연료비를 절감하는 보일러 연소 솔루션
일본 후지전기는 보일러의 연소 효율을 개선하여 연료비를 약 1% 줄이는 보일러 기술을 개발했다. 이는 연료에 대한 공기의 양을 극한까지 낮추는 초 희박 공기 연소로 보일러 배기가스 02 농도를 2.40%에서 0.86%까지 떨어뜨림으로써 가능하게 되었다. 이 기술을 적용하면 450t/h 규모의 온수 보일러의 경우 연간 약 28백만 엔의 연료비를 절감할 수 있게 된다. 이 기술은 과연 어떤 기술일까?
보일러의 에너지 효율 개선은 주로 기계적인 방법으로 진행되어 왔다. 예를 들어 보일러의 대형화, 출력 증기의 고온·고압화, 배기 회수량의 증가 등이다. 그러나 이러한 기술들은 이미
한계에 다다른 상황이다. 이에 보일러 효율을 개선하는 새로운 기술이 필요했다. 이러한 배경으로 일본 후지전기에서는 지난 2015년 11월 지금까지의 방법과는 다른 보일러 연소 솔루션을
개발, 판매를 시작했다.
이 솔루션은 기존에는 실현 불가능했던 초 희박 공기 연소의 이용을 현실화하여 보일러 연소 효율을 개선함으로써 보일러 연료비를 약 1% 절감하는 기술이다. 즉 지금까지의 방법과는 달리 기존 보일러 제어 장치에 소프트웨어 패키지와 레이저 방식 CO 분석계를 추가하여 보일러의 연소 효율, 즉 보일러 효율을 개선하는 솔루션이다.
보일러 제어와 최적 연소
보일러는 전력을 공급하기 위한 사업용 설비나 PPS(Power Producer and Supplier), IPP Independent Power Producer) 등의 기력 발전소, 증기나 온수 등을 만드는 열 공급 설비 등 많은 장소에 설치되어 있다. 보일러는 이러한 다양한 적용 조건에서 부하 측 설비의 가동 상황이 변해도 규정 압력과 온도의 증기를 안정적으로 공급할 필요가 있다. 이를 위해 보일러를 제어하는 많은 방법이 있으며, 현재에는 [그림 1]에 나타낸 방법이 일반적이다.
(1) 연료 유량 제어 설정 값의 연산(그림 1 ①)
주 증기 유량 신호는 보일러 부하 측의 사용 증기량이 변경될 때 최초로 변화하기 때문에 이 신호에서 증기를 발생시키기 위해 필요한 연료량을 산출한다. 이 때 그 값을 연료 유량 제어의 설정 값으로 한다. 보일러 부하의 변동에 의해 주 증기 유량 신호가 변화한 경우에는 연료 유량의 설정 값이 즉각 변경되어 연료 제어성능을 향상시킨다.
(2) 최종 연료 유량 설정(그림 1 ②)
보일러 출구의 증기 압력이 규정된 설정 값이 되도록 하기 위해 주 증기 압력 제어 연산을 진행한다. 연료유량의 설정 값은 제어 성능의 향상을 위해 주 증기 유량 신호에 의해 정해지지만 이 신호를 주 증기 압력 제어 연산의 출력으로 보정하여 최종 연료 유량 설정 값으로 한다. 이로써 보일러 출구 증기 압력을 일정 값으로 하는 주 증기 압력 제어와 보일러 부하의 변화에 대한 연료 제어 성능 향상을 모두 충족할 수 있다.
[그림 1] 보일러 자동 연소 제어 기본 플록도
(3) 보일러 연료 제어(그림 1③)
최종 연료 유량 설정 값을 기반으로 연료 유량의 제어 연산을 진행하여 보일러 연료를 제어한다.
(4) 공기 유량 설정(그림 1 ④)
최종 연료 유량 설정 값에 상당하는 연료를 태우기 위해 적절한 공기량을 산출하여 그 값을 공기 유량 설정 값으로 한다.
(5) 최종 공기 유량 설정(그림 1 ⑤)
보일러의 배기가스 중 O2 농도의 제어 연산을 진행하여 배기가스 O2 농도가 제어 목표 값이 되도록 공기 유량 설정 값에 보정을 더하면 최종 공기 유량설정 값이 된다.
(6) 보일러 공기량 제어(그림 1 ⑥)
최종 공기 유량 설정 값을 기반으로 공기 유량의 제어 연산을 진행해 보일러 공기량을 제어한다.
보일러 연소 솔루션의 구조와 특징
보일러 연소에서는 이론 공기량과 공기 과잉률이 중요하다. 보일러의 연소에서 이론 공기량이란 연료와 공기가 이상적인 상태에서 혼합하여 완전 연소할때의 공기량이다. 그러나 실제 보일러에서는 보일러에 이론 공기량을 투입해도 연료는 완전 연소되지 않고 CO나 흑연을 다량으로 발생시킨다. 그러므로 CO나 흑연이 발생하지 않도록 이론 공기량
[그림 2]에 나타난 보일러 연소의 열 손실은 공기 과잉률에 크게 좌우된다. 연료를 연소시키는데 적절한 공기보다 많은 공기량을 투입하면, 즉 공기 과잉률이 너무 커지면 연소에 관여하지 않는 공기가 많아진다. 이 공기가 보일러 내의 열을 가지고 나가 연돌에서 배기가스로 배출되기 때문에 열 손실이 발생한다.
