Boiler의 종류 및 특성

Boiler의 종류 및 특성

1. Boiler의 개요

 (1) Boiler의 정의

 

  Boiler는 강철로 만든 밀폐된 용기 안에서 물을 가열하여 높은 온도, 높은 압력의 증기를 발생 시키는 장치이다.

 (2) 전열과정

  1) 복사 (Radiation)

   ① 고온부에서 저온부로 열전자에 의한 전열과정이다.

   ② 전열량은 고온부와 저온부 온도의 4승차에 비례한다.

   ③ 복사전열은 수냉벽 그리고 과열기 및 재열기 일부에서 이루어진

       다.

   ④ 수냉벽에서 복사 전열량은 보일러 전체 전열량의 약 50% 전후

       이다  

   ⑤ 복사 전열량은 스테판-볼쯔만(Stefan-Boltzmann)의 법칙을

       적용한다.

     Q=σ·A ( T₁⁴-T₂⁴)

   σ : Stefan-Boltzmann의 상수( ㎉ / h.m²k⁴)

   A : 전열면적

   T₁: 고온부 온도

   T₂: 저온부 온도

  2) 전도(Conduction)

   ① 물체 구성 분자가 이동하면서 고온부에서 저온부로 열이 전달되

       는 전열 과정이다.

   ② 전열량은 단면적과 온도차에 비례한다.

   ③ 전도 전열량은 Fourier의 법칙을 적용한다.

     Q=K·A ( T₁-T₂) / L (㎉ / h)

   K : 열전도 계수 (㎉ / h.m.℃)

   A : 전열면적

   L : 전열면의 두께

  3) 대류(Convection)

   ① 연소가스의 유동에 의해서 열이 전달되는 전열과정이다.

   ② 전열량은 전열면적과 온도차에 비례한다.

   ③ 대류 전열은 보일러 후부 통로에 설치되어있는 과열기, 재열기, 절

       탄기, 공기예열기에서 이루어진다.

   ④ 대류 전열량은 Newton 의 법칙을 적용한다.

     Q = H·A ( T₁-T₂) (㎉ / h)

   H : 열대류 계수 (㎉ / h.m².℃)

   A : 전열면적

 (3) 물의 임계압 특성

  1) 물의 임계압은 <그림 1-1> 과 같이 225.6 (㎏/㎠) 이며, 임계온도

      는 374℃ 이다.

  2) 임계압에서 물의 증발잠열은 <그림 1-2> 와 같이 “0” 이다.

  3) 임계압에서 포화수와 포화증기의 비체적과 비중량은 같다.

<그림 1-1> 압력과 포화온도

 

 

<그림 1-2> 압력과 증발잠열

 

 (4) 물의 비등

  1) 핵비등(Nucleate Boiling)

   ① <그림 1-3>에서 S점이 포화상태이며, 핵비등은 포화상태에서 열

       부하가 더 증가되면 튜브 내면에서 증기가 발생하는 현상이다.

   ② <그림 1-3>에서 C점은 핵비등을 유지하는 최대의 열부하가 되고

      이 점이 임계 열부하(Departure From Nucleate Boiling) 점이다.

                         <그림 1-3> 임계 열부하점

  2) 막비등(Film Boiling)

   ① 막비등은 가열된 튜브 내면에서 연속적으로 기포가 발생되어 튜브

       내면이 증기막으로 싸이는 현상이다.

   ② 증기는 물보다 열전달율이 낮아 막비등이 발생되면 튜브의 온도가

       급격히 상승되어 튜브가 과열될 우려가 있다.

   ③ 관류형 보일러는 약간의 막비등이 허용되고 있으며 순환형 보일러

       는 노의 고온부에서 막비등이 발생하는 경우가 있다.

 (5) 보일러 효율

  1) 발전용 보일러 효율은 약 90% 정도이다.

<그림 1-4> 보일러의 효율

  2) 효율 공식

   μ = (출열 / 입열) X 100

     = {증기증발량(㎏/h)x[증기엔탈피(㎉/㎏)-급수엔탈피(㎉/㎏)]} /

   {연료소비량(㎏/h)x연료발열량(㎉/㎏)} X 100다. <그림 1-5> 을 참고

    하여 보일러 효율을 계산하면 다음과 같다.

<그림 1-5> 효율 계산

 

       μ = {1670000㎏/h x [806(㎉/㎏)-248(㎉/㎏)]} /

             {171000(㎏/h)x6170 (㎉/㎏)} X 100

              = 88.3 (%)

   물과 증기의 엔탈피는 증기표에서 구함

   ① 배기손실

   ② 불완전 연소손실

   ③ 방산 열손실

   ④ 회(Ash) 함유열

   ⑤ 기동 및 정지손실

 (6) 열손실 저감 대책

  - 드레인(Drain) 과 블로우다운 (Blow Down) 밸브(Valve)를 불필요하

     게 열지 말 것

  - 증기 트랩( Steam Trap) 을 정확하게 동작시켜 증기배출을 방지할것

  - 보조 증기를 낭비하지 말 것

  - 연소공기와 연소가스의 누설을 방지할 것

  - 적정 과잉공기를 공급할 것

2. 보일러 종류별 특징

 (1) 발전용 보일러의 종류

  발전설비의 대형화와 사용증기의 고온 고압화 추세에 따라 발전용 보일러는 자연순환 보일러 <그림2-1(a)>에서 강제순환 보일러<그림2-1(b)> 로 변화 되었다.

