WO2019088368A1 - 발전용 보일러 튜브의 마모 예측 시스템 및 방법 - Google Patents

발전용 보일러 튜브의 마모 예측 시스템 및 방법 Download PDF

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WO2019088368A1
WO2019088368A1 PCT/KR2018/001419 KR2018001419W WO2019088368A1 WO 2019088368 A1 WO2019088368 A1 WO 2019088368A1 KR 2018001419 W KR2018001419 W KR 2018001419W WO 2019088368 A1 WO2019088368 A1 WO 2019088368A1
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boiler
wear
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local
fuel
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PCT/KR2018/001419
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백세현
김영주
김태형
김현희
박상빈
박호영
Original Assignee
한국전력공사
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    • 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
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/04—Ageing analysis or optimisation against ageing

Definitions

  • the present invention relates to a system and method for predicting wear of a boiler tube for power generation.
  • Coal-fired power plants have recently become an issue of environmental issues, but it is technically and economically very difficult to replace all coal-fired power plants with renewable energy sources. As a result, coal is expected to play a role as a power source to provide stable and stable supply of cheapest, high-quality electricity for a long time. In particular, coal-fired power is still a promising project for overseas power generation projects in developing or developing countries.
  • An object of the present invention is to provide a system and method for predicting wear of a boiler tube for power generation that predicts a local wear trend of the inside of a boiler in real time in accordance with operating conditions of the boiler for power generation and change of the seed burden.
  • a system for predicting a wear of a boiler tube is a system for predicting wear of a boiler tube that provides information on properties of a fuel currently combusted in a power plant, An operation data link combustion analyzing device for calculating status information of the boiler high temperature section using the information provided from the fuel property database and the operation data of the power plant as input values, A local flow rate measurement data base for storing local flow velocity distribution data of the inside of the boiler measured for the boiler, state information of the boiler high temperature section and local flow velocity distribution data within the boiler, An actual local flow velocity calculation device for calculating an actual actual velocity, And a boiler local wear prediction device for predicting a wear tendency for each of the cross-sections of the boiler by using the local wear-resistance index, the wear-trend index, the state information of the boiler high temperature part, and the local flow velocity distribution data in the boiler.
  • the method of predicting wear of a boiler tube includes the steps of calculating an index of wear tendency of the fuel itself by using information on characteristics of the fuel currently combusted in the power plant, Calculating the state information of the high temperature portion of the boiler using the operation data of the boiler as the input value, obtaining the local flow velocity distribution data of the inside of the boiler measured for each cross section of the boiler, Calculating actual flow velocities for each of the cross-sections of the boiler using local flow velocity distribution data, and using the wear trend index, state information of the boiler hot section, and local flow velocity distribution data within the boiler To predict the wear tendency of each section of the boiler by local position, .
  • FIG. 1 is a view showing a configuration of a wear prediction system for a power generation boiler tube according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 shows a schematic diagram of a wear prediction system for a boiler tube for power generation according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 shows points of operation data applied to calculation in a wear prediction system of a boiler tube for power generation according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram of a method for constructing a cold flow distribution measurement database of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of the normalizing result of the local flow velocity distribution of the cold flow distribution measurement database of the present invention.
  • FIG. 6 is a view showing a calculation method of an actual local flow velocity for each section of the boiler.
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating a method of predicting wear of a boiler tube for power generation according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 9 shows an example of a summary result of a local wear prediction of a boiler.
  • Figure 10 shows an example of the local wear prediction result for a specific section of the boiler.
  • FIG. 11 shows a result of comparing wear trends predicted by applying the system and method for predicting wear of a boiler tube for power generation according to an embodiment of the present invention and actual wear trends determined by performing a precise visual inspection.
  • first, second, first, “ or “ second,” as used in various embodiments, Not limited.
  • first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be named as the first component.
  • FIG. 1 is a view showing the construction of a wear prediction system 1 of a power generation boiler tube according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a wear prediction system for a power generation boiler tube according to an embodiment of the present invention. .
  • a wear prediction system for a power generation boiler tube includes a fuel property database 10, an operation data linked combustion analysis device 20, a cold flow distribution measurement database 30, An apparatus 40, and a boiler local wear prediction device 50.
  • the fuel property database (10) stores information on industrial analysis, elemental analysis, calorific value and rotational phase of the fuel currently combusted in the power plant and provides it to the outside when necessary.
  • the information on the spin angle is used to calculate the wear tendency index of the general fuel itself.
  • the operation data-based combustion analysis apparatus 20 performs automatic combustion analysis by using the fuel property data provided from the fuel property database 10 and the operation data provided from the real-time operation information system of the power plant as input values.
  • Examples of the operation data provided from the above-mentioned power plant real-time operation information system include steam temperature, pressure, flow rate at the inlet and outlet of each heat source, gas temperature at the outlet of the boiler, oxygen concentration, and ash mass flux.
  • the cold flow distribution measurement database (30, 60) stores the local flow rate data within the boiler measured for each cross section inside the boiler.
  • the flow rate data within the boiler can be measured at low flow conditions below a preset value at room temperature during plant shutdown.
