서(82)가 연관되는 발화 노즐(42)에 대응하는 화염의 가시광 및/또는 온도 데이터를 획득하는 온도 센서를 포함할 수 있다. 하나 이상의 특징부(192)가 발화 노즐들(42) 사이의 불균형을 유도/검출하는 데 사용되는 센서(82)에 의해 획득된 데이터로부터 추출될 수 있으며, 이는 이어서 분류기(194)를 통해 그룹/카테고리로 배열된다. 이어서, 이들 카테고리는 노즐들(42) 중 하나 이상의 노즐의 댐퍼 밸런스 트림(damper balance trim)(198)을 조절함으로써 불균형을 보정하도록 시도하는 결정 논리 블록(196)에 전달된다. 본 명세서의 실시예가 공기의 양을 제어함으로써 노즐들(42)의 그룹들 사이의 화학량론적 불균형을 보정하는 것으로 도시되어 있지만, 다른 실시예가 노즐(42)에 공급되는 연료를 조절함으로써 화학량론적 불균형을 보정할 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
특징부(192)는 전력 스펙트럼 밀도, 웨이블릿(wavelet), 통계, 및/또는 다른 적합한 추출 기법을 통해 추출될 수 있다. 이들 카테고리/그룹은 A >> B, A > B, 중립, A < B, A << B, 또는 미결정을 포함할 수 있고, 분류기(194)는 논리 회귀(logic regression), 서포트 벡터 머신(Support Vector Machine) 및/또는 나이브 베이즈(
Figure pct00004
) 방법과 같은 임의의 기계 학습 방법을 사용할 수 있다. 결정 논리 블록(196)은 하기의 방정식을 사용할 수 있다:
댐퍼 제어 최적화:
Figure pct00005
여기에서, x_ i는 버너 i로부터의 공기 유동이고; c_i 는 버너 i로부터의 연료 유동이며; b는 총 공기 유동이고; n은 버너의 개수이다.
구배 단계(제어 신호):
댐퍼 위치는 하기에 의해 변경/제어/변화될 수 있다.
Figure pct00006
여기에서,
Figure pct00007
는 버너들 i 및 j 사이의 공기 대 연료 비("AFR")의 비교를 나타내는 출력 분류기이고; u는
Figure pct00008
이도록 선택된다. 일례는
Figure pct00009
이다.
도 10을 참조하면, 실시예에서, 본 방법(96)은 하나 이상의 압력 메트릭(200), 화염 안정성 메트릭(202), 및/또는 하나 이상의 화구 메트릭(204)을 결정하는 단계; 및 하나 이상의 압력 메트릭(200), 화염 안정성 메트릭(202), 및/또는 화구 메트릭(204)에 적어도 부분적으로 기초하여 화구 안정성 지수(206)를 계산/생성하는 단계를 포함할 수 있다. 화염 안정성 지수(206)는 화염의 안정성의 표시/척도/등급을 제공한다.
그러한 실시예에서, 압력 메트릭(200)은 연소 챔버(12)(도 1) 및/또는 포괄하는 노/보일러(14)(도 1) 및/또는 발전소(16)(도 1) 내의 다양한 위치에 배치된 하나 이상의 압력 센서(210)(또한 도 1에 도시됨)를 통해 획득된 하나 이상의 압력 판독치 및/또는 다른 특징 추출부(feature extraction)(208)로부터 획득될 수 있다. 따라서, 압력 메트릭(200)은 하나 이상의 압력 판독치의 중간 평균 압력(mean average pressure)(212) 및/또는 하나 이상의 압력 판독치의 표준 편차(214)를 포함할 수 있다.
유사하게, 화염 안정성 메트릭(202)은 화염 안정성 센서(82(또한 도 2 및 도 3에 도시됨) 및/또는 90(또한 도 2에 도시됨))를 통해 획득된 하나 이상의 화염 안정성 판독치 및/또는 다른 특징 추출부(216)로부터 획득될 수 있다. 실시예에서, 화염 안정성 메트릭(202)은 화염 수준(218), 피크 대 피크 값(220), 및/또는 품질 등급(222)을 포함할 수 있다. 화염 수준(218)은 화염 안정성의 스케일/척도, 예컨대 0 내지 100%일 수 있다. 피크 대 피크 값(220)은 화염 안정성 지수 내의 피크들 사이의 거리를 측정하는 정량적 메트릭일 수 있다. 화염 품질 등급(222)은 화염의 품질의 등급 시스템, 예컨대 A 내지 F, 0 내지 100 등일 수 있다.
