KR102531894B1

KR102531894B1 - 고급 제어 및 최적화 기술을 이용한 통합형 코크스 플랜트 자동화 및 최적화

Info

Publication number: KR102531894B1
Application number: KR1020177021650A
Authority: KR
Inventors: 존 프란시스 퀀시; 파르타새러티 케사반; 잭 지글러; 카티에 러쎌; 마이크 므흘바이어; 락샥 칸나; 샬라 에바트; 피터 춘; 밀로스 캐플라빅
Original assignee: 선코크 테크놀러지 앤드 디벨로프먼트 엘엘씨
Priority date: 2015-01-02
Filing date: 2016-01-04
Publication date: 2023-05-11
Also published as: EP3240862A1; CA2973243A1; EP3240862A4; BR112017014428A2; BR112017014428B1; CA2973243C; WO2016109854A1; KR20170103857A; CN107922846B; US11788012B2; CN107922846A; US20210163823A1

Abstract

본 기술은, 일반적으로, 코킹 속도(coking rate), 생성물 회수, 부산물 및/또는 단위 석회 소비(unit lime consumption)를 최적화시키기 위해 코크스 플랜트에서의 코크스 오븐의 통합 제어에 관한 것이다. 최적화 목적은, 제어 변수에 영향을 주는 제약 사항(constraint) 및 시스템 외란에 종속하는 사용 가능한 핸들(조작 변수로 칭함)을 조작하는 것에 의해 소정의 변수(제어 변수로 칭함)를 제어하는 것을 통해 달성된다.

Description

고급 제어 및 최적화 기술을 이용한 통합형 코크스 플랜트 자동화 및 최적화

관련 출원에 대한 상호 참조

본 출원은 2015년 1월 2일자로 출원된 미국 특허 가출원 제62/099,383호에 대한 우선권의 이익을 주장하는데, 상기 가출원의 개시내용은 참조에 의해 그 전체가 본원에 통합된다.

기술 분야

본 기술은, 일반적으로, 코킹 속도(coking rate), 생성물 회수, 부산물 및/또는 단위 석회 소비(unit lime consumption)를 최적화시키기 위한 코크스 플랜트(coke plant)에서의 코크스 오븐(coke oven)의 통합 제어에 관한 것이다.

철강은 세계 경제의 중요한 부분이다. 세계 철강 협회(World Steel Association)는 2013년 고로(blast furnace)에 의해 전 세계적으로 11억톤의 원료 철(raw iron)이 생산되었다고 보고하였다. 이 프로세스는 코크스와 철광석을 주 원료로 사용한다. 코크스는 강철의 생산시 철광석을 녹이고 환원시키는 데 사용되는 고체의 탄소 연료 및 탄소 공급원이다. 코크스는, 역청탄(bituminous coal)의 적절히 선택되어 준비된 혼합물을 공기가 없는 상태에서 시간의 적절한 기간 동안 코크스 오븐의 고온에 노출시키는 것에 의해 생성된다. 전체적인 전환 동안, 휘발성 가스, 증기 및 타르가 장입물(charge)로부터 배출된다. 환원 코크스 오븐 분위기(reducing coke oven atmosphere)에서 장입물의 온도가 증가함에 따라, 점결탄(coking coal)은 플라스틱 또는 연화 단계를 거치며, 가스 및 타르가 방출되고, 석탄 입자는 팽창 및 수축하고 그 다음 다시 함께 결합되어 반 코크스(semi coke)로 그리고 마침내 약 1830 화씨에서 코크스로 재응고된다. 점결탄은 가열시 이러한 비정상적인 거동에 대해 고유하다. 석탄은 장입될(charged) 때 고체이며, 다양한 정도의 유체가 되고, 온도가 더 상승하면, 코크스로 알려진 고체의 단단한 다공성 물질이 된다. 코크스는 다공성의 검은색 내지 은회색의 물질이다. 그것은 탄소 함량이 높고 유황 및 회분과 같은 비탄소 불순물이 적다. 물리적으로, 생성되는 코크스는 강하고, 내마모성이 있으며, 좁은 사이즈 범위에 걸치도록 사이즈가 정해진다.

가열 프로세스 동안 석탄 입자가 겪는 용융 및 융합 프로세스는 코킹의 중요한 부분이다. 석탄 입자의 용융의 정도 및 용융괴(molten mass)로의 동화(assimilation)의 정도는, 생성되는 코크스의 특성을 결정한다. 특정한 석탄 또는 석탄 혼합물로부터 가장 강한 코크스를 생성하기 위해서는, 석탄에서 반응성 물질 대 불활성 물질의 최적의 비율이 존재한다. 코크스의 다공성 및 강도는 광석 정제 프로세스에 대해 중요하며 석탄 공급원(coal source) 및/또는 코킹의 방법에 의해 결정된다.

석탄 입자 또는 석탄 입자의 혼합물은 뜨거운 오븐에 장입되고, 석탄은 결과적으로 나타나는 코크스로부터 휘발성 물질(volatile matter; "VM")을 제거하기 위해 오븐에서 가열된다. 코킹 프로세스는 오븐 설계, 석탄의 타입 및 사용되는 전환 온도에 크게 좌우된다. 전형적으로, 석탄의 각각의 장입물이 대략 동일한 시간의 양에서 코크스로 변하도록(coked out), 오븐은 코크스 프로세스 동안 조정된다. 일단 석탄이 "코크스로 변하면(coked out)" 또는 완전히 코크스로 되면(coked), 코크스는 오븐에서 제거되고 물로 냉각되어(quenched) 그것을 점화 온도 이하로 냉각한다. 대안적으로, 코크스는 불활성 가스로 건식 냉각된다. 코크스가 너무 많은 수분을 흡수하지 않도록, 냉각 동작은 주의 깊게 조정되어야 한다. 일단 냉각되면, 코크스는, 출하를 위해, 선별되어 레일 차량, 트럭, 또는 벨트 컨베이어에 적재된다.

야금 석탄("점결탄")을 형성하기에 적합한 석탄의 공급원이 감소함에 따라, 약한 또는 저급 석탄("비점결탄(non-coking coal)")을 점결탄과 혼합하여 오븐에 적합한 석탄 장입물을 제공하려는 시도가 있어 왔다. 비점결탄 및 점결탄을 결합하는 하나의 방식은 압축되거나 틀로 찍어 만든 석탄(stamp-charged coal)을 사용하는 것이다. 석탄은 오븐에 넣기 전이나 또는 후에 압축될 수도 있다. 일부 실시형태에서, 코크스 제조 프로세스에서 비점결탄을 사용하기 위해, 비점결탄 및 점결탄의 혼합물은 입방 피트당 50 파운드 이상으로 압축된다. 석탄 혼합물에서의 비점결탄의 비율이 증가함에 따라, 석탄 압축의 수준이 더 높아진다(예를 들면, 입방 피트당 최대 약 65 ~ 75 파운드). 상업적으로, 석탄은 전형적으로 약 1.15 내지 1.2 비중(specific gravity; sg) 또는 입방 피트당 약 70-75 파운드로 압축된다.

석탄이 선택, 준비 및 결합되는 방식은, 생성되는 코크스의 성질(property)에 크게 영향을 끼친다. 석탄은, 최적의 레벨로 분쇄하는 것에 의해 사이즈가 감소되어야 하고, 그 다음, 사용 가능한 석탄으로 획득 가능한 최대 코크스 품질을 촉진할 석탄 입자의 양호한 분포를 보장하기 위해 철저히 혼합되어야 한다. 북아메리카에서는, 코크스 제조 업체는 일반적으로 그들의 석탄 또는 혼합물을 1/8"에서 감한(minus) 75% 내지 95% 사이즈까지 분쇄한다. 석탄이 분쇄되는 사이즈는, 일반적으로 분쇄 레벨로 칭해지는 1/8"에서 감한 %(% minus 1/8")로 표현된다. 사이즈 제어 이외에도, 벌크 밀도가 제어되어야 한다. 높은 벌크 밀도는 하드 푸싱(hard-pushing)을 야기할 수 있고 부산물인 코크스 오븐의 코크스 오븐 벽을 손상시킬 수 있다. 낮은 벌크 밀도는 생성되는 코크스의 강도를 감소시킬 수 있다.

두 가지 코크스 오븐 기술, 즉 부산물인 코크스 오븐과 열 회수 코크스 오븐이 업계를 지배한다. 미국에서 생산되는 코크스의 대부분은 부산물인 오븐 배터리(oven battery)로부터 발생한다. 이 기술은 석탄을 다수의 슬롯 타입 오븐에 장입하는데, 여기서 각각의 오븐은 인접한 오븐과 공통된 가열 연도(heating flue)를 공유한다. 오븐에 열을 공급하기 위해, 천연 가스 및 기타 연료가 사용된다. 석탄은 양압(대기압보다 높음) 하에서 환원 분위기에서 탄화되고, 방출하는 가스 및 타르(배출 가스)는 수집되어 다양한 부산물이 회수되는 부산물 플랜트로 전송된다. 열이 가열된 벽돌 벽으로부터 석탄 장입물로 전달되면, 부산물 오븐에서의 석탄에서 코크스로의 전환이 발생한다. 석탄은 분해되어 각각의 벽 근처에서 플라스틱 층을 형성하고 이들 층은 오븐의 중심 쪽으로 진행한다. 일단 플라스틱 층이 오븐의 중심에서 만나면, 전체 덩어리가 탄화된다.

대안적으로, 열 회수, 비회수(non-recovery), 또는 벌집형 오븐 기술을 사용하여, 음압(대기압보다 낮음) 하에서 동작되는 대형 오븐 챔버에 석탄이 장입된다. 탄화 프로세스는 복사 열전달에 의해 상부에서부터 그리고 하부 플로어(sole floor)를 통한 열 전도에 의해 바닥으로부터 발생한다. 1차 연소 공기는 장입물 레벨 위에 위치되는 여러 포트를 통해 오븐 챔버 안으로 유입된다. 방출하는 가스 및 타르는 오븐의 상부 챔버 및 하부에서 연소되고 코킹 프로세스를 위한 열을 제공한다. 열 회수 오븐에서, 연소된 가스의 과잉(excess) 열에너지는 폐열 회수 증기 발생기에서 회수되어 증기 또는 동력으로 전환된다. 열 회수, 비회수 및 벌집형 오븐에서의 석탄에서 코크스로의 전환은, 열이 가열된 벽돌 바닥으로부터 또는 복사열이 석탄층(coal bed)의 상부로부터 석탄 장입물로 전달될 때 발생한다. 석탄은 분해되어 벽 및 석탄층의 상부 근처에서 플라스틱 층을 형성하고 이들 층은 오븐의 중심 쪽으로 진행한다. 일단 플라스틱 층이 오븐의 중심에서 만나면, 전체 덩어리가 탄화된다.

부산물과 열 회수 오븐 둘 모두에서의 석탄층의 중심으로의 플라스틱 층의 이동 속도는, 석탄층의 전도성 열 전달 속도에 의해 제한된다. 석탄 화학 및 층 밀도는, 궁극적으로 오븐 사이클 시간 및 배터리 생성 용량을 설정하는 열 전달률에 큰 영향을 끼친다. 부산물 오븐은 일반적으로 장입당 17 시간 내지 24 시간 사이의 사이클 시간을 갖는다. 열 회수 오븐은 일반적으로 장입당 24 시간 내지 48 시간 사이의 사이클 시간을 갖는다.

오븐에 대한 석탄 장입물의 부피 밀도를 높이기 위한 일반적인 방법은, 스탬프 장입(stamp charging)으로 알려진 기계적 수단에 의해 장입되기 이전 또는 이후에 석탄층을 압축하는 것이다. 스탬프 장입 방법이 석탄 장입물의 전반적인 벌크 밀도를 성공적으로 증가시킬 수 있지만, 압축을 수행하기 위해 고가의 기기를 필요로 한다. 열 회수 오븐에서는, 스탬프 장입 방법은, 빽빽이 압축된 입자가 느슨하게 압축된 층보다 휘발성 물질을 더 느리게 방출하기 때문에, 더 긴 탄화 사이클로 나타나게 된다. 동시에, 스탬프 장입의 더 높은 밀도는 향상된 코크스 품질로 이어진다. 이를 통해, 보다 높은 코크스 품질 및 저비용, 저급의 석탄을 대체하는 옵션을 달성할 수 있다. 미국에서는, 고품질의 저비용 석탄이 풍부하다. 풍부한 저비용, 고품질의 석탄과 스탬프 차저(stamp charger)를 설치하는 고비용은, 미국에서 활용되고 있지 않는 스탬프 차저로 이어졌다. 스탬프 장입 없이 석탄 밀도를 향상시키는 임의의 저렴한 방법은, 미국에서 코크스 품질을 개선하고 어쩌면 더 저렴한 석탄 또는 석탄 대체물을 사용할 적용법을 갖게 될 것이다.

도 1은, 본 개시내용의 양태에 따른, 수평 열 회수 코크스 플랜트(horizontal heat recovery coke plant)의 개략적인 프로세스 흐름도이다.
도 2는, 본 개시내용의 양태에 따른, 1차 공기용 도어 구멍(door hole)을 갖는 수평 열 회수 코크스 오븐의 예시적인 배치를 예시한다.
도 3은, 본 개시내용의 양태에 따른, 오븐의 크라운 섹션(crown section)에 1차 공기를 제공하기 위한 도어 구멍 대 상부 공기 구성이다.
도 4는, 하류 동작이 있는 100개 오븐 플랜트의 개략도이다. 본 개시내용의 양태에 따른 비상 배기 스택(emergency vent stack; EVS) 제어 통풍 스킴(control draft scheme)이 도시된다.
도 5는, 가스 공유 터널 및 하류 동작을 갖는 100개 오븐 플랜트의 개략도이다. 본 개시내용의 양태에 따른 비상 배기 스택 제어 통풍 스킴이 도시된다.
도 6은, 본 개시내용의 양태에 따른, 제어 스킴(control scheme) H4를 사용한 열 회수 증기 발생기(heat recovery steam generator; HRSG) 트립 동안의 스택 압력 반응이다.
도 7a 및 도 7b는, 본 개시내용의 양태에 따른, #7 HRSG가 셧다운될 때 전이 응답에서 제어 스킴 H3 및 H4를 사용한 열 회수 증기 발생기 트립 동안의 스택 압력 응답을 예시한다.
도 8은, 본 개시내용의 양태에 따른, #8 HRSG가 셧다운될 때 전이 반응에서 제어 스킴 H4를 사용한 열 회수 증기 발생기(HRSG) 트립 동안의 스택 압력 반응을 예시한다.
도 9는, 본 개시내용의 양태에 따른, #9 HRSG가 셧다운될 때 전이 응답에서 제어 스킴 H4를 사용한 열 회수 증기 발생기 트립 동안의 스택 압력 응답을 예시한다.
도 10은, 본 개시내용의 양태에 따른, #10 HRSG가 셧다운될 때 전이 응답에서 제어 스킴을 사용한 열 회수 증기 발생기 트립 동안의 스택 압력 응답을 예시한다.
도 11은, 본 개시내용의 양태에 따른, 상부 공기 구성을 갖는 단일 루프 제어 스킴 1의 개략도이다.
도 12는, 본 개시내용의 양태에 따른, 크라운 설정치 궤적(crown set point trajectory)의 예이다.
도 13은, 본 개시내용의 양태에 따른, 하부 연도 설정치 궤적(sole flue set point trajectory)의 예이다.
도 14는, 본 개시내용의 양태에 따른, 크라운 통풍 설정치 궤적의 예이다.
도 15는, 본 개시내용의 양태에 따른, 산소(또는 공기) 대 온도 관계이다.
도 16은, 본 개시내용의 양태에 따른, 도어 구멍 및 하부 연도 댐퍼(sole flue damper)가 자동화되지 않고 제어를 위해 단지 통풍관(uptake)만이 사용되는 경우의 제어 스킴 1A를 도시한다.
도 17a는, 제어 스킴 1B - 본 개시내용의 양태에 따른, 크라운 온도 대 통풍 압력 캐스케이드 제어 스킴 - 를 예시한다.
도 17b는, 제어 스킴 1B - 본 개시내용의 양태에 따른, 하부 연도 온도 대 통풍 압력 캐스케이드 제어 스킴 - 를 예시한다.
도 17c는, 제어 스킴 1C - 본 발명의 양태에 따른, 배기 스택 통풍 피드 포워드 컨트롤러(vent stack draft feed forward controller)를 갖는 크라운 및 하부 연도 온도 제어 스킴 - 를 예시한다.
도 18은, 본 개시내용의 양태에 따른, 연료가 풍부한 상태(fuel-rich)로부터 연료가 부족한 상태(fuel-lean)로의 전이를 검출하기 위해 사용되는 과잉 산소 측정을 갖는 단일 루프 컨트롤러이다.
도 19는, 본 개시내용의 양태에 따른, 다중 변수 컨트롤러의 개략적인 표현이다.
도 20은, 컨트롤러 계산에서 모델 예측 제어(Model Predictive Control; MPC)에 의해 사용될 수 있는 관계 매트릭스의 예이다. X는, 본 개시내용의 양태에 따른, 조작 변수(manipulated variable; MV) 또는 피드포워드(feedforward; FF) 변수와 대응하는 제어 변수(controlled variable; CV) 사이의 동적 모델을 나타낸다.
도 21은, 본 개시내용의 양태에 따른, 모델 예측 제어가 어떻게 작동하는지의 묘사이다.
도 22는, 본 개시내용의 양태에 따른, 열 회수 증기 발생기의 작동이 멈출 때 가스 공유 동작 동안의 더 높은 스택 통풍을 상쇄하기 위한 제어 스킴 1A에 대한 스택 통풍 피드 포워드 제어 액션의 추가이다.
도 23은, 본 개시내용의 양태에 따른, 열 회수 증기 발생기 제어를 예시한다.

