KR20140038257A - 순산소 연소 보일러의 운전제어방법 - Google Patents

순산소 연소 보일러의 운전제어방법 Download PDF

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KR20140038257A
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Abstract

본 발명은 순산소 연소 보일러의 운전제어방법에 관한 것으로서, 보일러 내부로 공기를 유입하여 연료를 연소하는 공기 연소모드에서, 상기 연료의 연소에 의하여 발생하는 연소가스에 순산소를 혼합한 혼합가스를 상기 보일러 내부로 유입하여 연료를 연소하는 순산소 연소모드로 전환하는 순산소전환단계; 및 상기 연소가스의 유량과 상기 순산소의 유량을 설정하여, 상기 보일러에 공급하는 혼합가스의 유량을 제어하는 순산소연소단계를 포함할 수 있다.

Description

순산소 연소 보일러의 운전제어방법 {Method for controlling oxy fuel combustion boiler}
본 발명은 순산소 연소 보일러의 운전제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 공기연소모드에서 순산소 연소모드로의 전환을 용이하게 할 수 있는 순산소 연소 보일러의 운전제어방법에 관한 것이다.
최근 지구온난화의 원인물질인 온실가스를 줄이기 위한 다양한 노력들이 경주되고 있으며, 지구 온난화를 유발하는 대표적인 가스로 이산화탄소가 지목되고 있다. 그러나, 이산화탄소는 연료를 연소하는 과정에서 다량 발생되는 가스이므로, 연료 연소시점에서 배출량 자체를 줄이는 것에 초점을 맞추어야 한다. 통상적으로, 산업에서 발생하는 이산화탄소의 54% 정도가 화력발전소에서 배출이 되는 것으로 알려져 있다. 따라서, 화력발전소에서 발생하는 이산화탄소를 저감하면 지구 온난화 방지에 상당부분 기여할 수 있을 것이다.
기존 화력발전소는 산화제로서 공기를 사용하고 석탄, 석유, 천연가스 등과 같은 화석연료를 연소시킴으로써 전력을 생산하는 공기연소방식(air combustion)을 사용하였다. 이러한 공기연소방식은 공기중의 21% 정도인 산소만을 순수한 산화제로 사용하고, 나머지 79% 정도의 질소는 불필요하게 가열하게 된다. 공기 연소시 발생한 열량의 상당 부분이 질소를 가열하는데 사용되기 때문에, 그로 인한 열손실이 발생하며, 연소가스(flue gas) 중의 이산화탄소 농도가 20% 이하로 낮아서 연소가스중의 저농도 이산화탄소를 고농도로 농축시키는데 상당한 비용이소요된다.
이에 따라 최근, 산화제로서 공기대신 산소를 이용하여 연료를 연소시키는 순산소 연소방식이 개발되고 있다.
순산소 연소방식은 기존의 공기연소방식과는 달리 질소성분이 거의 없어 연소가스의 열손실량이 75~80% 정도 감소되고, 연소가스(Flue Gas)의 주성분은 이산화탄소(CO2)와 수분(H2O)으로 구성된다. 산화제로써 산소를 사용하는 것은 공기를 사용하는 것과는 달리, 산화제와 연료 접촉시 급격한 발열반응이 진행되므로 화염의 조절이 어렵다. 그러므로 화염의 조절을 위하여 연소가스 재순환(FGR: Flue Gas Recirculation)을 통하여 화염을 조절하고 연소가스의 재순환을 통하여 보일러에서 불완전 연소되었던 연료가 완전 연소되어 보일러의 효율이 높아지는 장점이 있다. 이때 배출되는 연소가스 중의 이산화탄소 농도가 70% 이상이므로 연소가스 중 이산화탄소의 분리가 용이하고 포집효율이 향상되어 지구 온난화의 원인으로 지목되는 이산화탄소의 배출을 감축할 수 있는 최근의 추세에 부합하는 장점이 있다.
본 발명은 공기연소모드에서 순산소 연소모드로의 전환을 용이하게 할 수 있는 순산소 연소 보일러의 운전제어방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 순산소 연소 보일러의 운전제어방법은, 보일러 내부로 공기를 유입하여 연료를 연소하는 공기 연소모드에서, 상기 연료의 연소에 의하여 발생하는 연소가스에 순산소를 혼합한 혼합가스를 상기 보일러 내부로 유입하여 연료를 연소하는 순산소 연소모드로 전환하는 순산소전환단계; 및 상기 연소가스의 유량과 상기 순산소의 유량을 설정하여, 상기 보일러에 공급하는 혼합가스의 유량을 제어하는 순산소연소단계를 포함할 수 있다.
여기서 상기 순산소전환단계는, 상기 공기 연소모드에 의한 보일러의 출력이 기 설정된 최소안정출력 이상이면, 모드전환신호를 출력하는 모드전환준비과정; 상기 모드전환신호가 입력되면, 재순환댐퍼를 개방하여 상기 보일러에서 배출된 연소가스를 상기 보일러 내부로 다시 공급하는 재순환댐퍼개방과정; 상기 재순환댐퍼가 개방되면, 공기분리부(ASU)가 상기 연소가스에 순산소를 공급하여 상기 혼합가스를 생성하는 순산소공급과정; 상기 보일러 내부로 공급된 혼합가스에 포함된 산소의 양이 기준값 이상이면, 상기 공기유입댐퍼를 폐쇄하여 상기 보일러 내부로 들어오는 공기의 유입을 차단하는 공기유입차단과정; 및 상기 보일러로 유입되는 혼합가스의 유량이 기 설정된 안정유량에 해당하면, 전환완료신호를 출력하는 전환완료과정을 포함할 수 있다.
