KR20240037296A - 연소 보일러 시스템의 수증기 회로의 튜브 누출 결정 방법 및 연소 보일러 - Google Patents

연소 보일러 시스템의 수증기 회로의 튜브 누출 결정 방법 및 연소 보일러 Download PDF

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떼리 힐뚜넨
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스미토모 에스에이치아이 에프더블유 에너지아 오와이
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Abstract

연소 보일러 시스템 (10) 의 수증기 회로에서, 튜브 누출 검출을 개선하기 위해, 튜브 누출 결정 방법이 사용되며, 그 방법은,
- 작동 중 연소 보일러 시스템 (10) 의 수증기 회로에 만연하는 주 증기 흐름 (QMS,M) 을 측정하는 단계;
- 실질적으로 튜브 누출이 없는 조건들에서 연소 보일러 시스템 (10) 의 주 증기 (QMS,C) 흐름을 제공하는 연소 보일러 시스템 (10) 의 수치 모델에서 프로세스 데이터를 이용함으로써 작동 중 수증기 회로에서의 주 증기 흐름 (QMS,C) 을 모델링하는 단계;
- 오차 측정 세트에 포함되는 주 증기 흐름에 대한 오차 측정 (ΔMS) 을 획득하기 위해 상기 측정된 수증기 흐름 및 모델링된 수증기 흐름을 서로 비교하는 단계; 및
- 작동 중 미리 결정된 시간 주기 동안 미리 결정된 임계값을 초과하는 오차 측정 세트 및 오차 측정 세트의 특성들을 모니터링하여 수증기 회로 튜브 누출의 존재를 결정하는 단계를 포함하한다.

Description

연소 보일러 시스템의 수증기 회로의 튜브 누출 결정 방법 및 연소 보일러
본 발명은 연소 보일러, 특히 순환 유동층(CFB) 보일러 또는 기포 유동층(BFB) 보일러와 같은 유동층 보일러의 물 증기 회로에서 튜브 누출의 검출 및 평가에 관한 것이다.
화격자 보일러 및 유동층 보일러 같은 연소 보일러는 일반적으로 전기 및 열 생산과 같은 다양한 목적으로 사용할 수 있는 증기를 생성하는 데 사용된다.
유동층 보일러에서는 연료와 고체 미립자 층 재료의 고온층이 노에 투입되고 노의 바닥 부분으로부터 유동화 가스를 도입하여 층 재료와 연료를 유동화한다. 연료의 연소는 유동층에서 발생한다. BFB 연소에서는 유동화 가스가 층을 통과하여 층에 기포를 형성한다. BFB에서 유동층은 유동화 가스 공급 및 연료 공급을 제어함으로써 편리하게 제어될 수 있다.
CFB 연소에서는 유동화 가스가 층 재료를 통과한다. 대부분의 층 입자는 유동화 가스에 동반되어 연도 가스와 함께 운반된다. 입자는 적어도 하나의 입자 분리기에서 연도 가스로부터 분리되어 순환되어 노로 다시 반환된다. 입자가 노로 반환되기 전에 입자로부터 열을 회수하기 위해 입자 분리기(들) 하류에 유동층 열 교환기를 배열하는 것이 일반적이다.
보일러 튜브 누출로 인해 물이나 증기가 수증기 회로에서 빠져나가게 되는데, 일반적으로 100~300bar 범위의 압력을 가지므로 빠져나간 물이나 증기가 제어되지 않은 방식으로 보일러의 특정 위치로 유입될 수 있다. 튜브 누출은 최악의 경우 포괄적인 보일러 수리에 대한 필요를 초래할 수 있다. 대부분의 튜브 누출 상황은 적어도 누출이 합리적으로 빠르게 검출되는 경우 훨씬 덜 심각한 결과를 초래한다.
보일러 튜브 누출은 일반적으로 연소 보일러를 정지하고, 누출 위치를 찾고, 누출이 발생한 튜브를 수리하거나 교체해야 한다. 연소 보일러 운영자의 관점에서 볼 때 이는 비용이 많이 드는 절차일 수 있다. 누출 위치를 찾아낸 후 튜브를 수리하거나 교체하는 데 드는 비용뿐만 아니라 연소 보일러를 정지하면 (전기 또는 난방을 생성하는데 이용될 수 있는) 증기를 생성하는 것이 중단되므로, 보일러 운영자는 일반적으로 정지 동안 수입원을 잃게 된다. 이로 인해 발생하는 비용과 증기 생산 능력의 손실을 고려하여 불필요한 가동 중단을 피하는 것이 중요하다. 누출 검출은 신뢰성 있게 수행되어야 한다.
출원인의 CFB 누출 검출 시스템은 Modern Power Systems(www.modernpowersystems.com)의 2018년 12월 기사 "Boiler Technology - SmartBoilerTM: how the Internet of Things can improve boiler operating performance"에 공개되어 있다. 보일러 누출 검출 모듈은 노벽 및 기타 보일러 열 교환 표면을 면밀히 모니터링하고 실제 프로세스 데이터와 자체 학습 알고리즘을 사용한 회귀 모델을 기반으로 향후 문제를 예측하여 유지보수가 사전에 계획될 수 있고 복원 시간이 최소화될 수 있다.
연소 보일러의 수증기 회로에서의 튜브 누출 검출을 개선하는 것이 목적이다.
이러한 목적은 독립항 1에 따른 방법과 평행항 13에 따른 연소 보일러 시스템으로 달성될 수 있다.
종속항들은 방법의 유리한 양태들을 설명한다.
연소 보일러 시스템의 수증기 회로의 튜브 누출을 결정하는 방법은,
- 작동 중 연소 보일러 시스템의 수증기 회로에 만연하는 주 증기 흐름 QMS,M을 측정하는 단계;
- 실질적으로 튜브 누출이 없는 조건에서 연소 보일러 시스템의 주 증기 QMS,C 흐름을 제공하는 연소 보일러 시스템의 수치 모델에서 프로세스 데이터를 이용함으로써 작동 중 수증기 회로의 주 증기 흐름 QMS,C 를 모델링하는 단계;
- 오차 측정 세트에 포함되는 주 증기 흐름에 대한 오차 측정 ΔMS를 얻기 위해 상기 측정된 수증기 흐름과 모델링된 수증기 흐름을 서로 비교하는 단계; 그리고
- 작동 중 미리 결정된 시간 주기 동안 미리 결정된 임계값을 초과하는 오차 측정 세트 및 오차 측정 세트의 특성을 모니터링하여 수증기 회로 튜브 누출의 존재를 결정하는 단계를 포함한다.
이 방법을 사용하면 연소 보일러의 수증기 회로에서 튜브 누출 검출을 개선하는 것이 가능할 것이다. 연소 보일러 시스템의 적절한 수치 모델을 사용하면 주 증기 흐름이 연속 측정 사이에 큰 변동을 가질 수 있더라도, 실질적으로 튜브 누출이 없는 조건에서 주 증기 흐름을 수치적으로 빠르게 계산할 수 있어 오차 측정 ΔMS 가 충분한 확률로 튜브 누출의 존재를 나타낼 것이다.
또한, 특성 모니터링을 적절하게 준비하면, i) 충분히 큰 (예를 들어 미리 정의된 임계값을 초과하는) 오차 측정 ΔMS가 더 작은 오차 측정 ΔMS 보다 수증기 회로 튜브 누출을 더 빨리 결정하도록; 및 ii) 또한 더 작은 오차 측정 ΔMS 가 미리 정의된 시간 (또는 측정 횟수) 동안 지속되는 경우 수증기 회로 튜브 누출을 결정하도록 미리 결정된 임계값을 선택하는 것이 가능하다. 본 발명자들에 의해 개발된 특성 모니터링의 이러한 선택, 특히 오차 측정 세트 및 오차 측정 세트의 특성의 모니터링에 사용되는 선택된 "부스팅 팩터" 접근법은 방법의 기능에 크게 기여한다.
"부스팅 팩터" 접근법은 연소 보일러 시스템의 수증기 회로의 튜브 누출이 점진적으로 발생할 수 있다는, 즉 작은 누출로 시작될 수 있다는 본 발명자들의 관찰을 반영한다. 주의하지 않으면 작은 누출이 얼마 지나지 않아 큰 누출이 될 수 있다. 주 증기 측정의 큰 변동이나 변화로 인해, 지금까지 수증기 회로에서 특정 마커 (marker) 를 사용하지 않고는 작은 누출을 신뢰성 있게 검출하는 것이 불가능했다. 따라서 지금까지는 누출이 충분히 심각해진 후에야 튜브 누출을 신뢰성 있게 검출하는 경향이 있었으며, 이것은 그러나 연소 보일러 시스템을 수리하는 데 필요한 노력을 증가시키는 경향이 있다. 본 발명에 따르면, 튜브 누출 검출 신뢰성이 향상될 수 있어 잘못된 경보(연소 보일러 시스템의 불필요한 정지 및 비용이 많이 드는 정지 시간으로 이어짐)를 피하는 데 도움이 되지만 여전히 튜브 누출을 빠르게 검출할 수 있다.
