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KR101104481B1 - 보일러의 내부 온도 계산 시스템 및 방법 - Google Patents

보일러의 내부 온도 계산 시스템 및 방법 Download PDF

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KR101104481B1
KR101104481B1 KR1020090059489A KR20090059489A KR101104481B1 KR 101104481 B1 KR101104481 B1 KR 101104481B1 KR 1020090059489 A KR1020090059489 A KR 1020090059489A KR 20090059489 A KR20090059489 A KR 20090059489A KR 101104481 B1 KR101104481 B1 KR 101104481B1
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KR
South Korea
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temperature
steam
gas
boiler
heat transfer
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Inventor
장석원
이인철
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한국전력공사
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Publication date
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Abstract

이 발명은, 보일러의 실제 내부 온도값을 구하기 위하여 보일러에서 첫번째 전열면에서의 스팀의 계측된 유량값과 온도값을 가지고 전열면 전후의 연소가스의 온도 및 증기의 온도를 구하는 방법을 제시하여 계측이 불가능한 고온의 보일러 내부와 계측기가 설치되지 않은 수많은 전열면의 스팀에 대한 온도를 계산으로 구할 수 있으며, 가스온도와 스팀온도 계측값 모두를 기준으로 사용하여 계산된 스팀온도와 계측된 스팀온도, 그리고 계산된 가스온도와 계측된 가스온도를 모두 비교하여 오차가 최소가 되도록 계산이 수행되도록 하여 정확성을 높일 수 있는, 보일러의 내부 온도 계산 시스템 및 방법에 관한 것으로서,
보일러의 전열면 가스입구온도(T1), 스팀입구온도(t1), 가스유량(Wg), 스팀유량(Ws)을 측정하기 위한 계측기부와, 계측기부로부터 입력되는 데이터와 계산모듈에 의해 수행된 온도계산결과를 저장하기 위한 저장용 데이터 베이스와, 보일러 전열면에서 고온의 가스와 저온의 스팀이 열교환되는 4개의 포트, 즉 입구가 가스입구온도(T1), 가스출구온도(T2), 스팀입구온도(t1), 스팀출구온도(t2)를 구하는데 있어서 가스입구온도(T1)와 스팀입구온도(t1) 값은 주어진 상태에서 가스출구온도(T2) 및 스팀출구온도(t2)를 구하기 위하여 흡수열량과 열전달열량의 비교에 의하여 가스출구온도(T2)를 구하고, 스팀출구온도(t2)를 구하는 계산 모듈과, 보일러 출구 Eco 전열면에서 계산값과 계측값을 비교하여 허용오차를 벗어나면 계산모듈에 다시 계산을 시키는 비교부와, 계산모듈에 의해 수행된 온도계산결과를 디스플레이 하기 위한 모니터링부를 포함하여 이루어진다.
보일러, 전열면, 스팀온도, 가스온도, 연소가스

Description

보일러의 내부 온도 계산 시스템 및 방법{Calcuation system of temperature for power boiler and method thereof}
이 발명은 보일러의 내부 온도 계산 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 좀더 세부적으로 말하자면 보일러의 실제 내부 온도값을 구하기 위하여 보일러에서 첫번째 전열면에서의 스팀의 계측된 유량값과 온도값을 가지고 전열면 전후의 연소가스의 온도 및 증기의 온도를 구하는 방법을 제시하여 계측이 불가능한 고온의 보일러 내부와 계측기가 설치되지 않은 수많은 전열면의 스팀에 대한 온도를 계산으로 구할 수 있으며, 가스온도와 스팀온도 계측값 모두를 기준으로 사용하여 계산된 스팀온도와 계측된 스팀온도, 그리고 계산된 가스온도와 계측된 가스온도를 모두 비교하여 오차가 최소가 되도록 계산이 수행되도록 하여 정확성을 높일 수 있는, 보일러의 내부 온도 계산 시스템 및 방법에 관한 것이다.
국내외 전력산업 환경이 크게 변화되어 발전시장에 경쟁이 도입되면서 발전설비 운영측면에서 경제성과 효율성이 강조되고 있다.
발전설비중의 하나로서 이용되고 있는 보일러는 연료의 연소에 의한 고온의 가스 열이 전열면내를 흐르는 저온의 스팀(또는 물)으로 열전달되어 가스는 냉각되 고 스팀은 가열되어 사용자가 원하는 조건의 고온 스팀을 만들어 내는 스팀 생산장치이다. 상기한 보일러는 최소의 연료소비로 최대의 스팀을 얻을 수 있다면, 보일러의 효율성, 즉 보일러 성능은 좋다고 말할 수 있다.