여기서 상기 모드전환준비과정은, 상기 최소안정출력을 상기 보일러 출력의 40%로 설정할 수 있다.
여기서 상기 전환완료과정은, 상기 전환완료신호를 상기 보일러로 공급되는 기체의 유량을 조절하는 압입송풍팬(FDF: Forced Draft Fan)에 전송하여, 상기 압입송풍팬의 동작모드를 상기 공기 연소모드에서 상기 순산소 연소모드로 전환할 수 있다.
여기서 상기 순산소연소단계는, 상기 연료의 화학적 산소 요구량 및 과잉공기요구량을 이용하여 상기 연료의 완전연소를 위해서 필요한 공기의 유량을 계산하고, 상기 공기의 유량을 혼합가스유량으로 설정하는 혼합가스유량설정과정; 상기 혼합가스유량 중에서, 공기 중에 포함되는 산소의 분율에 해당하는 유량을 상기 순산소유량으로 설정하고, 상기 순산소유량에 따라 상기 순산소를 공급하는 공기분리부(ASU)의 밸브개도량을 조절하는 순산소유량제어과정; 및 상기 혼합가스유량 중에서, 상기 산소의 분율에 해당하는 유량을 제외한 나머지 유량을 상기 연소가스유량으로 설정하고, 상기 연소가스유량에 따라 상기 보일러로 공급되는 기체의 유량을 조절하는 압입송풍팬의 개도량을 조절하는 연소가스유량제어과정을 포함할 수 있다.
여기서 상기 순산소 유량 제어과정은, 상기 연소가스에 포함된 산소의 양을 측정하여 피드백받고, 상기 측정된 산소의 양에 따라 상기 공기분리부의 밸브개도량을 보정할 수 있다.
여기서 상기 순산소 유량 제어과정은, 상기 공기분리부가 공급하는 산소의 순도를 측정하고, 상기 측정된 산소의 순도에 따라 상기 공급하는 순산소유량을 보정할 수 있다.
여기서 상기 연소가스 유량 제어과정은, 상기 압입송풍팬의 개도량이 증가하면 상기 연소가스를 외부로 배출하는 부스터팬(booster fan)의 개도량을 감소시키고, 상기 압입송풍팬의 개도량이 감소하면 상기 부스터팬의 개도량을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 순산소 연소 보일러의 운전제어방법에 의하면, 순산소 연소에서 핵심적인 연소가스 계통의 제어알고리즘만을 수정하고, 기존의 공기연소 보일러의 제어알고리즘에서 사용하는 알고리즘과 파라미터는 그대로 사용할 수 있으므로, 설계의 간소화를 도모할 수 있으며, 운전신뢰도를 개선할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 순산소 연소 보일러의 운전제어방법에 의하면, 공기연소 모드에서 순산소 연소모드로의 전환을 용이하게 할 수 있다.
도1은 석탄 연소 보일러 시스템을 나타내는 개략도이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 의한 순산소 연소 보일러 시스템을 나타내는 개략도이다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 의한 순산소 연소 보일러의 운전제어방법을 나타내는 순서도이다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 의한 순산소 연소 보일러의 운전제어방법에서의 순산소전환단계를 나타내는 순서도이다.
도5는 본 발명의 일 실시예에 의한 순산소 연소 보일러의 운전제어방법에서의 순산소연소단계를 나타내는 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
도1은 석탄 연소 보일러 시스템을 나타내는 개략도이다.
도1을 참조하면, 석탄 연소 보일러 시스템은, 보일러(1), 분쇄기(2), 압입송풍팬(11, FDF: Forced Draft Fan), 1차공기팬(12, PAF: Primary Air Fan), 흡출송풍팬(13, IDF: Induced Draft Fan), 부스터팬(14, Booster Fan), 공기예열기(20), 연돌(30)을 포함할 수 있다.
이하, 도1을 참조하여 석탄 연소 보일러 시스템을 설명한다.
보일러(1)는 내부로 유입되는 연료를 연소하여 열을 발생시킬 수 있다. 이때, 상기 연료의 연소를 위하여 필요한 공기는 1차공기팬(12)과 압입송풍팬(11)을 통하여 보일러(1) 내부로 유입될 수 있다. 상기 1차 송풍팬(12)을 통하여 유입되는 공기는, 도1에 도시된 바와 같이, 공기예열기(20)에서 예열된 공기와 상기 공기예열기(20)를 바이패스한 공기로 나뉜 후 다시 합쳐질 수 있다. 이후, 상기 1차 송풍팬(12)을 통하여 유입된 공기는 분쇄기(2)로 공급되어, 상기 분쇄기에서 분쇄된 미분탄을 이송하는 데 활용될 수 있다. 즉, 상기 1차공기팬(12)은 상기 보일러(1) 내부로 공급되는 연료인 미분탄을 이송하는데 주로 사용되는 것일 수 있다.