반대로 연료를 연소시키는데 불충분한 공기량을 보일러에 투입하면, 즉 공기 과잉률이 너무 작으면 불완전 연소에 의해 CO나 흑연이 발생한다. 이것이 연돌에 의해 배기가스로 배출된다. 이 역시 공기 과잉률이 클 경우와 같이 불완전 연소에 의한 열 손실이 발생한다. 이 문제를 해결하려면 열 효율을 개선하는 것이 필요하다.
이 문제를 해결하려면 공기가 과잉일 때와 불완전 연소일 때의 열 손실을 합친 종합 열 손실이 최소가 되어야 한다. [그림 3]은 보일러에서 과잉 공기에 의한 열 손실과 불완전 연소에 의한 열 손실의 관계를 나타낸 그래프다. 이 그림을 보면 과잉 공기와 불완전 연소의 열 손실을 합친 종합 열 손실이 최소가 되는 영역은 기존의 공기 연소 영역보다 좌측의 초 희박 공기 연소 영역에 있다.
이 구상은 이전부터 있던 것이긴 하지만 이 영역에서 연속적이면서 안정적으로 자동 운전을 지속할 수 있는 기술은 확립되어 있지 않았다. 후지전기는 독자적으로 고안한 연소 계산과 응답 속도가 빠른 레이저 방식의 CO 분석계를 조합함으로써 이 기술을 확립했다. 기존 보일러 제어에서는 사용되지 않았던 열 역학이나 연소 반응 등의 연소이론식을 활용하여 독자적인 제어로직을 개발한 것이다.
[그림 2] 보일러 연소의 열 손실[그림 2] 보일러 연소의 열 손실
[그림 3] 보일러 연소 영역
이 보일러 연소 솔루션은 다음과 같은 특징을 가지고 있다.
(a) 보일러의 연료 종류나 혼합 연소의 유무에 상관없이 적용 가능하다
(b) 보일러 각 부하의 최적 공기 과잉률 점으로 제어할 수 있다.
(c) 환경 기준이 있는 경우에는 보일러 배기가스 중 CO 발생량을 기준치 내로 제어 가능하다.
(d) 보일러 배기가스 중 CO의 이상 증가를 예방할수 있다. 초 희박 공기 연소 영역에서의 연소는 공기 과잉률이 일시적으로 변동할 때 공기 부족에 의해 보일러 배기가스 중에 CO가 과다 발생할 위험이 있다. 이 대책으로 보일러 배기가스 중CO 농도를 고속으로 측정 가능한 레이저 방식의 CO 분석계를 사용하여 여러 가지 보일러의 거동에 대해 보일러 배기가스 중 CO 농도를 설정 상한 값 이하로 제어하는 제어 소프트웨어를 구비하고 있다.
(e) 기존 보일러 제어 장치의 제조사에 상관없이 도입 가능하며 기존 보일러 연소 제어 방식을 크게바꿀 필요가 없다.
CO 농도를 고속으로 측정
보일러 연소 솔루션에서 보일러 배기가스 중 CO농도를 고속으로 측정하는 것은 초 희박 공기 연소를 실현하기 위해 중요한 요소다. 보일러 연소 솔루션은 초 희박 공기 상태에서 보일러의 연료를 연소시켜 항시 화로 내에 미량의 불완전 연소를 연속적으로 발생시키면서 제어를 진행한다. 또한 불완전 연소는 공기 과잉률이 어떤 값 이하가 되면 3차 곡선의 형태로 증대하여(배기가스 CO 농도 증가) 공기 과잉률 이하로 흑연이 발생한다. 따라서 보일러의 거동이 다음의 세 가지 경우에서도 고속 응답의 레이저 방식 CO 분석계를 이용하여 과대한 불완전연소를 방지하는 것이 보일러 배기가스 CO 이상 고블록 제어다.
(a) 보일러 버너가 점화하여 일시적으로 보일러의 연소량과 공기량의 균형이 변화했을 때
(b) 보일러의 증기 부하는 변동하지 않아도 이와 상관없이 연료 발열량의 변화에 의해 연료량과 공기량이 자동 제어로 작동하여 일시적으로 공기과잉률이 변화할 때
(c) 보일러의 증기 부하가 급증할 때, 공기량과 연료량은 공기 과잉 제어로 흑연 발생을 방지하도록 제어되지만, 일시적으로 공기 과잉률이 감소하는 방향으로 변화할 때 CO 농도의 신호는 앞서 언급한 보일러 배기가스 CO 이상 고 블록 제어 외에도 다음과 같이 연료절감을 위한 초 희박 공기 연소 제어에서도 사용된다. 최적 공기 과잉률 계산, 환경 기준 값 내에 보일러 배기가스 CO를 억제하기 위한 제어에도 응용할수 있다.
레이저 방식 CO 분석계
후지전기는 레이저 방식의 가스 분석계를 일본 제작으로 처음으로 상품화했다. 레이저 방식의 CO 분석계의 특징은 다음과 같다[그림 5].
[그림 5] 레이저 방식 CO 분석계의 구성
연료비를 절감하는 보일러 연소 솔루션
일본 후지전기는 보일러의 연소 효율을 개선하여 연료비를 약 1% 줄이는 보일러 기술을 개발했다. 이는 연료에 대한 공기의 양을 극한까지 낮추는 초 희박 공기 연소로 보일러 배기가스 02 농도를 2.40%에서 0.86%까지 떨어뜨림으로써 가능하게 되었다. 이 기술을 적용하면 450t/h 규모의 온수 보일러의 경우 연간 약 28백만 엔의 연료비를 절감할 수 있게 된다. 이 기술은 과연 어떤 기술일까?