본 기술은 일반적으로 코킹 속도, 생성물 회수, 부산물 및 단위 석회 소비를 최적화시키기 위해, 수평 열 회수(horizontal heat recovery; HHR) 코크스 플랜트, 벌집형 코크스 플랜트 및 부산물 코크스 플랜트를 비롯한 코크스 플랜트에서의 코크스 오븐의 통합 제어에 관한 것이다. 코킹 속도는 시간당 코크스로 변하는 석탄의 톤으로 정의되며, 에너지 효율은 순 에너지 생산량(총 열 생산량 - 코크스 생성을 위해 소비되는 열량 - 열 손실)로 정의된다. 생성물 회수는 습식 또는 건식 기반으로 소비되는 석탄의 양(톤)당 생성되는 코크스의 양(톤)으로 정의된다. 부산물은 전력 또는 증기에 의해 정의된다. 단위 석회 소비는 오븐에 장입되는 석탄의 톤당 소비되는 석회의 톤으로 정의된다.

본 개시내용의 하나의 예시적인 실시형태에 따르면, 수평 열 회수 코크스 플랜트는, 단일의 또는 다수의 고온 연도 가스 덕트를 사용하여 서로 연결되는 일련의 코크스 오븐, 오븐으로부터의 폐열로부터 증기를 발생시키는 다수의 열 회수 증기 발생기(multiple heat recovery steam generator; HRSG) 유닛을 포함하는 여러 가지 시스템으로 구성된다. 대안적인 실시형태에서, 코크스 플랜트는, 증기로부터 전력을 발생시키는 증기 터빈 발전기를 포함할 수도 있다. 여전히 다른 실시형태에서, 코크스 플랜트는 연도 가스로부터 황을 제거하기 위한 연도 가스 탈황 유닛 및/또는 미립자 물질을 제거하기 위한 백 하우스를 포함할 수도 있다. 개략도가 도 1에 도시된다. 하나의 실시형태에 따르면, 전체 코크스 플랜트는 스택에서 유도 통풍(induced draft; ID) 팬을 사용하는 것에 의해 생성되는 음압 하에서 동작된다. 코크스 플랜트의 최적화는, 서로 연결되는 그리고 상이한 유닛 내에서 및 상이한 유닛 사이에서 상호 작용에 영향을 받는 모든 개별 시스템의 최적화로 구성된다. 코크스 플랜트의 통합 제어를 위한 다양한 제어 스킴이 본 명세서에서 설명된다.

코크스 오븐:

하나의 실시형태에 따르면, 100개보다 많은 코크스 오븐이 단일의 코크스 플랜트에 포함될 수도 있다. 코크스 오븐은 전형적으로 여러 개의 배터리로 분할된다. 각각의 배터리의 이들 코크스 오븐 중 몇몇은 열 회수 증기 발생기를 공유한다. 예를 들면, 하나의 실시형태에 따르면, 100개의 오븐 코크스 플랜트에서, 3개의 배터리가 존재할 수 있을 것이고, 20개의 오븐마다 하나의 열 회수 증기 발생기가 존재할 수 있을 것이다. 추가적인 실시형태에 따르면, 각각의 열 회수 증기 발생기와 관련되는 더 적은 또는 더 많은 오븐이 존재할 수 있을 것이다. 비록 각각의 코크스 오븐이 탄소 형성, 오븐 누출, 장입, 등등에 의해 야기되는 약간의 차이를 가지지만, 각각의 코크스 오븐은 동일하게 만들어지고 유사하게 거동한다. 동작에서, 코크스 오븐은 48 시간 사이클로 장입될 수도 있다. 홀수 오븐이 한 날에 장입되고 짝수 오븐이 다음 날에 장입된다. 수분 함량, 휘발성 물질(VM), 유동성, 등등과 같은 성질의 특정한 세트를 갖는 혼합된 석탄이 오븐에 장입되고 48 시간 동안 코크스로 만들어진다. 수평 열 회수 코크스 오븐에서의 코킹용 열은, 석탄에서 방출되는 휘발성 물질에 의해 제공된다. 휘발성 물질은 타르, 탄화수소, 수소, 일산화탄소 및 오븐에서 연소되는 기타 가스로 구성된다. 수평 열 회수 오븐에서, 가스는 석탄의 상부의 크라운 섹션뿐만 아니라 하부 연도의 바닥 아래에서 연소된다. 따라서, 석탄의 코킹은 코크스 케이크(coke cake)의 상부 및 코크스 케이크의 하부 둘 다에서부터 발생한다. 휘발성 물질을 태우는 데 필요로 되는 공기는 문에 있는 공기 구멍을 사용하는 것에 의해 크라운에서, 크라운의 천장(상부 공기)에서 또는 오븐 크라운의 다른 움직이지 않는 표면으로부터 제공된다. 하부 연도에서 휘발성 물질을 연소시키기 위해 필요로 되는 공기는 단부 벽의 구멍으로부터 제공된다. 도어 구멍이 있는 하나의 수평 열 회수 오븐 구성이 도 2에 도시된다. 도 3은 오븐의 크라운 섹션에 1차 공기를 공급하기 위한 상부 공기 구성과 도어 구멍 사이의 차이점을 도시한다.

코크스 오븐 최적화

본 개시내용의 하나의 양태는, 코킹 속도, 생성물, 부산물 회수 및 단위 석회 소비를 최적화시키기 위한 통합 오븐 제어를 위한 상이한 제어 스킴의 공식화이다. 이것이 하기에서 더 상세히 설명된다.

최적화 목적:

코크스 오븐의 하나의 최적화 목적은, 처리량(하나의 일괄 처리(batch)에서 장입되고 코크스로 변할 수 있는 석탄의 양으로 정의됨), 수율(장입되는 석탄의 톤당 만들어지는 코크스의 톤으로 정의됨) 및 코크스 품질(안정성, 반응 후 코크스 강도(coke strength after reaction; CSR) 및 평균 사이즈)을 극대화하는 것이다. 코크스 화학, 코크스 사이즈, 및 코크스 강도(안정성)는, 고로에서의 사용을 위해 코크스를 평가하기 위한 가장 중요한 요소로 고려되어 왔다. 그러나 코크스 반응 지수(coke reactivity index; CRI) 및 CSR은, 고로 성능에 대한 그들의 영향이 더 잘 이해되기 때문에, 중요성이 증가하고 있다. 예를 들면, 핫 메탈 생성 동안의 코크스 소비의 감소는 CSR 값의 증가와 결부될 수 있다. 코크스 레이트 감소의 크기는 고로 사이즈 및 동작 파라미터의 변화에 따라 변한다. 그러나, CSR이 증가하는 모든 지점에서 생성되는 핫 메탈의 순수 톤마다 2 내지 5 파운드의 코크스가 저장되는 것이 추정된다.

코킹 속도(시간당 코크스로 전환되는 석탄의 톤으로 정의됨)를 최대화하는 것에 의해 처리량이 극대화된다. 코킹 속도는, 크라운 및 하부 연도의 온도 프로파일을 최적화시키는 것에 의해 최적화될 수 있다. 수율은, 오븐에서의 연소 손실(일괄 처리에서 연소되는 코크스의 양으로 정의됨)을 최소화하는 것에 의해 극대화될 수 있다. 다시, 수율은 크라운 및 하부 연도의 온도 프로파일을 최적화시키는 것에 의해 최적화될 수 있다. 크라운 및 하부 연도의 온도 프로파일은 코크스(하부 대 상부 코크스)의 사이즈, 안정성 및 CSR에 영향을 끼친다. 최적화 목적은, 제어 변수에 영향을 주는 제약 사항(constraint) 및 시스템 외란에 종속하는 사용 가능한 핸들(조작 변수로 칭함)을 조작하는 것에 의해 소정의 변수(제어 변수로 칭함)를 제어하는 것을 통해 달성된다. 이들 상이한 변수는 하기에서 더 자세히 설명된다.

제어 변수(CV): CV는 최적화 목적을 충족하기 위해 소망하는 사용자 설정 값으로 제어되는 변수로서 정의된다. 상기에서부터, 코크스 오븐의 최적화는, 최적의 설정치 온도 프로파일 궤적을 정의하는 것 및 온도 프로파일을 크라운 및 하부 연도 둘 모두에서 최적의 설정치 프로파일로 제어하는 것을 수반한다. 온도는 오븐에서 산소의 양, 즉 연소 제어에 의해 영향을 받는다. 오븐에서의 산소 흡기(intake)가 (휘발성 물질에서의) 연료 방출 속도와 일치하면, 온도가 극대화될 수 있다(다시 말하면, 연료/공기 비율 제어). 그러나, 가스 방출 속도(및 또한 조성)나 오븐 내로의 공기 유량 어느 것도 측정되지 않는다. 그러므로, 연료/공기(또는 산소)의 직접적인 제어는 가능하지 않다. 그러나, 온도를 측정하고 산소를 조정하여 온도를 최대화하는 것에 의해(또는 소망하는 설정치로 제어하는 것에 의해), 피드백 제어를 시도할 수 있다. 대안적으로, 오븐에서 통풍(또는 압력)를 사용함으로써 가스((특정 밀도의) 공기 + 휘발성 물질)의 양을 간접적으로 추론하는 것에 의해 그리고 도어 구멍 댐퍼, 하부 연도(sole flue; SF) 또는 통풍관 댐퍼(공기의 양을 제어함)를 이동시킴으로써 오븐에서의 통풍을 제어함으로써 온도를 제어하는 것에 의해, 유추 제어를 또한 사용할 수 있다.

따라서 제어 변수는 크라운(센터, 푸시 측(push side; PS) 및 코크스 측(coke side; CS))에서의 온도, 하부(PS 및 CS)에서의 온도 및/또는 크라운, 하부 연도, 다운커머(downcomer), 업커머(upcomer) 및 댐퍼 블록으로의 통풍관을 포함할 오븐 시스템 내에서의 통풍을 포함한다. 제어 변수는 (온도와 같은) 설정치 프로파일로 제어되거나 또는 데드밴드(deadband)(즉, 통풍)에서 유지될 수 있다. 다른 실시형태에 따르면, 추가 제어 변수는 코크스 측 온도와 푸시 측 온도 사이의 델타T일 수도 있다.

조작 변수(MV): MV는 제어 변수를 제어하기 위해 컨트롤러에 의해 독립적으로 변동할 수 있는 변수로서 정의된다. 오븐을 제어하기 위해 조작될 수 있는 주요 변수는, 오븐 통풍관, 하부 연도 댐퍼 및 푸시 측 및 코크스 측 상의 도어 구멍 또는 상부 공기 구멍 댐퍼이다.

외란 변수(Disturbance Variable; DV) 및 피드 포워드(Feed Forward; FF) 변수: DV는, 제어 변수가 변경되게 하는 그러나 컨트롤러가 그들을 변동시키는 데 이용 가능하지 않을 수도 있는 변수이다.

피드 포워드(FF) 변수는 측정될 수 있는 특수 클래스의 DV이다. 이 측정치는, 조작 변수 변화를 보상하는 것으로 설명될 수 있는 미래의 제어 변수 변경을 예측하기 위해 사용될 수 있다. 외란의 몇몇 예가 하기에서 주어진다.

비상 배기 스택(EVS) 통풍: 도 1에 도시된 바와 같이, 배터리의 오븐(전형적으로 20개 오븐)의 각각의 세트로부터 나오는 연도 가스는, 가스를 대응하는 열 회수 증기 발생기로 전송하는 공통 터널을 통해 연결된다. 비상 배기 스택에서의 압력(또는 통풍)에서의 변화는, 그 배터리의 모든 오븐 동작에 영향을 줄 수 있다. 예를 들면, 비상 배기 스택에서의 통풍이 0.1만큼 증가하면, 이것은 비상 배기 스택에 연결되는 오븐에 대한 증가된 통풍으로 나타날 것이고 따라서 동일한 통풍관, 도어 구멍 및 하부 연도 댐퍼 위치에 대한 오븐으로의 공기 유입량(inflow)을 변경할 것이다. 그러므로, 이 외란은 모든 오븐의 온도에 영향을 끼칠 것이고, 오퍼레이터 또는 제어 시스템은, 외란에 대응하기 위해 그리고 오븐을 제어 상태로 유지하기 위해, 액션을 취할 필요가 있다. 따라서, 비상 배기 스택 통풍이 특정한 값에 설정될 수 있고 엄격히 제어되면, 비상 배기 스택은 오븐의 제어 가능성을 크게 향상시킨다.

도어 구멍: 도어 구멍은 1차 공기를 제공하기 위한 메인 소스로서 또는 상부 공기 구멍 이외의 2차 소스로서 사용된다. 도어 구멍이 수동으로 제어되면, 그들은 자동 제어 스킴에 대한 구성에 대한 외란으로서 취급될 수 있다. 다시 말하면, 오퍼레이터가 도어 구멍을 개방하고 더 많은 공기를 들여 보내면, 컨트롤러는 그것을 제어 변수(예를 들면, 온도 또는 통풍)에 영향을 주는 외란으로 취급하고, 제어 변수를 제한 범위 내로 유지하기 위해 사용 가능한 다른 조작 변수(예컨대 통풍관 또는 상부 공기 구멍 댐퍼)를 사용하여 액션을 취한다.

하부 연도(SF) 댐퍼: 하부 연도 댐퍼가 자동화되지 않은 경우 도어 구멍과 유사하다.