상기 보일러(1)의 완전연소를 위해서는 충분한 양의 공기를 보일러(1) 내부로 공급할 필요가 있으나, 지나치게 많은 양의 공기가 상기 보일러(1) 내부로 공급되면 불필요한 열손실이 발생할 수 있다. 따라서, 상기 보일러(1) 내부로 공급하는 공기의 유량을 제어할 필요가 있는데, 이때 상기 압입송풍팬(11)를 이용하여 상기 보일러(1) 내부로 공급하는 공기의 유량을 조절할 수 있다. 상기 압입송풍팬(11)은 외부의 공기를 먼저 공기예열기(20)를 이용하여 가열한 후 상기 보일러(1) 내부로 공급할 수 있다. 이때, 상기 보일러(1)로 내부로 공급되는 공기의 유량은 상기 연료의 화학적 산소요구량 및 완전연소를 위한 과잉공급량을 고려하여 설정될 수 있다.
상기 보일러(1)에서 연소된 연료는 부산물로 NOx, CO2, H20, SOx 등을 포함하는 연소가스를 발생시킬 수 있다. 도시하지는 않았으나, 상기 연소가스는 상기 석탄 연소 보일러 시스템에 포함된 각종 과열기 및 재열기 등을 거쳐 터빈 회전 등을 위한 증기 등을 생성할 수 있다. 이후, 최종적으로 공기예열기(20)로 공급되어 유입되는 공기를 예열한 후, 연돌(30)을 통하여 외부로 배출될 수 있다. 이때, 흡출송풍팬(13) 및 부스터팬(14)을 이용하여 상기 연소가스의 배출을 조절할 수 있다. 즉, 상기 흡출송풍팬(13)를 이용하여 상기 보일러(1) 내부의 압력을 부압으로 유지함으로써, 상기 연소가스의 배출을 유도할 수 있다.
다만, 상기 석탄 연소 보일러 시스템의 경우, CO2의 포집과 관련하여 문제가 있다. 즉, 전세계적인 지구온난화 문제를 해결하기 위하여 발전소 등에서 배출하는 CO2의 저감 및 포집이 강조되고 있으나, 상기 석탄 연소 보일러 시스템에서 사용되는 연소 후(post-Combustion) 포집방법의 경우, 다른 포집방식에 비하여 포집효율이 떨어지고 포집비용이 과다하다는 문제점이 있다. 따라서, 최근에는 공기 대신 순산소를 이용하여 석탄을 연소함으로써 연소가스 내 CO2의 집중도를 높여 포집을 용이하게 하고, 질소 산화물을 감소시키며, 복사 열효율을 개선시킬 수 있는 순산소 연소 보일러에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 의한 순산소 연소 보일러 시스템을 나타내는 개략도이다.
도2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 순산소 연소 보일러 시스템은, 보일러(1), 분쇄기(2), 압입송풍팬(11, FDF: Forced Draft Fan), 1차공기팬(12, PAF: Primary Air Fan), 흡출송풍팬(13, IDF: Induced Draft Fan), 부스터팬(14, Booster Fan), 공기예열기(20), 산소예열기(21), 연돌(30), 이산화탄소 포집저장장치(31), 공기분리부(40, ASU: Air Separating Unit), 산소헤더(41), 산소믹서(42, 43)를 포함할 수 있다.
이하, 도2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 순산소 연소 보일러 시스템을 설명한다.
도2에 도시된 순산소 연소 보일러 시스템은, 신규 설치를 통하여 구축하는 경우 이외에도, 기존의 공기연소 보일러을 개조하는 방식으로 구현이 가능하다. 다만, 기존의 공기연소 보일러을 순산소 연소 보일러 시스템으로 개조하는 경우에는, 종래에는 순산소 연소에 따른 공정이나 연소 특성 변화를 반영하기 위하여 제어알고리즘이나 시스템 구성 전체를 수정해야하므로, 설계가 복잡해지고 각종 파라미터 또한 변화된 환경을 반영하여 재설정해야 하는 어려움이 있었다. 하지만, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 순산소 연소에서 핵심적인 연소가스 계통의 제어알고리즘만을 수정하고, 기존의 공기연소 보일러의 제어알고리즘에서 사용하는 알고리즘과 파라미터는 그대로 사용할 수 있다. 따라서, 설계의 간소화를 도모할 수 있으며, 상기 순산소 연소 보일러 시스템의 운전신뢰도를 개선할 수 있다.
구체적으로, 상기 순산소 연소 보일러 시스템은, 상기 보일러(1)에서 배출된 연소가스를 순환하여 다시 상기 압입송풍팬(11) 및 1차공기팬(12)을 통하여 상기 보일러(1)로 유입할 수 있다. 이때, 상기 연소가스에 산소가 포함되어야 상기 보일러(1)에서의 연료의 연소가 가능하므로, 상기 산소믹서(42, 43)는 상기 연소가스에 순산소를 혼합하여 혼합가스를 생성할 수 있다. 상기 산소믹서(42, 43)에서 혼합되는 순산소는 공기분리부(40)에서 생성하는 것으로서, 상기 산소헤더(41)를 통하여 각각의 산소믹서(42, 43)로 분배될 수 있다. 여기서, 순산소는 공기 중에서 질소 성분를 제거한 것으로서 산소의 비율이 95% 이상일 수 있다.
