KR20020024453A - 보일러의 열적 특성을 이용한 소각로 제어방법 - Google Patents

Abstract

소각로에 투입되는 쓰레기의 저위 발열량 값을 이용하여 소각로에서 쓰레기를 원활하게 소각할 수 있도록 하는 보일러의 열적 특성을 이용한 소각로 제어방법이 개시되어 있다. 크레인에 의해 연소실에 투입되는 쓰레기 투입량은 투입량측정부에 의해 측정되고, 상기 쓰레기 투입량(W1)에 따른 저위 발열량(LHV)이 산출된다. 상기 저위 발열량(LHV)은 운전자가 목표치로 설정한 목표 증기량(Ssv)과 함께 연산되어져 목표증기량(Ssv)과 저위 발열량(LHV)에 해당하는 이상적인 쓰레기 투입량(W2)을 산출해 낸다. 또한, 상기 보일러(28)의 증기발생량(Spv)을 유량계로 계측하여 주제어기의 입력으로 보내지며, 주연산기(C1)에서는 목표 증기발생량(Ssv)과 계측되어진 실제 증기발생량(Spv)을 PID제어로 연산하여 실제 정격 소각용량의 일정비율의 소각량(W3)을 산출한다. 상기 투입할 쓰레기량(W2)과 목표 증기량(Ssv)과 실제 증기발생량(Spv)에 의해 주연산기(C1)에서 연산된 출력신호(W3)를 합산(W2+W3)하여 최종 목표 쓰레기 소각량(Wt)을 산출함으로서 주제어기는 피더 및 화격자 그리고 제1공기공급부 및 제2공기공급부를 제어하여 연소실에 투입되는 쓰레기 투입량을 적절하게 조절할 수 있다.

Description

보일러의 열적 특성을 이용한 소각로 제어방법{Method for controlling an incinerator make use of boiler's thermal capacity}

본 발명은 쓰레기 소각로에 관한 것으로, 보다 상세하게는 소각로에 투입되는 쓰레기의 저위 발열량 값을 이용하여 소각로에서 쓰레기를 원활하게 소각할 수 있도록 하는 보일러의 열적 특성을 이용한 소각로 제어방법에 관한 것이다.

종래의 쓰레기 소각로의 운전방법은 보일러에서 발생되는 증기 발생량을 검출하여 보일러에서 발생되는 증기 발생량이 항상 일정하도록 소각로를 제어한다. 도 1은 일반적인 쓰레기 소각로를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 종래의 쓰레기 소각로를 제어하는 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면, 쓰레기 소각로(10)는 쓰레기 운반차량으로부터 투입되는 쓰레기가 일시적으로 저장되는 쓰레기 저장부(26)가 구비되고, 상기 쓰레기 저장부(26)에 저장되는 쓰레기는 크레인(12)에 의해 호퍼슈트(16)를 통해 피더(14)에 공급된다. 상기 피더(14)에 공급된 쓰레기는 피더(14)에 의해 일정량씩 화격자(20)에 공급되고, 상기 화격자(20)는 피더(14)에 의해 공급된 쓰레기를 이송 및 교반하여 쓰레기가 원활하게 연소되도록 한다. 상기 화격자(20)의 하부에는 화격자(20)측으로 공기를 공급하여 화격자(20)에서 쓰레기가 원활하게 연소할 수 있도록 하는 제1공기공급부(22)가 구비되고, 상기 피더(14)의 근접부에는 화격자(20)의 상단 2차연소실(38)에서 미처 연소하지 못한 미연분을 완전히 연소할 수 있도록 하기 위한 2차 공기가 주입되는 제2공기공급부(24)가 구비된다.

상기 연소실(34)의 상측에는 보일러(28)가 구비되고, 상기 보일러(28)에는 연소실(34)에서 쓰레기가 연소되면서 발생되는 증기를 측정하는 유량계(32)가 구비되고, 2차연소실(38)의 온도를 측정하는 온도측정부(40)가 구비된다. 또한, 상기 크레인(12)에는 투입량측정부(18)가 구비되어 크레인(12)에 의해 연소실(34)측으로 투입되는 쓰레기의 량을 측정하여 주제어기(도시 안됨)에 인가한다.