보일러의 효율은 열전달의 결과로써 나타나는 것이다. 가스에서 스팀으로 열전달이 잘되면 효율이 올라가고 반대로 잘 안되어 고온의 가스가 그대로 보일러 외부로 빠져나가면 효율이 떨어진다. 따라서 보일러내에서의 열의 이동 즉 온도상태는 중요한 의미를 지닌다.
이에따라 발전설비중에서 보일러의 운전성능에 크게 영향을 미치는 주요부분에는 계측기를 설치하여 온도관리를 수행하고 있다.
그러나 보일러의 운전성능에 중요한 영향을 미치는 필수 온도관리 부분일지라도 고온으로 인하여 계측기의 설치가 불가능할 경우에 운전원은 그 부분의 온도 정보를 제공받지 못하여 블라인드 동작(Blind Operation) 상태로 운전됨으로써 최적 온도를 유지할 수가 없는 문제점이 있다. 예를들면, 화로출구와 같은 1200℃ 고온 연소가스 영역에는 계측기 설치가 불가능하므로 최적 온도를 유지하지 못하는 사례가 빈번하다.
이와 같이 화로출구와 같은 고온 연소가스 영역에는 계측기를 설치하기가 어려워 다른 부분의 운전데이터를 사용하여 화로출구 운전온도를 간접적으로 유추하여 관리하는 수준에 머무르고 있으며, 경험이 풍부한 일부 운전원에 의하여 운전 온도값을 주관적으로 평가함으로써 정확한 관리가 이루어지지 못하고 있는 문제점이 있다. 또한, 화로출구 가스온도를 계산하는 절차가 정립되지 않아서 수시로 변 화하는 운전조건에 대응하는 신속한 온도 계산이 수행되지 않아 최적 보일러 운전상태를 유지하는데 어려움이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 화로출구의 온도를 임의의 기본값으로 설정한 뒤에 이를 이용하여 보일러의 마지막 튜브군을 빠져 나가는 저온의 연소가스 온도를 수식적으로 계산한 후 이를 실제 측정한 저온의 연소가스 온도와 비교하는 과정을 수행하면서, 수식적 계산값과 실제 측정값이 일치하지 않는 경우에는 화로출구 온도의 기본값을 변화시켜가면서 위의 과정을 반복하면서 수식적 계산값과 실제 측정한 값이 일치하는 경우의 화로출구의 설정온도를 실제온도로서 확인하는 기술이 대한민국 등록특허공보 등록번호 10-0694430(공고일자 2007년 03월 12일)의 "보일러의 화로출구 연소가스 온도 계산 시스템 및 방법"에서 본 출원인에 의해 개시된 바 있다.
또한, 발전소 보일러 성능의 출발점이고 주요 운전지표인 화로출구 가스온도를 실시간으로 감시하여 운전조건 변화에 따른 화로출구 가스온도를 객관적이고 정량적으로 구하여 화로 운전상태를 최적으로 유지하는 기술이 대한민국 등록특허공보 등록번호 10-0725177(공고일자 2007년 06월 04일)의 "역계산 기법을 이용한 보일러 고온부 가스온도 계산방법 및 그 시스템"에서 개시된 바 있다.
그러나, 가스는 고온 때문에, 그리고 스팀은 경제적인 이유로 수많은 전열면 전후에 계측기를 설치가 용이하지 않기 때문에 보일러 운용상 보일러 내부에서 가스와 스팀의 온도를 제대로 측정할 수가 없는 문제점이 있다.
또한, 보일러 내부의 온도계산 결과를 검증하기 위하여 설치된 계측값과 비 교를 하기도 하는데, 비교방법으로 가스에 대한 계측값과 비교를 한다. 즉, 특정위치(주로 보일러 출구의 Eco 전열면)에서의 가스온도 계산값과 가스온도 계측값을 비교하여 그 차이를 비교하여 검증하였으나, 가스의 속성상 계측값이 정확하지 않아서 절대적인 기준으로 사용하기에는 무리가 있는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 보일러의 실제 내부 온도값을 구하기 위하여 보일러에서 첫번째 전열면에서의 스팀의 계측된 유량값과 온도값을 가지고 전열면 전후의 연소가스의 온도 및 증기의 온도를 구하는 방법을 제시하여 계측이 불가능한 고온의 보일러 내부와 계측기가 설치되지 않은 수많은 전열면의 스팀에 대한 온도를 계산으로 구하기 위한, 보일러의 내부 온도 계산 시스템 및 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 가스온도와 스팀온도 계측값 모두를 기준으로 사용하여 계산된 스팀온도와 계측된 스팀온도, 그리고 계산된 가스온도와 계측된 가스온도를 모두 비교하여 오차가 최소가 되도록 계산이 수행되도록 하여 정확성을 높일 수 있는, 보일러의 내부 온도 계산 시스템 및 방법을 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로서 이 발명의 시스템의 구성은, 보일러의 전열면 가스입구온도(T1), 스팀입구온도(t1), 가스유량(Wg), 스팀유량(Ws)을 측정하기 위한 계측기부와, 계측기부로부터 입력되는 데이터와 계산모듈에 의해 수 행된 온도계산결과를 저장하기 위한 저장용 데이터 베이스와, 보일러 전열면에서 고온의 가스와 저온의 스팀이 열교환되는 4개의 포트, 즉 입구가 가스입구온도(T1), 가스출구온도(T2), 스팀입구온도(t1), 스팀출구온도(t2)를 구하는데 있어서 가스입구온도(T1)와 스팀입구온도(t1) 값은 주어진 상태에서 가스출구온도(T2) 및 스팀출구온도(t2)를 구하기 위하여 흡수열량과 열전달열량의 비교에 의하여 가스출구온도(T2)를 구하고, 스팀출구온도(t2)를 구하는 계산 모듈과, 보일러 출구 Eco 전열면에서 계산값과 계측값을 비교하여 허용오차를 벗어나면 계산모듈에 다시 계산을 시키는 비교부와, 계산모듈에 의해 수행된 온도계산결과를 디스플레이하기 위한 모니터링부를 포함하여 이루어진다.