  1) 순환 보일러 (Circulation Boiler)

   ① 자연순환 보일러(Natural Circulation Boiler)

   ② 강제순환 보일러 (Controlled Circulation Boiler)

 

                       <그림 2-1> 순환 보일러

      대부분 발전소의 보일러는 자연순환 보일러이다.

  2) 관류형 보일러(Once Through Boiler)

   ① 벤슨(Benson) 보일러

  

                             <그림 2-2> 관류 보일러

   ② 슐처(Sulzer) 보일러

      한전의 표준 석탄화력 보일러는 사용압력이 초임계압이며 슐처형

     관류보일러이다.

 (2) 순환비(Circulation Ratio)

  순환비는 상승관 출구에서 드럼으로 유입되는 포화수와 포화증기 혼합비율이며 보일러수의 순환량은 순환비로 계산할 수 있다.

  순환비가 크다는 것은 보일러의 보유수량이 많음을 의미하며 보일러 의 열  관성(Thermal Inertia)이 커서 기동, 정지시간이 길어지고 정지시 열손실도 증가한다.

  일반적으로 순환비는 자연순환 보일러가 강제순환 보일러 보다 크다. 순환비(C.R) = 상승관 출구에서 기수혼합물의 중량 / 상승관 출구에서 증기의 중량

 

<그림 2-3> 강수관과 상승관

 (3) 자연순환 보일러 (Natural Circulation Boiler)

  <그림 2-4>는 자연순환 보일러의 내부구조이다. 급수는 절탄기를 거쳐 드럼으로 유입된다.

  절탄기에서 유입된 급수와 드럼에서 기수 분리된 포화수는 강수관, 하부헤더를 거쳐, 수냉벽에서 노(Furnace)내부의 복사열을 흡수한다.

 

<그림 2-4> 자연순환 보일러

  1) 순환력

     <그림 2-5>는 자연순환 보일러에서 보일러수의 흐름이다. 보일러

    수의 순환은 수냉벽 속의 기수 (포화증기와 포화수) 혼합물의 밀도

    와 강수관으로 흐르는 물의 밀도차에 의해서 이루어진다.

    수냉벽으로 흐르는 보일러 수는 노에서 불꽃과 고온의 연소가스에

    의해서 가열되어 기수 혼합물이 된다. 노 외부에서 설치된 강수관속

    의 물은 밀도가 높으므로 수냉벽속의

     기수 혼합물을 밀어 드럼으로 상승시킨다.순환력이 부족하면 수냉

    벽으로 흐르는 유량이 적어져 수냉벽이 고열에 의해서 과열될 우려

    가 있다.

 

<그림 2-5> 자연순환 보일러의 순환계통

  2) 순환력 크기

  순환력 = (강수관 물의 밀도-수냉벽 기수혼합물의 밀도) X 드럼 높이

 

  3) 순환력에 영향을 미치는 요인

   ① 열흡수량

      수냉벽과 강수관으로 흐르는 유체의 밀도차는 수냉벽의 열흡수량

      에  비례한다. 수냉벽의 열흡수량이 증가할수록 수냉벽 유체의 밀

      도가 적어져 보일러의 순환력이 증가한다.

   ② 강수관과 수냉벽으로 흐르는 유체의 밀도가 일정한 경우 보일러의

       높이 가 높을수록 수두(Head)의 무게차가 커져 보일러수의 순환

      력이 증가한다.

   ③ 사용압력 증가

       사용압력이 증가하면 <그림 2-6> 와 같이 물의 물리적 성질에 의

      해서 포화수의 밀도는 감소하고 포화증기의 밀도는 증가한다. 따

      라서 강수관으로 흐르는 물과 수냉벽으로 흐르는 기수 혼합물의

      밀도차가 감소되어 순환력이 적어진다.

 

<그림 2-6> 압력과 비중량

  4) 순환력을 증가시키는 방법

   ① 강수관을 노 외부의 비가열 부분에 설치한다.

   ② 드럼의 위치를 높게한다.

   ③ 수관의 직경을 크게하여 보일러수의 마찰손실을 적게한다.

   ④ 수관을 가급적 직관으로 설치하여 유동손실을 적게한다.

                      <그림 2-7> 연소가스의 흐름

  5) 연소가스 흐름 경로

     연소실→과열기→재열기→절탄기→공기예열기집진기→연돌

  6) 자연순환 보일러의 특성

   ① 자연순환 보일러는 보일러수 순환을 위한 별도의 설비가 없으므로

      구조가 간단하다.

   ② 운전이 비교적 용이하다.

