KR880001507B1 - 연소공정에서 손실을 최소화하기 위한 연소 제어장치 및 방법 - Google Patents

연소공정에서 손실을 최소화하기 위한 연소 제어장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

연소공정에서 손실을 최소화하기 위한 연소 제어장치 및 방법
제 1 도는 본 발명에 따른 연소공정에서 손실을 최소화하기 위한 장치의 블록선도.
제 2 도는 연소공정의 부하지수에 대한 최적선결 공기수요를 도시한 그래프.
제 3 도는 연소공정에서 각종 손실을 보여주는 공기수요에 대한 비용(달러)을 도시한 그래프.
본 발명은 연료와 공기를 혼합연소시켜 열을 발생시키는 보일러, 가열기, 또는 기타 장치에서 연소공정을 제어하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
연도 가스에서 각종 연소 생성물을 측정한 후 이들 측정치를 사용하여 이상적인 연소에 요하는 화학량론적 수준을 넘어 공급되는 과잉 공기량(또는 공기/연료비)을 조절하는 기술은 연소제어 분야에 공지되어 있다. 종래 기술에는 공기가열손실이 지배적인 과잉공기의 높은 수준과 미연소 연료손실이 지배적인 과잉공기의 지나치게 낮은 수준 사이에 교환이 이루어진다고 되어 있다.
연소공정을 최적화하기 위한 종래의 방법은 연도가스에서 측정되는 연소생성물, 즉 산소단독, 가연물단독, 또는 이들 두 물질의 화합물에 따른 세개의 범주중 하나에 속한다. 이들을 따로따로 설명하면 다음과 같다.
산소단독의 방법은 베일리 메터 캄패니의 1962년 8월 14일자 특허 제3,049,300호(상이한 산소과잉 공기 특성을 갖는 연료로 연소되는 로에 대한 연소제어)에서 사용되고 있다. 이 경우 분석기가 연도가스중의 산소를 측정하는데 사용되며, 과잉의 공기는 측정된 산소가 미리 선택된 설정점에 도달할때까지 감소된다.
가연물 단독(일산화 탄소-CO, 탄화수소, 및/또는 불투명도)방법은 스탠다드 오일 캄패니(인디애너)의 1981년 4월 7일자 특허 제4,260,363호 (Furnace Fuel Optimizer), 및 케이츠 스완슨의 기술지 "An Advanced Combustion Control Systen Using Distributed Microcomputer Techniques" ISA Publication ISBN O-87664-521-X, 1981에 언급되고 에코닉스 코오포레이션의 계류중인 출원서에서 사용되고 있다. 이들 매개변수의 하나 또는 그 이상을 측정하기 위하여 하나 또는 여러개의 분석기가 사용되며 과잉의 공기는 이들이 미리 선택된 설정점에 도달할 때까지 조절된다. 하나이상의 변수가 측정되어 제어되는 경우, 과잉공기의 최상의 "보존"값을 얻기 위하여 제어된 변수 사이에 약간의 스위칭이 행하여진다.
산소와 가연물의 화합물 방법은 메슈렉스 코오포레이션의 1979년 7월 31일자 특허 제4,162,889호(로에서 연소효율을 제어하는 방법 및 장치), 웨스팅하우스 일렉트릭 코오포레이션의 1980년 11월 4일자 특허 제4,231,733호(혼합 O2/가연물 고체 전해질 가스 감지장치), 및 베일리 컨트롤스 캄패니의 계류중인 출원서(연소공정의 CO와 O2제어용 시스템)에서 사용되고 있다. 이 경우 산소와 가연물이 측정된다. 메슈렉스 특허 및 상기 계류중인 출원서에서 미리 선택된 설정점으로 부터 CO의 편차는 케스케이드 식으로 O2제어기의 설정점을 조절하는데 사용된다. 웨스팅하우스 특허에서 과잉의 공기는 산소가 미리 선택된 범위를 넘어 이동할때까지 미리 선택된 가연물의 설정점까지 제어하도록 조절된다. 제어모우드는 산소가 상기 범위내로 복귀되도록 전환되고, 이때 가연물 제어가 재개된다.
연소제어에 대한 현존 방법의 결점은 다음과 같다.
상기 모든 방법은 하나 이상의 연소생성물을 임의로 선택된 설정점까지 제어하려고 시도하고 있다. 그러나 연소조건은 이들 설정점이 도달할 수 있거나 또는 이들 설정점이 경제적인 견지로 부터 최상의 것이라는 보증이 없다.
제어하고자 하는 여러 변수 사이로 전환시키고자 시도하는 방법에서, 여러가지 전환점이 도달되고 제어 모우드가 변화함에 따라 제한 순환이 일어날 수도 있다. 이는 공정장치에 바람직하지 않은 순환응력을 가한다.
