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문제 정의
- 재열기 출구온도 상승 시 버너 화염분사각도를 조절하기 위하여 가장 먼저 동작하게 되는 버너 팁의 운전설정치를 변경하는 경우를 분석해 보았다. 버너 상∙하 각도는 재열기 온도증감에 따라 조정한다.
제안 방법
- 539℃ 초과 시 버너 화염분사각도를 하향 조정하고 그럼에도 불구하고 재열기 출구온도가 계속해서 상승 추세일 때 재열저감수를 주입하게 되어 있다. 따라서 버너 화염분사각이 동작하는 버너 팁의 동작온도 설정치를 낮추었을 때 재열기 출구온도 상승 시에 재열기 출구온도를 낮추는데 효과가 있을 것으로 판단하여 동작온도 설정치를 539℃에서 538.5℃로 낮추어 데이터를 분석하였다. 버너 화염분사각 하향 동작온도 설정치를 더 많이 낮출수록 재열기 온도를 낮추는데 더 효과가 있을 것으로 예상되지만 재열기 온도가 기준치에 훨씬 밑돌게 되면 재열기 출구온도의 감소에 따른 효율감소가 우려되기 때문에 0.
- 상층부로 갈수록 재열기와 근접하게 되어 재열기 근처에서 연소가 이루어지게 되고, 이것은 미연탄소 발생 및 재열기 출구온도 상승에 직접적인 영향으로 작용하게 된다. 따라서 운전 중인 미분기 5대 중에 상층부 미분기 운전부하가 최소가 되도록 바이어스(bias) 조정운전을 시행하여 운전데이터를 분석하여 보았다. 바이어스 조정운전이란 제어되는 운전값을 미세하게 조정하는 것이다.
- 5℃로 낮추어 데이터를 분석하였다. 버너 화염분사각 하향 동작온도 설정치를 더 많이 낮출수록 재열기 온도를 낮추는데 더 효과가 있을 것으로 예상되지만 재열기 온도가 기준치에 훨씬 밑돌게 되면 재열기 출구온도의 감소에 따른 효율감소가 우려되기 때문에 0.5℃만을 낮추어 운전하였다.
- 버너 화염분사 각도의 조절 속도가 빠를수록 재열기 온도의 상승을 막고 재열저감수 사용량도 감소할 수 있다고 판단된다. 버너 화염분사각도 조절의 속응성 향상은, 재열저감수 감소효과는 있으나 과도한 동작은 오히려 온도 제어 불량과 노내 화염불안정을 유발할 수 있다는 판단하에 노내 화염 분포를 안정적으로 유지하면서 버너 화염분사각도의 조절 속도를 증가시키기 위하여 화염분사각 동작속도의 비례이득 설정치를 0.9에서 1.3으로 변경하여 Fig. 1과 같은 데이터를 얻었다.
- 본 논문에서는 재열기 출구온도 유지와 관계된 운전변수 중 4가지를 선택하여 그 설정값을 변경하여 재열저감수 사용량의 변화에 대하여 분석한 후, 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 비례이득을 0.9에서 1.3으로 높여 +30°에서 -30°까지 200초 만에 움직이던 설정치를 120초 만에 동작하도록 변경 후 약 30분간 운전데이터를 취득하였고, 변경 전, 같은 기간에 재열기 출구온도와 재열저감수 사용량을 비교하였다.
성능/효과
- Fig. 3을 보면 재열저감수 사용량은 평균 시간당 5.38톤에서 시간당 5.04톤으로 줄어드는 것으로 나타났다. 따라서 상층부 미분기 부하량을 바이어스 조정하여 보일러 상부에서 연소되는 양을 줄였을 때 재열저감수 사용량은 약 시간당 0.
- O2 바이어스 조정운전을 0%에서 -0.3%로 조정하여 운전데이터를 분석한 결과 Fig. 4와 같이 재열저감수 사용량은 평균 시간당 5.38톤에서 시간당 3.43톤으로 줄어드는 것으로 나타났다. 이것은 배기가스 중의 O2 함유량을 줄여주는 운전변수를 이용한 것으로, 재열저감수 사용량은 약 시간당 1.
- 그 결과, Fig. 2를 보면 재열저감수 사용량은 평균 시간당 5.38톤에서 시간당 3.69톤으로 줄어드는 것으로 나타났다. 이것은 버너 화염분사각의 동작온도 설정치를 539℃에서 538.
