산소농도 제어를 통한 보일러 성능향상 연구

한건우, 조길원, 이용국

포항산업과학연구원

A Study on Performance Enhancement of Boilers through Oxygen Concentration Control

Kunwoo Han, Kil Won Cho, Yong Kuk Lee

Research Institute of Industrial Science and Technology

서론

연소설비에서 공연비제어는 에너지절감과 공해방지에 있어서 매우 중요한 인자이다.  일반적으로는 연료량과 공기량의 비율설정에 의한 공연비의 제어가 이루어 지고 있으며, 최근의 연소제어 성향은 배가스 중 산소농도를 분석하고 이를 feedback하여 공연비를 제어함으로써 저과잉공기비 연소를 지향하고 있다.  공기비의 변동요인으로는 연료조성의 변동, 부하변동, 노압변동, 설비자체의 문제 등이 있다.  저과잉공기 연소를 달성하기 위해서 연소설비 시스템의 정확한 동특성 파악하여 외란에 신속하게 대응하는 안정적이고 강건한 제어계를 구성하여 운용하는 것이 필요하며, 최적의 제어계수를 통한 제어가 이루어져야 한다.  본 연구에서는 125T/hr 증기생산 용량의 발전소 보일러를 대상으로 산소농도 자동제어를 통하여 저과잉공기 연소를 지향하고, 따라서 보일러의 효율을 증대시키는 하나의 예를 보이고자 한다.

이론

1. 목표 산소농도의 설정

연소가스의 조성으로부터 공기비를 구하는 방법으로는 질수수지에 의한 방법 등 여러 가지가 있다.  그러나, 기존의 식들은 가연분 연료 연소시에는 비교적 정확한 공기비의 산출이 가능하지만, 불연분이 다량 함유된 연료의 연소시에는 공기비의 계산에 있어 오차가 많다.  불연분이 포함된 연료의 연소에서 공기비는 아래의 식으로 표현될 수 있다.

[eqn: rm m = {21-(O_0 - CO_2,p - N_2,f )[O_2 ]/A_0 } over {21-[O_2 ]}]

여기서, m은 공기비, O0는 이론산소량, A0는 이론공기량, CO2,p와 N2,f는 단위부피당 이산화탄소와 질소의 양을 각각 나타낸다.

제철소에서는 연료로서 고로가스(Blast Furnace Gas, BFG), 코크스로가스(Coke Oven Gas, COG), 전로가스(Linze-Donawitz Gas, LDG), 중유 등을 사용하고 있으며, 단독연료 뿐 아니라 이를 혼합 연소하는 경우도 있다.  다종연료가 혼소되는 경우에는 측정된 산소농도가 연료전체에 대한 것이므로 사용하는 각 연료의 구성비를 고려하여 제어목표 산소농도가 달라진다.  공기비를 mp로 유지하기 위한 연소가스 중 산소농도는 다음과 같다.

[eqn: rm [O_2,p ] = {100C(m_p - 1)} over {A+Bm_p }]

여기서, A,B,C는 연료의 조성에 따른 간단한 함수이다.

2. 공정모델과 제어계수

제어기를 설치하기 위해서는 우선 공정의 동특성을 확인하여 공정모델을 구하는데, 1차 시간지연 모델(First-Order Plus Dead-Time model)로 근사하면 전달함수 G(s)는 다음의 식으로 표현할 수 있고, 실험에 의해 정상이득(K), 시간지연(□), 그리고 시정수(□)를 구하여 공정모델을 구할 수 있다.

[eqn: rm G(s) = {bar Y (s)} over {bar X (s)} = {Ke^-thetas} over {taus + 1}]

공정모델로부터 PI 제어기의 제어계수를 구하는 방법 중 가장 강건한 결과를 주는 방법으로 알려진 ITAE(Integral of the Time-weighted Absolute valve of the Error) 튜닝법에 의해 비례이득(KC, proportional gain) 및 적분시간(TI, integral time)을 구할 수 있다.

[eqn: rm K_c = 0.586 over K ( theta over tau )^-0.916], [eqn: rm T_I = tau over {1.03-0.165(theta/tau)}]

실험

지르코니아식 산소센서를 Gas/Air Heater 전단에 설치하여 산소농도를 측정하였다.  운전실에는 제어기(controller), 한계제어기(limiter), 공기비조절기(ratio setter, R/S) 등이 설치되어 있다.

보일러의 공정 동특성을 파악하기 위하여 open loop test를 실시하였다.  실험은 보일러 운전의 일반적인 운전상태인 가스연료 전소의 경우에 주로 행하였다.  보일러 운전실에서 현장정비요원 및 현장조업자들의 도움을 받아 연산기에서 산소농도, 상단 및 하단 공기비의 출력신호를 data logger(Thermodac EF, Eto Denki Co.)를 이용하여 자료를 받았다.  산소농도, 상/하단의 공기비의 신호를 받았으며, 이를 C program을 이용하여 산소농도의 경우 전압(Volt, V), 공기비의 경우 % 단위로 변환하였다.  실험결과를 알기 쉽게 나타내기 위한 그림에서는 데이터의 보정을 통하여 출력전압 1∼5V가 산소농도 0∼10%에 1차함수로 보정하였다.