주 증기 흐름은 바람직하게는 최종 과열기와 터빈 사이의 수증기 회로에서 측정된다.
주 증기 흐름에 대한 오차 측정 ΔMS는 바람직하게는 측정된 증기 흐름(QMS, MEASURED) 과 계산된 증기 흐름(QMS, COMPUTED) 사이의 차이(ΔMS = QMS, MEASURED　- QMS, COMPUTED)이다.
대안적으로, 주 증기 흐름에 대한 오차 측정 ΔMS는 측정된 증기 흐름(QMS, MEASURED) 과 계산된 증기 흐름(QMS, COMPUTED) 사이의 비율일 수 있다.
이러한 양태들은 주 증기 흐름에 대한 오차 측정 ΔMS가 다음과 같을 수 있도록 결합될 수 있다:
- 측정된 증기 흐름(QMS, MEASURED) 과 계산된 증기 흐름(QMS, COMPUTED) 사이의 차이(ΔMS = QMS, MEASURED　- QMS, COMPUTED);
및/또는
- 측정된 증기 흐름(QMS, MEASURED) 과 계산된 증기 흐름(QMS, COMPUTED) 사이의 비율.
본 방법은 다음의 단계들을 더 포함할 수 있다:
- 연소 보일러 시스템의 노변 (fireside) 의 적어도 한 위치에서 우세한 적어도 하나의 프로세스 파라미터를 측정하는 단계;
- 실질적으로 누출이 없는 조건에서 연소 보일러 시스템의 대응하는 프로세스 파라미터를 제공하는 수치 모델의 프로세스 데이터를 이용함으로써 연소 보일러 시스템의 작동 중에 대응하는 프로세스 파라미터 중 적어도 하나를 모델링하는 단계;
- 상기 적어도 하나의 측정된 프로세스 파라미터와 상기 대응하는 적어도 하나의 모델링된 프로세스 파라미터를 서로 비교하여 또한 오차 측정 세트에 포함된 적어도 하나의 프로세스 파라미터에 대한 오차 측정을 획득하는 단계.
이 접근 방식을 사용하면, 노변 측정이 활용되어 방법의 정확성을 향상시키고, 및/또는 튜브 누출이 존재하는 연소 보일러 시스템 컴포넌트의 검출을 또한 포함할 수 있다. 가장 편리하게는, 프로세스 파라미터는 온도 및/또는 압력 중 적어도 하나를 포함하거나 적어도 하나로 구성된다.
적어도 하나의 프로세스 노변 파라미터에 대한 오차 측정은 측정된 프로세스 파라미터와 모델링된 프로세스 파라미터 간의 차이일 수 있다.
대안적으로, 적어도 하나의 프로세스 노변 파라미터에 대한 오차 측정은 측정된 프로세스 파라미터와 모델링된 프로세스 파라미터 사이의 비율일 수 있다.
이들은 적어도 하나의 프로세스 노변 파라미터에 대한 오차 측정이 측정된 프로세스 파라미터와 모델링된 프로세스 파라미터 사이의 차이 및/또는 측정된 프로세스 파라미터와 모델링된 프로세스 파라미터 사이의 비율이 되도록 결합될 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 오차 측정 세트의 특성은 작동 중 미리 결정된 시간 주기 동안 미리 결정된 임계값을 초과하는 발생 횟수를 포함할 수 있다.
바람직하게는 급수 유량은 이코노마이저 (economizer) 이전에 측정된다.
본 발명의 바람직한 실시형태는 순환 유동층(CFB) 보일러 시스템이지만, 본 발명은 다른 종류의 연소 보일러 시스템 중에서, 특히 기포 유동층(BFB) 보일러 시스템에서도 실현될 수 있다.
CFB 보일러 시스템의 경우, 노변의 적어도 한 위치에서 측정된 프로세스 파라미터는 바람직하게는 복귀 레그, 즉 복귀 채널의 입자 분리기 하류에 배열된 루프 밀봉의 압력을 포함하거나 이로 구성되며, 복귀 레그는 분리된 입자를 노 내로 복귀 시키기 위해 배열된다.
이러한 상황에서 바람직하게는, 방법은 주 증기 흐름에 대한 오차 측정의 발생의 횟수가 미리 결정된 임계값을 초과하는지 모니터링하는 단계를 포함하며, 초과 발생 횟수는 오차 측정의 특성에 포함되고, 방법은 루프 밀봉의 압력에 대한 오차 측정의 발생의 횟수가 미리 결정된 임계값을 초과하는지 모니터링하는 단계를 더 포함하며, 초과 발생 횟수는 오차 측정의 특성에 포함된다. i) 주 증기 흐름에 대한 오차 측정 및 주 증기 흐름에 대한 오차 측정의 발생 횟수가 미리 결정된 임계값을 초과하는 경우, 그리고 추가로 ii) 루프 밀봉의 압력 및 루프 밀봉의 루프 밀봉 파라미터의 압력의 발생 횟수와 관련된 오차 측정이 미리 결정된 임계값을 초과하는 경우 수증기 회로 누출은 루프 밀봉에 존재하는 것으로 결정될 수 있다.
CFB 보일러 시스템의 경우, 노변의 적어도 한 위치에서 측정된 프로세스 파라미터는 바람직하게는 입자 분리기의 출구의 연도 가스 온도를 포함하거나 이로 구성된다.
이러한 상황에서 바람직하게는, i) 주 증기 흐름에 대한 오차 측정 및 주 증기 흐름에 대한 오차 측정의 발생 횟수 양자 모두가 각각 대응하는 오차 측정에 대해 미리 결정된 임계값을 초과하는 경우, 및 추가로 ii) 입자 분리기의 출구의 연도 가스 온도와 관련된 오차 측정 및 입자 분리기의 출구의 연도 가스 온도의 발생 횟수 양자 모두가 각각 연도 가스 온도 오차 측정에 대해 미리 결정된 임계값을 초과하는 경우 입자 분리기에 누출이 있는 것으로 결정된다.
CFB 보일러 시스템의 경우, 노변의 적어도 한 위치에서 측정된 프로세스 파라미터는 바람직하게는 재가열기 튜브(재가열기는 수증기 회로 뒤에 위치함) 및/또는 과열기 튜브를 포함하는 유동층 열교환기의 층 온도를 포함하거나 이로 구성된다. 양 컴포넌트들의 출력이 실제로 CFB 보일러 시스템의 수증기 회로 뒤에 있는 터빈(재가열기의 경우, 중압 터빈, 및 과열기의 경우, 고압 터빈)으로 이어지기 때문에 수증기 회로의 모니터링을 기반으로 이들 컴포넌트들 양자 모두에서 수증기 회로 튜브 누출을 검출하는 것이 특히 어려웠다.
이러한 상황에서 바람직하게는 프로세스 파라미터는 과열기 튜브를 포함하는 유동층 열교환기의 층 온도를 포함하거나 이로 구성된다.
또한, 바람직하게는, 유동층 열교환기의 층 온도의 오차 측정 및 오차 측정의 발생 횟수 양자 모두가 각각 미리 결정된 임계값을 초과하는 경우 유동층 열교환기에서 튜브 누출이 결정되며,
바람직하게는 재가열기가 수증기 회로 뒤에 위치하기 때문에 주 증기 흐름에 대한 오차 측정이 각각의 임계값을 초과하도록 요구하지 않는다.
방법의 모든 양태들과 실시형태들에 대한 공통적인 점은 오차 측정의 특성이 미리 결정된 임계값을 초과하는 각각의 발생 횟수를 포함하거나 이로 구성될 수 있다는 것이다.
연소 보일러는 로컬 제어 시스템을 포함하고 및/또는 원격 제어 시스템에 연결되며, 제어 시스템(들)은 튜브 누출 결정 방법을 수행하도록 구성된다. 연소 보일러 시스템은 이 방법을 사용하여 검출된 튜브 누출의 존재를 보일러 운영자에게 표시하기 위한 디스플레이/모니터와 같은 표시 수단을 더 포함한다.
이하에서, 첨부된 도면에 개시된 예시적인 실시형태들을 참조하여 방법 및 연소 보일러 시스템을 보다 구체적으로 설명한다.