   ③ 증기압력이 높아지면 순환력이 저하된다.

   ④ 보일러의 보유수량이 많아서 기동, 정지 시간이 길어지고 정지시

       열손실이 많다.

 

 (4) 강제순환 보일러 (Controlled Circulation Boiler)

  강제순환 보일러는 <그림 2-8>과 같이 보일러수를 순환시키기 위하여 보일러수 순환펌프(Boiler Water Circulation Pump ; BWCP)를 사용한다.

  강수관에 설치된 순환펌프는 드럼에 저장된 물을 흡입하여 하부헤더(Lower Header) 및 수냉벽을 거쳐 드럼으로 강제순환 시킨다. 강제순환 보일러는 자연순환 보일러보다 순환력이 좋으므로 보일러의 크기가 같은 경우 더 많은 증기를 생산할 수 있다.

                               <그림 2-8> 강제순환 보일러

  1) 순환력

     증기압력이 높아지면 포화수와 포화증기의 밀도차가 적어져 충분한

    순환력을 얻을 수 없으므로 <그림 2-9>과 같이 순환펌프가 순환력

    을 증가 시킨다.

 

<그림 2-9> 강제순환 보일러의 순환계통

     강제순환 보일러의 순환력= 자연순환력 +보일러수 순환펌프의 순환

     력 <그림 2-10>은 자연순환과 강제순환 보일러 순환력의 크기를

     비교한 것이다.

                             <그림 2-10> 순환력의 비교

  2) 강제순환 보일러의 장점

   ① 강제순환 보일러는 순환펌프가 있으므로 사용압력이 증가하여도

        충분한 순환력을 얻을 수 있다.

   ② <그림 2-11> 와 같이 하부헤더(Low Header) 내부에 오리피스

       (Orifice)를 설치하여 증발관으로 흐르는 유량을 일정하게 하며,

       오리피스 입구 에 스트레이너(Strainer)를 설치하여 오리피스의

       막힘(Pluging)을 방지 한다.

                          <그림 2-11> 하부헤더 내부구조

   ③ 순환력이 크므로 보일러수의 순환이 원활하여 증발관이 과열될 염

       려가 적다.

   ④ 튜브 직경이 작아 내압 강도가 크므로 튜브 두께가 얇아져 열전달

       율이 좋아진다.

   ⑤ 보일러 보유수량이 적어 기동, 정지시간이 단축되고 정지시 열손

       실이 감소한다.

   ⑥ 전열면의 수관을 자유롭게 배치할 수 있어 연료나 연소방식에 따

       른 노 (Furnace) 구성이 자유롭다.

   ⑦ 보일러 점화전 순환펌프가 보일러수를 순환시키므로 물때(Scale)

       생성이 비교적 적다.

  3) 강제순환 보일러의 단점

   ① 보일러수 순환펌프가 설치되므로 소내전력이 증가한다.

   ② 보일러수 순환펌프의 유지 정비가 어렵고, 고장시 출력감발 및 보

       일러 정지가 불가피하다.

   ③ 기동, 정지 절차와 운전이 복잡하다.

                         <그림 2-12> 보일러수 순환펌프의 내부구조

  4) 보일러수 순환펌프(Boiler Water Circulation Pump ; BWCP)

     보일러수 순환펌프가 고온 고압의 포화수를 가압할 때 그랜드

     (Gland)부에서 물이 새어 대기로 방출되면 급격히 증기로 변환되므

     로 이를 방지하기 위해서 특수한 축 밀봉장치를 설치한다.

 

     Glandless Submerged Motor Pump의 특징은 다음과 같다.

   ① 이 형식의 펌프는 그랜드부를 없애기위해 펌프와 모터의 케이싱이

       일체 로 만들어지므로 고온 고압의 보일러수가 모터내부로 유입

       될 가능성이 있다.

   ② 모터의 회전자와 고정자 공간(Cavity) 으로 흐르는 고압냉각수가

       고온의 보일러수에서 모터로 전도되는 열을 냉각시킨다.

   ③ 순환펌프 하부에 설치된 보조펌프가 고압 냉각수를 모터에서 냉각

        기로 순환시켜 모터의 온도를 허용치 이내로 유지시킨다.

<그림 2-13> 보일러수와 증기의 흐름도

 

                     <그림 2-14> 보일러 전열면의 배열

 

 (5) 관류 보일러 구성

  발전소의 효율은 사용압력과 온도를 높이면 상승한다. 그러나 사용온도는 보일러 튜브 및 터빈의 재질 때문에 더 이상 높이지 못하므로 압력을 초임계압으로 상승하여 효율을 향상시킨다.

  관류 보일러는 급수펌프가 보일러수를 순환시켜 정상운전시 물과 증기의 분리가 불필요하므로 초임계압 보일러는 반드시 관류 보일러를 사용한다.

관류보일러는 절탄기(Economizer),증발관(Evaporator),과열기(Superheater)가 하나의 긴관(Single Flow Tube)으로 구성되어 있으며, 급수펌프가 공급한 물은 순차적으로 예열, 증발하여 과열증기가 된다.