상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로서 이 발명의 방법의 구성은, 가스출구온도(T2)를 임의로 가정하고 가스 방출열량(Q = Wg * Cpg * (T1-T2))을 구하는 단계와, 스팀 흡수열량식(Q=Ws*Cps*(t2-t1))으로부터 스팀출구온도(t2)를 구하는 단계와, 열전달 방정식{Q=U*A*[(T1-t2)-(T2-t2)]/ln[(T1-t1)/(T2-t2)]}을 이용하여 흡수열량(Q)를 구하는 단계와, 산출된 열전달에 의한 흡수열량이 오차 이내인지를 판단하고, 가스 방출열량이 열전달에 의한 흡수열량과 동일한지를 판단하는 단계와, 첫번째 전열면에 대한 계산이 완료되면, 다음 전열 튜브군에 대해서 위에서와 동일한 과정을 수행하여 보일러의 마지막 전열면인 Eco 전열면의 스팀입구온도, 스팀출구온도, 가스입구온도, 가스출구온도까지 구하는 단계와, Eco 전열면의 스팀입구온도 및 가스출구온도가 계측된 Eco 전열면의 스팀입구온도(te), 가스출구온도(Te)와 오차범위 이내인지를 판단하여 오차 범위 이내이면 이제 보일러내 모든 전열면에서의 계산을 종료하는 단계를 포함하여 이루어진다.
이 발명은, 보일러의 실제 내부 온도값을 구하기 위하여 보일러에서 첫번째 전열면에서의 스팀의 계측된 유량값과 온도값을 가지고 전열면 전후의 연소가스의 온도 및 증기의 온도를 구하는 방법을 제시하여 계측이 불가능한 고온의 보일러 내부와 계측기가 설치되지 않은 수많은 전열면의 스팀에 대한 온도를 계산으로 구할 수 있으며, 가스온도와 스팀온도 계측값 모두를 기준으로 사용하여 계산된 스팀온도와 계측된 스팀온도, 그리고 계산된 가스온도와 계측된 가스온도를 모두 비교하여 오차가 최소가 되도록 계산이 수행되도록 하여 정확성을 높일 수 있는, 효과를 갖는다.
이하, 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 이 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 이 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명하기로 한다. 이 발명의 목적, 작용, 효과를 포함하여 기타 다른 목적들, 특징점들, 그리고 동작상의 이점들이 바람직한 실시예의 설명에 의해 보다 명확해질 것이다.
참고로, 여기에서 개시되는 실시예는 여러가지 실시가능한 예중에서 당업자의 이해를 돕기 위하여 가장 바람직한 실시예를 선정하여 제시한 것일 뿐, 이 발명의 기술적 사상이 반드시 이 실시예에만 의해서 한정되거나 제한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 다양한 변화와 부가 및 변경이 가능함은 물론, 균등한 타의 실시예가 가능함을 밝혀 둔다.
도 1은 이 발명의 일실시예에 따른 보일러의 내부 온도 계산 시스템의 구성도이다.