화구 메트릭(204)은 센서들(82 및/또는 90) 중 하나 이상을 통해 획득된 하나 이상의 화구 판독치 및/또는 다른 특징 추출부(224)로부터 획득될 수 있다. 따라서, 화구 메트릭(204)은 화구(50)의 크기(226), 화구(50)의 하나 이상의 에지 값(228), 플리커링 값(flickering value)(230), 연기 값(232), 및/또는 회분 값(ash value)(234)을 포함할 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 화구 크기(226)는 화구(50)의 유효 직경을 지칭한다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 에지 값(228)은 화구(50)의 주연부의 대체적인 위치를 지칭한다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 플리커링 값(230)은 화구(50)의 세기의 변화를 측정하는 정량적 메트릭을 지칭한다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 연기 값(232)은 화구(50)에 의해 방출되는 연기, 예컨대 탄소 입자의 양을 측정하는 정량적 메트릭을 지칭한다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 회분 값(234)은 연소 챔버(12) 및/또는 포괄하는 발전소(16) 내의 표면 상에 축적되는 회분의 양/수준을 측정하는 정량적 메트릭을 지칭한다.
도 10에 도시된 바와 같이, 압력 메트릭(200), 화염 안정성 메트릭(202), 및/또는 화구 메트릭(204)은 화염 안정성 지수(206) 및/또는 공기 분배 트림(230)을 결정하는 하나 이상의 로지스틱 회귀 모델(logistic regression model)(228)에 공급될 수 있다.
이해되는 바와 같이, 화염 안정성 지수(206)는 연소 챔버(12)의 부하가 안전한 방식으로 감소될 수 있는지 여부를 결정하는 데 사용될 수 있는데, 예를 들어, 제어기(22)(도 1)는 화염 안정성 지수(206)가 소정 임계치를 초과할 때에만 운전 부하를 감소시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 일부 실시예는 연소 챔버(12)의 정상 운전 부하의 20 퍼센트(20%) 이하인 감소된 부하에서 운전할 수 있다. 이해되는 바와 같이, 제어기(22)는 연료, 예컨대 석탄을 하나 이상의 발화 노즐(42)(도 2)에 공급하는 하나 이상의 분쇄기(28)(도 1)를 조절함으로써 그리고/또는 1차, 2차, 또는 과발화 공기를 통해 연소 챔버 내로 도입되는 O2의 양을 감소시킴으로써 연소 챔버(12)에 대한 부하를 감소시킬 수 있다.
마지막으로, 시스템(10)은 필요한 전자장치, 소프트웨어, 메모리, 저장장치, 데이터베이스, 펌웨어, 로직/상태 기계, 마이크로프로세서, 통신 링크, 디스플레이 또는 다른 시각적 또는 청각적 사용자 인터페이스, 인쇄 디바이스, 및 임의의 다른 입력/출력 인터페이스를 포함하여, 실시간으로 실행될 수 있는, 본 명세서에서 설명되는 기능을 수행할 수 있고/있거나 본 명세서에서 설명되는 결과를 달성할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 앞서 언급된 바와 같이, 시스템(10)은 시스템(10)의 구성요소들 중 하나 이상과 전기 통신하는 제어기(22)의 형태로 적어도 하나의 프로세서(24) 및 시스템 메모리/데이터 저장 구조(26)를 포함할 수 있다. 메모리는 랜덤 액세스 메모리(random access memory, "RAM") 및 판독 전용 메모리(read-only memory, "ROM")를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 프로세서는 하나 이상의 종래의 마이크로프로세서 및 하나 이상의 보조 코프로세서, 예컨대 수치연산 코프로세서 등을 포함할 수 있다. 본 명세서에서 논의되는 데이터 저장 구조는 자기, 광학 및/또는 반도체 메모리의 적절한 조합을 포함할 수 있고, 예를 들어, RAM, ROM, 플래시 드라이브, 광학 디스크, 예컨대, 콤팩트 디스크, 및/또는 하드 디스크 또는 드라이브를 포함할 수 있다.
추가적으로, 시스템(10)의 다양한 구성요소들 중 하나 이상에 대한 제어를 제공하는 소프트웨어 애플리케이션은 컴퓨터 판독가능 매체로부터 적어도 하나의 프로세서의 메인 메모리 내로 읽어 들일 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같은, 용어 "컴퓨터 판독가능 매체"는 실행을 위해 적어도 하나의 프로세서(24)(또는 본 명세서에서 설명되는 디바이스의 임의의 다른 프로세서)에 명령어를 제공하거나 명령어를 제공하는 것에 참여하는 임의의 매체를 지칭한다. 그러한 매체는 비휘발성 매체 및 휘발성 매체를 포함하지만 이에 제한되지 않는 많은 형태를 취할 수 있다. 비휘발성 매체는, 예를 들어, 광학, 자기, 또는 광자기 디스크, 예컨대, 메모리를 포함한다. 휘발성 매체는, 전형적으로 메인 메모리를 구성하는 동적 랜덤 액세스 메모리("DRAM")를 포함한다. 컴퓨터 판독가능 매체의 일반적인 형태는, 예를 들어 플로피 디스크, 가요성 디스크, 하드 디스크, 자기 테이프, 임의의 다른 자기 매체, CD-ROM, DVD, 임의의 다른 광학 매체, RAM, PROM, EPROM 또는 EEPROM(전자적으로 소거가능한 프로그래머블 판독 전용 메모리), 플래시(FLASH)-EEPROM, 임의의 다른 메모리 칩 또는 카트리지, 또는 컴퓨터가 판독할 수 있는 임의의 다른 매체를 포함한다.