 (6) 관류 보일러의 특징

  1) 직경이 작은 튜브가 사용되므로 중량이 가볍고, 내압 강도가 크나,

     압력 손실이 증대되어 급수펌프의 동력손실이 많다.

  2) 보일러 보유수량이 적어 기동시간이 빠르고 부하 추종이 양호하나

     고도의 제어기술과 각종 보호 장치가 필요하다.

  3) 기동시 증기가 고압터빈을 바이패스하여 재열기로 흐르므로 재열

      기의 과 열을 방지할 수 있다.

  4) 터빈 정지시 보일러의 단독운전이 가능하다.

  5) 복수기는 터빈을 바이패스한 증기를 응축시키기 위해서 보일러 점

     화전 정상 상태로 운전되어야 한다.

  6) 운전중 보일러수에 포함된 고형물이나 염분 배출을 위한 블로우 다

     운(Blow Down)이 불가능하여 보충수량은 적으나 수질관리를 철저

     히 하여야 한다.

     노 하부 수냉벽은 나선형(Spiral Type)으로 설치되고 버너 부근의 고

     열을 흡수하는 수관은 리브드 튜브(Ribbed Tube) 를 사용한다.

                    <그림 2-15> 리브드 튜브(Ribbed Tube) 내부

 (7) 벤슨 보일러(Benson Boiler)

     벤슨 보일러는 과열기 출구에 기동용 플래시 탱크(Flash Tank)가 설

    치 되어 있다. 보일러 기동시 과열기까지 순환한 물은 기동용 플래시

    탱크를 거쳐 배수 저장조 혹은 급수저장조로 회수된다. 기동 초기

    보일러 튜브속의 불순물에 의해 오염된 보일러수는 배수탱크로 버

    린다.

     시간이 경과되면 보일러수의 수질이 점차적으로 좋아지고 수질이

     개선된 보일러수는 급수저장조로 회수되어 보일러수로 재사용한다.

 

     벤슨보일러(Benson Boiler)의 특징은 다음과 같다.

  1) 급수가 보일러 내부로 흐르고 있는 상태에서 버너(Burner)가 점화

      된다.

  2) 증발관에서 유동안정을 위하여 최소 급수량은 정격 급수량의 약

      30% 이상 유지 되어야 한다.

  3) 보일러 기동시 보일러수가 증발관과 과열기로 흐르므로 튜브내면

의 물     때 (Scale)가 제거된다.

  4) 보일러를 단시간 정지후 재기동시 보일러를 반드시 냉각시켜야 하

     므로 재기동시 열손실과 시간손실이 많고 보틀 업(Bottle-up)이

    불필요하다.

<그림 2-16> 벤슨 보일러의 계통도

 (8) 슐처 보일러(Sulzer Boiler)

  1) 아래의 <그림 2-17>은 초임계압 보일러 계통도이다.

  2) 증발관 출구에 설치된 기수분리기(Separator)가 기동 및 정지 그리

     고 저부하시 기수 혼합물을 분리시키며, 정상 운전시는 보일러수가

     증발관에서 모두 증기로 변하므로 기수분리의 필요성이 없다.

                       <그림 2-17> 슐처 보일러의 계통도

  3) 기수분리기 하부에 설치된 순환펌프(Circulating Pump)는 포화수를

     절탄기 입구로 재순환 시킨다.

  4) 기동시 과열기로 물이 순환되지 않으므로 열간기동(Hot Start-up)

     이 가능하다.

  5) 보일러 기동시간이 단축되고 열손실이 감소된다.

 (9) 경사형 수냉벽(Spiral Type Water Wall)

  1) 수관수가 적어지므로 수관당 질량유량이 증대하여 최저부하 한도

       가 낮아진다.

  2) 수냉벽에서 열흡수가 균등하여 인접 튜브와 온도차가 적다.

  3) 보일러 동특성이 우수하여 주파수 조절용 보일러에 많이 사용한다.

  4) 나선형 수냉벽은 노벽 설계 및 건설 시공이 복잡하다.

  5) 튜브내부로 흐르는 유속증가에 따른 압력손실이 증가되므로 열흡

      수율 이 낮은 노상부는 수직형 수냉벽을 설치한다.

  6) 나선형 수냉벽과 수직형 수냉벽 사이에 설치된 중간헤더가 이들 수

     냉벽 의 열응력 발생을 최소화 시킨다.

                      <그림 2-18> 관류보일러의 경사 수냉벽

 

                                    <그림 2-19> 경사 수냉벽

 

3. 보일러 구성

 (1) 절탄기(Economizer)

  1) 절탄기의 정의

     절탄기는 보일러에서 배출되는 연소가스의 남은 열을 이용하여 보

    일러에 공급되는 급수를 예열하는 장치이다.

  2) 절탄기 효과

   ① 연소가스의 남은 열을 이용하여 급수를 예열하므로 보일러 효율이

       상승된다.

