코크스 오븐 조업을 위한 첨단 자동화 및 제어 시스템

코크스 오븐 플랜트의 자동화, 제어 및 계측 시스템

야금용 코크스는 철강 산업 공정(주로 고로)에서 철광석을 철로 환원하는 데, 그리고 주물 공장에서 금속을 녹여 주조하는 데 사용됩니다. 전체 코크스 생산량의 90% 이상이 고로 조업에 쓰입니다. 주물용 코크스가 나머지의 대부분을 차지하며, 주물 공장로에서 주조용 금속을 녹이는 데 쓰입니다. 주물용 코크스 생산에는 야금용 코크스와 다른 배합의 코킹 석탄, 더 긴 코킹 시간, 더 낮은 코킹 온도가 사용됩니다.

코크스는 선철 생산 원가의 최대 50%를 차지합니다. 따라서 고품질 코크스를 비용 효율적으로 생산하는 것은 선철 생산 경쟁력의 핵심입니다. 세계 대부분 코크스는 부산물 회수형 코크스 오븐 배터리에서 생산되며, 대부분의 코크스 오븐 플랜트는 제철소와 통합되어 있습니다. 치열한 경쟁과 변동하는 석탄 기반이라는 현재 여건에서 코크스 생산비 절감은 철강 산업이 직면한 가장 중요한 과제 중 하나입니다.

코크스 오븐 플랜트(COP)에서의 기본 코크스 생산 공정은 상당히 복잡합니다. 열분해는 '배터리'라 불리는 오븐 그룹에서 일어납니다. 배터리는 고품질 실리카 및 기타 내화 벽돌로 만든 공통 측벽을 가진 여러 인접 오븐으로 구성됩니다. 인접 오븐 사이 벽과 양쪽 끝 벽은 가열 플루(heating flue) 시리즈로 구성됩니다. 어느 시점에서든 주어진 벽의 플루 절반은 가스를 연소시키고, 나머지 절반은 연소 플루에서 폐열을 '체커 브릭(checker brick)' 열교환기로 보낸 뒤 연소 스택으로 배출합니다. 20~30분마다 배터리가 '역전(reverse)'되어 폐열 플루가 연소 플루가 되고, 연소 플루가 폐열 플루가 됩니다. 이 공정으로 석탄 덩어리의 더 균일한 가열이 가능해집니다.

각 오븐의 조업은 주기적이지만, 배터리는 충분히 많은 오븐을 포함해 본질적으로 연속적인 원료 코크스 오븐 가스 흐름을 생성합니다. 개별 오븐은 코킹 주기 동안 거의 동일한 시간 간격으로 충전되고 비워집니다. 코킹은 고로용 코크스 생산을 위해 보통 15~18시간 진행됩니다. 이 기간 동안 석탄의 휘발분이 코크스 오븐 가스로 증류됩니다. 코킹 시간은 석탄 배합, 석탄 수분, 언더파이어링 비율, 원하는 코크스 물성에 따라 결정됩니다. 코크스 수요가 낮으면 코킹 시간을 24시간까지 늘릴 수 있습니다. 코킹 온도는 보통 900~1,100°C 범위이며, 고로용 코크스 생산을 위해 범위 상한 쪽에서 유지됩니다. 가스 집관(main)에서 약 10mm 수주(水柱)의 양압을 유지해 오븐으로 공기 유입을 차단합니다. 오븐은 높은 유압 집관 압력을 유지해 배터리에서 약 10mm 수주의 양압 하에 유지됩니다. 열분해 중 발생하는 가스와 탄화수소는 오프테이크(off-take) 시스템을 통해 부산물 플랜트로 보내져 회수됩니다.

오븐 중앙 온도가 약 950~1,000°C에 도달하면 코킹이 완료됩니다. 이 시점에서 오븐을 유압 집관에서 분리하고 잔류 가스를 적절히 배출한 뒤 도어를 열어 코크스를 밀어냅니다. 코킹 종료 시점엔 코크스 덩어리의 큰 부피 수축으로 벽면에서 분리되어 밀기가 수월해집니다.