실시예에서, 소프트웨어 애플리케이션 내의 명령어의 시퀀스의 실행은 적어도 하나의 프로세서가 본 명세서에서 설명되는 방법/프로세스를 수행하게 하지만, 본 발명의 방법/프로세스의 구현을 위한 소프트웨어 명령어 대신에, 또는 그와 조합하여 하드-와이어드(hard-wired) 회로가 사용될 수도 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 하드웨어 및/또는 소프트웨어의 임의의 특정 조합으로 제한되지 않는다.
상기 설명은 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 의도된다는 것이 추가로 이해되어야 한다. 예를 들어, 전술된 실시예(및/또는 그의 태양)는 서로 조합하여 사용될 수 있다. 추가적으로, 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고서 특정 상황 또는 재료를 본 발명의 교시 내용에 적응시키도록 많은 변형이 이루어질 수 있다.
예를 들어, 일 실시예에서, 연소 챔버를 운전하기 위한 방법이 제공된다. 본 방법은 일산화탄소 센서를 통해 연소 챔버의 출구에서 일산화탄소 판독치를 획득하는 단계, 및 제어기를 통해 일산화탄소 판독치 및 일산화탄소 설정점에 적어도 부분적으로 기초하여 산소 설정점 트림을 유도하는 단계를 포함한다. 본 방법은, 추가로, 연소 안정성 센서를 통해 연소 챔버의 안정성 상태를 결정하는 단계, 및 제어기를 통해 안정성 상태에 적어도 부분적으로 기초하여 산소 설정점 트림으로 연소 챔버의 산소 설정점을 조절하는 단계를 포함한다. 산소 설정점은 연소 챔버의 출구에서의 원하는 산소 수준을 한정한다. 소정 실시예에서, 연소 안정성 센서는 화염 안정성 센서이고, 안정성 상태는 화염 상태이다. 소정 실시예에서, 화염 상태는 화염이 연소 챔버 내에 존재함을 나타낸다. 소정 실시예에서, 본 방법은, 추가로, 질소 산화물 센서를 통해 연소 챔버의 출구에서 질소 산화물 판독치를 획득하는 단계, 제어기를 통해 질소 산화물 판독치 및 질소 산화물 설정점에 적어도 부분적으로 기초하여 화학량론값 설정점 트림을 유도하는 단계, 및 제어기를 통해 일산화탄소 판독치에 적어도 부분적으로 기초하여 화학량론값 설정점 트림으로 화학량론값 설정점을 조절하는 단계를 포함한다. 그러한 실시예에서, 화학량론값 설정점은 연소 챔버의 원하는 화학량론값을 한정한다. 소정 실시예에서, 본 방법은, 추가로, 화학량론값 설정점에 적어도 부분적으로 기초하여 복수의 발화 노즐들 중 하나의 발화 노즐에 각각 대응하는 하나 이상의 화학량론값을 조절하는 단계를 포함한다. 소정 실시예에서, 일산화탄소 판독치 및 일산화탄소 설정점에 적어도 부분적으로 기초하여 산소 설정점 트림을 유도하는 단계는 예측 모델에 적어도 부분적으로 기초한다. 소정 실시예에서, 예측 모델은 일산화탄소 판독치, 연소 챔버의 출구에서의 질소 산화물 판독치, 및 연소 챔버에 의해 생성된 증기의 온도 중 하나에 적어도 부분적으로 기초한다. 소정 실시예에서, 안정성 상태는 압력 메트릭, 화염 안정성 메트릭, 및 화구 메트릭에 적어도 부분적으로 기초한 화구 안정성 지수이다.
다른 실시예는 연소 챔버를 운전하기 위한 방법을 제공한다. 본 방법은 복수의 발화 노즐들 중 하나의 발화 노즐에 각각 대응하는 2개 이상의 센서를 통해 복수의 발화 노즐들 중 2개 이상의 발화 노즐들 사이의 하나 이상의 화학량론적 불균형을 검출하는 단계를 포함한다. 본 방법은, 추가로, 검출된 화학량론적 불균형에 적어도 부분적으로 기초하여 제어기를 통해 복수의 발화 노즐들 중 적어도 하나의 발화 노즐의 화학량론값을 조절하는 단계를 포함한다. 소정 실시예에서, 본 방법은, 추가로, 제어기를 통해 하나 이상의 화학량론적 불균형을 하나 이상의 그룹으로 분류하는 단계를 포함한다. 그러한 실시예에서, 검출된 화학량론적 불균형에 적어도 부분적으로 기초하여 제어기를 통해 복수의 발화 노즐들 중 적어도 하나의 발화 노즐의 화학량론값을 조절하는 단계는, 추가로, 하나 이상의 그룹에 적어도 부분적으로 기초한다. 소정 실시예에서, 복수의 발화 노즐들 모두는 연소 챔버 내의 동일한 발화 층 내에 배치된다. 소정 실시예에서, 검출된 화학량론적 불균형에 적어도 부분적으로 기초하여 제어기를 통해 복수의 발화 노즐들 중 적어도 하나의 발화 노즐의 화학량론값을 조절하는 단계는 제어기를 통해 복수의 발화 노즐들 중 적어도 하나의 발화 노즐에 대한 공기 유동을 조절하는 단계를 포함한다. 소정 실시예에서, 복수의 발화 노즐들 중 적어도 하나의 발화 노즐에 대한 공기 유동을 조절하는 단계는 제어기에 의해 생성된 산소 설정점 트림으로 그리고 검출된 화학량론적 불균형에 적어도 부분적으로 기초하여 연소 챔버의 산소 설정점을 조절하는 단계를 포함한다.