   ② 급수를 가열하므로 드럼과 급수 온도 차가 적어져 드럼의 열응력

       발생을 방지한다.

  3) 절탄기 위치

     절탄기는 급수 기준으로 최종 급수가열기와 드럼 사이에 위치하며

    연소 가스 기준으로 가스 온도가 약 400℃정도 되는 보일러의 후부

   통로 1차 과열기와 공기예열기 사이에 위치한다.

  4) 절탄기 재질

     발전용 보일러 절탄기의 재질은 대부분 강관이 사용된다. 강관을 그

    대로 사용하는 나관 절탄기와 전열면적을 증가시키기 위해서 튜브  

    주위에     휜(Fin)을 부착한 휜 부착 절탄기가 있다.

     <그림 3-1> 은 휜 부착 절탄기이다.

                                  <그림 3-1> 휜(Fin) 부착 절탄기

  5) 절탄기 재순환 관(Economizer Recirculation line)

     순환 보일러는 승압기간중 드럼으로 공급되는 물이 거의 없다. 절탄

     기는 상대적으로 저온 구역에 설치됨에도 불구하고 몇몇 절탄기에

    서 승압 기간 중 증기가 발생한다. 급수가 절탄기로 공급될 때까지

    이 증기는 절탄기 내부에 갇혀 있다. 이 현상은 드럼 수위 조정을

    어렵게할 뿐 아니라 수격작용(Water Hammer)을 일으킨다. 이러한

    어려움은 절탄기 내부에 갇혀있는 증기를 배출시키거나, 보일러수

    를 절탄기로 순환시키므로 해결 할 수 있다.

     만약 <그림 3-2>와 같은 재순환관을 사용한다면 재순환 밸브는 보

    일러수가 절탄기를 통해 보일러로 연속적으로 공급될 때까지 열려

    있어야 한다.

                           <그림 3-2> 절탄기의 재순환 관

 (2) 드럼 (Drum)

  1) 기능

   ① 보일러수와 증기의 순환 경로를 구성한다.

   ② 증발관에서 유입되는 기수(汽水)혼합물을 분리한다.

   ③ 보일러수를 저장한다.

   ④ 드럼내부의 고형물질을 배출시킨다.

  2) 구성요소

   ① 급수관(Feed Water Pipe)

      급수관은 절탄기에서 예열된 급수를 드럼으로 공급한다. 급수관은

      급수를 균등하게 공급하기 위해서 드럼의 길이 방향으로 설치되어

      있으며 작은 구멍들이 뚫어져 있다.

   ② 강수관(Down Comer)

      강수관은 드럼하부에 설치되어 하부헤더와 연결되어 있으며 순환

      력을 크게 하기위하여 노 외부의 비가열 부분에 설치한다.

   ③ 상승관(Riser Tube)

      상승관은 수냉벽 출구에 설치되어 기수혼합물을 드럼으로 공급

      하는 관으로 드럼 상부로 연결된다.

<그림 3-3> 드럼의 내부구조

 

   ④ 격판(Shroud, Baffle)

      격판은 상승관의 기수 혼합물을 드럼의 내면으로 안내하여 드럼을

      균일하게 가열하므로 열응력 발생을 억제한다.

   ⑤ 원심분리기(Cyclone Separater)

      원심분리기는 <그림 3-4>와 같이 기수혼합물을 선회시켜 물은

      원심력에 의해 밖으로 밀려 원통주위를 회전하면서 아래로 떨어지

     고 증기는 상부로 올라가 과열기로 흐른다.

                           <그림 3-4> 기수 분리기와 건조기

 

<그림 3-5> 수직형 기수 분리기

 

   ⑥ 건조기(Dryer)

      건조기는 포화증기 속에 함유된 수분을 제거하기 위해서 주름진 철

     판을 여러겹 겹쳐 드럼 상부 증기통로에 설치한다. 수분이 포함된

     포화증기가 건조기를 통과할 때 증기의 흐름 방향이 변화하면서

     물은 철판에 부딪쳐 드럼으로 떨어진다.

   ⑦ 포화증기관(Saturation Steam Pipe)

      포화증기관은 드럼과 과열기 입구헤더를 연결하는 관으로서 드럼

     에서나온 증기를 과열기로 흐르게 한다.

   ⑧ 수위계(Level Gauge)

    ㄱ. 수위계는 <그림 3-6>와 같이 수위를 표시한다. 수위가 쉽게 인식

         되기위해서 수부와 증기부가 청색과 적색의 2가지 색(bi-color)

         으로  표시 되는 수면계가 많이 사용된다.

    ㄴ. 고온 고압의 물과 증기에 사용되는 드럼 수위계는 취급에 주의를

         하지 않으면 열 충격으로 파손되는 경우가 있다.

   ⑨ 기타

    ㄱ. 블로우 다운(Blow Down)파이프

    ㄴ. 안전 밸브(Satety Valve)

    ㄷ. 벤트 파이프(Vent Pipe)

<그림 3-6> 드럼 수위계

  3) 드럼 수위

   ① 기준

    ㄱ. 드럼의 수위 기준은 기수분리기 하단이며 드럼의 수위가 상승되

         면  기수분리기가 물속에 잠겨 기수분리가 어려워진다.

