KR810001685B1 - 다용도 보일러의 가변피치축류팬의 제어시스템 - Google Patents

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Description

다용도 보일러의 가변피치축류팬의 제어시스템

제1도는 다용도 보일러의 공기 유통 시스템의 개략도.

제2도는 일단계 강제 통풍 팬의 피치를 제어하기 위한 장치의 부분 단면 개략도.

제3도는 여러 날개 피치 조건에서의 대표적인 피치 축 높이의 실속 특성 및 대표적인 시스템 특성 곡선이 도시된 그래프.

제4도는 제1도의 장치의 흡출 통풍팬 부분을 제어하기 위한 제어장치의 회로도.

본 발명은 다용도 보일러의 공기유통 시스템에서 사용되는 가변피치 축류팬의 제어시스템에 관한 것이다.

다용도 보일러에 연소공기를 공급하고 연소가스의 제거를 돕기 위한 팬들은 여유있는 안전도로서 설계되어서, 보일러에서 정상시에 요구되는 통풍량보다 더 큰 통풍량이 필요한 악조건 하에서도 연속적으로 작동할 수 있다. 이와 같이 정상시에 기대되는 작동조건에 대해 15-20%정도로 다소 그 용량이 큰 팬이 필요하다. 그러나 정상 작동시에는 보일러가 그 정격용량 이하에서 작동한다.

인입날개제어원심팬과 가변피치(pitch) 축류팬중에서 선택하는데 있어서 고려되는 한가지 요소는 정격 용량이하 및 정격 용량에서의 여러작동 조건하에서의 팬들의 적정효율이다. 시험 조건에서 가변피치축류팬이 그와 동등한 원심팬에 비해 정적효율이 낮지만, 정상적인 100% 보일러 부하의 조건에서는 그 반대이다. 또 보일러 부하가 100%이하로 점점 떨어짐에 따라, 축류팬의 정적효율은 점점 증가한다. 적어도 이러한 이유 때문에 몇몇 경우에 있어서 가변피치축류팬은 원심팬보다 우수하다.

그러나, 축류팬은 공기흐름의 질량 속도에 따름에 비해 날개의 받음각(blade attack angle)이 지나치게 가파를 경우 발생하는 실속(失速)현상을 일으키기 쉽다. 실속현상이 일어나면, 팬의 정압이 유량에 비해 과다하여 연속된 실속현상에 연관된 진동 때문에 파손이 될 수도 있다. 따라서, 다용도 보일러 통풍장치내의 가변피치축류팬에서의 실속 현상은 방지하는 것이 좋다.

이와 같은 잘 알려진 축류팬에서의 실속현상의 문제는 여러 방법으로 처리되어 왔다. 조절가능한 인입안내 날개 및 조절 가능한 고정날개를 가지고 있으며, 용광로에 사용되는 축류터어보 압축기에서 발생하는 실속현상을 방지하는 한가지 방법은 압력이 유량에 비해 과도할 때 배출압력을 감속시키도록 압축기와 용광로 사이의 대기에 분출밸브를 사용하는 것이다. 그러나 다용도 보일러에서는 대기로 배출시키는 것은 좋지 않다. 왜냐하면, 보일러 노의 강재통풍측에서 연료공기비등의 문제점이 발생하며, 보일러노의 흡출통풍측에서는 굴뚝으로 통하는 통로 내에서 연소 가스가 처리되기 전에 배출되기 때문이다.

미합중국 재공고특허 제28,946호에 설명된 건물을 위한 공기조화 및 환기장치에는, 가변피치축류 팬인 팬으로부터 아래로 흐르는 도관내의 유량 및 정압을 감지하게 되어 있다. 이 장치는 정압에 연관되는 유량을 일정하게 유지시켜 맥동현상이 없이 효율적인 작동이 유지될 수 있도록 한다. 이러한 장치에서는 온도가 사용공간에 대해 사용제어인입 조절판인 공간속에서 변화한다. 따라서, 시스템의 저항이 온도에 따라 변화하는 것이 요구된다. 조절판이 닫혀져 시스템의 저항이 증가함에 따라, 유량은 감소하는 반면 매출정압은 증가한다. 이에 의해 팬날개의 피치가 변화하여, 배출정압이 1차로 감소된 유량에서보다 감소하며, 이에 의해 유량이 다시 감소한다. 이와 같은 현상이 공기조화를 공급하는데 충분하다면, 시스템은 같은 상태에서 계속 작동할 것이다. 그러나 이와 같이 공기유량을 더 감소시키는 것이 공기조화를 위해 부적당하면, 온도변화의 요구에 따라 시스템의 저항이 감소되고 정압이 강하하며 유량이 증가한다. 따라서 제어장치로서 온도변화가 유량이 온도제어의 요구를 만족시키는 방향으로 자동적으로 반응하는 시스템 저항을 제어한다. 시스템에서, 도관압력이 축류팬 날개의 피치 또는 루우버의 위치를 재조정하기위해 계속 사용된다.