상기 순산소 연소 보일러 시스템에 의하면, 상기 연소가스를 계속 순환하면서 연소에 필요한 산소만 상기 연소가스에 추가하는 방식으로 운전할 수 있다. 따라서, 상기 연소가스에 포함되는 CO2의 농도는 점차 높아지게 되므로, 상기 연소가스의 CO2 집중도를 높일 수 있다. 이후 이산화탄소 포집저장장치(31)를 이용하여 상기 연소가스에 포함된 CO2의 효율적으로 포집할 수 있다.
상기 순산소 연소 보일러 시스템은, 유입되는 공기를 연소하는 공기연소 모드 및 순환하는 연소가스를 연소하는 순산소연소모드로 동작할 수 있다. 도시하지는 않았으나, 재순환댐퍼를 이용하여 상기 보일러(1)의 동작모드에 따라 상기 보일러(1)에 공급하는 기체의 종류를 달리할 수 있다. 즉, 상기 공기연소모드로 동작하는 경우에는 상기 재순환댐퍼를 차단하여 상기 압입송풍팬(11) 및 1차 공기 송풍팬(12)으로 공기가 유입되도록 할 수 있으며, 상기 순산소연소모드로 동작하는 경우에는 상기 재순환댐퍼를 개방하여 상기 압입송풍팬(11) 및 1차 공기 송풍팬(12)으로 연소가스가 유입되도록 할 수 있다.
이는 순산소 연소 보일러 시스템의 안정적인 공정유지를 위한 것으로서, 초기 기동 후 저부하 구간동안은 공기연소모드로 운전될 수 있으며, 안정적인 부하영역에 도달하면 순산소연소모드로 전환할 수 있다.
구체적으로, 현재의 운전상태가 모드전환을 수행하는데 문제가 없는지 여부를 판별한 후, 상기 공기연소모드에서 순산소연소모드로의 전환을 수행할 수 있다. 따라서, 상기 공기연소모드에서 발생하는 보일러(1)의 출력값 및 보일러(1)의 안전동작여부를 확인하는 제어신호, 즉, MFT(Master Fuel Trip) 신호, 보일러 런백(Boiler Runback) 신호, 터빈 트립(Turbin Trip)신호 등의 입력여부를 확인한 이후에 상기 모드전환을 수행할 수 있다.
상기 보일러(1)의 츨력값은, 상기 보일러(1)가 공기연소모드로 동작하면서 생성하는 보일러 출력을 의미하는 것으로서, 상기 보일러 출력값이 최소안정출력(예를들어, 최대출력의 40%)에 도달하는 경우에 한하여 상기 모드전환동작을 실시할 수 있다.
상기 MFT 신호는 보일러(1) 내부에서 수행하는 연소와 관련하여, 보일러(1) 내부에 고압 또는 저압 발생, 주증기 온도증가, 연소 가스량 감소, 연소 화염 꺼짐 등과 같이 보일러(1)의 안전운용에 위협을 주는 요소가 발생하는 경우 연료 공급을 즉시 중단하도록 하는 신호이고, 보일러 런백 신호는 급수 펌프의 정지, 공기 계통 팬의 정지와 같이 주요 설비의 비상 정지 사태가 발생하면 상기 비상정지를 방지하고 안정적인 운전을 위하여 출력을 자동적으로 감발하는 신호이다. 또한, 터빈 트립신호는 터빈 진동, 주증기압 감소 등의 비정상상태가 발생하면 터빈 운전을 비상정지하는 신호이다. 따라서, 상기 보일러(1)의 출력값이 최소안정출력이상이고, 상기 MTF 신호, 보일러 런백신호 및 터빈 트립신호가 입력되지 않은 경우에 한하여 상기 모드전환동작을 실시할 수 있다.
상기의 모드 전환조건을 만족하면, 다음으로 재순환댐퍼를 개방할 수 있다. 앞서 살핀바와 같이, 상기 재순환댐퍼는 상기 연소가스를 순환시켜 상기 보일러(1) 내부로 다시 유입시키는 기능을 수행할 수 있으므로, 상기 재순환댐퍼를 개방하여 상기 연소가스를 보일러(1) 내부로 유입시킬 수 있다.
이후, 상기 재순환댐퍼가 완전히 개방되고, 공기분리부(40)의 순산소 공급준비가 완료되면 상기 연소가스에 순산소를 공급하여 혼합가스를 생성할 수 있다. 여기서, 상기 보일러(1)로 공기를 유입하는 공기유입댐퍼는 개방되어 있으므로, 상기 혼합가스와 함께 공기가 보일러(1) 내부로 유입될 수 있다. 따라서, 상기 보일러(1) 내부로 산소가 안정적으로 공급될 수 있으며, 상기 보일러(1)의 연소가 불안정해지는 것을 방지할 수 있다.
이후, 상기 혼합가스 내의 산소 함량이 기준값 이상이면, 상기 공기유입댐퍼를 폐쇄하여 상기 보일러(1) 내부로 들어오는 공기의 유입을 차단할 수 있다. 여기서 상기 산소 함량의 기준값은 일반적인 공기내에 포함된 공기의 분율인 23%일 수 있다.
상기 공기유입댐퍼의 폐쇄이후, 상기 보일러(1)로 유입되는 혼합가스의 유량이 기 설정된 안정유량에 해당하면 전환완료신호를 출력할 수 있다. 상기 순산소 연소 보일러 시스템은 공기연소모드 및 순산소연소모드로 동작할 수 있으므로, 상기 전환완료신호를 이용하여 상기 각각의 연소모드에 따라 다르게 제어될 수 있다.