코크스 생산의 중요한 특성은 (i) 코킹 공정이 배치 공정이라 각 오븐 조업은 통합 운영 계획에 기반해야 하고, (ii) 최소 소요 시간이 꽤 길어 코크스 오븐 플랜트는 관성이 크며, (iii) 공정이 방향성을 띠고 온도와 시간에 의존하며, (iv) 공정에 간섭하는 변수가 많고, (v) 여러 매개변수가 영향을 미치는 비선형 공정이며, (vi) 간접 가열 방식의 밀폐 챔버에서 일어나 온도 측정이 매우 복잡하다는 점입니다.

COP는 고로에서 철광석 환원용 코크스를 생산하고, 통합 제철소 여러 설비에서 연료 가스로 쓰이는 코크스 오븐 가스도 생산하므로 중요한 설비입니다. COP 제품의 품질과 산출량은 제철소 조업 안정에 직결됩니다. 또한 COP는 고에너지 집약적이며 여러 환경 이슈와 연관되어 있습니다. 따라서 COP에는 최적 효율을 위한 자동화, 공정 제어, 계측 시스템이 필수적입니다. 자동화, 제어, 계측 시스템의 모듈식 설계는 특정 COP에 필요한 특수 요건 충족에 유연성을 제공합니다. 공정 시퀀스 자동화는 환경 보호 요건 충족을 위한 장기 조정에도 도움이 됩니다.

자동화, 제어, 계측 시스템은 COP의 생산성과 안정성을 높이는 현대적이고 사용자 친화적인 도구입니다. 플랜트 니즈를 충족해 COP 성능을 개선하며, 코크스 오븐 생산을 안정화하고 목표 달성을 돕으며 엄청난 실용적 가치를 지닙니다. 이점으로는 연료 가스 소비 감소를 통한 에너지 소비 절감, 코크스 오븐 배터리 상태와 조업 안정화, 일관된 코크스 품질 생산, 환경 배출 저감, 배터리 수명 연장, 운영 및 유지보수 데이터 보고·분석 용이성 등이 있습니다.

자동화, 제어, 계측 시스템은 레벨 0(필드 레벨)부터 레벨 3(경영 레벨)까지 고전적 레벨로 구성됩니다. COP 자동화 설계는 보통 6개 기본 설비 계층으로 나뉩니다. 그림 1은 코크스 오븐 플랜트 자동화 시스템 계층도를 보여줍니다.

그림 1 코크스 오븐 플랜트 자동화 계층도

전기 설비, 제어 요소, 계측기는 보통 표준 4-20mA 및 24V DC 인터페이스로 이중화된 원격 I/O 장치에 연결됩니다. 지능형 서브시스템은 보통 프로피버스(Profibus)나 모드버스(Modbus)로 결합됩니다. 모든 자동화 설비는 플랜트 내 관련 설비가 설치된 모든 위치를 통과하는 광섬유 플랜트 네트워크로 연결됩니다. 모든 데이터는 이 네트워크로 수집·분배되며, 데이터 소스와 타겟은 패치 패널과 스위치로 물리적 연결, 네트워크 관리 시스템으로 논리적 연결이 가능합니다. 이 네트워크를 통해 모든 시스템이 서로 통신합니다.

현대적 계측·제어 설비는 '프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC)' 또는 '분산 제어 시스템(DCS)'(레벨 1)과 조작 스테이션을 갖춘 것이 오늘날 COP의 표준 설비입니다. 일부 COP에는 고급 제어 및 최적화 기능을 위한 추가 자동화가 있습니다. 부산물 플랜트(BPP) 자동화는 보통 연속 제어 기능에 특화된 별도 DCS로 수행됩니다. 두 시스템은 보통 모드버스로 결합되어 전기 및 계측 설비 제어를 위한 통합 제어 시스템으로 설계됩니다.

자동화, 제어, 계측 시스템은 별도 제어실에 위치한 조작자 제어 스테이션을 통해 COP 조업을 가능케 합니다. 주요 플랜트 유닛별 조작자 제어 스테이션 외에도, 대형 비디오 스크린(분할 화면 기능 포함), 오디오 페이징 시스템, 인트라넷 접속 등을 갖춘 여러 제어실이 보통 있습니다. COP와 BPP의 완전한 '네트워크 및 시스템 구성'에는 COP 원격 I/O 레벨, COP-PLC 레벨, COP-조작 레벨, 서버와 네트워크 장비를 둔 시스템 관리 레벨이 포함됩니다. 또한 레벨 3 시스템과의 인터페이스도 있습니다.

