[스크랩] 증기 보일러의 운전 압력의 중요성(re-edit)

Steam boiler management 형태에 따른 문제점 접근  

 

일반적으로 건물관리 분야나 제조업 분야에서 증기 보일러의 상용운전 압력을 관찰해 보며는 특이한 점이 있습니다. 

처음 보일러를 설치 하며는 대개 운전 압력을 5 bar 로 운전을 합니다. 이는 보일러 납품회사나  버너 시운전 팀이 말을 해주는 사람들도 있지만 대부분은  운전압력에  대해 말을 안해 줍니다.

세월이 조금 지나가며는  보일러 운전 압력을 낮추어가기 시작 합니다.. 그 이유로는 보일러 연소실 내부의 내화 벽돌이나 windbox 주변의 burner tile 의 이상과  보일러에 장착 되어있는 부속 장치 배관들의 누수, 이상 여부 발생, feed water pump 의 pumping 불능 등의 문제로 steam pressure 를 낮추어 갑니다.

 

요즘은 그래도 보일러의 자체적인 문제나 운전관리의 automation 으로 인하여 많이 개선이 되고 운전 환경이 좋아진 편이지 만은 예전(25~35년전)에는 보일러의 운전을 manual 조작하는 문제로 보일러에 이상 발생율이 높았으며, 부분적인 미 시설로 인한 악 조건이 많이 있었습니다. 또한 보일러를 설치한지 2-5년 된 어느 곳에서는 운전 압력을 2~3 bar 로 운전을 하는 경우도 비일 비재 하였습니다. 

보일러의 운전 압력을 낮게 유지하는 이유를 알아 보며는 전임자나 동료 관리자가 관행적으로 압력을 올리며는 안 된다는 지론이 대세 였습니다.

실질적으로 그 이유를 물을 수는 없었으며, 물을려고 하지도 않았습니다.

 

그 이유에 대한 문제점을 접근해 보며는

 

1. 보일러의 steam 을 난방이나 급탕 등 설비 process 에 사용하는 배관 시설물의 노화가 가장 직접적인 원인이며, 이 설비 노화가  빨리 일어난 이유는 설비 시공이 바르지 않은 부분과 관리부재가 대부분 입니다.

2. 기계실 내의 모든 보일러 관련 설비가 운전 압력이 5 ~ 3 bar 로 맞추어져 설치가 되어 있었다는 점입니다.

3. 운전 압력 저하로 인한 carry over 발생으로 wet steam 발생과, 이로 인한 증기의 건도(dryness)가 나빠지면서 배관 상에서 condensate 발생량이 늘어나고 증기 수송 배관에 마찰 저항의 원인이 되며, pressure reducing valve 의 적정성 여부와 재 증발 증기의 발생량이 늘어나며 보충수 양도 증가하여 결과적으로 보일러의 운전시간이 증가되어 운전 동력비 발생이 가중되는 경우도 비일비재 합니다.

 

어느 곳에는 보일러 운전 압력을 5 bar 에 가깝거나 그 이상 압력을 올리며는 condensate water tank 에서 vapor 가 대량으로 발생을 하여 보일러 실내가 엉망이 되기도 한 답니다. 이것이 직접적인 원인은 아니지만 이렇게 되며는 고참(선임)관리자들은 하는말이 " 보일러 터진다"  아니면 " 증기 배관설비 다 망가트린다 " 라고 난리가 납니다, 더 나가 기름 소모량이 많아 진다고 하면서 호통들을 치고 ,엄하게 꾸지람을 듣는다고 합니다. 특히 이 분야에 오랜 세월을 지내신 나이가 많으신 분들 중에서 그런다고 합니다.

 

증기를 사용하는 열교환기나 급탕 탱크나 건조 시설등 열부하 설비의 공급 압력 조정과 전체 증기설비의 시스템에 대한 운영의 이해가 부족하거나 배관 설비가 비 효율적으로 시공이 되어 있거나 비 정상적으로 조정이 되어 관리자들이 운영에 어려움을 겪는 관계로 인하여 증기설비는 하루가 다르게 손,망실이 이어지며 energy 의 과다 손실이 일어난다고 생각 합니다.