  • the measured local flow velocity data may be normalized to yield local flow velocity distribution data for a particular cross-section.
  • the actual local flow velocity calculation device 40 calculates the average flow velocity of each section of the boiler provided by the operation data associated combustion analysis device 20 and the local flow velocity distribution data of the boiler provided in the cold flow distribution measurement database 30 Is used to calculate the actual flow rate for each section of the boiler by local location.
  • the boiler local wear prediction device 50 is provided with the wear trend index calculated in the fuel property database 10, the mass flux of the ash provided by the operation data linked combustion analysis device 20, Using the actual flow rate data by the received local position, the wear trend of each section of the boiler is estimated by local position.
  • FIG 3 shows points of operation data applied to calculation in a wear prediction system of a boiler tube for power generation according to an embodiment of the present invention.
  • the general operation data of the power plant include high uncertainties depending on the location and conditions. In particular, it is difficult to know the exact operating value because the temperature and flow rate of the combustion gas in the boiler high temperature can not be measured.
  • the flow rate 310 of the water flowing into the boiler and the inlet and outlet steam temperatures and pressures 320 at the respective heating surfaces can be measured with high reliability.
  • the gas side temperature and oxygen concentration 330 of the boiler outlet can also be reliably measured.
  • the operation data combustion combustion analyzing apparatus includes operation data on the steam side that has secured reliability, that is, a flow rate 310 of water flowing into a boiler, steam temperature, pressure, and flow rate 320 on each heat transfer surface, ,
  • the boiler outlet gas temperature, the oxygen concentration (330), and the fuel property it is possible to inversely calculate the gas side temperature, flow rate, composition and total heat amount which can not be measured by the conventional method. That is, the combustion analysis can be performed using only the least reliable operation data.
  • the gas temperature for each heat transfer surface position of the boiler is calculated by calcu- lating heat quantity based on the calculated gas temperature and flow rate at the boiler outlet and then sequentially calibrating the heat absorbed from the steam side of each heat transfer surface.
  • the approach makes it possible to substantially determine the average gas temperature at the cross-section of the hot section which is not measurable.
  • FIG. 4 is a diagram of a method for constructing a cold flow distribution measurement database of the present invention.
  • a cold flow distribution measurement database includes a measurement section for a main heat transfer surface of a boiler in a state where only a blower of a boiler is operated at room temperature while a power plant is stopped, Measure the flow rate for locations within the cross section. Since the data to be measured is a relative flow distribution, the flow rate of the blower is at least independent of the flow rate during normal operation.
  • FIG. 4 shows an example of the positioning and sheet of the cold flow distribution measurement for a particular cross section. It is effective to select the flow measurement positions on the cross section of the measurement target closely to the front-rear and left-right wall surfaces of the boiler. Therefore, since the area occupied by each of the measurement points of position (i, j) becomes different, when the cold flow distribution measurement data is normalized in the next step, the weight is given in consideration of the area of each cell.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of the normalization result of the local flow velocity distribution of the cold flow distribution measurement database of the present invention.
  • the normalization of the cold flow distribution measurement data is carried out in the same manner as described above with reference to Fig. 4, in which the flow velocity measurement result of the local position measured at room temperature for the specific cross section is stored together with the position (i, j) And the flow rate data for each position is obtained by 'calculating a weighted average of rows and columns' and 'calculating a weighted average of cross sections'.
  • weighted average calculation of rows and columns is performed by the following equation.
  • V j j row weighted average speed considering the left and right dimensions of the cell
  • V i, j Individual cell velocity measurement in column i
  • V i i column weighted average speed considering cell front and rear dimensions
  • V i, j individual cell velocity measurements in row j
  • V Pj Plane constant weighting rate based on j row average value
  • V j j row average weighting speed
  • V Pi cross-sectional average weighting speed based on i row average value
  • Vn i, j normalization speed of cell i, j
  • V i, j individual cell speed measurement value
  • V p plane average weighting speed
  • the normalization result of the local flow velocity distribution for a specific section of the boiler can be obtained through the above process.
  • FIG. 6 is a view showing a calculation method of an actual local flow velocity for each section of the boiler.
  • the actual local flow velocity calculation for each section of the boiler is performed by using the average flow velocity data 610 of each section of the boiler provided from the operation data association continuous apparatus and the local flow velocity distribution data of each section provided in the cold flow distribution measurement database (620).
  • the concrete calculation formula (630) is as follows.
  • V Oi, j actual gas flow rate for i, j cells
  • V ni, j normalized gas flow rate for i, j
  • the actual local flow rate 640 for each cross section of the boiler tube can be calculated through the above equation, which is used as an input to predict the local wear of the boiler as described below.
  • the boiler local wear prediction device 50 estimates the abrasion tendency index (detailed formulas will be described later) from the fuel property database 10, the ash mass flux from the operation data linked combustion analysis device 20 , The actual flow rate of each section of the boiler from each local section of the boiler from the actual local flow device 40 is input and the wear tendency of each section inside the boiler is predicted according to the following equation.
