에너지관리공단 기술컨설팅 사업단 부장 / 기술사 한 원 희

1. 보일러 데이터 수집 분석 2005. 05. 25 에너지관리공단 기술컨설팅 사업단 부장/기술사 한 원 희

2. 목 차  열정산(기준, 범위) 측정대상 데이터 수집 방법  개선방안 계산을 위한 측정 포인트  열정산 계산 방법  에너지절약관점에서 개선 방안 도출  보일러 데이터 수집 분석 예제

3. 보일러 데이터 수집 분석 What ?, why?  현상 파악(운전상태, 성능, 시스템 구성, 공정 및 설비의 기능) 현상 재해석 (개념적, 새로운 환경 및 여건, 문제 또는 개선 관점) 최적 조건의 운전관리와 관리지표 파악  시스템의 최적 성능 및 기능을 유지, 개선을 위한 방안 강구  에너지절감 개선 과제와 최적운전 조건 발굴, 제시

4. 보일러 열정산 열정산(Heat balance) ? • 설비 또는 계통의 입출열 흐름상태를 분석을 통하여 • 입출열 구성 요소 및 규모를 파악 • 특성적 요인의 운전 조건과 시스템 성능 파악 • 에너지손실 요인과 규모 파악 • 에너지절감 방안과 최적 운전조건 향상 방안 도출 • 보일러 열정산은 한국산업규격(KSB6205: 육용강제 보 일러의 열정산 방식)에 의한 운전상태에 대한 데이터 수집과 계산 방법이 규정되어 있음

5. 열정산을 위한 측정 포인트 열정산 기준 열수지 계산 방법 통칙(KSA 5000) • 운전상태 : 정상 가동상태에서 1시간 연속 정상운전 상태의 사용부하에서 시험은 정격부하 실시 • 열정산 단위 : 연료단위량(1kg 또는 1N㎥)당 열량(kcal) • 기준온도 : 원칙적으로 외기온도(℃)를 기준하며, 경우에 따라 0℃, 실내온도로 할 수 있음. • 발열량 : 연료의 저위발열량을 원칙적으로 함 (고위발열량 사용 시 별도 명기)

6. 열정산 계산 범위 계산 범위 설정(일반적인 개념)

7. 열정산 계산 범위 연료별 열정산 적용 범위 예(중유 연료) 열정산 계산 굴 범위 설정 증기 집진장치 뚝 ID. FAN 연소용공기 공기예열기 공기예열기 (A) (A) FD. FAN 급수 절탄기 가열기 급수펌프 배가스 재순환 스프레이 과열기 과열증기 재열기 재열증기 버 너 재열증기 연료유 취입증기 외부열원 (전기, 증기)

8. 열정산 계산 범위 연료별 열정산 적용 범위 예(가스 연료) 열정산 계산 굴 범위 설정 뚝 ID. FAN 연소용공기 공기예열기 (A) FD. FAN 증기 급수 절탄기 가열기 급수펌프 배가스 재순환 스프레이 과열 기 과열증기 재열기 재열증기 버 너 재열증기 가 스

9. 열정산 계산 범위 연료별 열정산 적용 범위 예(고체 연료) 열정산 계산 굴 범위 설정 증기 집진장치 뚝 ID. FAN 연소용공기 공기예열기 공기예열기 (A) (A) FD. FAN 급수 절탄기 가열기 급수펌프 배가스 재순환 스프레이 과열기 과열증기 재열기 재열증기 버 석탄 너 재열증기 미분탄기 온도조절기 공기 연소 잔재물

10. 열정산 계산 범위 연료별 열정산 적용 범위 예(소각로) 범위 10,370kg/h 270℃ R.D Fan 9,456kg/h Process 20,997kg/h ● 866℃ Light Oil Tk 8.9ℓ/h 20,997kg/h 1130℃ 150℃ 270℃ ● 배가스 Economizer TO B/F Boiler ● 150℃ SDA 1880kg/h 11,458kg/h 105℃ 658℃ 연수 ● 1,450kg/h From 탈기기 Blow Down Tk

11. 열정산 측정 방법 측정 상태 • 운전상태는 일정부하로 장기간 가동 • 측정 시 블로우다운, 그을음 불어내기, 시료채취, 누설 등 차단 • 측정 전에 상태 점검하고 시험 조건으로 정확히 교정 측정 시간 • 측정대상 및 조건에 다르나 보통 10 ~ 30 분 간격으로 측정

12. 측정대상 데이터 수집 방법 연료사용량 • 고체연료 : 연소직전 시료 채취, 공급 유량 측정(일정간격) • 액체연료 : 체적유량으로 측정, 중량(질량)유량으로환산 • 기체연료 : 측정 체적유량을 표준상태로 환산(0℃, 1ata) 급수사용량 • 급수량을 Oval 유량계, 터빈유량계 등으로 측정된 체적 유량을 중량단위로 환산

