보일러 개요

제 1 장 보일러(Boiler) 개요

1.1 보일러의 정의

화염, 연소가스, 기타 고온가스를 이용하여 강철로 만든 밀폐된 용기 안에서 물을 가열하여 높은 온도, 높은 압력의 물 또는 증기를 발생시키는 장치

1.2 보일러 구성의 3대 요소

⑴ 보일러 본체 : 연소열을 받아 증기를 발생시키는 동체 및 관군

⑵ 연소장치 : 연료를 연소시키기 위한 장치로써 연소실, 연도, 연돌 등

⑶ 부속장치 : 보일러를 안전하고 효율적으로 운전하기위한 장치로써 각종 계기류, 안전장치, 송기, 급수장치 등.

1.3 보일러의 용어와 용량표시

⑴ 최고 사용 압력 : 강도상 허용될 수 있는 최고사용압력으로 게이지 압력

⑵ 보일러 최고 사용 압력 : 보일러 각부의 최고 사용압력의 최소치 이하로서, 보일러를 안전하게 사용할 수 있다고 정하는 압력

⑶ 전열면 : 연소열을 관수에 전달하는 면.

⑷ 전열면적 : 한쪽면은 열가스가 접촉하고, 다른면에 관수가 접촉할 때, 열가스가 접촉하는 쪽에서 측정한 면적.

⑸ 상용수위 : 운전중 유지되는 수면.

⑹ 안전수위 : 운전중 유지해야할 최저의 수면 (안전 저수위)

⑺ 보일러 용량 표시 : 최대 연속증발량, 과열 증기온도, 최고사용 압력으로 표시하며, 일반적으로 최대연속증발량으로 표시한다. 최대연속증발량은 환산증발량으로 나타낸다.

◎ 환산증발량= 매시 실제 증발량(증기 엔탈피-급수 엔탈피) / 539 kg/h

(환산증발량이란 시간당 실제 보일러 능력을 100℃의 포화수가 100℃건포화증기로 증발하는 능력으로 환산한 증발량을 말함.)

◎ 보일러 1ton이란 1000 X 539 = 539000 ㎉/h 로써 100℃물 1,000 ㎏을 1시간 동안에 전부 100℃증기 1,000 ㎏으로 만들 수 있는 능력을 가진 보일러이다. 그러나 보통 에너지 관리공단에서 용량산정시에 600,000 ㎉/h를 ton/h로 한다.

제 2 장 보일러 종류

▣ 보일러 본체 구조에 따른 분류

1. 노통연관식 보일러 (Smoke Tube Packaged Boiler)

노통보일러와 연관보일러의 장점을 취하고, 단점을 보완한 보일러이며 노벽방산 열량이 적으며 전열면적이 크고, 증기발생 시간이 단축되며 효율이 좋다. 증기 발생속도가 빠르기 때문에 비수 현상이 발생되기 쉬워 비수 방지관을 설치한다.

모두 제조공장에서 조립되고 연소장치, 자동제어장치, 급수장치 등이 하나의 세트로 완성된 패키지형 보일러를 만들수 있고 설치장소에 운반하여 굴뚝,배관,배선 등을 접속하면 바로 사용이 가능하다.연소가스가 흐르는 방식에 따라 노통을 통과 한 후 연관군으로 들어가는 투패스 방식과 연관군을 2회 통과하는 쓰리패스 방식이 있다.

  

  

 

 

 

⊙특징

⑴ 열효율이 좋다. (85~90%)

⑵ 펙케이지 형으로 할수 있다.

⑶ 수관식에 비하여 제작비가 싸다.

⑷ 노통에 의한 내분식이므로 열손실이 적다.

⑸ 설치 면적이 적다.

⑹ 증발 속도가 빨라 스케일 부착이 용이하다.

⑺ 구조복잡, 검사수리곤란, 급수처리가 필요하다.

⑻ 구조상 고압 대용량 제작이 불가하다.

2. 수관 보일러(Water tube Packaged Boiler)

다수의 수관과 동으로 구성된 보일러이며 고압 대용량으로 사용되며 효율이 좋다.수관보일러는 몸통의 직경이 작은 드럼과 여기에 보통 비깥직경이 38~65㎜의 수관을 잇고, 수관군으로 연소실을 형성하며 연소가스를 수관군내에서 회전시켜 전열면에 열흡수하도록 만든 것으로 드럼의 수에 의해서 단동,2동,3동 수관보일러로 분류하는데 주로 D형의 곡관을 이용한 D형2동형식이 가장많다.

 

 

⊙특징

⑴ 구조상 고압,대용량으로 제작.

⑵ 전열면적이 크고 효율이 좋다.(90%정도)

⑶ 관수 순환방향이 일정하여 순환이 잘된다.

⑷ 증기발생 시간이 빠르다(급수요에 응할수 있다)

⑸ 펙케이지형으로 제작할 수 있다.

⑹ 사고시 피해가 적다

⑺ 구조가 복잡하여 관수처리가 필요하다.

⑻ 청소,검사,수리가 곤란하다.

