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
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