상기 순산소연소모드로 전환된 이후에는, 상기 보일러(1)에서의 완전연소를 위한 혼합가스 유량을 설정할 수 있으며, 상기 설정된 혼합가스 유량에 따라, 연소가스유량 및 순산소유량을 설정할 수 있다. 이때, 상기 혼합가스 유량의 설정은 상기 전환완료신호의 입력에 따라 수행될 수 있다.
상기 혼합가스 유량은, 상기 연료의 화학적 산소 요구량 및 과잉공기요구량을 이용하여 상기 연료의 완전연소를 위하여 필요한 공기의 유량으로 설정할 수 있다. 즉, 공기연소모드에서 보일러(1)로 공급하는 공급공기유량을 설정하는 것과 동일한 방식으로, 상기 혼합가스유량을 설정할 수 있다.
이후, 상기 순산소 유량은 상기 설정된 혼합가스유량에서 공기 중에 포함되는 산소의 비율만큼으로 설정할 수 있다. 즉, 건공기내에 포함되는 산소의 비율은 23.2% 이므로, 상기 설정된 혼합가스유량에0.23을 곱하여 상기 순산소 유량으로 설정할 수 있다.
다만, 이 경우 상기 공기분리부(40)가 공급하는 순산소는 100% 산소임을 전제로 상기 순산소 유량을 설정한 것이므로, 이에 대한 보정을 수행할 필요가 있다. 즉, 상기 공기분리부(40)가 공급하는 산소의 순도가 95%이면 1/0.95의 보정계수를 상기 순산소 유량에 곱하고, 상기 순도가 98%이면, 1/0.98을 상기 보정계수로 상기 순산소 유량에 곱하는 방식으로 상기 보정을 수행할 수 있다.
이후, 상기 계산된 순산소 유량에 따라서, 상기 공기분리부(40)가 공급하는 산소의 유량을 조절하는 밸브의 개도량을 제어할 수 있다. 이때, 상기 혼합가스에 포함된 산소의 양을 측정하여 피드백받을 수 있으며, 상기 측정된 산소의 양에 따라서 상기 밸브의 개도량을 보정할 수 있다. 여기서, 상기 밸브의 개도량 보정은 PID제어에 의할 수 있다. 이때, 상기 공기분리부(40)의 밸브는 상기 전환완료신호가 입력되는 경우에 한하여 개방될 수 있다.
상기 연소가스유량은, 상기 혼합가스유량 중에서, 상기 공기 중에 포함되는 산소의 비율을 제외한 나머지 유량을 상기 연소가스 유량으로 설정할 수 있다. 즉, 건공기내에 포함되는 산소의 비율은 23.2%이므로, 상기 설정된 혼합가스유량에 0.77을 곱하여 상기 연소가스 유량으로 설정할 수 있다.
이후, 상기 계산된 연소가스 유량에 따라 상기 압입송풍팬(11)의 개도량을 제어할 수 있다. 이때, 상기 압입송풍팬(11)에 의하여 산소믹서(42)로 유입되는 연소가스의 유량을 피드백받을 수 있으며, 상기 피드백받은 연소가스의 유량에 따라서 상기 압입송풍팬(11)의 개도량을 보정할 수 있다. 여기서, 상기 압입송풍팬(11)의 개도량은 PID 제어에 의할 수 있다.
상기 압입송풍팬(11)은, 공기연소모드에서는 상기 보일러(1)에 공급되는 공기의 유량을 조절하는 기능을 수행할 수 있으며, 순산소연소모드에서는 상기 보일러(1)에 공급되는 연소가스의 유량을 조절하는 기능을 수행할 수 있다. 특히, 상기 순산소연소모드의 경우, 상기 설정된 혼합가스유량의 77%에 해당하는 연소가스를 공급하므로, 상기 공기연소모드와는 다르게 동작할 필요가 있다. 따라서, 상기 전환완료신호를 이용하여, 상기 전환완료신호가 입력되면 상기 순산소연소모드에 따라 동작하고, 상기 전환완료신호가 입력되지 않으면 상기 공기연소모드로 동작할 수 있다.
추가적으로, 상기 압입송풍팬의 제어와 연계하여, 상기 부스터팬(14)의 개도량을 제어하는 것도 가능하다. 즉, 상기 압입송풍팬(11)의 개도량이 증가하면 상기 연소가스를 외부로 배출하는 부스터팬(14)의 개도량을 감소시키고, 상기 압입송풍팬(11)의 개도량이 감소하면 상기 부스터팬(14)의 개도량을 증가시킬 수 있다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 의한 순산소 연소 보일러의 운전제어방법을 나타내는 순서도이다.
도3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 순산소 연소 보일러는 순산소전환단계(S10) 및 순산소연소단계(S20)를 포함할 수 있다.
이하, 도3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 순산소 연소 보일러의 운전제어방법을 설명한다.