도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 이 발명의 일실시예에 따른 보일러의 내부 온도 계산 시스템의 구성은, 보일러의 전열면 가스입구온도(T1), 스팀입구온도(t1), 가스유량(Wg), 스팀유량(Ws)을 측정하기 위한 계측기부(10)와, 계측기(10)로부터 입력되는 데이터와 계산모듈(30)에 의해 수행된 온도계산결과를 저장하기 위한 저장용 데이터 베이스(20)와, 보일러 전열면에서 고온의 가스와 저온의 스팀이 열교환되는 4개의 포트, 즉 입구가 가스입구온도(T1), 가스출구온도(T2), 스팀입구온도(t1), 스팀출구온도(t2)를 구하는데 있어서 가스입구온도(T1)와 스팀입구온도(t1) 값은 주어진 상태에서 가스출구온도(T2) 및 스팀출구온도(t2)를 구하기 위하여 흡수열량과 열전달열량의 비교에 의하여 가스출구온도(T2)를 구하고, 스팀출구온도(t2)를 구하는 계산 모듈(30)과, 보일러 출구 Eco 전열면에서 계산값과 계측값을 비교하여 허용오차를 벗어나면 계산모듈(30)에 다시 계산을 시키는 비교부(40)와, 계산모듈(30)에 의해 수행된 온도계산결과를 디스플레이하기 위한 모니터링부(50)를 포함하여 이루어진다.
상기한 계산모듈(30)은, 다음에 위치한 전열면에 대해서는 앞에서 구한 가스출구온도(T2)를 가스입구온도(T1)로 하고, 스팀출구온도(t2)는 스팀입구온도(t1)로 하여 순차적으로 전체 전열튜브군에 대해서 성능계산을 수행하되 계산으로 구한 마지막 전열면의 가스출구온도(T2)가 이 곳에 설치된 계측된 가스출구온도(Te)와 오 차범위 이내이고, 스팀입구온도(t1) 또한 계측된 스팀입구온도(te)와 비교하여 오차범위이내에 들 때까지 최초의 가스입구온도(T1)를 바꾸어가며 반복 계산하여 보일러 내부 가스와 스팀의 온도를 측정에 의존하지 않고 계산으로 구하는 구성으로 이루어진다.
상기한 계산모듈(30)은, 가스출구온도(T2)를 가정하여 흡수열량과 열전달열량을 비교하여 두 열량이 오차범위 이내일 때 가스출구온도(T2)를 확정하는 구성으로 이루어진다.
상기한 계산모듈(30)은, 특정위치(일반적으로 마지막 전열면)에서 가스출구온도 계산값(T2)과 가스출구온도 계측값(Te)이 허용오차 이내이고, 스팀입구온도 계산값(t1)과 스팀입구온도 계측값(te)도 허용오차 이내에 들 때까지 가스입구온도(T1)를 바꾸어 가면서 온도 계산 수행하여 계산 정확성을 검증하는 구성으로 이루어진다.
상기한 계산모듈(30)은, 4개의 온도값이 구해지면 가스방출열량 또는 스팀흡수열량식을 사용하여 보일러 내부의 흡수열량을 계산하는 구성으로 이루어진다.
상기한 계산모듈(30)은, 가스출구온도 계산값(T2)과 가스출구온도 계측값(Te)이 허용오차 이내이고, 스팀입구온도 계산값(t1)과 스팀입구온도 계측값(te)도 허용오차 이내에 들 때까지 가스입구온도(T1)를 바꾸어 가면서 성능계산 수행한 결과를 사용자에게 제공하는 구성으로 이루어진다.
도 2는 이 발명의 일실시예에 따른 보일러의 내부 온도 계산 방법의 동작 순서도이다.
도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 이 발명의 일실시예에 따른 보일러의 내부 온도 계산 방법의 구성은, 가스출구온도(T2)를 임의로 가정하는 단계(S10)와, 가스 방출열량(Q = Wg * Cpg * (T1-T2))을 구하는 단계(S11)와, 스팀 흡수열량식(Q=Ws*Cps*(t2-t1))으로부터 스팀출구온도(t2)를 구하는 단계(S12)와, 열전달 방정식{Q=U*A*[(T1-t2)-(T2-t2)]/ln[(T1-t1)/(T2-t2)]}을 이용하여 흡수열량(Q)를 구하는 단계(S13)와, 산출된 열전달에 의한 흡수열량이 오차 이내인지를 판단하는 단계(S14)와, 가스 방출열량이 열전달에 의한 흡수열량과 동일한지를 판단하는 단계(S15)와, 첫번째 전열면에 대한 계산이 완료되면, 다음 전열 튜브군에 대해서 위에서와 동일한 과정을 수행하는 단계(S16)와, 보일러의 마지막 전열면인 Eco 전열면의 스팀입구온도, 스팀출구온도, 가스입구온도, 가스출구온도까지 구하는 단계(S17)와, Eco 전열면의 스팀입구온도 및 가스출구온도가 계측된 Eco 전열면의 스팀입구온도(te), 가스출구온도(Te)와 오차범위 이내인지를 판단하는 단계(S18)와, 오차 범위 이내이면 이제 보일러내 모든 전열면에서의 계산을 종료하는 단계(S19)를 포함하여 이루어진다.