또 다른 실시예는 연소 챔버를 운전하기 위한 방법을 제공한다. 본 방법은 압력 센서를 통해 연소 챔버의 압력 메트릭을 결정하는 단계, 및 하나 이상의 화염 안정성 센서를 통해 연소 챔버의 복수의 발화 노즐들 각각에 대한 하나 이상의 화염 안정성 메트릭을 결정하는 단계를 포함한다. 본 방법은, 추가로, 화구 센서를 통해 화구 메트릭을 결정하는 단계, 및 압력 메트릭, 하나 이상의 화염 안정성 메트릭, 및 화구 메트릭에 적어도 부분적으로 기초하여 화구 안정성 지수를 계산하는 단계를 포함한다. 소정 실시예에서, 본 방법은, 추가로, 화구 안정성 지수에 적어도 부분적으로 기초하여 복수의 발화 노즐들 중 적어도 하나의 발화 노즐의 화학량론값을 조절하는 단계를 포함한다. 소정 실시예에서, 본 방법은, 추가로, 화구 안정성 지수에 적어도 부분적으로 기초하여 연소 챔버의 부하를 감소시키는 단계를 포함한다. 소정 실시예에서, 부하는 연소 챔버의 정상 운전 부하의 20% 이하로 감소된다. 소정 실시예에서, 연소 챔버의 부하를 감소시키는 단계는 연료를 복수의 발화 노즐들 중 하나 이상의 발화 노즐에 공급하는 하나 이상의 분쇄기를 조절하는 단계를 포함한다. 소정 실시예에서, 압력 센서를 통해 연소 챔버의 압력 메트릭을 결정하는 단계는 압력 센서를 통해 연소 챔버의 하나 이상의 압력 판독치를 획득하는 단계를 포함한다. 그러한 실시예에서, 압력 메트릭은 하나 이상의 판독치의 중간 평균 압력, 및 하나 이상의 압력 판독치의 표준 편차 중 적어도 하나를 포함한다. 소정 실시예에서, 하나 이상의 화염 안정성 메트릭은 화염 수준, 피크 대 피크 값, 및 품질 등급 중 적어도 하나를 포함한다.
또 다른 실시예는 연소 챔버를 운전하기 위한 시스템을 제공한다. 본 시스템은 일산화탄소 센서, 연소 안정성 센서, 및 제어기를 포함한다. 일산화탄소 센서는 연소 챔버의 출구에서 일산화탄소 판독치를 획득하도록 작동한다. 연소 안정성 센서는 연소 챔버의 안정성 상태를 결정하도록 작동한다. 제어기는 일산화탄소 판독치 및 일산화탄소 설정점에 적어도 부분적으로 기초하여 산소 설정점 트림을 유도하도록; 그리고 안정성 상태에 적어도 부분적으로 기초하여 산소 설정점 트림으로 연소 챔버의 산소 설정점을 조절하도록 작동하며, 이때 산소 설정점은 연소 챔버의 출구에서의 원하는 산소 수준을 한정한다.
또 다른 실시예는 연소 챔버를 운전하기 위한 시스템을 제공한다. 본 시스템은 2개 이상의 센서들 및 제어기를 포함한다. 2개 이상의 센서는 연소 챔버 내에 배치된 복수의 발화 노즐들 중 하나의 발화 노즐에 각각 대응한다. 제어기는 2개 이상의 센서들 사이의 하나 이상의 화학량론적 불균형을 검출하도록, 그리고 검출된 화학량론적 불균형에 적어도 부분적으로 기초하여 복수의 발화 노즐들 중 적어도 하나의 발화 노즐의 화학량론값을 조절하도록 작동한다.