13. 측정대상 데이터 수집 방법 연소 공기량 • 배가스 성분을 측정하여 공기비로 통한 유량 계산 ( 실측 시는 팬 출구 및 공기예열기 출구 측에서 측정) 연소용 공기 온도 • 공기예열기(GAH), 증기가열 예열기(SAH)전/후 온도 연료 분무용 증기량(스팀젯트 버너) • 일반적으로 버너 매뉴얼에 사양으로 제시된 증기량 적용

14. 측정대상 데이터 수집 방법 발생증기 유량 및 압력 • 발생 증기량 • 급수유량계 측정 값으로 산정(증기유량계의 측정값은 참고 값) • 발생증기 일부를 연료가열, 노내 취입, 공기예열기에 사용하는 경우 그 상당량을 급수유량에서 뺌 • 간헐 급수 방식인 경우 급수유량 측정은 시험 개시 및 종료 시점 • 의 수위를 일치 • 증기압력 • 포화증기 : 보일러 동체 및 주증기관에서 측정, 확인 • 과열증기 : 과열기 및 재열기 출구에서 측정, 확인

15. 측정대상 데이터 수집 방법 • 포화증기 건도 • 보일러 드럼 근처에서 측정(데이터 취득이 곤란한 경우 간이적인 방법으로 98% 적용) 배가스 유량 및 온도 ☞ • 배기 가스량 • 배가스의 가스성분을 분석하여 공기비를 통한 배가스 • 량을 계산(측정위치를 단면으로 여러 포인트 측정) • 배가스온도 • 절탄기, 공기예열기 전/후의 온도 측정, 확인

16. 개선방안 계산을 위한 측정 포인트 주요 개선방안 • 배가스 열회수 • 공기비 조정 • 불완전연소 방지 • 급수온도 상승 • 관수 분출수열 회수

17. 개선방안 계산을 위한 측정 포인트 • 배가스열 회수 • 배가스온도 측정 • 본체 출구, 절탄기 출구, 공기예열기출구,집진설비 출구 등 • 배가스량 측정 • 배가스의 가스성분을 측정하여 가스유량을 파악 • (또는 풍속계로 직접 유량을 측정하는 방법 파악) • 배기가스 분석(O2%, CO2 %, CO ppm) • 보일러 본체출구,공기예열기 전/후, 집진설비 출구 등

18. 개선방안 계산을 위한 측정 포인트 • 공기비 조정, 불완전 연소 방지 • 측정위치는 본체 출구에서 가스분석기로 측정 • 배가스 중의 O2%, CO2 %, CO ppm 가스분석 • 급수온도 상승 • 측정위치는 급수탱크, 펌프 토출배관 측 등 • 급수계통의 용수량(급수, 응축수, 보충수) 및 용수온도 (탱크, 응축수, 보충수, 급수) 등 데이터 수집(측정)

19. 개선방안 계산을 위한 측정 포인트 •  BLOW DOWN 수열 회수 • BLOW DOWN 수최종 배출, 폐기되는 위치에서 측정 • 측정항목은 배출유량, 온도, 압력, 관수 및 급수의 수질 • 배출유량 파악은 용기에 받는 방법과 수질분석 치에 의한 계산 방법 등이 있음. ☞ 압력이 높아 용기로 직접 받을 수 없는 경우는 별도로 냉각기 를 설치하여 응축수 온도를 낮추어서 측정

20. 열정산을 위한 기본 계산 연료사용량 계산 ☞ 연료(중유)의 온도에 따른 체적 보정계수

21. 열정산을 위한 기본 계산 연료사용량

22. 열정산을 위한 기본 계산 급수량 • Wh1 (kg/h) = Wh / υ' • Wh : 급수 유량(ℓ/h) • υ' : 급수의 비체적 (ℓ/kg; 증기표에서 찾음) 연료 1kg당 급수량 • W1 (kg/kg) = Wh1 / F ☞ 보정량 연속 분출수량, 로내 분입증기 등 발생 증기량 • Wh2 (kg/h) = Wh1 - 보정량

23. 열정산을 위한 기본 계산 연료 1kg당 증기발생량(증발배수) • W2 (kg/kg) = Wh2 / F 공기비(m) m = 21 ÷ 21 - (O2) m = (CO2)max ÷ (CO2) m = (N2)/[(N2) - 3.76(O2) - 0.5(CO)]

24. 입열 구성 항목 • 연료의 연소열(저위발열량) (Hℓ) • 연료의 공급 현열(Q1) • 연소용공기의 공급 현열(Q2) • 노내 분입증기에 의한 입열(Q3) 열정산을 위한 입열 계산

