KR20230166666A - 변동식 열적증기재압축 장치의 실시간 작동상태 및 성능평가 시스템 - Google Patents
변동식 열적증기재압축 장치의 실시간 작동상태 및 성능평가 시스템 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20230166666A KR20230166666A KR1020220066929A KR20220066929A KR20230166666A KR 20230166666 A KR20230166666 A KR 20230166666A KR 1020220066929 A KR1020220066929 A KR 1020220066929A KR 20220066929 A KR20220066929 A KR 20220066929A KR 20230166666 A KR20230166666 A KR 20230166666A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- steam
- pressure
- unit
- flow rate
- energy
- Prior art date
Links
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 title claims abstract description 34
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 72
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 60
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 claims abstract description 30
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims abstract description 16
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims abstract description 7
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 65
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 37
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical class O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 35
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 claims description 30
- 239000011555 saturated liquid Substances 0.000 claims description 28
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 claims description 26
- 238000012937 correction Methods 0.000 claims description 15
- 238000013461 design Methods 0.000 claims description 15
- 238000009530 blood pressure measurement Methods 0.000 claims description 7
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 7
- 238000009795 derivation Methods 0.000 claims description 5
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 claims description 2
- 238000009834 vaporization Methods 0.000 claims description 2
- 230000008016 vaporization Effects 0.000 claims description 2
- 239000002918 waste heat Substances 0.000 abstract description 8
- 230000006870 function Effects 0.000 description 16
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 8
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 6
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 6
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 description 5
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 5
- 238000004378 air conditioning Methods 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 3
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 3
- 230000002159 abnormal effect Effects 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 2
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000004134 energy conservation Methods 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 239000012047 saturated solution Substances 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 1
- 238000001311 chemical methods and process Methods 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 238000003912 environmental pollution Methods 0.000 description 1
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 239000005431 greenhouse gas Substances 0.000 description 1
- 230000036541 health Effects 0.000 description 1
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 1
- 230000002427 irreversible effect Effects 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000008520 organization Effects 0.000 description 1
- 238000012805 post-processing Methods 0.000 description 1
- 238000005381 potential energy Methods 0.000 description 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 238000004064 recycling Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 239000003507 refrigerant Substances 0.000 description 1
- 238000005057 refrigeration Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 230000009897 systematic effect Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F22—STEAM GENERATION
- F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
- F22B37/00—Component parts or details of steam boilers
- F22B37/02—Component parts or details of steam boilers applicable to more than one kind or type of steam boiler
- F22B37/38—Determining or indicating operating conditions in steam boilers, e.g. monitoring direction or rate of water flow through water tubes
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F22—STEAM GENERATION
- F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
- F22B35/00—Control systems for steam boilers
- F22B35/06—Control systems for steam boilers for steam boilers of forced-flow type
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F22—STEAM GENERATION
- F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
- F22B35/00—Control systems for steam boilers
- F22B35/18—Applications of computers to steam boiler control
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F22—STEAM GENERATION
- F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
- F22B37/00—Component parts or details of steam boilers
- F22B37/76—Adaptations or mounting of devices for observing existence or direction of fluid flow
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
- G05B23/00—Testing or monitoring of control systems or parts thereof
- G05B23/02—Electric testing or monitoring
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
Abstract
본 발명은 중·고압 증기의 공정열 사용 후 응축수의 재증발증기인 폐열을 회수하는 에너지절감설비인 변동식 TVR 장치를 운용함에 있어 온도/압력, 유량의 실시간 감시 및 관리뿐 아니라 배관의 고압 또는 저압발생에 따른 경보와 실질적인 에너지절감 평가를 통한 경제성 분석도 가능한 변동식 열적증기재압축 장치의 실시간 작동상태 및 성능평가 시스템에 관한 것이다.
Description
본 발명은 실시간 작동상태 및 성능평가 시스템에 관한 것으로, 자세하게는 중·고압 증기의 공정열 사용 후 응축수의 재증발증기인 폐열을 회수하는 에너지절감설비인 변동식 TVR 장치를 운용함에 있어 온도/압력, 유량의 실시간 감시 및 관리뿐 아니라 배관의 고압 또는 저압발생에 따른 경보와 실질적인 에너지절감 평가를 통한 경제성 분석도 가능한 변동식 열적증기재압축 장치의 실시간 작동상태 및 성능평가 시스템에 관한 것이다.
근래 연료비용의 상승과 환경오염에 대한 심각성으로 산업분야에서 에너지 절감에 대한 요구가 커지고 있으며, 스팀을 열원으로 사용하는 공정에서 1차적으로 사용된 다양의 스팀을 재사용하기 위한 시도도 활발히 진행중이다.
1차적으로 사용된 스팀은 일반적으로 버려지거나, 보일러에 공급되는 공급수를 가열하거나, 기계적 증기 재압축(Mechanical Vapor Recompression, MVR) 또는 열적 증기 재압축(Thermal Vapor Recompression, TVR)을 통해 재활용 가능한 스팀으로 생산된다.
열적증기재압축장치(TVR)는 중·고압 증기가 공정열로 잠열을 사용한 후 상대적 에너지퍼텐셜이 낮은 저온·저압 증기의 승압을 통하여 응축수인 폐열의 활용가치를 재창출하는 에너지절약설비이다. 따라서 TVR은 저열의 열소스(heat sink)를 압축하여 중·고온용 온수 및 증기인 열원(heat source)을 생산하는 측면에서 개념적으로 히트펌프와 유사한 설비이다.
히트펌프의 적용 분야로는 원예공조, 보건공조, 산업용으로 분류되어 사용되고 있으며, 특히, 산업용 히트펌프는 압축 방식에 따라 1) 냉동, 저장 및 IDC(Internet Data Center) 등 산업공조용, 2) 고압특성이 좋은 CO2를 냉매로 한 스팀 히트펌프인 SHP, 3) 증발, 농축 공정용 기계적 증기압축기인 MVR 및 4) 재증발증기(Reflash Steam) 승압용 열적증기재압축기인 TVR로 구분되어 활용가치가 없거나 또는 재활용 방법이 없어 기존에 버려지는 배열, 폐열을 재활용하는 에너지절약 장치로 이용되어지고 있다.
국내에서도 화학공정을 중심으로 폐증기를 활용하려는 노력이 시도되고 있으나 아직까지 일반적인 폐열회수 장치를 통한 에너지 절감효과, 경제성, 운전 안정성, 그리고 장비선정에 대한 결론을 제시할 수 없는 현실이어서 이에 대한 체계적인 연구가 필요하다.
국제성능측정검증 기구인 IPMVP에서는 시스템 성능에 대한 측정-검증 방법론에 관한 국제적 공인 프로토콜인 IPMVP의 Option A, B, C, 및 D 방법론을 제시하고 있다.
IPMVP Option D는 이론적 및 수치해석적 방법에 근거한 시뮬레이션 기반형 성능 검증 방법이며, Option A, B, C는 TAB(Test Adjustment Balancing)에 활용되는 실험적 기법에 의한 시스템 성능 측정-검증 및 보정 방법이다.