또 다른 실시예는 연소 챔버를 운전하기 위한 시스템을 제공한다. 본 시스템은 압력 센서, 하나 이상의 화염 안정성 센서, 화구 센서, 및 제어기를 포함한다. 하나 이상의 화염 안정성 센서는 연소 챔버 내에 배치된 복수의 발화 노즐들 중 하나의 발화 노즐에 각각 대응한다. 제어기는 압력 센서를 통해 연소 챔버의 압력 메트릭을 결정하도록, 그리고 복수의 노즐들 중 각각의 노즐에 대한 하나 이상의 화염 안정성 메트릭을 결정하도록 작동한다. 제어기는, 추가로, 화구 센서를 통해 화구 메트릭을 결정하도록, 그리고 압력 메트릭, 하나 이상의 화염 안정성 메트릭, 및 화구 메트릭에 적어도 부분적으로 기초하여 화구 안정성 지수를 계산하도록 작동한다.
따라서, 화학량론값 및 연소 챔버와 연관된 다른 상대 변수에 관한 데이터를 수집하는 다양한 센서를 포함하는 제어 설계를 제공함으로써, 본 발명의 일부 실시예는 최적화된 폐루프 제어를 갖는 연소 챔버/보일러를 제공할 수 있다. 폐루프 제어는, 결과적으로, 그러한 실시예가 과잉 공기를 하나 이상의 연소 제약을 침해하지 않는 최소값으로 되게 할 수 있다. 따라서, 본 발명의 그러한 실시예는 전통적인 연소 챔버에 비해 개선된 효율을 제공한다.
추가적으로, 전통적인 연소 챔버보다 더 낮은 감소된 운전 부하를 제공함으로써, 본 발명의 일부 실시예는 전통적인 연소 챔버에 비해, 더 낮은 NOx 방출물을 갖고/갖거나, 더 작은 크기의 보일러를 제공한다. 특히, 발화 층 내의 하나 이상의 발화 노즐들 사이의 화학량론적 불균형을 검출 및 보정함으로써, 본 발명의 일부 실시예는 감소된 부하 운전 동안 작동 중인 상태로 유지되는 분쇄기로부터의 연료의 스위핑을 방지한다.
본 명세서에서 설명된 재료의 치수 및 유형이 본 발명의 파라미터를 한정하도록 의도되지만, 이는 제한하는 것이 아니며 예시적인 실시예이다. 많은 다른 실시예가 상기 설명을 검토할 때 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 범주는 첨부된 청구범위에게 부여된 등가물의 전체 범주와 함께 그러한 청구범위를 참조하여 결정되어야 한다. 첨부된 청구범위에서, 용어 "포함하는(including)" 및 "~ 에 있어서(in which)"는 각각의 용어 "포함하는(comprising)" 및 "여기서(wherein)"의 일반 영문의 등가 표현으로 사용된다. 더욱이, 하기의 청구범위에서, "제1", "제2", "제3", "상부", "하부", "하측", "상측" 등과 같은 용어는 단지 형용 어구로서 사용되고, 그들의 물체 상에 수치적 또는 위치적 요건을 부과하도록 의도된 것이 아니다. 추가로, 하기의 청구범위의 한정은 수단-플러스-기능(means-plus-function) 형태로 작성되지 않고, 그러한 청구범위 한정이 추가 구조가 없는 기능 설명에 이어지는 문구 "수단"을 명확하게 사용하지 않는 한 그리고 그를 명시적으로 사용할 때까지 그와 같이 해석되도록 의도되지 않는다.
이러한 기재된 설명은 예들을 사용하여, 최상의 모드를 포함한 본 발명의 몇몇 실시예를 개시하고, 또한, 임의의 디바이스 또는 시스템을 제조 및 이용하는 것 및 임의의 포함된 방법을 수행하는 것을 포함한 본 발명의 실시예를 당업자가 실시하는 것을 가능하게 한다. 본 발명의 특허가능 범주는 청구범위에 의해서 한정되고, 당업자에게 떠오르는 다른 예들을 포함할 수 있을 것이다. 그러한 다른 예들이 청구범위의 문헌적 표현과 상이하지 않은 구조적 요소를 갖는다면, 또는 그들이 청구범위의 문헌적 표현과 사소한 차이를 갖는 등가의 구조적 요소를 포함한다면, 그러한 다른 예들은 청구범위의 범주 내에 있는 것으로 의도된다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 단수 형태로 언급되고 단수 형태 단어("a" 또는 "an")로 시작하는 요소 또는 단계는 복수 형태의 상기 요소 또는 단계를 배제하지 않는 것으로 - 다만 그러한 배제가 명백하게 언급되지 않는 한 - 이해되어야 한다. 추가로, 본 발명의 "일 실시예"에 대한 언급은 언급된 특징부를 또한 포함하는 추가 실시예의 존재를 배제하는 것으로 해석되도록 의도되지 않는다. 더욱이, 명백하게 반대로 설명되지 않는 한, 특정한 특성을 갖는 요소 또는 복수의 요소를 "포함하는", "구비하는", 또는 "갖는" 실시예는 그러한 특성을 갖지 않는 추가의 그러한 요소를 포함할 수 있다.
