KR101915990B1 - 열병합 발전 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 열병합 발전 시스템은, 가스를 연료로 사용하는 엔진, 상기 엔진에 의해 구동되어 전력을 생산하는 발전기, 상기 엔진의 배기가스에 의해 작동되어 혼합기를 압축하여 엔진으로 공급하는 터보차저, 및 상기 엔진 및 터보차저를 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 엔진 정상 운전 중 엔진 정지 신호가 발생하면 엔진을 바로 정지하지 않고 낮은 엔진 회전수로 소정 시간 운전하는 터보차저 보호 제어를 한다.

Description

열병합 발전 시스템 및 그 제어방법{A combined heat and power generating system and A method for controlling the same}

본 발명은 열병합 발전 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.

열병합 발전 시스템은 가스 연료로 엔진을 작동하여 발전기에서 전력을 생산하고, 엔진 등에서 발생하는 열을 온수 등으로 변환하여 그 수요처에 공급하는 시스템을 말한다.

이러한 열병합 발전 시스템에는 공기 조화 장치가 연결되어 이 공기 조화 장치에 전력과 열 내지 온수를 공급할 수 있다.

엔진은 발전기를 회전시켜 전력을 생산하도록 한다. 또한, 발전기에서 생산되는 전력은 전력변환기에서 전류, 전압, 주파수 등이 변환된 상용 전력으로 변환되어 건물 또는 공기 조화 장치와 같은 전력수요처에 공급될 수 있다.

엔진은 그에 인가되는 부하에 따라 목표 엔진 회전수를 추종하도록 제어된다.

엔진의 출력을 높이기 위해 터보차저를 연결하여 혼합기를 압축하여 엔진으로 흡입할 수 있다. 터보차저는 배기가스의 힘으로 터빈을 돌려 그와 동축으로 연결된 임펠러를 회전시킴으로써 혼합기를 압축한다.

엔진은 실린더 내에서 혼합기를 연소시켜 그 폭발력이 피스톤을 밀어내면 크랭크축이 회전되어 회전력을 발생한다.

엔진은 실린더 내에서 피스톤이 왕복운동하고 크랭크축이 회전하는 등 상대적으로 슬라이딩 운동하는 부품들이 있으므로, 엔진 실린더에는 엔진 오일이 공급되어 부품들 사이를 윤활하도록 한다.

터보차저도 회전축의 양측에 구비된 터빈과 임펠러가 회전하므로 터보차저에도 엔진오일이 공급된다.

터보차저를 구비하는 엔진은 터보차저가 없는 엔진에 비해 많은 열이 발생하므로 갑작스럽게 엔진을 끄면 엔진이 과열될 우려가 있다.

터보차저는 정상 작동시 임펠러가 5~20만rpm으로 회전하므로 베어링 부위가 매우 고온 상태로 유지되어 베어링 씰 부위의 엔진오일이 조금씩 탄화될 수 있다. 이는 터보차저를 이용하여 고출력을 내기 위해서 어쩔 수 없는 부분이지만, 탄화되는 엔진오일 양은 미량이기 때문에 엔진오일 교체 주기에 큰 영향을 주지는 않는다.

엔진과 터보차저가 고 부하에 대응하여 고속 회전하도록 운전하다가 엔진을 즉시 끄면, 엔진오일이 터보차저에 공급되지 않아서 터보차저 베어링 부위가 고착될 우려가 있다.

그래서, 엔진을 특히 고 부하로 운전하다가 정지하는 경우에 엔진을 바로 정지하지 않고 낮은 엔진 회전수로 소정 시간 운전하여 엔진과 터보차저에 엔진오일을 공급하고 터보차저를 냉각시킬 필요가 있다.

하지만, 엔진 정지 전에 낮은 엔진 회전수로 운전하는 경우 터보차저 보호를 위해 충분히 운전되었는지 판단할 수 있는 기준이 없어서 엔진 정지 전에 공회전을 효율적으로 할 수 없는 문제점이 있었다.

본 발명은 엔진을 정상 운전하다가 정지하는 경우에 바로 정지하지 않고 엔진을 낮은 회전수로 운전하여 엔진과 터보차저에 엔진오일을 공급하고 냉각시킬 수 있는 터보차저 보호 제어를 하며, 터보차저 보호 제어가 충분히 이루어졌는지 정확하게 판단한 다음에 엔진을 안전하게 정지할 수 있는 열병합 발전 시스템 및 그 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 열병합 발전 시스템은, 가스를 연료로 사용하는 엔진, 상기 엔진에 의해 구동되어 전력을 생산하는 발전기, 상기 엔진의 배기가스에 의해 작동되어 혼합기를 압축하여 엔진으로 공급하는 터보차저, 및 상기 엔진 및 터보차저를 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 엔진 정상 운전 중 엔진 정지 신호가 발생하면 엔진을 바로 정지하지 않고 낮은 엔진 회전수로 소정 시간 운전하는 터보차저 보호 제어를 한다.