IPMVP의 각 Option 별 평가 기법으로 1) 대류열전달과 전도열전달의 상대적 크기를 나타내는 Bi수가 매우 적을 때 즉 대류의 크기에 비하여 전도의 크기가 매우 큰 경우 위치 대해서 정상이지만, 시간에 대해서 비정상 시스템의 가정이 가능한 과도기(Transient) 비정상 집중용량(Lumped Mass Capacity)법에 근거한 이론적(Analytical) 방법과 2) 수치해석(Numerical Analysis)법 및 3) 실험적방법(Experimental Analysis)이 적용되어지고 있다.
이러한 IPMVP Option A, B, C 도구로 직접 디지털 제어인 DDC(Direct Digital Control) 및 PLC(Program Logic Control) 구축을 위한 설비/장치 에너지 관리시스템 FEMS(Facility Energy Management System)을 구축함에 있어, 엔트로피 증가에 의한 비가역성을 고려한 실제 시스템의 성능을 온도, 압력의 열물성치와 및 유량 등을 각각의 전송기(Transmitter)를 통하여 데이터 취득-연산-분석 등 일련의 과정을 DDC에 의하여 처리되므로 비가역성에 의한 엔트로피 증가와 실제적인 가용일인 엑서지를 평가할 수 있는 도구가 필요하다.
본 발명은 상기와 같은 필요에 의하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 변동식 TVR 장치의 온도/압력, 유량의 실시간 감시 및 관리뿐 아니라 배관의 고압 또는 저압발생에 따른 경보와 실질적인 에너지절감 평가를 통한 경제성 분석도 가능한 변동식 열적증기재압축 장치의 실시간 작동상태 및 성능평가 시스템을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 위해 본 발명은 변동식 열적증기재압축 장치의 실시간 작동상태 및 성능평가 시스템으로서, TVR의 고압입구측 증기와 출구공정증기와 응축수 및 저압입구측 재증발증기에 대하여 온도 및 압력을 각각 측정하는 온도측정부 및 압력측정부와, 저압입구측 재증발증기의 유량을 측정하는 유량측정부를 구비하는 측정모듈; 상기 측정모듈에서 측정한 온도 및 압력과 유량을 통해 상기 재증발증기 총엔탈피를 산출하는 분석연산모듈; 상기 측정모듈에서 측정한 온도 및 압력과 유량을 시간 흐름에 따라 저장하는 저장부와, 상기 측정모듈에서 측정한 온도 및 압력과 유량을 모니터링하며 시간 흐름에 따른 추이정보를 생성하는 모니터링부와, 상기 재증발증기 유량 및 열량의 시간 누적치를 이용하여 증기 및 에너지의 절감량을 산출하는 평가부를 구비하는 관리모듈; 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이때 현장에 설치된 상기 측정모듈의 측정데이터를 상기 분석연산모듈로 전송하되, 전송거리에 따른 도선저항을 반영하여 상기 온도측정부의 온도값을 보정하는 온도보정부와, 상기 압력측정부의 출력전압에 따른 압력값을 보정하는 압력보정부와, 상기 유량측정부의 출력전압에 따른 압력값을 보정하는 유량보정부를 구비하는 취득모듈; 을 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 분석연산모듈은, 상기 재증발증기에 대하여 포화온도 및 포화압력을 통해, 포화액 엔탈피를 산출하는 비엔탈피산출부와, 포화증기의 증발잠열 엔탈피를 산출하는 증발잠열산출부와, 포화증기의 상대적량으로 건도 100% 일 때의 포화증기와 건도 0% 일 때 포화액으로 정의되는 건도를 산출하는 건도산출부를 구비하고, 상기 포화액 엔탈피와 증발잠열 엔탈피와 건도 및 상기 유량측정부에서 얻어진 유량을 통해 상기 재증발증기 총엔탈피를 산출하는 것이 바람직하다.
또한, 포화수증기의 총에너지를 산출하는 공급에너지산출부와, 응축수의 열량을 산출하는 응축수에너지산출부와, 재증발증기의 손실열량을 산출하는 재증발증기에너지산출부와, 상기 총에너지 중 증발잠열 형태로 사용된 에너지를 산출하는 공정열에너지산출부와, 상기 공정열에너지산출부의 계산에 따른 증기사용효율을 산출하는 증기효율산출부와, 응축수량 100%를 총에너지로 회수시킴에 따른 에너지손실률을 산출하는 에너지손실율산출부를 구비하는 효율성평가모듈; 을 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, TVR의 고압입구측 증기와 출구공정증기와 저압입구측 재증발증기 압력과 설정된 흡입비 SR 곡선을 통해 재증발증기 유량에 대한 고압생증기 유량비인 흡입비를 산정하는 흡입비산정부와, 출구공정증기 유량과 산출된 흡입비로부터 고압입구측 증기 유량과 재증발증기의 유량을 산정하는 유량산정부와, TVR의 고압입구측 증기와 출구공정증기와 저압입구측 재증발증기 압력과 유량을 충족하도록 설정된 배관규격에 맞추어 TVR의 설계안을 선정하는 설계도출부를 구비하는 제작지원모듈; 을 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제작지원모듈은, 출구공정증기 압력과 유량을 일정하게 유지할 수 있도록 고압 입구측 증기의 공 개도를 제어하는 액추에이터 제어를 위한 제어값을 선정하는 제어선정부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 관리모듈은, 상기 측정모듈의 측정시간 간격을 지정하는 설정부와, 상기 압력측정부를 통해 측정된 압력값이 설정된 범위를 벗어나는 경우 고압 및 저압에 따른 경호신호를 출력하는 경보부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명을 통해 변동식 TVR 장치의 TVR의 고압입구측 증기와 출구공정증기와 응축수 및 저압입구측 재증발증기에 대하여 온도 및 압력, 저압입구측 재증발증기의 유량을 실시간 감시 및 관리할 수 있으며 스팀배관의 고압 및 저압 발생 시 경보 발생을 통한 공정의 안전 대책 방안 수립이 이루어질 수 있다.
또한, 변동식 TVR 장치의 에너지절감 및 온실가스 감축 가능성의 실질적 평가를 통한 경제성 분석이 가능하며 스팀 다소비 업종을 대상으로 한 변동식 TVR 장치의 효과적인 선정 및 에너지관리체계의 효과적인 구축을 지원할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 연결관계를 나타낸 블록도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 압력측정부 설치 위치를 나타낸 개념도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른100오옴 저항에 대한 섭씨온도 회귀식 그래프,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 압력 전송기의 DC-V와 압력관계를 나타낸 그래프,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 유량 전송기의 출력 전류와 유량 회귀식 그래프,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 포화수증기 엔탈피 온도 회귀식 및 건도 상관식 및 그래프,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 재증발증기 열량 산정 과정 및 FEMS 구축 화면,
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 MS P1 =15kgf/㎠g, SS P2=8kgf/㎠g, DS P3=12kgf/㎠g 설계압력에 대한 흡입비 SR 곡선,
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 MS P1, SS P2, DS P3에 대한 흡입비 SR 곡선,
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 선정결과 적용 TVR 치수 및 재질표,
도 11은 본 발명의 실시예에 다른 압력트랜스미터, 컨트롤러 및 공압식 엑츄에이터 모식도,
도 12는 변동식 TVR의 구성을 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 압력측정부 설치 위치를 나타낸 개념도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른100오옴 저항에 대한 섭씨온도 회귀식 그래프,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 압력 전송기의 DC-V와 압력관계를 나타낸 그래프,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 유량 전송기의 출력 전류와 유량 회귀식 그래프,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 포화수증기 엔탈피 온도 회귀식 및 건도 상관식 및 그래프,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 재증발증기 열량 산정 과정 및 FEMS 구축 화면,
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 MS P1 =15kgf/㎠g, SS P2=8kgf/㎠g, DS P3=12kgf/㎠g 설계압력에 대한 흡입비 SR 곡선,
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 MS P1, SS P2, DS P3에 대한 흡입비 SR 곡선,
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 선정결과 적용 TVR 치수 및 재질표,
도 11은 본 발명의 실시예에 다른 압력트랜스미터, 컨트롤러 및 공압식 엑츄에이터 모식도,
도 12는 변동식 TVR의 구성을 나타낸 모식도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명 변동식 열적증기재압축 장치의 실시간 작동상태 및 성능평가 시스템의 구성을 구체적으로 설명한다.