  • V i, j velocity at position i, j
  • the wear tendency index data of the fuel itself supplied from the fuel property database can be obtained by the following equation.
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating a method of predicting wear of a boiler tube for power generation according to an embodiment of the present invention.
  • the fuel flux information provided from the fuel property database and the operation data provided from the real-time operation information system of the power plant are used as input values, and the mass flux of the ash and the average flow velocity of each section of the boiler are calculated (S20).
  • the localized flow velocity distribution is normalized (S30).
  • the actual flow velocity of each section of the boiler is calculated at step S40 using the average flow velocity of each section of the boiler and the local flow velocity distribution data within the boiler calculated in steps S20 and S30.
  • step S50 Using the wear trend index calculated in step S10, the mass flux of the ash calculated in step S20, and the actual flow rate by local position for each section inside the boiler, the wear tendency of each section of the boiler by local position (S50).
  • FIG. 9 shows an example of a local wear prediction summary result of a boiler
  • FIG. 10 shows an example of a local wear prediction result for a specific section of a boiler.
  • the horizontal axis of the two-dimensional and three-dimensional graphs represents the local position of the actual boiler section, and the vertical axis represents the degree of wear caused by the local position of the section.
  • the horizontal axis of the two-dimensional and three-dimensional graphs represents the local position of the actual boiler section
  • the vertical axis represents the degree of wear caused by the local position of the section.
  • FIG. 11 shows a result of comparing wear trends predicted by applying the system and method for predicting wear of a boiler tube for power generation according to an embodiment of the present invention and actual wear trends determined by performing a precise visual inspection.
  • the local wear tendency of the boiler tube which is a chronic problem of the coal-fired power boiler
  • the system and method for predicting wear of the boiler tube for power generation according to an embodiment of the present invention Therefore, it is possible to anticipate and reinforce the abrasion parts and local abrasion phenomenon of the boiler tube, thereby making it possible to reduce the unstoppability of the power plant and the huge maintenance cost expenditure.
  • it since it is possible to comparatively analyze the wear tendency according to various operating parameters and fuel properties, it can be utilized to derive an optimal driving method in terms of wear prevention

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 보일러 튜브의 마모 예측 시스템은, 발전소에서 현재 연소하는 연료의 성상에 대한 정보를 제공하고, 상기 연료 성상에 대한 정보를 이용하여 계산된 연료 자체의 마모 경향 지수를 저장하는 연료 성상 데이터 베이스, 상기 연료 성상 데이터 베이스로부터 제공 받은 정보와 상기 발전소의 운전 데이터를 입력값으로 하여, 보일러 고온부의 상태 정보를 계산하는 운전 데이터 연계 연소 해석 장치, 상기 보일러의 각 단면에 대하여 측정한 보일러 내부의 국부 유속 분포 데이터를 저장하는 냉간 유동 분포 측정 데이터 베이스, 상기 보일러 고온부의 상태 정보 및 상기 보일러 내부의 국부 유속 분포 데이터를 이용하여, 상기 보일러의 각 단면들에 대한 국부 위치별 실제 유속을 산출하는 실제 국부 유속 계산 장치, 및 상기 마모 경향 지수, 상기 보일러 고온부의 상태 정보, 및 상기 보일러 내부의 국부 유속 분포 데이터를 이용하여, 상기 보일러의 각 단면들에 대한 국부 위치별 마모 경향을 예측하는 보일러 국부 마모 예측 장치를 포함한다.

Description

발전용 보일러 튜브의 마모 예측 시스템 및 방법
본 발명은 발전용 보일러 튜브의 마모 예측 시스템 및 방법에 관한 것이다.
석탄 화력 발전소는 최근 환경 문제로 이슈가 되고는 있으나, 모든 석탄 화력을 신재생 에너지로 대체하기에는 기술적으로나 경제적으로 매우 어려운 상황이다. 이에 따라, 석탄은 향후에도 오랜 기간 가장 저렴하고 고품질의 전기를 안정적으로 제공하는 전력공급원의 역할을 수행할 것으로 예상된다. 특히, 저개발국 또는 개발도상국에 대한 해외 발전사업에 있어서는 석탄 화력이 여전히 유망한 사업 대상이다.
그러나 석탄 화력 발전소 보일러는 석탄이 연소되고 남은 회분(ash)이 튜브를 침식시키는 마모 현상이 고질적으로 발생된다. 이러한 마모는 보일러 튜브 파열에 의한 발전소 불시 정지를 초래하기도 하고, 막대한 정비 비용을 발생시키는 원인이 되고 있다.
국내의 경우 최근 10년간 수행한 320건의 보일러 정밀 진단 결과 심각한 마모 문제점이 220건이상 발견되었으며, Y 발전소 3호기 보일러 재열기 누설 등 마모에 의한 발전소 불시 정지가 10건 이상 발생되는 등 그 심각성이 크다.
한편 석탄화력 보일러의 마모 현상에 대한 대책은, 아직까지는 발전소 정지 중에 실시하는 육안 점검 및 보수 작업에 의존하고 있는 실정이며 발견된 마모 발생 부위에 대해서는 일상적인 보강 조치를 취하고 있다.