상기 제어부는 엔진 회전수, 흡입 압력, 엔진오일 온도가 각각 소정값 이상이면 터보차저 보호 제어를 하고, 그렇지 않으면 상기 엔진을 정지하는 것이 바람직하다.

상기 제어부는 엔진 회전수가 1500rpm 이상이고, 흡입 압력이 900hPa 이상이며, 엔진오일 온도가 90℃ 이상인 경우 터보차저 보호 제어를 하는 것이 바람직하다.

상기 터보차저 보호 제어시, 엔진은 목표 회전수 900~1100rpm으로 운전되는 것이 바람직하다.

상기 터보차저 보호 제어시, 방열팬, 냉각수 펌프 및 오일 펌프를 작동시키는 것이 바람직하다.

상기 터보차저 보호 제어 이후, 엔진 회전수가 소정값 미만이고, 엔진오일 온도가 소정온도 미만이며, 터보차저 보호 제어 진입 후 소정 시간 이상 경과한 경우 엔진을 정지하는 것이 바람직하다.

상기 제어부는 엔진 회전수가 1100rpm 미만이고, 엔진오일 온도가 90℃ 미만이며, 터보차저 보호 제어 진입 후 2분 이상 경과한 경우 엔진을 정지하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 형태에 의한 열병합 발전 시스템의 제어방법은, 엔진을 목표 회전수를 추종하도록 정상 운전 제어하는 단계, 엔진 정지 신호를 수신하는 단계, 엔진 회전수와 흡입 압력과 엔진오일 온도가 각각 소정값 이상인지 판단하는 단계, 엔진 회전수와 흡입 압력과 엔진오일 온도가 각각 소정값 이상이면, 엔진을 바로 정지하지 않고 낮은 엔진 회전수로 소정 시간 운전하는 터보차저 보호 제어를 하는 단계, 및 상기 터보차저 보호 제어 이후, 엔진 회전수가 소정값 미만이고, 엔진오일 온도가 소정온도 미만이며, 터보차저 보호 제어 진입 후 소정 시간 이상 경과한 경우 엔진을 정지하는 단계를 포함한다.

상기 엔진 회전수와 흡입 압력과 엔진오일 온도 판단 단계는, 엔진 회전수가 1500rpm 이상이고, 흡입 압력이 900hPa 이상이며, 엔진오일 온도가 90℃ 이상인 경우 터보차저 보호 제어가 필요하다고 판단하는 것이 바람직하다.

상기 터보차저 보호 제어 단계에서, 엔진을 목표 회전수 900~1100rpm으로 운전하고, 방열팬, 냉각수 펌프 및 오일 펌프를 작동시키는 것이 바람직하다.

상기 터보차저 보호 제어 이후, 엔진 회전수가 소정값 미만이고, 엔진오일 온도가 소정온도 미만이며, 터보차저 보호 제어 진입 후 소정 시간 이상 경과한 경우 엔진을 정지하는 것이 바람직하다.

상기 터보차저 보호 제어 이후, 엔진 회전수가 1100rpm 미만이고, 엔진오일 온도가 90℃ 미만이며, 터보차저 보호 제어 진입 후 2분 이상 경과한 경우 엔진을 정지하는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 형태에 의한 열병합 발전 시스템의 제어방법은, 엔진을 목표 회전수를 추종하도록 정상 운전 제어하는 단계, 엔진 긴급 정지 신호를 수신하여 엔진을 긴급 정지하는 단계, 시스템 재기동 가능 여부를 판단하는 단계, 시스템 재기동이 불가능한 상태이면 엔진 정지를 유지하고, 시스템 재기동이 가능하면 엔진을 낮은 엔진 회전수로 소정 시간 운전하는 터보차저 보호 제어를 하는 단계, 및 상기 터보차저 보호 제어 이후, 엔진오일 온도가 소정 온도 미만이고, 엔진 냉각수 온도가 소정 온도 미만이며, 터보차저 보호 제어 진입 후 소정 시간 이상 경과한 경우, 엔진에 부하를 연결하여 정상 운전 제어하는 단계를 포함한다.