상기와 같은 구조를 갖는 종래의 쓰레기 소각로(10)는 보일러(28)의 유량계(32)에서 증기 발생량(S1)을 측정하고, 상기 유량계(32)에서 측정된 증기 발생량은 주제어기에서 기준값(S2)과 비교하여 화격자(20) 및 피더(14)의 동작을 제어한다. 그리고 온도측정부(40)에서 측정되는 2차연소실(38)의 온도와 배기가스 산소농도측정부(36)에서 측정된 산소농도를 이용하여 주제어기는 제1공기공급부(22) 및 제2공기공급부(24)의 동작을 제어한다. 상기 크레인(12)에 의해 호퍼슈트(16)를 통해 피더(14)에 공급된 쓰레기는 피더(14)에 의해 연소실(34)의 내부로 공급되고,크레인(12)에 의해 연소실(34)측으로 투입되는 쓰레기의 량은 투입량측정부(18)에 의해 측정되어 주제어기에 인가된다. 상기 피더(14)에 의해 연소실(34)로 투입된 쓰레기는 화격자(20)의 동작에 의해 이송 및 교반된다. 상기 제1공기공급부(22)는 화격자(22)의 근접부에 설치되어 화격자(20)의 상부로 연소용 공기를 공급하게 되고, 2차연소실(38)의 근접부에 설치된 제2공기공급부(24)는 2차연소실(38)로 연소용 공기를 공급한다.

상기 제1공기공급부(22)로부터 주입되는 공기는 연소실(34)의 내부로 투입된 쓰레기가 화격자(20)에서 연소반응을 일으켜 원활하게 연소할 수 있도록 하고, 상기 제2공기공급부(24)로부터 주입되는 공기는 2차연소실(38)에 공급되어 미처 다 연소반응을 일으키지 못한 미연분 등을 완전 연소시키는 역할을 한다. 상기 연소실(34)에서 연소반응을 일으킨 고온의 연소배기가스는 보일러(28)로 보내어져 보일러(28)에서 열교환을 통해 증기가 생산된다.

상기 보일러(28)에서 생산되는 증기는 연소실(34)의 입력열량 및 출력열량과 상관관계를 갖으며, 상기 증기 발생량(S1)은 입력열량 및 출력열량을 대변할 수 있는 주요 제어변수가 된다. 상기 보일러(28)에서 발생되는 증기 발생량(S1)은 드럼출구의 증기배관에 설치된 유량계(32)에 의해 검출되어 주제어기에 보내진다. 상기 주제어기는 유량계(32)로부터 인가되는 증기 발생량(S1)과 설정된 기준값(S2)을 비교하여 피더(14) 및 화격자(20)의 동작을 제어함과 동시에 제1공기공급부(22) 및 제2공기공급부(24)의 동작을 제어한다. 즉, 상기 주제어기에 인가된 증기 발생량(S1)이 기준값(S2)보다 크면 현재 연소실(34)에 유입되는 입열량이 과도한상태이므로 주제어기는 피더(14)와 화격자(20)의 속도를 줄여 연소실(34)에 유입되는 입열량을 줄이게 되며, 반대로 주제어기에 인가된 증기 발생량이 기준값보다 작으면 현재 연소실(34)에 유입되는 입열량이 적은 상태이므로 주제어기는 피더(14)와 화격자(20)의 속도를 증가시켜 연소실(34)에 유입되는 입열량을 증가시키게 되므로 항상 소각로(10)가 항상 원활한 소각과정을 수행하게 된다.

그러나 상기한 종래의 쓰레기를 소각하는 소각로(10)의 제어방법은 전체적으로 입열열량 및 출력열량을 제어하여 장기간에 걸쳐 소각로(10)를 제어하는데는 좋은 제어방법이지만 연소실에 투입되는 쓰레기의 질이 일정하지 못한 경우, 즉 저위 발열량의 변화가 잦은 경우에는 연소실의 급격한 연소상황 변화에 적절히 대응할 수 없는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 소각로에 투입되는 쓰레기의 저위 발열량 값을 이용하여 소각로에서 쓰레기를 원활하게 소각할 수 있도록 소각로에 투입되는 쓰레기의 질에 해당하는 저위발열량을 산출하여 소각로의 작동을 제어하는 보일러의 열적 특성을 이용한 소각로 제어방법을 제공하는데 있다.