주변 조건: 주변 조건이 변경되면, 그것은 공기 흡기의 성질에 영향을 끼칠 것이다. 예를 들면, 공기의 밀도, 온도 또는 습도 변화는 제어 변수에 영향을 끼칠 수 있을 것이다.

석탄 성질 변화: 오븐에 장입되는 석탄의 성질은 날마다 바뀔 수 있다. 예를 들면, 수분 함량, 휘발성 물질, 유동성, 부피 밀도, 등등은 매일 달라질 수 있을 것이다. 이들은 제어 변수에 영향을 끼치는 외란으로 작용한다.

석탄 장입: 석탄은 오퍼레이터가 푸셔 차저 머신(pusher charger machine; PCM)을 사용하는 것에 의해 장입된다. 머신 설정 및 장입 속도는 오븐의 석탄층 모양과 레벨에 영향을 끼칠 수 있을 것이다. 예를 들면, 장입의 불균일한 속도는, 코크스 측과 비교하여 푸시 측에서 더 많은 석탄으로 나타날 수 있거나 그 반대가 될 수 있을 것이다. 마찬가지로, 이들은 측마다(side to side) 변할 수 있을 것이다. 불균일한 석탄층 적재는 오븐에서의 불균일한 휘발성 물질의 방출로 이어지고 그러므로 제어 변수에 영향을 끼치는 제어 시스템에 대한 외란으로서 작용할 것이다.

제약 사항: 제약 사항은 제어 시스템에 의해 준수될 필요가 있는 그리고 위반될 수 없는 변수에 대한 제한 사항이다. 안전, 환경, 기기 제한 또는 효율로 인해 발생하는 제약 사항은 제어 시스템으로 통합될 필요가 있다. 이들은 온도 한계(예를 들면, 오븐 벽돌의 용융을 방지하기 위한 상한), (예를 들면, 오븐 압력이 가스 방출로 이어지는 양압으로 진행하는 것을 방지하기 위한) 통풍 한계 또는 산소 한계(예를 들면, 오븐이 과잉 공기로 인해 냉각하는 것을 방지하기 위한 상한)일 수 있을 것이다. 제어 시스템은 이들 제약 사항을 우선 순위 방식으로 핸들링하도록 설계된다.

제어 스킴:

상기에서 논의되는 바와 같이, 코크스 오븐은 여러 가지 제어 변수 및 조작 변수를 가지며 다양한 외란 및 제약 사항에 종속한다. 복잡성과 소망하는 응답의 레벨에 따라, 여러 가지 제어 스킴을 구성될 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 코크스 오븐은 프로세스의 전단(front end)에 있다. 그러나, 임의의 하류의 외란은 상류의 모든 오븐에 영향을 줄 수 있을 것이다. 따라서, 오븐의 양호한 제어를 위해, 하류 동작의 양호한 제어를 갖는 것이 그리고, 가능하면, 양호한 제어 가능성을 위해 코크스 오븐으로부터 하류 동작을 분리시키는 것이 중요하다. 비상 배기 스택 통풍이 소망하는 설정치 값으로 유지되면, 이것이 행해질 수 있다. 이를 행하기 위한 제어 스킴이 먼저 설명될 것이다.

코크스 오븐 제어를 위해, 그 다음, 간단한 단일 루프 제어로부터 시작하여 고급 다중 루프 캐스케이드 제어(advanced multi-loop cascade control)까지의 여러 가지 제어 스킴이 논의된다. 그 다음, 최신의 다중 변수 매트릭스 기반 모델 예측 제어(MPC)의 사용이 설명된다.

EVS 통풍 제어 스킴 - 하류 동작으로부터의 오븐 제어의 분리:

가스 공유 터널이 없는 플랜트:

도 4는 20개의 오븐마다 1개의 열 회수 증기 발생기가 있는 오븐 플랜트를 도시한다. 열 회수 증기 발생기(HRSG)의 각각은 열 회수 증기 발생기의 하류에 관련된 압력 제어 밸브(pressure control valve; PCV)를 구비한다. 도 4에 도시된 바와 같이, PIC(pressure indicating controller; 압력 표시 컨트롤러)는, 압력 제어 밸브를 제어하여 오퍼레이터에 의해 명시되는 특정한 설정치에서 비상 배기 스택 통풍을 유지하기 위해 사용된다. 이것은 오븐의 하류에서 압력을 유지하고, 하류 동작의 교란으로 인해 또는 상이한 오븐과 관련되는 생성 사이클로 인해(오븐으로부터의 가스 방출은 코크스 사이클에 걸쳐 변하고 따라서 비상 배기 스택 통풍에 영향을 끼치게 됨) 오븐이 영향을 받지 않는 것을 보장한다.

가스 공유(Gas Sharing; GS) 터널을 갖는 코크스 플랜트:

도 5는 추가적인 가스 공유 터널 및 추가적인 여분의 열 회수 증기 발생기(redundant heat recovery steam generator)를 갖는 플랜트의 개략도를 도시한다. 이 스킴은, 열 회수 증기 발생기가 고장 났을 때, 비상 배기 스택으로부터 배기를 방지해야 하는 플랜트에서 사용된다. 가스 공유 터널은, 다운되는 열 회수 증기 발생기로부터의 가스가, 배출 스택으로부터 대기로 배기되는 대신, 새로운 여분의 열 회수 증기 발생기로 보내지는 것을 가능하게 한다. 이 스킴은 모든 열 회수 증기 발생기를 함께 연결하며 따라서 정상 동작 동안 열 회수 증기 발생기 사이의 상호 작용은 크게 증가한다. 이것은 비상 배기 스택 통풍의 제어를 더욱 더 도전 과제가 되게 만든다. (도 4에 도시된 바와 같은) 일반적인 스킴은, 서로 다투고 있는 상이한 열 회수 증기 발생기의 PIC가 여러 가지 사이클링을 유도하는 것으로 나타났다. 이것은, 연도 가스가, 비상 배기 스택 다음에, 가스 공유 터널 또는 대응하는 열 회수 증기 발생기로 진행할 수 있기 때문이다. 연도 가스가 취하는 경로는, 다른 열 회수 증기 발생기에서 발생하고 있는 것뿐만 아니라, 압력 표시 컨트롤러(PIC)의 조정(tuning)(저항이 가장 적은 경로)에 의존한다. 추가적인 복잡성은, 새로운 여분의 열 회수 증기 발생기(모든 열 회수 증기 발생기의 중앙에 위치되는 도 5의 HRSG #11) 안팎으로의 가스 이동의 임의의 변화가 모든 다른 비상 배기 스택 통풍에 영향을 끼치며 따라서 모든 PIC에 그러므로 오븐에 교란을 야기한다는 것이다. 여분의 열 회수 증기 발생기와의 정상 동작 동안 그리고 열 회수 증기 발생기 중 임의의 하나가 다운된 가스 공유 동작 동안 비상 배기 스택 통풍을 효과적으로 제어하기 위한 제어 스킴이 하기에서 논의된다.

모든 HRSG가 실행하는 정상 동작 동안의 EVS 통풍 제어

제어 스킴 H1: 유입구 PIC 하에서 #11을 갖는 EVS 통풍 PIC

이 스킴에서, 새로운 터널과의 결합 지점(tie-in point) 이전의 개별 비상 배기 스택 압력은, 도 5에 도시된 바와 같이, 그 열 회수 증기 발생기 하류의 대응하는 압력 제어 밸브를 사용하여 제어된다. HRSG(11) 유입구 압력은 그것의 압력 제어 밸브로 제어될 수 있다. 이 스킴에는 두 가지 문제점이 존재한다. 첫째, HRSG(11)이 PIC 하에 있는 경우, 배터리 중 임의의 것에 대해 생산이 발생할 때(오븐에 장입됨), 그것의 유량은 변경된다. 이것은, 더 많은 가스가 존재하고 PIC가 압력을 유지하기 위해 반응하기 시작하기 때문이다. HRSG #11이 중심에 있기 때문에, #11에서의 임의의 움직임은, 다른 열 회수 증기 발생기에서 압력 교란을 야기하여, 그들의 설정치를 유지하도록, 모든 PIC가 스윙하게 하고 서로 다투기 시작하게 한다. 다시 말하면, 시스템은 상호 작용성이 아주 높아지게 된다. 두 번째 도전 과제는, 제어되는 압력이 스택에 있지만 PIC를 위해 사용되는 밸브가 열 회수 증기 발생기의 하류에 있고 스택과 열 회수 증기 발생기 사이에서는 가스 공유 터널에 대한 결합이 있다. 그래서 가스는 터널 또는 열 회수 증기 발생기로 진행할 수 있다. 따라서, PIC는 일대일 제어가 아니다, 즉, 밸브 움직임과 PIC에서 사용될 압력 사이에 직접적인 상관 관계를 얻는 것이 어렵다. 이들 도전 과제를 극복하기 위한 다른 스킴이 하기에서 설명된다.

제어 스킴 H2: FIC 하에서 HRSG(11)을 갖는 EVS 통풍 PIC

스킴 H1에서 언급되는 첫 번째 도전 과제를 극복하기 위해, 열 회수 증기 발생기로부터의 질량 유량(mass flow)(또는 증기 유량(steam flow))을 제어할 수 있다. 질량 유량계(mass flow meter)는 열 회수 증기 발생기를 통과하는 연도 가스 유량을 측정하기 위해 사용될 수 있다. 열 회수 증기 발생기를 유량 제어 하에 두면, 항상(생성 시간 및 비생성 시간) 열 회수 증기 발생기를 통한 고정된 유량을 보장한다. 이것은 열 회수 증기 발생기를 격리하고 다른 열 회수 증기 발생기 유량 변화에 의해 야기되는 열 회수 증기 발생기에 대한 상호 작용을 제거하는 것과 같다.

제어 스킴 H3: 유입구 PIC 하에서 HRSG(11)을 갖는 HRSG 유입구 PIC

제어 스킴 H1에서 언급되는 두 번째 도전 과제를 극복하기 위해, 열 회수 증기 발생기 유입구 압력은, 결합 지점 이후에, 제어될 수 있다. 이것은, 직접적인 PIC 스킴으로서 기능하며 압력 제어 밸브와 열 회수 증기 발생기 유입구 압력 사이의 모델이 단계 테스트 데이터 수집 방법에 의해 쉽게 획득될 수 있다. 컨트롤러에 대한 더 나은 모델은, PIC를 훨씬 더 엄격하게 조정하는 것을 가능하게 하여 우수한 제어를 보장하게 된다(모델 불확실성은 전형적으로 불량한 컨트롤러 조정으로 그러므로 불량한 압력 제어로 나타나게 된다). 일반적인 가스 공유 터널에 의해 야기되는 상이한 열 회수 증기 발생기 사이의 상호 작용을 방지하고 최소화하기 위해서, 개별적인 열 회수 증기 발생기 압력을 양호하고 엄격하게 제어하는 것이 매우 중요하다. 예를 들면, PIC가 천천히 조정되는 경우, 압력에서의 증가를 야기하는 과잉 가스가 존재하는 경우, 압력 제어 밸브는 느리게 반응하여 과잉 가스가 열 회수 증기 발생기를 통과하게 한다. 이제, 과잉 가스는 새로운 가스 공유 터널을 통해 다른 열 회수 증기 발생기로 이동하기 시작할 것이다. 그러므로, 이것은 다른 열 회수 증기 발생기 PIC에 영향을 끼칠 것이다. 마찬가지로, 하나의 PIC가 스윙하면, 다른 PIC가 스윙을 시작할 것이다. 그러므로, 가스 공유 터널을 통한 양호한 동작을 갖기 위해, PIC를 함께 작동시키는 것이 중요하다.

제어 스킴 H4: FIC 하에서 HRSG(11)을 갖는 HRSG 유입구 PIC

제어 스킴 H1에서 설명되는 두 가지 도전과제를 극복하기 위해, #11 상에서 HSRG 유입구 PIC 및 FIC를 사용할 수 있다.

하나의 HRSG가 다운된 GS 동작 동안의 EVS 통풍 제어

열 회수 증기 발생기 중 하나가 다운되면, 어떤 열 회수 증기 발생기인지에 따라, 열 회수 증기 발생기에 대한 통풍 설정치(set point; SP) 및 #11에 대한 유량 설정치(제어 스킴 H2 또는 H4가 사용되는 경우)은, 다운되는 열 회수 증기 발생기로부터의 연도 가스가 다른 열 회수 증기 발생기로 전송될 수 있도록, 변경되어야 한다. 통풍 및 유량 설정치는, 부드러운 전환을 가지기 위해, 상호 작용을 최소화하기 위해, 시스템을 신속하게 안정화시키기 위해 그리고 전환 동안 임의의 비상 배기 스택이 열리는 것을 방지하기 위해, 신중하게 선택되어야 한다. 상이한 시나리오에 대한 제어 스킴 H4에 대한 통풍 및 유량 설정치는 표 1에 도시되어 있다.

도 6은, 상이한 HRSG #6이 다운되었을 때의 비상 배기 스택 압력의 반응을 제어 스킴 H3을 사용하여 도시하며 도 7은 HRSG #7이 다운되었을 때의 비상 배기 스택 압력의 응답을 표 1의 설정치를 갖는 제어 스킴 H3 및 H4를 사용하여 도시한다. 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 제어 시스템 H4는, 매우 신속하게(45분과 비교하여 15분) 그리고 배기가 상류의 오븐에 최소량의 외란도 야기하지 않고, 응답하여 비상 배기 스택 압력을 안정화시킬 수 있었다. 또한, 스택에 대한 통풍 요건도 또한 낮았으며 최고 통풍은, H3에 비교하여 제어 시스템 H4에서 WC 단위로 적어도 0.1 더 낮았다. 비상 배기 스택에서 더 낮은 통풍을 갖는 것은, 더 적은 공기 누출을 야기하고 그러므로 과잉 공기로 인한 냉각 없이 오븐을 더 뜨겁게 유지한다. 더 뜨거운 오븐은 더 높은 코킹 속도를 암시하며 임의의 코킹 지연을 방지한다.

다른 열 회수 증기 발생기 트립 동안 제어 스킴 H4를 사용한 전이 응답이 하기에서 나타내어진다.

오븐 압력 및 온도 제어 시스템

유사한 푸셔 및 코크스 측 연도 온도를 유지하면서 각각의 오븐 내부의 압력을 자동으로 제어하기 위해, 해버힐 플랜트 페이즈 II 오븐(Haverhill plant Phase II Oven)이 수정되었다. 이것은, 각각의 오븐의 크라운에 있는 압력 센서, 현존하는 하부 연도 온도 프로브 및 레이더 시스템을 사용하여 수행된다. 레이더 시스템은 근접 스위치를 대체하고 댐퍼 위치를 모니터링하는 동일한 기능을 수행한다.

오븐 압력 센서 판독치는, 오븐 압력을 미리 결정된 설정치에서 유지하기 위해, 오븐 통풍관 댐퍼로 신호를 전송하는 프로그래머블 로직 컨트롤러(programmable logic controller; PLC)에 의해 사용된다. 오븐 압력은 코크스 측과 푸셔 측 댐퍼를 동일한 방향으로 이동시키는 것에 의해 제어된다.

하부 연도 온도는, 오븐 하부 연도 온도를 서로 100도 이내로 유지하기 위해, 오븐 통풍관 댐퍼로 신호를 전송하는 별도의 PLC 컨트롤러에 의해 사용된다. 온도 바이어싱으로 칭해지는 이 액션은, 코크스 측과 푸셔 측 댐퍼를 반대 방향으로 이동시키는 것에 의해 달성된다. 이 움직임은, 더 많은 고온의 가스를 댐퍼가 닫혀 있는 측에서부터 댐퍼가 열려 있는 측으로 강제한다.