COP 영역에서는 공정 제어 레벨에 통합 DCS가 사용됩니다. COP의 많은 애플리케이션은 시퀀스 제어 기능으로, PLC로 수행하는 것이 가장 적합합니다. 코크스 오븐 배터리 가열과 기계 제어 자동화는 레벨 1 자동화 시스템에서 수집된 처리 데이터를 기반으로 다양한 공정 모델 계산을 수행하는 레벨 2 제어 시스템으로 달성됩니다. 레벨 2 제어 시스템은 코크스 오븐 운영자에게 플랜트 운영 및 환경 성능을 모두 개선하는 데 성공적으로 활용할 수 있는 진보적이고 정확하며 사용하기 쉬운 지원 도구를 제공합니다. 그림 2는 COP의 레벨 2 자동화 및 공정 제어 시스템을 보여줍니다.

그림 2 코크스 오븐 플랜트 레벨 2 자동화 및 공정 제어 시스템

COP의 자동화, 제어, 계측 시스템에 흔히 쓰이는 공정 제어 기술들은 다음과 같습니다.

오븐 압력 조절 시스템

어느 시점에서든 개별 오븐 내부 압력은 코킹 단계가 서로 달라 다릅니다. 갓 충전된 오븐이 가장 높은 압력을, 코킹 종료 단계에 이른 오븐이 가장 낮은 압력을 가집니다. 이는 두 가지 효과를 냅니다. (i) 가스 집관보다 압력이 높은 오븐은 비산 배출(fugitive emissions) 발생 가능성이 높고, (ii) 서로 다른 압력에서 운전되는 인접 오븐은 오븐 챔버 벽에 다른 수준의 응력을 주어 내화물 수명을 크게 단축시킵니다. 이 심각한 문제를 해결하려면 개별 오븐 압력을 조절해 코킹 기간 내내 약간의 음압을 유지해야 합니다. 이는 오븐 압력 조절 시스템 설치로 쉽게 달성할 수 있습니다.

1990년대 독일 DMT(Deutsche Montan Technologie GmbH)사가 단일 오븐 압력 조절 시스템 초판을 개발했습니다. 이후 실무 경험을 바탕으로 지속적으로 개선되었습니다. 개선된 오븐 압력 조절 시스템은 COP의 비산 배출 저감에 기여합니다. 이 시스템은 '최적 가용 기술(BAT)'로 인정받았습니다.

오븐 압력 조절 시스템의 가장 중요한 기술적 개선점은 (i) 오븐 압력이 집관 압력에서 분리되고, (ii) 집관이 음압으로 운전되며, (iii) 각 오븐 내부 압력이 개별 제어되고, (iv) 충전 가스가 음압 집관에 의해 빨려 들어가며, (v) 기존 밸브가 소위 '픽스 컵(fix cup)' 밸브로 대체된다는 점입니다.

오븐 압력 조절 시스템에서 '픽스 컵'은 스탠드파이프(standpipe)와 조가스 집관 사이에 설치됩니다. 폐쇄 플러그에 조절 장치가 달려 있고 제어 로드와 연결됩니다. 스탠드파이프 구스넥(gooseneck)은 연장선상에서 소위 크라운 튜브(crown tube)로 끝나며, 그 크라운 슬롯이 '픽스 컵' 내부로 돌출됩니다. 스탠드파이프 구스넥에는 두 개의 분사 노즐이 설치되어 한편으로는 뜨거운 조가스를 냉각하고, 다른 한편으로는 가스 집관을 적셔 타르 등 침전물 생성을 방지합니다. 또한 급속 충전 밸브로 코크스 오븐이 가스 집관에서 분리되었을 때 '픽스 컵'을 빠르게 채울 수 있습니다. 그림 3은 오븐 압력 조절 시스템을 보여줍니다.