본 발명에 따른 시스템에서 날개피치가 주어진 보일러부하의 공기요구량에 맞도록 변화하며, 여러 공기유량변화에 따른 팬의 정압 상승 변화는 실속현상이 발생하지 않는 한, 중요하지 않으며, 제어에 영향을 미치지 않는다. 공기유량체적에 대한 팬의 정압상승의 관계와 제어에 있어서 한 요소가 되며 날개피치의 정격보일러 부하제어가 실속 방지제어에 의해서 저지된다.

본 발명에 따라, 다용도 보일러노의 연소실에 연결된 가변 피치축류팬 날개의 피치를 변화시키는 장치와 팬의 압력상승 및 시스템의 유량을 감지하고 그에 따라 신호를 발생하는 장치와 상응한 출력신호를 발생시키도록 신호를 종합하는 장치와 보일러 부하변화에 따라 정압상승의 변화에 관계없이 유량을 변화시키도록 정상적인 작동으로 날개피치변화장치에 날개피치증가 및 감소신호를 공급하는 장치와 주어진 정도의 실속조건내의 조건을 경고하도록 상응한 유량에 대한 주어진 값을 초과하는 압력상승을 나타내는 종합된 출력신호에 상응하여 경보를 발생하고, 증가신호를 저지시키고 실속조건에 예정된 근사값을 나타내는 출력신호에 상응하여 감소신호를 대신 발생시키는 장치를 지니어 실속조건에 대해 압력상승과 유량이 안전치로 감소되는 위치로 날개피치를 감소시키는 시스템에 의해서 제어된다.

본 발명은 하나의 양호한 실시예를 하나의 예로서 들어, 첨부된 도면과 연관하여 설명될 것이다.

제1도에 개략적으로 도시된 시스템은 연소공기를 노에 보내기 위한 일단계 강제통풍축류팬 12 및 연소의 생성물을 노에서부터 집진기를 통해 굴뚝으로 보내기 위한 2단계 흡출통풍축류팬 14를 가진 다용도 보일러 10을 지닌다. 강제통풍축류팬 12의 팬바퀴 16은 축 20을 통해 전동기 18에 의해 구동되며, 흡출통풍축류팬 14의 두바퀴 22는 축 26을 통해 전동기 24에 의해 구동된다. 팬바퀴들의 날개피치는 시스템의 작동조건, 특히 보일러 부하에 따라 적당한 연로공기비가 이루어지도록 제어된다. 날개피치는 유압장치에 의해 제어되며, 유압유체는 강제통풍축류팬 12를 위한 솔레노이드 밸브 28 및 흡출통풍축류팬 14를 위한 밸브 30에 의해 제어된다.

공기유통 시스템의 작동조건을 표시하기 위한 감지장치들이 제1도에 개략적으로 도시되어 있다. F로 표시된 요소부는 공기유통체적을 감지하며 P로 표시된 요소부는 정압을 감지하며, T로 표시된 요소부는 공기유통 온도를 감지한다. 단지, 흡출통풍팬을 통과하는 공기의 온도 범위가 강제통풍팬을 통과하는 공기의 온도 범위보다 매우 크기 때문에 흡출통풍팬의 온도 감지장치를 설치한다.

제2도에는 강제통풍팬 바퀴16의 날개의 피치를 제어하고 변화시키는 전형적인 시스템이 도시되어 있다. 허브 34둘레의 일련의 날개를 32는 그 방사상 내단부에 고정된 레버아암 38을 지닌 회전가능한 날개축 36을 통해 허브 34에 회전가능하게 고정되어 있다. 레버아암 38의 한 끝은 작동원반 40의 주위에 고정되어 있어, 작동원반 40이 제2도에서 좌우로 이동함에 따라 레버아암 38은 날개축 36, 즉 날개 32를 한 방향으로 회전하게 한다. 작동원반 40의 이동을 위해서는 유압 작동 기구가 설치되어 있다. 작동원반 40은 축 46상에 고정된 내부 피스톤 44가 설치된 이동 가능한 유압 실린더 42에 고정되어 있다. 다중위치 솔레노이드 밸브 28의 작동에 따라 유압유체는 고정유압라인 50중 하나를 통과하며, 회전접합부 52를 통해 축 46내의 축방향으로 연장된 내부의 통로 54에 연결된 유압라인 50중 다른 하나로부터 회수된다. 따라서, 유체는 피스톤 44의 한측면위의 공간내로 유입되며, 피스톤 44의 다른 측면위의 공간으로부터 회수되어 실린더 42가 양쪽 방향으로 움직이게 한다. 실린더 42가 양쪽 방향으로 움직일 때, 작동원반 40이 따라서 움직이며, 레버아암 및 날개축의 선회작동을 통하여 날개 32가 회전하게 된다.