상기 터보차저 보호 제어 단계에서, 엔진을 목표 회전수 750~850rpm으로 운전하고, 방열팬, 냉각수 펌프 및 오일 펌프를 작동시키는 것이 바람직하다.

상기 터보차저 보호 제어 이후, 엔진오일 온도가 90℃ 미만이고, 엔진 냉각수 온도가 50℃ 미만이며, 터보차저 보호 제어 진입 후 2분 이상 경과한 경우, 엔진에 부하를 연결하여 정상 운전 제어하는 것이 바람직하다.

상기한 본 발명의 열병합 발전 시스템 및 그 제어방법에 의하면, 엔진을 정상 운전하다가 정지하는 경우에 바로 정지하지 않고 엔진을 낮은 회전수로 운전하여 엔진과 터보차저에 엔진오일을 공급하고 냉각시킬 수 있는 터보차저 보호 제어를 하며, 터보차저 보호 제어가 충분히 이루어졌는지 정확하게 판단한 다음에 엔진을 안전하게 정지할 수 있다.

또한, 엔진 긴급 정지 후에 재시동할 경우에도 엔진을 낮은 회전수로 운전하여 엔진과 터보차저에 엔진오일을 공급하고 냉각시킬 수 있는 터보차저 보호 제어를 하며, 터보차저 보호 제어가 충분히 이루어졌는지 정확하게 판단한 다음에 엔진 정상 운전을 할 수 있다.

도 1은 열병합 발전 시스템의 일례를 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 2는 엔진과 터보차저를 통한 배기가스와 혼합기의 유동을 나타내는 개념도이다.
도 3은 엔진과 터보차저를 통한 오일 순환 유동을 나타내는 개념도이다.
도 4는 제어부와 연결되는 각종 센서와 밸브 및 펌프를 나타내는 블록도이다.
도 5는 엔진 정지 신호 발생시 열병합 발전 시스템의 제어방법을 나타내는 플로우 차트이다.
도 6은 도 5의 제어방법에 따른 터보차저 보호 제어를 할 경우 엔진 회전수 변화를 나타내는 그래프이다.
도 7은 엔진 긴급 정지 신호 발생시 열병합 발전 시스템의 제어방법을 나타내는 플로우 차트이다.
도 8은 도 7의 제어방법에 따른 터보차저 보호 제어를 할 경우 엔진 회전수 변화를 나타내는 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 열병합 발전 시스템의 일례를 개략적으로 나타내는 개념도이다.

열병합 발전 시스템(100)은 가스 연료로 엔진을 작동하여 발전기에서 전력을 생산하고, 엔진 등에서 발생하는 열을 온수 등으로 변환하여 그 수요처에 공급하는 시스템을 말한다.

이러한 열병합 발전 시스템(100)에는 공기 조화 장치가 연결되어 이 공기 조화 장치에 전력과 열 내지 온수를 공급할 수 있다.

가스 연료는 제로 가버너(zero governor; 12)에 의해 입구 입력의 형태나 유량 변화에 상관없이 항상 일정한 출구 압력을 유지하면서 공급될 수 있다. 제로 가버너(12)는 넓은 범위에 걸쳐 안정된 출구 압력을 얻을 수 있으며, 엔진에 공급하는 가스 연료의 압력을 대기압 형태로 거의 일정하게 조절해 주는 기능을 갖고 있다. 또한, 제로 가버너(12)는 2개의 솔레노이드밸브를 구비하여 공급되는 연료를 차단할 수 있다.

공기는 에어 클리너(air cleaner; 14)를 거쳐 깨끗한 공기로 여과되어 공급될 수 있다. 이러한 에어 클리너(14)는 엔진에 공급되는 외부 공기를 필터를 사용하여 먼지 및 미스트 형태의 수분 및 유분의 혼입을 차단할 수 있다.

이와 같이 공급된 가스 연료와 공기는 믹서(mixer; 16)에 의해 공기와 연료의 혼합비가 일정한 혼합기로 되어 엔진에 흡입될 수 있다.

제로 가버너(12)와 믹서(16) 사이에는 믹서(16)로 유입되는 연료의 유량을 조절하는 연료밸브(13)가 구비될 수 있다.

터보차저(turbo charger; 20)는 혼합기를 고온 고압 상태로 압축할 수 있다. 이 터보차저(20)는 배기가스의 힘으로 터빈을 회전시키고 그 회전력으로 흡기를 압축시켜 엔진의 실린더로 보내어 출력을 높이는 장치이다.