그러나 보일러 내부의 복잡한 형상, 탄종의 변경, 연소 특성 변화 및 운전 제어 변수 변화에 따라 보일러 내부의 국부적인 유동이 달라지고, 이에 따라 가스 유속이 높아지는 부위에서 국부적으로 심각한 마모현상이 발생되는데, 이렇게 국부적으로 발생되는 현상을 사전에 예측하기에는 많은 어려움이 있다.
본 발명은 발전용 보일러의 운전 조건 및 탄종의 변화에 따라 보일러 내부의 국부적인 마모 경향을 실시간으로 예측하는 발전용 보일러 튜브의 마모 예측 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 보일러 튜브의 마모 예측 시스템은, 발전소에서 현재 연소하는 연료의 성상에 대한 정보를 제공하고, 상기 연료 성상에 대한 정보를 이용하여 계산된 연료 자체의 마모 경향 지수(index)를 저장하는 연료 성상 데이터 베이스, 상기 연료 성상 데이터 베이스로부터 제공 받은 정보와 상기 발전소의 운전 데이터를 입력값으로 하여, 보일러 고온부의 상태 정보를 계산하는 운전 데이터 연계 연소 해석 장치, 상기 보일러의 각 단면에 대하여 측정한 보일러 내부의 국부 유속 분포 데이터를 저장하는 냉간 유동 분포 측정 데이터 베이스, 상기 보일러 고온부의 상태 정보 및 상기 보일러 내부의 국부 유속 분포 데이터를 이용하여, 상기 보일러의 각 단면들에 대한 국부 위치별 실제 유속을 산출하는 실제 국부 유속 계산 장치, 및 상기 마모 경향 지수, 상기 보일러 고온부의 상태 정보, 및 상기 보일러 내부의 국부 유속 분포 데이터를 이용하여, 상기 보일러의 각 단면들에 대한 국부 위치별 마모 경향을 예측하는 보일러 국부 마모 예측 장치를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 보일러 튜브의 마모 예측 방법은 발전소에서 현재 연소하는 연료의 성상에 대한 정보를 이용하여 연료 자체의 마모 경향 지수를 산출하는 단계, 상기 연료의 성상에 대한 정보와 상기 발전소의 운전 데이터를 입력값으로 하여 보일러 고온부의 상태 정보를 계산하는 단계, 상기 보일러의 각 단면에 대하여 측정한 보일러 내부의 국부 유속 분포 데이터를 취득하는 단계, 상기 보일러 고온부의 상태 정보 및 상기 보일러 내부의 국부 유속 분포 데이터를 이용하여, 상기 보일러의 각 단면들에 대한 국부 위치별 실제 유속을 산출하는 단계, 및 상기 마모 경향 지수, 상기 보일러 고온부의 상태 정보, 및 상기 보일러 내부의 국부 유속 분포 데이터를 이용하여, 상기 보일러의 각 단면들에 대한 국부 위치별 마모 경향을 예측하는 단계를 포함한다.
본 발명의 발전용 보일러 튜브의 마모 예측 시스템 및 방법에 따르면, 발전용 보일러의 운전 조건 및 탄종의 변화에 따라 보일러 내부의 국부적인 마모 경향을 실시간으로 예측하여 발전소의 불시 정지 및 막대한 정비 비용 지출을 저감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발전용 보일러 튜브의 마모 예측 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발전용 보일러 튜브의 마모 예측 시스템의 계통도를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발전용 보일러 튜브의 마모 예측 시스템에 있어서 계산에 적용하는 운전 데이터의 포인트를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 냉간 유동 분포 측정 데이터 베이스를 구축하는 방법에 대한 도면이다.
도 5는 본 발명의 냉간 유동 분포 측정 데이터 베이스의 국부 유속 분포의 정규화(normalizing) 결과의 예시를 나타내는 도면이다.
도 6은 보일러의 각 단면별 실제 국부 유속의 계산 방법을 나타내는 도면이다.
도 7은 보일러 국부 마모 예측 장치 및 그 입력을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 발전용 보일러 튜브의 마모 예측 방법에 대한 흐름도이다.
도 9는 보일러의 국부 마모 예측 요약 결과의 예시를 나타낸다.
도 10은 보일러의 특정 단면에 대한 국부 마모 예측 결과의 예시를 나타낸다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 발전용 보일러 튜브의 마모 예측 시스템 및 방법을 적용하여 예측한 마모 경향과 정밀 육안 점검을 시행하여 확인한 실제 마모 경향을 비교한 결과를 나타낸다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시 예들에 대해 상세히 설명하고자 한다. 본 문서에서 도면상의 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
본 문서에 개시되어 있는 본 발명의 다양한 실시 예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 다양한 실시 예들은 여러 가지 형태로 실시될 수 있으며 본 문서에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
다양한 실시 예에서 사용된 "제1", "제2", "첫째", 또는 "둘째" 등의 표현들은 다양한 구성요소들을, 순서 및/또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 해당 구성 요소들을 한정하지 않는다. 예를 들면, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성 요소로 바꾸어 명명될 수 있다.