    ㄴ. 드럼의 정상 수위는 “0” 으로 표시하며 높으면 +, 낮으면 -

         로 표시 한다.

    ㄷ. 정상 수위 “0”은 드럼의 중심점보다 약간 낮다.

    ㄹ. 정상 수위보다 일정치 이상 낮거나 높으면 보일러를 정지시킨다.

   ② 수위 이상시 문제점

    ㄱ. 고 수위 : 수위가 높아지면 기수가 분리되지 않아 증기가 다량의

         수분을 함유하고 과열기로 흐르며 과열기 내부에서 물때(Scale)

        가 생성되어 과열기가 과열될 우려가 있다. 과열기나 터빈에

        보일러수가 유입되면 다음과 같은 현상이 발생된다.

     - 터빈 케이싱(Casing)과 로타(Rotor)의 팽창차가 급변한다.

     - 터빈 침식 및 진동이 발생된다.

    ㄴ. 저 수위 : 드럼수위가 너무 낮게 되면 일부 수관은 물 부족현상

        이 발생할 수 있어 과열될 우려가 있다.

   ③ 수위변화의 요인

    ㄱ. 터빈 부하가 급격히 변화할 경우

    ㄴ. 연료량이 급격히 변화할 경우

    ㄷ. 드럼 압력이 급격히 변화할 경우

    ㄹ. 보일러 튜브가 파열된 경우

    ㅁ. 드럼 수위 검출 및 전송 계통이 고장 난 경우

   ④ 수위 제어

      보일러 드럼 수위를 정확하고 신뢰성 있게 제어하기 위해서 3요소 제        어 방식( 3Element Control System )이 채택된다.

    ㄱ. 드럼 수위 (Drum level)

    ㄴ. 증기량(Steam Flow)

    ㄷ. 급수량(Feed Water Flow)

                                <그림 3-7> 드럼 수위의 3요소 제어

  4) 드럼 보호

     드럼의 열응력 발생을 방지하기 위해서 드럼 상하부 온도차를 55℃

    이내, 내외부 온도차를 65℃ 이내로 제한하며 기동, 정지시 온도

    변화율은 일반적으로 다음과 같이 제한한다.

   ① 자연순환 보일러 : 55℃/hr

   ② 강제순환 보일러 : 110℃/hr

   ③ 관류 보일러 : 220℃/hr

 (3) 노 (Furnace)

  1) 노 (爐)

     노는 연료와 연소용 공기가 혼합되어 연료의 가연 성분이 연소되는

     공간이며 보일러수가 노벽을 구성하는 수냉벽 내부로 흐르면서 연

     료의 연소열을 흡수하여 증기로 변한다.

     노는 연료를 완전히 연소시키고 노 출구 온도를 적당히 낮출수

     있도록 충분히 커야한다.

                                    <그림 3-8> 노 내부 구조

  2) 노 벽의 구조

   ① <그림 3-9>는 노벽을 구성하는 스터트 수냉벽의 구조이다.

   ② 노의 수냉벽은 연소가스의 누출이나 공기의 누입이 없도록 전

        용접 수냉벽 방식을 많이 채택한다.

   ③ 노 외벽은 열 방산을 최소로 하기위해서 충분히 보온되어야 한다.

   ④ 벅스테이(Buckstay)는 노(Furnace)외부 혹은 내부에 가해지는

       힘으로 부터 노벽을 보호한다.

<그림 3-9> 스터트(Studded) 수냉벽

 

                      <그림 3-10> 멤브레인 튜브(Membrane Tube) 벽

 (4) 과열기 (Superheater) 및 재열기 (Reheater)

  1) 과열기 및 재열기 사용 목적

   ① 발전소 열효율은 증기압력과 증기온도가 높을수록 증가한다.

   ② 과열기는 드럼에서 분리된 포화증기를 가열하여 온도가 높은 과열

       증기 로 만든다.

   ③ 과열증기를 사용하므로 터빈에서 열낙차가 증가하고, 터빈의 내부

       효율이 증가한다.

   ④ 터빈과 증기공급관의 마찰손실이 적어지고, 습분에 의한 침식이

       경감된다.

   ⑤ 재열기(Reheater)는 고압터빈(High Pressure Turbine)에서 일을

       한 온도가 떨어진 증기를 다시 가열하여 과열도를 높이는 장치

      이다.

   ⑥ 재열기는 발전소의 열효율을 향상시키고, 저압터빈(Low

       Pressure  Turbine) 날개(Blade)의 침식을 경감시킨다.

  2) 과열기 및 재열기 형식

   ① 전열 방식에 따른 분류

    ㄱ. 복사과열기(Radiant Superheater)

        복사과열기는 연소가스 온도가 높은 노 상부에 설치되어 복사열

        을 받으며<그림 3-11>과 같이 보일러의 부하가 상승하면 증기온

       도가  떨어진다.