 

지금도 현장에서는 steam trap 의 by-pass line 을 약간 씩 열어서 사용하는 곳이 많이 있으며, 심한 곳은 valve 를 약간이 아니고 많이 열어서 사용하는 곳도 있습니다.

이렇게 설비를 관리하는 분들 중에는 확실하게 field 에서 잘하고 있고 정상적인 운전관리를 한다고 느끼 십니다. 이유는 처음부터 잘못된 설계, 시공의 보일러 시설물을 바른 것으로 알고 그 시공자들로 부터 운전에 대한 인수를 받아서 관리를 하였으며, 이 과정을 다시금 후배들에게 전수를 하는 것입니다.

 

과연 관리자들이 무엇이 정상적인 설비관리 인지를 인지하고 접근을 하는 것일까여 ?

 

증기 설비에서 by pass valve 를 열며는 공정상의 난방이나 가열물질의 온도가 잘 올라 가고 가열 시간도 빨라 지는듯 하니 어떻게 보며는 energy 를 절감한다고 하는 생각에 젖을 수도 있습니다.

처음 증기 공급(예열)시간에는 by pass valve 를 약간이나 많이 열어도 증기가 나오지 않고 응축수만 나옵니다.

일정시간이 지나고 공정설비 상의 온도가 목표치에(6 ~70%) 다다르는 시점에 오며는 서서히 응축수 탱크에서 증기가 나오고 조금 지나서 소음이 발생하는 정도로 증기가 나오며는 bypass 밸브를 잠궈 버립니다 .이때는 공정상의 온도가  60 ~ 70% 올라 간 시간대에 가깝습니다.

 

자..! 과연 여러분들도 위의 글처럼 증기설비 관리를 하는 것이 맞다고 생각 하시는 지여...?

 

이렇게 증기설비들을 관리하다 보니까 보일러의 운전 압력이 높게 유지될 수도 없으며, 높게 운전되어야 하는 것을 이해 할수가 없는 것 입니다.

설령 운전 압력을 높게 유지 한다 해도 by pass 부분을 전 공정설비가 열려서 사용을 한다고 하며는 정상적으로 설계되어진 보일러가 아무리 최대 부하로 가동이 된다 해도 충분한 압력을 공급 할수가 없는 것이며 , pick load 이상의 운전상태가 되며.....

또한 운전 압력을 낮게 유지를 하며는 온도도 잘 오르고 특별한 문제점이 없는것 처럼 보여 집니다.

느낌으로는 연료도 운전 압력을 낮게(5 bar 이하) 운전하니 적게 들어 가는것 같고 모든 증기 설비의 압력도 낮게 운전하는 것이 바른 생활이 되었던 것입니다.

 

특히 증기보일러의 운전 관리는 전임자가 가르쳐 준 사람은 조금 나은듯 합니다만 본인이 시공자나 설치자로부터 인수 받은 사람들은 그 바르지 않게 시공된 부분을 배워 바르지 않은 운전관리 증상이 더욱더 심하고, 운전 방식을 바꾸어 보라고 하며는 이상한 소리한다고 하며 본인이 아는 지식이 최고라는 생각에 전혀 개선의 반응을 생각 할수가 없는 것이 현실입니다.

 

현재 증기설비의 문제점에 있어서  35년 전이나 현재나 거의 변함없이 design 하고, construction 되고 operation 되어 가는 설비들이 많다는 점입니다. 물론 개화 되어가는 부분도 있습니다.

또한 이 모든 기준을 운전압력의 부적정 수준에 맞추어서 equipment 를 construction 했다는 점도 큰 문제입니다. 이러다 보니 보일러의 운전 압력만 수정 한다고 해서 해결될 문제가 아니라는 것입니다.  