본 문서에서 사용된 용어들은 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 다른 실시 예의 범위를 한정하려는 의도가 아닐 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 동일 또는 유사한 의미를 가지는 것으로 해석될 수 있으며, 본 문서에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 경우에 따라서, 본 문서에서 정의된 용어일지라도 본 발명의 실시 예들을 배제하도록 해석될 수 없다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발전용 보일러 튜브의 마모 예측 시스템(1)의 구성을 나타내는 도면이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발전용 보일러 튜브의 마모 예측 시스템의 계통도를 나타낸다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 발전용 보일러 튜브의 마모 예측 시스템은 연료 성상 데이터 베이스(10), 운전 데이터 연계 연소 해석 장치(20), 냉간 유동 분포 측정 데이터 베이스(30), 실제 국부 유속 계산 장치(40), 및 보일러 국부 마모 예측 장치(50)를 포함한다.
연료 성상 데이터 베이스(10)는 발전소에서 현재 연소하는 연료에 대한 공업 분석, 원소 분석, 발열량 및 회성상에 대한 정보를 저장하여 필요할 때 외부로 제공한다. 또한, 회성상에 대한 정보를 이용하여 일반적인 연료 자체의 마모 경향 지수를 계산한다.
운전 데이터 연계 연소 해석 장치(20)는 연료 성상 데이터 베이스(10)로부터 제공 받은 연료 성상 데이터와 발전소의 실시간 운전 정보 시스템으로부터 제공받은 운전 데이터들을 입력값으로 하여, 자동 연소 해석을 수행한다. 상술한 발전소 실시간 운전 정보 시스템으로부터 제공받은 운전 데이터의 예시로는 각 전열면 입출구의 스팀 온도, 압력, 유량 및 보일러 출구의 가스 온도, 산소 농도, 회분 질량 플럭스(ash mass flux)가 있다. 특히, 연소 해석을 통해 각 전열면 입출구의 가스 온도 및 유량을 계산함으로써, 운전 중에는 계측이 불가능한 보일러 고온부 가스 측의 실제 상태를 알아낼 수 있다.
냉간 유동 분포 측정 데이터 베이스(30, 60)는 보일러 내부의 각 단면에 대하여 측정한 보일러 내부의 국부 유속 데이터를 저장한다. 보일러 내부의 유속 데이터는 발전소 정지 중에 상온의 미리 설정된 수치 이하의 낮은 유량 조건에서 측정될 수 있다. 또한, 측정된 국부 유속 데이터는 정규화 처리하여 특정 단면에 대한 국부 유속 분포 데이터를 산출할 수 있다.
실제 국부 유속 계산 장치(40)는 운전 데이터 연계 연소 해석 장치(20)에서 제공받은 보일러 각 단면별 평균 유속에 대한 데이터와 냉간 유동 분포 측정 데이터 베이스(30)에서 제공받은 보일러 내부의 국부 유속 분포 데이터를 이용하여, 보일러의 각 단면들에 대한 국부 위치별 실제 유속을 산출한다.
보일러 국부 마모 예측 장치(50)는 연료 성상 데이터 베이스(10)에서 계산된 마모 경향 지수, 운전 데이터 연계 연소 해석 장치(20)에서 제공받은 회분의 질량 플럭스 및 실제 국부 유속 계산 장치(40)에서 제공 받은 국부 위치별 실제 유속 데이터를 이용하여, 상기 보일러의 각 단면들에 대한 국부 위치별 마모 경향을 예측한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발전용 보일러 튜브의 마모 예측 시스템에 있어서 계산에 적용하는 운전 데이터의 포인트를 나타낸다.
발전소의 일반적인 운전 데이터들은 위치 및 조건에 따라 높은 불확실성을 포함하며, 특히 보일러 고온부의 연소 가스 온도 및 유량은 계측이 불가하여 정확한 운전값을 알기가 어렵다.
반면, 보일러에 유입되는 급수의 유량(310) 및 전열면 각 부위의 입출구 증기 온도 및 압력(320)은 신뢰도 높게 측정이 가능하다. 또한, 보일러 출구의 가스 측 온도 및 산소 농도(330) 역시 신뢰도 높게 측정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 운전 데이터 연계 연소 해석 장치는 신뢰도가 확보된 스팀 측의 운전 데이터, 즉 보일러에 유입되는 급수의 유량(310), 각 전열면 입출구 스팀 온도, 압력 및 유량(320), 보일러 출구 가스 온도, 산소 농도(330) 및 연료 성상을 기반으로, 기존의 방법으로는 계측이 불가능한 가스 측 온도, 유량, 조성 및 전열량 등을 역계산할 수 있도록 한다. 즉, 신뢰도가 높은 최소한의 운전 데이터만을 이용하여 연소 해석을 수행할 수 있다.
보일러의 각 전열면 위치별 가스 온도는 보일러 출구의 가스 온도 및 유량 계산값을 기초로 열량을 계산한 후, 각각의 전열면의 증기측에서 흡수한 열량을 순차적으로 보정하는 방법을 적용하며, 이러한 접근 방법은 측정이 불가능한 고온부 단면의 평균 가스 온도를 실질적으로 알아낼 수 있도록 한다.