⑼ 비수현상이 발생하기 쉽고 스케일 부착이 용이하다.

⑽ 부유수량에 대한 증발속도가 빠르고 습증기의 발생이 우려된다.

⑾ 철저한 급수처리가 필요하다.

⑿ 수관의 연결은 주로 확관기를 이용하여 접합하고 수압시험을 하여 누설여부를 확인한다.

3. 관류 보일러(Once Through Boiler)

관류 보일러는 큰 드럼을 본체로 하는 노통연관식 보일러나 증기드럼을 본체로 하는 수관식 보일러 처럼 보일러 물을 보일러 내부에서 순환시키지 않고 일방통행으로 수관에 물을 흐르게 하는 형식의 보일러 이다. 드럼이 있는 수관보일러가 보일러수를 순환하면서 증기를 발생시키는데 대해서 드럼이 없는 단관 또는 관모임에 부착시킨 다관내에서 보일러수가 순환하는 일 없이 급수펌프에 의해서 압송된 급수가 수관내를 1회만 통과하면서 전열면에서 증기를 발생하는 것으로서 발전용 보일러와 같은 대용량,고압의 것에서 소용량,저압의 것까지 널리 이용되고 있다.

⊙특징

⑴ 보유 수량이 월등히 적어서 보일러의 운전 개시 이후 약 5 분 이내에 필요한 증기 압력을 발생시킬 수있다. 보일러의 기동 및 정지시간이 짧기 때문에 보일러 운전원의 조기 출근이나 늦은 퇴근이 필요없어 근무 조건 향상에 기여할 수 있을 뿐만 아니라 보일러 정지시 방열 손실이 적게되어 연료 소비가 대폭 절약된다.

⑵ 안전성이 높다. 보일러의 물 보유량이 적고 보일러 본체가 관 및 기수 분리기만으로 구성되어있기 때문에 전열면의 과열이 방지된다. 증발부가 화염 혹은 고온의 연소가스와 접촉한다 해도 증발 수면에서 증발관 끝까지 기수혼합체의 형태로 점차 기포율이 증가되면서 전열관 내면을 적시고 있기 때문에 전열면의 과열이 방지된다.

⑶ 자동화 하기 쉬우며, 인력 절감에 유효하다. 이 보일러는 콤펙트 하면서도 급수가 증기로 변화하는 과정이 마치 전자제어 회로를 구성하는 것처럼 단계적으로 되어 있어서 자동화 하기가 다른 보일러 보다 용이하다.

⑷ 다관설치, 군관리 시스템을 도입 할 수 있다. 수형 관류 보일러를 여러대 설치하여 대수 제어를 시행하면 보일러를 항상 최고 효율점에서 운전할 수 있으며, 열이용 설비의 증개축이나 축소에 쉽게 대처 할 수 있다.

⑸ 상대적으로 노통 연관식 및 수관식 보일러 보다 안전하기 때문에 보일러 설치 관리상의 법적인 제약에서 비교적 자유롭다.

⑹ 효율적인 투자가 가능하고 투자 대비 운전 비용이 저렴하다.

⑺ 직경이 작은 튜브가 사용되므로 중량이 가볍고, 내압 강도가 크나, 압력 손실이 증대되어 급수펌프의 동력손실이 많다.

⑻ 운전중 보일러수에 포함된 고형물이나 염분 배출을 위한 불로우 다운 (Blow Down)이 불가능하여 보충수량은 적으나 수질관리를 철저히 하여야 한다.

 

 

제 3 장 보일러의 부속장치 및 부속품

 

 

 

< 보일러 설치 개략도 >

1. 증기 과열기 (Super Heater)

포화 증기를 과열하여 압력은 일정하게 유지하면서 증기의 온도를 높이는 장치.

2. 재열기 (Reheater)

과열기에서 발생한 과열증기가 고압터어빈에서 팽창이 끝나고 응축하기 직전에 회수하여 재가열, 과열증기롤 만들어 저압터어빈에서 팽창하도록 하는 장치로 주로 발전소, 선박기관 등에 설비한다

3. 공기 예열기 (air Preheater)

연소용 공기를 예열하는 장치이다. 즉 보일러에서 굴뚝으로 나가는 가스의 온도(약 200~400℃)의 여열을 이용하여 화실에 보내는 연소용 공기를 가열하는 장치이다.

4. 절탄기 (Economizer)

배기 가스의 현열을 이용하여 급수를 예열하는 장치로써 보일러에서 배기되는 열손실은 전체 발열량의 약 20%정도인데, 이 현열을 회수하여 보일러 열효율을 높게하고 연료를 절약 시킴.

5. 매연 분출기 (Suit Blower)

전열면의 외측에 부착되는 그을음이나 재를 불어 떼는 장치로서 증기 분사식이나 공기 분사식 또는 물 분사식이 있으나 이것은 극히 드물다.

6. 안전밸브

보일러 내부의 압력이 최고사용압력에 달했을 경우, 자동적으로 작동하여 증기를 취출하여 압력의 상승을 저지하는 밸브로서 가장 많이 사용되고 있는 것이 스프링식 안전밸브이다.