실험의 한 예를 들자면 상단의 공기비는 1.1로 고정시키고, 하단의 공기비를 1.1에서 1.2로 변화시키고 상/하단 공기비 신호와 산소농도 신호를 읽고 결과를 해석하여 전달함수를 구한다.  실험은 약 5∼15분 정도 신호를 받다가 계단입력(step input)을 준 후 다시 약 5∼15분 정도 신호를 수집하였다.  이때 연료성분이나 연료량의 급격한 변화는 부정확한 실험결과를 야기하므로 입력변화의 전후에 연료 사용패턴을 기록하여 정확성을 기하였다.  실험시 발전소의 출력은 30MW로 일정하였다.

결과 및 토론

1. 보일러의 동특성 및 제어계수

연구대상 보일러는 상/하단의 두 단으로 구성되어 있다.  보일러 상/하단의 공정응답 동특성은 복잡한 연소반응과 보일러의 물리적 구조로 인하여 해석이 난해한 점이 있다.  그러나, 상/하단 공기비 변화에 따른 연소가스 중 산소농도의 변화추이는 앞서 언급한 1차 시간지연 모델로 근사할 수 있었다.

ITAE 튜닝법에 의하여 PI 제어기의 제어계수를 구했으며, 보일러의 공정동특성을 나타내는 상수와 제어계수를 [표 1]에 나타내었다.

2. 산소농도 제어방법

기존의 제어방법은 상/하단 공기비를 동시에 제어하는 경우였으며, 이 방법을 이용하여 계단입력 형태의 외란이 있을 때 시스템이 목표 산소농도를 제대로 추종하는 지에 대한 전산모사를 실시하였다.  그 결과 목표 산소농도와 어느 정도의 격차(offset)을 가지면서 공기비조절기가 양 끝단으로 벌어짐을 확인할 수 있었으며, 이는 현장 조업자들에 의해서도 이미 확인된 바 있다.

상단의 연소부하가 최대 65% 정도로 대체적으로 하단에 비해 크며, 보일러의 물리적 구조상 연소가스가 상단을 거쳐 최종 배출되기 때문에 상단의 공기비를 제어하는 것이 합리적이다.  발전소용 보일러의 연소조업에서 제어목표 공기비는 중유, COG, LDG의 경우 1.10, BFG의 경우 1.18이므로 하단의 공기비는 1.10-1.18 사이에서 고정시키고, 하단에서 제어하지 못하는 외란을 상단에서 완전히 제거할 수 있는 방법을 취하였다.  본 연구의 제어계수를 이용하여 상단 단독제어시 출력값의 변화를 나타내는 한 예를 [그림 1]에 나타내었다.  이 제어방법의 경우 다양한 형태의 외란에 잘 대응하면서 목표치를 추종하고 있으며, 기존의 방법보다 안정되고 강건한 제어성능을 보여주고 있다.

3. 보일러 효율상승

실험대상 보일러는 산소농도 계측기의 고장 및 목표산소농도 계산의 미비로 운전자가 육안으로 공기비를 조절하고 있다.  환경감시 체제 등의 가동으로 매연발생시 환경관리부서의 공기비 상향 등의 업무지시가 있어 공기비를 적정치보다 다소 높게 운용하고 있는 실정이다.  따라서, 현재의 산소농도보다 1% 정도 산소농도를 저감할 시 예상되는 보일러 효율 상승분을 계산하여 보았다.  1998년 5월 보일러 월보를 기준으로 산소농도를 1% 감소시킬 때(3%→2%)의 효과를 살펴보면, 배가스량과 단위 출력당 열소비율은 5.3%, 3.2% 각각 감소하며, 보일러 효율 및 발전소 효율은 약 1%씩 증가하는 것으로 나타났다.  따라서, 산소농도 1% 저감시 실험대상 보일러의 경우 원료사용 절감이 가능하였다.

요약 및 결론

Open loop test와 전산모사를 통하여 125T/hr 증기생산 용량의 보일러에 대하여 상/하단의 공정모델과 제어계수를 구하였다.  이 보일러의 경우 상/하단 동시제어보다는 상단의 단독제어가 외란에의 대응 및 목표 산소농도의 안정적인 추종 측면에서 유리하였다.  보일러의 이론적 목표 산소농도는 연료혼소율을 고려하면 1.4∼1.6%이며, 제어성능을 고려한 안정적 목표치는 1.7% 정도이다.  또한, 산소농도 1% 감소시 보일러 및 발전소의 효율은 1% 정도 상승하였다.

참고문헌

1. 이광순, 이지태, □실무를 위한 공정제어 강좌(1회-10회)□, 화학공업과 기술

(1991-1992)

2. 조길원, 한건우, 이인범, □발전보일러의 성능해석 및 열효율 향상연구□, RIST

Report(1996)

3. Cho,K.W., Han,K., Park,H.S., Lee,Y.K., and Lee,K.-H., Fuel, 77(10),

1129(1998)

4. 남궁정, 김문철, 매튜코셔, RIST 연구논문, 제12권 제2호, 257(1998)

5. 조길원, 한건우, 박진현, □고압보일러 산소농도 자동제어 시스템 성능향상

연구□, RIST Report(1999)

6. Coughanowr, D. and Koppel, L., "Process Systems Analysis and Control"

	전달함수의 상수			제어계수
	K	□	□	KC	TI
상단	2.05	20.0	60.0	0.391	61.538
하단	3.15	27.0	73.0	0.231	75.338

표 1. 보일러 공정 확인을 위한 전달함수의 상수 및 제어계수

그림 1. 본 연구의 제어계수를 이용한 상단 단독제어시 출력값의 변화 :

외란 - 계단입력, 상/하단 설정치 상이, Data Index - 001