발전소 보일러의 소개(순환 보일러)

 발전용 보일러는 보일러 급수펌프에서 이송된 고압의 물을 연소열을 이용하여 가열함으로써 증기 터빈이 요구하는 고온 고압의 증기를 생산해 내는 장치로 증기 발생장치(Steam Genertor)라고 할 수 있다. 이 장치는 밀폐된 압력용기로 되어 있어 고온 고압의 과열증기를 얻을 수 있으며, 다음과 같이 구성되어 있다.

1. 보일러 본체 : 수랭 벽, 절탄기, 기수분리기, 과열기

2. 통풍설비 : 연소용 공기 공급 및 배기가스 배출

3. 연소설비 : 연료를 저장, 공급하고 연소시켜 열 발생

4. 제어설비 : 부하 변동에 따라 연료량, 공기량, 급수량을 자동으로 조절

 보일러의 효율은 보일러에 공급된 연료가 완전히 연소하여 발생한 열량에 대한 보일러에서 실제로 급수에 전해져 증기를 발생시키는 데 사용된 열량의 비를 나타내며, 통상 발전용 보일러의 효율은 약 90% 정도이다.

 보일러의 약 10% 정도 되는 열 손실은 배기 손실, 불완전 연소손실, 방산 열 손실, 회(Ash) 함유 열, 기동 및 정지손실이다.

 발전용으로 사용되는 보일러는 고온 고압의 증기를 얻기 위해 드럼과 같은 압력용기와 무수히 많은 튜브로 구성된 수관 형 보일러로서, 튜브 외측의 고온의 화염과 연소가스로부터 튜브 안을 흐르는 물이나 증기에 열이 전달되는 형태의 보일러이다. 발전설비의 대형화와 사용 증기가 고온 고압으로 변하는 추세에 따라 발전용 보일러는 순환 보일러에서 관류 보일러로 변환되었다. 

1. 물의 순환방식에 따른 분류

가. 순환 보일러(드럼 보일러) : 보일러 물을 저장하고 기수 혼합물을 분리하는 드럼이 설치되어 있다. 보일러 물의 순환이 자연 순환력만으로 행해지는 자연 순환 보일러와 자연 순환력만으로는 보일러 물의 순환이 불충분하여 별도의 순환펌프(BWCP ; Boiler Water Circulation Pump)를 설치하여 보일러 물을 순환시키는 강제 순환 보일러로 구분된다.

나. 관류 보일러 : 드럼이 없이 보일러 물이 일정하게 배열된 관을 따라 흐르면서 가열되는데 보일러 물이 전열 면을 1회 통과하는 벤슨 보일러와 기수분리기 및 보일러 물 재순환 펌프 그의 저부하 재순환 계통을 갖춘 복합순환 방식의 슐처 보일러를 사용하고 있다.

2. 사용압력에 따른 분류

가. 아임계압 보일러 : 주 증기의 압력이 임계압력 이하인 보일러, 순환형 보일러에서 사용

나. 초임계압 보일러 : 주 증기의 압력이 임계압력 이상인 보일러 관류형 보일러에서 사용



 자연 순환 보일러는 일반적인 발전용 보일러와 같이 절탄기, 수랭 벽, 드럼, 수관, 하부 헤더, 과열기 등으로 구성된다. 급수는 절탄기를 거쳐 드럼으로 유입되고 유입된 급수와 드럼에서 기수 분리된 포화 수는 수관을 따라 하부 헤더로 내려와, 수랭 벽에서 노(Furnace) 내부의 연소열(복사열)을 흡수하면서 기수 혼합물이 되어 상승 관을 통해 드럼으로 순환하게 된다.

 보일러 물의 순환력은 수랭 벽 속의 기수 혼합물과 상수관으로 흐르는 물의 비중량 차에 의해서 이루어진다.

 물의 순환력을 수식으로 표시하면, 순환력은 수관과 증발 관의 압력 차에 유로 단면적 A를 곱한 값으로 표시된다.

 자연 순환 보일러에서는 보일러 물의 지속적인 순환으로 증발 관의 과열을 방지하는 것이 무엇보다 중요하다. 순환력에 영향을 미치는 요인을 살펴보자.

1. 노내 열 흡수량

2. 보일러 높이

3. 사용 압력

4. 관의 설계

 순환비는 상승관 출구에서 드럼으로 유입되는 기수 혼합물과 기수 혼합물 중에 포함된 증기의 비율이며, 보일러 물의 순환량은 순환비로 계산할 수 있다. 순환비가 크다는 것은 보일러의 보유 수량이 많음을 의미하며 보일러의 열 관성이 커서 기동, 정지 시간이 길어지고 정지 때 열 손실도 증가한다. 일반적으로 순환비는 자연순환 보일러가 강제순환 보일러보다 크다. 

자연순환 보일러의 특성은 아래와 같다.

1. 보일러수 순환을 위한 별도의 설비가 없으므로 강제순환 보일러에 비해 구조가 간단하고 운전이 용이하다.

2. 증기압력이 높아지면 순환력이 저하되므로 보일러의 압력이 제한되고 보일러의 보유 수량이 많아서 기동, 정지 시간이 길어지고 정지 때 열 손실이 크다.

 자연 순환 보일러의 구조에 보일러 물 순환펌프를 사용한 보일러가 강제순환 보일러이다. 강제 순환 보일러는 자연 순환 보일러보다 순환력이 좋으므로 보일러의 크기가 같은 경우 더 많은 증기를 생산할 수 있지만 드럼 압력 200 이상에게서는 기수분리가 잘 이루어지지 않아 그 이하가 한계로 되어있다. 

 강제순환 보일러의 순환력=자연순환력+보일러 물 순환펌프의 순환력이다.

 강제순환 보일러의 장점은 아래와 같다.

1. 순환펌프가 있으므로 사용압력이 증가하여도 충분한 순환력을 얻을 수 있다.

2. 하부 헤더 내부에 오리피스를 설치하여 증발 관으로 흐르는 유량을 일정하게 하며, 오리피스 입구에 스트레이너를 설치하여 오리피스의 막힘을 방지한다.

3. 순환력이 크므로 보일러 물의 순환이 원활하여 증발 관이 과열될 염려가 적다.

4. 튜브 직경을 작게 할 수 있으므로 튜브 두께가 얇아져 열전달률이 좋아진다.

5. 보일러 보유 수량이 적어 기동, 정지 시간이 단축되고 정지 시 열 손실이 감소한다.

6. 전열 면의 수관을 자유롭게 배치할 수 있어 연료나 연소방식에 따른 노 구성이 자유롭다.

7. 보일러 점화 전 순환펌프가 보일러 물을 순환시키므로 물때(Scale) 생성이 비교적 적다.

 강제순환 보일러의 단점은 아래와 같다.

1. 순환펌프가 설치되므로 소내 전력이 향상한다.

2. 순환펌프의 유지 정비가 어렵고 고장이 나면 출력 감발 및 보일러 정지가 불가피하며 기동, 정지 절차와 운전이 복잡하다.