열적증기재압축장치 TVR은 중·고압 증기가 공정열로 잠열을 사용한 후 상대적 에너지퍼텐셜이 낮은 저온·저압 증기의 승압을 통하여 응축수인 폐열의 활용가치를 재창출하는 에너지절약설비로, 저열의 열소스(heat sink)를 압축하여 중·고온용 온수 및 증기인 열원(heat source)을 생산하는 측면에서 개념적으로 히트펌프와 유사하다.
증기를 공정열로 사용하는 플랜트에서 재증발증기는 압력이 저하된 응축수에서 형성된 증기에 부여된 이름으로 재증발증기의 발생은 일반적인 증기와 다르다. 일반적인 증기인 생증기(Motive steam)는 보일러 혹은 열병합발전, 폐열회수 보일러와 같은 열원에서 고압으로 만들어지는 반면, 재증발증기는 공정 스팀의 절감을 위하여 공정과 응축수조 사이 설치되는 증기트랩의 기구를 통한 고압 응축수와 저압 응축수사이 압력차에 따른 에너지밸런스에 의하여 부생으로 발생되는 생성 증기이다. 즉 공정열로 사용된 후 스팀트랩을 거쳐 응축수 형식으로 배출되는 포화액은 스팀트랩 전단부의 스팀 보다 압력이 낮아져 즉, 트랩 전단부 포화압력보다 낮은 상태가 되면, 에너지평형식(Energy Conservation Raw)에 의하여 열량이 남게 된다. 이 남은 에너지의 일부가 응축수에서 재증발증기 발생율로 결정된다.
도 11은 본 발명의 실시예에 다른 압력트랜스미터, 컨트롤러 및 공압식 엑츄에이터 모식도, 도 12는 변동식 TVR의 구성을 나타낸 모식도이다.
응축수조에 발생하는 재증발증기 회수-혼합-승압 장치인 TVR은 고압 생증기(Live Steam)인 구동증기 MS(Motive Steam)를 TVR 내부 노즐에 의한 챔버내 압력에너지를 음속 영역에서의 유속인 운동에너지로 전환함으로써 상대적 저압의 응축수 재증발증기를 유입-혼합-승압 과정을 통하여 재증발증기를 회수하여 공정열 증기로 재활용하게 된다.
이러한 응축수의 재증발증기 회수 방법 중 열적증기재압축장치 TVR을 활용한 고온 응축수 에너지 회수는 기수분리조인 증발조(Flash Vessel)를 이용하여 트랩 후단부 응축수조내 3kg/㎠.g~8kg/㎠.g의 중·저압의 재증발증기를 생증기와 혼합-승압하여 공정열로 재이용하도록 한다.
변동식 TVR은 도 12와 같이 챔버부(Chamber), 디퓨져(Diffuser), 제어부(Control), 연결부(Flange, Nut, Stud) 및 챔버(Chamber)로 구성된다. 상기 챔버부는 생증기(Motive Steam)와 재증발조에서 유입되는 재증발증기SS(Suction Steam)를 챔버 토출측에서 동일 압력과 동일 속도를 가질 수 있도록 하는 챔버로 생증기유입구(Motive Steam Inlet), 재증발증기유입구(Suction Steam Inlet) 및 축소-확대 노즐(Convergence-Divergence Nozzle)로 이루어진다.
상기 디퓨져부는 유입(Suction)된 재증발증기와 생증기의 혼합 증기를 공정증기의 압력에 맞도록 승압시키는 확대노즐로 구성된다.
TVR은 제어부의 유무에 따라 고정식과 변동식으로 구분되며, 변동식에는 트랜스미터, 컨트롤러 및 액추에이터의 유무에 따라 수동식과 변동식 TVR로 구분된다. 상기 제어부는 TVR 토출증기(DS, Discharge Steam)의 온도/압력 트랜스미터(Transmitter), 트랜스미터로부터 전송된 시그널을 입력으로 설정치와 제어치를 결정하여 구동부 Actuator를 제어하는 컨트롤러(controller)로 구성된다.
이때 구동부는 컨트롤의 시그널을 받아 일정 변위를 일으키는 액추에이터(actuator), 액추에이터의 동작을 물리적으로 구현하는 Positioner, Spindle, Spindle rod, Motive Nozzle, Nozzle Niddle로 구성된다.
이외 연결부는 TVR 챔버와 팽창부를 연결, 지지하는 Nut, Stud, 생증기, 재증발증기 유입-혼합-승압 토출증기 DS(Discharge Steam)를 공정스팀 공급 배관과 TVR과 연결, 지지하는 플랜지로 구성된다.
함께 구성되는 증발조(Flash Tank)는 스팀트랩을 거친 고온응축수와 재증발증기를 모으는 탱크로, 내부에 수위감지용 센서를 내장함. 내부액면 상부의 저압증기는 상부의 연결관을 통하여 TVR의 흡입실에 이르고 이곳의 고진공 압력에 의하여 재증발된 저압증기가 흡입된다. 이때 액면 감지기는 보충수에 의하여 일정 수위를 유지하고, 하부의 고온응축수는 인근에 설치되는 고온응축수 펌프에 의하여 개별 열원설비인 보일러로 유입되거나 집단에너지 공급지로 회수되도록 한다.
후술되는 본 발명의 실시예에서는 집단에너지 사업자의 리턴용 응축수소를 별개로 설치하여 운영하고, 재증발탱크에서의 고온 응축수를 리턴용 응축수조로 보내도록 하였다.
본 발명은 설비/장치에너지관리시스템 FEMS(Facility Energy Management System)를 기반으로 한다. 종래 TRNSYS, Energy Plus 계열군의 이론적 방법이나 FLUENT 또는 FIDAP 계열 수치해석적 방법으로 시스템의 비가역성 엔트로피 증가에 따른 즉 엑서지 감소를 고려치 않는 이상적 모델로서 실제시스템에서의 효율, 유효도 또는 성능계수들을 과대평가하였다. 이에 반해 설비/장치에너지관리시스템인 FEMS는 상기의 엔트로피 증가에 의한 비가역성을 고려한 실제 시스템의 성능을 온도, 압력의 열물성치와 및 유량 등을 각각의 전송기(Transmitter)를 통하여 데이터 취득-연산-분석 등 일련의 과정인 DDC에 의하여 처리되므로 상기의 비가역성에 의한 엔트로피 증가와 실제적인 가용일인 엑서지를 평가하기 때문에 변동식 열적증기재압축 장치의 실시간 작동상태 및 성능을 평가함에 있어 가장 적절한 도구이다.