그림 3 오븐 압력 조절 시스템

오븐 압력 조절은 크라운 튜브의 슬롯으로 생성되는 발생 조가스에 대한 가변 압력 저항에 의해 수행됩니다. 슬롯은 '픽스 컵' 내 가변 수위에 의해 더 열리거나 닫힙니다. 수위는 오버플로 조절 장치에 의해 영향을 받으며, 이 장치는 오븐 챔버 압력 설정값에 따라 '픽스 컵' 내 일정 수위를 유지합니다. '픽스 컵' 내 수위는 오버플로 조절 장치의 통로 피스톤 위치와 직접 관련됩니다. 오버플로 조절 장치의 구동부는 양쪽 작동 포지셔너에 연결된 공압 실린더로, 제어 시스템에서 오븐 압력 측정을 처리해 정보를 받습니다.

오븐 압력은 구스넥 내부에서 측정되어 제어 시스템으로 전송됩니다. 탄화 시간 동안 오븐 압력은 탄화 초기에 발생 조가스량이 많고 배출 위험이 최고조일 때 약 +3mm H2O(0.3mbar)에서, 탄화 말기에 발생 조가스량이 거의 제로에 가까워 배출 위험이 매우 낮아질 때 약 +16mm H2O(1.6mbar)까지 단계적으로 증가시킵니다. 설정값의 최종 조정은 보통 COP 시운전 시 오븐 도어 뒤 바닥 레벨에서의 압력 측정 후 수행됩니다. 목적은 오븐 도어 뒤 바닥 레벨에서 흡입(음압)이 발생하지 않는 선에서 가능한 최저 오븐 압력을 상시 달성하는 것입니다.

가스 집관은 보통 코크스 오븐 배터리의 푸셔 측에 위치하며 3개 섹션으로 구성됩니다. 각 집관 섹션엔 보통 비상시 배터리에서 조가스를 직접 배출하기 위한 두 개의 가스 블리더(bleeder)가 장착됩니다. 수봉 밸브(water sealed valve)가 집관과 대기의 경계 역할을 합니다. 블리더 밸브는 공압 구동식으로 집관 압력이 사전 정의된 최댓값에 도달하면 자동으로 열립니다. 조가스 점화는 블리더 밸브 개방 직전 전기 아크 시스템으로 즉시 수행됩니다. 집관 압력은 각 오프테이크 메인의 제어 밸브로 제어됩니다. 배기기(exhauster)에서 제공되는 음압은 제어 플랩 업스트림에서 스로틀링되어 정의된 집관 압력 유지에 필요한 만큼만 조크스 오븐 가스가 방출되도록 합니다.

오븐 압력 조절 시스템의 HMI(휴먼 머신 인터페이스)는 여러 조작자 디스플레이로 구성되어 배터리 운영자가 시스템을 모니터링·조정(자동 모드)하거나 필요시 수동 모드(비상시)로 조작할 수 있게 합니다. 오븐 압력, 픽스 컵 내부 수위, 모든 제어 요소 상태, 마지막 코킹 시간, 상태 메시지 등 모든 공정 값이 표시됩니다. 수동 조작으로 전환하면 '충전 연결', '조절 복귀', '스탠드파이프 뚜껑 닫기' 등 모든 조작 기능을 적절한 조업 순서 내에서 수동 개시할 수 있습니다. 일부 인터록 시퀀스는 유해한 조작 실수를 막기 위해 여전히 활성화됩니다. PLC 제어와 인터록 없이 순수 수동 조작은 해당 스탠드파이프 바로 앞 공압 제어 패널에서만 가능합니다. 각 오븐별 추이 표시를 HMI에서 선택할 수 있으며, 주요 공정 값의 시간별 변화를 보여줍니다.

석탄 수분 분석기

여러 수분 측정 시스템이 있지만, 석탄 수분을 온라인으로 신뢰성 있게 측정하는 방법은 '면적 중량 보상 마이크로파' 방식입니다. 마이크로파는 물에 대한 선택성이 매우 높아 수분 측정에 높은 정확도를 보입니다. 물질을 투과하며, 물 분자는 본질적으로 극성이라 마이크로파를 크게 약화시키고 속도를 늦춥니다. 물질의 유전율(dielectric constant)이 마이크로파에 미치는 영향을 나타냅니다. 물의 유전율은 다른 물질보다 20배 커 마이크로파와 물의 강한 상호작용이 감쇠(attenuation)와 위상 이동(phase shift)으로 측정됩니다.