순산소전환단계(S10)는, 보일러 내부로 공기를 유입하여 연료를 연소하는 공기 연소모드에서, 상기 연료의 연소에 의하여 발생하는 연소가스에 순산소를 혼합한 혼합가스를 상기 보일러 내부로 유입하여 연료를 연소하는 순산소 연소모드로 전환할 수 있다. 상기 순산소 연소 보일러의 초기 시동시에는 공기 연소모드로 동작할 수 있으며, 이후 상기 보일러의 연소가 안정화되면 상기 순산소 연소모드로 전환할 수 있다. 나아가, 순산소 연소모드에서 공기연소모드로 전환하는 것도 가능하며, 상기 초기 시동시 이외에도, 여름철과 같이 높은 부하가 필요한 경우에는 상기 공기연소모드로 동작하는 것도 가능하다.
상기 순산소전환단계(S10)는, 도3에 도시된 바와 같이, 모드전환준비과정(S11), 재순환댐퍼개방과정(S12), 순산소공급과정(S13), 공기유입차단과정(S14) 및 전환완료과정(S15)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 모드전환준비과정(S11)은 상기 공기 연소모드에 의한 보일러의 출력이 기 설정된 최소안정출력 이상이면, 모드전환신호를 출력할 수 있다. 모드전환을 수행하기 전에, 상기 보일러의 운전상태가 모드전환을 수행하는데 문제가 없는지 여부를 먼저 판단할 수 있다. 따라서, 먼저 상기 보일러가 공기연소모드로 동작하면서 출력하는 출력이, 최소안정출력에 도달하였는지 여부를 확인할 수 있다. 여기서, 상기 보일러가 안정적으로 동작하는 최소안정출력은 상기 보일러 최대출력의 40%일 수 있다. 추가적으로, 상기 보일러의 출력이외에, 상기 보일러에서 사용되는 MFT신호, 보일러 런백신호, 터빈 트립신호 등의 입력여부를 확인하여 상기 모드전환여부를 결정할 수 있다. 상기 MFT신호는 보일러 내부에 비상사태가 발생하는 연료의 공급을 중단하는 신호이고, 보일러 런백 신호는 설비에 문제가 생긴 경우에 발전소 출력을 자동적으로 감발하는 신호이며, 터빈 트립신호는 발전소의 터빈에 문제가 생긴 경우에 발생하는 신호이다. 따라서, 상기 신호가 입력되지 않은 경우, 즉, 상기 발전소 시스템에 이상이 발생하지 않는 정상상태인 경우에 상기 모드전환을 수행할 수 잇다.
재순환댐퍼개방과정(S12)은, 상기 모드전환신호가 입력되면, 재순환댐퍼를 개방하여 상기 보일러에서 배출된 연소가스를 상기 보일러 내부로 다시 공급할 수 있다. 현재 상기 보일러는 공기연소모드로 동작하고 있으므로, 상기 보일러 내부에 공기를 유입시키는 공기유입댐퍼는 개방된 상태이다. 따라서, 상기 모드전환신호에 따라 상기 재순환댐퍼를 개방하게 되면, 공기와 함께 상기 연소가스가 상기 보일러 내부로 유입될 수 있다. 즉, 공기는 여전히 상기 보일러 내부로 유입되므로 상기 모드전환에 따른 상기 보일러 내부의 연소 불안정을 예방할 수 있다.
순산소공급과정(S13)은, 상기 재순환댐퍼가 개방되면, 공기분리부(ASU)가 상기 연소가스에 순산소를 공급하여 상기 혼합가스를 생성할 수 있다. 상기 공기분리부는 상기 순산소공급이 준비되면 순산소준비신호를 생성할 수 있으며, 상기 순산소준비신호의 출력 및 상기 재순환댐퍼의 완전개방이 이루어지면 상기 순산소를 공급할 수 있다. 구체적으로, 상기 공기분리부는 상기 순산소를 공급하는 밸브를 개방하여 상기 순산소를 제공할 수 있으며, 상기 순산소는 상기 연소가스와 혼합되어 혼합가스가 될 수 있다.
공기유입차단과정(S14)은, 상기 보일러 내부로 공급된 혼합가스에 포함된 산소의 양이 기준값 이상이면, 상기 공기유입댐퍼를 폐쇄하여 상기 보일러 내부로 들어오는 공기의 유입을 차단할 수 있다. 상기 혼합가스에 포함된 산소의 양이 기준값 이상이면, 상기 혼합가스만으로도 상기 연료의 완전연소가 가능하다. 따라서, 상기 혼합가스에 포함된 산소의 유량이 기준값(예를들어, 23%)에 해당하면, 상기 공기유입댐퍼를 폐쇄할 수 있다. 상기 공기유입댐퍼가 폐쇄되면, 상기 보일러 내부로 새로운 공기가 유입되지 않으며 연소가스는 계속하여 재순환하게 된다.
전환완료과정(S15)은, 상기 보일러로 유입되는 혼합가스의 유량이 기 설정된 안정유량에 해당하면, 전환완료신호를 출력할 수 있다. 앞서 살핀 바와 같이 상기 순산소 연소 보일러 시스템은, 공기연소모드 및 순산소연소모드로 동작할 수 있으므로, 상기 전환완료신호를 이용하여 상기 각각의 연소모드에 따라 다르게 제어될 수 있다.
