[에너지] 보일러와 연소장치-PART 1

보일러란?

보일러는 증기 발생장치라고도 불리는 데 연료를 연소시켜 
그 열을 복사, 전도 및 대류로 수관 내의 물에 전달하여 필요한 증기를 얻는 장치를 말합니다. 
발전용 보일러에는 드럼식 보일러와 관류식 보일러가 있습니다. 
 

보일러 연소장치

1. 보일러의 개요

• 일반적으로 500MW 이상의 화력발전소에서는수입탄 이용 초임계압 관류식 보일러를 사용하고 있습니다. 물을 끓여 증기를 발생시켜 터빈을 돌리는 기존 석탄화력발전소의 효율은 약 32%입니다. 초임계 및 초초임계 발전소는 물의 임계점보다 높은 온도 및 압력, 즉 물의 액체 상태와 기체상태가 평형상태로 공존하는 온도 및 압력 보다 높은 온도 및 압력에서 작동합니다. 그 결과 효율성은 45%이상 높아졌습니다. 초임계 및 초초임계 발전소는 MWh당 석탄이 덜 핑료하므로 이산화탄소와 같은 온실가스의 배출량이 낮아지고 효율이 높아지며 연료비도 낮아집니다. 
• 보일러 내의 물은 일반적으로 등압과정을 거치게 되는데 열효율을 높이기 위해서는 증기온도를 높여 줄 필요가 있습니다. 보일러에는 연료를 연소시키기 위한 연소장치, 증기를 얻는 보일러 설비, 보일러에 급수하기 위한 급수설비 등을 비롯하여 운탄 장치, 통풍장치, 자동제어장치, 기타 보안 장치 등으로 구성되어 있습니다.

2. 보일러의 종류

보일러를 크게 나누면 가열 유체가 관로 속을 통과하는 연관식과 물이 관로 속을 통과하는 수관식으로 나눌 수 있습니다. 오늘날 화력 발전용으로 많이 사용되고 있는 것은 수관식 보일러입니다. 이 수관식 보일러는 순환방법, 사용연료, 압력 등에 의해 분류할 수 있습니다.

 

• 급수의 순환에 의한 분류: 자연순환식 보일러, 강제순환식 보일러, 관류식 보일러, 복합 순환식 보일러
• 사용연료에 의한 분류: 석탄연소보일러, 중유연소 보일러, 석탄/중유 혼소 보일러, 가스연소보일러
• 사용 증기압에 의한 분류: 아임계압 보일러, 초임계압 보일러

 

3. 자연순환식 보일러와 강제순환식 보일러

수관식 보일러에서 물이 증기가 되기 전에 보일러 내부에서 재순환되는 방식은 자연 순환 또는 강제 순환으로 설명할 수 있습니다. 자연순환식 보일러는 드럼과 다수의 증발관으로 순환회로가 구성됩니다. 급수펌프로 압입된 급수는 급수 가열기, 절탄기에서 예열된 다음 드럼으로 보내집니다. 드럼으로부터 하강관을 통해서 증발관으로 들어간 급수는 여기서 가열되어 기수 혼합물로 되어서 드럼으로 되돌려지는데 자연순환식은 이 때의 순환력을 급수와 기수 혼합물의 밀도차만을 이용해서 얻는 방식입니다. 강제 순환식 보일러는 자연순환식보다 물의 순환을 확실히 할 수 있고 유량의 분포도 균일하게 할 수 있다는 것 외에 급속한 기동, 정지도 할 수 있다는 특징이 있습니다. 강제순환식 보일러에서는 순환력의 부족을 돕기위해 보일러수의 순환회로 도중에 관수 순환펌프를 설치해서 강제적으로 물을 순환하게 합니다. 

 

• 수관 보일러에서는 물의 증기압이 스트림 드럼 내부의 증기압을 극복하고 포화 증기가 될 때까지 물이 내부를 재순환합니다. 강제 순환보일러는 자연순환 보일러 와 동일하게 급수 펌프에서 시작됩니다. 물은 스팀드럼에 유입되어 보일러 주위를 순환하며 증기로만 남게 됩니다. 강제 순환 보일러의 다른 점은 보일러를 통해 물을 순환시키는 보조 펌프를 사용한다는 것입니다. 2차 펌프는 보일러로 들어가는 급수를 받아 들어오는 물의 압력을 높여주는 역할을 합니다. 자연순환형 보일러에서는 물이 가열될 때 물의 밀도 변화에 따른 차압에 의해 물의 순환이 이루어집니다. 즉, 물이 가열되어 증기로 변하기 시작하면 밀도가 감소하여 가장 뜨거운 물과 증기가 용광로 튜브의 상단으로 보내집니다.

4. 관류식 보일러

증기압력이 임계압력 이상으로 되면 물과 증기가 혼합된 비등현상은 없어지고 포화수로부터 곧바로 증기로 됨니다. 관류식 보일러는 급수펌프로 유입된 급수가 절탄기, 증발관, 과열관을 통과하는 사이에 열을 흡수해서 직접 과열증기를 만들수 있는 형식을 말합니다. 곧, 이 관류 보일러에서는 보일러에 보내진 물이 순환하지 않고 모두 증기로 바뀌고 그것이 그대로 터빈에 보내지고 있는 것입니다.

 

• 관류식 보일러의 장점은 드럼이 없으며 또 수관이 가늘어서 중량이 가볍습니다. 보일러 보유수량이 적기 때문에 시동 정지시간이 짧아서 급속한 시동에 적합합니다. 열용량이 작으므로 부화 변동에 대해 신속한 대응이 가능합니다.
• 관류식 보일러의 단점은 급수 중의 불순물이 터빈에 들어가기 쉬우므로 급수처리를 충분히 해 주어야 합니다. 과열부와 증발부의 구분이 명확하지 않고 보일러 내에 포화수가 적기 때문에 제어방식이 복잡해져서 고 정도의 제어장치를 필요로 합니다.
• 최근에는 관류 보일러의 부하 변동에 대한 속응성과 급속시동이 가능하다는 특징을 살려서 부하에 따라 증기압력을 바꾸어서 운전하는 변압 운전 방식을 채용하는 경우도 있습니다. 이 결과 상당히 큰 대용량기도 부하 조정용으로 쓸 수 있다는 특징이 있습니다. 이 형식에 속하는 것으로는 벤슨형, 람진 형 등이 있습니다.
• 이처럼 관류 보일러에서는 축열용량이 작고, 또한 급수 유량의 변화가 직접 증기 압력에 영향을 미치므로 부하 변동시에는 증기압력의 변화가 크지만 그만큼 회복이 빠릅니다. 따라서 관류 보일러에서는 증기압력을 주제어 신호로 하는 제어방법 외에 보일러와 터빈을 한 덩어리로 생각해서 부하의 변화를 직접 보일러에 대한 주 제어 신호로 하는 방식도 사용한다는 특징이 있습니다. 

 

*같이가치업의 생각*
보일러는 플랜트의 주요설비입니다. 목적에 맞는 방식의 보일러를 선택하는 것이 중요합니다.