본 발명을 형성하는 부품이 아니기 때문에 도시되지는 않았지만, 유압장치는 체크밸브펌프, 저장통 및 유압 작동장치의 통상적인 요소부를 지니어서 날개 32는 한 피치에 유지되거나, 한방향으로 이동된다. 흡출통풍축류팬 14의 32개의 팬 바퀴에 피치를 변화시키는 유압장치도 그 원리는 비슷하다.

제3도의 그래프는 유량 및 여러 조건에서의 날개 피치에 대응하는 축류팬의 정압상승치를 도시한 것으로 대표적인 시스템의 저항 곡선 56이 표시되어 있다. 실속선 58은 여러 피치 조건에 대해 실속현상이 발생할 유량값에 대응하는 정압을 나타낸다. 예를 들어, 피치가 49°이고, 시스템 저항이 정상적일 때, 정압상승 및 유량은 점 1로 나타내진다. 만일 시스템내에 어떤 좋지 않은 현상이 일어나 공기의 유통이 저지되면, 시스템 저항은 증가하는 방향으로 변화하여, 곡선 56은 제3도에서 도시되는 것처럼 점 1에서 왼편으로 선회할 것이다. 만일 변화가 충분히 크고, 피치가 49°로 유지되면, 점 2에 도달하여 팬에 실속현상이 발생할 것이다. 실속현상이 발생하고 시스템 저항이 감소할지라도, 점선 60을 따라서 혹은 피치가 49°가 아닐 경우 비슷한 기울기의 점선들을 따라서 팬은 실속상태에서 계속 작동할 것이다.

공기 시스템에 관한 문제로 인하여 보일러가 완전히 정지되는 것은 가능한 한 방지되어야 하기 때문에, 본 발명에 따른 실속정지를 방지하기 위한 제어시스템이 제공된다. 이러한 제어시스템이 주어진 피치 조건에 대한 정압 및 유량의 관계가 경보선 62에 도달하면, 실속경보가 발생하게 되어 있으며, 이때 교정작용이 취해지지 않아 팬이 선 64에 도달하여 점점 실속상태에 접근하게 되면, 자동적으로 작동되는 프로그램이 팬이 실속상태로부터 멀어지도록 피치를 감소시킨다.

흡출통풍팬 14를 제어하기 위한 팬 제어시스템이 제4도에 도시되어 있고 강제 통풍팬 12의 제어시스템도 이와 비슷하나, 경우에 따라 온도 감지장치 및 그로부터의 입력이 강제 통풍팬 제어시스템에서 생략될 수 있다는 점이 다르다.

정상작동을 위해, 솔레노이드 밸브 30을 통한 날개피치에 대한 제어 신호가 보일러 부하 조건에 따라 연소제어 66으로부터 감지되어 AND게이트 68에 전달되어 피치를 감소시키거나, AND게이트 70에 전달되어 피치를 증가시킨다. 팬이 실속현상이 문제되지 않는 가정의 정상상태에서 작동할 때는 연소제어 66으로부터의 정상작동 증가 및 감소 신호를 간섭하는 신호가 실속 컴퓨터 72로부터 발생되지 않는다. 정상작동시에는 그 출력이 반전기(inverter)76을 지나 증가 AND게이트 70에 인가되는 셋-리셋(set-reset) 플립-플롭(flip-flop) 74에 실속 컴퓨터 72가 신호를 보내지 않기 때문에 , 연소제어 66으로부터의 증가 혹은 감소신호가 솔레노이드 밸브 30에 인가된다.