비록 배출구 댐퍼가 자동적으로 제어되더라도, 하부 연도 댐퍼 및 도어 댐퍼는 버너 또는 오퍼레이터에 의해 수동으로 계속 제어될 수도 있다. 하부 연도 댐퍼 및 도어 댐퍼의 조정을 위한 규칙은 이 수정으로 인해 변경되지 않을 것이다.

댐퍼 컨트롤러용 HMI 스크린

각각의 오븐 스크린(예시적인 스크린 샷 1)이 수정되었다. 근접 표시기(proximity indicator)는 레이더 위치 표시기(radar position indicator)로 대체되었다. 레이더 위치 표시기는, 실제 코크스 측과 푸셔 측 댐퍼 개방 및 시스템이 소망하는 설정치를 나타낸다. 판독치의 각각의 세트 위에는, 댐퍼 컨트롤러를 개방하는 버튼이 존재한다(예시적인 스크린 샷 2).

A. 컨트롤러의 상부 버튼은 컨트롤러를 자동 또는 수동으로 배치한다. 하부 연도 온도 제어 시스템(온도 바이어스)은 자동 설정에서는 활성화될 것이고 수동 설정에서는 비활성화될 것이다. 도 3은 컨트롤러가 수동 제어 상태에 있다는 것을 나타낸다.

B. 그 옆의 버튼은 댐퍼를 잠그거나 잠금을 해제한다. 조건은 자물쇠의 오른쪽에 표시된다.

C. 댐퍼 위치는 SELECT 드롭 다운 메뉴, SET 버튼 및 BEGIN MOVE 버튼을 사용하여 수동으로 설정될 수 있다. 클릭하면, 드롭 다운 화살표가 2에서 14 인치까지의 범위에 이르는 값을 가진 창을 표시할 것이다. 값의 선택 이후, SET 버튼이 클릭된다. CURR SETPT가 새로운 설정치를 디스플레이하면, BEGIN MOVE 버튼이 클릭될 수 있다. 댐퍼의 움직임은 CLOSE 버튼(TRVL)의 오른쪽에 표시될 것이다.

D. TEACH 버튼은 유지 보수 목적으로 사용되며 적절한 유지 보수 담당자에 의해서만 클릭될 것이다.

E. STOP 버튼은 댐퍼 움직임을 종료하기 위해 클릭될 수 있다.

F. 동작 동안 댐퍼 개방의 원더링(wandering)이 발생할 수도 있다. 시스템은 이 드리프트를 자동적으로 수정할 수 있다. DRIFT ENBL 버튼을 클릭하는 것은, 드리프트에 대한 자동 수정을 활성화 또는 비활성화할 것이다. 드리프트 수정은 수동 모드뿐만 아니라 자동 모드에서도 작동할 것이다. 닫힌 위치 또는 열린 위치에 대한 드리프트의 발생이 존재하는 경우, 그것은 드리프트 카운트 박스에 기록된다. 카운트는 DRIFT COUNTER RESET 버튼을 클릭하는 것에 의해 제로로 리셋될 수 있다.

G. 세 개의 알람이 존재한다.

1. SENSOR FAULT/BAD VALUE(센서 오류/잘못된 값)는 압력 센서가 범위 밖의 값을 제공하고 있다는 것을 나타낸다. 이 오류는, 댐퍼 컨트롤러가 수동으로 전환되게 할 것이다. 댐퍼 설정은 오류 이전의 마지막 위치를 유지한다.

2. DMPR POS FLT(Damper Position Fault; 댐퍼 위치 오류)는, 레이더 위치 표시 시스템이 고장났다는 것을 나타낸다. 이 오류는, 댐퍼 컨트롤러가 수동으로 전환되게 할 것이다. 댐퍼 설정은 오류 이전의 마지막 위치를 유지한다.

3. DMPR 드리프트(Damper Drift; 댐퍼 드리프트)는 드리프트 카운트가 초과되었을 때 경보를 발한다. 알람만이 발생하며 제어 시스템에는 영향을 끼치지 않는다.

4. 알람은 ALARM RESET 버튼을 클릭하는 것에 의해 재설정될 수 있다.

H. CLOSE 버튼은 스크린으로부터 대화 상자를 제거할 것이다.

압력 제어 설정치용 HMI 스크린

각각의 오븐 스크린은 오븐 압력 설정치 버튼을 포함하도록 또한 수정되었다. 버튼이 클릭되면, 오븐 압력 컨트롤러 대화 상자가 나타날 것이다(예시적인 스크린 샷 4).

대화 상자는 현재의 오븐 압력 설정치를 나타낸다. 새로운 설정치를 입력하기 위해서, SET 버튼을 클릭한다. 이것은 설정치 키패드를 열 것이다(예시적인 스크린 샷 6).

설정치는 음수이어야 하며 -0.1 내지 -1.5의 범위 내에 있어야 한다. 새로운 설정치가 New Value(새로운 값) 윈도우에 입력되고 OK 버튼이 클릭된다. 새로운 설정치가 오븐 압력 컨트롤러 대화 상자에 나타날 것이다. CLOSE를 클릭하면 스크린으로부터 대화 상자가 제거될 것이다.

기타 HMI 스크린 수정

오븐 압력, 댐퍼 동작 모드(자동 또는 수동), 댐퍼 드리프트(활성화 또는 비활성화) 및 온도 바이어스(활성 또는 비활성)에 관한 정보는 개별 오븐 스크린(예시적인 스크린 샷 1) 및 오븐 개요 스크린(예시적인 스크린 샷 7) 상에서 이용 가능하다. 자동 압력 제어 상태에 있는 오븐의 비율은 오븐 개요 스크린의 상부에서 표시된다. 개요 스크린의 댐퍼 위치 위의 노란색 삼각형은 센서 또는 댐퍼 위치 오류가 있다는 것을 나타낸다.

오븐 제어 스킴

하류 열 회수 증기 발생기 제어가 비상 배기 스택 압력을 안정화시킬 수 있게 되면, 오븐은 실질적으로 하류 동작과 분리되고 그러므로 하기에서 논의되는 상이한 제어 스킴을 사용하여 독립적으로 제어될 수 있다. 비상 배기 스택이 상이한 다른 통풍에서 동작해야 하기 때문에 열 회수 증기 발생기 중 하나가 작동하지 않을 때 외란이 발생한다. 이것은, 하기에서(오븐 제어 스킴의 끝에서) 논의될 피드 포워드 변수 제어 액션을 사용하는 것에 의해 오븐 제어 스킴에서 핸들링될 것이다.

단일 루프 제어

이들은, 각각의 제어 변수가 대응하는 조작 변수에 의해 제어되는 독립적인 일대일 컨트롤러이다.

제어 스킴 1: 이 방식에서, 코크스 측 크라운 온도는, 코크스 측 도어 또는 상부 공기 구멍 또는 크라운의 코크스 측 상의 임의의 비이동식 표면에 있는 구멍을 사용하여 제어되며, 푸쉬 측 크라운 온도는 푸쉬 측 도어 또는 상부 공기 구멍 또는 크라운의 푸시 측 상의 임의의 일반적인 비이동식 표면에 있는 구멍을 사용하여 제어되고, 하부 연도(SF) 코크스 측 온도는 코크스 측 하부 연도 댐퍼에 의해 제어되고, 하부 연도(SF) 푸시 측 온도는 푸시 측 하부 연도 댐퍼에 의해 제어되고 크라운 압력 셀에 의해 측정되는 오븐에서의 통풍은 통풍관에 의해 제어된다. 제어 스킴의 개략도가 도 11에 도시된다.

시간의 함수로서의 온도 및 통풍 컨트롤러의 설정치(SP)는 사용자에 의해 제공된다. 도 12, 도 13 및 도 14는, 사용자에 의해 제어 시스템으로 제공되는 48 시간의 코킹 사이클의 함수로서 크라운, 하부 연도 온도 및 크라운 통풍에 대한 몇몇 전형적인 설정치 궤적을 도시한다. 온도 및 통풍 컨트롤러는 조작 변수를 조작하는 것에 의해 변수를 이들 설정치 궤적에 가깝게 유지하도록 조정된다.

이 스킴에서, 온도 컨트롤러는, 각각, 크라운 및 하부 연도에서 온도를 유지하려고 시도한다. 통풍 컨트롤러는, 열을 필요에 따라 크라운 또는 하부 연도로 효율적으로 분배하기 위해 사용될 수 있는 노브이다. 예를 들면, 더 높은 크라운 통풍은, 하부 연도에 비해 더 많은 가스가 연소될 것이라는 것을 의미할 것이고, 더 낮은 통풍은 그 반대를 의미할 것이다. 따라서, 컨트롤러가 서로 다투지 않도록, 크라운, 하부 연도 및 통풍에 대한 최적의 설정치 궤적을 정의하는 동안, 주의를 기울여야 한다.

이 제어 스킴에서 제어할 하나의 변수는 댐퍼와 온도 변화 사이의 시간에 따른 변화 관계이다. 이것은 단일 루프 컨트롤러(특히 PID 컨트롤러) 조정을 매우 어렵게 만든다. 이것은 과잉 산소(댐퍼 개방 대용) 대 온도 관계에 의해 더 잘 설명될 수 있다. 도 15는 과잉 산소 대 온도 그래프를 도시한다. 과잉 산소가 0 %(산소 결핍) 미만인 경우의 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, 산소의 증가는 온도의 상승을 초래한다. 이것은, 휘발성 물질의 방출이 가장 많은 코킹 사이클의 초기 부분에서와 같이, 연소를 위해 공급되는 산소보다 더 많은 연료가 이용 가능하기(연료가 풍부하기) 때문이다. 따라서, 산소의 증가는 더 많은 연료가 연소될 수 있고 그러므로 온도가 상승한다는 것을 의미한다. 한편, 그래프의 우측에 나타내어지는 바와 같이 과잉 산소가 있는 경우, 산소의 증가는 온도의 저하를 초래한다. 이것은, 연료 유량이 낮아지고 과잉 산소(또는 공기)가 존재하는 경우, 산소(또는 공기)의 증가는 열이 과잉 공기에 의해 흡수되게 되어 온도에서의 강하로 나타나기 때문이다. 따라서, 대기가 연료가 풍부한지 또는 연료가 희박한지의 여부에 따라, 조작 변수(댐퍼)는 제어 변수(온도)에 대해 완전히 상이한 효과를 가질 수 있을 것이다. 따라서, 연료가 풍부한 상태 및 연료가 희박한 상태에 대해, 동일한 컨트롤러 조정 또는 철학이 사용될 수 없다. 문제는, 연료가 풍부한 상태로부터 연료가 부족한 상태로의 전환을 어떻게 검출하는가 이다. 하나의 접근법은 과거 일괄 처리 실행으로부터의 경험에 기초하는 것이다. 일반적으로, 이 전환은 일괄 처리의 처음 6 내지 8 시간에서 발생한다. 따라서, 8 시간 후에 연료가 풍부한 상태로부터 연료가 부족한 상태로 전환하도록 컨트롤러를 프로그래밍할 수 있다. 다른 접근법은, 제어 스킴 2에서 설명되는 바와 같이, 산소 분석기를 사용하여 과잉 산소를 검출하여, 컨트롤러에서 연료가 풍부한 상태로부터 연료가 부족한 상태로의 전환을 행하는 것이다. 세 번째 접근법은, 예를 들면, 작은 양만큼 통풍관을 상하로 교란시켜 온도에 대한 반응을 보는 것일 것이다. 이를 토대로, 연료가 풍부한 상태인지 또는 연료가 부족한 상태인지의 여부를 검출할 수 있고 적절한 컨트롤러 조정을 사용할 수 있다.

단일의 루프 컨트롤러에 대해 가장 인기 있는 컨트롤러 타입은, 비례 적분 미분(proportional integral derivative; PID) 컨트롤러이다. 사용될 수 있는 단일 컨트롤러의 다른 타입은, 퍼지 로직 컨트롤러, PID 제어의 다른 변형 또는 제어 변수를 조작 변수에 관련시키는 사용자 정의 알고리즘을 포함한다.

제어 스킴 1A: 도어 구멍과 하부 연도 댐퍼가 자동화되지 않은 경우, 크라운 압력을 제어하기 위해 압력 컨트롤러만을 사용하는 것에 의해 오븐이 제어될 수 있다. 압력 설정치 궤적 프로파일은, 오븐으로부터의 이전 이력 데이터를 사용하여 소망하는 오븐 온도 프로파일에 대응시키는 것에 의해 오프라인으로 개발될 수 있다. 균일한 하부 연도 온도를 보장하기 위해, 하부 연도 코크스 측 온도와 푸쉬 측 온도 사이의 온도차를 제어하도록 온도 바이어스 컨트롤러와 같은 일부 오버라이드 컨트롤러를 구성할 수도 있다. 이 스킴은 도 16에 도시된다. 또한, 제어 스킴 1B에서 설명되는 바와 같은 고급 온도 대 압력 캐스케이드 제어 스킴을 개발할 수 있다.

제어 스킴 1B: 도어 구멍 및 하부 연도 댐퍼가 자동화되지 않은 경우, 온도 컨트롤러가 크라운 압력 컨트롤러에 종속 접속될(cascaded) 수 있도록 제어 스킴 1이 수정될 수 있다. 온도 컨트롤러는 크라운 온도에 대해 정의되는 설정치 궤적을 갖는 크라운 온도 컨트롤러로서 구성될 수 있거나 또는 평균 하부 연도 온도(푸시 및 하부 연도 온도의 평균) 컨트롤러일 수 있다. 온도 컨트롤러는, 기저의(underlying) 크라운 압력 컨트롤러의 설정치에 자신의 출력을 기록하는 마스터 컨트롤러일 것이다. 압력 컨트롤러는 통풍관을 사용하는 것에 의해 온도 컨트롤러에 의해 요구되는 설정치를 유지하려고 노력할 것이다. 이들 스킴은 도 17a 및 도 17b에 도시된다.

상기의 모든 오븐 제어 스킴은 크라운 통풍 PIC 없이 구현될 수 있다는 것을 유의해야 한다. 또한, 온도 컨트롤러는 PID 엘리먼트, 즉 비례, 적분 또는 미분 액션의 임의의 조합을, 하부 연도 바이어스 컨트롤러의 조합과 함께, 사용할 수 있다. 하나의 이러한 스킴이 제어 스킴 1C에서 나타나 있다.

제어 스킴 1C: 이 스킴은, 크라운 온도 제어, 하부 연도 온도 제어 및 가스 공유 시나리오 동안의 스택 통풍 변동의 효과를 상쇄하기 위한 피드 포워드 스킴의 조합으로 구성되는 고급 제어 스킴을 나타낸다. 이것은 기본적으로, 캐스케이드식 압력 컨트롤러(cascaded pressure controller) 및 피드 포워드 컴포넌트의 추가가 없는, 제어 스킴 1A와 제어 스킴 1B의 조합이다. 제어 스킴의 세부 사항이 본 명세서에서 나타내어진다.

제어 스킴 2: 이것은, 산소 분석기가 연료가 풍부한 상태로부터 연료가 부족한 상태로의 전환을 검출하기 위해 사용되고 컨트롤러 파라미터가 전환을 핸들링하기 위해 변경된다는 점을 제외하면, 제어 스킴 1과 유사하다. 이 스킴은 도 18에 도시된다.