심한경우 .. ..아는 사람이 없으니 이 운전 압력을 적당히 맞추어서 감압밸브나 설비 용량 설계를 했을 수도 있으며, 아닐수도 있습니다. 그래도 양심 있는 designer 는 보일러의 최고 사용 압력을 가지고 설계를 했을 것이라고 생각하는데 이 설계자가 과연 올바른 방법의 설계를 했을까 하는 의구심도 있고. 설계는 정상으로 했는데 설비 시공자나 운전 관리자들의 무지에서 오는 환경적인 요소로 운전 압력의 부적절한 관리가 발생을 하는 부분도 있을 것이라 생각 합니다.

 

문제점의 삼위 일체를 생각해 보며는

 

설계자의 설계 미숙(학습위주)

시공자의 시공 미숙(교과서적 시공으로 온, 냉수, 증기 설비 구분이 정확하지 않음)

관리자의 관리 미숙...........!!! ( 지식과 경험에 의한 노하우를 배울 곳이 없음)

 

이 삼위일체가 현재 제가 남은 시간에 배우고자 하고 연구하고자 하는 부분의 건축기계설비의 내용 입니다.

 

지금까지는 현장에서 일어나는 증기 보일러의 운전관리나 기계설비의 일부분을 예로 들어서 이야기해 보았습니다.

이제는 증기보일러의 운전관리 압력이 어느 것이 적정하고 효율적으로 관리하는 것인지에 대한 세부적인 내용을 제 주관적인 경험과 이론을 토대로 검토해 보도록 하겠습니다.

 

운전 압력에 따른 증기 통과량에 대한 고찰

 

보일러를 예를 들어서 설명을 하겠습니다.

 

6 t/h 노통 연관식 증기보일러

최고 사용 압력  10 bar

보일러 본체 증기 토출 구경 125A 이라는 사양이 있을때....

 

증기보일러의 본체를 통과하는 증기량을 압력에 따라 살펴 보도록 하겠습니다.

최고사용압력 10 bar 일때 증기 토출관 125A 를 통과할수 있는 증기의 속도와 증기의 양을 살펴 보며는 증기의 속도는 30 -40 m/s 일때   이때의 통과 가능한 증기량은 7,490 kg - 9,880 kg/h입니다.

( 대기로 개방을 한 상태로 운전시는 이보다 더 많은 증기가 발생이 될수도 있으나 배관이 연결된 상태로 가정을 하고 보는 관점에서는 배관의 마찰 저항이 있는 속도 값이라 생각을 하고)

 

실질적으로 현장에서 보일러를 설계 최고 사용 압력으로 운전을 할수는 없습니다.

이는 여러분들도 잘 아시는 사항이지만 보일러가 운전되는 허용 범위가 정확히 10 bar 에서 움직이는 것이 아니라 부하의 변동에 따라 대부분이 사용하고자 하는 범위의 압력을 전,후로 1bar 의 편차를 두고서 운전을 하는 것이 통상적인 상례 일것 입니다.

 

현장에 따라 정도의 차이는 있겠지 만은 예를 들어 설정 압력이 8 bar 라고 하며는 보일러의 압력이 8 bar 가 되며는 보일러가 정지를 하고 여기에 다시 압력이 줄어들면서 기동하는 설정압력을 통상 7-8 bar 로 하여 이 압력이(7bar) 되며는 보일러가 재 기동을 합니다. 물론 보일러라는 것이 압력이 설정 압력이 될때 까지 최대 부하 운전이 되는 것은 아닙니다.

이 연비 조절 또한 현장의 부하 변동율 마다 차이가 있지만은 대부분은 8 bar 가 운전 정지 압력이라면 7bar 정도에 오며는 연소도 비례 제어를 시작하게 되도록 설정을 합니다

 

이는 다른 말로 7 bar 의 압력에서 부터 연료가 줄어들어(연소제어) 간다는 말 입니다. 이것이 바로 연소를 제어하기 시작하는 부분이고 이 제어 범위를 다하여도 증기의 사용이 줄어들지 않으면 결과적으로 보일러의 증기 압력은 8 bar 에 다 도달해서 정지를 할 것 입니다.

 

보일러의 상부에 보며는 압력 조절기라는 것이 항시 2개가 있습니다. 위에서 설명을 드렸듯이 두 개 중 의 하나인 좌측은 압력 차단용이고(정지,기동), 오른쪽 다른 하나는 연소제어(7-8bar)용 압력 설정 스위치 입니다.