터보차저(20)는 터보(turbine)와 슈퍼차저(super charger; 과급기)를 합성한 용어로서, 터빈과 여기에 직결된 공기압축기로 구성되어 배기가스의 에너지로 터빈 휠(turbine wheel)을 회전시키고 공기압축기에 의해 흡입된 공기를 압축하여 실린더로 보낼 수 있다.

이러한 터보차저(20)는 블레이드가 설치된 터빈 휠과 공기압축기의 임펠러를 하나의 축에 연결하고 각각 하우징으로 둘러싼 구조를 가지며, 엔진의 배기 매니폴드 근처에 배치될 수 있다.

혼합기는 터보차저(20)에 의해 압축되어 온도가 상승하기 때문에 인터쿨러(intercooler; 25)로 냉각시킨 후 흡기 매니폴드(32)를 통해 엔진(30)으로 유입될 수 있다. 이 인터쿨러(25)는 혼합기를 냉각시켜 밀도를 크게 함으로써 엔진으로 유입되는 혼합기의 절대량을 늘려 엔진출력을 향상시킬 수 있다.

인터쿨러(25)는 공기로 냉각하는 공랭식 열교환기 또는 물로 냉각하는 수냉식 열교환 경로로 구성될 수 있다. 수냉식 인터쿨러는 냉각수를 매질로 사용할 수 있고, 별도의 열교환기 및 펌프를 구비하여 압축된 혼합기로부터 얻은 열량을 외부에 버리게 된다.

ETC밸브(Electronic Throttle Control Valve; 29)는 흡기 매니폴드(32)의 입구측에 구비되어 엔진으로 유입되는 혼합기의 양을 조절한다. 혼합기가 많이 공급되면 엔진 출력이 커지게 된다.

제어부(110)는 연료밸브(13)의 개도와 ETC밸브(29)의 개도를 조절하여 엔진(30)의 작동을 제어한다. 연료밸브(13)의 개도와 ETC밸브(29)의 개도가 커질수록 엔진 회전수가 커지게 될 것이다.

엔진(30)은 흡기 매니폴드(32)를 통해 유입된 혼합기를 흡입, 압축, 폭발, 배기의 4 행정을 통해 작동하는 내연기관이다.

엔진(30)이 작동함에 따라 발생하는 배기가스는 배기 매니폴드(34)를 통해 배출되며, 이때 터보차저(20)의 임펠러를 회전시킨다.

엔진(30)은 발전기(40)를 회전시켜 전력을 생산하도록 한다. 이를 위해, 엔진(30)의 회전축 일단에 마련된 풀리(36)와 발전기(40)의 회전축 일단에 마련된 풀리(46) 사이에 벨트가 연결될 수 있다.

이러한 엔진(30)의 풀리(36)와 발전기(40)의 풀리(46)는 그 회전수 비가 대략 1:3이 되도록 마련될 수 있다. 즉, 엔진(30)이 1000rpm 회전할 때 발전기(40)는 약 3000rpm 회전할 수 있다.

발전기(40)에서 생산되는 전력은 전력변환기(90)에서 전류, 전압, 주파수 등이 변환된 상용 전력으로 변환되어 건물 또는 공기 조화 장치와 같은 전력수요처에 공급될 수 있다.

한편, 엔진(30)은 가스 연소에 의해 작동시 상당한 열이 발생하므로 냉각수를 순환시키면서 열교환시켜 엔진에서 발생하는 고온의 열을 흡수하도록 한다.

자동차에서는 냉각수 순환 유로에 라디에이터를 설치하여 엔진의 폐열을 모두 버리도록 구성되지만, 열병합 발전 시스템(100)에서는 엔진에서 발생하는 열을 흡수하여 온수를 만들어 이용할 수 있다.

이를 위해, 냉각수 순환 유로에는 온수 열교환기(50)가 마련되어 냉각수와 별도로 공급되는 물 사이에 열교환 함으로써 물이 고온의 냉각수로부터 열을 전달받도록 할 수 있다.

이 온수 열교환기(50)에 의해 생성되는 온수는 온수 저장조(51)에 저장되었다가 건물 등의 온수 수요처에 공급될 수 있다.

온수 수요처에서 온수를 사용하지 않는 경우에는 온수 열교환기(50)로 물이 공급되지 않아 냉각수 온도가 상승하게 되는데, 이를 방지하기 위해 별도의 방열기(70)를 설치하여 필요없는 냉각수의 열량을 실외로 버릴 수 있다.