반사와 공명이 측정에 영향을 주지 않게 하려면 다중 주파수를 사용·평가해야 합니다. 따라서 면적 중량 보상에도 불구하고 물질 층 두께 등 기하학적 변화의 불규칙한 영향은 거의 제거됩니다. 위상 이동 측정은 여러 교란 요인에 덜 영향을 받아 정확도를 더 높여줍니다. 따라서 감쇠와 위상 이동 측정 결합은 교란을 추가로 줄여 정확도를 더 높입니다. 감쇠와 위상 이동 결합 측정으로 0.2% 이상의 정밀도를 달성할 수 있으며, 이는 측정 '관점'에서 가열 제어용 수분 값으로 쓰기에 충분합니다.

벌크 밀도가 변하는 경우(다른 석탄 배합, 다른 입도 분포로 운전 시) 추가적인 방사선 측정 유닛이 필요합니다. 층 두께와 벌크 밀도가 측정 결과에 영향을 주기 때문입니다. 이는 감쇠와 위상 이동을 단위 면적당 질량(감마선 투과 측정으로 결정)으로 정규화하면 크게 제거할 수 있습니다. 이 투과 측정에서 면적 중량에 의존하는 감마선 강도 약화가 측정됩니다. 그 결과 밀도 독립적인 수분 신호를 얻어 최적 공정 제어를 위한 최고 정밀도를 보장합니다. 동시에 초음파 레벨 센서 등으로 감마선원 근처에서 석탄 층 두께를 측정하면 벌크 밀도(면적 중량 × 층 두께)도 구할 수 있습니다. 석탄 수분 측정 시스템 구성은 그림 4에 나와 있습니다. 그림에 표시된 장비 외에 시스템 구동을 위한 추가 항목들도 필요합니다.

그림 4 석탄 수분 측정 시스템 구성

마이크로파는 소위 혼 안테나(horn antenna) 한 쌍으로 송신됩니다. 하나는 벨트 위, 다른 하나는 벨트 아래에 설치됩니다. 이 송신 지오메트리 덕분에 전체 부피의 큰 비율이 측정되어 석탄 층 전체의 수분 함량을 매우 정확하게 대표합니다. 즉, 표면 수분만이 아닌 석탄 층 전체 내부의 수분이 측정됩니다.

감마선원(핵종 Cs-137)은 벨트 아래에 설치됩니다. 마이크로파 방사 혼 안테나와 최대한 가깝게 설치해 동일한 석탄 부분이 동일 장소·동일 시간에 참조되도록 합니다(감쇠와 위상 이동이 면적 중량과 실시간으로 상관관계 분석). 감마선 검출기(섬광 검출기)는 감마선원에 수직 중심으로 벨트 위에 설치됩니다. 두 혼 안테나, 감마선원, 감마선 검출기는 특수 고주파 신호 케이블로 평가 장치에 연결되어 실시간으로 수분과 벌크 밀도를 상관관계 분석·계산합니다. 다중 보정 테스트(온라인 수분 대 실험실 수분)에서 얻은 참조 곡선들이 여러 석탄 조성이나 배합별로 평가 장치에 저장되어 있습니다. 이 통합 참조선들은 환경 영향의 신뢰성 있는 보상을 보장합니다. 이렇게 수분 함량과 벌크 밀도를 매우 정확하게 결정할 수 있습니다.

석탄 표면이 평평하고 고르면 측정이 가장 잘 됩니다. 따라서 측정 세트업 앞에 평탄화 장비를 둘 필요가 있습니다. 석탄 표면 평탄화는 두 단계로 이루어집니다. 첫째, 무거운 강판을 스크레이퍼(scraper)로 사용합니다. 스크레이퍼 최대 이동 거리는 체인으로 제한해 고무 벨트와 접촉하지 않게 합니다. 무게를 추가해 스크레이핑 힘과 포장 경로를 조절합니다. 둘째, 역시 체인으로 이동이 제한된 썰매(sledge)가 남은 요철을 평탄화합니다. 벨트 위 석탄 레벨이 너무 높거나 석탄 더미가 접근하면 스크레이퍼나 썰매가 석탄을 벨트 밖으로 흘릴 수 있습니다. 따라서 벨트 양옆에 고무 벨트 재질의 차단벽을 설치합니다. 평평한 석탄 표면은 신뢰성 있는 신호 획득에 필수적입니다.

