화력발전소 - Water & Steam 수질관리

화력 발전소 보일러 및 스팀터빈 시스템에서는 물과 스팀의 수질 관리가 매우 중요합니다. 특히, 고온 고압의 보일러 및 터빈에서는 수질관리가 더욱더 중요합니다. Water & Steam 계통의 물은 순수(Demineralized Water)를 사용하며, 여기에 약품 주입을 통해 보일러 및 스팀터빈의 운전 조건에 맞는 수질을 유지시켜 줍니다.

 

수질이 좋지 않을 경우 다양한 문제가 발생할 수 있으며, 이는 보일러와 스팀터빈의 효율성, 수명, 그리고 운영 비용에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.

수질이 좋지 않을 때 발생할 수 있는 문제

1. 부식 (Corrosion)

 

물에 포함된 산소, 이산화탄소, 염소 및 기타 부식성 물질은 보일러 및 스팀터빈 시스템 내의 금속 부품에 부식을 일으킬 수 있습니다. 부식은 금속 부품의 파손과 녹을 초래하며, 부식 산물이 시스템 내에 축적되어 다른 장치를 막을 수도 있습니다. 이는 시스템 성능 저하와 함께 유지보수 비용 증가를 유발합니다.

 

2. 스케일 형성 (Scale Formation)

 

순수한 물(Demineralized Water)에도 미량의 칼슘, 마그네슘, 이산화규소와 같은 물질이 포함되어 있을 수 있습니다. 물이 가열되면 이러한 물질이 스케일이라는 침전물로 변하게 됩니다. 스케일은 보일러 및 스팀터빈 튜브와 부품 표면에 쌓여 열전달 효율을 감소시키고 시스템 성능을 저하시킵니다. 스케일 제거에는 높은 비용과 시간이 소요되며, 심할 경우 부품 교체가 필요할 수도 있습니다.

 

3. 거품 및 기수공발 (Foaming and Carryover)

 

수질이 좋지 않을 경우 보일러 내에서 거품 형성이 증가할 수 있습니다. 이는 증기 생산을 저해하고, 거품이 수질과 함께 증기로 이동하는 기수공발(Carryover)을 초래할 수 있습니다. 기수공발은 스팀터빈 블레이드에 손상을 일으키고 터빈 효율을 감소시켜 고장의 원인이 될 수 있습니다.

스팀 수질 조건

스팀터빈 제조업체마다 요구하는 스팀 수질 조건이 다를 수 있지만, 일반적으로 다음과 같은 조건이 적용됩니다.

 

1. 전기전도도 (Conductivity)

 

전기전도도는 물의 전기 전류 전달 능력을 나타내며, 물의 이온 농도에 비례합니다. 스팀의 전기전도도는 일반적으로 0.2 μS/cm 미만으로 유지되며, 이는 수분이나 이온 물질의 함량이 낮아 스팀의 순도가 높음을 의미합니다. 

 

2. pH (수소 이온 농도)

 

pH는 물의 산성 또는 염기성 정도를 나타내며, 스팀의 pH는 효율적인 보일러 및 터빈 운영에 중요한 영향을 미칩니다. 스팀의 pH 값은 일반적으로 9.0 - 10.5 범위 내에서 유지됩니다.

 

3. 나트륨 (Sodium)

 

나트륨은 스팀 및 보일러 시스템에서 부식 및 스케일 형성의 원인이 될 수 있습니다. 일반적으로 스팀에서의 나트륨 농도는 2 ppb 이하로 유지됩니다.

 

4. 실리카 (Silica)

 

실리카는 스팀터빈에서 스케일 형성의 주요 성분 중 하나입니다. 스팀에서의 실리카 농도는 일반적으로 0.02 ppm 이하로 유지됩니다.

보일러 수질 관리를 위한 약품 주입

보일러 수질 관리는 다양한 약품을 사용하여 부식, 스케일 및 기타 수질 문제를 효과적으로 제어하는 것을 목표로 합니다. 일반적으로 사용되는 보일러 수질 관리 약품은 다음과 같습니다

 

1. 암모니아 (Ammonia)

• 용도 : pH 조절
• 작용 원리: 암모니아는 물에 첨가되면서 수용성 암모늄 이온을 형성하여 알칼리를 제공하고, 물의 pH를 조절합니다.
• 주입 위치: 보일러 복수 (Condensate Water) 및 급수 (Feed Water)

2. 산소 제거제 (Oxygen Scavenger)

• 용도 : 산소 제거
• 작용 원리 : 산소 제거제는 산소를 화합물로 변환하거나 흡수하여 보일러 물에서 산소의 양을 감소시킵니다.
• 주입 위치 : 보일러 복수 (Condensate Water) 및 급수 (Feed Water)

3. 인산염 (Phosphate)

• 용도 : 스케일 및 침전물 제어
• 작용 원리 : 인산염은 스케일 및 침전물이 발생하는 것을 억제하고 부식을 방지합니다.
• 주입 위치 : 보일러 드럼 (Drum)

[출처 : 주식회사 디코텍]

스팀 및 수질 분석 시스템 (Steam and Water Analysis System)

SWAS(Steam and Water Analysis System)는 보일러 및 스팀 시스템에서 수질을 실시간으로 모니터링하고 분석하기 위한 특수한 시스템입니다. SWAS는 보일러와 스팀터빈 시스템에서 발생할 수 있는 수질 문제를 조기에 감지하고 적절한 조치를 취하기 위해 설계되었습니다. 주로 pH 미터, 전기전도도 측정기, 산소 측정기, 실리카 측정기, 나트륨 측정기 등이 사용됩니다.

SWAS에 측정한 이러한 수질 값을 기준으로 약품 주입량을 조절하고, 수질을 향상 시키기 위해서 Drum 보일러의 경우에는 Blowdown 량을 증가시킵니다.

 

Degassed Cation Conductivity (DCC)를 측정하는 이유

 

앞에서 언급한 것과 같이 수질 관리를 위해서 약품을 주입을 합니다. 특히, 복수 및 급수 계통의 pH를 높이기 위해서 암모니아 또는 Amine가 주입이 되는데  pH를 높이기 위해 주입된 암모니아가 전기전도도에 큰 영향을 끼칩니다. 즉, 실제 수질에 들어있는 불순물의 농도를 파악하는데 큰 영향을 줍니다. 또한 물에는 이산화탄소가 녹아서 탄산 이온이나 탄산수소 이온으로 존재하는데 이 또한 실제 수질에 포함되어 있는 불순물을 파악하는데 어려움을 줍니다. 

따라서 암모니아 이온을 제거하기 위해서 양이온 교환수지(Cation Excahanger)를 거치고, 탄산 이온이나 탄산수소 이온을 제거하기 위해서 샘플의 온도를 높여주어 기체도 제거해 줍니다. 이렇게 측정한 것을 Degassed Cation Conductivity (DCC)라고 합니다. 

[출처 : Forbes Marshall]