이 방열기(70)는 고온의 냉각수가 다수의 핀(fin)에 의해 공기와 열교환함으로써 방열하는 것으로서, 방열 촉진을 위해 방열팬(72)이 구비될 수 있다.

엔진(30)에서 나오는 냉각수 유로는 상기 온수 열교환기(50)와 방열기(70)로 분기되고, 그 분기되는 지점에 삼방밸브(53)를 설치하여 냉각수의 유동 방향을 상황에 따라 제어할 수 있다. 이 삼방밸브(53)에 의해 냉각수를 온수 열교환기(50)로만 보내거나 방열기(70)로만 보내거나, 상황에 따라 온수 열교환기(50)와 방열기(70)로 소정 비율로 나누어 보낼 수 있다.

삼방밸브(53)를 통과하여 방열기(70)에서 방열된 냉각수는 삼방밸브(53)를 통과하여 온수 열교환기(50)를 통과한 냉각수와 합쳐져서 엔진(30)으로 유입될 수 있다.

그리고, 냉각수 순환 유로에는 냉각수 펌프(55)가 설치되어 냉각수의 유동 속도를 조절할 수 있다. 이 냉각수 펌프(55)는 냉각수 순환 유로에서 온수 열교환기(50) 및 방열기(70)의 하류와 엔진(30)의 상류에 설치될 수 있다.

한편, 엔진(30)의 배기 매니폴드(34)를 통해서 나오는 배기가스는 상기한 터보차저(20)를 작동시키기도 하지만, 배기가스의 폐열을 회수하기 위해 배기가스 열교환기(60)를 구비할 수 있다.

이 배기가스 열교환기(60)는 냉각수 순환 유로에서 냉각수 펌프(55)와 엔진(30) 상류 사이에 설치되고, 터보차저(20)를 통해 배출되는 배기가스와 냉각수 사이에 열교환되도록 구성될 수 있다. 이 배기가스 열교환기(60)를 통해 배기가스의 폐열을 회수할 수 있다.

배기가스 열교환기(60)를 통과하면서 냉각수가 어느 정도 가열되어 미지근한 상태로 엔진(30)으로 유입되지만, 그 냉각수도 엔진(30)을 충분히 냉각시킬 수 있다.

배기가스 열교환기(60)를 통과하면서 방열된 배기가스는 머플러(80)를 통과하게 되고, 머플러(80)에 의해 엔진의 배기 측 소음이 저감될 수 있다.

머플러(80)를 통과한 배기가스는 드레인 필터(85)를 통과한 후 외부로 배출될 수 있다. 이 드레인 필터(85)는 머플러(80)와 배기가스 라인 등에서 생성되는 응축수를 정화하기 위해 내부에 정화석을 내장하고 있어서, 산성의 응축수를 정화하고 중화시켜 외부로 유출할 수 있다.

도 2는 엔진과 터보차저를 통한 배기가스와 혼합기의 유동을 나타내는 개념도이고, 도 3은 엔진과 터보차저를 통한 오일 순환 유동을 나타내는 개념도이다.

터보차저(20)는 엔진의 실린더(31)와 배기가스 라인 및 혼합기 공급라인에 의해 연결된다.

터보차저(20)는 엔진에서 배출되는 배기가스에 의해 회전되는 터빈(21)과, 혼합기를 압축하여 엔진으로 보내는 임펠러(23)와, 터빈(21)과 임펠러(23) 사이에 연결되어 함께 회전되는 회전축(22)을 포함한다.

엔진 실린더(31)의 배기밸브를 통해 배출되는 배기가스는 터빈(21)을 회전시킨 후 머플러(80)를 통해 외부로 배출된다.

터보차저(20)로 유입되어 임펠러(23)에 의해 압축된 혼합기는 흡기 매니폴드(32)를 거쳐 흡기밸브를 통해 엔진 실린더(31)로 유입될 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 엔진(30)에는 윤활유로서 엔진 오일이 순환 라인을 통해 공급될 수 있다.

엔진(30)의 하부에는 오일 리저버(reservoir)가 구비되고 일측에 오일 펌프(37)와 오일 필터(38)가 구비되어 오일이 엔진 내부에서 순환될 수 있다.

또한, 엔진 오일의 일부는 오일 공급라인을 통해 터보차저(20)로 공급되고, 터보차저(20)에서 나온 오일은 오일 리턴라인을 통해 엔진 리저버로 돌아올 수 있다.