    ㄴ. 대류과열기(Convection Superheater)

        대류과열기는 연소가스 통로에 설치되어 가스의 대류작용에 의해

       서 열전달이 이루어지며, 보일러의 부하가 상승되면 증기온도가

       올라간다.

    ㄷ. 복사 - 대류과열기

        복사-대류과열기는 노 출구 고온부에 설치되어 복사열과 대류열

        을 동시에 받으며 보일러 부하가 변하여도 증기온도가 비교적

        일정하게 유지된다.

                             <그림 3-11> 보일러 부하와 과열도

   ② 유동방식에 따른 분류

      과열기 및 재열기를 유동방식에 따라 분류하면 <그림 3-12>와 같

      이  병류, 향류, 혼류식이 있다.

    ㄱ. 병류식

     - 연소가스의 흐름 방향과 증기의 흐름 방향이 일치하며, 연소가스

       의 고온부와 증기의 저온부가 접촉한다.

     - 튜브의 표면온도 상승폭이 적고 열전달 효율은 낮다.

     - 이 형식의 과열기 및 재열기는 고온부에 설치된다.

    ㄴ. 향류식

     - 연소가스의 흐름 방향과 증기의 흐름 방향이 반대이며, 연소가스

       의 고온부와 증기의 고온부가 접촉한다.

     - 튜브의 표면온도 상승 폭이 크고, 열전달 효율은 높다.

     - 이 형식의 과열기 및 재열기는 저온부에 설치한다.

    ㄷ. 혼류식

     - 혼류식은 병류식과 향류식을 조합한 형식이며 최종과열기 및

        최종 재열기에 주로 사용한다.

<그림 3-12> 유동방식에 따른 분류

 

   ③ 설치 방식에 따른 분류

    ㄱ. 수평식

     - 설치가 곤란하다.

     - 응축수(Drain Water)의 배출이 용이하다.

                              <그림 3-13> 수평식 과열기

 

    ㄴ. 수직식

     - 설치가 용이하다.

     - 응축수(Drain Water)의 배출이 곤란하다.

                                   <그림 3-14> 수직식 과열기

  3) 증기온도 조절

   ① 증기온도가 떨어지는 요인

    ㄱ. 과잉공기가 부족한 경우

    ㄴ. 급수온도가 기준온도보다 높은 경우

    ㄷ. 재열기 입구온도가 기준온도보다 낮은 경우

    ㄹ. 과열저감기가 누설되는 경우

    ㅁ. 석탄회가 과열기 및 재열기 표면에 부착된 경우

   ② 증기온도가 올라가는 요인

    ㄱ. 과잉공기가 많은 경우

    ㄴ. 급수온도가 기준온도보다 낮은 경우

    ㄷ. 재열기 입구온도가 기준온도보다 높은 경우

    ㄹ. 석탄회가 수관 표면에 부착된 경우

    ㅁ. 연소 시간이 길어지는 경우

 

<그림 3-15> 과열저감기 설치 위치

 

 

③ 증기온도 조절방법

    ㄱ. 과열저감기(Desuperheater or Spray Attemper 

ator)

     - 과열저감기는 <그림 3-15>와 같이 과열증기 통로에 설치되어

        분사 노즐(Spray Nozzle)에서 물을 분사시켜 증기온도를 내린다.

     - 이 방법은 증기온도를 내리는 방법중 가장 보편화된 방법이며

         증기온도의 조절범위가 넓고, 시간이 빠르다.

     - 분사수가 증기와 직접 혼합되므로 과열기 및 터빈에 부착되는 물

        때(Scale)를 방지하기 위해서 분사수의 순도가 좋아야 한다.

                           <그림 3-16> 과열저감기 내부

 

    ㄴ. 화염의 위치

     - 미국 C.E 社(Combustion Engineering)의 경사각 조절 버너

        (Tilting  Burner)는 <그림 3-17> 과 같이 노의 4모퉁이에 설치되어

         상하 30° 의 각도로 조절할 수 있다.

     - 버너 분사각이 상방향(+30°)이면 증기온도가 올라가고 하방향

       (-30°)이면 증기온도가 떨어진다.

     - 버너 분사각은 증기온도에 따라 자동적으로 조절된다.

                  <그림 3-17> 틸팅버너(Tilting Burner) 각도와 화염 모양

 

    ㄷ. 가스 재순환(Gas Recirculation)

     - 가스 재순환 설비는 보일러 부하가 낮은 경우 과열증기 특히

        재열 증기 온도를 상승시킨다.

     - 가스 재순환 송풍기가 절탄기를 통과한 연소가스의 일부를

      <그림 3-18>과 같이 노 하부로 공급하여 전열면(절탄기, 수냉벽,

        과열기, 재열기)에서 흡수열량을 변화시킨다.

     - 재순환 가스량이 증가하면 증기온도가 올라가고 감소하면 증기

       온도가 떨어진다.