공기유통이 비정상적으로 지지되고, 유량컴퓨터 80으로부터 나와서 온도중폭기 84로 부터의 온도 지시신호를 받아들이는 온도 곡선 이동기(shiflter) 82에 의해 수정된 공기유량의 체적에 대해, 압력차 컴퓨터 78로 부터 감지되어 실속 컴퓨터 72에 인가되는 팬의 정압상승이 경보선 62이상, 실속정지선 64(제23도)이하로 상승하였다고 가정하자. 이에 의해 실속컴퓨터 72는 출력신호를 내어 제어국에 있는 경보 지시기 86을 작동시켜 문제가 발생하였다는 것을 경고하고, 수동으로 날개피치를 감소시키고 또 보일러 연료율을 감소시켜, 그 문제의 원인을 찾는 동안 보일러가 감소된 조건하에서 계속 작동하도록 하는 고정작동이 취해져야 한다는 것을 알려준다.

그러나, 어떤 이유에서 운전자가 경보에 의해 지시된 교정 작동을 취하지 못하여, 정압상승이 계속되어 유량이 실속 정지선 64에 이를 정도로 감소될 수가 있다. 이때는 실속 컴퓨터 72가 다른 레벨의 신호를 쌍안정(bistable) 플립-플롭 74의 세트입력부, 발전기 88, 감소선내의 OR게이트 90의 입력부, 솔레노이드 밸브 30에 인가시킨다. 플립-플롭 74에서 나와 발전기 76을 통하는 출력신호는 증가 AND게이트 70이 증가신호를 솔레노이드 밸브 30으로 통과하지 못하게 하며, OR게이트 90이 감소신호를 솔레노이드 밸브 30으로 통과시킨다. 플립-플롭이 출력신호는 지시장치 92로도 전달되어 운전자에게 자동 실속 방지 시스템이 제어 작동을 하고 있다는 것을 알려준다. 이와 같이, 날개피치가 실속 컴퓨터 72로부터의 신호가 없어질 정도로 감소된 후에도, 플립-플롭 74가 세트상태에 있기 때문에 자동 연소 제어 66이나 수동 작동에 의해 중가신호를 솔레노이드 밸브 30에 발생시킬 수 없다. 이러한 플립-플롭은 운전자가 AND게이트 94에 신호를 인가하여 리셋시킬 때까지 저지신호를 증가 AND게이트 70에 계속 보내는 고정된 쌍안정 기억소자로서 작동한다. 플립-플롭은 감소신호를 방해하지 않기 때문에 보일러 제어는 계속 보일러를 보호한다. 즉, 강제통풍팬을 통해 부하를 계속 감소시키거나 흡출통풍팬을 늦춰 노가 폭발하는 것을 방지한다.

제3도에 도시된 바와 같이, 기본적으로 유통체적이 증가함에 따라, 팬의 정압 상승도 증가한다. 유량 컴퓨터 80의 퍼센트 유량을 필요한 비선형 곡선으로 변화시켜서, 컴퓨터의 출력은 배출압력 고정점에 대한 최대 허용인입량을 나타내는데, 이는 온도 곡선 이동기 82에 의해 수정되어서 온도가 상승함에 따라 곡선이 실제로 내려가게 된다.

실속 컴퓨터는 ＂내부압력＂으로부터 ＂외부얍력＂을 빼며 이것을 인입압력 고정점에 대한 최대 허용 배출과 비교한다. 유량의 함수인 최대 허용 압력 상승보다 큰 압력상승은 실속 컴퓨터에서 감소신호가 발생되게 한다. 실속경보는 급박한 실속현상을 알려주며, 제2레벨실속팬 정지는 고정기억소자를 작동시켜서 실속상태가 일어나려고 할때 상술한 교정작동을 행한다.

Claims (1)

1. 팬에서의 압력상승을 검출하여 그에 따른 신호를 발생하는 수단과, 공기 유통 장치에서의 공기유량을 검출하여 그에 따른 신호를 발생시키는 수단과, 그 압력상승 신호와 공기 유량신호를 종합하여 출력신호를 발생하는 수단, 및 날개 피치 증감신호를 날개 피치 변화수단에 공급하는 수단을 구비한, 다용도 보일러의 연소실에 연결된 공기 유통장치에 사용하는 가변피치 날개를 가진 축류팬의 제어 시스템에 있어서, 상응하는 유량에 대해 소정의 수준을 초과하는 압력상승을 나타내는 상기 신호 종합수단으로부터 출력신호에 응답하여 경보를 발생시키는 수단이 설치되어, 날개피치 증가신호를 저지시키고, 실속현상 발생전에 미리 정해진 단계를 나타내는 출력신호에 응답하여 날개피치 감소신호를 대신 발생시켜서, 실속현상에 대해 압력상승 및 유량이 안전한 수준까지 감소되는 위치로 날개피치를 감소시키는 제어수단이 설치된 것을 특징으로 하는 다용도 보일러의 가변피치 축류팬의 제어시스템.

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