보일러의 에너지 효율 개선은 주로 기계적인 방법으로 진행되어 왔다. 예를 들어 보일러의 대형화, 출력 증기의 고온·고압화, 배기 회수량의 증가 등이다. 그러나 이러한 기술들은 이미
한계에 다다른 상황이다. 이에 보일러 효율을 개선하는 새로운 기술이 필요했다. 이러한 배경으로 일본 후지전기에서는 지난 2015년 11월 지금까지의 방법과는 다른 보일러 연소 솔루션을
개발, 판매를 시작했다.
이 솔루션은 기존에는 실현 불가능했던 초 희박 공기 연소의 이용을 현실화하여 보일러 연소 효율을 개선함으로써 보일러 연료비를 약 1% 절감하는 기술이다. 즉 지금까지의 방법과는 달리 기존 보일러 제어 장치에 소프트웨어 패키지와 레이저 방식 CO 분석계를 추가하여 보일러의 연소 효율, 즉 보일러 효율을 개선하는 솔루션이다.
보일러 제어와 최적 연소
보일러는 전력을 공급하기 위한 사업용 설비나 PPS(Power Producer and Supplier), IPP Independent Power Producer) 등의 기력 발전소, 증기나 온수 등을 만드는 열 공급 설비 등 많은 장소에 설치되어 있다. 보일러는 이러한 다양한 적용 조건에서 부하 측 설비의 가동 상황이 변해도 규정 압력과 온도의 증기를 안정적으로 공급할 필요가 있다. 이를 위해 보일러를 제어하는 많은 방법이 있으며, 현재에는 [그림 1]에 나타낸 방법이 일반적이다.
(1) 연료 유량 제어 설정 값의 연산(그림 1 ①)
주 증기 유량 신호는 보일러 부하 측의 사용 증기량이 변경될 때 최초로 변화하기 때문에 이 신호에서 증기를 발생시키기 위해 필요한 연료량을 산출한다. 이 때 그 값을 연료 유량 제어의 설정 값으로 한다. 보일러 부하의 변동에 의해 주 증기 유량 신호가 변화한 경우에는 연료 유량의 설정 값이 즉각 변경되어 연료 제어성능을 향상시킨다.
(2) 최종 연료 유량 설정(그림 1 ②)
보일러 출구의 증기 압력이 규정된 설정 값이 되도록 하기 위해 주 증기 압력 제어 연산을 진행한다. 연료유량의 설정 값은 제어 성능의 향상을 위해 주 증기 유량 신호에 의해 정해지지만 이 신호를 주 증기 압력 제어 연산의 출력으로 보정하여 최종 연료 유량 설정 값으로 한다. 이로써 보일러 출구 증기 압력을 일정 값으로 하는 주 증기 압력 제어와 보일러 부하의 변화에 대한 연료 제어 성능 향상을 모두 충족할 수 있다.
[그림 1] 보일러 자동 연소 제어 기본 플록도
(3) 보일러 연료 제어(그림 1③)
최종 연료 유량 설정 값을 기반으로 연료 유량의 제어 연산을 진행하여 보일러 연료를 제어한다.
(4) 공기 유량 설정(그림 1 ④)
최종 연료 유량 설정 값에 상당하는 연료를 태우기 위해 적절한 공기량을 산출하여 그 값을 공기 유량 설정 값으로 한다.
(5) 최종 공기 유량 설정(그림 1 ⑤)
보일러의 배기가스 중 O2 농도의 제어 연산을 진행하여 배기가스 O2 농도가 제어 목표 값이 되도록 공기 유량 설정 값에 보정을 더하면 최종 공기 유량설정 값이 된다.
(6) 보일러 공기량 제어(그림 1 ⑥)
최종 공기 유량 설정 값을 기반으로 공기 유량의 제어 연산을 진행해 보일러 공기량을 제어한다.
보일러 연소 솔루션의 구조와 특징
보일러 연소에서는 이론 공기량과 공기 과잉률이 중요하다. 보일러의 연소에서 이론 공기량이란 연료와 공기가 이상적인 상태에서 혼합하여 완전 연소할때의 공기량이다. 그러나 실제 보일러에서는 보일러에 이론 공기량을 투입해도 연료는 완전 연소되지 않고 CO나 흑연을 다량으로 발생시킨다. 그러므로 CO나 흑연이 발생하지 않도록 이론 공기량보다 과잉으로 공기를 투입해야 한다. 한편 공기 과잉률이란 식(1)에 표시한 것처럼 이론 공기량 대비 실제 보일러에 투입한 공기 비율을 뜻한다.
[그림 2]에 나타난 보일러 연소의 열 손실은 공기 과잉률에 크게 좌우된다. 연료를 연소시키는데 적절한 공기보다 많은 공기량을 투입하면, 즉 공기 과잉률이 너무 커지면 연소에 관여하지 않는 공기가 많아진다. 이 공기가 보일러 내의 열을 가지고 나가 연돌에서 배기가스로 배출되기 때문에 열 손실이 발생한다.
반대로 연료를 연소시키는데 불충분한 공기량을 보일러에 투입하면, 즉 공기 과잉률이 너무 작으면 불완전 연소에 의해 CO나 흑연이 발생한다. 이것이 연돌에 의해 배기가스로 배출된다. 이 역시 공기 과잉률이 클 경우와 같이 불완전 연소에 의한 열 손실이 발생한다. 이 문제를 해결하려면 열 효율을 개선하는 것이 필요하다.