자동 챔버 벽 온도 측정 시스템

자동 챔버 벽 온도 측정 시스템은 공랭식 광섬유 케이블과 푸셔 카(pusher car) 후단 램 빔에 장착된 파이로미터(pyrometer)로 구성된 코크 챔버 벽 온도 측정 시스템입니다. 램이 오븐을 통과할 때 벽 온도를 측정합니다. 이는 변환·평가되어 배터리의 종단, 횡단, 수직 방향 온도와 열 분포 감독을 가능케 합니다. 교차 벽 온도, 종단 배터리 온도, 수직 열 분포, 시간 경과에 따른 온도 변화, 벽 가열 체크 등으로 수행할 수 있습니다. 그림 5는 자동 챔버 벽 온도 측정 시스템 원리를 보여줍니다.

그림 5 자동 챔버 벽 온도 측정 원리

오븐 벽에서 복사되는 빛 강도가 각 측정점에서 광섬유 케이블로 감지됩니다. 이 측정점은 램 헤드가 전도하는 복사와 열에 대해 열적으로 차단된 하우징으로 구성됩니다. 하우징은 광섬유 케이블 홀더, 최적 냉각 효과를 위한 공기 라우팅 시스템, 광섬유 케이블, 압축 공기 공급 연결부를 수용합니다. 광섬유 케이블은 램에 대해 영구적으로 고정됩니다. 압축 공기가 광섬유 케이블을 따라 흐르며 과열과 오염을 방지하고, 광 가이드 하우징과 오븐 챔버 사이 통로를 불어내며 청소합니다.

푸시 공정 중 각 파이로미터가 수백 개 데이터 포인트(원시 데이터)를 측정해 푸셔 기계 전기실의 PLC로 전송되며, 램 드라이브 시스템의 거리 정보와 상관관계 분석됩니다. 원시 값은 각 파이로미터당 가열 플루별 평균 온도 값 하나로 압축됩니다. 이 값들(총 6 × 가열 플루 수)은 해당 푸시의 오븐 번호, 푸시 시간, 레벨링과 함께 푸셔 기계의 지정된 자동 챔버 벽 온도 측정 시스템 PLC 스테이션 저장 매체에 임시 저장됩니다. 결정된 값들은 광섬유를 통해 푸셔 기계에서 오븐 기계용 COP PLC로 전송되어 데이터베이스에 저장됩니다.

운영자는 COP PLC(오븐 기계용)의 HMI에 통합된 종합 메뉴 시스템을 사용해 서버 클라이언트 PC 어디서든 필요할 때 아카이브에서 온도 데이터를 선택·평가할 수 있습니다. 임계값 초과 시 자동 알람이 발생합니다. 운영자는 정기적으로 또는 알람 발생 시 배터리 블록 내 온도 분포를 확인해 언더파이어링 시스템의 부적응으로 특정 코크스 덩어리 구역에서 석탄이 언더코킹되어 나쁜 코크스 품질과 푸시 시 오염이 발생하는 것을 감지할 수 있습니다.

교차벽 문제 경고 외에도, 수직 온도 분포는 특히 높은 오븐 챔버에서 중요합니다. 이는 플루 전체 높이에 걸친 긴 화염으로 달성됩니다. 화염은 가열 플루로의 가스와 공기 분포에 영향을 받으며 적절히 조정되어야 합니다. 공기 분포 변화(스택 드래프트 변화 등)에 적절한 대응 조치 없이 진행하면 화염 길이(수직 열 분포)에 교란을 주어 불균일한 코킹, 루프 카본(roof carbon), 최악의 경우 '스티커 오븐(sticker oven)'으로 이어질 수 있습니다. 자동 챔버 벽 온도 측정 시스템은 각 푸시 시 오븐 챔버 3개 레벨에서 온도를 측정해 수직 가열 문제를 신속히 감지합니다. 이 문제 감지는 가열 시스템 개선으로 이어져 환경 보호 강화, 코크스 품질 향상, 생산 효율 증대(가스/에너지 절감), 벽돌 응력 감소(배터리 수명 연장)에 기여합니다.