이에 본 발명은 기본적으로 변동식 TVR 장치의 TVR의 고압입구측 증기(MS, Motive Steam)와 출구공정증기(DS, Discharge Steam)와 응축수(CT, Consensated Steam으로 스팀트랩형식인 마이져와 응축수조 사이 응축수) 및 저압입구측 재증발증기(SS, Suction Steam)의 실시간 감시 및 관리 기능을 갖게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 연결관계를 나타낸 블록도로서, 본 발명은 주요구성으로 측정모듈(1)과, 취득모듈(2)과, 분석연산모듈(3)과, 관리모듈(4)과, 효율성평가모듈(5)과, 제작지원모듈(6)을 구비한다.
상기 측정모듈(1)은 변동식 열적증기재압축 장치 TVR로부터의 온도, 압력, 유량을 측정하기 위한 것으로, 세부구성으로 온도측정부(11)와, 압력측정부(12)와, 유량측정부(13)를 구비한다.
상기 온도측정부(11) 및 압력측정부(12)는 TVR의 고압입구측 증기(MS)와 출구공정증기(DS)와 응축수(CT) 및 저압입구측 재증발증기(SS)에 대하여 온도 및 압력을 각각 측정한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 압력측정부 설치 위치를 나타낸 개념도로서, 실질적으로 온도와 압력을 측정하는 포인트를 동일하게 할 수 있으며, #1. MS 포화온도, #2. 재증발증기 SS 포화온도, #3. 공정용증기 MS 포화온도, #4. 포화응축수 CS 포화온도 측정을 위한 온도측정부(11)와, #1. MS-P 포화압력, #2. 재증발증기 SS-P 포화압력, #3. 공정용증기 MS-P 포화압력, #4. 포화응축수 CS-P 포화압력 측정을 위한 압력측정부(12)를 설치하게 된다.
상기 온도측정부(11)는 봉상온도계, 저항식 온도계, 써미스타(Thermistor), 열전대(Thermo-Couple), 방사흑구온도계, 압력식온도계, 복사온도계, 정적이상기계온도계 등을 활용할 수 있으며, 본 발명의 실시예에서는 스팀 온도 전송기로 3-Wire RTD 100 오옴을 적용하여 MS, DS, CT 및 SS 스팀의 온도를 측정하였다.
상기 압력측정부(12)는 마노미터, 탄성식 압력계인 부르동관식과 벨로즈형 및 다이어프램 압력계, 전기식, 전자식 등이 적용 가능하며, 본 발명의 실시예에서는 스팀 압력계로 전자식 타입인 MS-P 100 압력 전송기를 적용하여 MS, DS, CT 및 SS 스팀의 압력을 측정하였다.
상기 유량측정부(13)는 저압입구측 재증발증기의 유량을 측정하는 구성으로 오리피스, 터빈계, 가변면적식, 피토튜브와 볼텍스 전송기 등을 활용할 수 있으며, 본 발명의 실시예에서는 볼텍스 타입인 KTVP-750 유량계를 적용하여 재증발조(Flash Vessel)에서 TVR로 유입되는 재증발증기 SS(Suction Steam)의 유량을 측정하였다.
상기 취득모듈(2)은 현장에 설치된 상기 측정모듈(1)의 측정데이터를 상기 분석연산모듈(3)로 전송하는 구성으로, 세부구성으로 온도보정부(21)와, 압력보정부(22)와, 유량보정부(23)를 구비한다.
상기 온도보정부(21)는 전송거리에 따른 도선저항을 반영하여 상기 온도측정부(11)의 온도값을 보정하는 구성이다. 본 발명의 실시예에서는 RTD 전송기의 도선 길이에 의하여 발생하는 저항오차를 고려하여 Labview에서 RTD 헤드와 Agilent 34901a Mu에서 각각의 저항을 측정하여 상대적 오차를 보정하였으며, RTD 도선 저항에 따른 TVR MS과 TVR DS에서의 RTD 저항의 오차는 각각 7.1 오옴과 과 6.9 오옴으로 확인하였다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른100오옴 저항에 대한 섭씨온도 회귀식 그래프이다. RTD 저항에 따른 온도 보정(Calibration)은 도 3의 회귀식에 따라 Labview에서 수식함수(Numerical Function)를 활용하여 저항값을 섭씨온도로 내부적으로 보정 처리하였다. 또한, NI(www.ni.com)에서 제공하는 Labview HP34970a EZ Resistance.vi 함수를 활용 채널번호 101:102와 107:108로 지정된 MS, SS, DS 및 CT의 RTD 전송기 저항값을 일차적으로 추출한다. RTD 도선저항의 보정은 색인배열(Index Array) 함수에서 각각의 저항을 순차적으로 분류(sorting)하여 “RTD 도선 저항 보정 값”을 감산(Subtract) 함수를 이용 7.1, 0.7, 6.9, 0.9 값을 적용하였다.
상기 압력보정부(22)는 상기 압력측정부(12)의 출력전압에 따른 압력값을 보정하는 구성이다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 압력 전송기의 DC-V와 압력관계를 나타낸 그래프로, MS-P 100 압력 전송기의 출력 전압(voltage)에 따른 전압(total pressure)은 도 4의 회귀식을 사용하여 Labview에서 수식함수(Numerial Function)를 활용하여 내부적으로 보정 처리하였다.
또한, NI(www.ni.com)에서 제공하는 Labview HP34970a EZ Voltage.vi 함수를 통하여 MS-P 100 압력 전송기의 전압을 일차적으로 추출 후 압력 전송기의 전압을 색인배열(Index Array) 함수에서 MS, SS, DS 및 CT 각각의 전압을 순차적으로 분류(sorting)하였다. 분류된 된 MS, SS, DS 및 CT 각각의 전압을 전압-압력 상관식에 근거하여 압력으로 환산할 수 있도록 Labview 제공 수식노드(Formula Node) 함수를 사용하여 압력으로 전환하였다.
상기 유량보정부(23)는 상기 유량측정부(13)의 출력전압에 따른 압력값을 보정하는 구성이다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 유량 전송기의 출력 전류와 유량 회귀식 그래프로서, MS-P 100 압력 Transmitter의 발생 전압(voltage)에 따른 전압(total pressure)은 도 5의 회귀식을 사용하여 Labview에서 수식함수(Numerial Function)를 활용하여 내부적으로 보정하였다.
또한, NI(www.ni.com)에서 제공하는 Labview HP34970a EZ Current.vi 함수를 활용 채널번호 121로 지정된 재증발증기 SS의 전류 값을 색인배열(Index Array) 함수에서 ”0“을 지정하여 추출하였으며, 추출된 전류 값을 수식노드(Formula Node) 함수를 사용하여 단위 kg/hr 형태로 SS의 유량으로 전환하였다.
상기 분석연산모듈(3)은 상기 측정모듈(1)에서 측정한 온도 및 압력과 유량을 통해 상기 재증발증기 총엔탈피를 산출하는 것으로, 이를 위한 세부구성으로 비엔탈피산출부(31)와, 증발잠열산출부(32)와, 건도산출부(33)를 구비하며, 포화액 엔탈피와 증발잠열 엔탈피와 건도 및 상기 유량측정부(13)에서 얻어진 유량을 통해 상기 재증발증기 총엔탈피를 산출할 수 있다.