상기 방법은 어느것도 연도까지의 미연소 연료의 비용, 과잉공기의 가열비용, 또는 정부의 방출 규정의 위반비용같은 명백한 경제적 손실량을 직접 최소화시키지 못하고 있다.
본 발명은 다음과 같은 점에서 종래 기술과 상이함은 물론 종래의 기술보다 진보성이 있다.
(1) 연소제어 방법은 연소공정중 경제적 손실의 합을 나타내는 손실함수를 명백히 최소화하는데 근거를 두고 있다.
(2) 제어방법은 현재의 조작조건하에서 최선의 것이거나 또는 최선의 것이 아닐 수 있는 연소 매개변수의 어느 한 생성물(예컨데 CO, 산소, 또는 불투명도)에 대한 설정점을 선택하는데 의존하지 않는다.
(3) 제어방법은 정부의 방출규정에 부합되지 않는 경제적 손실을 고려하고 있다.
본 발명의 근본 개념은 과잉공기의 측정치 및 가연물 원소 각각의 측정치를 포함한다. 이들은 각 원소에 대한 "손실율"추정치를 산출하도록 보일러/가열기 부하지수에 의하여 증가된다. 그리하여 이 비율을 적당한 경제인자에 의하여 증가시켜 공정단위 시간당 "달러 손실(비용)"로 전환시킨 다음 함께 가산하여 결합손실지수를 산출한다. 그 다음 공기/연료비를 상기 손실지수의 최소값을 조사하기 위한 직결 동작중에 조절한다. 매연 방출에 대한 환경보호청(EPA) 규정을 위반하는 경제적 영향은 불투명 성분이 EPA 한계에 접근함에 따라 불투명 성분의 손실비율을 상당히 증가시키는 것이라 여겨진다.
따라서, 본 발명의 목적은 미연소 부산물 및 산소를 함유하되 연도온도와 같은 온도의 연소가스를 발생하는 연소공정의 부하수준에서 공기로 연료를 연소시키는 상기 공정에서의 손실을 감소시키는 방법을 제공하는데 있는바, 이 방법은 부하수준에 비례하는 연소 공정에 대한 부하지수를 측정하고, 연도온도, 연소가스중의 과잉량의 산소, 부하지수, 및 공기가열에 대한 비용인자에 비례하는 연소공정에 대한 공기 가열손실을 측정하고, 연도가스중의 미연소 부산물의 양, 부하지수, 및 미연소 부산물에 대한 비용인자에 비례하는 연소공정에 대한 미연소 부산물 손실을 측정하고, 연도가스의 특성(예, 불투명도), 부하지수, 및 상기 특성에 대한 비용인자에 비례하는 연소공정에 대한 특성손실을 측정하고, 연소공정에 대한 총연료손실을 얻기 위하여 미연소 부산물 손실을 특성손실에 가산하고, 공기 가열손실, 연료손실, 및 공기 가열손실과 연료손실의 전체 손실의 상이한 값을 얻기 위하여 연소공정에 대한 공기수요를 변화시키고, 공기 가열손실과 연료손실의 전체 손실이 선택된 부하수준에 대하여 가능한한 낮은 연소공정에 대한 공기수요점을 선택하는 것으로 구성되어 있다. 그 다음 공기 수요신호가 보내어져 연소제어시스템의 연료 부분과 관련하여 작동된다.
본 발명의 다른 목적은 연소공정에서 손실을 감소시키기 위한 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 또다른 목적은 설계가 간단하고, 구조가 튼튼하며, 제작이 경제적인 그와 같은 장치를 제공하는데 있다.
본 발명을 첨부도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
제 1 도, 제 2 도 및 제 3 도는 본 발명의 일예를 도시한 것으로, 과잉공기를 가열하는 비용은 송신기(30)로부터의 연도온도의 측정치와 송신기(32)로부터의 연도가스중의 산소측정치를 사용함으로서 계산된다. 함수발생기(34)와 증배기(36)는 이들 측정치를 과잉공기의 유효발열량으로 전환시킨다. 이 발열량은 라인(38)에 제공되는 보일러/가열기 부하지수에 의하여 증가된다. 이 경우 이 발열량은 연료수요송신기(40)에서 측정한 바와 같은 연료수요량이다. 또한 보일러에서의 증기유동이나 또는 공정 가열기에서의 생성물 유동이 있을 수 있다. 따라서 증배기(42)는 열손실률을 발생하고, 이것은 다시
Figure kpo00001
인자에 의하여 증가되어 열손실률을 증배기(44)에서 단위시간당 공기가열손실(달러)로 전환시킨다.
