A major objective in boiler design is maximization of thermal efficiency of the system under imposed load requirements. Although the design is based on a boiler's performance during steady state operations, a boiler , in fact, operates under a series of transient conditions such as daily load demand changes. Moreover, a modern large boiler operates at high pressure and temperature and its design margin is narrow. Thus, a boiler should be validated for intended or unintended transients, whether it reliably follows load changes and remains in safe operation limits.
To predict a boiler's transient behavior quantitatively, a model should be provided by experiments or numerical analysis, and should reproduce physical phenomena in real operation. In large boilers, it is difficult to reproduce experimental conditions or to build down-scale facilities. Therefore, a numerical prediction using mathematical models based on basic conservation rules is preferable.
There are a number of work on establishing numerical models for boiler's behavior. The work has a variety of complexities depending on model's details, simplification levels, and numerical solution methods. Most of the work adopts similar equations, and the models can be constructed by repetitive applications of basic conservation rules. However, most of the work emphasizes formulation or numerical analysis of their specific systems, and they lack a systematic procedure for establishing mathematical models and a consideration on a general structures of a numerical models.
In this work, a mathematical model is established for a large steam boiler, which occupies a major part in the production of heat and/or electricity. Transient behaviors of a boiler are simulated with this model. A boiler is decomposed into a few of commonly used components according to their functions and physical processes. Generalized component models are built with some simplifications. If necessary, dynamic characteristics of component models are investigated and requirements for a proper transient process simulation are examined. The system model is constructed as a combination of the prepared component models.
By considering a structure of governing equations for a boiler, it is verified that a system model can be constructed through repetitive integration of component models. Following the verified procedure, a dynamics model for a boiler is built without tedious listing of equations. The model for an actual boiler is constructed and validated by comparing numerical predictions with actual operation data.
The implemented model shows good prediction on major process variables de-spite a number of assumptions and uncertainties of the information on the simulated system.
산업용 대형 보일러의 과도 과정 특성을 수치적으로 예측하기 위한 모델을 구성하였고, 수치 시뮬레이션에 이르기까지 필요한 과정을 정리하였다.
보일러에 흔히 사용되는 일반적인 구성장치 모델을 결합하여 보일러 모델을 구성하였다. 일반화된 구성장치 모델을 재사용하고 각 장치간의 연결관계에 대한 정보를 입력하는 방식으로, 수 많은 동특성 방정식을 기술하는 과정과 이에 따른 오류를 피할 수 있었다. 이로써 보일러를 이루는 구성장치와 이들이 연결된 상태, 그리고 운전조건만으로 쉽게 보일러의 동특성 모델을 구성할 수 있다.
각 구성장치에서 물리과정을 적절히 시뮬레이션하기 위한 요구조건과 단순화 된 구성장치 모델의 한계를 확인하였고, 구성장치의 결합으로 얻어지는 보일러 시스템 모델 방정식이 어떠한 구조를 갖는가를 검토하였다.
운전 기록을 입수한 보일러에 대해 검증을 위한 시뮬레이션을 수행하였다. 주요 운전조건과 운전 시스템에 적용한 제어논리가 제공된다면 시뮬레이션을 통해 과도 과정시 거동을 충분히 재현할 수 있음을 보였다.
제시된 모델 구성 방법으로 다양한 보일러 시스템의 수치 동특성 모델을 비교적 쉽게 구성할 수 있고, 저렴한 비용으로 실시간 시뮬레이션이 가능하다. 구성장치 모델에 적용된 수 많은 단순화 과정에도 불구하고 보일러 내 주요 운전 변수에 대해 물리적으로 타당한 예측이 가능하다.