- 3으로 높여 +30°에서 -30°까지 200초 만에 움직이던 설정치를 120초 만에 동작하도록 변경 후 약 30분간 운전데이터를 취득하였고, 변경 전, 같은 기간에 재열기 출구온도와 재열저감수 사용량을 비교하였다. 그 결과, 재열저감수 사용량은 평균 시간당 5.38톤에서 시간당 4.28톤으로 줄어드는 것으로 나타났다. 따라서 버너 화염분사각도의 조절 속도를 개선하였을 때 재열기 출구온도 안정에 효과가 있으며 재열저감수 사용량의 감소로 효율을 향상시킬 수 있다는 결과를 얻었다.
- 둘째, 재열저감수 절감 효과는 연소공기량 조절이 가장 큰 양을 절감하였으며, 버너 화염분사각을 조절하는 버너 팁의 동작온도 설정치를 변경한 경우, 버너 팁의 동작 속도를 향상하였을 경우, 상부 미분기 부하를 조정하는 순으로 효과를 가져왔다. 따라서 향후 저열량탄 사용량 증가에 의한 재열저감수 과다 주입 시 열효율 저하를 막기 위하여 4가지의 운전변수 조절을 검토∙적용하여야 한다.
- 28톤으로 줄어드는 것으로 나타났다. 따라서 버너 화염분사각도의 조절 속도를 개선하였을 때 재열기 출구온도 안정에 효과가 있으며 재열저감수 사용량의 감소로 효율을 향상시킬 수 있다는 결과를 얻었다.
- 04톤으로 줄어드는 것으로 나타났다. 따라서 상층부 미분기 부하량을 바이어스 조정하여 보일러 상부에서 연소되는 양을 줄였을 때 재열저감수 사용량은 약 시간당 0.34톤이 줄어드는 것으로 나타났다.
- 75톤이 줄어들었음을 나타내는 것이다. 따라서 이 데이터 또한 재열기 출구온도 안정에 효과가 있으며 재열저감수 사용량의 감소로 효율을 향상시킬 수 있음을 의미한다.
- 이 여분으로 유입되는 공기량은 완전연소에는 도움이 되지만 그 양이 많으면 연소가스량이 늘어나게 되어 배기가스의 잠열 및 현열에 의한 열손실이 증가되기도 한다. 이 논문에서 다루고 있는 재열증기 온도와의 관계를 살펴보면 연소공기량이 증가함에 따라 연소가스량이 증가하게 되고 터빈에 공급되는 증기온도보다 높은 온도의 연소가스량이 증가함으로 대류열전달에 의한 보일러 노내 열전달이 과다하게 활발해져 재열증기 온도 상승을 초래하게 된다. 설계온도보다 높은 재열증기 온도 상승은 곧 재열저감수 사용량을 증가시켜 열손실을 가져오게 되는 것이다.
- 95톤이 줄어들었다. 이 데이터는 지금까지 운전 변수를 조절한 후 얻은 결과 중에 가장 안정되고 가장 많은 양의 재열저감수량 또한 재열기 출구온도 안정에 효과가 있으며 재열저감수 사용량의 감소로 효율을 향상시킬 수 있다는 것을 나타내었다.
- 첫째, 4가지의 운전변수를 각각 조정하였을 때 재열증기 온도는 설계치인 541℃에서 안정적으로 유지하고, 평균 시간당 1.28톤의 재열저감수 사용량을 줄여 열효율 저하를 막을 수 있었다.
- 현재 재열증기 온도 539℃ 초과 시 버너 화염분사각도를 하향 조정하여 제어하고, 그럼에도 불구하고 재열증기 온도가 541℃를 초과하게 되면 재열저감수가 공급될 수 있으나 원칙적으로 시간당 0톤을 유지하는 것이 효율적이며 기본설계치 또한 시간당 0톤으로 설계되어졌다.[2]
후속연구
- 둘째, 재열저감수 절감 효과는 연소공기량 조절이 가장 큰 양을 절감하였으며, 버너 화염분사각을 조절하는 버너 팁의 동작온도 설정치를 변경한 경우, 버너 팁의 동작 속도를 향상하였을 경우, 상부 미분기 부하를 조정하는 순으로 효과를 가져왔다. 따라서 향후 저열량탄 사용량 증가에 의한 재열저감수 과다 주입 시 열효율 저하를 막기 위하여 4가지의 운전변수 조절을 검토∙적용하여야 한다.
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