도 1 은 CFB 보일러 시스템을 예시한다;
도 2 는 BFB 보일러 시스템을 예시한다;
도 3 은 CFB 보일러 시스템의 수치 모델에 대한 교정 방법을 도시한다;
도 4 는 수학적 모델의 훈련 및 데이터 사용에 대한 가능성을 도시한다;
도 5 는 튜브 누출 위험의 계산을 예시한다;
도 6a 내지 도 6i 는 방법의 기능을 검증하기 위해 실제 CFB 보일러 시스템 데이터에 방법을 적용한 테스트의 선택된 데이터를 보여준다.
동일한 도면 부호는 모든 도면에서 동일한 기술적 특징을 나타낸다.
도 1은 CFB 보일러이고 연소 보일러 시스템(10)의 수증기 회로에 연결된 튜브 벽(13)(전형적으로 전면 벽, 후면 벽, 측벽을 포함함)을 갖는 노(12)를 포함하는 연소 보일러 시스템(10)을 도시한다. 도 1은 물 탱크(50)로부터 증발기(노의 벽)로 물이 공급된 다음 과열기를 통해 터빈(도면에는 도시되지 않음)으로 안내되는 OTU 보일러 케이스를 도시한다. 연도 가스 채널에는 이코노마이저 및/또는 과열기가 제공될 수 있다.
유동화 가스(예를 들어, 공기 및/또는 산소 함유 가스)는, 일반적으로 1차 유동화 공기가 (베드 재료 및 연료를 유동화하기 위해) 그리드(250)의 노즐을 통해 노에 진입하도록, 유동화 가스 공급원(153)으로부터 1차 유동화 가스 피드(151), 및 (연소를 제어하기 위해 공기와 같은 산소 함유 가스를 공급하기 위해) 2차 유동화 가스 피드(152)를 통해 화격자(도 1에 도시되지 않은 화격자) 아래로 공급된다. 효과는 층 재료가 유동화되고 연소에 필요한 산소가 노(12)에 공급된다는 것이다. 또한, 연료는 연료 피드(22)를 통해 노(12) 내로 공급된다.
연소는 연료 피드(22)을 제어함으로써(예를 들어, 연료 피드를 감소 또는 증가시킴으로써), 및 유동화 가스 피드를 제어함으로써(예를 들어, 노(12) 내로의 산소 함유 가스(예를 들어, 연소 공기) 공급의 양을 감소 또는 증가시킴으로써) 조정될 수 있다. 연료는 첨가제, 특히 예를 들어 CaCO3 및/또는 점토와 같은 알칼리 흡착제 역할을 하는 첨가제와 함께 공급될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 암모늄 또는 요소와 같은 NOx 환원제는 노(12)의 연소 구역 내로, 또는 노(12)의 연소 구역 위에 공급될 수 있다.
층 재료는 또한 노에 공급되며, 그 층 재료는 모래, 석회석 및/또는 점토를 포함할 수 있으며, 특히 카올린을 포함할 수 있다. 층 및 일반적으로 연소의 하나의 효과는 수증기 회로에서 물과 증기가 튜브 벽(13)에서 가열되고 물이 증기로 변환된다는 것이다.
바닥재 (bottom ash) 는 노(12)의 바닥으로 떨어지고 재 슈트(명확성을 위해 도 1에서는 생략됨)를 통해 제거될 수 있으며 소위 비산재라고 불리는 재의 일부는 연도 가스와 함께 운반될 것이다.
연도 가스, 미연소 연료 및 층 재료와 같은 연소 생성물은 노(12)로부터 보텍스 파인더 (vortex finder) (103) 를 포함할 수 있는 입자 분리기(17)로 진행된다. 입자 분리기(17)는 연도 가스를 고체로부터 분리한다. 특히 대형 연소 보일러(10)에서는 바람직하게는 서로 평행하게 배열된 2 이상 (2개, 3개, ...) 의 분리기(17)가 있을 수 있다.
분리기(17)에 의해 분리된 고체는 바람직하게는 분리기(17)의 바닥에 위치하는 루프 밀봉(200)을 통과한다. 그 다음, 고체는 (예를 들어, 튜브 및/또는 열 전달 패널을 포함하지만 이에 제한되지 않는) 열 전달 표면이기도 한 유동층 열 교환기(FBHE)(100)로 전달되어 FBHE(100)가 고체로부터 열을 수집하여 수증기 회로의 증기를 추가로 가열한다.
FBHE(100)는 유동화될 수 있고 열 전달 튜브 또는 다른 종류의 열 전달 표면을 포함할 수 있으며 재가열기 또는 과열기로서 배열될 수 있다. FBHE 출구(101)로부터, 증기는 고압 터빈(FBHE(100)이 과열기인 경우) 또는 중압 터빈(FBHE(100)이 재가열기인 경우)으로 전달된다.
고체는 FBHE(100)에서 복귀 채널(102)을 통해 노(12)로 나갈 수 있다. 특히 대형 연소 보일러(10)에는 2 이상 (2개, 3개, ...) 의 루프 밀봉(160) 및 FBHE(100)과 복귀 채널(102)이 바람직하게는 서로 평행하게 배열되어 각각의 분리기(17)에 대해 각각의 루프 밀봉(160), FBHE(100) 및 복귀 채널(102)이 존재할 것이다. 실제로, FBHE(100) 중 일부는 과열기로 배열될 수 있고 다른 일부는 재가열기로 배열될 수 있다.
연도 가스는 분리기(17)로부터 교차 덕트(15)로 전달되고, 거기에서 다시 역방향 경로(16)(바람직하게는 수직 경로일 수 있음)로 전달되고, 거기서부터 연도 가스 덕트(18)를 거쳐 스택(19)으로 전달된다.
역방향 경로(16)는 다수의 열 전달 표면(21i)(여기서 i = 1, 2, 3,..., k, 여기서 k는 열 전달 표면의 수임)을 포함한다. 도 1에서는 열 전달 표면 중, 열 전달 표면(211, 212, 213, 214　21k　이 예시되어 있다. 열전달 표면 21k　는 공기 예열기를 묘사한다. 다른 열 전달 표면은 연도 가스 채널(역방향 경로(16))에 이코노마이저, 과열기 및 재가열기를 포함한다. 예를 들어, 이러한 컴포넌트 각각의 서로 다른 열 전달 표면의 실제 개수는 실제 필요에 따라 각 연소 보일러에 대해 다르게 선택될 수 있다. 그리고 열전달 표면(21)을 포함하는 추가 컴포넌트도 있을 수 있다.
연소 보일러 시스템(10)에는 복수의 센서와 컴퓨터 장치가 장착되어 있다. 실제로 1개의 중형(100~150MWth) 연소 보일러 시스템(10)은 하루에 1억 건의 측정 결과를 생성할 수 있으며, 이를 위해서는 25GB의 저장 공간이 필요하다. 도 1 및 도 2는 센서 및 컴퓨터 장치 중 일부를 도시한다. 센서의 예는 FBHE(100)의 출구(101)에서 배출 증기 온도를 측정하는 주 증기 흐름 센서(260), FBHE(100) 챔버에서 층 온도를 측정하는 온도 센서(280), 분리기(17)에서 연도 가스 출구 온도를 측정하는 온도 센서(270), 루프 밀봉(200)의 온도를 측정하는 온도 센서(290) 및/또는 루프 밀봉(200)의 압력을 측정하는 압력 센서(291)이다. FBHE 는 FBHE 챔버의 압력을 측정하기 위한 압력 센서가 제공될 수 있다.
구체적으로, FBHE(100)는 FBHE 출구(101)를 통해 증기가 터빈으로 유입되는 최종 과열기이다.
프로세스 데이터는 분산 제어 시스템(DCS)(301)에 의해 센서로부터 수집될 수 있다. 데이터 수집은 예를 들어 필드 버스(370)를 통해 가장 편리하게 배열될 수 있다. DCS(301)는 운영자에게 작동 상태 정보를 표시하기 위한 디스플레이/모니터(302)를 가질 수 있다. EDGE 서버(303)는 센서로부터 획득된 측정 데이터를 필터링하고 평활화하는 등의 처리를 수행할 수 있다. 데이터를 저장하기 위한 로컬 저장소(304)가 있을 수 있다.
DCS(301), 디스플레이/모니터(302), EDGE 서버(303), 로컬 저장소(304)는 연소 보일러 네트워크(380) 내에 있을 수 있다 (로컬 저장소(304)는 바람직하게는 EDGE 서버(303)에 직접 연결됨). 연소 보일러 네트워크(380)는 바람직하게는 센서로부터의 측정 결과를 DCS(301) 및/또는 EDGE 서버(303)로 통신하는 데 사용되는 필드 버스(370)와 분리되어 있다. DCS(301)와 EDGE 서버(303) 사이에는 시스템의 상호 운용성을 향상시키기 위한 개방형 플랫폼 통신 서버가 있을 수 있다.