가연물에 있어서는, 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 및 불투명도의 송신기(46, 48 및 50)에서 이들의 측정치가 측정된다. CO 및 HC 측정치는 증배기(52, 54, 56 및 58)에서 부하지수와
Figure kpo00002
인자에 의하여 증가되어 단위시간당 연료 손실비를 나타낸다. 불투명도 측정치는 함수발생기(60)가 단순한
Figure kpo00003
증배인자 대신에 사용되는 것을 제외하고는 동일방식으로 처리된다. 함수발생기는 불투명도가 허용 EPA 한계(L)에 접근되면 심하게 유효
Figure kpo00004
인자를 증가시킨다. 모든 가연물 손실율이 가산장치(62)에서 함께 가산되어 평활하게 되어(적절히 필터된다) 단위시간당 총 연료손실율(달러)을 나타낸다. 따라서 가산장치(62)는 미연소 부산물 손실 및 연도가스의 특성(불투명도)으로 인한 손실을 나타낸다.
공기 및 연료손실율은 제 1 도에 도시된 "손실지수 최소화산법" 블록(64)에 도시된다. "높은 불투명도 경보"는 불투명도가 리미트 및 경보장치(66)에 의하여 EPA 한계를 초과시 발생된다. 또한 이 경보 및 부하지수는 최소화 산법 블록(64)에 공급된다. 공기 수요량은 블록(64)으로부터 라인(70)에 제공되는 최적공기 수요치에 의하여 정하여진다.
"손실 지수 최소화"블록(64)의 동작이 제 2 도 및 제 3 도에 도시되어 있다. 블록은 부하지수의 각 값(제 2 도)에 대하여 발견된 공기 수요의 "최적선결(best previous)"값의 트랙을 유지시킨다. 또한 공기 가열손실, 연료손실 및 총 손실(상기 두 손실의 합)의 해당하는 비용은 각 부하지수값(제 3 도)에 대하여 기억된다. 정상조작조건(높은 불투명도 경보가 작용하지 않고 보일러/가열기 부하가 변환하고 있지 않을때)하에서, 최소화 산법은 블록으로부터 공기 수요출력을 조절함으로서 총 손실 매개 변수의 최소값을 추구한다. 산번은 기억되어 대응하는 선결 최적값으로 부터 공기와 연료손실의 싯가의 평차에 따라 공기 수요를 증가 또는 감소시킨다.
즉 연료 손실 매개변수는 최적선결 값에 가까우나 공기 손실이 상당히 높은 경우 산법은 공기 수요를 감소시키게 된다. 반면에 연료손실의 편차가 최적선결 값에 비하여 우세한 경우 산법은 공기 수요를 증가시키게된다. 공정이 시간 지연에 해당하는 기간동안 기다린후, 산법은 총 손실매개변수의 새로운 값을 측정한다. 전류부하지수에 대하여 기억된 최적선결값보다 적은 경우, 새로운 공기수요는 먼저 것을 최적선결값으로 대치시킨다. 또한 대응하는 새로운 손실매개변수는 먼저 것을 대치하며 최소가 제 3 도에서 M 으로 도시된 바와같이 발견될때까지 조사가 동일방향으로 증분적으로 계속된다.
최적 산법은 상술한 정상 조작조건하에서만 기술한 바와 같이 조작한다. 부하지수가 변환하는 경우, 최적 조작은 중지되고, 공기 수요 출력은 전류 부하지수에 대하여 기억된 최적선결값에 부합하도록 조절된다. 부하지수가 안정하나 높은 불투명도 경보가 작동하는 경우, 손실 최소화 조작은 계속되나 이들 경보 조건하에서 발견된 최적선결 공기 수요 및 손실값은 경보가 장치한 후 폐기된다. 이는 연료 손실 매개변수가 이들 경보 조건중에 인위적으로 높게 되기 때문에 이루어진다. 따라서 그 값은 정상 조작조건하에서 적절하지 않다.