이 문제를 해결하려면 공기가 과잉일 때와 불완전 연소일 때의 열 손실을 합친 종합 열 손실이 최소가 되어야 한다. [그림 3]은 보일러에서 과잉 공기에 의한 열 손실과 불완전 연소에 의한 열 손실의 관계를 나타낸 그래프다. 이 그림을 보면 과잉 공기와 불완전 연소의 열 손실을 합친 종합 열 손실이 최소가 되는 영역은 기존의 공기 연소 영역보다 좌측의 초 희박 공기 연소 영역에 있다.
이 구상은 이전부터 있던 것이긴 하지만 이 영역에서 연속적이면서 안정적으로 자동 운전을 지속할 수 있는 기술은 확립되어 있지 않았다. 후지전기는 독자적으로 고안한 연소 계산과 응답 속도가 빠른 레이저 방식의 CO 분석계를 조합함으로써 이 기술을 확립했다. 기존 보일러 제어에서는 사용되지 않았던 열 역학이나 연소 반응 등의 연소이론식을 활용하여 독자적인 제어로직을 개발한 것이다.
[그림 2] 보일러 연소의 열 손실[그림 2] 보일러 연소의 열 손실
[그림 3] 보일러 연소 영역
이 보일러 연소 솔루션은 다음과 같은 특징을 가지고 있다.
(a) 보일러의 연료 종류나 혼합 연소의 유무에 상관없이 적용 가능하다
(b) 보일러 각 부하의 최적 공기 과잉률 점으로 제어할 수 있다.
(c) 환경 기준이 있는 경우에는 보일러 배기가스 중 CO 발생량을 기준치 내로 제어 가능하다.
(d) 보일러 배기가스 중 CO의 이상 증가를 예방할수 있다. 초 희박 공기 연소 영역에서의 연소는 공기 과잉률이 일시적으로 변동할 때 공기 부족에 의해 보일러 배기가스 중에 CO가 과다 발생할 위험이 있다. 이 대책으로 보일러 배기가스 중CO 농도를 고속으로 측정 가능한 레이저 방식의 CO 분석계를 사용하여 여러 가지 보일러의 거동에 대해 보일러 배기가스 중 CO 농도를 설정 상한 값 이하로 제어하는 제어 소프트웨어를 구비하고 있다.
(e) 기존 보일러 제어 장치의 제조사에 상관없이 도입 가능하며 기존 보일러 연소 제어 방식을 크게바꿀 필요가 없다.
CO 농도를 고속으로 측정
보일러 연소 솔루션에서 보일러 배기가스 중 CO농도를 고속으로 측정하는 것은 초 희박 공기 연소를 실현하기 위해 중요한 요소다. 보일러 연소 솔루션은 초 희박 공기 상태에서 보일러의 연료를 연소시켜 항시 화로 내에 미량의 불완전 연소를 연속적으로 발생시키면서 제어를 진행한다. 또한 불완전 연소는 공기 과잉률이 어떤 값 이하가 되면 3차 곡선의 형태로 증대하여(배기가스 CO 농도 증가) 공기 과잉률 이하로 흑연이 발생한다. 따라서 보일러의 거동이 다음의 세 가지 경우에서도 고속 응답의 레이저 방식 CO 분석계를 이용하여 과대한 불완전연소를 방지하는 것이 보일러 배기가스 CO 이상 고블록 제어다.
(a) 보일러 버너가 점화하여 일시적으로 보일러의 연소량과 공기량의 균형이 변화했을 때
(b) 보일러의 증기 부하는 변동하지 않아도 이와 상관없이 연료 발열량의 변화에 의해 연료량과 공기량이 자동 제어로 작동하여 일시적으로 공기과잉률이 변화할 때
(c) 보일러의 증기 부하가 급증할 때, 공기량과 연료량은 공기 과잉 제어로 흑연 발생을 방지하도록 제어되지만, 일시적으로 공기 과잉률이 감소하는 방향으로 변화할 때 CO 농도의 신호는 앞서 언급한 보일러 배기가스 CO 이상 고 블록 제어 외에도 다음과 같이 연료절감을 위한 초 희박 공기 연소 제어에서도 사용된다. 최적 공기 과잉률 계산, 환경 기준 값 내에 보일러 배기가스 CO를 억제하기 위한 제어에도 응용할수 있다.
레이저 방식 CO 분석계
후지전기는 레이저 방식의 가스 분석계를 일본 제작으로 처음으로 상품화했다. 레이저 방식의 CO 분석계의 특징은 다음과 같다[그림 5].
[그림 5] 레이저 방식 CO 분석계의 구성
(1) 고속 응답 - 보일러의 배기가스 덕트에 센서부를 직접 삽입함으로써 가스 채취에 의한 시간 지연이 발생하지 않고 연도 내 가스 농도 변화를 순간적으로 포착할 수 있다(응답 시간 1~2초)
(2) 유지보수 관리의 용이성 - 직접 삽입하는 방식이기 때문에 가스 샘플링 계통에서 필터 교환 등의 일상적인 유지보수가 불필요하다. 교정 주기는 6개월에 1회 정도다.