연소 보일러 네트워크(380)는 바람직하게는 게이트웨이(305)를 통해 인터넷(306)과 연결될 수 있다. 이러한 상황에서, 측정 결과는 연소 보일러 네트워크(380)에서 컴퓨팅 클라우드(207)에 위치한 프로세스 지능 시스템(308)과 같은 클라우드 서비스로 전송될 수 있다. 출원인은 현재 분석 플랫폼을 운영하는 클라우드 서비스를 운영하고 있다. 그 클라우드 서비스는 분산 컴퓨팅 및 데이터용 클라우드 스토리지를 위한 가상화되고 쉽게 확장 가능한 환경인 Microsoft® Azure®와 같은 가상화된 서버 환경에서 운영될 수 있다. 다른 클라우드 컴퓨팅 서비스도 분석 플랫폼을 실행하는 데 적합할 수 있다. 또한, 분석 플랫폼을 실행하기 위해 클라우드 컴퓨팅 서비스 대신에, 또는 그것에 추가적으로 로컬 또는 원격 서버를 사용할 수도 있다.
도 2 는 BFB 보일러인 연소 보일러 시스템(10)을 도시하고 있다. BFB 보일러는 유동층이 순환층이 아니라 기포층이라는 점에서 CFB 보일러와 다르다. 따라서 분리기(17), 루프 밀봉(160), FBHE(100) 및 복귀 채널(102)이 필요하지 않다.
드럼 보일러에서 물은 일반적으로 이코노마이저로 공급되고 이코노마이저에서 증기 드럼을 통해 보일러의 노 벽과 같은 증발 열 전달 표면으로 공급된 다음 증기 드럼을 통해 과열기로 안내된 다음 터빈으로 공급될 수 있다.
일반적으로 적어도 하나의 과열기(14)가 노(12) 내에, 바람직하게는 노(12)의 상부 부분에 위치되어 있다. 과열기(14) 입구(143)는 증기 드럼으로부터일 수 있고 출구(144)는 고압 터빈으로일 수 있다. 온도 센서(240)는 과열기 출구(144)의 온도를 측정한다. 구체적으로, 주 증기 유량 센서(240)는 과열기 출구(144)에서 주 증기 유량을 측정하며, 과열기는 그로부터 증기가 터빈으로 안내되는 최종 과열기이다.
연소 보일러 시스템(10)의 수증기 회로의 튜브 누출을 결정하는 방법은,
- 작동 중 연소 보일러 시스템(10)의 수증기 회로에 만연하는 주 증기 흐름 QMS,M을 측정하는 단계;
- 실질적으로 튜브 누출이 없는 조건에서 연소 보일러 시스템(10)의 주 증기 QMS,C 흐름을 제공하는 연소 보일러 시스템(10)의 수치 모델에서 프로세스 데이터를 이용함으로써 작동 중 수증기 회로의 주 증기 흐름 QMS,C 를 모델링하는 단계;
- 오차 측정 세트에 포함되는 주 증기 흐름에 대한 오차 측정 ΔMS를 얻기 위해 상기 측정된 수증기 흐름과 모델링된 수증기 흐름을 서로 비교하는 단계; 그리고
- 작동 중 미리 결정된 시간 주기 동안 미리 결정된 임계값을 초과하는 오차 측정 세트 및 오차 측정 세트의 특성을 모니터링하여 수증기 회로 튜브 누출의 존재를 결정하는 단계를 포함한다.
본 방법은 다음의 단계들을 더 포함할 수 있다:
- 연소 보일러 시스템(10)의 노변 (fireside) 의 적어도 한 위치에서 우세한 적어도 하나의 프로세스 파라미터를 측정하는 단계;
- 실질적으로 누출이 없는 조건에서 연소 보일러 시스템(10)의 대응하는 프로세스 파라미터를 제공하는 수치 모델의 프로세스 데이터를 이용함으로써 연소 보일러 시스템(10)의 작동 중에 대응하는 프로세스 파라미터 중 적어도 하나를 모델링하는 단계;
- 상기 적어도 하나의 측정된 프로세스 파라미터와 상기 대응하는 적어도 하나의 모델링된 프로세스 파라미터를 서로 비교하여 또한 오차 측정 세트에 포함된 적어도 하나의 프로세스 파라미터에 대한 오차 측정을 획득하는 단계.
프로세스 파라미터는 온도 및/또는 압력 중 적어도 하나를 포함하거나 적어도 하나로 구성될 수 있다.
루프 밀봉 (290): 프로세스 파라미터는 분리된 입자를 노(12)로 복귀시키기 위해 배열된 복귀 레그의 입자 분리기(17) 하류에 배열된 루프 밀봉(290)의 압력을 포함하거나 이로 구성될 수 있다. 그 다음, 방법은 바람직하게는 주 증기 흐름에 대한 오차 측정의 발생 횟수가 미리 결정된 임계값을 초과하는지 모니터링하는 단계를 포함한다. 초과의 발생 횟수는 오차 측정의 특성에 포함된다. 방법은 루프 밀봉의 압력에 대한 오차 측정의 발생 횟수가 미리 결정된 임계값을 초과하는지 모니터링하는 단계를 더 포함하며, 초과의 발생 횟수는 오차 측정의 특성에 포함된다. 주 증기 흐름에 대한 오차 측정 및 주 증기 흐름에 대한 오차 측정의 발생 횟수가 미리 결정된 임계값을 초과하는 경우, 그리고 추가로 루프 밀봉의 압력 및 루프 밀봉의 루프 밀봉 파라미터의 압력의 발생 횟수와 관련된 오차 측정이 미리 결정된 임계값을 초과하는 경우 수증기 회로 누출이 루프 밀봉에 존재하는 것으로 결정된다.
분리기(17): 프로세스 파라미터는 입자 분리기의 출구의 연도 가스 온도를 포함하거나 이로 구성될 수 있다. 그러면, 바람직하게는, 주 증기 흐름에 대한 오차 측정 및 주 증기 흐름에 대한 오차 측정의 발생 횟수 양자 모두가 각각 대응하는 오차 측정에 대해 미리 결정된 임계값을 초과하는 경우, 및 추가로 입자 분리기의 출구의 연도 가스 온도와 관련된 오차 측정 및 입자 분리기의 출구의 연도 가스 온도의 발생 횟수 양자 모두가 각각 연도 가스 온도 오차 측정에 대해 미리 결정된 임계값을 초과하는 경우 입자 분리기에 누출이 있는 것으로 결정된다.
FBHE(100) (재가열기): 프로세스 파라미터는 재가열기 튜브를 포함하는 유동층 열교환기의 층 온도를 포함하거나 이로 구성될 수 있으며, 재가열기는 수증기 회로 뒤에 위치한다.
FBHE(100) (과열기): 프로세스 파라미터는 과열기 튜브를 포함하는 FBHE(100)의 층 온도를 포함하거나 이로 구성될 수 있다.
과열기(14): 프로세스 파라미터는 과열기 튜브를 포함하는 유동층 열교환기인 BFB 보일러 시스템의 과열기(14)의 층 온도를 포함하거나 이로 구성될 수 있다.
튜브 누출은 다음과 같은 경우 재가열기를 포함하는 유동층 열 교환기(100)에서 결정될 수 있다:
유동층 열 교환기의 층 온도의 오차 측정 및 오차 측정의 발생 횟수 양자 모두가 각각 미리 결정된 임계값을 초과하며, 바람직하게는 재가열기가 수증기 회로 뒤에 위치하기 때문에 주 증기 흐름에 대한 오차 측정이 각각의 임계값을 초과할 필요가 없는 경우.
모든 실시형태들에 대한 공통적인 점은 오차 측정의 특성이 미리 결정된 임계값을 초과하는 각각의 발생 횟수를 포함하거나 이로 구성될 수 있다는 것이다.
모든 실시형태에 대한 공통적인 점은 초과가 평가 시간 창 내에서 테스트된다는 것이다. 이는 최근 60분 동안과 같이 적절하게 선택된 시간 간격일 수 있다.
위에서 설명된 바와 같이, 연소 보일러 시스템(10)은 로컬 제어 시스템(301, 303)을 포함하고 및/또는 원격 제어 시스템(308)에 연결된다. 제어 시스템(들)은 누출 결정 방법을 수행하도록 구성된다. 연소 보일러 시스템(10)은 이 방법을 사용하여 검출된 튜브 누출의 존재를 보일러 운영자에게 표시하기 위한 디스플레이/모니터(302)와 같은 표시 수단을 더 포함한다.
도 3 은 모델 구축 또는 교정 프로세스의 일 예를 보여준다.