도 1은 일반적인 쓰레기 소각로를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 2는 종래의 쓰레기 소각로를 제어하는 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 3은 SSR과 저위발열량의 상관관계를 나타낸 도면이다.

도 4는 소각로 및 보일러를 제어하는 입열량과 출열량의 관계를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 5는 본 발명에 따른 저위발열량을 이용한 소각로 제어방법을 나타낸 도면이다.

도 6은 피더 및 화격자의 속도에 따른 쓰레기 투입량의 관계를 나타낸 도면이다.

도 7은 저위발열량과 과잉공기비의 관계를 나타낸 도면이다.

도 8은 공기량에 따른 주제어기의 제어동작을 나타낸 도면이다.

도 9는 본 발명의 소각로 제어방법에 의한 쓰레기 저위발열량과 표준 열정산 방법에 의한 쓰레기 저위발열량의 관계를 나타낸 도면이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명 >

10 : 소각로 12 : 크레인

14 : 피더 16 : 호퍼슈트

18 : 투입량측정부 20 : 화격자

22 : 제1공기공급부 24 : 제2공기공급부

26 : 쓰레기저장부 28 : 보일러

30 : 스팀헤더 32 : 유량계

34 : 연소실 36 : 산소농도측정부

38 : 2차연소실 40 : 온도측정부

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 투입량측정부에 의해 출력되는 실제 쓰레기 투입량(W1)에 따른 저위 발열량(LHV)을 함수 1(F1)에서 산출하고, 상기 저위 발열량(LHV)이 인가되는 함수 2(F2)에서는 저위 발열량(LHV)과 운전자가 목표치로 설정한 목표 증기량(Ssv)이 연산되어져 목표증기량(Ssv)과 저위 발열량(LHV)에 해당하는 이상적인 쓰레기 투입량(W2)을 산출해 내며, 유량계에 의해 계측된 보일러의 증기발생량(Spv)과 목표 증기발생량(Ssv)을 주연산기(C1)에서 PID제어로 연산하여 실제 정격 소각용량의 일정비율의 소각량(W3)을 산출하며, 상기 투입할 쓰레기량(W2)과 실제 정격 소각용량의 일정비율의 소각량(W3)을 합산(W2+W3)하여 최종 목표 쓰레기 소각량(Wt)을 산출하는 보일러의 열적 특성을 이용한 소각로 제어방법을 제공한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 설명하면 다음과 같다.

도 3은 SSR과 저위발열량의 상관관계를 나타낸 도면이고, 도 4는 소각로 및 보일러를 제어하는 입열량과 출열량의 관계를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명에 따른 저위발열량을 이용한 소각로 제어방법을 나타낸 도면이고, 도 6은 피더 및 화격자의 속도에 따른 쓰레기 투입량의 관계를 나타낸 도면이고, 도 7은 저위발열량과 과잉공기비의 관계를 나타낸 도면이고, 도 8은 공기량에 따른 주제어기의 제어동작을 나타낸 도면이고, 도 9는 본 발명의 소각로 제어방법에 의한 쓰레기 저위발열량과 표준 열정산 방법에 의한 쓰레기 저위발열량의 관계를 나타낸 도면이다.

도 3 내지 도 9를 참조하여 설명하면, 먼저, 소각로(10)의 연소실(34)에 입열되는 입열량을 정확하게 조절하기 위해서는 연소실(34)에 투입되는 쓰레기의 발열량 변화를 미리 예측할 수 있어야 한다. 따라서, 입열량은 쓰레기의 연소열(Qwaste) 및 연소공기의 현열(Qair)과 보일러 급수 현열(Qfeedwater)을 더한값이며, 상기 입열량이 연소실(34) 및 보일러(28)를 통과해서 출열되는 출열량은 보일러 발생 증기열량(Qsteam) 및 보일러 출구 연소가스 열량(Qgas)과 연소실 및 보일러의 열손실량(Qloss)을 더한 값이 되며, 상기 입열량과 출열량은 같게 된다.