재증발조(flash vessel)에서 TVR로 유입되는 증기는 포화수증기(saturated liquid and vapor)이며, 포화수증기의 에너지는 개방형시스템에서 내부에너지 및 유동에너지 대비 역학적에너지인 속도 및 위치에너지를 무시할 경우 내부에너지 U와 검사체적의 경계를 통한 유동에너지 PV의 조합인 엔탈피 식으로 평가한다.
[수학식 1]
-
: 재증발증기 총엔탈피 [kcal]
: 재증발증기 유량 [kg/hr]
: 재증발증기 포화액 비엔탈피 [kcal/kg]
: 재증발증기 포화수증기 증발잠열 [kcal/kg]
: 재증발증기 건도(Dryness) [-]
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 포화수증기 엔탈피 온도 회귀식 및 건도 상관식 및 그래프, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 재증발증기 열량 산정 과정 및 FEMS 구축 화면으로서, 먼저 상기 비엔탈피산출부(31)는 상기 재증발증기에 대하여 포화온도 및 포화압력을 통해, 포화액 엔탈피를 산출한다.
순수물질인 재증발증기 포화액의 엔탈피는 포화수증기표와 같이 포화온도 또는 포화압력이 주어지면 산정할 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 스팀사용의 온도범위를 100℃~220℃ 범위의 포화수증기를 근거로 재증발증기의 포화액의 비엔탈피를 재증발증기 SS(Suction Steam)의 온도에 따라 Labview에서 수식노드를 이용하여 재증발증기의 포화액 엔탈피를 산정하였다.
재증발증기의 포화온도에 대한 포화액의 엔탈피 상관 식은 아래와 같다.
[수학식 2]
- Y: 재증발증기 포화액의 비엔탈피 [kcal/kg]
- X: 재증발증기 포화온도 [℃], 포화온도는 는 #2. 재증발증기 Suction steam 포화온도 측정 용 RTD의 환산 온도 값을 활용하였다.
상기 증발잠열산출부(32)는 포화증기의 증발잠열 엔탈피를 산출하는 구성으로, 재증발증기 포화증기의 증발잠열의 엔탈피는 포화수증기표에서와 같이 포화온도 또는 포화압력이 주어지면 산정할 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 스팀사용의 온도범위를 100℃~220℃ 포화수증기를 근거로 재증발증기의 포화증기의 증발잠열 비엔탈피를 재증발증기 SS(Suction Steam)의 온도에 따라 [수학식 3]을 Labview에서 수식노드를 이용하여 재증발증기의 증발잠열을 산정하도록 하였다.
재증발증기 SS(Suction Steam)의 온도에 따라 아래의 상관식 [수학식 3]을 Labview에서 수식노드를 이용하여 재증발증기의 증발잠열인 엔탈피 식을 산정하도록 하였다.
[수학시 3]
- Y: 재증발증기 포화증기의 잠열인 비엔탈피 [Kcal/kg]
- X: 재증발증기 포화온도 [℃], 포화온도 는 #2. 재증발증기 Suction steam 포화온도 측정 용 RTD의 환산 온도 값을 활용하였다.
상기 건도산출부(33)는 포화증기의 상대적량으로 건도 100% 일 때의 포화증기와 건도 0% 일 때 포화액으로 정의되는 건도를 산출하는 구성이다.
[수학식 1]과 같이 재증발증기의 총엔탈피를 구하기 위해서는 포화수증기내 포화증기의 상대적량 즉 건도 100% 일 때, 포화증기, 건도 0% 일 때, 포화액으로 정의되는 건도 x를 알아야 한다.
증기표의 포화증기(Saturated Vapor) 체적, 포화증기 엔탈피, 포화증기 엔트로피는 100%의 건도상태를 나타낸 것으로 실제 포화수증기(습증기)는 건도가 0~100%의 수치가 된다.
스팀을 공정열로 사용하는 현장에서는 건도가 높은 만큼 가열 효율은 물론 보유에너지 또한 높아지므로 가능한 건도를 100%로 만들어 사용하는 것이 중요하다. 증기의 유송 중 방열손실이 발생하여 잠열을 잃은 증기는 응축수가 되며, 증기의 건도는 낮아지게 된다.
또한, 건도가 100% 이하인 증기인 습증기는 열교환 능력의 저하 이외에도 배관 또는 장치에 에로죤을 발생시키는 치명적인 원인이 되므로 이를 막기 위해서 세퍼레이터(Separator)를 이용한 응축수의 강제 배출이 필요하다.
건도에 따른 포화수증기의 분류는 아래와 같다.
- 건도 0 : 포화액(saturated liquid), 잠열이 없는 상태
- 건도 1 : 포화증기(saturated vapor)
- 0<건도<1 : 공정열로 사용되고 있는 대부분의 포화수증기의 상태
포화증기를 발생하는 보일러의 증기건도는 교축열량계를 사용하여 측정하고 [수학식 4]에 의하여 산출한다.
[수학식 4]
-x : 증기건도 (%),
- t1 : 건도계 출구 증기온도 (℃),
h': 측정압에서의 포화액엔탈피 (kcal/kg)
: 측정압력에 대한 증발잠열 (kcal/kg), 과열증기를 발생하는 보일러는 건도를 측정할 필요가 없음. 증기건도는 98.0% 이상 (고효율 기자재 고시 제3조)
교축식 건도계에 있어서의 건도계산은 교축 전후의 엔탈피의 변화에 의해 계산할 수 있다. 따라서, 증기 건도는 건도계 내에서의 열손실을 Zero로 가정하면 건도계 전후단부의 스팀의 엔탈피는 동일하다는 가정에서 식으로부터 스팀의 건도 x₁을 구한다.
[수학식 5]
- : 교축후 포화증기의 엔탈피(kcal/kg), 통상 639(kcal/kg) 적용.
- : 증기 건도 0.85
- : 교축전(1차측) 상태에서의 증기잠열(kcal/kg)
- : 교축전 상태의 포화수 엔탈피(kcal/kg)
- : 과열증기의 비열 (kcal/kg-K), 통상 0.46 적용
- t₁ : 교축직전 건도계 내의 증기온도 (℃)
- t₂ : 교축후 건도계 출구 증기온도 (℃), 대기압 100℃로 한다.
본 발명의 실시예에서 재증발증기의 유량 는 KTVP-100 전송기에서 전류 4~20mA 전류 신호를 Labview에서 수식노드를 활용하여 [kg/hr]로 단위 환산하여 산정하였다.
[수학식 6]
상기 관리모듈(4)은 TVR 장치의 관리를 위한 구성으로 MS(Motive Steam), SS(Suction Steam), DS(Discharge Steam) 스팀과 트랩 후단부 응축수 CS(Condensate Liquid)의 열역학적 물성치인 온도/압력의 실시간 측정 및 관리 기능, 재증발증기 SS의 실시간 유량 측정 및 관리 기능, 에너지절감 및 성과검증을 위한 에너지절감량 산정-평가 기능, 성능관련 온도/압력/재증발증기유량/에너지절감량 후처리용 데이터 생성 기능을 수행하며, 세부구성으로 저장부(41)와, 모니터링부(42)와, 평가부(43)와, 설정부(44)와, 경보부(45)를 구비한다.
