화력 발전소의 보일러 - 순환 방법에 따른 분류

발전소 보일러는 연료뿐만 아니라 순환 방식에 따라서도 구분할 수 있습니다. 순환 방식은 보일러 내에서 수증기가 생성되고 순환되는 방법을 가르킵니다.

 

순환 방식에 따라 보일러는 자연 순환 보일러(Natural Circulation Boiler), 강제 순환 보일러(Controlled Circulation Boiler or Forced Circulation Boiler), 관류형 보일러(Once-through Boiler)로 구분할 수 있으며, 이 글에서는 각 보일러의 특징과 장단점에 대해 기술하도록 하겠습니다.

1. 자연 순환 보일러 (Natural Circulation Boiler)

자연 순환 보일러는 밀도 차이를 이용하여 보일러 내에서 물과 증기의 순환을 자연적으로 발생시키는 보일러이며, 이 방식은 전통적인 보일러 설계에 많이 사용됩니다.

자연 순환 작동원리

Boiler Feed Water Pump에 의해서 공급된 보일러 수는 절탄기(Economizer)를 통과하여 증기 드럼으로 공급됩니다. 증기 드럼에 공급된 보일러 수는 강수관(Downcommer)을 통해  하부 헤더로 내려오고 수냉벽에서 보일러 노 내부의 열을 흡수하면서 밀도가 낮아져 증발관(Riser Tube)를 통해 드럼으로 순환하게 됩니다. 

• 증기 드럼 (Steam Drum): 물과 증기가 분리되는 장소입니다.
• 강수관 (Downcomer): 차가운 물이 보일러의 하부로 내려가는 관입니다.
• 증발관 (Riser Tube): 물이 가열되어 증기로 변하면서 상승하는 관입니다.

장점

• 단순한 구조: 복잡한 펌프나 제어 장치가 필요 없습니다.
• 운전이 비교적 용이합니다.

단점

• 제한된 출력: 보일러 열효율을 높이기 위해서 초임계압, 극초임계압 보일러를 적용할 경우 고온/고압 조건에서는 포화수와 포화증기의 밀도차가 줄어들어 자연 순환력이 떨어집니다.
• 설계 제약: 보일러 설계에 있어서 높이와 기하학적 구조의 제약이 있습니다.

2. 강제 순환 보일러 (Forced Cirulation Boiler or Controlled Circulation Boiler)

강제 순환 보일러 (Forced Circulation Boiler or Controlled Circulation Boiler)는 초임계압, 극초입계압 보일러와 같은 고온/고압 조건에서 순환력을 높이기 위해서 펌프를 사용하여 보일러 내에서 물과 증기의 순환을 제어하는 보일러입니다.

작동 원리

보일러의 구조는 자연 순환 보일러와 유사하나 보일러 수를 순환시키기 위해서 강수관(Downcommer)에 보일러수 순환펌프(Boiler Water Circulation Pump)가 설치됩니다. 드럼에 저장된 물은 보일러수 순환펌프에 의해 하부 헤더 및 수냉벽을 거쳐 드럼으로 강제순환 시켜줍니다.

• 보일러수 순환 펌프 (Boiler Water Circulation Pump): 물을 보일러 내에서 강제로 순환시키는 펌프입니다.
• 증기 드럼 (Steam Drum): 물과 증기가 분리되는 장소입니다.
• 강수관 (Downcomer): 차가운 물이 보일러의 하부로 내려가는 관입니다.
• 증발관 (Riser): 물이 가열되어 증기로 변하면서 상승하는 관입니다.

장점

• 높은 출력: 펌프를 사용하여 더 큰 보일러와 높은 출력을 처리할 수 있습니다.
• 설계 유연성: 보일러 설계에 있어서 높이와 구조에 대한 제약이 적습니다.
• 효율적 순환: 강제 순환을 통해 열 전달 효율을 높일 수 있습니다.

단점

• 복잡한 시스템: 펌프와 제어 장치가 추가되어 시스템이 복잡해집니다.
• 높은 유지보수 비용: 기계적 장치의 유지보수가 필요합니다.
• 에너지 소비: 펌프 작동을 위한 추가 에너지가 필요합니다.

출처 : The Babcock & Wilcox Company

3. 관류 보일러 (Once-through Boiler)

관류 보일러는 물이 보일러를 한 번만 통과하면서 증기로 변하는 보일러입니다. 증기 드럼이 없으며, 연속적인 증기 생산이 가능합니다.

작동 원리

관류보일러는 절탄기(Economizer), 증발관(Evaporator), 과열기(Superheater)가 긴 하나의 관으로 구성되어 있으며, 보일러 급수 펌프가 해당 튜브를 한 번 통과하면서 완전히 증기로 변환시킵니다.

• 연속적인 흐름 (Continuous Flow): 물이 보일러 튜브를 한 번 통과하면서 완전히 증기로 변합니다.
• 고압 펌프 (High-pressure Pump): 물을 높은 압력으로 보일러 튜브에 주입하는 펌프입니다.
• 튜브 배열 (Tube Arrangement): 물이 점차 가열되면서 증기로 변하는 복잡한 튜브 배열을 가지고 있습니다.

장점

• 높은 효율: 연속적인 흐름으로 인한 열 전달 효율이 높습니다.
• 컴팩트한 디자인: 증기 드럼이 없고 직경이 작은 튜브가 사용되므로 보일러의 크기가 작아집니다.
• 빠른 반응 속도: 보일러 보유수량이 순환보일러에 비해서 작으며, 이로 인해 기동시간이 빠르고 부하 변화에 빠르게 반응할 수 있습니다.

단점

• 복잡한 제어: 연속적인 흐름을 유지하기 위한 복잡한 제어 시스템이 필요합니다.
• 높은 초기 비용: 고압 펌프와 복잡한 튜브 배열로 인한 초기 설치 비용이 높습니다.
• 정밀한 유지보수: 시스템의 복잡성으로 인해 정밀한 유지보수가 필요합니다.
• 철저한 수질 관리: 운전 중 블로우다운(Blow Down)이 불가능하여 수질관리를 철저히 해야 합니다.