(3) CO 측정에 대한 타 가스에 의한 저 간섭성 - 이 분석계는 CO 가스가 흡수하는 적외선 파장이 수분이나 타 가스의 파장과 겹치지 않기 때문에 타 가스에 의한 간섭의 영향을 받기 어렵다
지금까지 알아본 것처럼 보일러 분야에서 IoT를 활용한 시스템의 개발과 제품화가 진전되고 있다. IoT 기술을 이용하여 보일러 연소 상태의 감시나 보수 서비스 외에 지역, 국가를 가리지 않고 상호 정보 교환의 툴로 발전시키기 위한 검토도 이루어지고 있다. 앞으로 연구, 개발이 진행되어 더욱 부가가치가 높은 정보·제어 시스템과 솔루션의 등장이 기대된다
연료비를 절감하는 보일러 연소 솔루션
일본 후지전기는 보일러의 연소 효율을 개선하여 연료비를 약 1% 줄이는 보일러 기술을 개발했다. 이는 연료에 대한 공기의 양을 극한까지 낮추는 초 희박 공기 연소로 보일러 배기가스 02 농도를 2.40%에서 0.86%까지 떨어뜨림으로써 가능하게 되었다. 이 기술을 적용하면 450t/h 규모의 온수 보일러의 경우 연간 약 28백만 엔의 연료비를 절감할 수 있게 된다. 이 기술은 과연 어떤 기술일까?
보일러의 에너지 효율 개선은 주로 기계적인 방법으로 진행되어 왔다. 예를 들어 보일러의 대형화, 출력 증기의 고온·고압화, 배기 회수량의 증가 등이다. 그러나 이러한 기술들은 이미
한계에 다다른 상황이다. 이에 보일러 효율을 개선하는 새로운 기술이 필요했다. 이러한 배경으로 일본 후지전기에서는 지난 2015년 11월 지금까지의 방법과는 다른 보일러 연소 솔루션을
개발, 판매를 시작했다.
이 솔루션은 기존에는 실현 불가능했던 초 희박 공기 연소의 이용을 현실화하여 보일러 연소 효율을 개선함으로써 보일러 연료비를 약 1% 절감하는 기술이다. 즉 지금까지의 방법과는 달리 기존 보일러 제어 장치에 소프트웨어 패키지와 레이저 방식 CO 분석계를 추가하여 보일러의 연소 효율, 즉 보일러 효율을 개선하는 솔루션이다.
보일러 제어와 최적 연소
보일러는 전력을 공급하기 위한 사업용 설비나 PPS(Power Producer and Supplier), IPP Independent Power Producer) 등의 기력 발전소, 증기나 온수 등을 만드는 열 공급 설비 등 많은 장소에 설치되어 있다. 보일러는 이러한 다양한 적용 조건에서 부하 측 설비의 가동 상황이 변해도 규정 압력과 온도의 증기를 안정적으로 공급할 필요가 있다. 이를 위해 보일러를 제어하는 많은 방법이 있으며, 현재에는 [그림 1]에 나타낸 방법이 일반적이다.
(1) 연료 유량 제어 설정 값의 연산(그림 1 ①)
주 증기 유량 신호는 보일러 부하 측의 사용 증기량이 변경될 때 최초로 변화하기 때문에 이 신호에서 증기를 발생시키기 위해 필요한 연료량을 산출한다. 이 때 그 값을 연료 유량 제어의 설정 값으로 한다. 보일러 부하의 변동에 의해 주 증기 유량 신호가 변화한 경우에는 연료 유량의 설정 값이 즉각 변경되어 연료 제어성능을 향상시킨다.
(2) 최종 연료 유량 설정(그림 1 ②)
보일러 출구의 증기 압력이 규정된 설정 값이 되도록 하기 위해 주 증기 압력 제어 연산을 진행한다. 연료유량의 설정 값은 제어 성능의 향상을 위해 주 증기 유량 신호에 의해 정해지지만 이 신호를 주 증기 압력 제어 연산의 출력으로 보정하여 최종 연료 유량 설정 값으로 한다. 이로써 보일러 출구 증기 압력을 일정 값으로 하는 주 증기 압력 제어와 보일러 부하의 변화에 대한 연료 제어 성능 향상을 모두 충족할 수 있다.
[그림 1] 보일러 자동 연소 제어 기본 플록도
(3) 보일러 연료 제어(그림 1③)
최종 연료 유량 설정 값을 기반으로 연료 유량의 제어 연산을 진행하여 보일러 연료를 제어한다.
(4) 공기 유량 설정(그림 1 ④)
최종 연료 유량 설정 값에 상당하는 연료를 태우기 위해 적절한 공기량을 산출하여 그 값을 공기 유량 설정 값으로 한다.
(5) 최종 공기 유량 설정(그림 1 ⑤)
보일러의 배기가스 중 O2 농도의 제어 연산을 진행하여 배기가스 O2 농도가 제어 목표 값이 되도록 공기 유량 설정 값에 보정을 더하면 최종 공기 유량설정 값이 된다.
(6) 보일러 공기량 제어(그림 1 ⑥)
최종 공기 유량 설정 값을 기반으로 공기 유량의 제어 연산을 진행해 보일러 공기량을 제어한다.
보일러 연소 솔루션의 구조와 특징
보일러 연소에서는 이론 공기량과 공기 과잉률이 중요하다. 보일러의 연소에서 이론 공기량이란 연료와 공기가 이상적인 상태에서 혼합하여 완전 연소할때의 공기량이다. 그러나 실제 보일러에서는 보일러에 이론 공기량을 투입해도 연료는 완전 연소되지 않고 CO나 흑연을 다량으로 발생시킨다. 그러므로 CO나 흑연이 발생하지 않도록 이론 공기량
[그림 2]에 나타난 보일러 연소의 열 손실은 공기 과잉률에 크게 좌우된다. 연료를 연소시키는데 적절한 공기보다 많은 공기량을 투입하면, 즉 공기 과잉률이 너무 커지면 연소에 관여하지 않는 공기가 많아진다. 이 공기가 보일러 내의 열을 가지고 나가 연돌에서 배기가스로 배출되기 때문에 열 손실이 발생한다.