여기서, 상기 전환완료과정(S15)은, 상기 전환완료신호를 상기 보일러로 공급되는 기체의 유량을 조절하는 압입송풍팬(FDF: Forced Draft Fan)에 전송하여, 상기 압입송풍팬의 동작모드를 상기 공기 연소모드에서 상기 순산소 연소모드로 전환할 수 있다. 상기 압입송풍팬의 경우, 공기연소모드에서는 연료의 화학적 산소요구량 및 과잉공기량에 따라 설정되는 공급공기량만큼을 공급하도록 설정되지만, 상기 순산소연소모드에서는 상기 설정된 혼합가스유량에서 기 설정된 비율만큼만 선택적으로 상기 보일러로 공급하도록 제어될 수 있다. 따라서, 상기 순산소연소모드에서의 동작은 상기 전환완료신호가 입력되는 경우에만 수행하도록 할 수 있다.
상기 순산소 연소모드로 전환한 이후에는, 순산소연소단계(S20)를 통하여, 상기 연소가스의 유량과 상기 순산소의 유량을 설정하고, 상기 보일러에 공급하는 혼합가스의 유량을 제어할 수 있다. 여기서, 상기 순산소연소단계(S20)는 혼합가스유량설정과정(S21), 순산소유량제어과정(S22) 및 연소가스유량제어과정(S23)을 포함할 수 있다.
혼합가스유량설정과정(S21)은, 상기 연료의 화학적 산소 요구량 및 과잉공기요구량을 이용하여 상기 연료의 완전연소를 위해서 필요한 공기의 유량을 계산하고, 상기 공기의 유량을 혼합가스유량으로 설정할 수 있다. 즉, 공기연소모드에서 보일러로 공급하는 공급공기유량을 설정하는 것과 동일한 방식으로, 상기 혼합가스유량을 설정할 수 있다. 상기 공기연소모드의 동작 및 순산소연소모드의 동작을 모두 수행하기 위해서는, 상기 혼합가스 유량은 공기연소모드로 동작할 때의 대류 열전달과 최대한 일치하도록 조절할 필요가 있으므로, 상기 혼합가스유량은 상기 공급공기유량과 동일한 방식으로 설정될 수 있다.
순산소유량제어과정(S22)는, 상기 혼합가스유량 중에서, 공기 중에 포함되는 산소의 분율에 해당하는 유량을 상기 순산소유량으로 설정하고, 상기 순산소유량에 따라 상기 순산소를 공급하는 공기분리부(ASU)의 밸브개도량을 조절할 수 있다.
건공기내에 포함되는 산소의 비율은 23.2%이므로, 상기 혼합가스 내에 포함되는 산소의 분율을 상기 건공기와 일치하도록 상기 순산소유량을 설정할 수 있다. 즉, 상기 계산된 혼합가스유량에 0.23을 곱하여 이를 상기 순산소 유량으로 할 수 있다. 보일러 내부에서 일어나는 연소반응에 직접적으로 관여하는 기체는 산소이므로, 이 경우 상기 순산소연소에 따른 운전특성은 상기 공기연소에 따른 운전특성과 거의 일치할 수 있다. 따라서, 상기 순산소연소를 수행하는 경우에도 동일한 제어알고리즘과 동일한 파라미터를 활용하는 것이 가능하다.
다만, 상기 공기분리부가 공급하는 순산소의 순도는 100%가 아닐 수 있다. 따라서, 상기 공기분리부가 공급하는 산소의 순도를 측정하고, 상기 측정된 산소의 순도에 따라 상기 공급하는 순산소유량을 보정할 수 있다. 예를들어, 상기 공기분리부가 공급하는 산소의 순도가 95%이면 1/0.95의 보정계수를 상기 순산소 유량에 곱하고, 상기 순도가 98%이면, 1/0.98을 상기 보정계수로 상기 순산소 유량에 곱할 수 있다.
이후, 상기 계산된 순산소 유량에 따라서, 상기 공기분리부의 밸브개도량을 조절할 수 있다. 여기서, 상기 혼합가스에 포함된 산소의 유량을 측정하여 피드백받을 수 있으며, 상기 측정딘 산소의 유량에 따라 상기 밸브의 개도량을 보정하는 것이 가능하다. 이때, 상기 밸브 개도량의 보정은 PID 제어에 의할 수 있다.
연소가스유량제어과정(S23)은, 상기 혼합가스유량 중에서, 상기 산소의 분율에 해당하는 유량을 제외한 나머지 유량을 상기 연소가스유량으로 설정하고, 상기 연소가스유량에 따라 상기 보일러로 공급되는 기체의 유량을 조절하는 압입송풍팬의 개도량을 조절할 수 있다. 앞서 살핀 바와 같이, 상기 혼합가스에 포함된 산소의 비율을 건공기의 비율과 일치시킬 필요가 있다. 따라서, 상기 산된 혼합가스 유량 중에서 상기 산소의 유량을 제외한 나머지는 상기 연소가스 유량으로 설정할 수 있다. 즉, 상기 설정된 혼합가스유량에서 산소의 양을 제외한 77%를 상기 연소가스로 할 수 있다.
상기 설정된 연소가스 유량을 공급하기 위하여, 상기 압입송풍팬의 개도량을 조절할 필요가 있다. 구체적으로, 상기 압입송풍팬에 의하여 보일러로 유입되는 연소가스의 유량을 피드백받을 후, 상기 피드백받은 연소가스의 유량에 따라서 상기 압입송풍팬의 개도량을 조절할 수 있다. 여기서, 상기 압입송풍팬의 개도량 조절은 PID제어에 의할 수 있다.