 

그렇다며는 보일러의 운전 압력을 보일러 최고 사용 압력에 70-80% (7-8bar)정도로 운전을 한다고 가정을 해보며는 보일러로 부터 증기 통과량은 5,730(6,257) - 7,560(8,395) kg/h 가 되는 것 입니다. 여기서 보일러의 운전 압력 변동이 있으므로 현장의 설비에 따라 조건이 약간씩 차이가 있을 것이고 배관의 마찰저항 등에 따라 증기의 통과량이 차이가 있을수 있는 것 입니다.

 

만일에 우리가 보일러를 너무 낮은 압력 6,5,4 bar 로 운전을 한다며는 설치된 보일러의 자기 용량을 다사용하지 못하는 경우도 발생 할수 있는 사항 입니다. 예를 들어 6 ton * 10 bar 보일러를 상시 운전 5 bar 이하로 운전을 한다며는 이때 보일러로 부터 빠져 나갈수 있는 최대 증기량이 4500 - 5500 kg/h 밖에 안될 수도 있는 사항이니 굳이 여기에 6 ton/h 보일러를 설치하여 사용을 할 필요도 없을 수도 있는 사항 입니다. 즉 보일러의 용량을 5Ton/h 보일러로 낮추어서 설치를 해도 가능 할수 있다는 말과도 같으며, 만일 그런 것이 가능한 검토 라며는 초기 투자비를 과중하게 설정한 원인이 될 수도 있는 것입니다.

 

다른 말로 말씀드리면 보일러 용량 설계는 맞는데 운전 압력을 5 bar 로 한다는 것은 결과적으로 부하설비의 용량에 맞추지 못하면서 전체 증기 설비가 비 효율적으로  운전이 되고 있다고  볼수가 있습니다. 이는 부하설비에 난방용 열교환기가 보일러 톤수(6Ton) 만큼 있다고 가정을 하며는 이 열교환기의 열교환 능력은 분명히 차이가 있을 것입니다.

단편적으로 순환펌프의 순환량도 정확히 맞고 설계 온도차를 10℃로 하였다고 할때 실질적으로 다른 조건은 무시하고 라고 현장에서 운전을 해 보며는 열교환기에서의 온도차는 10℃ 가 아닌 11~15℃ 차이가 나는 것을 잘 알수가 있습니다.

열교환기의 설계가 정확한 조건이라면 이는 바로 열교환기에 주어지는 증기량이 부족하거나 응축수 trap의 용량과 응축수 회수 관에서의 문제 접근을 할 수가 있는 사항 입니다.

 

결국 보일러를 최고 사용압력의 70-80% 로 운전을 하지 않는 다는 것은 증기량이 제대로 공급되지 못할수 있는 말과도 같은 것이고, 이로 인하여 가동시간이 길어지므로 동력비가 늘어나는 결과를 초래하게 될수도 것입니다. 즉 1 시간에 공급 증기로 열량 공급이 끝나야 할 것을 1시간 10~20 분정도로 운전을 더 해야 만이 원하는 온도 값을 얻을수 있다는 말입니다...

 

그러니 우리들이 현장에서 운전하는 증기 보일러의 운전 압력이 얼마나 중요한 일인지를 충분히 인지해야하는 사항입니다.. 이는 보이지 않는 곳에서 energy 의 낭비가 일어나고 있는 사항이며 기술적인 접근성이 낮은 일에서 비롯되는 실수 이기도 합니다.

energy 사용의 최 전선에서 움직이는 분들이 바로 우리 열관리사들입니다.

국가적인 energy의 정책이나 입안도 중요한 일이지만은 결과적으로 energy를 최후의 보류로 생각을 하고 정부의 정책에 일조를 한다는 마음으로 직업에 대한 자긍심도 갖을수가 있는 일입니다.