반대로 연료를 연소시키는데 불충분한 공기량을 보일러에 투입하면, 즉 공기 과잉률이 너무 작으면 불완전 연소에 의해 CO나 흑연이 발생한다. 이것이 연돌에 의해 배기가스로 배출된다. 이 역시 공기 과잉률이 클 경우와 같이 불완전 연소에 의한 열 손실이 발생한다. 이 문제를 해결하려면 열 효율을 개선하는 것이 필요하다.
이 문제를 해결하려면 공기가 과잉일 때와 불완전 연소일 때의 열 손실을 합친 종합 열 손실이 최소가 되어야 한다. [그림 3]은 보일러에서 과잉 공기에 의한 열 손실과 불완전 연소에 의한 열 손실의 관계를 나타낸 그래프다. 이 그림을 보면 과잉 공기와 불완전 연소의 열 손실을 합친 종합 열 손실이 최소가 되는 영역은 기존의 공기 연소 영역보다 좌측의 초 희박 공기 연소 영역에 있다.
이 구상은 이전부터 있던 것이긴 하지만 이 영역에서 연속적이면서 안정적으로 자동 운전을 지속할 수 있는 기술은 확립되어 있지 않았다. 후지전기는 독자적으로 고안한 연소 계산과 응답 속도가 빠른 레이저 방식의 CO 분석계를 조합함으로써 이 기술을 확립했다. 기존 보일러 제어에서는 사용되지 않았던 열 역학이나 연소 반응 등의 연소이론식을 활용하여 독자적인 제어로직을 개발한 것이다.
[그림 2] 보일러 연소의 열 손실[그림 2] 보일러 연소의 열 손실
[그림 3] 보일러 연소 영역
이 보일러 연소 솔루션은 다음과 같은 특징을 가지고 있다.
(a) 보일러의 연료 종류나 혼합 연소의 유무에 상관없이 적용 가능하다
(b) 보일러 각 부하의 최적 공기 과잉률 점으로 제어할 수 있다.
(c) 환경 기준이 있는 경우에는 보일러 배기가스 중 CO 발생량을 기준치 내로 제어 가능하다.
(d) 보일러 배기가스 중 CO의 이상 증가를 예방할수 있다. 초 희박 공기 연소 영역에서의 연소는 공기 과잉률이 일시적으로 변동할 때 공기 부족에 의해 보일러 배기가스 중에 CO가 과다 발생할 위험이 있다. 이 대책으로 보일러 배기가스 중CO 농도를 고속으로 측정 가능한 레이저 방식의 CO 분석계를 사용하여 여러 가지 보일러의 거동에 대해 보일러 배기가스 중 CO 농도를 설정 상한 값 이하로 제어하는 제어 소프트웨어를 구비하고 있다.
(e) 기존 보일러 제어 장치의 제조사에 상관없이 도입 가능하며 기존 보일러 연소 제어 방식을 크게바꿀 필요가 없다.
CO 농도를 고속으로 측정
보일러 연소 솔루션에서 보일러 배기가스 중 CO농도를 고속으로 측정하는 것은 초 희박 공기 연소를 실현하기 위해 중요한 요소다. 보일러 연소 솔루션은 초 희박 공기 상태에서 보일러의 연료를 연소시켜 항시 화로 내에 미량의 불완전 연소를 연속적으로 발생시키면서 제어를 진행한다. 또한 불완전 연소는 공기 과잉률이 어떤 값 이하가 되면 3차 곡선의 형태로 증대하여(배기가스 CO 농도 증가) 공기 과잉률 이하로 흑연이 발생한다. 따라서 보일러의 거동이 다음의 세 가지 경우에서도 고속 응답의 레이저 방식 CO 분석계를 이용하여 과대한 불완전연소를 방지하는 것이 보일러 배기가스 CO 이상 고블록 제어다.
(a) 보일러 버너가 점화하여 일시적으로 보일러의 연소량과 공기량의 균형이 변화했을 때
(b) 보일러의 증기 부하는 변동하지 않아도 이와 상관없이 연료 발열량의 변화에 의해 연료량과 공기량이 자동 제어로 작동하여 일시적으로 공기과잉률이 변화할 때
(c) 보일러의 증기 부하가 급증할 때, 공기량과 연료량은 공기 과잉 제어로 흑연 발생을 방지하도록 제어되지만, 일시적으로 공기 과잉률이 감소하는 방향으로 변화할 때 CO 농도의 신호는 앞서 언급한 보일러 배기가스 CO 이상 고 블록 제어 외에도 다음과 같이 연료절감을 위한 초 희박 공기 연소 제어에서도 사용된다. 최적 공기 과잉률 계산, 환경 기준 값 내에 보일러 배기가스 CO를 억제하기 위한 제어에도 응용할수 있다.
레이저 방식 CO 분석계
후지전기는 레이저 방식의 가스 분석계를 일본 제작으로 처음으로 상품화했다. 레이저 방식의 CO 분석계의 특징은 다음과 같다[그림 5].
[그림 5] 레이저 방식 CO 분석계의 구성
연료비를 절감하는 보일러 연소 솔루션
일본 후지전기는 보일러의 연소 효율을 개선하여 연료비를 약 1% 줄이는 보일러 기술을 개발했다. 이는 연료에 대한 공기의 양을 극한까지 낮추는 초 희박 공기 연소로 보일러 배기가스 02 농도를 2.40%에서 0.86%까지 떨어뜨림으로써 가능하게 되었다. 이 기술을 적용하면 450t/h 규모의 온수 보일러의 경우 연간 약 28백만 엔의 연료비를 절감할 수 있게 된다. 이 기술은 과연 어떤 기술일까?