상기 입열량의 안정된 조절을 위해 (식 5)와 같이 쓰레기 저위 발열량과 상관성을 갖는 SSR(Specific Steam Ratio)이라는 공정계수를 이용한다. 이때 연소실(34)에 투입되는 쓰레기의 열량(Qw)은 쓰레기 투입량과 저위 발열량의 곱이 되고(식 2), 보일러에서 발생되는 증기가 갖는 열량(Qs)은 증기 발생량(Ms)과 비례하게 된다(식 1). 즉, 쓰레기 투입량(Mw) 및 쓰레기 저위발열량(LHV), 보일러 증기발생량과(SSR)의 상관관계는 특정기간 동안의 실험/운전 및 설계자료를 바탕으로 (식 5)의 형태로 정량화 할 수 있으며, 도 3에서 SSR과 저위발열량과의 개념적인 상관관계가 나타난다.

Qs+Ql+Qgas=Qw+Qair+Qfw--------------------(식 3)

Qs = 증기가 가진 열량

Qw = 쓰레기가 가진 열량

Ql = 보일러의 손실/ 효율을 포함한 열량

Qair = 연소공기가 가진 열량

Qfw = 보일러 급수 열량

Ms = 증기의 발생량

Mw = 쓰레기의 투입량

LHV = 쓰레기의 저위발생량

도 9 및 표 1은 일반적인 방식에 의해 기존에 실시된 실험/운전 결과값인 표준 열정산 방법에 의한 쓰레기 저위발열량과 본 발명에 따른 상관 관계식인 (식 5)의 SSR 등식에 의해 산출된 저위발열량을 비교/검증한 것이다.

아래의 표 1에서 "Case 1"의 경우는 발열량이 높은 경우로 소각량이 1562(Kg/hr)인 상태에서 일반적인 열/물질 정산에 의해 계산된 발열량은 2148(Kcal/kg)이며, 본 발명에 따라 계산된 발열량은 2343(Kcal/kg)이 된다. 이때 연소실 출구온도는 978℃이고, 연소가스유량은 9806(Nm³/hr)이며, 1차 공기유량은 8089(Nm³/hr)이고, 2차 공기유량은 1343(Nm³/hr)이므로 연소상황은 아주 좋은 상태이다.

표 1 : 일반적인 열정산 프로그램에 의해 계산된 LHV와 본 발명의 등식에

의해 계산된 LHV의 비교

Method-1 : 일반적인 열정산 방법에 의한 LHV 계산값

Method-2 : 본 발명에 의한 LHV 계산값

또한, "Case 2"의 경우에는 중질인 경우이고, "Case 3"의 경우에는 저질인 경우의 발열량을 계산한 것이다. 도 9에서 나타난 것으로 알 수 있듯이, 일반 적인 열/물질 정산에 의한 계산값과 본 발명에 의한 계산값이 거의 일치함을 알 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 저위 발열량을 이용한 보일러의 열적 특성을 이용한 소각로 제어장치를 나타낸 도면으로, 먼저, 투입량측정부(18)에 의해 출력되는 실제 쓰레기 투입량(W1)에 따른 저위 발열량(LHV)이 함수 1(F1)에서 식 5)에 의해 연산되어져 계산된다.