 

증기 배관 구경의 적정성에 따른 영향

 

지금까지는 보일러의 운전 압력에 따른 증기양의 적정성을 가지고 말씀을 드렸지만은 이제부터는 증기 배관의 구경을 가지고  증기 설비에 미치는 영향을 살펴 보도록 하겠습니다.

 

보일러의 상부의 증기 토출구(6Ton/h)가 125A 이며는 대부분은 150A의 관으로 주증기관을 배관을 할것 입니다. 이 배관은 주증기 햇더(header)까지 연결이 됩니다. 이 주증기 햇더에서 저압 햇더로 다시금 배관을 하여 사용하는 곳도 있고 각 부하측 기기 까지 주증기 햇더에서 보내지는 배관 형식도 있습니다.

 

이때 보일러에서 주 증기 햇더(main steam header)사이에 설치하는 증기 설비기기를 보며는 기수 분리기와 감압밸브를 설치해 놓은 곳이 많이 있습니다. 이중에서도 감압밸브(pressure reduction valve)의 전후단의 배관설치에 있어서 동일한 관경으로 설치한 부분도 많이 있습니다. 물론 제대로 설치한 부분도 있지만은 현장에 가서 보며는 대부분이 동일 관경으로 배관을 시공합니다.

 

조건...상기와같음..!!

 

6Ton/h...구경 125 A

증기 공급 압력 5 bar

열사용기기 사용압력 2 bar 라고 했을때 ...아직도 감압밸브가 없이 직접 증기를 공급하여 사용하는 곳이 가끔 있습니다.......예전보다는 많이 없어졌다고 생각 합니다.

증기 속도는 25m/s

 

보일러로 부터 증기가 공급시 5 bar에서 주증기 햇더로 가는 압력이 2 bar 로 설정이 되었다고 한다면(실질적으로 많은 현장들이 이렇게 사용을 하고 있음.) 이때 감압밸브의 전 후단의 동일 관경과 동일 관경이 아닐때의 차이점을 보도록 하겠습니다.

증기관 125A의 증기 통과량(25m/s)은 3,540 ~ 4,000 kg/h 입니다. 이때 증기관 배관은 125-150A 로 합니다. 편의상 125A 로 한다고 보고 동일 관경으로 시공을 한다며는 증기량의 차이는 감압변의 후단의 압력이 2 bar 이므로  125A 통과 가능한 증기량은 1755~ 2,300 kg/h 밖에는 되지를 않습니다 약 65% 로 증기량이 줄어드는 결과가 일어 날수 있는 것 입니다.

 

보일러에서 5bar 로 공급한 압력의 증기가 감압밸브를 통과하여 2bar 로 감압되어서 주증기 햇더(main steam header)로 가는 양이 65%(+,-)로 줄어들수 있다는 말입니다. 이는 동일 관경으로 시공시의 이야기 입니다. 그러면 감압밸브 후단의 배관이 얼마로 켜져서 가야만 하는지를 보며는 약 150 ~ 200A 로 배관이 이루어져야 만이 감압밸브 전단과 같은 양의 증기량을 통과 시킬 수가 있는 것입니다.

실질적으로 현장에서 배관 공사를 다시 하여 증기량을 맞추는 것 보다는 보일러의 운전 압력을 상승하여 관리를 하는 것이 바르지 않은가 합니다.

 

이 증기량에 대한 배관경의 차이는 잘들 아시는 바와 같이 증기의 비체적(m3/kg) 차이입니다 . 

증기 압력이 5bar 일때 증기의 비체적은 0.3197 m3/kg 이며 , 2 bar 일때 증기의 비체적은 0.6105 m3/kg 이므로 여기서 보아도 volume 이 2배 차이 나는 일이므로 동일한 배관 경으로 통과할수 있는 양은 한계가 있는 것이며 ,원활한 증기의 통과를 위해서 배관의 관경이 적절해져야만 정상적인 증기량을 통과 시킬 수가 있는 것 입니다.

 

이렇게 보일러의 주 증기 관에서 감압(reducing)을 미리 실시 하며는 감압밸브의 후단의 배관이 커지므로 인한 배관비용 및 시공비의 상승이 되는 것 입니다. 아울러 배관경이 미리 커지므로 보온을 하였다고 해도 상대적인 열 손실이 일어나는 것 입니다.