도 4는 본 발명의 냉간 유동 분포 측정 데이터 베이스를 구축하는 방법에 대한 도면이다.
도 4의 410을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉간 유동 분포 측정 데이터 베이스는 발전소 정지 중 상온에서 보일러의 송풍기만 가동한 상태에서 보일러의 주요 전열면들에 대해 측정 단면을 선정한 후, 단면 내의 위치들에 대해 유속을 측정한다. 측정하고자 하는 데이터는 상대적인 유동 분포이므로, 송풍기의 유량은 정상 운전시의 유량보다 적어도 무관하다.
한편, 도 4의 420은 냉간 유동 분포의 측정시 속도 센서 프로브의 위치를 나타낸 것으로서, 각 전열면의 가스 유동과 만나는 첫번째 튜브들의 중심선 부위를 기준으로 측정한다.
또한, 도 4의 430은 특정 단면에 대한 냉간 유동 분포 측정의 위치 선정 및 시트에 대한 예시를 나타낸다. 측정 대상의 단면에서의 유동 측정 위치는 보일러의 전-후 및 좌-우 벽면 주변은 촘촘하게 선정하는 것이 효과적이다. 따라서, 각각의 위치 (i, j) 측정 포인트가 점유하는 셀의 면적이 다르게 되므로, 다음 단계에서 냉간 유동 분포 측정 데이터를 정규화 할 때, 각각의 셀들의 면적을 고려하여 가중치를 부여한다.
도 5는 본 발명의 냉간 유동 분포 측정 데이터 베이스의 국부 유속 분포의 정규화 결과의 예시를 나타내는 도면이다.
냉간 유동 분포 측정 데이터의 정규화는 도 4에서 상술한 바와 같이, 특정 단면에 대해 상온에서 측정된 국부 위치별 유속 측정 결과를 2차원 평면 상의 위치 (i, j) 및 측정 포인트의 셀 크기 정보와 함께 기록하고, 각각의 위치에 대한 유속 데이터를 '행과 열의 가중평균 계산'과 '단면의 가중평균 계산'을 통해 이루어진다.
먼저, 행과 열의 가중평균 계산은 다음과 같은 식에 의해 수행된다.
Figure PCTKR2018001419-appb-I000001
Vj: 셀의 좌우 치수를 고려한 j행 가중평균 속도
Vi,j: i열의 개별 셀 속도 측정값
Wi,j: i열에 있는 셀의 좌우 치수
WT: 평가 대상 단면의 보일러 좌우 치수
Figure PCTKR2018001419-appb-I000002
Vi: 셀 전후 치수를 고려한 i열 가중평균 속도
Vi,j: j행의 개별 셀 속도 측정값
li,j: j행의 전후 셀 치수
LT: 평가대상 단면의 보일러 전후 치수
한편, 단면의 가중평균 계산은 다음과 같은 식에 의해 수행된다.
Figure PCTKR2018001419-appb-I000003
VPj: j행 평균값에 근거한 평면 단균 가중 속도
Vj: j행 평균 가중 속도
li,j: j행의 전후 셀 치수
LT: 평가대상 단면의 보일러 전후 치수
Figure PCTKR2018001419-appb-I000004
VPi: i열 평균값에 근거한 단면 평균 가중 속도
Vi: i열 평균 가중 속도
wi,j: i열의 좌우 치수
WT: 캐비티의 좌우 치수
최종적으로, 다음의 식을 통해 개별 셀의 정규화 된 속도를 구할 수 있다.
Figure PCTKR2018001419-appb-I000005
Vni,j: i, j셀의 정규화 속도
Vi,j: 개별 셀 속도 측정값
Vp: 평면 평균 가중 속도
상기와 같은 과정을 통해, 도 5에 나타난 바와 같이 보일러의 특정 단면에 대한 국부 유속 분포의 정규화 결과를 얻을 수 있다.
도 6은 보일러의 각 단면별 실제 국부 유속의 계산 방법을 나타내는 도면이다.
상술한 바와 같이, 보일러의 각 단면별 실제 국부 유속 계산은 운전 데이터 연계 연속 장치로부터 제공되는 보일러 각 단면별 평균 유속 데이터(610)와 냉간 유동 분포 측정 데이터 베이스에서 제공되는 각 단면별 국부 유속 분포 데이터(620)를 이용하여 수행된다.
구체적인 계산 식(630)은 다음과 같다.
Figure PCTKR2018001419-appb-I000006
VOi,j: i, j셀에 대한 실제 가스 유속
Vni,j: i, j에 대해 정규화 된 가스 유속
Figure PCTKR2018001419-appb-I000007
: 단면 평균 가스 유속
상기와 같은 식을 통해 보일러 튜브의 각 단면에 대한 실제 국부 유속(640)을 계산할 수 있으며, 이는 후술하는 바와 같이 보일러의 국부 마모를 예측하는 데 입력값으로서 사용된다.