개시(단계 A1) 후, 단계 A3에서, 예를 들어 회귀 모델링에 의해 연소 보일러 시스템(10)의 물/증기 균형에 대한 수치 모델이 구축된다. 연소 보일러 시스템(10)의 유형에 따라 모델은 다음과 같이 다를 수 있다:
물/증기 균형, 드럼 보일러에 대한 방정식:
Qms, c　a0　+ a1Qfw　+ a2Dt(Qfw) + a3Qcbd　+ a4Qsbd　+ a5Dt(DL)
여기서:
Qms, c　= 모델링된 주 증기 흐름
Qfw　= 급수 흐름은 이코노마이저 이전에 측정될 수 있음
Dt (Qfw) = Dt(급수 흐름)은 급수 유량의 시간 미분 (특정 시간에 급수 흐름이 얼마나 변화하는지) 임
Qcbd　= 증기로부터의 지속적인 블로우 다운 흐름은 드럼에서 배출되는 물임
Qsbd　= 그을음 블로우 증기 흐름은 최종 과열기 전의 과열기 경로부터의 증기일 수 있음
Dt(DL) = Dt(드럼 레벨)은 드럼 레벨의 시간 미분 (특정 시간에 드럼 레벨이 얼마나 변하는지) 임
a0, a1　...a5 = 선형 회귀 방법으로 결정된 교정 계수.
대안적으로, 모델링된 주 증기 흐름은 인공 지능 도구 및/또는 신경망을 사용하여 얻을 수 있다.
물/증기 균형 OTU 보일러에 대한 방정식:
Qms,c　- a0　+ a1Qfw　+ a2DT (Qfw) + a3Pfw　+ a4Dt (Pfw)
여기서:
Qms, c　= 모델링된 주 증기 흐름
Qfw　= 급수 흐름
Dt (Qfw) = Dt(급수 흐름)
Pfw　= 급수 압력
Dt(Pfw) = Dt(급수 압력)
a0, a1　..., a4 = 선형 회귀 방법으로 결정된 교정 계수.
대안적으로, 모델링된 주 증기 흐름은 인공 지능 도구 및/또는 신경망을 사용하여 얻을 수 있다.
단계 A5 에서, 각 FBHE(100i) 에 대해, FBHEi 의 온도 계산을 위한 수치 모델이　예를 들어 다음과 같은 회귀 모델링에 의해 구성된다:
FBHEi　층 온도 계산에 대한 방정식
Ti,j,c= b0　+ b1Tw,i　+ b2Tse,i　+ b3Qms,m　+ b4Dt (Qms,m)
여기서:
Ti,j　= FBHE(100i)의 모델링된 층 온도
(온도 지점의 수는 N 이므로 j = 1, ..., N)
Tw,i　= 루프 밀봉(200i)　온도
Tse,i　= 분리기(17i)의 연도 가스 출구 온도
Qms, m　= 주 증기 흐름
Dt (Qms, m) = Dt(주 증기 흐름)
b0, b1　...b4 = 선형 회귀 방법으로 결정된 계수.
대안적으로, 모델링된 층 온도는 인공 지능 도구 및/또는 신경망을 사용하여 얻을 수 있다.
단계 A7 에서, 각 분리기(17i) 에 대해, 분리기(17i)의 온도 계산을 위한 수치 모델이　예를 들어 다음과 같은 회귀 모델링에 의해 구성된다:
분리기i　온도 계산에 대한 방정식
Tseparator exit,i,c　= c0　+ c1Tinlet,i　+ c2Tmsei
식에서:
Tseparatorexit,i,c = 모델링된 분리기(17i) 연도 가스 출구 온도
Tmsei　= (분리기(17i)를 제외한, 즉 j≠i 인 다른 모든 분리기(17j)에 대해 계산된) 다른 분리기(17j)의 평균
Tseparator,inlet,i　= 분리기(17i) 입구 온도
c0, c1　...c2 = 선형 회귀 방법으로 결정된 계수
대안적으로, 모델링된 분리기 연도 가스 출구 온도는 인공 지능 도구 및/또는 신경망을 사용하여 얻을 수 있다.
단계 A9 에서, 각 루프 밀봉(200i) 에 대해, 루프 밀봉(200i)의 압력에 대한 수치 모델이　예를 들어 다음과 같은 회귀 모델링에 의해 구성된다:
루프 밀봉(200i) 압력 계산을 위한 방정식:
Pws,i　= d0　+ d1Pmwsi
식에서:
Pwsi　= 모델링된 루프 밀봉i 압력
Pmwsj　= (루프 밀봉(200i)를 제외한, 즉 j≠i 인 다른 모든 루프 밀봉(200j)에 대해 계산된) 다른 루프 밀봉 압력의 평균
d0, d1 = 선형 회귀 방법으로 결정된 팩터
대안적으로, 모델링된 층 루프 밀봉 압력은 인공 지능 도구 및/또는 신경망을 사용하여 얻을 수 있다.
도 4 는 누출 검출 시스템의 동작을 도시하며: 진단(A) 및 훈련(B) 이 분리되어 있다:
진단 블록(A)에서 누출 진단 방법 J1 은 미리 정의된 간격으로 또는 매 분과 같이 주기적으로 실행되는 것이 바람직하다.
훈련 블록(B)에는 적어도 두 세트의 훈련 데이터가 있다. 훈련 데이터 세트 K1은 X1일 전부터 X2일 동안의 프로세스 데이터를 포함한다. 훈련 데이터 세트는 X1일 전부터 X2일 동안의 프로세스 데이터를 포함한다. 그러나 훈련 데이터 세트 K1, K3 의 시작 및/또는 종료 시간은 다르다 (차이는 X3일로 표시됨). 훈련 데이터 세트 K1, K3은 부분적으로 중첩될 수도 있고, 중첩되지 않도록 분리될 수도 있다.
데이터 세트 K1에 대한 모델 훈련(도 3 참조)은 미리 정의된 간격으로 또는 주기적으로, 예를 들어 X1일마다 단계 K5에서 호출될 수 있다. 유사하게, 데이터 세트 K3에 대한 모델 훈련(도 3 참조)은 미리 정의된 간격 후에 (X3일이 경과한 후에) 단계 K7에서 호출될 수 있다.
이 실시의 목적은 연소 보일러 시스템(10)의 수증기 회로에 튜브 누출이 있는 경우, 그 튜브 누출이 교정 데이터를 손상시킬 수 있기 때문이다. 일부 튜브 누출은 천천히 발생하므로 이는 검출 알고리즘의 신뢰성을 향상시키는 것으로 여겨진다.
모델들의 사용의 예들:
모델 출력은 다음과 같은 예상 값과 비교하여 모델링된 값이다:
물/증기 균형:
ΔMS = Q'ms　- Qms
Q'ms　= 모델링된 주 증기 흐름
Qms　= 측정된 주 증기 흐름
정상적인 프로세스 상태에서 ΔMS < ΔMSlimit　
ΔMSlimit　= 프로세스/모델/보일러 종속 값
분리기(17i) (여기서 i = 1, 2, ...N, 여기서 N은 연소 보일러 시스템(10)에서의 분리기(17i)의 수이다):
Δsei　= T'se,i　- Tse,i
T'se,i　= 모델링된 분리기(17i) 연도 가스 출구 온도
Tse,i　= 측정된 분리기(17i) 연도 가스 출구 온도
분리기의 정상 프로세스 상태에서 Δsei < Δselimit
Δselimit　= 프로세스/모델/보일러 종속 값
FBHE(100):
ΔT　i1 ... n = T'i1 ... n　- Ti1...n
T'i1 ... n　= FBHE(100i)의 모델링된 층 온도들 1...n　
Ti1...n　= FBHE(100i)의 측정된 층 온도들 1...n
FBHE 에 대한 정상적인 프로세스 상태에서 ΔT　i1 ... n　< ΔTlimit
ΔTlimit　= 프로세스/모델/보일러 종속 값
루프 밀봉(200i) (여기서 i = 1, 2, ...N, 여기서 N 은 연소 보일러 시스템(10)에서의 루프 밀봉(200i)의 수이다):
Δpi　= p'ws, i - Pws, i
p'ws, i = 모델링된 루프 밀봉(200i)　압력
Pws, i　= 측정된 루프 밀봉(200i)　압력
분리기에 대한 정상적인 프로세스 상태에서 Δpi < Δplimit
Δplimit　= 프로세스/모델/보일러 종속 값
과열기(14):
ΔTsh　= T'SH　- TSH
T'SH　= 과열기(14)의 모델링된 온도
TSH = 과열기(14)의 측정된 온도
과열기(14)의 정상 프로세스 상태에서 ΔT SH　< ΔTSH,limit
ΔTSH,limit　= 프로세스/모델/보일러 종속 값
도 5 는 누출 진단 단계(도 4의 J1), 특히 튜브 누출 위험의 계산을 도시한다.