 

고로 보일러에서의 운전압력은 높게 하여 배관의 관경을 줄일 수가 있으며, 가급적 높은 압력으로 증기를 송기하여 열사용기기 전단에서 감압을 하여 사용하는 것이 보다 효과적인 일입니다. 물론 초기 투자 비용이 감압밸브를 보일러 후단에 설치하여 사용하는 것보다 조금 더 발생될수 있는 것처럼 보일 수는 있으나 전체 적인 steam system 을 LCC(Life cycle cost) 분석적으로 본다면 효율적인 면이 더 있는 사항입니다.

 

지금까지 운전압력에 따른 증기 통과량과 관경의 변화와 감압밸브 전,후단의 관경과 감압밸브 의 적절한 설치 위치에 따른 사항들을 관찰하여 보았습니다. 이글을 읽으시는 여러분들이 이제는 운전압력의 차이점이나 문제점에 대한 내용을 어느 정도 이해가 가능하시리라 봅니다.

 

증기 설비에서 저압 운전으로 인한 악 영향

 

다음에는 운전 압력을 낮게 운전 하므로서 증기설비 배관에 미치는 악 영향에 대하여 알아 보도록 하겠습니다. 

여기서 글을 읽으시다가 이해가 안될수 있는 부분이 있으면, 이는 잠시 후에 논하고 이보다 지금 것의 내용을 간략하게 정리해 보며는 최고사용 압력 10 bar (설계압력)  보일러의 적정 운전 압력은 7-8 bar 이라는 것에 대하여 설명을 드렸고 왜 그렇게 운전을 해야 하는지에 대해서 정리를 해보았습니다. 이 부분에 대한 것은 후에 보충 논의를 하도록 하겠습니다.

 

그리고 보일러로 부터 주증기관의 감압밸브(pressure reducing valve) 설치에 대한 것에 대하여 보충설명을 드리면

 

보일러(5bar 이하) -> 주증기관 ->감압밸브 -> 주증기 header(2-3bar) -> 보조증기 header(2bar)

 

OR....주증기 햇더(2-3bar)->열 사용기기(2bar)->트랩->응축수 회수

OR.....보조증기 햇더(2bar)->열 사용기기(1.5-2bar)->트랩->응축수 회수

 

대부분이 이러한 증기 시스템으로 구성을 합니다. 

이러한 설비 부분의 단점이라면 

.../ 관경이 커짐으로 배관설치 비용증가(동일 관경으로 한곳은 말할 것도 없음)

.../ 배관관경의 확장으로 인한 열 손실

.../ 열사용 기기 전단까지의 증기 압력 강하

.../ 습증기 공급으로 인한 응축수량 증가

.../ 습증기 공급으로 인한 건도 저하로 인하여 증기 사용량 증가.

.../ 증기 사용량의 증가에 따른 makerup water 증가

.../ 배관이나 fitting 류의 수명 단축 

 

여기서 감압밸브 전,후단의 관경 변화에 대하여 설명을 하였고 위의 배관 시스템을 바르게 고친다며는

 

보일러(7-8bar)-> 주증기관 -> 고압햇더(7-8bar)->감압밸브-> 저압햇더(2bar); 가까운 거리의 열사용기기에 공급시

 

or...고압햇더->각 열사용처 기기 전단->용도별 감압밸브(2-3bar)->열사용기기->트랩->응축수회수

or...저압햇더->열 사용기기(2-3bar); 저압 열사용기기가 기계실 가까이 집단 설치시에

 

...sub station 이 있는 경우에도

 

...고압햇더(7-8bar)->서브 햇더(6-7bar);거리에 따라 손실열에 따라 압력 강하 있음.-> 열 사용기기별 감압밸브 (2bar)->열 사용 기기-> 트랩->응축수 회수

 

 단점이라면 

.../ 고압배관에 대한 위험성 걱정

.../ 설비비의 추가로 인한 초기 비용 발생.....Lcc 분석적으로 보며는 이익임.