단일 벽이나 오븐의 가열 평가, 자동 챔버 벽 온도 측정 시스템의 오븐 벽 온도는 평균 배터리 온도로 집약되어 배터리 가열 제어의 입력값으로 쓰일 수 있습니다.

푸싱 힘 자동 모니터링 시스템

푸셔 램이 오븐에서 코크스를 밀어낼 때 챔버 벽 온도 측정과 동시에 램 드라이브 모터에서 이 동작에 필요한 토크가 측정됩니다. 이 값들은 푸셔 램이 뜨거운 코크스를 오븐에서 밀어내는 동안 측정됩니다. 토크는 모터 속도와 토크를 제어하는 주파수 변환기에서 제공되며, 오븐 기계용 PLC에서 푸싱 힘으로 변환됩니다. 이 시스템을 '푸싱 힘 자동 모니터링 시스템'이라 하며, 램 드라이브 시스템의 기계적 유지보수 상황과 코크스 케이크의 코킹 상태에 대한 탁월한 정보를 제공합니다. 램 힘이 일정 기간 증가하면 기계적 문제나 가열 문제가 예상되어 주의와 추가 진단이 필요합니다.

푸싱 힘 자동 모니터링 그래픽은 오븐 기계용 PLC의 HMI에서 운영자가 공정 제어와 트러블슈팅 도구로 불러올 수 있습니다. 플랜트 관리자는 장기 아카이브에서 푸싱 힘 자동 모니터링 데이터를 선별해 공정 모니터링, 최적화, 이력 조사에 활용합니다. 푸싱 힘 곡선은 같은 프로필을 보입니다. 처음에 코크스를 벽에서 떼어내고 코크스 케이크를 움직이게 하는 피크가 있고, 이후는 케이크를 오븐 길이만큼 계속 밀기에 충분한 훨씬 낮은 힘으로 유지됩니다. 푸셔 램 슈(shoe)가 오븐에 진입하면 새롭지만 더 작은 피크가 생깁니다. 이 슈가 오븐 바닥을 미끄러지며 벽돌에 추가 마찰을 가해 램 드라이브가 상쇄해야 하므로 푸싱 힘이 증가합니다. 이는 푸시 때마다 일어나는 정상 상황입니다.

그래픽이 정상 프로필에서 벗어나 푸싱 경로를 따라 여러 푸싱 피크가 나타나면 첫 피크가 한 번의 푸시 중 여러 번 반복되는 것입니다. 원인은 푸싱이 램 이동 중 여러 번 멈췄다가 재개되었기 때문일 수 있습니다. 코크 가이드 기계적 문제가 이런 정지를 유발합니다. 재시작마다 푸셔 드라이브 시스템은 코크스 케이크를 다시 움직이게 하는 힘을 회복해야 합니다. 네 개 피크면 초기 '떼어내기 피크' 후 네 번 멈췄다가 재시작했음을 의미합니다. 이 예는 푸싱 힘 측정이 푸싱 중 운영상 문제를 감지하고 기록하는 유용한 도구임을 보여줍니다.

오븐 기계 자동 스케줄링 및 제어 시스템

COP 조업의 공정 제어와 모니터링에는 푸싱 스케줄 작성과 오븐 기계 조업 성능 화면 표시도 포함됩니다. 이를 위해 COP 자동화 시스템의 일부인 '오븐 기계 자동 스케줄링 및 제어 시스템'이라는 매우 진보된 푸싱 및 충전 스케줄 프로그램이 사용됩니다. 각 오븐의 푸싱 및 충전 시간이 계산·최적화되어 오븐 기계로 전송되고 운영자에게 신호됩니다. 실제 푸싱 및 충전 조업 데이터가 스케줄링 시스템으로 피드백되어 계산을 업데이트합니다.