도 7은 보일러 국부 마모 예측 장치 및 그 입력을 나타내는 도면이다.
상술한 바와 같이, 보일러 국부 마모 예측 장치(50)는 연료 성상 데이터 베이스(10)로부터의 마모 경향 지수(자세한 수식은 후술함)와, 운전 데이터 연계 연소 해석 장치(20)로부터의 회분 질량 플럭스와, 실제 국부 유속 장치(40)로부터의 보일러 각 단면의 국부 위치별 실제 유속을 입력으로 하여, 하기 식에 따라 보일러 내부 각 단면들에 대해 국부 위치별 마모 경향을 예측한다.
Figure PCTKR2018001419-appb-I000008
ERi,j: i,j 위치에서 마모율
a, b: tuning factor
mi,j: i,j 위치에서 ash mass flux
Vi,j: i,j 위치에서 속도
n: 속도 상수
한편, 계산에 필요한 입력으로서, 연료 성상 데이터 베이스로부터 제공받은 연료 자체의 마모 경향 지수 데이터는 다음과 같은 식에 의해 얻을 수 있다.
Figure PCTKR2018001419-appb-I000009
Figure PCTKR2018001419-appb-I000010
qc: 석탄 내 석영 함유량 (wt%)
pc: 석탄 내 파일라이트 함유량 (wt%)
Ac: 석탄 내 회분 함유량 (wt%)
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 발전용 보일러 튜브의 마모 예측 방법에 대한 흐름도이다.
도 8을 참조하면, 먼저, 발전소에서 현재 연소하는 연료의 성상에 대한 정보를 제공하고, 회성상 자료를 이용하여 연료 자체의 마모 경향 지수를 계산한다(S10).
다음으로, 연료 성상 데이터 베이스로부터 제공 받은 연료 성상 정보와 발전소의 실시간 운전 정보 시스템으로부터 제공받은 운전 데이터를 입력값으로 하여, 회분의 질량 플럭스 및 보일러의 각 단면별 평균 유속을 계산한다(S20).
보일러의 각 단면에 대하여 측정한 보일러 내부의 국부 유속 데이터를 저장한 후, 해당 국부 유속 분포에 대하여 정규화 처리를 실시한다(S30).
단계 S20 및 단계 S30에서 각각 산출한 보일러의 각 단면별 평균 유속 및 보일러 내부의 국부 유속 분포 데이터를 이용하여, 보일러의 각 단면들에 대한 국부 위치별 실제 유속을 산출한다(S40).
단계 S10에서 계산한 마모 경향 지수, 단계 S20에서 계산한 회분의 질량 플럭스, 및 보일러 내부의 각 단면들에 대한 국부 위치별 실제 유속을 이용하여, 보일러의 각 단면들에 대한 국부 위치별 마모 경향을 예측한다(S50).
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 발전용 보일러 튜브의 마모 예측 시스템 및 방법에 의하면 발전용 보일러의 운전 조건 및 탄종의 변화에 따라 보일러 내부의 국부적인 마모 경향을 실시간으로 예측하여 발전소의 불시 정지 및 막대한 정비 비용 지출을 저감할 수 있다.
도 9는 보일러의 국부 마모 예측 요약 결과의 예시를 나타내며, 도 10은 보일러의 특정 단면에 대한 국부 마모 예측 결과의 예시를 나타낸다.
도 9와 도 10을 참조하면, 2차원 및 3차원 그래프의 가로축은 실제 보일러 단면의 국부 위치를 나타내며, 세로축은 단면의 국부 위치에 따라 마모가 일어나는 정도를 나타낸다. 특히, 특정 단면에 대한 국부 마모 예측 결과를 살펴보면, 보일러 튜브의 가장 자리 부분에서 마모가 강하게 일어나는 경향을 나타냄을 확인할 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 발전용 보일러 튜브의 마모 예측 시스템 및 방법을 적용하여 예측한 마모 경향과 정밀 육안 점검을 시행하여 확인한 실제 마모 경향을 비교한 결과를 나타낸다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 발전용 보일러 튜브의 마모 예측 시스템을 통해 예측한 마모 경향과 발전소 정지중 직접 정밀 육안 점검을 시행하여 확인한 실제의 마모 경향이 매우 유사한 결과로 나타남을 확인할 수 있다.
이를 통해, 본 발명의 일 실시예에 따른 발전용 보일러 튜브의 마모 예측 시스템 및 방법에 의하면, 석탄 화력 보일러의 고질적 문제점인 보일러 튜브의 국부적인 마모 경향을 예측할 수 있음을 확인할 수 있다. 따라서 보일러 튜브의 마모 취약 부위 및 국부적 마모현상을 사전에 예측하고 보강할 수 있게함으로써 발전소의 불시 정지 및 막대한 정비 비용 지출을 저감할 수 있다. 또한, 각종 운전 변수 및 연료성상에 따른 마모 경향을 비교 분석할 수 있기 때문에 마모 예방 측면의 최적 운전 방안을 도출하는데 활용할 수 있다
이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다.