7. 증기 헤드

보일러 주증기관과 부하측 증기관 사이에 설치하여 운용되는 압력용기로서 송기 및 정지가 편리한 장점이 있다.크기는 헤드에 부착되는 가장 지름이 큰관의 2배 크기의 지름으로 한다.

8. 분출장치

관수의 농축을 방지하고 신진대사를 꾀하기 위하여 관수를 배출하는 장치로 단속분출장치와 연속분출장치가 있다.단속분출장치는 수저분출장치로서 침전물이나 농축수를 필요시 배출하고 연속분출장치는 수면분출장치로서 관수를 연속적으로 일정량씩 배출한다.

9. 연소보조장치

저장탱크 : 벙커C유 또는 경유를 저장하기 위한 탱크로 지정수량이 B-C유는 2000L, 경유는 500L이며 용량은 7~15일 분이 적당하다.

써어비스 탱크 : 벙커C유를 일시 저장하는 탱크로 용량은 최대 연료 소비량의 2~3시간 정도가 적당하다.

오일프리히터 (oil preheater) : 연료유의 점도를 내리기 위하여 가열하는 장치.

10. 응축수 회수장치

발생한 응축수는 증기계통에 남아 있음으로서 전달효과를 악화시키고 부식,열량감소,워터 햄머링등을 일으켜 기기에 손상을 주므로 가능한 한 빨리 제거할 필요가 있다.응축수의 발생은 배관계통과 증기사용의 열교환기류에서 발생하나 회수의 대상으로는 거의 후자를 말한다. 가장 많이 사용되는 방법으로 발생된 응축수를 응축수 탱크에 모은 후에 펌프를 이용 압송한다.

11. 급수장치

원수를 끌어 올려 보일러로 공급하는 장치를 급수계통,급수장치라 한다.원수탱크,응결수 탱크, 급수펌프,급수 역정지 밸브, 급수정지 밸브, 급수내관을 말하며 급수처리장치나 자동급수 조절장치도 급수계통에 포함된다.

12. 비수현상 (carry over)

물방울이 수면위로 튀어올라 송기되는 증기속에 포함되어 나가는 현상을 말하며 프라이밍,포오밍,규산 케리오우버 현상으로 구분포오밍 현상(forming): 관수중에 용존 고형물,관수농축, 유지분,부유물등을 다량 함유하고 있으면 증기발생시 거품이 안전한 상태로 유지되어 거품이 없어지지 않는다.

프라이밍(priming):압력의 급강하, 포오밍현상 등으로써 수면위로 물방울이 튀어오르는 현상

규산 케리오우버: 무수 규산은 쉽게 송기되는 증기에 포함되어 송기된다. 또한 무수규산은 압력이 높으면 쉽게 증기속에 포함되어 송기된다.

13. 수격작용 (water hammer)

배관 내부에 존재한 응축수가 송기시에 밀려 배관 내부를 심하게 타격하여 소음을 발생시키는 현상으로 실린더 내에서도 발생되는 경우가 있다.수격작용이 심하면 배관의 파열 현상을 발생한다.

제 4 장 급수 및 관수의 처리

보일러 운전시 생기는 수질에 기인한 장해는 내부로부터 모르는 사이에 서서히 진행되어 급격한 큰 장해로 나타납니다. 수질로인한 주된 장해는 Scale부착,부식,Forming,Carry Over등이 있는데 이들 장해는 열효율의 저하,심한 경우에는 과열 팽창으로 튜브의 파열 사고를 일으킬수도 있으므로 특별한관리가 필요한 부분입니다.이 때문에 효과적 수처리를 위해 브로우다운(Blow down),경수연화처리,청관제투입등의 방법을 병행 실시하게 됩니다.

1. 물이 원인이 되는 주요장해

물이 원인이 되는 주요 장해는 Scale(관석),부식,Carry Over의 3종류가 있으며 이중에도 Scale은 보일러의 효율,수명에 매우 큰 영향을 미치게 됩니다.

◈ 스케일(Scale)의 장해

보일러 내부에 함입된 불순물(칼슘,마그네슘,시리카 등)이 전열부 등에 석출하여 부착하는 현상으로 스케일이 부착하면 효율의 저하와 전열부의 과열원인이 됩니다.강재의 강도는 약 350℃부근에서 저하되며 전열부가 과열되면 강도 저하에 의한 팽창 파열등의 중대한 사고로 직결됩니다.특히, 수관구조에서는 전열부하가 크기 때문에 스케일에 의한 관벽의 온도상승도 커서 약간의 스케일이라도 큰 장해의 원인이 됩니다.

 

 

 

[그림1]스케일과 관벽의 온도

스케일,그 밖의 물질	열전도율(㎉/m hr ℃)
황산칼슘주성분	0.5 ~ 2.0
규산염주성분	0.2 ~ 0.4
탄산염주성분	0.4 ~ 0.6
유지막	0.1
연강	40 ~ 60

스케일은 보일러 재질(연강)에 비하여 약 100배나 열전도율를 저해하는 성질을 갖고 있음

[그림2]스케일의 열 전도율