추가적으로, 상기 압입송풍팬의 제어와 연계하여, 연소가스를 연돌로 배출시키는 부스터팬의 개도량을 제어하는 것도 가능하다. 즉, 상기 압입송풍팬의 개도량이 증가하면 상기 연소가스를 외부로 배출하는 부스터팬(booster fan)의 개도량은 반대로 감소시킬 수 있으며, 상기 압입송풍팬의 개도량이 감소하면 상기 부스터팬의 개도량을 증가시킬 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니한다. 첨부된 청구범위에 의해 권리범위를 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
1: 보일러 2: 분쇄기
11: 압입송풍팬 12: 1차공기팬
13: 흡출송풍팬 14: 부스터팬
20: 공기예열기 21: 산소예열기
30: 연돌 31: 이산화탄소 포집저장장치
40: 공기분리부 41: 산소헤더
42, 43: 산소믹서
S10: 순산소전환단계 S11: 모드전환준비과정
S12: 재순환댐퍼개방과정 S13: 순산소공급과정
S14: 공기유입차단과정 S15: 전환완료과정
S20: 순산소연소단계 S21: 혼합가스유량설정과정
S22: 순산소유량제어과정 S23: 연소가스유량제어과정

Claims (8)

  1. 보일러 내부로 공기를 유입하여 연료를 연소하는 공기 연소모드에서, 상기 연료의 연소에 의하여 발생하는 연소가스에 순산소를 혼합한 혼합가스를 상기 보일러 내부로 유입하여 연료를 연소하는 순산소 연소모드로 전환하는 순산소전환단계; 및
    상기 연소가스의 유량과 상기 순산소의 유량을 설정하여, 상기 보일러에 공급하는 혼합가스의 유량을 제어하는 순산소연소단계를 포함하는 순산소 연소 보일러의 운전제어방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 순산소전환단계는
    상기 공기 연소모드에 의한 보일러의 출력이 기 설정된 최소안정출력 이상이면, 모드전환신호를 출력하는 모드전환준비과정;
    상기 모드전환신호가 입력되면, 재순환댐퍼를 개방하여 상기 보일러에서 배출된 연소가스를 상기 보일러 내부로 다시 공급하는 재순환댐퍼개방과정;
    상기 재순환댐퍼가 개방되면, 공기분리부(ASU)가 상기 연소가스에 순산소를 공급하여 상기 혼합가스를 생성하는 순산소공급과정;
    상기 보일러 내부로 공급된 혼합가스에 포함된 산소의 양이 기준값 이상이면, 상기 공기유입댐퍼를 폐쇄하여 상기 보일러 내부로 들어오는 공기의 유입을 차단하는 공기유입차단과정; 및
    상기 보일러로 유입되는 혼합가스의 유량이 기 설정된 안정유량에 해당하면, 전환완료신호를 출력하는 전환완료과정을 포함하는 순산소 연소 보일러의 운전제어방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 모드전환준비과정은
    상기 최소안정출력을 상기 보일러 출력의 40%로 설정하는 순산소 연소 보일러의 운전제어방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 전환완료과정은
    상기 전환완료신호를 상기 보일러로 공급되는 기체의 유량을 조절하는 압입송풍팬(FDF: Forced Draft Fan)에 전송하여, 상기 압입송풍팬의 동작모드를 상기 공기 연소모드에서 상기 순산소 연소모드로 전환하는 순산소 연소 보일러의 운전제어방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 순산소연소단계는
    상기 연료의 화학적 산소 요구량 및 과잉공기요구량을 이용하여 상기 연료의 완전연소를 위해서 필요한 공기의 유량을 계산하고, 상기 공기의 유량을 혼합가스유량으로 설정하는 혼합가스유량설정과정;
    상기 혼합가스유량 중에서, 공기 중에 포함되는 산소의 분율에 해당하는 유량을 상기 순산소유량으로 설정하고, 상기 순산소유량에 따라 상기 순산소를 공급하는 공기분리부(ASU)의 밸브개도량을 조절하는 순산소유량제어과정; 및
    상기 혼합가스유량 중에서, 상기 산소의 분율에 해당하는 유량을 제외한 나머지 유량을 상기 연소가스유량으로 설정하고, 상기 연소가스유량에 따라 상기 보일러로 공급되는 기체의 유량을 조절하는 압입송풍팬의 개도량을 조절하는 연소가스유량제어과정을 포함하는 순산소 연소 보일러의 운전제어방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 순산소 유량 제어과정은
    상기 혼합가스에 포함된 산소의 양을 측정하여 피드백받고, 상기 측정된 산소의 양에 따라 상기 공기분리부의 밸브개도량을 보정하는 순산소 연소 보일러의 운전제어방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 순산소 유량 제어과정은
    상기 공기분리부가 공급하는 산소의 순도를 측정하고, 상기 측정된 산소의 순도에 따라 상기 공급하는 순산소유량을 보정하는 순산소 연소 보일러의 운전제어방법.
  8. 제5항에 있어서, 상기 연소가스 유량 제어과정은
    상기 압입송풍팬의 개도량이 증가하면 상기 연소가스를 외부로 배출하는 부스터팬(booster fan)의 개도량을 감소시키고, 상기 압입송풍팬의 개도량이 감소하면 상기 부스터팬의 개도량을 증가시키는 순산소 연소 보일러의 운전제어방법.
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