본 명세서에 포함되는 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어남이 없이, 전술된 본 발명에서 소정의 변경이 이루어질 수 있기 때문에, 첨부 도면에 도시된 상기 설명의 모든 주제는 단지 본 명세서의 본 발명의 개념을 예시하는 예로서 해석되어야 하고 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다는 것으로 의도된다.
본 발명의 다양한 태양 및 실시예가 하기의 항목에 의해 한정된다.
1. 연소 챔버를 운전하기 위한 방법으로서,
일산화탄소 센서를 통해 연소 챔버의 출구에서 일산화탄소 판독치를 획득하는 단계;
제어기를 통해 일산화탄소 판독치 및 일산화탄소 설정점에 적어도 부분적으로 기초하여 산소 설정점 트림을 유도하는 단계;
연소 안정성 센서를 통해 연소 챔버의 안정성 상태를 결정하는 단계; 및
제어기를 통해 안정성 상태에 적어도 부분적으로 기초하여 산소 설정점 트림으로 연소 챔버의 산소 설정점을 조절하는 단계 - 산소 설정점은 연소 챔버의 출구에서의 원하는 산소 수준을 한정함 - 를 포함하는, 방법.
2. 항목 1에 있어서, 연소 안정성 센서는 화염 안정성 센서이고, 안정성 상태는 화염 상태인, 방법.
3. 항목 2에 있어서, 화염 상태는 화염이 연소 챔버 내에 존재함을 나타내는, 방법.
4. 항목 1에 있어서,
질소 산화물 센서를 통해 연소 챔버의 출구에서 질소 산화물 판독치를 획득하는 단계;
제어기를 통해 질소 산화물 판독치 및 질소 산화물 설정점에 적어도 부분적으로 기초하여 화학량론값 설정점 트림을 유도하는 단계; 및
제어기를 통해 일산화탄소 판독치에 적어도 부분적으로 기초하여 화학량론값 설정점 트림으로 화학량론값 설정점을 조절하는 단계 - 화학량론값 설정점은 연소 챔버의 원하는 화학량론값을 한정함 - 를 추가로 포함하는, 방법.
5. 항목 4에 있어서,
화학량론값 설정점에 적어도 부분적으로 기초하여 복수의 발화 노즐들 중 하나의 발화 노즐에 각각 대응하는 하나 이상의 화학량론값을 조절하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
6. 항목 1에 있어서, 일산화탄소 판독치 및 일산화탄소 설정점에 적어도 부분적으로 기초하여 산소 설정점 트림을 유도하는 단계는 예측 모델에 적어도 부분적으로 기초하는, 방법.
7. 항목 6에 있어서, 예측 모델은 일산화탄소 판독치, 연소 챔버의 출구에서의 질소 산화물 판독치, 및 연소 챔버에 의해 생성된 증기의 온도 중 하나에 적어도 부분적으로 기초하는, 방법.
8. 항목 1에 있어서, 안정성 상태는 압력 메트릭, 화염 안정성 메트릭, 및 화구 메트릭에 적어도 부분적으로 기초한 화구 안정성 지수인, 방법.
9. 연소 챔버를 운전하기 위한 방법으로서,
복수의 발화 노즐들 중 하나의 발화 노즐에 각각 대응하는 2개 이상의 센서를 통해 복수의 발화 노즐들 중 2개 이상의 발화 노즐들 사이의 하나 이상의 화학량론적 불균형을 검출하는 단계; 및
검출된 화학량론적 불균형에 적어도 부분적으로 기초하여 제어기를 통해 복수의 발화 노즐들 중 적어도 하나의 발화 노즐의 화학량론값을 조절하는 단계를 포함하는, 방법.
10. 항목 9에 있어서,
제어기를 통해 하나 이상의 화학량론적 불균형을 하나 이상의 그룹으로 분류하는 단계를 추가로 포함하고,
검출된 화학량론적 불균형에 적어도 부분적으로 기초하여 제어기를 통해 복수의 발화 노즐들 중 적어도 하나의 발화 노즐의 화학량론값을 조절하는 단계는, 추가로, 하나 이상의 그룹에 적어도 부분적으로 기초하는, 방법.
11. 항목 9에 있어서, 복수의 발화 노즐들 모두는 연소 챔버 내의 동일한 발화 층 내에 배치되는, 방법.
12. 항목 9에 있어서, 검출된 화학량론적 불균형에 적어도 부분적으로 기초하여 제어기를 통해 복수의 발화 노즐들 중 적어도 하나의 발화 노즐의 화학량론값을 조절하는 단계는:
제어기를 통해 복수의 발화 노즐들 중 적어도 하나의 발화 노즐에 대한 공기 유동을 조절하는 단계를 포함하는, 방법.