또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (14)

  1. 발전소에서 현재 연소하는 연료의 성상에 대한 정보를 제공하고, 상기 연료 성상에 대한 정보를 이용하여 계산된 연료 자체의 마모 경향 지수(index)를 저장하는 연료 성상 데이터 베이스;
    상기 연료 성상 데이터 베이스로부터 제공 받은 정보와 상기 발전소의 운전 데이터를 입력값으로 하여, 보일러 고온부의 상태 정보를 계산하는 운전 데이터 연계 연소 해석 장치;
    상기 보일러의 각 단면에 대하여 측정한 보일러 내부의 국부 유속 분포 데이터를 저장하는 냉간 유동 분포 측정 데이터 베이스;
    상기 보일러 고온부의 상태 정보 및 상기 보일러 내부의 국부 유속 분포 데이터를 이용하여, 상기 보일러의 각 단면들에 대한 국부 위치별 실제 유속을 산출하는 실제 국부 유속 계산 장치; 및
    상기 마모 경향 지수, 상기 보일러 고온부의 상태 정보, 및 상기 보일러 내부의 국부 유속 분포 데이터를 이용하여, 상기 보일러의 각 단면들에 대한 국부 위치별 마모 경향을 예측하는 보일러 국부 마모 예측 장치를 포함하는 보일러 튜브의 마모 예측 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료 성상에 대한 정보는 현재 연소하는 연료에 대한 공업 분석, 연소 분석, 발열량 및 회성상에 대한 정보를 포함하고,
    상기 연료의 마모 경향 지수는 상기 회성상 자료를 이용하여 계산하는 보일러 튜브의 마모 예측 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 보일러 고온부의 상태 정보는 회분(ash)의 질량 플럭스(mass flux) 및 보일러의 각 단면별 평균 유속을 포함하는 보일러 튜브의 마모 예측 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 보일러 고온부의 상태 정보는 발전소 실시간 운전 정보 시스템으로부터 제공받는 보일러 튜브의 마모 예측 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 운전 데이터는 각 전열면 입출구 스팀 온도, 압력, 유량, 보일러 출구 가스 온도, 및 산소 농도를 포함하는 보일러 튜브의 마모 예측 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 보일러 내부의 국부 유속 분포 데이터는 상기 보일러의 각 단면에 대하여 발전소의 정지중에 상온의 미리 설정된 유량 이하의 조건에서 측정하는 보일러 튜브의 마모 예측 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 단면별 냉간 유동 분포 데이터 베이스는 상기 보일러 내부의 국부 유속 분포 데이터를 정규화(normalizing) 처리한 자료를 저장하는 보일러 튜브의 마모 예측 시스템.
  8. 발전소에서 현재 연소하는 연료의 성상에 대한 정보를 이용하여 연료 자체의 마모 경향 지수를 산출하는 단계;
    상기 연료의 성상에 대한 정보와 상기 발전소의 운전 데이터를 입력값으로 하여 보일러 고온부의 상태 정보를 계산하는 단계;
    상기 보일러의 각 단면에 대하여 측정한 보일러 내부의 국부 유속 분포 데이터를 취득하는 단계;
    상기 보일러 고온부의 상태 정보 및 상기 보일러 내부의 국부 유속 분포 데이터를 이용하여, 상기 보일러의 각 단면들에 대한 국부 위치별 실제 유속을 산출하는 단계; 및
    상기 마모 경향 지수, 상기 보일러 고온부의 상태 정보, 및 상기 보일러 내부의 국부 유속 분포 데이터를 이용하여, 상기 보일러의 각 단면들에 대한 국부 위치별 마모 경향을 예측하는 단계를 포함하는 보일러 튜브의 마모 예측 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 연료 성상에 대한 정보는 현재 연소하는 연료에 대한 공업 분석, 연소 분석, 발열량 및 회성상에 대한 정보를 포함하고,
    상기 연료의 마모 경향 지수는 상기 회성상 자료를 이용하여 계산하는 보일러 튜브의 마모 예측 방법.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 보일러 고온부의 상태 정보는 회분의 질량 플럭스 및 보일러의 각 단면별 평균 유속을 포함하는 보일러 튜브의 마모 예측 방법.
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 보일러 고온부의 상태 정보는 발전소 실시간 운전 정보 시스템으로부터 제공받는 단계를 더 포함하는 보일러 튜브의 마모 예측 방법.
  12. 청구항 8에 있어서,
    상기 운전 데이터는 각 전열면 입출구 스팀 온도, 압력, 유량, 보일러 출구 가스 온도, 및 산소 농도를 포함하는 보일러 튜브의 마모 예측 방법.
  13. 청구항 8에 있어서,
    상기 보일러 내부의 국부 유속 분포 데이터는 상기 보일러의 각 단면에 대하여 발전소의 정지중에 상온의 미리 설정된 유량 이하의 조건에서 측정하는 단계를 더 포함하는 보일러 튜브의 마모 예측 방법.
  14. 청구항 8에 있어서,
    상기 보일러 내부의 국부 유속 분포 데이터를 정규화 처리하는 단계를 더 포함하는 보일러 튜브의 마모 예측 방법.
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