보일러의 에너지 효율 개선은 주로 기계적인 방법으로 진행되어 왔다. 예를 들어 보일러의 대형화, 출력 증기의 고온·고압화, 배기 회수량의 증가 등이다. 그러나 이러한 기술들은 이미
한계에 다다른 상황이다. 이에 보일러 효율을 개선하는 새로운 기술이 필요했다. 이러한 배경으로 일본 후지전기에서는 지난 2015년 11월 지금까지의 방법과는 다른 보일러 연소 솔루션을
개발, 판매를 시작했다.
이 솔루션은 기존에는 실현 불가능했던 초 희박 공기 연소의 이용을 현실화하여 보일러 연소 효율을 개선함으로써 보일러 연료비를 약 1% 절감하는 기술이다. 즉 지금까지의 방법과는 달리 기존 보일러 제어 장치에 소프트웨어 패키지와 레이저 방식 CO 분석계를 추가하여 보일러의 연소 효율, 즉 보일러 효율을 개선하는 솔루션이다.
보일러 제어와 최적 연소
보일러는 전력을 공급하기 위한 사업용 설비나 PPS(Power Producer and Supplier), IPP Independent Power Producer) 등의 기력 발전소, 증기나 온수 등을 만드는 열 공급 설비 등 많은 장소에 설치되어 있다. 보일러는 이러한 다양한 적용 조건에서 부하 측 설비의 가동 상황이 변해도 규정 압력과 온도의 증기를 안정적으로 공급할 필요가 있다. 이를 위해 보일러를 제어하는 많은 방법이 있으며, 현재에는 [그림 1]에 나타낸 방법이 일반적이다.
(1) 연료 유량 제어 설정 값의 연산(그림 1 ①)
주 증기 유량 신호는 보일러 부하 측의 사용 증기량이 변경될 때 최초로 변화하기 때문에 이 신호에서 증기를 발생시키기 위해 필요한 연료량을 산출한다. 이 때 그 값을 연료 유량 제어의 설정 값으로 한다. 보일러 부하의 변동에 의해 주 증기 유량 신호가 변화한 경우에는 연료 유량의 설정 값이 즉각 변경되어 연료 제어성능을 향상시킨다.
(2) 최종 연료 유량 설정(그림 1 ②)
보일러 출구의 증기 압력이 규정된 설정 값이 되도록 하기 위해 주 증기 압력 제어 연산을 진행한다. 연료유량의 설정 값은 제어 성능의 향상을 위해 주 증기 유량 신호에 의해 정해지지만 이 신호를 주 증기 압력 제어 연산의 출력으로 보정하여 최종 연료 유량 설정 값으로 한다. 이로써 보일러 출구 증기 압력을 일정 값으로 하는 주 증기 압력 제어와 보일러 부하의 변화에 대한 연료 제어 성능 향상을 모두 충족할 수 있다.
(3) 보일러 연료 제어(그림 1③)
최종 연료 유량 설정 값을 기반으로 연료 유량의 제어 연산을 진행하여 보일러 연료를 제어한다.
(4) 공기 유량 설정(그림 1 ④)
최종 연료 유량 설정 값에 상당하는 연료를 태우기 위해 적절한 공기량을 산출하여 그 값을 공기 유량 설정 값으로 한다.
(5) 최종 공기 유량 설정(그림 1 ⑤)
보일러의 배기가스 중 O2 농도의 제어 연산을 진행하여 배기가스 O2 농도가 제어 목표 값이 되도록 공기 유량 설정 값에 보정을 더하면 최종 공기 유량설정 값이 된다.
(6) 보일러 공기량 제어(그림 1 ⑥)
최종 공기 유량 설정 값을 기반으로 공기 유량의 제어 연산을 진행해 보일러 공기량을 제어한다.
보일러 연소 솔루션의 구조와 특징
보일러 연소에서는 이론 공기량과 공기 과잉률이 중요하다. 보일러의 연소에서 이론 공기량이란 연료와 공기가 이상적인 상태에서 혼합하여 완전 연소할때의 공기량이다. 그러나 실제 보일러에서는 보일러에 이론 공기량을 투입해도 연료는 완전 연소되지 않고 CO나 흑연을 다량으로 발생시킨다. 그러므로 CO나 흑연이 발생하지 않도록 이론 공기량보다 과잉으로 공기를 투입해야 한다. 한편 공기 과잉률이란 식(1)에 표시한 것처럼 이론 공기량 대비 실제 보일러에 투입한 공기 비율을 뜻한다.
[그림 2]에 나타난 보일러 연소의 열 손실은 공기 과잉률에 크게 좌우된다. 연료를 연소시키는데 적절한 공기보다 많은 공기량을 투입하면, 즉 공기 과잉률이 너무 커지면 연소에 관여하지 않는 공기가 많아진다. 이 공기가 보일러 내의 열을 가지고 나가 연돌에서 배기가스로 배출되기 때문에 열 손실이 발생한다.
반대로 연료를 연소시키는데 불충분한 공기량을 보일러에 투입하면, 즉 공기 과잉률이 너무 작으면 불완전 연소에 의해 CO나 흑연이 발생한다. 이것이 연돌에 의해 배기가스로 배출된다. 이 역시 공기 과잉률이 클 경우와 같이 불완전 연소에 의한 열 손실이 발생한다. 이 문제를 해결하려면 열 효율을 개선하는 것이 필요하다.