상기 저장부(41)는 상기 측정모듈(1)에서 측정한 온도 및 압력과 유량을 시간 흐름에 따라 저장하고, 상기 모니터링부(42)는 상기 측정모듈(1)에서 측정한 온도 및 압력과 유량을 모니터링하며 시간 흐름에 따른 추이정보를 생성하며 MS, SS, DS, CT 온도/압력 및 SS 유량 트랜드의 순시치 및 누적치의 표시가 가능하다.
상기 평가부(43)는 상기 재증발증기 유량 및 열량의 시간 누적치를 이용하여 증기 및 에너지의 절감량을 산출하는 구성으로, 순시치 재증발증기유량 및 열량, 적산치 재증발증기유량 및 열량을 통해 시점별 재증발증기 회수 이용에 따른 에너지 절감량을 산출한다.
상기 설정부(44)는 상기 측정모듈(1)의 측정시간 간격을 2초, 1분, 2분, 10분 등으로 지정할 수 있으며, 상기 경보부(45)는 상기 압력측정부(12)를 통해 측정된 압력값이 설정된 범위를 벗어나는 경우 고압 및 저압에 따른 경호신호를 출력하여 공정의 안전 대책 방안 수립을 지원한다.
상기 효율성평가모듈(5)은 설비의 증기 이용성을 평가하기 위한 것으로, 증기를 사용하는 설비의 증기사용 효율성으로 평가한다. TVR이 적용되지 않은 설비의 경우 평가를 통해 TVR 적용 필요성을 확인하거나 TVR이 있을 경우 개선 필요성 타진 등을 위해 사용할 수 있으며, 세부구성으로 공급에너지산출부(51)와, 응축수에너지산출부(52)와, 재증발증기에너지산출부(53)와, 공정열에너지산출부(54)를 구비한다.
본 발명의 실시예에서는 주 스팀 사용 설비는 A골 Single Facer, B골 Single Facer, 호부기 Glue Machine, 열판 Heating Plate 1,2,3으로 이루어지고, 모티브스팀인 15kgf/㎠g의 포화수증기는 각 증기사용설비 전 감압밸브를 통하여 A골, B골, 호부기, 열판 Heating Plate 1,2,3 설비로 12kgf/㎠g로 공급된다. 공정의 스팀 3.3 ton/hr의 포화수증기는 A골 Single Facer, B골 Single Facers, 호부기 Glue Machine로 각각 0.5 ton/hr으로 그리고 나머지 열판 Heating Plate 1,2,3 설비로 각각 0.6 ton/hr로 공급된다.
공정의 A골 Single Facer, B골 Single Facer, 호부기 Glue Machine, 열판 Heating Plate 1,2,3 스팀 사용설비에서 스팀의 잠열을 활용한 후 공정열로 사용한 후 각각의 스팀 트랩을 거쳐 재증발증기 또는 응축수의 형태로 응축수조로 유입되고, 유입 재증발증기는 응축수조의 안전압력 이상시 외부로 vent out 시키며 나머지 응축수는 전량 회수시킨다.
포화수증기 및 응축수 열물성치 및 유량은 다음과 같다.
| 항목 | 포화수증기 | 응축수 | 재증발증기 | 비고 |
| 포화압력 [kgf/㎠-g] | 15 | 8 | 8 | |
| 포화온도 [℃] | 202 | 178 | 178 | |
| 건도 [-] | 0.95 | 0.00 | 0.85 | |
| 유량 [ton/h] | 3.3 | 3.185 | 0.115 |
상기 공급에너지산출부(51)는 포화수증기의 총에너지를 산출하는 구성이다. 본 발명의 실시예에서는 상기 포화수증기(Saturated Liquid & Vapor)의 총 에너지는 엔탈피(Enthalpy)로 정의하여 아래 식으로 산정하였다.
[수학식 7]
- : 포화수증기(Saturated Liquid-vapor) 총 엔탈피 [Mcal/hr]
- : 포화수증기 유량 [kg/hr]
- : 포화수증기 총 비엔탈피 [kg/kg]
- : 포화액 비엔탈피 [kcal/kg]
- : 포화수증기 건도[-]
- : 포화수증기 비엔탈피(잠열)[kcal/kg]를 나타낸다.
상기 응축수에너지산출부(52)는 응축수의 열량을 산출하는 구성으로, 본 발명의 실시예에서는 회수되는 응축수는 포화액(Saturated Liquid)으로 근사하여 포화액 열량은 엔탈피로 아래 식으로 산정하였다.
[수학식 8]
-: 포화액 총 엔탈피 [kcal/hr]
-: 포화액량 [kg/hr]
-: 포화액 총 비엔탈피 [kcal/kg]
-: 포화액 비엔탈피 [kcal/kg]
-: 포화액 건도 [-]로 “0”
-: 포화액 단위 질량당 증발잠열[kcal/kg]로 “0”을 나타낸다.
상기 재증발증기에너지산출부(53)는 재증발증기의 손실열량을 산출하는 구성으로, 본 발명의 실시예에서는 증발조(Flash Vessel)에서의 외기로 재증발증기 Vent out 손실열량은 엔탈피로 아래 식으로 평가하였다.
[수학식 9]
-: 재증발증기 총 엔탈피 [kcal/hr]
-: 재증발증기 유량 [kg/hr]
-: 재증발증기 총 비엔탈피 [kcal/kg]
-: 재증발증기 비엔탈피 [kcal/kg]
-: 재증발증기 건도 [-]로 "0.85"
-: 재증발증기 단위 질량당 증발잠열[kcal/kg]을 나타낸다.
상기 공정열에너지산출부(54)는 상기 총에너지 중 증발잠열 형태로 사용된 에너지를 산출하는 구성으로, 본 발명의 실시예에서는 공급 증기 에너지 중 증발잠열 형태로 공정열로 사용된 에너지는 에너지밸런스 식에 의하여 1,4998 Mcal/hr을 활용하며 나머지는 응축수와 대기중 vent out 재증발증기므로 버려지고 있음을 반영하였다.
[수학식 10]
상기 증기효율산출부(55)는 상기 공정열에너지산출부(54)의 계산에 따른 증기사용효율을 산출하는 구성으로, 본 발명의 실시예에서는 공급 증기 에너지 중 공정잠열 1,499 Mcal/hr 만을 활용하며 나머지 에너지는 응축수와 대기중 vent out 재증발증기므로 증기사용 효율은 증기사용효율 식에 의하여 약 70.4%로 추정 산정하였다.
[수학식 11]
상기 에너지손실율산출부(56)는 응축수량 100%를 총에너지로 회수시킴에 따른 에너지손실률을 산출하는 구성으로, 본 발명의 실시예에서는 응축수량 100%를 회수시킴에 따른 에너지손실률인 응축수 에너지손실률 식에 의하여 약 29.6%로 산정하였다.
[수학식 12]
즉 본 발명의 실시예에 적용된 공정상 발생하는 응축수의 재활용 가능 방안으로 TVR 적용을 위한 설계, 설치 등에 대한 적극적 응축수에너지 회수 방안이 모색되어져야 하는 것으로 결론이 도출된다.