제어 스킴 3: 다중 변수 제어

서로 상호 작용하는 여러 개의 단일의 루프 컨트롤러를 사용하는 대신, 모델 예측 제어(MPC)와 같은 순수한 다중 변수 컨트롤러를 사용할 수 있을 것이다. 이 방법론은, 오븐으로부터의 데이터를 사용하여 제어 변수, 및 조작 변수와 외란 피드 포워드(FF) 변수 사이의 경험적인 동적 모델을 개발하는 것으로 구성된다. 데이터는, 조작 변수 및 피드 포워드 외란 변수를 공칭 동작 궤적을 중심으로 교란시키고 제어 변수의 응답을 수집하는 것에 의한 실험의 제어된 세트 또는 과거의 이력 데이터 중 어느 하나로부터 획득될 수 있다. 대안적으로, 프로세스의 기본 이론적 비선형 모델을 가지고 있다면, 그것은, 비선형 모델을 공칭 궤적을 중심으로 선형화하는 것 또는 비선형 모델을 시뮬레이션에서 교란시키고 응답을 획득하는 것 중 어느 하나에 의해 공칭 궤적을 중심으로 선형 동적 모델을 획득하는 데 사용될 수 있다. 조작 변수, 피드 포워드 변수 및 제어 변수 간의 관계를 나타내는 매트릭스가 개발된다. 모델 예측 제어는, 미래의 예측 시간 지평(prediction time horizon)에 대한 제어 변수 프로파일을 예측하기 위해, 시간 "k"의 모든 순간에서, 시간 지평 내의 과거 데이터 및 관계 매트릭스를 사용한다. 그 다음, 설정치 프로파일로부터의 예측된 편차는, 미래의 시간 지평(일괄 처리의 끝이나 감소된 지평일 수 있음)에 대한 조작 변수 변동의 세트를 계산함으로써 최적화 프로그램을 사용하는 것에 의해 최소화된다. 조작 변수 변동의 첫 번째 세트가 구현된다. 도 19, 도 20 및 도 21은, 다중 변수 제어의 개략적인 표현, 관계 매트릭스의 예 및 모델 예측 제어가 작동하는 방법의 묘사를 도시한다.

모델 예측 제어 프레임워크에서, 공기(도어 구멍, 하부 연도 댐퍼, 통풍관)와 온도 사이의 프로세스 모델 변경은, 매트릭스에서 모델을 전환하는 것에 의해 또는 컨트롤러 내에서 가변 이득 방정식을 사용하는 것에 의해 핸들링될 수 있다. 다시, 전환 시간은, 단일의 루프 제어 스킴에서 앞서 설명한 방법 중 임의의 것을 사용하는 것에 의해 결정될 수 있다.

자동 제어의 예시적인 동작

코킹 사이클의 처음 3 시간 동안, 통풍관 댐퍼는 14 인치에서 완전히 열린 상태로 유지된다. 처음 3 시간 이후, 통풍관 댐퍼는 오븐 압력에 의해 자동적으로 제어된다. 압력 설정치는, 오븐에서 장입이 이루어진 이후 경과한 시간에 의존한다. 설정치의 샘플 스케줄:

장입 이후 시간 압력 설정치

3시간 ~ 12시간 = -0.15인치의 물

12시간 ~ 24시간 = -0.10인치의 물

24시간 ~ 42시간 = -0.08인치의 물

42시간 내지 사이클의 끝 통풍관 댐퍼 폐쇄

통풍관 댐퍼가 조정되어야 한다는 것을, 설정치와 실제 압력 값의 차이가 나타내면, PLC는 댐퍼가 이동해야 하는 거리를 계산하고 통풍관 댐퍼를 다시 배치한다. PLC는 (필요한 경우) 다른 움직임이 이루어지기 전에 오븐이 안정하는 것을 허용하기 위해 10분을 대기할 것이다. 최소 움직임은 1/2 인치이다. 최대 움직임은 3 인치이다.

통풍관 댐퍼 개방은 자동 압력 제어 동안 제한되며 이 한계는 오븐 장입 이후 경과한 시간에 의존한다. 계산된 거리가 이 지점을 넘을지라도, PLC는 이 지점을 넘어 통풍관 댐퍼를 개방하지 않을 것이다. 통풍관 한계의 샘플은 다음과 같다:

장입 이후 시간 댐퍼 개방 한계

3시간 ~ 12시간 = 14인치

12시간 ~ 24시간 = 10인치

24시간 ~ 42시간 = 8인치(크라운 온도가 2700 이상이고 하부 연도 송풍 온도가 2300 이상인 경우)

= 6 인치(크라운 온도가 2700 미만이거나 또는 하부 연도 온도 둘 모두가 2300 미만인 경우)

42 시간 내지 사이클의 끝 = 2 인치

온도 바이어싱은 코크스 측 온도와 푸시 측 하부 연도 온도 사이의 차이를 사용한다. 온도에서의 차이가 100도를 초과하면, PLC는 통풍관 댐퍼가 이동해야 하는 거리를 계산하고 통풍관 댐퍼를 다시 배치한다. 통풍관 댐퍼는 반대 방향으로 이동된다. 이 움직임은 보다 고온의 가스를 더 뜨거운 쪽(댐퍼가 닫혀 있는)으로부터 더 차가운 쪽(댐퍼가 열려 있음)으로 강제한다. PLC는 (필요한 경우) 다른 움직임이 이루어지기 전에 오븐이 안정하는 것을 허용하기 위해 60분을 대기할 것이다. 최소 움직임은 1/2 인치이다. 최대 움직임은 3 인치이다. PLC는 통풍관 댐퍼를 댐퍼 개방 한계를 넘어 개방하지 않을 것이다.

가압 제어 동안의 버너 또는 오퍼레이터에 의한 수동 조정

하부 연도 댐퍼 및 도어 댐퍼는 버너 또는 오퍼레이터에 의해 수동으로 계속 제어될 것이다. 석탄 장입 이후, 크라운 온도는 1900~2100 ℉이어야 하고 하부 연도 온도는 2000~2700 ℉이어야 한다. 코크스 사이클의 처음 20 시간 동안 도어 댐퍼에 대한 가이드 라인은 다음과 같다:

하부 연도 온도 도어 댐퍼

2500 ℉ 미만 0 열림

2500 ℉ ~ 2600 ℉ 1 열림

2600 ℉ ~ 2700 ℉ 2 열림

2700 ℉ 이상 3 열림

20 시간 후, 크라운 온도는 2500 ℉ 이상이어야 하며 모든 도어 댐퍼는 닫혀 있어야 한다. 크라운에서의 불완전 연소로 인해 하부 연도 온도가 높아질 것이기 때문에, 크라운 온도는 주기적으로 점검되어 정상 동작 범위로 제어되어야 한다. 푸시에서, 크라운 온도는 2400 ~ 2,600 ℉이어야 하며 하부 연도 온도는 2100 ~ 2300 ℉이어야 한다.

최대 크라운 온도와 최대 하부 연도 온도는 2,800 ℉이다. 크라운 온도가 2750 ℉에 도달하여 계속 상승하면, 통풍을 줄여 온도 상승을 늦춘다. 통풍은 오븐 압력 설정치를 높이는 것에 의해 감소될 수 있다. 버너 또는 오퍼레이터는, 압력 제어 설정치용 HMI 스크린에서 명시되는 지침을 따르는 것에 의해 미리 결정된 압력 설정치를 오버라이드할(override) 수 있다.

압력 설정치 오버라이드의 예:

현재의 설정치는 오븐(102)에서 -0.1 인치의 물이지만, 그러나, 20 시간 후, 오븐은 사이클이 느리고 버너 또는 오퍼레이터는 그것이 정상적인 사이클 시간보다 더 오랫동안 실행할 가능성이 있다는 것을 결정한다. 버너 또는 오퍼레이터는, 여전히 압력 제어 상태에서, 압력 설정치를 -0.15 인치의 물(통풍에서의 -0.05 인치 증가)로 설정하는 것에 의해 크라운 압력을 조정하여 개별 오븐 내에서 통풍을 증가시킨다. 24 시간 후, 시스템은 설정치를 -0.08 인치의 물로 자동적으로 재설정할 것이다(상기에서 나타내어지는 설정치 스케줄 참조). 버너 또는 오퍼레이터는, 그가 이 시간에서 설정치를 다시 조정해야 하는지를 결정할 필요가 있을 것이다.

버너 또는 오퍼레이터는 다른 오븐 댐퍼보다 하나의 오븐 댐퍼를 더 많이 개방할 수 있다. 이것은, 하부 연도 온도를 제어하는 데 필요할 수도 있다. 이것은, 댐퍼 컨트롤러용 HMI 스크린의 항목 C에서 명시되는 지침을 따르는 것에 의해 행해질 수 있다.

오븐 댐퍼를 바이어싱하는 예:

버너 또는 오퍼레이터가 밖으로 나가 알아 맞추고 푸시 측을 닫아야 한다. 경험상 버너 또는 오퍼레이터는 하부 연도 온도의 큰 차이를 피하기 위해 댐퍼가 조정될 필요가 있다는 것을 알고 있다. 버너 또는 오퍼레이터가 제어실로 돌아오면, 버너 또는 오퍼레이터는 댐퍼 컨트롤러를 수동 모드로 둔다. 버너는 드롭 다운 메뉴로부터 적절한 댐퍼 개방도를 선택하고 댐퍼를 그 개방도로 이동시킨다. 댐퍼 컨트롤러는 자동 모드로 되돌아가고 자동 제어는 다시 조정하기 이전에 새로운 설정치로부터 시작한다.

코크스 측 하부 연도 온도와 푸시 측 하부 연도 온도 사이의 최대 온도 차이는 200 ℉이다. 이 상태를 방지하기 위해, 하부 연도 온도는 재조정되어야(rebalanced) 한다. 재조정이 필요로 되는 경우, 다음 단계가 취해져야 한다:

첫 번째 액션: 오븐 압력 설정치를 실제 오븐 압력 판독치로 조정한다. 이것은, 압력 제어 설정치용 HMI 스크린에서 명시되는 지침을 따르는 것에 의해 행해질 수 있다. 온도의 균형을 맞춤에 있어서 보조하기 위해, 필요에 따라, 도어 및 하부 연도 댐퍼를 점검하고 조정한다.

두 번째 액션: 20분을 대기한다. 온도가 재조정이 시작하면, 아무 것도 하지 않는다. 하부 연도 온도가 100 ℉ 이내이면, 오븐 압력 설정치를, NTE 상태가 발생하기 이전의 오븐 압력 설정치로 다시 되돌리기 시작한다. 취해진 액션 및 결과를 턴 매니저(Turn Manager)에게 보고한다.

세 번째 액션: 20분 이내에 온도 균형 맞춤이 시작하지 않거나 또는 20분이 경과하기 전에 하부 연도 온도 차이가 350도에 도달하면, 두 댐퍼 제어를 수동 모드에 둔다. 버너 또는 오퍼레이터는, 댐퍼 컨트롤러용 HMI 스크린의 항목 C에서 명시되는 지침을 사용하여 통풍관 댐퍼를 수동으로 조정해야 한다. 버너 또는 오퍼레이터는 필요에 따라 도어 및 하부 연도 댐퍼도 또한 조정해야 한다. 온도차가 100 ℉로 떨어지면, 두 댐퍼 제어는 다시 자동으로 될 수 있고 오븐 압력 설정치는 NTE 상태가 발생하기 전의 오븐 압력 설정치로 리턴될 수 있다. 균형 잡힌 하부 연도 온도를 유지하기 위해, 통풍관 댐퍼를 바이어싱하는 것이 필요할 수도 있다. 이것은, 상기의 오븐 댐퍼를 바이어싱하는 예를 따르는 것에 의해, 행해질 수 있다. 버너 또는 오퍼레이터는 오븐을 모니터링하고 필요에 따라 도어 및 하부 연도 댐퍼를 조정해야 한다. 버너 또는 오퍼레이터는 취한 모든 액션과 결과를 턴 매니저에게 보고해야 한다.

경보에 대한 버너 또는 오퍼레이터 응답

댐퍼 컨트롤러용 HMI 스크린의 항목 G에서 나열되는 경보는, 버너 또는 오퍼레이터로부터 다음의 응답을 필요로 한다.

SENSOR FAULT/BAD VALUE(센서 오류/잘못된 값)는 댐퍼가 자신의 마지막 위치에 머물러 있는 상태에서 댐퍼 컨트롤러가 수동으로 전환하게 할 것이다. 버너 또는 오퍼레이터는 댐퍼 컨트롤러용 HMI 스크린의 항목 C에 명시되는 지침을 사용하여 댐퍼를 수동으로 제어해야 한다. 버너 또는 오퍼레이터는 압력 센서를 수리하기 위해 응급 작업 명령(emergency work order)을 입력해야 한다.

DMPR POS FLT(댐퍼 위치 오류)는 댐퍼가 자신의 마지막 위치에 머물러있는 상태에서 댐퍼 컨트롤러가 수동으로 전환하게 할 것이다. 버너 또는 오퍼레이터는 댐퍼 컨트롤러용 HMI 스크린의 항목 C에 명시되는 지침을 사용하여 댐퍼를 수동으로 제어해야 한다. 버너 또는 오퍼레이터는 레이더 위치결정 시스템을 수리하기 위해 긴급 작업 명령을 입력해야 한다.

DMPR 드리프트(댐퍼 드리프트)는 제어 시스템에 영향을 끼치지 않는다. 버너 또는 오퍼레이터는 댐퍼 연결 장치(linkage)를 검사하고 수리하기 위해 작업 명령을 입력해야 한다.

알람에 대한 버너 또는 오퍼레이터 응답:

SENSOR FAULT/BAD VALUE(센서 오류/잘못된 값)는 댐퍼가 자신의 마지막 위치에 머물러 있는 상태에서 댐퍼 컨트롤러가 수동으로 전환하게 할 것이다. 버너 또는 오퍼레이터는 댐퍼 컨트롤러용 HMI 스크린의 항목 C에서 명시되는 지침을 사용하여 수동으로 댐퍼를 제어할 수도 있다. 버너 또는 오퍼레이터는 압력 센서를 수리하기 위해 응급 작업 명령(emergency work order)을 입력해야 한다.

DMPR POS FLT(댐퍼 위치 오류)는 댐퍼가 자신의 마지막 위치에 머물러있는 상태에서 댐퍼 컨트롤러가 수동으로 전환하게 할 것이다. 버너 또는 오퍼레이터 또는 오퍼레이터는 댐퍼 컨트롤러용 HMI 스크린의 항목 C에서 명시되는 지침을 사용하여 수동으로 댐퍼를 제어할 수도 있다. 버너 또는 오퍼레이터는 레이더 위치결정 시스템을 수리하기 위해 긴급 작업 명령을 입력해야 한다.

EVS 통풍 변경 외란을 무시하는 피드 포워드 제어:

앞서 언급된 바와 같이, 열 회수 증기 발생기 제어가 오븐 컨트롤러를 하류 동작으로부터 분리시키는 경우에도, 열 회수 증기 발생기 중 하나가 다운되는 경우, 새로운 동작 모드를 위해 비상 배기 스택 통풍 설정치가 변경되어야 한다. 이것은 크라운과 하부 연도 온도 변화를 만들 오븐에 대한 외란을 유도할 수 있을 것이다. 오븐 제어 스킴에 나타내어지는 바와 같은 피드백 제어는, 열 관성으로 인해 오븐 온도가 반응하는 데 시간이 오래 걸리기 때문에, 너무 느리게 반응할 수도 있다. 온도가 반응할 때, 보상을 위해 피드백 제어가 통풍관을 움직이는 것은 너무 늦을 수도 있다(예를 들면, 오븐이 이미 냉각되었을 수도 있고, 오븐을 온난한 상태로 유지하는 데 필요로 되는 모든 연도 가스를 상실했을 수도 있다). 이러한 외란을 효과적으로 방지하기 위해, 오븐 냉각을 염두에 두고 통풍 설정치가 증가될 때 오퍼레이터가 통풍관을 닫기 시작할 수 있는 피드 포워드 제어 액션을 추가할 수 있다. 이것은 제어 스킴 1A에 대한 도 22에 도시된다. 이 조정은 상기에서 논의되는 모든 제어 스킴에 적용될 수 있다.