단계 J13에서는 델타가 계산된다.
처음에는 CFB 보일러 시스템에서, ΔMS, 및 선택적으로 Δsei　및/또는 ΔTi1...n 및/또는 Δpi (그리고 각각 BFB 보일러 시스템에서는, ΔMS 및 선택적으로 또한 ΔTsh) 는 최근 60분 동안과 같이 미리 정의된 시간 간격에 대해 계산될 수 있다.
다음 단계 J15에서는 델타가 각각의 경고 한계와 비교된다. 경고 한계는 각 모델마다 상수로 설정되어 있으며, 델타가 각각의 경고 한계보다 낮을 경우 프로세스는 정상 상태에 있다. 그런 다음 진단은 단계 J17 에서 경고 한계 초과를 계산한다. FBHE(100i)와 같은 멀티 모델의 경우, 예를 들어 ΔTi1...n　> x 일 때 각각의 프로세스/모델/보일러 종속 값을 초과하는 경우 컴포넌트는 비정상으로 설정된다.
튜브 누출 위험 수준은 방정식 (내부 값) 을 사용하여 계산될 수 있다:
ne　* BF > tu 인 경우:
R = 100 + (ne　* BF - tu) / tr　* 100
그렇지 않으면:
Rc = (ne　* BF - tl) / (tu　- tl) * 100
여기서:
Rc = 컴포넌트 (위치) 또는 물/증기 균형의 누출 위험 수준
ne　= 참조 주기 tr 에서의 초과의 횟수　= 참조 주기 (분) tl　의 길이 = 하한
tu　= 상한
BF = 부스트 팩터
BF = 1 + (Es　/ (WL * N) - 1) * B
여기서:
BF = 부스팅 팩터
B = 부스팅 기울기
WL = 오차에 대한 경고 한계
N: 초과들의 수
err > 경고 한계인 경우, Es　= sum(err)
누출 지수는 다음 방정식을 사용하여 계산할 수 있다:
Rc　< 100 인 경우, Ic　= Rc; Rc　> 100 인 경우, Ic　= 100
식에서:
Ic　= 컴포넌트 누출 지수 (위치) 또는 물/증기 균형 지수
Rc = 컴포넌트 (위치) 또는 물/증기 균형의 누출 위험 수준
누출 지수가 50 이상 100 미만인 경우,
위치 또는 물/증기 균형에 대한 "노란색" 경고.
누출 지수가 100보다 크면, 위치 또는 물/증기 균형에 대한 "빨간색" 경고.
전체 누출 지수:
Icm < 50인 경우:
I = Rws/2
Icm >= 50인 경우:
I = Rws/2 + Icm / 2
여기서:
I = 전체 누출 지수
Rws　= 물/증기 균형의 누출 위험 수준
Icm = 최대 컴포넌트 누출 지수
본 발명자들은 저장된 CFB 연소 보일러 시스템으로부터 수집된 실제 데이터에 대한 방법의 기능을 검증했다. 데이터는 도 6A 내지 도 6I 에 개시되어 있으며 (원격 프로세스 지능 시스템(308)의 참여로 DCS(301), EDGE 시스템을 시뮬레이션하는 것으로 이해될 수 있고 보일러 운영자에게 디스플레이/모니터(302) 상에서 표시될 수 있는 바와 같이) 연소 보일러 시스템의 수증기 회로에서 튜브 누출의 존재를 보일러 운영자에게 알리기 위해 방법이 어떻게 사용될 수 있는지를 예시적으로 보여준다.
도 6A는 위에서 설명된 바와 같이 테스트 주기 동안 계산된 전체 누출 지수 I 를 보여준다. 볼 수 있는 바와 같이, 지수는 가장 오른쪽 주기 열에서 100에 도달한다. 보일러 누출이존재한다. 보일러에서 프로세스 데이터가 수집되는 실제 상황에서는 가동이 중단되었다.
도 6b 는 물/증기 균형의 델타, 즉 동일한 연소 보일러 시스템(10) 프로세스 데이터에 대해 계산된 ΔMS를 도시한다. 다소 큰 변동을 볼 수 있다. 가장 오른쪽 시간 주기 열에 상당한 증가가 있다. 도 6c 는 물/증기 균형에 대해서만 계산된 누출 지수 IMS　를 보여준다.
도 6d 는 FBHE (1003) 에 대한 델타, 즉 동일한 연소 보일러 시스템(10) 프로세스 데이터에 대해 계산된 ΔT3 1-n 을 도시한다. 델타의 증가는 다소 느리다. 도 6e 는 누출 지수 IFBHE 3, 즉 컴포넌트 FBHE (1003) 에 대해서만 계산된 누출 지수를 도시한다.
도 6f 는 분리기 (173) 에 대한 델타, 즉 동일한 연소 보일러 시스템(10) 프로세스 데이터에 대해 계산된 Δse3 을 도시한다. 도 6g 는
누출 지수 ISE, 3, 즉 컴포넌트 분리기 (173) 에 대해서만 계산된 누출 지수를 도시한다.
도 6h 는 루프 밀봉(2003) 에 대한 델타, 즉 동일한 연소 보일러 시스템(10) 프로세스 데이터에 대해 계산된 Δws3 을 도시한다. 도 6i 는 누출 지수 Iws, 3, 즉 컴포넌트 루프 밀봉(2003) 에 대해서만 계산된 누출 지수를 도시한다.
전체 누출 지수 I 로부터, 연소 보일러 시스템(10)의 수증기 회로 내 튜브 누출의 존재는 신뢰성 있게 검출될 수 있으며, 가능하면 본 출원인의 연소 보일러 시스템의 이전 실현에서보다 더 빨리 검출될 수 있다.
연소 보일러 시스템(10)의 누출이 발생하기 쉬운 모든 컴포넌트에 대해 바람직하게 계산되는 컴포넌트별 누출 지수 (이 예에서는 각 FBHE(100i)에 대한, 각 분리기(17i) 에 대한, 그리고 각 루프 밀봉 (200i) 에 대한 누출 지수) 로부터, 튜브 누출이 있는 컴포넌트의 위치를 신뢰성 있게 검출할 수 있다.
즉, 본 발명의 제1 양태에 따른 누출 검출 방법에서, 결정된 유동층 연소 보일러 동작 파라미터들을 사용하여 실제 층 상황에 대해 추정된 모델 기반 수량과 측정들로부터 계산된 각각의 수량 간의 시계열 측정을 사용하여 위험 수준이 계산되어, 측정들은 그것들의 크기에 비해 과도 비례 방식으로 위험 수준을 설명한다. 위험 수준은 보일러 운영자에게 표시될 수 있다.
위험 수준이 미리 설정된 한도를 초과하면, 초과함이 보일러 운영자에게 표시되고, 보일러 운영자에게 경보가 울리고, 및/또는 보일러 정지가 자동으로 제안되거나 시작된다.
본 발명의 제2 양태에 따른 누출 검출 방법에서, 결정된 유동층 연소 보일러 동작 파라미터를 이용하여 실제 층 상황에 대해 추정된 모델 기반 수량과 측정들로부터 계산된 각각의 수량 간의 시계열 측정값을 이용하여 위험 수준이 계산되어, 측정들은 서로 다른 길이를 갖는 적어도 2개의 중첩 시간 창에서 평가되며, 더 좁은 시간 창은 더 넓은 시간 창보다 비례적으로 임계값을 초과하는 더 많은 수의 측정들을 요구한다. 위험 수준은 보일러 운영자에게 표시될 수 있다. 위험 수준이 미리 설정된 한도를 초과하면, 초과함이 보일러 운영자에게 표시되고, 보일러 운영자에게 경보가 울리고, 및/또는 보일러 정지가 자동으로 제안되거나 시작된다.
본 발명의 제3 양태에 따른 누출 검출 방법에서, 결정된 유동층 연소 보일러 동작 파라미터를 이용하여 실제 층 상황에 대해 추정된 모델 기반 수량과 측정들로부터 계산된 각각의 수량 간의 시계열 측정값을 이용하여 위험 수준이 계산되어, 모델 기반 수량들이 교정된 값들을 사용하여 추정되고, 그 교정된 값들은 훈련 데이터로서 위험 수준 계산에 사용된 시계열보다 더 먼 과거의 이력 데이터를 분석함으로써 획득된다. 위험 수준은 보일러 운영자에게 표시될 수 있다. 위험 수준이 미리 설정된 한도를 초과하면, 초과함이 보일러 운영자에게 표시되고, 보일러 운영자에게 경보가 울리고, 및/또는 보일러 정지가 자동으로 제안되거나 시작된다.