엔진(30)이 작동될 때 오일 펌프(37)도 작동되어 엔진과 터보차저(20)로 엔진 오일이 공급되어 윤활 작용을 한다.

도 4는 제어부와 연결되는 각종 센서와 밸브 및 펌프를 나타내는 블록도이다.

제어부(110)는 엔진과 각종 센서 및 밸브를 포함하는 열병합 발전 시스템의 작동을 제어한다.

특히, 엔진에는 엔진 회전수 센서(120)가 구비되어 엔진의 분당 회전수(rpm)를 산출할 수 있다.

또한, 흡기 매니폴드(32)에는 흡입 압력을 측정하는 MAP 센서(Manifold Absolute Pressure Sensor; 130)가 구비되어 엔진으로 유입되는 혼합기의 흡입 압력으로부터 부하의 크기를 역으로 산출할 수 있다.

일반적으로 연료와 공기가 혼합된 혼합기의 유입량이 많을수록 엔진 회전수가 커지고 이에 따라 출력, 즉 발전량이 커지게 된다.

그리고, 믹서(16)의 입구측에는 연료밸브(13)가 구비되어 공기와 혼합되는 가스 연료의 공급량을 조절한다. 가스 연료가 많이 공급되면 공기와 연료가 혼합된 혼합기의 혼합비가 커지게 된다.

또한, ETC밸브(Electronic Throttle Control Valve; 29)는 흡기 매니폴드(32)의 입구측에 구비되어 엔진으로 유입되는 혼합기의 양을 조절한다. 혼합기가 많이 공급되면 엔진 출력이 커지게 된다.

제어부(110)는 연료밸브(13)의 개도와 ETC밸브(29)의 개도를 조절하여 엔진(30)의 작동을 제어한다. 연료밸브(13)의 개도와 ETC밸브(29)의 개도가 커질수록 엔진 회전수가 커지게 될 것이다.

또한, 상기한 바와 같이, 제어부(110)는 엔진(30)을 작동시킬 때 오일 펌프(37)도 작동하여 엔진(30)과 터보차저(20)에 엔진오일을 공급하여 윤활한다.

그리고, 엔진(30)에는 엔진오일 온도센서(160)가 구비되어 엔진오일의 온도를 감지하고, 엔진오일의 온도가 높아질수록 제어부(110)는 오일 펌프(37)의 회전 속도를 더 빠르게 제어할 수 있다.

또한, 엔진(30)을 냉각시키는 냉각수의 온도를 측정하는 냉각수 온도센서(170)가 구비되어 엔진을 통과한 냉각수 온도를 감지하고, 냉각수 온도가 높아질수록 제어부(110)는 냉각수 펌프(55)의 회전 속도를 더 빠르게 제어할 수 있다.

도 5는 엔진 정지 신호 발생시 열병합 발전 시스템의 제어방법을 나타내는 플로우 차트이고, 도 6은 엔진 목표 회전수 제어를 하며 정상 운전을 하다가 터보차저 보호 제어를 할 경우 엔진 회전수 변화를 나타내는 그래프이다.

이하, 도 5 및 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 열병합 발전 시스템의 제어방법을 설명한다.

우선, 엔진 목표 회전수로 예를 들어 2000rpm으로 엔진 정상 운전 제어를 한다(S10).

그러다가, 엔진 정지 신호가 발생(S15)하여 제어부(110)가 그 신호를 수신할 수 있다. 엔진 정지 신호는 더 이상 발전할 필요가 없을 때 관리자에 의해 입력되는 명령일 수도 있고, 시스템에 연결된 부하가 탈락할 경우에 자동으로 발생하는 신호일 수도 있다.

그러면, 엔진을 바로 정지하지 않고 터보차저 보호 제어에 진입할지 여부를 판단한다(S20). 즉, 엔진 회전수, 흡입 압력, 엔진오일 온도가 각각 소정값 이상인지 여부를 판단하여, 그러한 상태인 경우에 터보차저 보호 제어를 한다.

구체적으로 제어부는 엔진 회전수가 1500rpm 이상인지 여부(S30), 흡입 압력이 900hPa 이상인지 여부(S40), 및 엔진오일 온도가 90℃ 이상인지 여부(S50)를 판단하여, 그러한 경우 엔진을 낮은 회전수로 소정시간 운전하는 터보차저 보호 제어를 한다.