13. 항목 9에 있어서, 복수의 발화 노즐들 중 적어도 하나의 발화 노즐에 대한 공기 유동을 조절하는 단계는:
제어기에 의해 생성된 산소 설정점 트림으로 그리고 검출된 화학량론적 불균형에 적어도 부분적으로 기초하여 연소 챔버의 산소 설정점을 조절하는 단계를 포함하는, 방법.
14. 연소 챔버를 운전하기 위한 방법으로서,
압력 센서를 통해 연소 챔버의 압력 메트릭을 결정하는 단계;
하나 이상의 화염 안정성 센서를 통해 연소 챔버의 복수의 발화 노즐들 각각에 대한 하나 이상의 화염 안정성 메트릭을 결정하는 단계;
화구 센서를 통해 화구 메트릭을 결정하는 단계; 및
압력 메트릭, 하나 이상의 화염 안정성 메트릭, 및 화구 메트릭에 적어도 부분적으로 기초하여 화구 안정성 지수를 계산하는 단계를 포함하는, 방법.
15. 항목 14에 있어서,
화구 안정성 지수에 적어도 부분적으로 기초하여 복수의 발화 노즐들 중 적어도 하나의 발화 노즐의 화학량론값을 조절하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
16. 항목 14에 있어서,
화구 안정성 지수에 적어도 부분적으로 기초하여 연소 챔버의 부하를 감소시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
17. 항목 16에 있어서, 부하는 연소 챔버의 정상 운전 부하의 20% 이하로 감소되는, 방법.
18. 항목 16에 있어서, 연소 챔버의 부하를 감소시키는 단계는:
연료를 복수의 발화 노즐들 중 하나 이상의 발화 노즐에 공급하는 하나 이상의 분쇄기를 조절하는 단계를 포함하는, 방법.
19. 항목 14에 있어서, 압력 센서를 통해 연소 챔버의 압력 메트릭을 결정하는 단계는:
압력 센서를 통해 연소 챔버의 하나 이상의 압력 판독치를 획득하는 단계를 포함하고,
압력 메트릭은 하나 이상의 판독치의 중간 평균 압력, 및 하나 이상의 압력 판독치의 표준 편차 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
20. 항목 14에 있어서, 하나 이상의 화염 안정성 메트릭은 화염 수준, 피크 대 피크 값, 및 품질 등급 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
21. 연소 챔버를 운전하기 위한 시스템으로서,
연소 챔버의 출구에서 일산화탄소 판독치를 획득하도록 작동하는 일산화탄소 센서;
연소 챔버의 안정성 상태를 결정하도록 작동하는 연소 안정성 센서; 및
제어기를 포함하고, 제어기는:
일산화탄소 판독치 및 일산화탄소 설정점에 적어도 부분적으로 기초하여 산소 설정점 트림을 유도하도록; 그리고
안정성 상태에 적어도 부분적으로 기초하여 산소 설정점 트림으로 연소 챔버의 산소 설정점을 조절하도록 작동하며, 산소 설정점은 연소 챔버의 출구에서의 원하는 산소 수준을 한정하는, 시스템.
22. 연소 챔버를 운전하기 위한 시스템으로서,
연소 챔버 내에 배치된 복수의 발화 노즐들 중 하나의 발화 노즐에 각각 대응하는 2개 이상의 센서; 및
제어기를 포함하고, 제어기는:
2개 이상의 센서들 사이의 하나 이상의 화학량론적 불균형을 검출하도록; 그리고
검출된 화학량론적 불균형에 적어도 부분적으로 기초하여 복수의 발화 노즐들 중 적어도 하나의 발화 노즐의 화학량론값을 조절하도록 작동하는, 시스템.
23. 연소 챔버를 운전하기 위한 시스템으로서,
압력 센서;
연소 챔버 내에 배치된 복수의 발화 노즐들 중 하나의 발화 노즐에 각각 대응하는 하나 이상의 화염 안정성 센서;
화구 센서; 및
제어기를 포함하고, 제어기는:
압력 센서를 통해 연소 챔버의 압력 메트릭을 결정하도록;
복수의 노즐들 중 각각의 노즐에 대한 하나 이상의 화염 안정성 메트릭을 결정하도록;
화구 센서를 통해 화구 메트릭을 결정하도록; 그리고
압력 메트릭, 하나 이상의 화염 안정성 메트릭, 및 화구 메트릭에 적어도 부분적으로 기초하여 화구 안정성 지수를 계산하도록 작동하는, 시스템.

Claims (15)

  1. 연소 챔버(12)를 운전하기 위한 방법(96)으로서,
    일산화탄소 센서(84)를 통해 상기 연소 챔버(12)의 출구(36)에서 일산화탄소 판독치를 획득하는 단계(98);
    제어기(22)를 통해 상기 일산화탄소 판독 및 일산화탄소 설정점(102)에 적어도 부분적으로 기초하여 산소 설정점 트림(oxygen set point trim)을 유도하는 단계(100);
    연소 안정성 센서(82)를 통해 상기 연소 챔버(12)의 안정성 상태를 결정하는 단계(104); 및
    상기 제어기(22)를 통해 상기 안정성 상태에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 산소 설정점 트림으로 상기 연소 챔버(12)의 산소 설정점(108)을 조절하는 단계(106) - 상기 산소 설정점(108)은 상기 연소 챔버(12)의 출구(36)에서의 원하는 산소 수준을 한정함 - 를 포함하는, 방법(96).