결정된 유동층 연소 보일러 동작 파라미터를 사용하여 실제 층 상황에 대해 추정된 모델 기반 수량 및 측정들로부터 계산된 각각의 수량은 바람직하게는 다음 중 하나 이상을 포함하며: 수증기 균형, 연도 가스 출구 온도, 층 온도, 압력, 유리하게는 수증기 균형이 사용된다.
위험 수준은 바람직하게는 임의의 상이한 측정들의 가중 합으로서 계산되며, 선택적으로 각 측정에 대해 특정 임계값을 초과하여 계산에 포함될 것을 요구한다. 위험 수준이 100%를 초과하면 100%로만 표시되도록 위험 수준이 추가로 계산될 수도 있다.
모델 기반 수량과 측정으로부터 계산된 각각의 수량 간의 차이는 다소 클 수 있다. 이는 연소 조건이 지속적으로 변하고 연소 보일러에서 특정 변동이 항상 발생한다는 사실에서 비롯된다. 400kg/s의 속도로 과열 증기를 생성하는 연소 보일러의 경우 증기 흐름은 실제로 5 - 10kg/s 위 아래로 변동할 수 있다.
본 발명의 제1 양태 뒤에 있는 발견은 모델 기반 수량과 측정으로부터 계산된 각각의 수량의 다소 큰 변동이 주어지면 시계열 분석에서 높은 확률로 더 작은 측정값이 매우 자주 발생하는 반면, 정당한 원인 없이 시계열 분석에서 더 큰 측정값이 여러 번 나타날 가능성이 그다지 높지 않다. 따라서, 연소 보일러에서 더 큰 튜브 누출은 배경 기술(Modern Power Systems 2018년 12월 기사)보다 상당히 빠르게 검출될 수 있으며, 시간 창 측정에서 임계값 초과의 수가 측정 크기의 합에 비례하여 위험 수준을 설명하는 경우 크기에 대한 임계값을 초과하는 것에 대해 과도 비례 방식으로 발생한다. 예를 들어, I11. 6 의 Modern Power Systems 기사 페이지 38의 결과를 참조한다. 출원인의 이전 방법은 누출의 시작 (왼쪽으로부터 제1 화살표) 으로부터 약 30분 후 (왼쪽으로부터 제2 화살표) 노 벽의 누출을 검출할 수 있었다. 본 방법을 사용하여, 발명자들은 동일한 데이터에 기초하여 약 2-4 분 내에 동일한 누출을 신뢰성 있게 검출할 수 있었다.
본 발명의 제2 양태 뒤에 있는 발견은 모델 기반 수량과 측정으로부터 계산된 각각의 수량의 다소 큰 변동이 주어지면 시계열 분석에서 높은 확률로 더 작은 측정값이 매우 자주 발생하는 반면, 정당한 원인 없이 더 긴 시간 주기 동안 더 작은 측정값이 나타날 가능성이 그다지 높지 않다. 따라서 연소 보일러의 더 작은 튜브 누출은 배경 기술(Modern Power Systems 2018년 12월 기사)보다 훨씬 더 신뢰성 있게 검출될 수 있으며, 측정들이 길이가 다른 적어도 두 개의 중첩하는 시간 창들에서 평가되는 경우, 더 좁은 시간 창은 시간 창 길이에 비례하여 더 넓은 시간 창보다 임계값을 초과하는 더 많은 수의 작은 측정들을 요구할 것이다. 본 방법을 사용하여, 발명자들은 배경 기술 방법을 사용하면 잘못된 누출 경보가 발생하는 상황에서도 의심되는 튜브 누출을 누출 없음으로 보다 자주 배제할 수 있었다.
제3 양태 뒤에 있는 발견은 모델 기반 수량과 측정으로부터 계산된 각 수량의 다소 큰 변동이 시계열 분석에서 일부 시간 시프팅 특성을 가질 수 있다는 것이다. 시간 시프팅이 있는 경우, 수치 모델을 사용한 추정의 계산은 더 이상 신뢰할 수 없는 부정확한 결과를 제공한다. 이러한 상황에서는 수치 피팅을 사용하여 획득된 계수 값을 사용하여 교정된 수학적 모델을 사용하여 모델 기반 수량이 추정되므로, 현재 위험 수준 계산에 사용된 시계열보다 더 먼 과거의 이력 데이터인 훈련 데이터에 대해 수치 피팅을 반복함에 따라 분석함으로써 교정된 값들이을 획득되는 경우 시간 시프팅 특성의 영향이 억제하거나 심지어 배제될 수 있다. 바람직하게는 이력 데이터는 적어도 며칠 전의 것이며, 심지어 1주 또는 2주 전의 것이 더 좋다. 이 방법을 사용하면 배경 기술(Modern Power Systems 2018년 12월 기사)의 방법보다 천천히 진행되는 튜브 누출을 더 신뢰성 있게 검출할 수 있다.
본 발명의 제4 양태에 따른 튜브 누출 검출 방법에서, 결정된 유동층 연소 보일러 동작 파라미터들을 사용하여 실제 층 상황에 대해 추정된 모델 기반 수량과 측정들로부터 계산된 각각의 수량 간의 시계열 측정을 사용하여 위험 수준이 계산되며, 다음 중 적어도 하나 그러나 바람직하게는 모두를 포함한다: 적어도 하나의 분리기, 적어도 하나의 고체 복귀 챔버 열 관환기, 저겅도 하나의 루프 밀봉. 위험 수준은 보일러 운영자에게 표시될 수 있다. 위험 수준이 미리 설정된 한도를 초과하면, 초과함이 보일러 운영자에게 표시되고, 보일러 운영자에게 경보가 울리고, 및/또는 보일러 정지가 자동으로 제안되거나 시작된다.
제4 양태 뒤에 있는 발견은 유동층 보일러에서 튜브 누출이 일반적으로 샌드블라스팅과 유사한 효과를 유발할 수 있다는 것이며, 여기서 연마 층 재료가 고압 증기 또는 물에 의해 다른 튜브와 같은 보일러 구조에 대해 가압된다. 따라서, 적어도 하나의 분리기, 적어도 하나의 고체 복귀 챔버 열 교환기, 및/또는 적어도 하나의 루프 밀봉에 대해 수행되는 CFB 보일러 누출 검출은 보일러의 이러한 부분들의 손상을 줄이는 데 도움이 될 수 있다.
노 벽 수관이 누출되는 경우, 튜브 누출이 반드시 노에서 매우 나쁜 결과를 가지는 것은 아니지만, 열 교환기 튜브들이 상대적으로 서로 가까운 특정 CFB 보일러 구조 (분리기, 고체 복귀 챔버 열 교환기, 루프 밀봉) 에서는 상황이 크게 상이할 것이다. 예를 들어 고체 복귀 챔버 열 교환기에서, 이웃하는 열 교환기 튜브들의 간격은 10 cm 에 불과할 수 있으며, 층 재료 밀도가 더 높은 컴포넌트의 튜브 누출은 누출로 인한 층 재료의 증가하는 연마 효과에 의한 누출의 급속한 악화를 초래할 수 있다. 예를 들어, CFB 노의 하부에서 층 재료 밀도는 수십 kg/m3 범위에 있을 수 있는 반면, 고체 복귀 챔버 열 교환기에서는 층 재료 밀도가 1000 - 1500 kg/m3 의 범위에 있을 수 있다. 또한, 노 튜브 벽의 누출은 일반적으로 이웃 튜브가 누출로 인해 발생하는 층 재료 블라스팅의 방향에 있지 않기 때문에 이웃 튜브를 손상시키지 않는다.
기술적 진보에 따라 본 발명의 기본 사상이 다양한 방식으로 구현될 수 있다는 것은 당업자에게 명백하다. 본 발명 및 그 실시형태들이 전술한 예들 및 샘플들에 한정되는 것은 아니며, 특허 청구범위 및 그 법적 균등물에 따라 다양한 변형이 가능하다.
후속하는 청구범위 및 전술한 본 발명의 설명에서, 표현적 언어 또는 필요한 암시로 인해 문맥상 다르게 요구되는 경우를 제외하고, "포함한다” 또는 “포함하는” 과 같은 단어 "포함한다" 또는 변형들이 포괄적인 의미로 사용되며,
즉 언급된 특징의 존재를 명시하지만 본 발명의 다양한 실시형태에서 추가 특징의 존재 또는 추가를 배제하지 않다.