이 문제를 해결하려면 공기가 과잉일 때와 불완전 연소일 때의 열 손실을 합친 종합 열 손실이 최소가 되어야 한다. [그림 3]은 보일러에서 과잉 공기에 의한 열 손실과 불완전 연소에 의한 열 손실의 관계를 나타낸 그래프다. 이 그림을 보면 과잉 공기와 불완전 연소의 열 손실을 합친 종합 열 손실이 최소가 되는 영역은 기존의 공기 연소 영역보다 좌측의 초 희박 공기 연소 영역에 있다.
이 구상은 이전부터 있던 것이긴 하지만 이 영역에서 연속적이면서 안정적으로 자동 운전을 지속할 수 있는 기술은 확립되어 있지 않았다. 후지전기는 독자적으로 고안한 연소 계산과 응답 속도가 빠른 레이저 방식의 CO 분석계를 조합함으로써 이 기술을 확립했다. 기존 보일러 제어에서는 사용되지 않았던 열 역학이나 연소 반응 등의 연소이론식을 활용하여 독자적인 제어로직을 개발한 것이다.
이 보일러 연소 솔루션은 다음과 같은 특징을 가지고 있다.
(a) 보일러의 연료 종류나 혼합 연소의 유무에 상관없이 적용 가능하다
(b) 보일러 각 부하의 최적 공기 과잉률 점으로 제어할 수 있다.
(c) 환경 기준이 있는 경우에는 보일러 배기가스 중 CO 발생량을 기준치 내로 제어 가능하다.
(d) 보일러 배기가스 중 CO의 이상 증가를 예방할수 있다. 초 희박 공기 연소 영역에서의 연소는 공기 과잉률이 일시적으로 변동할 때 공기 부족에 의해 보일러 배기가스 중에 CO가 과다 발생할 위험이 있다. 이 대책으로 보일러 배기가스 중CO 농도를 고속으로 측정 가능한 레이저 방식의 CO 분석계를 사용하여 여러 가지 보일러의 거동에 대해 보일러 배기가스 중 CO 농도를 설정 상한 값 이하로 제어하는 제어 소프트웨어를 구비하고 있다.
(e) 기존 보일러 제어 장치의 제조사에 상관없이 도입 가능하며 기존 보일러 연소 제어 방식을 크게바꿀 필요가 없다.
CO 농도를 고속으로 측정
보일러 연소 솔루션에서 보일러 배기가스 중 CO농도를 고속으로 측정하는 것은 초 희박 공기 연소를 실현하기 위해 중요한 요소다. 보일러 연소 솔루션은 초 희박 공기 상태에서 보일러의 연료를 연소시켜 항시 화로 내에 미량의 불완전 연소를 연속적으로 발생시키면서 제어를 진행한다. 또한 불완전 연소는 공기 과잉률이 어떤 값 이하가 되면 3차 곡선의 형태로 증대하여(배기가스 CO 농도 증가) 공기 과잉률 이하로 흑연이 발생한다. 따라서 보일러의 거동이 다음의 세 가지 경우에서도 고속 응답의 레이저 방식 CO 분석계를 이용하여 과대한 불완전연소를 방지하는 것이 보일러 배기가스 CO 이상 고블록 제어다.
(a) 보일러 버너가 점화하여 일시적으로 보일러의 연소량과 공기량의 균형이 변화했을 때
(b) 보일러의 증기 부하는 변동하지 않아도 이와 상관없이 연료 발열량의 변화에 의해 연료량과 공기량이 자동 제어로 작동하여 일시적으로 공기과잉률이 변화할 때
(c) 보일러의 증기 부하가 급증할 때, 공기량과 연료량은 공기 과잉 제어로 흑연 발생을 방지하도록 제어되지만, 일시적으로 공기 과잉률이 감소하는 방향으로 변화할 때 CO 농도의 신호는 앞서 언급한 보일러 배기가스 CO 이상 고 블록 제어 외에도 다음과 같이 연료절감을 위한 초 희박 공기 연소 제어에서도 사용된다. 최적 공기 과잉률 계산, 환경 기준 값 내에 보일러 배기가스 CO를 억제하기 위한 제어에도 응용할수 있다.
레이저 방식 CO 분석계
후지전기는 레이저 방식의 가스 분석계를 일본 제작으로 처음으로 상품화했다. 레이저 방식의 CO 분석계의 특징은 다음과 같다[그림 5].
(1) 고속 응답 - 보일러의 배기가스 덕트에 센서부를 직접 삽입함으로써 가스 채취에 의한 시간 지연이 발생하지 않고 연도 내 가스 농도 변화를 순간적으로 포착할 수 있다(응답 시간 1~2초)
(2) 유지보수 관리의 용이성 - 직접 삽입하는 방식이기 때문에 가스 샘플링 계통에서 필터 교환 등의 일상적인 유지보수가 불필요하다. 교정 주기는 6개월에 1회 정도다.
(3) CO 측정에 대한 타 가스에 의한 저 간섭성 - 이 분석계는 CO 가스가 흡수하는 적외선 파장이 수분이나 타 가스의 파장과 겹치지 않기 때문에 타 가스에 의한 간섭의 영향을 받기 어렵다
지금까지 알아본 것처럼 보일러 분야에서 IoT를 활용한 시스템의 개발과 제품화가 진전되고 있다. IoT 기술을 이용하여 보일러 연소 상태의 감시나 보수 서비스 외에 지역, 국가를 가리지 않고 상호 정보 교환의 툴로 발전시키기 위한 검토도 이루어지고 있다. 앞으로 연구, 개발이 진행되어 더욱 부가가치가 높은 정보·제어 시스템과 솔루션의 등장이 기대된다