  2. 제1항에 있어서, 상기 연소 안정성 센서(82)는 화염 안정성 센서이고, 상기 안정성 상태는 화염 상태인, 방법(96).
  3. 제2항에 있어서, 상기 화염 상태는 화염이 상기 연소 챔버(12) 내에 존재함을 나타내는, 방법(96).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    질소 산화물 센서(88)를 통해 상기 연소 챔버(12)의 출구(36)에서 질소 산화물 판독치를 획득하는 단계(114);
    상기 제어기(22)를 통해 상기 질소 산화물 판독치 및 질소 산화물 설정점(118)에 적어도 부분적으로 기초하여 화학량론값 설정점 트림(stoichiometry set point trim)을 유도하는 단계(116); 및
    상기 제어기(22)를 통해 상기 일산화탄소 판독치에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 화학량론값 설정점 트림으로 화학량론값 설정점(122)을 조절하는 단계(120) - 상기 화학량론값 설정점(122)은 상기 연소 챔버(12)의 원하는 화학량론값을 한정함 - 를 추가로 포함하는, 방법(96).
  5. 제4항에 있어서,
    상기 화학량론값 설정점(122)에 적어도 부분적으로 기초하여 복수의 발화 노즐들 중 하나의 발화 노즐(42)에 각각 대응하는 하나 이상의 화학량론값을 조절하는 단계를 추가로 포함하는, 방법(96).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 일산화탄소 판독치 및 일산화탄소 설정점(102)에 적어도 부분적으로 기초하여 산소 설정점 트림을 유도하는 단계(100)는 예측 모델(158)에 적어도 부분적으로 기초하는, 방법(96).
  7. 제6항에 있어서, 상기 예측 모델(158)은 상기 일산화탄소 판독치, 상기 연소 챔버(12)의 출구(36)에서의 질소 산화물 판독치, 및 상기 연소 챔버(12)에 의해 생성된 증기(160)의 온도 중 하나에 적어도 부분적으로 기초하는, 방법(96).
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 안정성 상태는 압력 메트릭(metric)(200), 화염 안정성 메트릭(202), 및 화구 메트릭(204)에 적어도 부분적으로 기초한 화구 안정성 지수(fireball stability index)인, 방법(96).
  9. 연소 챔버(12)를 운전하기 위한 방법(96)으로서,
    압력 센서(210)를 통해 상기 연소 챔버(12)의 압력 메트릭(200)을 결정하는 단계;
    하나 이상의 화염 안정성 센서(82)를 통해 상기 연소 챔버(12)의 복수의 발화 노즐들(42) 각각에 대한 하나 이상의 화염 안정성 메트릭(202)을 결정하는 단계;
    화구 센서(82, 90)를 통해 화구 메트릭(204)을 결정하는 단계; 및
    상기 압력 메트릭(200), 상기 하나 이상의 화염 안정성 메트릭(202), 및 상기 화구 메트릭(204)에 적어도 부분적으로 기초하여 화구 안정성 지수(206)를 계산하는 단계를 포함하는, 방법(96).
  10. 제9항에 있어서,
    상기 화구 안정성 지수(206)에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 복수의 발화 노즐들 중 적어도 하나의 발화 노즐(42)의 화학량론값을 조절하는 단계를 추가로 포함하는, 방법(96).
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 화구 안정성 지수(206)에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 연소 챔버(12)의 부하를 감소시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법(96).
  12. 제11항에 있어서, 상기 부하는 상기 연소 챔버(12)의 정상 운전 부하의 20% 이하로 감소되는, 방법(96).
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 연소 챔버(12)의 부하를 감소시키는 단계는:
    연료(18)를 상기 복수의 발화 노즐들 중 하나 이상의 발화 노즐(42)에 공급하는 하나 이상의 분쇄기(28)를 조절하는 단계를 포함하는, 방법(96).
  14. 제9항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 압력 센서(210)를 통해 상기 연소 챔버(12)의 압력 메트릭(200)을 결정하는 단계는:
    상기 압력 센서(210)를 통해 상기 연소 챔버(12)의 하나 이상의 압력 판독치를 획득하는 단계를 포함하고,
    상기 압력 메트릭(200)은 상기 하나 이상의 판독치의 중간 평균 압력(212), 및 상기 하나 이상의 압력 판독치의 표준 편차(214) 중 적어도 하나를 포함하는, 방법(96).
  15. 제9항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 화염 안정성 메트릭(202)은 화염 수준(218), 피크 대 피크 값(220), 및 품질 등급(222) 중 적어도 하나를 포함하는, 방법(96).
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