상기 제작지원모듈(6)은 상기 효율성평가모듈(5)을 통해 효율개선이 필요함에 따라 TVR 적용을 위한 정보를 지원하는 것으로, 세부구성으로 흡입비산정부(61)와, 유량산정부(62)와, 설계도출부(63) 및 제어선정부(64)를 구비한다.
상기 흡입비산정부(61)는 TVR의 고압입구측 증기와 출구공정증기와 저압입구측 재증발증기 압력과 설정된 흡입비 SR 곡선을 통해 재증발증기 유량에 대한 고압생증기 유량비인 흡입비를 산정하는 구성이다.
흡입비 SR(Suction Ratio)는 재증발증기 SS(Suction Steam) 유량에 대한 고압생증기 MS(Motive Steam) 유량비를 나타내며, 변동식 TVR 시스템의 주요 성능 평가 지표이며 주요 설계변수이다. 일반적으로 흡입비가 적을수록 재증발증기의 TVR로의 유입양이 크므로 에너지절감효과가 커진다.
[수학식 13]
-: 흡입비 [-]
-: MS 유량 [ton/hr]
-: SS 유량 [ton/hr]
본 발명의 실시예에로서 TVR 설계압력으로는 MS 포화수증기 압력 P1 = 15 kgf/㎠g, SS 포화수증기 압력 P2 = 8 kgf/㎠g, DS 포화수증기 압력 P3 =12 kgf/㎠g, TVR 설계유량으로는 DS 포화수증기 유량 Q3 = 3.3 ton/hr을 적용하였다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 MS P1 =15kgf/㎠g, SS P2=8kgf/㎠g, DS P3=12kgf/㎠g 설계압력에 대한 흡입비 SR 곡선, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 MS P1, SS P2, DS P3에 대한 흡입비 SR 곡선이다.
TVR 업체에서는 MS, SS 및 DS 설계압력에 따른 흡입비 SR 곡선을 보유하고 있으며 이를 통해 제공된 SR 곡선에 의하여 DS 압력 P3=12kgf/㎠g, SS압력 P2= 8kgf/㎠g, MS 압력 P1= 15kgf/㎠g으로 부터 흡입비 SR을 5.8로 선정하였다.
상기 유량산정부(62)는 출구공정증기 유량과 산출된 흡입비로부터 고압입구측 증기 유량과 재증발증기의 유량을 산정하는 구성이다. 본 발명의 실시예에서는 유량 Q3와 흡입비로부터 질량보존법칙에 의하여 MS 유량 Q1과 SS 유량 Q2를 산정하였다.
- Q3 = 3.3 ton/hr <- DS 포화수증기 유량
- Q1 + Q2 = Q3 -> Q1 + Q2 = 3.3 <- 질량보존식
- Q1 / Q2 = 5.8 <- 흡입비 SR=5.8
MS 유량 Q1 및 SS 유량 Q2 산정은 각각 MS Q1 = 2.8 ton/hr, SS Q2 = 0.5 ton/hr로 하였다.
상기 설계도출부(63)는 TVR의 고압입구측 증기와 출구공정증기와 저압입구측 재증발증기 압력과 유량을 충족하도록 설정된 배관규격에 맞추어 TVR의 설계안을 선정하는 구성이다. 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 선정결과 적용 TVR 치수 및 재질표로서, 본 발명의 실시예에서는 MS, SS 및 DS 압력 및 유량조건을 충족하도록 배관 125A에 맞추어 TVR을 선정하였다.
상기 제어선정부(64)는 출구공정증기 압력과 유량을 일정하게 유지할 수 있도록 고압 입구측 증기의 공 개도를 제어하는 액추에이터 제어를 위한 제어값을 선정하는 구성이다. 본 발명의 실시예에 따른 설비의 공정스팀 DS(Discharge Steam)은 골판지 공정의 생산성과 완제품 품질의 안정성을 확보하기 위하여 압력 P3=12kgf/㎠g과 유량 Q3= 3.3ton/hr로 상시 유지되어야 한다.
현장 상시 가동시 MS 및 SS의 압력 및 유량의 변화가 발생하더라도 공정스팀 DS의 압력 P3=12kgf/㎠g와 유량 Q3= 3.3ton/hr을 일정하게 유지하기 위하여 컨트롤체계 및 제어값을 선정하게 된다. 이와 같이 현장 가동시 상시 변하는 MS 및 SS의 압력과 유량 변동에 대한 안정적 DS를 보장하기 위한 것이 변동식 TVR 시스템이 된다.
본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시 예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
1: 측정모듈
11: 온도측정부
12: 압력측정부
13: 유량측정부
2: 취득모듈 21: 온도보정부 22: 압력보정부
23: 유량보정부
3: 분석연산모듈 31: 비엔탈피산출부 32: 증발잠열산출부
33: 건도산출부
4: 관리모듈 41: 저장부 42: 모니터링부
43: 평가부 44: 설정부
45: 경보부
5: 효율성평가모듈 51: 공급에너지산출부 52: 응축수에너지산출부
53: 재증발증기에너지산출부 54: 공정열에너지산출부
55: 증기효율산출부 56: 에너지손실율산출부
6: 제작지원모듈 61: 흡입비산정부 62: 유량산정부
63: 설계도출부 64: 제어선정부
13: 유량측정부
2: 취득모듈 21: 온도보정부 22: 압력보정부
23: 유량보정부
3: 분석연산모듈 31: 비엔탈피산출부 32: 증발잠열산출부
33: 건도산출부
4: 관리모듈 41: 저장부 42: 모니터링부
43: 평가부 44: 설정부
45: 경보부
5: 효율성평가모듈 51: 공급에너지산출부 52: 응축수에너지산출부
53: 재증발증기에너지산출부 54: 공정열에너지산출부
55: 증기효율산출부 56: 에너지손실율산출부
6: 제작지원모듈 61: 흡입비산정부 62: 유량산정부
63: 설계도출부 64: 제어선정부
Claims (7)
- 변동식 열적증기재압축 장치의 실시간 작동상태 및 성능평가 시스템으로서,
TVR의 고압입구측 증기와 출구공정증기와 응축수 및 저압입구측 재증발증기에 대하여 온도 및 압력을 각각 측정하는 온도측정부(11) 및 압력측정부(12)와, 저압입구측 재증발증기의 유량을 측정하는 유량측정부(13)를 구비하는 측정모듈(1);
상기 측정모듈(1)에서 측정한 온도 및 압력과 유량을 통해 상기 재증발증기 총엔탈피를 산출하는 분석연산모듈(3);
상기 측정모듈(1)에서 측정한 온도 및 압력과 유량을 시간 흐름에 따라 저장하는 저장부(41)와, 상기 측정모듈(1)에서 측정한 온도 및 압력과 유량을 모니터링하며 시간 흐름에 따른 추이정보를 생성하는 모니터링부(42)와, 상기 재증발증기 유량 및 열량의 시간 누적치를 이용하여 증기 및 에너지의 절감량을 산출하는 평가부(43)를 구비하는 관리모듈(4); 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 변동식 열적증기재압축 장치의 실시간 작동상태 및 성능평가 시스템.