10 연소 보일러
12 노
13 튜브 벽
14 과열기
15 크로스오버 덕트
16 역방향 경로
17 입자 분리기
18 연도 가스 덕트
19 스택
280 온도 센서 (FBHE)
21i 열 전달 표면 (i = 1, 2, ... k)
22 연료 공급
50 물 탱크
100 유동층 열교환기(FBHE)
101 FBHE 출구
102 복귀 채널
103 보텍스 파인더
131 튜브 벽 입구
132 튜브 벽 출구
141 FBHE 입구
142 FBHE 출구
143 과열기 입구
144 과열기 출구
151 1차 유동화 가스 피드
152 2차 유동화 가스 피드
153 유동화 가스 공급원
200 루프 밀봉
240 온도 센서 (과열기)
250 그리드
260 온도 센서 (FBHE)
270 온도 센서 (과열기)
280 압력 센서 (FBHE)
290 온도 센서 (루프 밀봉)
291 압력 센서(루프 밀봉)
301 분산 제어 시스템 (DCS)
302 디스플레이/모니터
303 EDGE 서버
304 로컬 저장소
305 게이트웨이
306 인터넷
308 프로세스 지능 시스템
307 계산 클라우드
370 필드 버스
380 연소 보일러 네트워크

Claims (13)

  1. 연소 보일러 시스템 (10) 의 수증기 회로에서의 튜브 누출을 결정하는 방법으로서,
    - 작동 중 상기 연소 보일러 시스템 (10) 의 상기 수증기 회로에 만연하는 주 증기 흐름 (QMS,M) 을 측정하는 단계;
    - 실질적으로 튜브 누출이 없는 조건들에서 상기 연소 보일러 시스템 (10) 의 주 증기 (QMS,C) 흐름을 제공하는 상기 연소 보일러 시스템 (10) 의 수치 모델에서 프로세스 데이터를 이용함으로써 작동 중 상기 수증기 회로에서의 상기 주 증기 흐름 (QMS,C) 을 모델링하는 단계;
    - 오차 측정 세트에 포함되는 주 증기 흐름에 대한 오차 측정 (ΔMS) 을 획득하기 위해 상기 측정된 수증기 흐름 및 모델링된 수증기 흐름을 서로 비교하는 단계; 및
    - 작동 중 미리 결정된 시간 주기 동안 미리 결정된 임계값을 초과하는 상기 오차 측정 세트 및 오차 측정 세트의 특성들을 모니터링하여 수증기 회로 튜브 누출의 존재를 결정하는 단계를 포함하는, 연소 보일러 시스템 (10) 의 수증기 회로에서의 튜브 누출을 결정하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    - 상기 연소 보일러 시스템 (10) 의 노변 (fireside) 의 적어도 한 위치에서 만연하는 적어도 하나의 프로세스 파라미터를 측정하는 단계;
    - 실질적으로 누출이 없는 조건들에서 상기 연소 보일러 시스템 (10) 의 대응하는 프로세스 파라미터를 제공하는 수치 모델에서 프로세스 데이터를 이용함으로써 상기 연소 보일러 시스템 (10) 의 작동 중에 대응하는 프로세스 파라미터들 중 적어도 하나를 모델링하는 단계;
    - 상기 적어도 하나의 측정된 프로세스 파라미터 및 상기 대응하는 적어도 하나의 모델링된 프로세스 파라미터를 서로 비교하여 또한 상기 오차 측정 세트에 포함된 상기 적어도 하나의 프로세스 파라미터에 대한 오차 측정을 획득하는 단계를 더 포함하는, 연소 보일러 시스템 (10) 의 수증기 회로에서의 튜브 누출을 결정하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 프로세스 파라미터들은 온도 및/또는 압력 중 적어도 하나를 포함하거나 그 적어도 하나로 구성되는, 연소 보일러 시스템 (10) 의 수증기 회로에서의 튜브 누출을 결정하는 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연소 보일러 시스템 (10) 은 순환 유동층 보일러 시스템인, 연소 보일러 시스템 (10) 의 수증기 회로에서의 튜브 누출을 결정하는 방법.
  5. 제 4 항 및 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 프로세스 파라미터는 복귀 레그 (102) 에서 입자 분리기 (17) 하류에 배열된 루프 밀봉 (290) 의 압력을 포함하거나 이로 구성되며, 복귀 레그 (102) 는 분리된 입자들을 노 (12) 로 복귀시키기 위해 배열되는, 연소 보일러 시스템 (10) 의 수증기 회로에서의 튜브 누출을 결정하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 방법은 주 증기 흐름에 대한 오차 측정의 발생들의 횟수가 미리 결정된 임계값을 초과하는지 모니터링하는 단계를 포함하며, 초과의 상기 발생들의 횟수는 오차 측정의 상기 특성들에 포함되고;
    상기 방법은 상기 루프 밀봉 (200) 의 압력에 대한 오차 측정의 발생들의 횟수가 미리 결정된 임계값을 초과하는지 모니터링하는 단계를 포함하며, 초과의 상기 발생들의 횟수는 오차 측정의 상기 특성들에 포함되며;
    수증기 회로 누출이 다음과 같은 경우 상기 루프 밀봉 (200) 에 존재하는 것으로 결정되는, 연소 보일러 시스템 (10) 의 수증기 회로에서의 튜브 누출을 결정하는 방법:
    주 증기 흐름에 대한 오차 측정 및 주 증기 흐름에 대한 오차 측정의 상기 발생들의 횟수가 상기 미리 결정된 임계값을 초과하는 경우
    및 추가로
    상기 루프 밀봉 (200) 의 압력에 관련된 오차 측정 및 상기 루프 밀봉 (200) 의 압력의 상기 발생들의 횟수 파라미터들이 상기 미리 결정된 임계값을 초과하는 경우.
  7. 제 4 항 및 제 2 항 또는 제 3 항, 또는 대안적으로 제 6 항에 있어서,
    상기 프로세스 파라미터는 입자 분리기 (17) 의 출구에서의 연도 가스 온도 (Tse,i) 를 포함하거나 이로 구성되는, 연소 보일러 시스템 (10) 의 수증기 회로에서의 튜브 누출을 결정하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    다음과 같은 경우 상기 입자 분리기에 누출이 존재하는 것으로 결정되는, 연소 보일러 시스템 (10) 의 수증기 회로에서의 튜브 누출을 결정하는 방법:
    주 증기 흐름에 대한 상기 오차 측정 및 주 증기 흐름에 대한 오차 측정의 상기 발생들의 횟수 양자 모두가 각각 대응하는 오차 측정들에 대한 상기 미리 결정된 임계값을 초과하는 경우
    및 추가로
    상기 입자 분리기의 출구의 연도 가스 온도와 관련된 오차 측정 및 상기 입자 분리기 출구의 연도 가스 온도의 상기 발생들의 횟수 양자 모두가 각각 연도 가스 온도 오차 측정들에 대해 미리 결정된 임계값을 초과하는 경우.
  9. 제 4 항 및 제 2 항 또는 제 3 항, 또는 대안적으로 제 6 항, 제 7 항, 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프로세스 파라미터는 재가열기 튜브들을 포함하는 유동층 열 교환기의 층 온도를 포함하거나 이로 구성되고, 상기 재가열기는 상기 수증기 회로 뒤에 위치되는, 연소 보일러 시스템 (10) 의 수증기 회로에서의 튜브 누출을 결정하는 방법.
  10. 제 4 항 및 제 2 항 또는 제 3 항, 또는 대안적으로 제 6 항, 제 7 항, 제 8 항, 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프로세스 파라미터는 과열기 튜브들을 포함하는 유동층 열 교환기의 층 온도를 포함하거나 이로 구성되는, 연소 보일러 시스템 (10) 의 수증기 회로에서의 튜브 누출을 결정하는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    튜브 누출이 다음과 같은 경우 유동층 열 교환기에서 결정되는, 연소 보일러 시스템 (10) 의 수증기 회로에서의 튜브 누출을 결정하는 방법:
    상기 유동층 열교환기의 층 온도의 오차 측정 및 오차 측정의 상기 발생들의 횟수 양자 모두가 각각 미리 결정된 임계값을 초과하는 경우.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    오차 측정의 상기 특성들은 미리 결정된 임계값을 초과하는 각각의 발생들의 횟수를 포함하거나 이로 구성되는, 연소 보일러 시스템 (10) 의 수증기 회로에서의 튜브 누출을 결정하는 방법.
  13. 연소 보일러 시스템 (10) 으로서,
    상기 연소 보일러 시스템 (10) 은 로컬 제어 시스템 (301, 303) 을 포함하고 및/또는 원격 제어 시스템 (308) 에 연결되고, 상기 제어 시스템(들)은 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하도록 구성되고, 추가로 상기 연소 보일러 시스템 (10) 은 상기 방법을 사용하여 검출된 튜브 누출의 존재를 보일러 운영자에게 표시하기 위한 디스플레이/모니터 (302) 와 같은 표시 수단을 포함하는, 연소 보일러 시스템 (10).







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