상기 저위 발열량(LHV)은 함수 2(F2)에 인가되고, 상기 함수 2(F2)에서는 인가된 저위 발열량(LHV)과 운전자가 목표치로 설정한 목표 증기량(Ssv)이 연산되어져 목표증기량(Ssv)과 저위 발열량(LHV)에 해당하는 이상적인 쓰레기 투입량(W2)을 산출해 낸다. 또한, 상기 보일러(28)의 증기발생량(Spv)을 유량계(32)로 계측하여 주제어기의 입력으로 보내지며, 주연산기(C1)에서는 목표 증기발생량(Ssv)과 계측되어진 실제 증기발생량(Spv)을 PID제어로 연산하여 나온 0∼100%의 출력신호(Vout)를 내보내며, 상기 출력신호(Vout)는 다시 실제 정격 소각용량의 일정비율의 소각량(W3)으로 환산된다. 예를 들면, 일정비율을 20%로 산정하면 정격 소각량이 시간당 4톤(ton)일 때 -0.8∼+0.8 톤이 된다. 이는 다시 함수 2(F2)에서 계산된 투입할 쓰레기량(W2)과 목표 증기량(Ssv)과 실제 증기발생량(Spv)에 의해 주연산기(C1)에서 연산된 출력신호(W3)를 합산(W2+W3)하여 최종 목표 쓰레기 소각량(Wt)을 산출한다. 이때 주제어기에서 나오는 신호를 환산하는 비율은 실험/시운전 등을 통해 최적화 할 수 있다.

이를 바탕으로 피더(14)의 속도와 화격자(20)의 속도 그리고 연소공기량을 연산한다. 이때 피더(14)의 속도와 쓰레기량의 관계는 설계 및 실험/시운전 기간동안 도 6과 같이 피더(14) 및 화격자(20)의 속도에 따른 투입량을 최적화 하여 정량화시킨다. 그리고 화격자(20)의 속도를 구하는 함수는 적정 두께를 유지하기 위한 화격자(20)의 속도, 피더(14)의 속도와 화격자(20)의 속도 등을 고려하여 쓰레기량과 화격자(20)의 속도에 대한 최적해를 구한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 연소공기량은 저위발열량(LHV)에 따라 과잉공기비(K)를 출력신호(W3)와 곱하여 이론적 공기량을 산출하며, 공기 계측값에 따른 PID제어를 도 8을 통해 공기량이 많으면 공기량을 줄이고, 공기량이 적으면 공기량을 늘리는 방향으로 제어가 실행되어 진다.

이상 설명에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명은 계절별 또는 우기 및 건기의 기후 변화에 따른 소각로에서의 발열량의 변화에 의해 자동제어를 행 할 수 없는 경우 및 연소상황의 급격한 변화에 좀더 안정적인 소각로를 제공하게 된다.

Claims (3)

1. 투입량측정부에 의해 출력되는 실제 쓰레기 투입량(W1)에 따른 저위 발열량(LHV)을 함수 1(F1)에서 산출하고, 상기 저위 발열량(LHV)이 인가되는 함수 2(F2)에서는 저위 발열량(LHV)과 운전자가 목표치로 설정한 목표 증기량(Ssv)이 연산되어져 목표증기량(Ssv)과 저위 발열량(LHV)에 해당하는 이상적인 쓰레기 투입량(W2)을 산출해 내며, 유량계에 의해 계측된 보일러의 증기발생량(Spv)과 목표 증기발생량(Ssv)을 주연산기(C1)에서 PID제어로 연산하여 실제 정격 소각용량의 일정비율의 소각량(W3)을 산출하며, 상기 투입할 쓰레기량(W2)과 실제 정격 소각용량의 일정비율의 소각량(W3)을 합산(W2+W3)하여 최종 목표 쓰레기 소각량(Wt)을 산출하는 보일러의 열적 특성을 이용한 소각로 제어방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 함수 1(F1)에서는 아래의 식 5)에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 보일러의 열적 특성을 이용한 소각로 제어방법.

   Qgas = 연소가스가 가진 열량

   Ql = 보일러의 손실/ 효율을 포함한 열량

   Qair = 연소공기가 가진 열량

   Qfw = 보일러 급수 열량

   Ms = 증기의 발생량

   Mw = 쓰레기의 투입량

   LHV = 쓰레기의 저위발생량
3. 제 1 항에 있어서, 상기 저위 발열량(LHV)에 따라 제1공기공급부와 제2공기공급부를 제어하기 위하여 실제 정격 소각용량의 일정비율의 소각량(W3)과 과잉공기비를 곱하여 이론적 공기량을 산출하는 것을 특징으로 하는 보일러의 열적 특성을 이용한 소각로 제어방법.