터보차저 보호 제어(S60)의 경우, 엔진 목표 회전수를 900~1100rpm으로, 바람직하게는 1000rpm으로 운전할 수 있다. 또한, 방열팬(72)과 냉각수 펌프(55)를 작동시켜 엔진을 냉각시키고, 오일 펌프(37)를 작동시켜 엔진(30)과 터보차저(20)에 엔진오일이 공급되도록 한다.

다음으로, 터보차저 보호 제어를 종료할 수 있는 상태인지 판단한다.

즉, 터보차저 보호 제어 이후, 엔진 회전수가 소정값 미만이고, 엔진오일 온도가 소정온도 미만이며, 터보차저 보호 제어 진입 후 소정 시간 이상 경과한 경우 엔진을 정지한다.

구체적으로, 제어부는 엔진 회전수가 1100rpm 미만인지 여부(S70), 엔진오일 온도가 90℃ 미만인지 여부(S80), 및 터보차저 보호 제어 진입 후 2분 이상 경과하였는지 여부(S90)를 판단하여, 3가지 조건을 모두 만족하는 경우에 터보차저에 엔진오일이 충분히 공급된 것으로 판단할 수 있고, 그렇지 않으면 터보차저 보호 제어를 계속한다.

터보차저 보호 제어가 충분히 이루어졌다고 판단되면, 엔진을 정지한다(S100).

도 6에 도시된 바와 같이, 엔진 목표 회전수 2000rpm으로 엔진 정상 운전 중에는 냉각수 펌프 온, 엔진오일 펌프 온, 방열팬 온 상태이고, 터보차저 보호 제어에 진입하면 엔진 회전수가 1000rpm으로 떨어지며, 냉각수 펌프 온, 엔진오일 펌프 온, 방열팬 온 상태가 유지된다.

터보차저 보호 제어가 충분히 이루어진 상태가 되면 엔진을 정지하므로, 엔진 회전수가 곧 0rpm으로 떨어지지만, 엔진오일 펌프와 방열팬은 엔진 회전수가 0rpm이 된 이후에 오프되도록 하는 것이 바람직하다. 엔진이 낮은 엔진 회전수라도 작동되는 동안에는 엔진오일이 공급되어야 하고 방열될 필요가 있기 때문이다.

또한, 냉각수 펌프는 엔진이 완전히 정지한 후 소정 시간 경과 후에 오프되도록 하는 것이 바람직하다. 엔진이 정지된 후라도 엔진에는 열이 남아 있으므로 소정 시간동안 계속 냉각시킬 필요가 있기 때문이다.

도 7은 엔진 긴급 정지 신호 발생시 열병합 발전 시스템의 제어방법을 나타내는 플로우 차트이고, 도 8은 엔진 목표 회전수 제어를 하며 정상 운전을 하다가 긴급 정지 이후 터보차저 보호 제어를 한 후 다시 정상 제어를 할 경우 엔진 회전수 변화를 나타내는 그래프이다.

이하, 도 7 및 도 8을 참조하여 정상 운전 중에 긴급 정지시 열병합 발전 시스템의 제어방법을 설명한다.

우선, 엔진 목표 회전수로 예를 들어 2000rpm으로 엔진 정상 운전 제어를 한다(S110).

그러다가, 엔진 긴급 정지 신호가 발생(S115)하여 제어부(110)가 그 신호를 수신할 수 있다.

열병합 발전 시스템에 비상 상황이 발생하여 엔진 긴급 정지 신호를 제어부(110)가 수신하여 엔진을 긴급 정지한다(S120).

비상 상황은 부하가 급격하게 하강하거나 탈락하는 경우를 말하는 것이 일반적이나 엔진이 과열되어 냉각수 온도가 소정값 이상으로 상승하거나 엔진 회전수가 소정값 이상으로 상승하는 경우도 포함될 수 있다.

엔진이 긴급 정지되면, 예를 들어 엔진 회전수가 2000rpm으로 운전되다가 0rpm으로 급격히 제동될 수 있다.

엔진이 긴급 정지 신호가 발생한 것은 비상 상황인 경우이므로, 시스템의 재기동이 가능한지 여부를 판단한다(S130). 시스템을 구성하는 부품 중 하나가 손상되어 제기능을 하지 못하는 경우라면, 시스템을 재기동할 수 없기 때문이다.

시스템 재기동이 불가능한 것으로 판단되면, 엔진 정지를 유지하고(S140), 부품 교체 또는 수리 등의 조치를 취할 수 있다.