상기한 구성에 의한, 이 발명의 일실시예에 따른 보일러의 내부 온도 계산 시스템 및 방법의 작용은 다음과 같다.
보일러는 가스와 스팀의 열교환을 통하여 필요한 조건의 스팀을 생산하는 장치이다.
연료와 공기의 연소반응으로 인하여 생성된 고온의 연소가스는 전열면내를 흐르는 저온의 스팀으로 열을 방출하여 고온의 스팀을 생산하고, 연소가스는 열교 환의 결과로 냉각되어 보일러를 빠져나가 대기로 확산된다.
이 경우에, 연소반응후의 가스의 열은 보일러내의 스팀이 흐르는 전열면을 거치면서 열교환이 이루어지는데, 고온의 가스는 냉각되고, 전열면 내를 흐르는 저온의 스팀은 가열되어 열적인 평형을 이룬다.
이렇게 열적인 평형을 이룰때 까지의 열교환 현상을 설명하는 열흡수 관련 계산식을 수립하고, 순차적으로 각 전열튜브군에서의 열교환 용량 계산을 수행한다.
보일러의 전열면 가스입구온도(T1), 스팀유량(Ws), 스팀입구온도(t1)를 측정하는 계측기(10)로부터 얻어진 데이터는 저장용 데이터 베이스(20)로 보내지는데, 저장용 데이터 베이스(20)는 계측기부(10)로부터 실측 데이터를 전송받아 이를 디지털 신호로 변환하고, 이와 같이 디지털 신호로 변환된 데이터를 계산모듈(30)에 제공하는 기능을 수행한다.
계산모듈(30)에서는 전송된 데이터를 이용하여 성능계산을 하여 모르는 가스온도 및 스팀온도를 계산으로 구해낸다.
비교부(40)에서는 보일러 출구 Eco 전열면에서 계산값과 계측값을 비교하여 허용오차를 벗어나면 계산모듈(30)에 다시 계산을 시킨다. 이때 계산모듈(30)에서는 반복계산을 수행하고, 완료되면 계산된 스팀입구온도(t1)와 계측된 스팀입구온도(te)를 비교부(40)에서 다시 비교하여 오차범위내에 들어올 때까지 계산과 검증을 수행하여 완료되도록 한다.
계산모듈(30)에서는 온도계산결과를 이용하여 열흡수량 계산도 수행한다. 계 산모듈(30)에 의해 수행된 온도계산결과는 저장용 데이터 베이스(20)에 저장되고, 모니터링부(50)로 제공되어 사용자에 의해 모니터링된다.
계산모듈(30)에서 모르는 가스온도 및 스팀온도를 계산으로 구해내는 과정을 좀더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 계산모듈(30)은 연소가스로부터 전열면내 스팀으로 방출되는 열량(Q)을 다음의 수식에 의해 구한다.
Q = Wg * Cpg * (T1-T2)
이를 구하기 위해서는 가스의 유량(Wg), 연소가스의 정압비열(Cpg) 및 연소가스의 온도감소차이(T1-T2)를 알아야 한다. 보일러내에서 소비되는 연료의 연료성상, 연료유량, 발열량 등의 제공되는 정보를 사용하여 연료의 반응에 의하여 생성되는 가스의 유량(Wg)은 구할 수가 있고, 또한 연소가스의 정압비열(Cpg)도 이러한 반응식과 가스테이블로부터 구할 수가 있다. 따라서 전열면에서의 연소가스의 입출구 온도감소 차이(T1-T2)만 알면 가스로부터 스팀으로 방출되는 열량을 구할 수 있다.
다음으로, 스팀이 연소가스로부터 흡수하는 열량(Q)을 다음의 수식에 의해 구한다.
Q=Ws*Cps*(t2-t1)
여기에서, 스팀의 유량(Ws)은 계측되고, 스팀의 정압비열(Cps)도 스팀테이블에서 구할 수 있다. 따라서 전열면에서의 스팀의 입출구 온도증가 차이(t2-t1)만 알면 스팀의 흡수열량을 구할 수 있다.
도 3은 보일러에서 첫번째 전열면에 대한 열교환 관계를 나타내는 도면이다. 도 3에서 열교환되는 4개의 온도값 중 가스입구온도(T1)는 임의로 주어진 값이고, 스팀입구온도(t1)도 계측되어 알고 있는 값이다. 즉, 가스입구온도(T1)은 고온이어서 현장에 계측기(10)가 설치되지 않고 임의로 설정한 값이기는 하지만 알고 있는 값이고, 스팀입구온도(t1)는 현장에 계측기(10)가 설치되어 있어서 알 수 있는 값이다. 따라서 모르는 값은 가스출구온도(T2), 스팀출구온도(t2)이다. 즉 2개는 알고 2개는 모르는 부정연립방정식을 풀면 된다.
