관류형 보일러 방식 원리, 구성, 장단점

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화력 발전소에서 사용하는 보일러는 급수 순환 방식, 연료 종류, 열 흡수 방식 등 여러 기준에 따라 다양한 종류로 나눌 수 있습니다. 특히, 초임계 보일러는 고압과 고온 조건에서 운전되어 열효율을 높이며, 기존 보일러와는 다른 운전 방식을 채택합니다. 본 글에서는 화력 발전용 보일러의 분류 기준을 소개하고, 초임계 보일러의 원리와 특징에 대해 설명하겠습니다.

Table of Contents

1. 발전용 보일러의 종류

발전소에 사용되는 보일러는 다양한 기준에 따라 구분됩니다. 여기서는 급수 순환 방식, 연료 종류, 열 흡수 방식에 따른 보일러의 분류를 정리합니다.

1) 급수 순환 방식에 따른 분류

(1) 자연 순환식 보일러

급수와 증기의 밀도 차를 이용하여 자연스럽게 순환하는 방식입니다. 보통 150~170 kg/cm² 이하의 압력에서 사용됩니다.

(2) 강제 순환식 보일러

순환 펌프를 사용하여 강제로 순환을 유지하는 방식으로, 고압 조건에서도 안정적인 운전을 제공할 수 있습니다.

(3) 관류식 보일러

증기 압력이 임계압력(225.65 kg/cm²)을 초과할 때 운전하는 보일러로, 물이 비등 과정을 거치지 않고 증기로 바로 변환됩니다.

(4) 복합 순환식 보일러

부하가 30% 이상일 때는 강제 순환식으로, 30% 이하일 때는 자연 순환식으로 전환하여 운전하는 방식입니다.

2) 사용 연료에 따른 분류

(1) 석탄 연소 보일러
(2) 유류 연소 보일러
(3) 석탄 + 유류 혼소 보일러
(4) 가스 연소 보일러

3) 열의 흡수 방식에 따른 분류

(1) 대류형 보일러

주로 대류 열 전달을 통해 열을 흡수하는 방식입니다.

(2) 복사형 보일러

복사열을 통해 열을 흡수하는 방식으로, 대규모 열 전달이 필요한 경우에 적합합니다.

2. 초임계 보일러

초임계 보일러는 물의 임계압력(225.65 kg/cm²)을 초과하는 압력과 온도에서 운전하여, 기존 보일러보다 높은 열효율을 달성합니다. 물이 임계압력을 넘어서면 기체와 액체의 구분이 사라져, 비등 과정 없이 물이 증기로 바로 변환됩니다.

1) 원리

(1) 임계압력 초과

초임계 보일러는 물이 임계압력($225.65 \, \text{kg/cm}^2$)을 초과하는 조건에서 운전됩니다. 이때 물과 증기의 밀도 차가 없어져 비등 현상이 발생하지 않고, 물이 직접 고온 고압의 증기로 변환됩니다. 따라서 별도의 드럼이 필요하지 않습니다.

(2) 열 교환 과정

급수는 절탄기, 증발관, 과열기를 순차적으로 거치면서 고온의 증기로 전환됩니다.

2) 구성

초임계 보일러는 다음과 같은 주요 구성 요소를 포함합니다.

(1) 급수펌프: 보일러로 급수를 공급하는 장치입니다.
(2) 급수가열기: 급수를 미리 가열하여 열 손실을 줄이고 효율을 높입니다.
(3) 절탄기: 배기가스의 여열을 이용해 급수를 추가로 가열하는 장치입니다.
(4) 증발관: 급수를 고온의 증기로 전환되는 단계입니다.
(5) 과열기: 증기의 온도를 높여 터빈으로 공급하는 역할을 합니다.

3) 특징

(1) 장점

드럼이 불필요하여 경량화 가능

드럼이 필요 없으므로 구조가 단순해지고 무게가 줄어 설치가 용이합니다.

기동 시간이 단축

물이 연속적으로 가열되어 증기로 변환되므로 기동 시간이 짧습니다.

높은 열효율

고온 고압의 조건에서 운전하여 열효율이 높아 연료 비용 절감 효과가 있습니다.

유지보수 용이성

보유 수량이 적고 응축물이 없어 유지보수가 비교적 용이합니다.

(2) 단점

설비비용 증가

초임계 조건을 견딜 수 있는 고강도 재료와 설비가 필요해 초기 설치 비용이 증가합니다.

복잡한 제어 시스템 필요

초임계 상태의 안정적 운전을 위해 정밀한 제어 시스템이 필요하며, 이를 위해 추가적인 제어 장비와 보호 장치가 요구됩니다.

복수기 추가 설치 필요

바이패스 라인을 통해 터빈을 우회하여 증기를 복수해야 하며, 이로 인해 보일러 구성과 유지보수가 복잡해질 수 있습니다.

수질 관리 강화 필요

고압 환경에서 운전되는 만큼 수질 관리가 필수적입니다. 블로우 다운(blow down)으로 정기적인 수질 관리를 해야 합니다.

결론

화력 발전소에서 사용되는 보일러는 급수 순환 방식, 연료 종류, 열 흡수 방식에 따라 여러 종류로 나뉘며, 그 중 초임계 보일러는 높은 열효율을 자랑하는 고성능 보일러입니다. 초임계 보일러는 초기 설치 비용이 크고 복잡한 제어 시스템이 필요하지만, 운전 효율이 뛰어나고 유지보수가 용이하다는 장점이 있어 대형 화력 발전소에서 널리 사용됩니다. 발전소의 요구 조건과 운영 환경에 맞는 보일러를 선택하여 운영 효율을 극대화하는 것이 중요합니다.

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