.../ 재 증발증기의 발생, 처리 문제

 

이렇게 고압관을 이용 하며는 배관경이 작아도 증기 공급 하는데는 문제가 없으며, 배관설치비 보온비 등이 적게 발생이 되는 것 입니다.

 

보일러로 부터 증기는 고압으로 발생을 시켜 운송을 하고 부하설비 전단에 사용시 저압으로 낮추어 사용하는가에 대한 내용은 앞전에도 일부설명을 드렸듯이 증기의 비체적 관계로 동일 관경에서 비체적(m3/kg)이 작을 수록 통과 증기량이 많은 것이고 또한 증기의 열 전달 방식이 현열(Sensible heat) 이 아니고 잠열(Latent heat) 방식이므로, 이 부분에 대한 이해를 한다면 큰 무리가 없을 것입니다.

제가 이 부분에 대한 강의를 해보고 나름대로 지도 교육도 해 보았지만은 대부분의 사람들이 증기의 열을 이용하는 방법에 대하여 기초적인 부분이 약해 보였던 것 같으며 이 것을 이해하는 폭이 작은 일이 문제로 돌출되는 것을 알았습니다.

 

sensible heat 란 온도계로 측정이 가능한 열이고 피부로 느낄수 있는 열 입니다. 간접적으로 눈이나 계측기기로 관측이 가능한 열이라고도 합니다. 피부로 느낄 수도 있는 덥고 차가운 정도로 온도계로 측정을 한다며는 ( - ) 온도에서 100 'C ~ 까지 측정이 가능한 열을 현열(sensible heat) 이라고 합니다.

 

latent heat 란 눈으로 확인이 안 되는 열로서 물질이(물) 상태변화를 일으킬 때 열이 이동(물-얼음)하는 형태를 말합니다. 얼음이 물로 되거나 물이 얼음으로 변할 때, 물이 증기(steam)로 변하거나 증기가 물로 변할 때의 열의 이동, 이 latent heat 의 상태 변화는 현열과 다르게 온도는 변함이 없이 질 적인 모양만 바뀌면서 열을 주고 받는 것입니다.

 

물이 얼음으로 변할때는(얼음->물) 79.68 Kcal/kg 의 잠열이 필요하고

물이 증기로 변할때(증기->물) 539 Kcal/kg 의 잠열이 필요한 것입니다. 

 

따라서 우리가 증기를 이용하는 것은 대부분의 증기설비에서는 증기의 잠열을 이용하는 것이지 현열을 이용하는 것이 아닙니다. 즉 보일러에서 증기로 변환할 때의 잠열을 열 사용설비에 와서는 잠열을 주고 물(응축수)로 변환되는 과정에서의 열의 이동 현상입니다. 때에 따라서 현열의 일부를 이용하는 설비도 있습니다.

 

이 열이라는 것은 잠열과 현열의 합으로 표현을 하는데 이를 전열 이라고 합니다.

전열 = 잠열 + 현열

 

10 bar 일때 전열 663.77kcal/kg = 잠열 477.98 + 현열 183.33  입니다.

7 bar .....................  660.85...........= 489.32   .....+ 169.78......

5 bar ....................  657.99...........= 498.43   ..... + 158.29.......

2 bar ....................  650.68.......... = 516.88 ........+ 133.25......

 

이 간이 차트에서 보듯이 압력과 온도에따라서 열량 변화가 있습니다.

현열은 압력이 올라감에 따라 열량(온도)이 상승하는 반면에

잠열은 압력이 올라감에 따라 열량이 내려가는 특성이 있습니다.

 

                                                             그 림 ) 포화 증기 테이블 표

 

해서 증기는 높은 압력으로 수송을 해서 사용처에서는 가능한 낮은 압력을 공급해야만이 우리가 사용하고자 하는 잠열을 충분히 이용을 할수가 있는 것입니다.

증기 차트에서 보듯이 압력이 내려 가며는 잠열량이 증가 하듯이 낮은 압력을 사용 하며는 열량을 많이 공급을 할수가 있는 것입니다.