동작에서, 최적의 오븐 동작은, 크라운 및 하부 연도의 온도 프로파일을 소망하는 프로파일로 제어하도록 모든 크라운, 하부 연도 및 통풍관 댐퍼를 사용하여 완전히 자동화된 오븐을 구현하는 것이다. 단일의 루프 또는 다중 변수 제어 스킴의 사용은, 상호 작용의 양, 다른 외란을 무시하는 능력 및 제어 변수를 그 궤적에 유지하기 위한 컨트롤러의 성능에 의존할 것이다.

모든 조작 변수가 제어에 이용 가능하지 않은 경우, 조작 변수의 감소된 세트를 갖는 대안적인 스킴이 사용될 수도 있다. 예를 들면, 제어 스킴 1, 1A, 1B, 2 또는 3 중 임의의 것이 조작 변수의 감소된 세트와 함께 사용될 수 있을 것이다. 소정의 변수가 조작 변수로서 사용되지 않으면, 그들이 수동으로 변동될 때 그들은 외란으로 간주될 수 있다.

HRSG 제어

제어 시스템 H4에 도시된 바와 같이 유량 제어 하의 하나의 열 회수 증기 발생기 및 압력 제어 하의 다른 모든 열 회수 증기 발생기를 갖는 대신, 이를 반대로 하여 압력 제어 하의 하나의 열 회수 증기 발생기 및 유량 제어 하의 다른 모든 열 회수 증기 발생기를 가질 수 있을 것이다. 이 대안적인 스킴은, 열 회수 증기 발생기 사이에서 유량을 사용자 명시 값으로 분배하는 것을 도울 것이고 하나의 열 회수 증기 발생기가 플로터(floater)로서 작용하여 압력 변동을 흡수하는 것을 허용할 것이다. 이 스킴은 도 23에서와 같이 비상 배기 스택이 열 회수 증기 발생기로부터 분리될 때 유용할 것이다.

연소용 1차 공기 및 2차 공기

크라운 및 하부 연도의 구멍 위치는 다양할 수 있다. 예를 들면, 도어 설계가 상부 부분이 고정되고 하부가 탈착 가능한 두 피스의 설계인 경우, 1차 공기용 도어 구멍을 고정 도어의 상부 부분에 배치될 수 있을 것이고 그러므로 1차 공기 유량을 제어하도록 댐퍼 자동화 하드웨어가 쉽게 장착될 수 있을 것이다. 대안적으로, 크라운 대신, 1차 공기 구멍은 도어 구멍에 가까운 상부의 상인방(lintel)에 또한 위치될 수 있다. 마찬가지로, 2차 공기의 경우, 하부 연도의 구멍 위치는 다를 수 있을 것이다. 예를 들면, 단부 벽 대신 하부 연도의 바닥에서 구멍을 가질 수 있을 것이다. 상이한 위치의 조합도 또한 가능하다. 구멍은 일반적으로 임의의 제거 불가능한 표면 상에 있을 것이지만 그러나 제거 가능한 표면 상에서 구멍을 구비하는 것 및 구멍을 자동화하는 것도 또한 가능하다. 구멍이 어디에 있는지에 관계없이, 상기에서 설명되는 제어 스킴이 적용된다.

제어 스킴 조합: 상기에서 설명되는 제어 스킴은 상이한 방식으로 결합될 수 있을 것이다. 예를 들면, 단일의 루프 및 다중 변수 컨트롤러의 조합 또는 하부 계층의 단일의 루프 컨트롤러에 종속 접속되는 상부 계층의 다중 변수 컨트롤러를 구비할 수 있을 것이다. 또한, 연료가 풍부한 상태로부터 연료가 희박한 상태로의 전환은 크라운 및 하부 연도 둘 다에서 발생한다. 그러므로 전이에 대한 검출 스킴은 크라운 및 하부 연도 온도 제어 둘 모두에 적용된다.

또한, 상부 공기 구성을 갖는 오븐 제어 스킴에서, 각각의 상부 공기 구멍을 독립적으로 변화시키기 위해 개별적인 TIC를 사용할 수 있거나 또는 (도 11 및 도 18에 도시된 바와 같이) 각각의 측면 또는 임의의 조합의 구멍 위치를 동일하게 제어하기 위해 공통 매니 폴드를 사용할 수 있다.

오븐으로부터의 예시적인 제어 데이터 판독치:

전문가 자문 시스템(Expert Advisory System): 오퍼레이터는 온도 경향 및 통풍관 위치로부터의 정보를 사용하여, 현재의 일괄 처리 또는 미래의 일괄 처리 중 어느 하나에서 수동 액션을 취함에 있어서 오퍼레이터가 사용할 전문가 자문 시스템을 생성할 수 있다. 이것은 오븐 제어 스킴 1A, 1B 또는 1C가 사용되는 경우 특히 유용하다. 예를 들면, 전문가 자문 페이지는 아래 표 3에 나타낸 것과 같이 보일 수 있을 것이다.

표 3은, 통풍관의 자동 제어를 통한 온도 응답에 기초하여 현재의 그리고 미래의 일괄 처리에 변경을 가함에 있어서 버너 또는 오퍼레이터를 지원하기 위한 예시적인 전문가 자문 시스템을 예시한다. 코크스 오븐의 최적의 제어는, 오퍼레이터가 일괄 처리별 품질 편차(batch to batch quality variation)를 최소화하는 것, 제품 수율 및 처리량을 향상시키는 것 및 연도 가스를 사용하여 증기/발전을 극대화하는 것을 허용할 것이다.

수동 제어를 갖는 수평 열 회수 코크스 오븐의 경우, 오퍼레이터는 코크스 오븐으로 나가서 수동으로 코크스를 보고 도어 및 하부 연도 댐퍼를 조정해야 한다. 그들은 또한 댐퍼에 약간의 조정을 가하기 위해 크라운 및 하부 연도의 온도 프로파일을 살펴 본다. 통풍관은 사이클에서의 시간에 기초하여 특정한 고정 위치로 설정된다. 이것은 통풍 및 온도 프로파일을 제어하는 경험을 기반으로 한다. 그러나, 자동 제어는 버너별 동작에 의해 야기되는 불일치를 제거한다. 또한, 자동화는, 오퍼레이터가 행하기에는 인간의 견지에서 불가능한 것보다 더 높은 빈도(예를 들면, 1분 등등마다)로 시스템이 변경을 행하는 것을 가능하게 한다. 추가적으로, 시스템 사이에(예를 들면, 오븐과 열 회수 증기 발생기 사이에) 상호 작용이 존재하는 경우, 행할 움직임의 최적의 세트를 오퍼레이터가 계산하는 것은 어렵다. 컴퓨터화된 프로그램이 최적의 움직임을 계산하고 제안하는 것이 더 용이하다.

자동 제어는 또한, 제약 사항에 가까운 동작을 가능하게 한다. 제약 사항 경계 상의 동작은, 더 나은 효율성을 갖는 것에 의해 수익성이 향상되는 것을 가능하게 한다. 그것은 또한, 환경적 제어를 개선하는 것을 돕는다. 예를 들면, 사이클의 특정한 지점에서 양압에 의해 야기되는 가스 배출을 제거하도록, 생성 사이클에 따라 제어 시스템에 대한 가변 통풍 설정치를 쉽게 프로그래밍할 수 있다.

본 개시내용의 양태에 따르면, 코크스 플랜트는 다양한 모드, 예를 들면, 가스 공유 시스템이 설치되지 않은, 정상적인 낮은 통풍 동작을 갖는, 그리고 시스템을 최적화시키기 위해 온도 프로파일 시스템을 사용하는 초기 모드를 동작시킬 수 있을 것이다. 대안적으로, 코크스 플랜트는 일반적인 낮은 통풍 동작을 갖는 가스 공유 시스템 모드에서 실행할 수 있는데, 여기서 열 회수 증기 발생기 제어 시스템은 통풍의 균형을 맞추기 위해 사용되고 온도 프로파일 시스템은 시스템을 최적화시키기 위해 사용된다. 여전히 다른 실시형태에서, 코크스 플랜트는, 시스템이 높은 통풍 가스 공유로 전이하는 가스 공유 전이 모드에서 동작할 수 있고 통풍관 위치를 자동적으로 변경시키는 제어 시스템을 구비한다. 이 모드에 따르면, 시스템은, 예를 들면, 열 회수 증기 발생기의 예상치 않은 손실의 경우에, 가스 공유 모드로의 전환이 발생할 때, 동작하기 시작한다. 여전히 다른 실시형태에서, 코크스 플랜트는, 열 회수 증기 발생기를 사용하여 통풍의 균형을 맞추고 온도 제어 시스템을 사용하여 온도를 최적화시키는 가스 공유 통풍 모드에서 동작하도록 가스 공유 시스템을 사용함에 있어서 동작할 수 있을 것이다.

실험 결과는 본 명세서에서 설명되는 제어 효과를 확인한다. 하부 연도 온도, 크라운 온도 및 스택 통풍에 대한 피드 포워드 제어의 통합 컴포넌트 제어의 보상은 결합하여, 더 높은 수율, 더 빠른 처리량 및 증가된 부산물을 갖는 최적화된 시스템을 산출한다.

실험 결과

통합 컴포넌트에 대한 예시적인 제어 조정

3개의 제어 스킴: 하부 연도 온도 바이어스, 크라운 온도, 스택 통풍

하부 연도 온도 바이어스

- 하부 연도를 50 ℉ 이내로 유지하기 위해 항상

크라운 온도 제어

- 크라운 온도가 넘어가기 시작하면, 통풍관이 닫히기 시작할 것이다

항상 스택 통풍에 대한 피드 포워드 제어

- 스택 압력이 증가하면, 오븐에 대한 더 높은 통풍의 영향을 낮추기 위해 통풍관이 닫힐 것이다

이웃 오븐에 장입이 이루어지면 SF 바이어싱 및 크라운 온도가 비활성화된다

- 제어는 1.25 시간 동안 비활성화된다

통합 컴포넌트에 대한 예시적인 하부 연도 바이어싱 제어

0 - 50 F 차이: 아무 것도 하지 않음

50 - 100 F 차이: 반대 방향에서의 1" 움직임

100 - 150 F 차이: 반대 방향에서의 2" 움직임

150 F 초과 차이: 반대 방향에서의 3" 움직임

댐퍼 사이의 최대 허용 가능한 간격은 6"이다

TC가 3000 초과 또는 1000 미만이면, SF 바이어싱은 턴오프할 것이다

크라운 온도 제어의 예시적인 그래프

예시적인 피드 포워드 제어

통풍관 움직임 = 이득(Gain)*e-스택 통풍 변경

- 그것은 가스 공유 모드에 있을 때 오븐에 대한 높은 통풍의 영향을 감소시키는 것을 목표로 한다

- 항상

- 현재 스택 및 두 개의 인접 오븐에 대해서만(테스트 오븐 중 150 및 152에 대해서만) 적용됨

- 현재 통풍이 -0.7보다 더 큰 경우에만 트리거됨

- 통풍이 증가하면(예를 들면, -0.6에서 -0.75로), 그것은 통풍관을 닫을 것이다

- 통풍이 증가한 후에 감소하면, 그것은 통풍관을 다시 개방할 것이다(통풍관을 개방하는 것은 36시간 이후에 비활성화된다)

- 이득: 테스팅으로부터의 데이터에 기초하여 엔지니어에 의해 설정되는 조정 파라미터. 지원 엔지니어에 의해서만 변경될 수 있음

예시적인 통합 제어 시스템

예시적인 자동 제어 성능 그래프

예시적인 자동 제어 성능

예시적인 버너 또는 오퍼레이터 개입 프로토콜

예시적인 자동 제어 턴온/턴오프

컨트롤러 관점으로부터의 예시적인 자동 제어 조정

본 명세서에서 활용되는 바와 같이, 용어 "대략", "약", "실질적으로", 및 유사한 용어는, 본 개시내용의 주제가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 일반적인 그리고 수용되는 사용법과 조화하여 넓은 의미를 가지도록 의도된다. 이들 용어는 설명되는 그리고 청구되는 소정의 피쳐의 설명을, 이들 피쳐의 범위를 제공되는 정확한 수치적 범위로 제한하지 않으면서, 허용하도록 의도된다는 것이, 본 개시를 검토하는 기술 분야의 숙련된 자에 의해 이해되어야 한다. 따라서, 이들 용어는, 설명되는 주제의 비현실적인 또는 논리에 맞지 않는 수정예 또는 변경예가 본 개시내용의 범위 내에 있는 것으로 간주된다는 것을 나타내는 것으로 해석되어야 한다.

다양한 실시형태를 설명하기 위해 본 명세서에서 사용되는 바와 같은 용어 "예시적인"은, 이러한 실시형태가 가능한 실시형태의 가능한 예, 표현, 및/또는 예시임을 나타내도록 의도된다는 것을(그리고 이러한 용어는, 이러한 실시형태가 반드시 특별한 또는 최상의 예임을 암시하도록 의도되지는 않는다는 것을) 유의해야 한다.

다양한 엘리먼트의 방위는 다른 예시적인 실시형태에 따라 상이할 수도 있다는 것, 및 그러한 변형은 본 개시에 의해 포함되도록 의도된다는 것을 유의해야 한다.

예

다음의 예는 본 기술의 여러 가지 실시형태의 예시이다.

1. 코킹 오븐의 제어를 통합하기 위한 시스템으로서:

제어 가능한 공기 개구들을 구비하는 오븐 챔버로서, 오븐 챔버는 온도 프로파일 내에서 동작하도록 구성되고, 공기 개구의 개방 및/또는 폐쇄는, 시스템에서의 제어 변수로서의 오븐 챔버에서의 최적의 설정치 온도 프로파일 궤적에 응답하는 조작 변수로서 제어 가능한, 오븐 챔버;

오븐 챔버와 유체 연통하는 통풍관으로서, 통풍관 댐퍼는 제어 변수로서의 오븐의 온도 프로파일에서의 변화에 응답하는 조작 변수로서 제어 가능한, 상기 통풍관을 포함하되;

제어 변수 및 조작 변수는, 코킹 속도, 시스템의 에너지 효율, 생성물 수율 및 부산물의 최적화를 제어한다.

2. 예 1의 시스템으로서, 오븐 챔버는 크라운 및 하부 연도를 포함하고, 제어 변수는 크라운에서의 온도, 하부 연도에서의 온도, 및/또는 크라운에서의 통풍을 제어하는 것을 포함한다.

3. 예 2의 시스템으로서, 오븐 챔버 및/또는 하부 연도는 푸시 측 및 코크스 측을 포함하고, 제어 변수는 푸시 측과 코크스 측 사이의 온도 차이에 대한 제어를 포함한다.

4. 예 1의 시스템으로서, 공기 개구는, 하부 연도 댐퍼, 도어 구멍 댐퍼, 또는 크라운에서의 상부 공기 구멍 댐퍼 중 적어도 하나이며, 조작 변수는, 오븐 챔버 내의 온도 프로파일 궤적에 응답하여, 통풍관, 하부 연도 댐퍼, 도어 구멍 댐퍼 또는 상부 공기 구멍 댐퍼를 개방하거나 폐쇄하는 것을 포함한다.