본 발명의 실시예에서는 트라이앤에러(try & error) 방식으로 2개의 미지수인 가스출구온도(T2), 스팀출구온도(t2)를 다음과 같은 절차로 구한다.
우선, 계산 모듈(30)은 가스가 전열면으로 방출한 열량식에서 가스출구온도(T2)를 임의로 가정한다(S10).
다음에 계산 모듈(30)은 가스 방출열량(Q = Wg * Cpg * (T1-T2))을 구한다(S11). 가스가 방출한 열량만큼 스팀이 흡수하여 열교환되므로 (가스 방출열량 = 스팀 흡수열량)이다.
이어서 계산 모듈(30)은 스팀 흡수열량식(Q=Ws*Cps*(t2-t1))을 적용하여(S12), 다음과 같은 스팀 흡수열량식의 변형식으로부터 남은 미지수인 스팀출구온도(t2)도 구한다.
t2 = t1 + Q/Ws*Cps
다음으로 계산 모듈(30)은 다음과 같은 열전달 방정식을 이용하여 흡수열량(Q)를 구하고(S13), 산출된 열전달에 의한 흡수열량이 오차 이내인지를 판단한 다(S14).
Q=U*A*[(T1-t2)-(T2-t2)]/ln[(T1-t1)/(T2-t2)]
상기한 수식에서, U는 총괄열전달계수이고, A는 전열면적이다. 여기에서, 가스가 방출한 열량, 스팀이 흡수한 열량, 열전달에 의한 흡수열량 이 3개의 열량은 계산식이 다를 뿐, 그 값은 모두 동일해야 한다.
따라서 위에서 구한 가스 방출열량(또는 스팀 흡수열량)이 열전달에 의한 흡수열량과 동일한지를 판단하여(S15), 가스방출열량(또는 스팀흡수열량)이 열전달에 의한 흡수열량과 동일하게 되어 두개의 열량이 일치하게 되면, 계산은 종료되고 가스출구온도(T2), 스팀출구온도(t2)가 확정된다.
만약, 두개의 열량이 일치하지 않으면 두개의 열량이 일치할 때까지 가스출구온도(T2)값을 다시 바꿔가면서 반복계산을 수행하게 되고, 가스방출 열량(또는 스팀흡수열량)과 열전달에 의한 흡수열량이 원하는 오차범위 이내가 되면 계산은 종료되고 가스출구온도(T2), 스팀출구온도(t2)가 확정된다.
이렇게 하여 전열면을 둘러싼 4개의 온도, 즉 가스입구온도(T1), 가스출구온도(T2), 스팀입구온도(t1), 스팀출구온도(t2)가 구해진다.
첫번째 전열면에 대한 계산이 완료되면, 계산 모듈(30)은 다음 전열 튜브군인 2번째 전열면에 대해서 위에서와 동일한 과정을 수행한다(S16). 이 경우에, 첫번째 전열면에서 계산된 가스출구온도(T2)는 2번째 전열면에서는 가스입구온도(T1)가 되고, 스팀출구온도(t2)는 스팀입구온도(t1)가 된다.
이렇게 하여, 보일러의 마지막 전열면인 Eco 전열면의 스팀입구온도, 스팀출구온도, 가스입구온도, 가스출구온도까지 구한다(S17).
Eco 전열면에는 스팀입구온도 계측기, 가스출구온도 계측기를 설치하여 상기 절차로 계산된 Eco 전열면의 스팀입구온도(t1) 및 가스출구온도(T2)가 계측된 Eco 전열면의 스팀입구온도(te), 가스출구온도(Te)와 오차범위 이내인지를 판단하여(S18), 오차 범위 이내이면 이제 보일러내 모든 전열면에서의 계산은 종료된다(S19).
그러나, 오차범위 밖이면 첫 번째 전열면의 가스입구온도(T1)를 다른 값으로 바꿔서 다시 처음부터 계산절차를 진행하여, Eco 전열면의 스팀입구온도 계산값(t1)과 스팀입구온도 계측값(te), 가스출구온도 계산값(T2)과 가스출구온도 계측값(Te)이 오차범위에 들 때까지 계산 수행하여(S10~S16), 오차범위내에서 일치하면 완료된다(S17).
또한 4개의 온도값이 구해지면 가스방출열량 또는 스팀흡수열량식을 사용하여 전열면의 흡수열량(Q)도 구할 수 있으므로 보일러 전체 전열면의 흡수열량도 알 수 있다.
계산이 완료되면 보일러 내부 모든 전열면을 지나는 가스와 스팀의 입구 및 출구 온도가 계산되고, 이상의 계산된 결과를 샘플로 도시하면 도 4와 같다.