'오븐 기계 자동 스케줄링 및 제어 시스템'은 정상 생산 계획뿐만 아니라 모든 유형의 특수 조업(고장 보상, 생산 감소 보상 등)도 처리합니다. 생산 데이터 변경이나 조업 트러블 발생 시 언제든 재계산이 트리거되어 재수행됩니다. 생산 손실 처리를 위한 여러 전략이 있습니다. 손실을 수용하거나, 가열 성능과 생산을 최적으로 유지하면서 코킹 시간을 단축해 신중하고 안전하게 생산을 늘려 만회할 수 있습니다. 따라서 스케줄 변경은 가열 제어 모델의 계산된 명목 열량에 자동으로 영향을 미칩니다.

푸싱 및 충전 스케줄은 특수 시뮬레이션 모드로 며칠 치를 미리 계산해 선진 생산 계획에 활용할 수 있습니다. 시스템은 오븐 압력 조절 시스템과 인터록되어 집관 분리(푸싱용)와 재연결(충전용)을 처리합니다. 그림 6은 주요 기능과 조업 시스템 철학, 조작 디스플레이를 보여줍니다. 오른쪽 컴퓨터 화면엔 보통 세 디스플레이가 있습니다. 첫째 '오븐 상태'로 각 오븐의 다음 푸시/충전 시간, 마지막 푸시/충전 시간, 사이클 내 시간을 다색 막대 그래프로, 충전 중량 등을 표시합니다. 둘째 계산된 스케줄로 향후 며칠간의 푸싱 및 충전 사이클을 시간순으로 표시합니다. 셋째 푸싱 및 충전 이력을 리포트 형태로 보여줍니다.

그림 6 오븐 기계 자동 스케줄링 및 제어

배터리 가열 자동 제어 시스템

배터리 가열 자동 제어 시스템은 배터리 가열에 필요한 에너지를 결정하는 이론적 계산 모델입니다. 이 모델은 실제 생산 성능(지연, '가속', 생산 손실 등에 적응)과 실제 가열 성능(실제 가열 플루, 코크스, 벽 온도가 목표 범위를 벗어날 때 적응)에 의해 동적으로 업데이트됩니다. '배터리 가열 자동 제어 시스템' 모델이 결정한 에너지 요구량은 가열 시스템의 설정값(set point)이 됩니다. 이 경우 배터리 가열에 필요한 에너지는 가열 시간(역전 사이 간격 시간 변경)으로 제어됩니다.

배터리 가열 자동 제어 시스템은 그림 7에 나와 있습니다. 그림엔 가열 제어 결과 추이 그래프도 포함됩니다. 코킹 시간 변경 시(녹색 화살표) 에너지량 제어가 에너지 입력 새 설정값(노란 화살표)을 생성해 반응하며, 주로 정지 시간(파란 화살표)을 변경합니다. 예시에서 정지 시간은 코킹 시간(녹색 곡선)이 28.9시간에서 30.1시간으로 전반적으로 증가함에 따라 에너지 수요(빨간 곡선)가 감소함에 맞춰 모델에 의해 약 200초에서 약 275초로 증가되었습니다. 자동 챔버 벽 온도 측정 시스템으로 측정된 '평균 배터리 온도' 상승(분홍 점선 화살표)도 열량 감소를 요구해 에너지 설정값을 더 낮춥니다. 총 에너지 감소(노란 곡선)는 '평균 배터리 온도' 감소(분홍 화살표)로 이어집니다. 다만 가열 플루에서 코크스로 에너지가 전달되는 반응 시간 때문에 시차가 발생합니다.

그림 7 배터리 가열 자동 제어 시스템

벽돌 내 다른 위치에서 측정된 두 온도를 비교 가능하게 만들기 위해, 가열 플루 온도는 열전달 비율로 외삽되어 오븐 벽 온도로 환산됩니다. '배터리 가열 자동 제어 시스템' 모델은 가열 에너지량을 관리해 에너지 소비를 줄이고, 조업 트러블에 빠르고 자동으로 대응해 배터리 온도를 균형 있게 유지하며, 가열 문제와 푸싱 배출을 줄입니다.