5. 예 1의 시스템으로서, 오븐과 유체 연통하는 공통 터널, 열 회수 증기 발생기들 및 비상 배기 스택을 더 포함하고, 열 회수 증기 발생기는 시스템에서의 통풍을 유지하도록 구성되는 압력 제어 밸브를 포함한다.

6. 예 1의 시스템으로서, 오븐과 유체 연통하는 공통 터널, 가스 공유 터널, 복수의 열 회수 증기 발생기 및 비상 배기 스택을 더 포함하고, 복수의 열 회수 증기 발생기는 가스 공유 터널에서의 통풍의 균형을 맞추도록 구성된다.

7. 예 6의 시스템으로서, 열 회수 증기 발생기 중 적어도 하나는 열 회수 증기 발생기를 통한 배기 가스 유량을 측정하기 위한 질량 유량계(mass flow meter)를 포함한다.

8. 코크스 플랜트의 동작을 최적화시키는 방법으로서,

코크스 및 배기 가스를 생성하도록 복수의 코크스 오븐을 동작시키는 것으로서, 각각의 코크스 오븐은 결정된 온도 범위에서 동작하도록 적응되는 크라운 및 하부 연도를 포함하고, 크라운 및 하부 연도는 공기를 도입하기 위한 제어 가능한 개구들을 포함하고, 각각의 코크스 오븐은 코크스 오븐에서의 오븐 통풍을 제어하도록 적응되는 통풍관 댐퍼를 포함하는, 복수의 코크스 오븐을 동작시키는 것;

각각의 코크스 오븐으로부터의 배기 가스를 공통 터널로 유도하는 것;

복수의 열 회수 증기 발생기를 공통 터널에 유체적으로 연결하는(fluidly connecting) 것;

모든 열 회수 증기 발생기를 동작시키고 배기 가스의 일부가 열 회수 증기 발생기의 각각으로 흐르도록 배기 가스를 분배하는 것;

각각의 코크스 오븐의 오븐 통풍을 목표로 하는 오븐 통풍의 데드밴드에서 또는 내에서 유지하도록, 각각의 코크스 오븐의 통풍관 댐퍼를 자동적으로 제어하는 것; 및

각각의 코크스 오븐의 오븐 온도를 결정된 온도 범위에서 유지하도록 크라운 및/또는 하부 연도의 제어 가능한 개구를 자동으로 제어하는 것을 포함한다.

9. 예 8의 방법으로서:

가스 공유 동작 모드에서, 열 회수 증기 발생기 중 하나의 동작을 정지시키는 것 및 배기 가스의 일부가 결정된 온도 범위 밖으로 벗어나지 않으면서 나머지 동작 중인 열 회수 증기 발생기의 각각을 통해 흐르도록, 배기 가스를 유도하는 것을 더 포함한다.

10. 예 8의 방법으로서:

각각의 코크스 오븐의 오븐 온도를 결정된 온도 범위 내에서 유지하도록, 각각의 코크스 오븐의 통풍관 댐퍼, 크라운 및/또는 하부 연도의 제어 가능한 개구를 자동적으로 제어하는 것을 더 포함한다.

11. 예 10의 방법으로서,

각각의 통풍관 댐퍼 근처의 통풍관 덕트 산소 농도를 어떤 산소 농도 범위 내에서 유지하도록, 각각의 코크스 오븐의 통풍관 댐퍼, 크라운 및/또는 하부 연도의 제어 가능한 개구를 자동적으로 제어하는 것을 더 포함한다.

12. 예 8의 방법으로서:

13. 예 8의 방법으로서:

공통 터널 내의 공통 터널 온도를 결정된 온도 범위 내에서 유지하도록, 각각의 코크스 오븐의 통풍관 댐퍼, 크라운 및/또는 하부 연도의 제어 가능한 개구를 자동적으로 제어하는 것을 더 포함한다.

14. 예 8의 방법으로서:

적어도 하나의 코크스 오븐의 이전 코킹 사이클에서의 경과 시간에 관련되는 이력적 통풍관 댐퍼, 크라운 및/또는 하부 연도의 제어 가능한 개구 위치 결정을 결정하는 것; 및

현재 코킹 사이클에서의 경과한 시간에 관련하는 이력적 통풍관 댐퍼, 크라운 및/또는 하부 연도의 제어 가능한 개구 위치 데이터에 기초하여, 각각의 코크스 오븐의 통풍관 댐퍼, 크라운 및/또는 하부 연도의 제어 가능한 개구를 자동적으로 제어하는 것을 더 포함한다.

15. 예 8의 방법으로서:

온도 센서 입력에 응답하여 각각의 코크스 오븐의 크라운 및/또는 하부 연도의 제어 가능한 개구를 자동적으로 제어하는 것을 더 포함한다.

16. 예 15의 방법으로서:

산소 센서 입력에 응답하여 각각의 코크스 오븐의 크라운 및/또는 하부 연도의 제어 가능한 개구를 자동적으로 제어하는 것을 더 포함한다.

17. 예 16의 방법으로서,

온도 센서 입력 및/또는 산소 센서 입력에 응답하여, 각각의 코크스 오븐의 통풍관 댐퍼를 자동적으로 제어하는 것을 더 포함한다.

18. 예 15의 방법으로서:

각각의 코크스 오븐의 오븐 챔버 온도를 어떤 온도 범위 내에서 유지하도록, 각각의 코크스 오븐의 통풍관 댐퍼, 크라운 및/또는 하부 연도의 제어 가능한 개구를 자동적으로 제어하는 것을 더 포함한다.

19. 예 15의 방법으로서:

각각의 코크스 오븐의 하부 연도 온도를 결정된 온도 범위 내에서 유지하도록, 각각의 코크스 오븐의 통풍관 댐퍼를 자동적으로 제어하는 것을 더 포함한다.

20. 예 15의 방법으로서:

각각의 코크스 오븐의 통풍관 덕트 온도를 결정된 온도 범위 내에서 유지하도록, 각각의 코크스 오븐의 통풍관 댐퍼를 자동적으로 제어하는 것을 더 포함한다.

21. 예 15의 방법으로서:

복수의 크로스오버 덕트를 제공하는 것을 더 포함하되, 각각의 크로스 오버 덕트는 열 회수 증기 발생기 중 하나에 연결되고 교차점에서 공통 터널에 연결된다.

22. 예 21의 방법으로서:

가스 공유 동작 모드에서, 열 회수 증기 발생기 중 하나의 동작을 정지시키는 것 및 배기 가스의 일부가 나머지 동작 중인 열 회수 증기 발생기의 각각을 통해 흐르도록, 배기 가스를 유도하는 것을 더 포함한다.

23. 예 22의 방법으로서:

오븐 통풍을 목표로 하는 오븐 통풍으로부터의 데드밴드에서 또는 내에서 유지하도록 각각의 코크스 오븐의 통풍관 댐퍼를 자동적으로 제어하는 이전에, 목표로 하는 오븐 통풍보다 작은 예측된 오븐 통풍을 예상하는 것을 더 포함한다.

24. 예 15의 방법으로서:

열 회수 증기 발생기를 통과하는 배기 가스의 유량을 제어하도록 적응되는 열 회수 증기 발생기 댐퍼를, 각각의 열 회수 증기 발생기의 하류에 제공하는 것; 및

목표로 하는 배기 스택 통풍을 통풍 범위 내에서 유지하도록, 적어도 하나의 열 회수 증기 발생기 댐퍼를 자동적으로 제어하는 것을 더 포함한다.

25. 예 15의 방법으로서:

적어도 하나의 통풍관 댐퍼를 완전 열린 위치로 자동적으로 제어하는 것; 및

공통 터널 통풍 범위 내에 떨어지도록 열 회수 증기 발생기 댐퍼를 자동적으로 제어하는 것을 더 포함한다.

26. 코크스 오븐으로서:

오븐 챔버;

오븐 챔버와 유체 연통하는 통풍관 덕트로서, 통풍관 덕트는 오븐 챔버로부터의 배기 가스를 수용하도록 구성되는, 통풍관 덕트;

통풍관 덕트와 유체 연통하는 공통 터널로서, 공통 터널은 통풍관 덕트로부터의 배기 가스를 수용하도록 구성되는, 공통 터널;

공통 터널과 유체 연통하는 적어도 하나의 열 회수 증기 발생기를 포함하고;

상기 열 회수 증기 발생기는,

통풍관 덕트와 유체 연통하는 통풍관 댐퍼로서, 통풍관 댐퍼는 완전 개방된 것 및 완전히 폐쇄된 것을 포함하는 복수의 위치 중 임의의 위치에 위치되고, 통풍관 댐퍼는 오븐 통풍을 제어하도록 구성되는, 통풍관 댐퍼;

위치 지침에 응답하여 복수의 위치 사이에서 통풍관 댐퍼의 위치를 변경하도록 구성되는 액추에이터;

열 회수 증기 발생기와 유체 연통하는 열 회수 증기 발생기 댐퍼로서, 열 회수 증기 발생기 댐퍼는 완전 개방된 것 및 완전히 폐쇄된 것을 포함하는 복수의 위치 중 임의의 위치에 위치되고, 열 회수 증기 발생기 댐퍼는 공통 터널 통풍을 제어하도록 구성되는, 열 회수 증기 발생기 댐퍼;

코크스 오븐의 동작 상태를 검출하도록 구성되는 센서로서, 센서는 오븐 통풍을 검출하도록 구성되는 통풍 센서, 오븐 챔버 온도 또는 하부 연도 온도를 검출하도록 구성되는 온도 센서, 및 통풍관 덕트에서의 통풍관 덕트 산소 농도를 검출하도록 구성되는 산소 센서 중 하나를 포함하는, 센서; 및

액추에이터와 그리고 센서와 통신하는 컨트롤러로서, 컨트롤러는 센서에 의해 검출되는 동작 상태에 응답하여 열 회수 증기 발생기 액추에이터를 작동시키도록 구성되는 열 회수 증기 발생기 액추에이터에 또는 통풍관 댐퍼를 작동시키도록 구성되는 통풍관 액추에이터에 위치 지침을 제공하도록 구성되는, 컨트롤러를 제공하도록 구성된다.

27. 예 26의 코크스 오븐으로서, 센서는 오븐 온도를 검출하도록 구성되는 온도 센서를 포함한다.

28. 예 27의 코크스 오븐으로서, 센서는 오븐 챔버 내에 위치된다.

29. 예 28의 코크스 오븐으로서, 위치 지침은 센서에 의해 검출되는 과열 상태에 응답하여 오븐 안으로의 과잉 공기를 허용하도록 구성된다.

30. 예 26의 코크스 오븐으로서, 센서는 통풍관 덕트 내의 통풍관 덕트 산소 농도를 검출하도록 구성되는 산소 센서를 포함한다.

31. 예 30의 코크스 오븐으로서, 위치 지침은 통풍관 덕트 산소 농도를 어떤 산소 농도 범위 내에서 유지하도록 구성된다.

32. 예 26의 코크스 오븐으로서, 센서는 하부 연도 온도를 검출하도록 구성되는 온도 센서를 포함한다.

33. 예 32의 코크스 오븐으로서, 위치 지침은 센서에 의해 검출되는 과열 상태에 응답하여 오븐 안으로의 과잉 공기를 허용하도록 구성된다.

34. 예 33의 코크스 오븐으로서,

오븐 챔버에서 오븐 온도를 검출하도록 구성되는 온도 센서를 더 포함하되;

센서는 오븐 통풍을 검출하도록 구성되는 통풍 센서를 포함하고;

컨트롤러는, 통풍 센서에 의해 검출되는 오븐 통풍 및 온도 센서에 의해 검출되는 오븐 온도에 응답하여, 액추에이터에 위치 지침을 제공하도록 구성된다.

다양한 예시적인 실시형태에서 설명되고 도시된 바와 같은 장치, 시스템 및 방법의 구성 및 배치가 단지 예시적이라는 것을 주목하는 것이 또한 중요하다. 비록 본 개시에서 단지 몇몇의 실시형태가 상세히 설명되었지만, 본 개시를 검토하는 기술 분야의 숙련된 자는, 청구범위에 기재된 주제의 신규의 교시 및 이점으로부터 본질적으로 벗어나지 않으면서 많은 수정(예를 들면, 다양한 엘리먼트의 사이즈, 치수, 구조, 형상 및 비례, 파라미터의 값, 장착 배치, 재료의 사용, 방위, 등등에서의 변화)이 가능하다는 것을 쉽게 인식할 것이다. 예를 들면, 일체로 형성되는 것으로 표시되는 엘리먼트는 다수의 부품 또는 엘리먼트로 구성될 수도 있고, 엘리먼트의 위치는 반대로 또는 다르게 변경될 수 있으며, 별개의 엘리먼트의 성질 또는 수 또는 위치는 수정 또는 변경될 수도 있다. 임의의 프로세스 또는 방법 단계의 순서 또는 시퀀스는, 대안적인 실시형태에 따라 변경 또는 재배열될 수도 있다. 본 개시내용의 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 예시적인 실시형태의 설계, 동작 조건 및 배치에서 다른 대체, 수정, 변경 및 생략이 또한 이루어질 수도 있다.

본 개시내용은 다양한 동작을 달성하기 위한 임의의 기계 판독 가능 매체 상의 방법, 시스템 및 프로그램 제품을 고려한다. 본 개시내용의 실시형태는, 현존하는 컴퓨터 프로세서를 사용하여, 또는 이 목적 또는 다른 목적을 위해 통합되는 적절한 시스템에 대한 특수 목적의 컴퓨터 프로세서에 의해, 또는 하드웨어에 내장된 시스템(hardwired system)에 의해 구현될 수도 있다. 본 개시내용의 범위 내의 실시형태는, 머신 실행 가능 명령어 또는 데이터 구조를 반송하기 위한 또는 상부에 저장하기 위한 머신 판독가능 매체를 포함하는 프로그램 제품을 포함한다. 이러한 머신 판독가능 매체는 범용 또는 특수 목적 컴퓨터 또는 프로세서를 갖는 다른 머신에 의해 액세스될 수 있는 임의의 이용 가능한 매체일 수 있다. 예로서, 이러한 머신 판독 가능 매체는, RAM, ROM, EPROM, EEPROM, CD-ROM 또는 다른 광 디스크 스토리지, 자기 디스크 스토리지 또는 다른 자기 저장 디바이스, 또는 데이터 구조 또는 머신 실행가능 명령어의 형태의 소망하는 프로그램 코드를 반송 또는 저장하기 위해 사용될 수 있으며 범용 또는 특수 목적 컴퓨터 또는 프로세서를 갖는 다른 머신에 의해 액세스될 수 있는 임의의 다른 매체를 포함할 수 있다. 정보가 네트워크 또는 다른 통신 연결(유선, 무선 또는 유선 또는 무선의 조합 중 어느 하나)을 통해 머신으로 전송 또는 제공되는 경우, 머신은 그 연결을 머신 판독가능 매체로서 적절히 간주한다. 따라서, 임의의 이러한 연결은 머신 판독가능 매체로 적절히 지칭된다. 상기의 조합은 머신 판독가능 매체의 범위 내에 또한 포함된다. 머신 실행 가능 명령어는, 예를 들면, 범용 컴퓨터, 특수 목적 컴퓨터, 또는 특수 목적 프로세싱 머신으로 하여금 소정의 기능 또는 기능의 그룹을 수행하게 하는 명령어 및 데이터를 포함한다.