혹 더 낮은 압력을 주며는 더 좋은 일이 아니냐고 물을수 있는데 이 부분은 트랩과 응축수 회수관 과의 배압 문제 등으로 인한 또 다른 연구 대상의 내용이 있기 때문입니다.

 

이번에는 운전압력에 대한 부분으로 저 자신의 한계성을 보이는 심도 있는 내용으로 들어가지 못하는 점 양해를 바랍니다.

 

마지막으로 증기 보일러의 운전 압력을 low pressure 로 운전을 하며는 어떠한 문제가 더 있는지를 살펴 보도록 하겠습니다.

증기 보일러를 설계압력 보다 저압으로 내려가면서 운전을 하면 할수록 발생되는 증기는 건조 증기에 가까워야 함에도 불구하고 습증기를 생성하게 됩니다. 또한 낮은 압력으로 인하여 보일러의 몸체 안의 수실에서는 Carry over 현상이 심하게 일어 납니다 이 carry over (기수공발)는 보일러의 수중에 작은 기포들이 생성이 되어 수면에서 터지는 현상과 동시에 물방울이 증기관으로 튀어 올라서 증기와 같이 빠져 나가는 현상을 말합니다.

 

이렇듯이 설계 압력의 70-80% 에서 낮은 5 bar 이하의 압력으로 운전을 하며는 보일러를 빠져나가는 증기는 습증기가 되는 것입니다 가능한 건조 증기를 공급해야 만이 열설비 에서도 증기 소모량이 줄어들고 배관 상에도 무리가 가지를 않고 장비들의 수명이 길어 질수 있는 사항입니다.

 

저압 운전시 문제점

 

.../ 습증기 공급...일반적인 보일러의 건도는 대부분이 98% 로 봅니다.

      carry over 가 심하면 증기의 건도가 90% 까지 떨어집니다.

.../ 습증기와 carry over 로 인한 배관내의 water hammer 현상

.../ 증기 사용량, 보충수량 증가

.../ 연료비, 동력비, 수선유지비, 인건비 증가 요인

.../ 장비 수명 저하

.../ 전체적인 증기설비의 정격 성능이하의 운전으로 열효율 저하

.../ 증기설비의 감압밸브, 설비등 2차적인 성능저하 발생으로 열효율 극단저하 현상이 일어남.

 

지금까지 증기보일러의 운전 압력을 낮은 압력으로 운전함으로서의 문제점을 간략하게 집어보았습니다만 세부적으로 들어가며는 계산상으로도 표현이 가능하게 접근을 할수 있는 사항이나 저의 작은 hard ware 의 한계가 있어서 이쯤에서 접을까 합니다.

 

현장 관리하는 분들이나 설계를 하는 분들이나 시공을 하는 분들의 중요한 삼박자가 안 맞으며는 엄청난 문제가 발생을 하는 것입니다. 정말로 신경을 써서 운전관리를 하여야하는 것이고 정확한 유지관리가 될수있도록 설계를 하고 시공을 잘하는 것도 중요한 일입니다.

 

개인적으로 보며는 정책이나 건설기계 분야에서 에너지절감을 주창하는 분들의 행동은 작고 남의 눈을 가리고 아옹 하는 사람들뿐이지 정말로 깊이 있고 접근성 있게 에너지를 절감할수 있도록 유도하는 사람들은 별로 없다고 보여 집니다.

 

이글을 쓰는 저자신도 아직 많이 배우고 노력하는 중에 있는 사람이지만은 가끔은 머리가 멍 할때도 있습니다...저자신의 아는척 보다는 모르는 분들에게 조금이라도 도움이 될수 있는 시간이 되었다 며는 저는 만족 합니다. 부족한 글 끝까지 읽어 주신 분들에게 감사드립니다....^^

 

궁금사항 은 언제든지 연락주시면 같이 노력하여 해결하도록 하겠습니다.

지금까지 화력지원 최재선 이었습니다...^^ josajeon@hanmail.net

 

 

 

출처 : 보일러,냉동,가스,건축설비

글쓴이 : 화력지원최재선 원글보기

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