만약, 시스템 재기동이 가능한 상태인 경우라면, 엔진을 낮은 엔진 회전수로 소정 시간 운전하는 터보차저 보호 제어(S150)를 한다.

터보차저 보호 제어에서는 긴급 정지된 엔진에 시동을 걸고 목표 회전수 750~850rpm으로 운전하며, 방열팬(72), 냉각수 펌프(55) 및 오일 펌프(37)를 작동시킨다.

일반적인 엔진 정지시에는 터보차저 보호 제어에서 약 1000rpm으로 운전하여 급유한 후 엔진을 정지했는데, 긴급 정지 후 터보차저 보호 제어의 경우 다시 정상 운전을 할 수 있는 상태로 만들기 위한 것이므로, 약 800rpm으로 운전하더라도 터보차저에 충분히 급유할 수 있다.

다음으로, 터보차저 보호 제어가 충분히 이루어졌는지 판단하기 위해, 엔진오일 온도가 소정 온도 미만인지 여부, 엔진 냉각수 온도가 소정 온도 미만인지 여부, 터보차저 보호 제어 진입 후 소정 시간 이상 경과하였는지 여부를 판단한다.

구체적으로, 엔진오일 온도가 90℃ 미만(S160)이고, 엔진 냉각수 온도가 50℃ 미만(S170)이며, 터보차저 보호 제어 진입 후 2분 이상 경과(S180)한 경우, 터보차저 보호 제어를 종료할 수 있다.

그러면, 터보차저에 재시동 급유가 충분히 이루어진 것이므로 엔진에 부하를 연결하여 정상 운전 제어(S190)를 할 수 있다.

도 8에 도시된 바와 같이, 엔진을 목표 회전수 약 2000rpm으로 운전하다가 긴급 정지 신호가 수신되면 엔진 회전수가 급격히 감소하여 0rpm으로 되고, 이때, 방열팬은 오프되지만, 냉각수 펌프와 엔진오일 펌프는 온 상태를 유지한다.

시스템이 재기동 가능하여 터보차저 보호 제어를 하는 경우, 엔진은 약 800rpm으로 운전되고, 방열팬이 온 되며 냉각수 펌프와 엔진오일 펌프는 온 상태를 유지한다.

터보차저 급유가 충분한 상태가 되면, 엔진에 부하를 연결하고 목표 회전수를 2000rpm으로 하여 정상 제어할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이 같은 특정 실시예에만 한정되지 않으며, 해당분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.

12: 제로 가버너 13: 연료밸브
14: 에어클리너 16: 믹서
20: 터보차저 29: ETC밸브
30: 엔진 37: 오일 펌프
40: 발전기 50: 온수 열교환기
55: 냉각수 펌프 60: 배기가스 열교환기
70: 방열기 80: 머플러
90: 전력변환기 100: 열병합발전장치
110: 제어부 120: 엔진 회전수 센서
130: MAP센서 160: 엔진오일 온도센서
170: 냉각수 온도센서

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13. 엔진을 목표 회전수를 추종하도록 정상 운전 제어하는 단계;
    엔진 긴급 정지 신호를 수신하여 엔진을 긴급 정지하는 단계;
    시스템 재기동 가능 여부를 판단하는 단계;
    시스템 재기동이 불가능한 상태이면 엔진 정지를 유지하고, 시스템 재기동이 가능하면 엔진을 낮은 엔진 회전수로 소정 시간 운전하는 터보차저 보호 제어를 하는 단계; 및
    상기 터보차저 보호 제어 이후, 엔진오일 온도가 소정 온도 미만이고, 엔진 냉각수 온도가 소정 온도 미만이며, 터보차저 보호 제어 진입 후 소정 시간 이상 경과한 경우, 엔진에 부하를 연결하여 정상 운전 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열병합 발전 시스템의 제어방법.
14. 제13항에 있어서,
    상기 터보차저 보호 제어 단계에서, 엔진을 목표 회전수 750~850rpm으로 운전하고, 방열팬, 냉각수 펌프 및 오일 펌프를 작동시키는 것을 특징으로 하는 열병합 발전 시스템의 제어방법.
15. 제14항에 있어서,
    상기 터보차저 보호 제어 이후, 엔진오일 온도가 90℃ 미만이고, 엔진 냉각수 온도가 50℃ 미만이며, 터보차저 보호 제어 진입 후 2분 이상 경과한 경우, 엔진에 부하를 연결하여 정상 운전 제어하는 것을 특징으로 하는 열병합 발전 시스템의 제어방법.

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