또한, 비록 본 기술이 소정의 구조, 재료 및 방법론적 단계에 고유한 언어로 설명되었지만, 첨부된 청구범위에서 정의되는 본 발명은, 설명되는 특정한 구조, 재료 및/또는 단계에 반드시 제한되는 것은 아니다는 것이 이해되어야 한다. 오히려, 특정한 양태 및 단계는, 청구된 발명을 구현하는 형태로서 설명된다. 또한, 특정한 실시형태의 맥락에서 설명되는 신규의 기술의 소정의 양태는 다른 실시형태에서 결합 또는 제거될 수도 있다. 또한, 본 기술의 소정의 실시형태와 관련되는 이점이 이들 실시형태의 맥락에서 설명되었지만, 다른 실시형태도 또한 이러한 이점을 나타낼 수도 있으며, 모든 실시형태가 본 기술의 범위 내에 속하는 이러한 장점을 반드시 나타낼 필요가 있는 것은 아니다. 따라서, 본 개시내용 및 관련된 기술은 본 명세서에서 명시적으로 나타내어지지 않는 또는 설명되지 않는 다른 실시형태를 포괄할 수 있다. 따라서, 본 개시내용은 첨부된 청구범위에 의한 것을 제외하고는 제한되지 않는다. 별도의 지시되지 않는 한, (청구 범위 외에) 본 명세서에서 사용되는 치수, 물리적 특성, 등등을 나타내는 것과 같은 모든 숫자 또는 표현은, 용어 "대략"에 의해 모든 경우에서 수정되는 것으로 이해된다. 아무리 못해도, 그리고 청구 범위와 균등론의 적용을 제한하고자 하는 시도로서가 아니라, 용어 "대략"에 의해 수정되는 명세서 또는 청구범위에 기재된 각각의 수치적 파라미터는 적어도 기재된 유효 자릿수의 수의 측면에서 그리고 일반적인 반올림 기술을 적용하는 것에 의해 해석되어야 한다. 더욱이, 본 명세서에서 개시되는 모든 범위는, 그 안에 포함되는 임의의 및 모든 하위 범위 또는 임의의 및 모든 개별 값을 열거하는 청구범위를 포괄하고 그 청구범위에 대한 지원을 제공하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들면, 1 내지 10의 명시된 범위는, 1의 최소값과 10의 최대 값 사이에 있는 임의의 그리고 모든 하위 범위 또는 개별 값; 즉, 1의 최소값 또는 그 이상으로 시작하고 10의 최대값 또는 그 이하로 끝나는 모든 하위 범위(예를 들면, 5.5 내지 10, 2.34 내지 3.56, 및 등등) 또는 1에서 10까지의 임의의 값(예를 들면, 3, 5.8, 9.9994, 및 등등)을 열거하는 청구범위를 포함하고 그리고 그 청구범위에 대한 지원을 제공하는 것으로 간주되어야 한다. 전술한 내용으로부터, 본 발명의 특정 실시형태가 예시의 목적을 위해 본 명세서에서 설명되었지만, 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 수정이 이루어질 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의한 것을 제외하고는 제한되지 않는다.

Claims

코킹 오븐(coking oven)의 제어를 통합하기 위한 시스템에 있어서,
제어 가능한 공기 개구들을 구비하는 오븐 챔버(oven chamber)로서, 상기 오븐 챔버는 온도 프로파일 내에서 동작하도록 구성되고, 상기 공기 개구들의 개방 및/또는 폐쇄는, 상기 시스템에서의 제어 변수로서의 상기 오븐 챔버에서의 최적의 설정치 온도 프로파일 궤적에 응답하는 조작 변수로서 제어 가능한 것인, 오븐 챔버;
상기 오븐 챔버와 유체 연통하는 통풍관(uptake) 댐퍼로서, 제어 변수로서의 상기 오븐의 상기 온도 프로파일에서의 변화에 응답하는 조작 변수로서 제어 가능한 통풍관 댐퍼
를 포함하고,
상기 제어 변수 및 상기 조작 변수는, 코킹 속도(coking rate), 상기 시스템의 에너지 효율, 생성물 수율 및 부산물의 최적화를 제어하며,
상기 오븐 챔버는 크라운(crown) 및 하부 연도(sole flue)들을 포함하고, 상기 제어 변수는 상기 크라운에서의 온도, 상기 하부 연도들에서의 온도, 및/또는 상기 크라운에서의 통풍(draft)을 제어하는 것을 포함하고,
상기 오븐 챔버 및/또는 상기 하부 연도는 푸시 측(push side) 및 코크스 측(coke side)을 포함하고, 상기 제어 변수는 상기 푸시 측과 상기 코크스 측 사이의 온도 차이에 대한 제어를 포함하는 것인, 코킹 오븐의 제어를 통합하기 위한 시스템.
제1항에 있어서, 상기 공기 개구는, 하부 연도 댐퍼(sole flue damper), 도어 구멍 댐퍼(door hole damper), 또는 상기 크라운에서의 상부 공기 구멍 댐퍼 중 적어도 하나이며, 상기 조작 변수는, 상기 오븐 챔버 내의 상기 온도 프로파일 궤적에 응답하여, 상기 통풍관 댐퍼, 하부 연도 댐퍼, 도어 구멍 댐퍼 또는 상부 공기 구멍 댐퍼를 개방하거나 폐쇄하는 것을 포함하는 것인, 코킹 오븐의 제어를 통합하기 위한 시스템.
제1항에 있어서, 상기 시스템은 상기 오븐과 유체 연통하는 공통 터널, 열 회수 증기 발생기(heat recovery steam generator)들 및 비상 배기 스택(emergency vent stack)을 더 포함하고, 상기 열 회수 증기 발생기는 상기 시스템에서의 통풍(draft)을 유지하도록 구성되는 압력 제어 밸브를 포함하는 것인, 코킹 오븐의 제어를 통합하기 위한 시스템.
제1항에 있어서, 상기 시스템은 상기 오븐과 유체 연통하는 공통 터널, 가스 공유 터널, 복수의 열 회수 증기 발생기 및 비상 배기 스택을 더 포함하고, 상기 복수의 열 회수 증기 발생기는 상기 가스 공유 터널에서의 통풍의 균형을 맞추도록 구성되는 것인, 코킹 오븐의 제어를 통합하기 위한 시스템.
제4항에 있어서, 상기 열 회수 증기 발생기 중 적어도 하나는 상기 열 회수 증기 발생기를 통한 배기 가스 유량(exhaust gas flow)을 측정하기 위한 질량 유량계(mass flow meter)를 포함하는 것인, 코킹 오븐의 제어를 통합하기 위한 시스템.
코크스 플랜트의 동작을 최적화시키는 방법에 있어서,
코크스 및 배기 가스를 생성하도록 복수의 코크스 오븐을 동작시키는 단계로서, 각각의 코크스 오븐은 결정된 온도 범위에서 동작하도록 되어 있는 크라운 및 하부 연도를 포함하고, 상기 크라운 및 상기 하부 연도는 공기를 도입하기 위한 제어 가능한 개구들을 포함하고, 상기 크라운 및/또는 상기 하부 연도는 푸시 측 및 코크스 측을 포함하며, 각각의 코크스 오븐은 상기 코크스 오븐에서의 오븐 통풍을 제어하도록 되어 있는 통풍관 댐퍼를 포함하는 것인, 상기 복수의 코크스 오븐을 동작시키는 단계;
각각의 코크스 오븐으로부터의 상기 배기 가스를 공통 터널로 유도하는 단계;
복수의 열 회수 증기 발생기를 상기 공통 터널에 유체적으로 연결하는(fluidly connecting) 단계;
모든 상기 열 회수 증기 발생기를 동작시키고, 상기 배기 가스의 일부가 상기 열 회수 증기 발생기 각각으로 흐르도록 상기 배기 가스를 분배하는 단계;
각각의 코크스 오븐의 상기 오븐 통풍을, 목표로 하는 오븐 통풍의 데드밴드에서 또는 상기 데드밴드 내에서 유지하도록, 각각의 코크스 오븐의 상기 통풍관 댐퍼를 자동적으로 제어하는 단계; 및
각각의 코크스 오븐의 오븐 온도를 상기 결정된 온도 범위에서 유지하도록, 그리고 상기 크라운 및/또는 상기 하부 연도의 푸시 측과 코크스 측 사이의 온도 차이를 제어하도록, 상기 크라운 및/또는 상기 하부 연도의 상기 제어 가능한 개구들을 자동으로 제어하는 단계
를 포함하는, 코크스 플랜트의 동작을 최적화시키는 방법.
제6항에 있어서,
가스 공유 동작 모드에서, 상기 열 회수 증기 발생기 중 하나의 동작을 정지시키고, 그리고 상기 배기 가스의 일부가 상기 결정된 온도 범위 밖으로 벗어나지 않으면서 나머지 동작 중인 열 회수 증기 발생기 각각을 통해 흐르도록 상기 배기 가스를 유도하는 단계를 더 포함하는, 코크스 플랜트의 동작을 최적화시키는 방법.
제6항에 있어서,
각각의 코크스 오븐의 오븐 온도를 상기 결정된 온도 범위 내에서 유지하도록, 각각의 코크스 오븐의 상기 통풍관 댐퍼, 상기 크라운 및/또는 상기 하부 연도의 상기 제어 가능한 개구를 자동적으로 제어하는 단계를 더 포함하는, 코크스 플랜트의 동작을 최적화시키는 방법.
제8항에 있어서,
각각의 통풍관 댐퍼 근처의 통풍관 덕트 산소 농도를 소정의 산소 농도 범위 내에서 유지하도록, 각각의 코크스 오븐의 상기 통풍관 댐퍼, 상기 크라운 및/또는 상기 하부 연도의 상기 제어 가능한 개구를 자동적으로 제어하는 단계를 더 포함하는, 코크스 플랜트의 동작을 최적화시키는 방법.
제6항에 있어서,
각각의 통풍관 댐퍼 근처의 통풍관 덕트 산소 농도를 소정의 산소 농도 범위 내에서 유지하도록, 각각의 코크스 오븐의 상기 통풍관 댐퍼, 상기 크라운 및/또는 상기 하부 연도의 상기 제어 가능한 개구를 자동적으로 제어하는 단계를 더 포함하는, 코크스 플랜트의 동작을 최적화시키는 방법.
제6항에 있어서,
상기 공통 터널 내의 공통 터널 온도를 상기 결정된 온도 범위 내에서 유지하도록, 각각의 코크스 오븐의 상기 통풍관 댐퍼, 상기 크라운 및/또는 상기 하부 연도의 상기 제어 가능한 개구를 자동적으로 제어하는 단계를 더 포함하는, 코크스 플랜트의 동작을 최적화시키는 방법.
제6항에 있어서,
적어도 하나의 코크스 오븐의 이전 코킹 사이클에서의 경과 시간에 관련되는 이력적 통풍관 댐퍼, 상기 크라운 및/또는 상기 하부 연도의 제어 가능한 개구 위치 결정을 결정하는 단계; 및
현재 코킹 사이클에서의 경과한 시간에 관련하는 상기 이력적 통풍관 댐퍼, 상기 크라운 및/또는 상기 하부 연도의 제어 가능한 개구 위치 데이터에 기초하여, 각각의 코크스 오븐의 상기 통풍관 댐퍼, 상기 크라운 및/또는 상기 하부 연도의 상기 제어 가능한 개구를 자동적으로 제어하는 단계
를 더 포함하는, 코크스 플랜트의 동작을 최적화시키는 방법.
제6항에 있어서,
온도 센서 입력에 응답하여 각각의 코크스 오븐의 상기 크라운 및/또는 상기 하부 연도의 상기 제어 가능한 개구를 자동적으로 제어하는 단계를 더 포함하는, 코크스 플랜트의 동작을 최적화시키는 방법.
제13항에 있어서,
산소 센서 입력에 응답하여 각각의 코크스 오븐의 상기 크라운 및/또는 상기 하부 연도의 상기 제어 가능한 개구를 자동적으로 제어하는 단계를 더 포함하는, 코크스 플랜트의 동작을 최적화시키는 방법.
제14항에 있어서,
온도 센서 입력 및/또는 산소 센서 입력에 응답하여, 각각의 코크스 오븐의 상기 통풍관 댐퍼를 자동적으로 제어하는 단계를 더 포함하는, 코크스 플랜트의 동작을 최적화시키는 방법.
제13항에 있어서,
각각의 코크스 오븐의 오븐 챔버 온도를 소정의 온도 범위 내에서 유지하도록, 각각의 코크스 오븐의 상기 통풍관 댐퍼, 상기 크라운 및/또는 상기 하부 연도의 상기 제어 가능한 개구를 자동적으로 제어하는 단계를 더 포함하는, 코크스 플랜트의 동작을 최적화시키는 방법.
제13항에 있어서,
각각의 코크스 오븐의 하부 연도 온도를 상기 결정된 온도 범위 내에서 유지하도록, 각각의 코크스 오븐의 상기 통풍관 댐퍼를 자동적으로 제어하는 단계를 더 포함하는, 코크스 플랜트의 동작을 최적화시키는 방법.
제13항에 있어서,
각각의 코크스 오븐의 통풍관 덕트 온도를 상기 결정된 온도 범위 내에서 유지하도록, 각각의 코크스 오븐의 상기 통풍관 댐퍼를 자동적으로 제어하는 단계를 더 포함하는, 코크스 플랜트의 동작을 최적화시키는 방법.
제13항에 있어서,
상기 방법은 복수의 크로스오버 덕트를 제공하는 단계를 더 포함하고, 각각의 크로스 오버 덕트는 상기 열 회수 증기 발생기 중 하나에 연결되고 교차점에서 상기 공통 터널에 연결되는 것인, 코크스 플랜트의 동작을 최적화시키는 방법.
제19항에 있어서,
가스 공유 동작 모드에서, 상기 열 회수 증기 발생기 중 하나의 동작을 정지시키고, 그리고 상기 배기 가스의 일부가 나머지 동작 중인 열 회수 증기 발생기 각각을 통해 흐르도록 상기 배기 가스를 유도하는 단계를 더 포함하는, 코크스 플랜트의 동작을 최적화시키는 방법.
제20항에 있어서,
상기 오븐 통풍을, 상기 목표로 하는 오븐 통풍으로부터의 데드밴드에서 또는 상기 데드밴드 내에서 유지하도록 각각의 코크스 오븐의 상기 통풍관 댐퍼를 자동적으로 제어하기 이전에, 상기 목표로 하는 오븐 통풍보다 작은 예측된 오븐 통풍을 예상하는 단계를 더 포함하는, 코크스 플랜트의 동작을 최적화시키는 방법.
제13항에 있어서,
상기 열 회수 증기 발생기를 통과하는 배기 가스의 유량을 제어하도록 되어 있는 열 회수 증기 발생기 댐퍼를, 각각의 열 회수 증기 발생기의 하류에 제공하는 단계; 및
상기 목표로 하는 배기 스택 통풍을 통풍 범위 내에서 유지하도록, 적어도 하나의 열 회수 증기 발생기 댐퍼를 자동적으로 제어하는 단계
를 더 포함하는, 코크스 플랜트의 동작을 최적화시키는 방법.
제13항에 있어서,
적어도 하나의 통풍관 댐퍼를 완전 열린 위치로 자동적으로 제어하는 단계; 및
상기 열 회수 증기 발생기를 통과하는 배기 가스의 유량을 제어하도록 되어 있는 열 회수 증기 발생기 댐퍼를, 각각의 열 회수 증기 발생기의 하류에 제공하는 단계; 및
공통 터널 통풍 범위 내에 떨어지도록 상기 열 회수 증기 발생기 댐퍼를 자동적으로 제어하는 단계
를 더 포함하는, 코크스 플랜트의 동작을 최적화시키는 방법.
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