Claims (11)

  1. 미연소 부산물 및 산소를 함유하되 연도온도와 같은 온도의 연소가스를 발생하는 연소공정의 부하수준에서 공기로 연료를 연속시키는 상기 공정에서의 손실을 감소시키는 방법에 있어서, 연소공정의 부하수준에 비례하는 부하지수를 측정하고 ; 연도온도, 연도가스중의 과잉량의 산소, 부하지수, 및 공기 가열에 대한 비용인자에 비례하는 공정에 대한 공기 가열손실을 측정하며 ; 연도가스 중의 미연소 부산물의 양, 부하지수, 및 미연소 부산물에 대한 비용인자에 비례하는 연소공정에 대한 미연소 부산물 손실을 측정하고 ; 연도가스의 특성, 부하지수, 및 상기 특성에 대한 비용인자에 비례하는 연소공정에 대한 특성손실을 측정하며 ; 연소공정에 대한 총 연료손실을 발생하도록 미연소 부산물 손실을 특성손실에 가산하고 ; 공기가열손실, 연료손실, 및 공기가열손실과 연료손실을 합한 손실의 상이한 값을 얻기 위하여 연소공정에 대한 공기수요를 변화시키며 ; 공기가열, 연료, 및 합계손실이 선택된 부하지수에 대하여 가능한 한 낮은 연료공정에 대한 공기수요점을 선택하는 것으로 구성된 연소공정에서 손실을 감소시키는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 각종 부하지수에 대한 공기 수요점을 기억시킨 다음, 상기 기억된 공기 수요점을 최적선결 공기수요값으로 이용하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 연소공정에 최적선결 공기 수요점을 공급하고, 최적선결 공기 수요점으로부터 멀리 공기 수요를 변화시키며, 연료손실, 공기 가열손실, 및 연료손실과 공기가열손실을 합한 손실에 대한 환산값이 감소되는 경우 새로운 최적선결 공기 수요점을 기억하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 연도가스의 특성이 불투명하고, 특성의 비용인자가 불투명도에 대한 선택된 범위를 초과하기 위한 파인인 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 연소공정에 대한 연료수요를 측정하는 것을 포함하며, 부하지수는 연료수요에 비례하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 특성 손실에 대한 한계에 도달되면 경보를 발생하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 연도온도를 측정하고, 연도온도에 비례하는 가열값을 계산하고, 연도가스중의 미연소 산소의 양을 측정하고, 가열값에 의하여 미연소 산소의 양을 증가시키며, 부하지수에 의하여 상기 증가의 결과를 증가시켜 공기가열 측정치가 가중된 부하지수를 얻고, 공기 가열에 대한 비용인자에 의하여 공기 가열 측정치를 증가시켜 공기 가열 손실치를 얻는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 미연소 부산물은 일산화탄소와 탄화수소중의 하나이며, 연도가스중의 미연소 부산물의 양을 측정하고, 부하지수에 의하여 미연소 부산물의 측정량을 증가시키고, 미연소 부산물에 대한 비용인자에 의하여 그 결과를 증가시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 불투명도가 특성으로 구성되는 연도가스의 불투명도를 측정하며, 그 특성의 비용인자는 불투명도에 대한 선택된 값이 가까워짐에 따라 상기 값에 도달하기 위하여 파인까지 증가되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 평활필터를 사용하여 연료손실을 평활하게 하여 장기간에 걸친 연료비용에 대한 불규칙 변화를 감소시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 미연소 부산물 및 산소를 함유하되 연도온도와 같은 온도의 연소가스를 발생하는 연소공정의 부하수준에서 공기로 연료를 연소시키는 상기 공정에서의 손실을 감소시키는 장치에 있어서, 연도온도를 측정하기 위한 온도 송신기 ; 연도가스 중의 미연소 산소를 감지하기 위한 산소 감지기 ; 연도가스 중의 미연소 부산물의 양을 감지하기 위한 최소한 하나의 미연소 부산물 감지기 ; 연도가스의 불투명도를 감지하기 위한 불투명도 감지기 부하지수에 비례하는 연소공정에 대한 부하수준을 설정하기 위한 수단 ; 온도송신기와 산소감지기에 연결되어 그에 의하여 함께 발생된 값을 증가시키기 위한 제 1 증배기 ; 상기 수단과 제 1 증배기의 출력 사이에 연결된 제 2 증배기 ; 공기가열 손실값을 발생시키도록 제 2 증배기의 출력에 연결된 제 1 비용인자 유니트 ; 상기 수단과 상기 최소한 하나의 미연소 부산물 감지기 사이에 연결된 제 3 증배기 ; 연소공정에 대한 미연소 부산물 손실에 비례하는 양을 발생시키도록 상기 제 3 증배기의 출력에 연결된 제 2 비용인자 유니트 ; 불투명도 범위에 도달하기에 정확한 파인까지 증가시키는 양에 의하여 상기 불투명도 감지기에 의해 감지된 불투명도의 양을 증가시키기 위해 상기 불투명도 감지기에 연결된 함수발생기 ; 불투명도 손실량을 발생시키도록 상기 함수발생기의 출력과 상기 수단에 연결된 제 4 증배기 ; 연소공정에 대한 총 연료손실을 발생시키도록 상기 제 2 비용인자 유니트의 출력과 상기 제 4 증배기에 연결된 가산장치 ; 및 연료손실, 공기 가열손실, 및 연료손실과 공기 가열손실의 합계가 최소화되는 공기 수요신호를 발생시키도록 상기 가산장치의 출력, 상기 제 1 비용인자 유니트, 및 상기 수단에 연결된 손실지수 최소화 장치로 구성됨을 특징으로 하는 장치.
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