화력발전소 - Condensate System & Feedwater System

이전 글 "화력발전소-Water & Steam Cycle 개요"에서 스팀터빈을 거쳐서 나오는 Steam이 Water로 응축되어서 다시 보일러로 이송되고, 보일러에서 열을 흡수하여 생성된 스팀이 다시 스팀터빈을 회전시켜는 순환 과정에 대해서 간략히 설명을 했었다.

 

이 글에서는 응축수 시스팀(Condensate System)과 급수 시스템(Feed Water System)에 대해서 조금 더 상세하게 알아보고자 합니다.

1. Condensate System

1) 콘덴서(Condenser)

 

Water Cycle은 터빈에서 나온 증기를 냉각하여 다시 물로 응축시키는 콘덴서에서 시작됩니다. 이렇게 응축된 물은 콘덴서 하단 Hot Well에 모입니다. Water System Cycle을 거치면서 보일러 드럼에서 Blowdown 또는 Steam Vent 등을 통해서 Water 및 Steam이 외부로 배출되며, 이런 Loss에 해당되는 물량이 Condenser에 추가로 Make-up 됩니다. 이러한 Loss 량은 일반적으로는 Water (Steam) Flow의 3% 미만입니다. 

콘덴서 운전을 위해서 Condenser Level과 진공도(Vacuum)가 지속 모니터링 됩니다. 최근에는 Cooling Water의 Leakage를 모니터링하기 위해서 Condenser Leak Monitoring System(전기전도도 측정)이 공급되기도 합니다. 

 

2) Condensate Extraction Pump (CEP)

 

Condenser Hotwell에 저장된 물은 Condensate Extraction Pump(CEP)에 의해 펌핑됩니다. 이 펌프는 물이 시스템을 통해 효율적으로 이동하도록 하며, 사이클 내의 중력 및 압력 문제를 극복합니다.

CEP 응축된 물을 신속하게 제거하여 콘덴서 내부의 물을 일정 수준으로 유지하는 데 필수적입니다. 이를 통해 터빈에서 생성된 증기가 원활하게 콘덴서로 유입될 수 있도록 합니다. 또한, 이 펌프는 중력과 압력 차이를 극복하여 물을 다음 단계로 이동시킵니다.

 

3) Gland Steam Condenser 

 

CEP에 의해서 펌핑이 된 Condesnate Water는 처음으로 글랜드 스팀 콘덴서(Gland Steam Condenser)를 통과합니다.

이 장치는 Steam Turbine Gland Seal을 통해 누출된 증기를 응축시켜 Condenser로 회수하는 역할을 수행합니다. Gland Steam Condenser에는 Exhaust Fan이 함께 설치되어 비응축 가스를 제거하는 역할도 해줍니다.

 

4) Feed Water Heater

 

Condensate Water는 이후 일련의 급수 히터를 통과합니다. 이 히터들은 터빈의 다양한 지점에서 추출된 증기를 사용하여 보일러로 들어가기 전에 물을 예열합니다. 물을 예열하면 보일러에서 물을 증기로 변환하는 데 필요한 에너지를 줄여 전체 사이클의 효율성을 높입니다.

• 저압 급수 히터: 사이클 초기에 배치되어 저압 증기를 사용합니다.
• 고압 급수 히터: 보일러 가까이에 배치되어 고압 증기를 사용하여 더 효과적으로 예열합니다.

2. Feed Water System

1) 탈기기 (Dearator)

 

Feed Water Heater를 통과하면서 예열된 물은 다음으로 탈기기(Dearator)에 들어갑니다. 이 장치는 산소와 이산화탄소 같은 용존 가스를 제거하도록 설계되었습니다. 이러한 가스는 보일러와 기타 구성 요소에 부식을 일으켜 수명과 효율성을 감소시킬 수 있습니다.

 

탈기기의 작동 원리

• 물의 온도 상승 : 탈기기에서는 물을 끓는 점 가까이까지 가열하여 용존 가스를 제가합니다. 이 과정에서 물에 용해되어 있는 산소, 이산화탄소 등의 가스가 기포 형태로 탈기기 상부로 올라옵니다.
• 감압 공정 : 탈기기는 물의 압력을 낮추어 용존 가스의 제거를 촉진합니다. 낮은 압력에서는 물의 용존 가스 용해도가 감소하여 가스가 더 쉽게 방출됩니다. 탈기된 가스는 배출구를 통해 외부로 배출되고, 탈기된 물은 급수 저장 탱크로 이동합니다.

탈기기 종류

• 스프레이 타입 탈기기 : 스프레이 타입 탈기기는 물을 작은 입자로 분사하여 물과 증기의 접촉 면적을 최대화합니다. 이 방식은 용존 가스를 효율적으로 제거하는데 효과적입니다.
• 트레이 타입 탈기기 : 트레이 타입 탈기기는 여러 개의 트레이를 통해 물이 흘러가게 하여 물과 증기의 접촉 시간을 늘립니다. 이 방법은 대량의 물을 처리하는 데 적합하면, 높은 탈기 효율을 제공합니다.

탈기된 물은 급수 저장 탱크에 저장됩니다. 이 탱크는 보일러에 안정적인 물 공급을 보장하는 완충 역할을 합니다. 

[출처 : Wikipedia]

2) 보일러 급수 펌프 (Boiler Feed Water Pump, BFP)

 

급수 저장 탱크에서 물은 보일러 급수 펌프(BFP)에 의해 펌핑됩니다. 이 펌프는 물의 압력을 보일러에 들어갈 수 있는 수준으로 높여줍니다. 고압 공급은 보일러 내부 압력을 극복하고 효율적인 증기 생산을 보장하는 데 필수적입니다. 

매우 높은 압력을 필요로 하기 때문에 다단 원심 펌프(Multistage Centrifugal Pump)가 많이 사용되고 있으며, 가변 속도 드라이브(VSD)를 적용하여 펌프의 속도를 필요에 따라 조절하여 에너지 소비를 줄이기도 합니다.

 

3) 추가 급수 히터

 

고압의 물은 보일러로 들어가기 전에 추가 급수 히터를 통과합니다. 이 히터들은 최종 예열 단계로, 물이 증기 생산에 최적화된 온도에 도달하도록 합니다.

 

4) 절탄기

 

예열된 물은 이후 절탄기를 통과합니다. 절탄기는 보일러 배기가스의 잔열을 포집하여 물의 온도를 더욱 높입니다. 이 과정은 보일러에서 증기 생성에 필요한 에너지를 줄여 효율성을 극대화합니다.