도 4에서 빨간색은 가스온도, 파란색은 스팀의 온도이다. 첫 번째 전열튜브군의 스팀입구온도(t1)는 423℃로 계측하여 알고 있는 값이고, 스팀유량(Ws)도 계측값이다. 가스입구온도(T1)는 일단은 임의의 값으로 주어져 있다.
위에서 언급한 바와 같은 반복계산을 거쳐 도 4에서 보는 바와 같이 가스입구온도(T1)는 1,175℃ 이때 가스출구온도(T2)는 1,089℃, 스팀출구온도(t2)는 464 ℃로 첫 번째 전열면에 대해서 수렴하여 계산 완료되었다.
다음에 위치한 두 번째 전열면에서는 첫 번째 전열면의 가스출구온도인 1,089℃가 가스입구온도로 되고, 스팀출구온도인 464℃가 스팀입구온도가 되어 순차적으로 계산절차를 거쳐 마지막 전열면인 Eco 전열면에서 오차범위내에서 수렴하게 되고, 스팀입구온도 계측값(te) 260℃, 가스출구온도 계측값(Te) 346℃과 큰 오차가 없어서 전체 온도계산이 완료되어 각 전열면에서 연소가스와 스팀의 온도상태를 알 수 있게 된다.
도 1은 이 발명의 일실시예에 따른 보일러의 내부 온도 계산 시스템의 구성도이다.
도 2는 이 발명의 일실시예에 따른 보일러의 내부 온도 계산 방법의 동작 순서도이다.
도 3은 보일러에서 첫번째 전열면에 대한 열교환 관계를 나타내는 도면이다.
도 4는 이 발명의 일실시예에 따른 보일러의 내부 온도 계산 시스템에 의해 계산된 결과를 샘플로 도시한 도면이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 계측기부 20 : 저장용 데이터 베이스
30 : 계산 모듈 40 : 비교부
50 : 모리터링부

Claims (12)

  1. 보일러의 전열면 가스입구온도(T1), 스팀입구온도(t1), 가스유량(Wg), 스팀유량(Ws)을 측정하기 위한 계측기부와,
    계측기부로부터 입력되는 데이터와 계산모듈에 의해 수행된 온도계산결과를 저장하기 위한 저장용 데이터 베이스와,
    보일러 전열면에서 고온의 가스와 저온의 스팀이 열교환되는 4개의 포트, 즉 입구가 가스입구온도(T1), 가스출구온도(T2), 스팀입구온도(t1), 스팀출구온도(t2)를 구하는데 있어서 가스입구온도(T1)와 스팀입구온도(t1) 값은 주어진 상태에서 가스출구온도(T2) 및 스팀출구온도(t2)를 구하기 위하여 흡수열량과 열전달열량의 비교에 의하여 가스출구온도(T2)를 구하고, 스팀출구온도(t2)를 구하는 계산 모듈과,
    보일러 출구 Eco 전열면에서 계산값과 계측값을 비교하여 허용오차를 벗어나면 계산모듈에 다시 계산을 시키는 비교부와, 계산모듈에 의해 수행된 온도계산결과를 디스플레이하기 위한 모니터링부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 보일러의 내부 온도 계산 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기한 계산모듈(30)은, 다음에 위치한 전열면에 대해서는 앞에서 구한 가스출구온도(T2)를 가스입구온도(T1)로 하고, 스팀출구온도(t2)는 스팀입구온도(t1)로 하여 순차적으로 전체 전열튜브군에 대해서 성능계산을 수행하되 계산으로 구한 마지막 전열면의 가스출구온도(T2)가 이 곳에 설치된 계측된 가스출구온도(Te)와 오차범위 이내이고, 스팀입구온도(t1) 또한 계측된 스팀입구온도(te)와 비교하여 오차범위이내에 들 때까지 최초의 가스입구온도(T1)를 바꾸어가며 반복 계산하여 보일러 내부 가스와 스팀의 온도를 측정에 의존하지 않고 계산으로 구하는 구성으로이루어지는 것을 특징으로 하는 보일러의 내부 온도 계산 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기한 계산모듈(30)은, 가스출구온도(T2)를 가정하여 흡수열량과 열전달열량을 비교하여 두 열량이 오차범위 이내일 때 가스출구온도(T2)를 확정하는 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 보일러의 내부 온도 계산 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기한 계산모듈(30)은, 특정위치(일반적으로 마지막 전열면)에서 가스출구온도 계산값(T2)과 가스출구온도 계측값(Te)이 허용오차 이내이고, 스팀입구온도 계산값(t1)과 스팀입구온도 계측값(te)도 허용오차 이내에 들 때까지 가스입구온도(T1)를 바꾸어 가면서 온도 계산 수행하여 계산 정확성을 검증하는 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 보일러의 내부 온도 계산 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기한 계산모듈(30)은, 4개의 온도값이 구해지면 가스방출열량 또는 스팀흡수열량식을 사용하여 보일러 내부의 흡수열량을 계산하는 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 보일러의 내부 온도 계산 시스템.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기한 계산모듈(30)은, 가스출구온도 계산값(T2)과 가스출구온도 계측값(Te)이 허용오차 이내이고, 스팀입구온도 계산값(t1)과 스팀입구온도 계측값(te)도 허용오차 이내에 들 때까지 가스입구온도(T1)를 바꾸어 가면서 성능계산 수행한 결과를 사용자에게 제공하는 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 보일러의 내부 온도 계산 시스템.