- 제1항에 있어서,
현장에 설치된 상기 측정모듈(1)의 측정데이터를 상기 분석연산모듈(3)로 전송하되, 전송거리에 따른 도선저항을 반영하여 상기 온도측정부(11)의 온도값을 보정하는 온도보정부(21)와, 상기 압력측정부(12)의 출력전압에 따른 압력값을 보정하는 압력보정부(22)와, 상기 유량측정부(13)의 출력전압에 따른 압력값을 보정하는 유량보정부(23)를 구비하는 취득모듈(2); 을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 변동식 열적증기재압축 장치의 실시간 작동상태 및 성능평가 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 분석연산모듈(3)은,
상기 재증발증기에 대하여 포화온도 및 포화압력을 통해, 포화액 엔탈피를 산출하는 비엔탈피산출부(31)와, 포화증기의 증발잠열 엔탈피를 산출하는 증발잠열산출부(32)와, 포화증기의 상대적량으로 건도 100% 일 때의 포화증기와 건도 0% 일 때 포화액으로 정의되는 건도를 산출하는 건도산출부(33)를 구비하고, 상기 포화액 엔탈피와 증발잠열 엔탈피와 건도 및 상기 유량측정부(13)에서 얻어진 유량을 통해 상기 재증발증기 총엔탈피를 산출하는 것을 특징으로 하는 변동식 열적증기재압축 장치의 실시간 작동상태 및 성능평가 시스템.
- 제3항에 있어서,
포화수증기의 총에너지를 산출하는 공급에너지산출부(51)와, 응축수의 열량을 산출하는 응축수에너지산출부(52)와, 재증발증기의 손실열량을 산출하는 재증발증기에너지산출부(53)와, 상기 총에너지 중 증발잠열 형태로 사용된 에너지를 산출하는 공정열에너지산출부(54)와, 상기 공정열에너지산출부(54)의 계산에 따른 증기사용효율을 산출하는 증기효율산출부(55)와, 응축수량 100%를 총에너지로 회수시킴에 따른 에너지손실률을 산출하는 에너지손실율산출부(56)를 구비하는 효율성평가모듈(5); 을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 변동식 열적증기재압축 장치의 실시간 작동상태 및 성능평가 시스템.
- 제4항에 있어서,
TVR의 고압입구측 증기와 출구공정증기와 저압입구측 재증발증기 압력과 설정된 흡입비 SR 곡선을 통해 재증발증기 유량에 대한 고압생증기 유량비인 흡입비를 산정하는 흡입비산정부(61)와, 출구공정증기 유량과 산출된 흡입비로부터 고압입구측 증기 유량과 재증발증기의 유량을 산정하는 유량산정부(62)와, TVR의 고압입구측 증기와 출구공정증기와 저압입구측 재증발증기 압력과 유량을 충족하도록 설정된 배관규격에 맞추어 TVR의 설계안을 선정하는 설계도출부(63)를 구비하는 제작지원모듈(6); 을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 변동식 열적증기재압축 장치의 실시간 작동상태 및 성능평가 시스템.
- 제5항에 있어서,
상기 제작지원모듈(6)은,
출구공정증기 압력과 유량을 일정하게 유지할 수 있도록 고압 입구측 증기의 공 개도를 제어하는 액추에이터 제어를 위한 제어값을 선정하는 제어선정부(64)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 변동식 열적증기재압축 장치의 실시간 작동상태 및 성능평가 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 관리모듈(4)은,
상기 측정모듈(1)의 측정시간 간격을 지정하는 설정부(44)와, 상기 압력측정부(12)를 통해 측정된 압력값이 설정된 범위를 벗어나는 경우 고압 및 저압에 따른 경호신호를 출력하는 경보부(45)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 변동식 열적증기재압축 장치의 실시간 작동상태 및 성능평가 시스템.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220066929A KR20230166666A (ko) | 2022-05-31 | 2022-05-31 | 변동식 열적증기재압축 장치의 실시간 작동상태 및 성능평가 시스템 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220066929A KR20230166666A (ko) | 2022-05-31 | 2022-05-31 | 변동식 열적증기재압축 장치의 실시간 작동상태 및 성능평가 시스템 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230166666A true KR20230166666A (ko) | 2023-12-07 |
Family
ID=89163721
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020220066929A KR20230166666A (ko) | 2022-05-31 | 2022-05-31 | 변동식 열적증기재압축 장치의 실시간 작동상태 및 성능평가 시스템 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20230166666A (ko) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101320527B1 (ko) | 2012-06-29 | 2013-10-23 | 엘아이지엔설팅주식회사 | 증기 압축 제어장치 및 그 방법 |
-
2022
- 2022-05-31 KR KR1020220066929A patent/KR20230166666A/ko active IP Right Grant
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101320527B1 (ko) | 2012-06-29 | 2013-10-23 | 엘아이지엔설팅주식회사 | 증기 압축 제어장치 및 그 방법 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Khaliq | Exergy analysis of gas turbine trigeneration system for combined production of power heat and refrigeration | |
| Erbay et al. | Exergoeconomic evaluation of a ground-source heat pump food dryer at varying dead state temperatures | |
| Ray et al. | Exergy-based performance analysis for proper O&M decisions in a steam power plant | |
| CN104748807B (zh) | 一种基于流量校正的电站主蒸汽流量在线计算方法 | |
| CN102495094A (zh) | 一种水和水蒸气焓熵值的在线计算方法 | |
| CN111413126B (zh) | 一种储热实验系统及其控制与检测装置 | |
| Wang | Water flow rate models based on the pipe resistance and pressure difference in multiple parallel chiller systems | |
| CN111397934B (zh) | 一种地源热泵系统性能检测及优化控制方法、装置 | |
| Lin et al. | A field study on the effects of outdoor coil fouling at different ambient air temperatures on the operating performances of a space cooling ASHP unit | |
| CN109000949A (zh) | 基于冷水机组热力学模型的冷水机组评估方法及节能方法 | |
| Qin et al. | Experimental and theoretical analysis of the optimal high pressure and peak performance coefficient in transcritical CO2 heat pump | |
| KR20230166666A (ko) | 변동식 열적증기재압축 장치의 실시간 작동상태 및 성능평가 시스템 | |
| CN103759769A (zh) | 燃煤电站再热蒸汽流量软测量方法和装置 | |
| TW455648B (en) | Pressure control system to improve power plant efficiency | |
| KR100958939B1 (ko) | 연료가스의 습분감시장치 및 습분감시방법 | |
| CN110657585B (zh) | 一种燃气冷凝锅炉进水温度偏离设计值的热效率修正方法 | |
| De Paepe et al. | Recuperator performance assessment in humidified micro gas turbine applications using experimental data extended with preliminary support vector regression model analysis | |
| CN101033918A (zh) | 凝汽式火电机组凝汽器中空气相对含量变化的监测方法 | |
| CN106894853B (zh) | 凝汽式汽轮机冷端节能诊断方法 | |
| KR102234570B1 (ko) | 화력발전 플랜트의 효율예측 정확성 향상을 위한 연료의 발열량 보정방법 | |
| Gao et al. | Measurement method and influencing factors of temperature and humidity of condensed flue gas based on in situ flue gas heat tracing | |
| CN113837565A (zh) | 一种基于冷凝系数的蒸汽热网水击风险评估系统及方法 | |
| CN210294134U (zh) | 蒸汽干度在线监测系统 | |
| CN209539411U (zh) | 一种用于多台抽凝式汽轮机跳车后的蒸汽平衡装置 | |
| Schmidt | Steam and condensate systems |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right |