     - 연소가스가 재순환되면 연소상태가 불량하여 소화(消火)의 위험

       이 있다.

                          <그림 3-18> 재순환 송풍기와 증기온도

 (5) 보일러 튜브(Tube)

  1) 튜브의 구비 요건

   ① 인장강도와 크리프(Creep)강도는 사용온도와 압력에 견딜 수 있는

       여유가 있어야 한다.

   ② 튜브 내면은 내산화성이어야 하고, 외면은 연소가스 및 석탄회에

      대한 내식성과 내마모성이 있어야 한다.

   ③ 동종 및 이종 튜브간의 용접성이 우수하고, 가공성이 좋아야한다.

   ④ 열전달율이 좋아야 한다.

   ⑤ 가격이 저렴해야 한다.

  2) 튜브 파열

   ① 발생 원인

    ㄱ. 보일러 튜브는 시간의 경과에 따라 서서히 형태 및 조직이 변화

         되는 자연 열화

    ㄴ. 보일러 튜브 재질 선택의 부적정

    ㄷ. 보일러 튜브 제작과 시공시 열처리 및 용접작업의 불량

    ㄹ. 운전 부주의로 인한 튜브 온도 급격한 변화

   ② 현상

      보일러수의 보충 수량(Make Up Water Flow) 이 증가되면서 급수

      량과 증기량의 편차가 많아진다.

    ㄱ. 드럼 수위가 낮아진다.

    ㄴ. 노 내부 압력이 급격히 증가하며, 연소가스가 노 밖으로 분출

         된다.

    ㄷ. 노에서 연소상태가 불량하여 화염이 어두워지는 경우도 있다.

    ㄹ. 분출음이 들리며, 연돌에서 수증기가 배출된다.

         이 같은 현상으로 튜브 파열을 감지하는데, 이때 고장이 확대

         되지 않도록 조기에 발견하는 것이 중요하다.

                        <그림 3-19> 보일러 튜브의 파열 모양

 

   ③ 조치 사항

    ㄱ. 운전원은 유인 송풍기의 과부하를 방지하기 위해서 운전상태를

          수동으로 전환하고 유인송풍기 부하를 조절해야 한다.

    ㄴ. 드럼 수위를 유지할 수 있으면 급전 사정을 고려하여 정상적인

          절차에 의해 보일러를 정지시킨다.

    ㄷ. 드럼 수위를 유지할 수 없으면 보일러를 비상정지 시킨다.

  3) 튜브 파열 방지 대책

   ① 보일러 기동, 정지시 온도 변화율을 허용치 이내로 준수하고, 출력

        의 급격한 변화를 방지한다.

   ② 제매작업시 배관을 충분히 예열하고, 드레인 배출을 철저히 한다.

   ③ 연소가스의 편류를 방지하기 위해서 편류 방지판(Baffle Plate)을

       설치하고, 연소가스 속도가 빠른 부위와 제매(Soot Blowing)증기

       가 접촉되는 부분에 마모 방지판(Tube Shield)을 설치한다.

   ④ 보일러 급수 처리를 철저히 하여 튜브 내면에 물때(Scale) 생성을

       방지 한다.

   ⑤ 튜브 상태를 파악하여 장,단점 교체 계획을 수립한다.

 

**포화증기**

  상온에서 액체나 고체 상태 물질은 끊임없이 증발하여 기체 상태로 변

한다. 그러나 한정된 공간에서는 어느 정도 증발하면 더 이상 증발하지 않고 평형상태를 이룬다. 이런 상태의 기체를 액체나 고체의 포화증기라 하며, 이 때의 압력을 포화증기압이라 한다. 물은 포화상태에 있으면 포화증기와 포화수의 혼합물로서 존재한다. 이때 포화증기의 질량분율을 증기건도(dryness)라고 한다.

  포화증기압의 값은 물질에 따라 다른데, 대체로 온도가 올라감에 따라

증가한다. 예를 들면 공기의 경우 높은 기온에서는 수증기를 많이 함유하고, 낮은 기온에서는 수증기를 적게 함유한다. 온도와 포화증기압의 관계는 클라우지우스-클라페롱(Clausius-Clapeyron) 이론의 공식으로 나타낼 수 있다. 고체와 평형상태를 이룰 때의 포화증기압은 별도로 승화압(昇化壓)이라고도 한다.

**과열증기**

  압력을 일정하게 해 두고 액체를 가열하면 온도가 올라가고, 일정온도에 달하면 증발하기 시작한다. 이 경우 다시 가열하더라도 전부가 증발할 때까지는 온도가 변하지 않고 액체와 증기가 공존한다. 이것을 습윤포화증기(濕潤飽和蒸氣)라 하고, 전부 증기가 되어 버린 것을 건조포화증기라 한다. 건조포화증기를 다시 가열하면 증기의 온도는 상승하는데, 이것을 과열증기라 한다. 이 증기를 이용하면 보일러·엔진·터빈의 효율이 좋아진다. 

[출처] 발전소의 보일러(Boiler) 종류 및 특성.|작성자 늘푸른