  7. 가스출구온도(T2)를 임의로 가정하고 가스 방출열량(Q = Wg * Cpg * (T1-T2))을 구하는 단계와,
    스팀 흡수열량식(Q=Ws*Cps*(t2-t1))으로부터 스팀출구온도(t2)를 구하는 단계와,
    열전달 방정식{Q=U*A*[(T1-t2)-(T2-t2)]/ln[(T1-t1)/(T2-t2)]}을 이용하여 흡수열량(Q)를 구하는 단계와,
    산출된 열전달에 의한 흡수열량이 오차 이내인지를 판단하고, 가스 방출열량이 열전달에 의한 흡수열량과 동일한지를 판단하는 단계와,
    첫번째 전열면에 대한 계산이 완료되면, 다음 전열 튜브군에 대해서 위에서와 동일한 과정을 수행하여 보일러의 마지막 전열면인 Eco 전열면의 스팀입구온도, 스팀출구온도, 가스입구온도, 가스출구온도까지 구하는 단계와,
    Eco 전열면의 스팀입구온도 및 가스출구온도가 계측된 Eco 전열면의 스팀입구온도(te), 가스출구온도(Te)와 오차범위 이내인지를 판단하여 오차 범위 이내이면 이제 보일러내 모든 전열면에서의 계산을 종료하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 보일러의 내부 온도 계산 방법.
    여기에서, Wg는 가스의 유량, Cpg는 연소가스의 정압비열, T1은 입구 가스온도, T2는 출구가스온도, Ws는 스팀의 유량, Cps는 스팀의 정압비열, t1은 입구 스팀온도, t2는 출구 스팀온도, U는 총괄열전달계수, A는 전열면적이다.
  8. 제 7항에 있어서,
    다음에 위치한 전열면에 대해서는 앞에서 구한 가스출구온도(T2)를 가스입구온도(T1)로 하고, 스팀출구온도(t2)는 스팀입구온도(t1)로 하여 순차적으로 전체 전열튜브군에 대해서 성능계산을 수행하되 계산으로 구한 마지막 전열면의 가스출구온도(T2)가 이 곳에 설치된 계측된 가스출구온도(Te)와 오차범위 이내이고, 스팀입구온도(t1) 또한 계측된 스팀입구온도(te)와 비교하여 오차범위이내에 들 때까지 최초의 가스입구온도(T1)를 바꾸어가며 반복 계산하여 보일러 내부 가스와 스팀의 온도를 측정에 의존하지 않고 계산으로 구하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 보일러의 내부 온도 계산 방법.
  9. 제 7항에 있어서,
    가스출구온도(T2)를 가정하여 흡수열량과 열전달열량을 비교하여 두 열량이 오차범위 이내일 때 가스출구온도(T2)를 확정하는 단계를 포함하여 이루어지는 것 을 특징으로 하는 보일러의 내부 온도 계산 방법.
  10. 제 7항에 있어서,
    특정위치(마지막 전열면)에서 가스출구온도 계산값(T2)과 가스출구온도 계측값(Te)이 허용오차 이내이고, 스팀입구온도 계산값(t1)과 스팀입구온도 계측값(te)도 허용오차 이내에 들 때까지 가스입구온도(T1)를 바꾸어 가면서 온도 계산 수행하여 계산 정확성을 검증하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 보일러의 내부 온도 계산 방법.
  11. 제 7항에 있어서,
    4개의 온도값이 구해지면 가스방출열량 또는 스팀흡수열량식을 사용하여 보일러 내부의 흡수열량을 계산하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 보일러의 내부 온도 계산 방법.
  12. 제 7항에 있어서,
    가스출구온도 계산값(T2)과 가스출구온도 계측값(Te)이 허용오차 이내이고, 스팀입구온도 계산값(t1)과 스팀입구온도 계측값(te)도 허용오차 이내에 들 때까지 가스입구온도(T1)를 바꾸어 가면서 성능계산 수행한 결과를 사용자에게 제공하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 보일러의 내부 온도 계산 방법.
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