25. 열정산을 위한 입열 계산 연료의 연소열(저위발열량) (Hℓ) • 사용연료의 저위발열량 적용(고위발열량 적용 시 별도 명기) 연료의 공급 현열 (Q1) Q1 = Cf × (tf - to) 여기서 Q1 : 연료의 현열 (Kcal/kg-연료) Cf : 연료의 평균비열 (Kcal/kg.℃) tf : 가열후 연료의 온도 (℃) to : 외기온도 (℃)

26. 열정산을 위한 입열 계산 연소용공기의 공급 현열 (Q1) Q2 = A × Ca × (ta - to) 여기서 Q2 : 연소용 공기의 현열 (kcal/kg-연료) A : 연료 kg 또는 Nm3당 실제공기량 (Nm3/kg-연료) Ca : 공기의 평균 비열 (≒ 0.31 kcal/Nm3.℃) ta : 가열후의 공기온도(℃) to : 외기온도(℃)

27. 열정산을 위한 입열 계산 노내 분입증기에 의한 입열(Q3) Q3 = Wb × (hb - hs) 여기에서 Q3 : 노내 분입증기에 의한 입열 (kcal/kg-연료) Wb: 연료 1kg(Nm3)당 분입증기량 (kg/kg-연료) hb : 분입증기의 엔탈피 (kcal/kg) hs : 외기온도에서 증기의 엔탈피 (hs = 600 kcal/kg) ☞ 시험보일러의 발생증기의 일부를 노내에 분입하는 경우 그 열량은 순환열로 취급하고 입열량에 포함시키지 않음.

28. 열정산을 위한 출열 계산 출열 구성 항목 • 발생증기의 흡수열(Qs) • 배기가스의 열손실(L1) • 노내 분입증기에 의한 열손실(L2) • 불완전 연소에 의한 열손실(L3) • 미연소분에 의한 열손실(L4) • 방열에 의한 열손실(L5) • CBD 배출 손실열(L6) • 기타의 열손실(L7)

29. 열정산을 위한 출열 계산 발생증기의 흡수열 (Qs) (a) 과열기가 없는 보일러의 경우 QS1 = W2 × (hx - h1) 여기서 W2 : 연료 1kg당 증기 발생량(kg/kg-연료) h1 : 급수의 엔탈피 (kcal/kg) hx : 발생증기의 엔탈피 (kcal/kg) 발생증기가 습증기인 경우의 엔탈피(hx)는 hx = i + x × r i : 발생증기 압력에서 포화수의 엔탈피 (kcal/kg) x : 증기의 건도 r : 발생증기 압력에서 증기의 잠열 (kcal/kg)

30. 열정산을 위한 출열 계산 발생증기의 흡수열 (Qs) (c) 과열기가 있는 보일러의 경우 ---(과열증기의 온도 조절을 스프레이에 의하여 실시하는 경우) Qs3 = W1 × (h2 - h1) + W3 × (h2 - h3) 여기에서 W1 = (W2 - W3) : 급수량 kg/kg(또는 m3) W3 : 스프레이량 kg/kg(또는 m3) h1 : 급수의 엔탈피 (kcal/kg) h2 : 과열증기의 엔탈피 (kcal/kg) h3 : 스프레이 물의 엔탈피 kcal/kg

31. 열정산을 위한 출열 계산 배기가스의 열손실(L1) L1 = G × Cg × (tg - to) 여기에서 L1 : 배기가스의 현열손실 (kcal/kg-연료) G : 연료 1kg(1m3)당 실제 배기가스량(Nm3/kg-연료) Cg : 배기가스의 평균비열 ( Cg = 0.33 kcal/Nm3,℃) tg : 배기가스 온도 (℃), to : 외기 온도 (℃) 실제 연소가스량(G)의 계산 G = Gow + (m - 1) × Ao + Gw1 G: 연료 1kg(1m3)당 실제 배기가스량 (Nm3/kg-연료) Gow: 이론 습배기가스량 (Nm3/kg-연료), m : 공기비 Ao : 이론공기량 (Nm3/kg) Gw1 : 연소용공기중의 습분에의한 수증기량(Nm3/kg-연료), Gw1 = 1.61× Z×m×Ao

32. 열정산을 위한 출열 계산 노내 분입증기에 의한 열손실(L2) (a) 외부 열원에 의해 증기를 분입 하는 경우 L2 = Wb × (hg - hs) L2 : 노내 분입증기에 의한 열손실 (kcal/kg-연료) Wb : 연료 1kg당 분입증기량 (kg/kg-연료) hg : 배기가스 온도에서 증기의 엔탈피 (kcal/kg) hs : 외기온도에서 증기의 엔탈피 (kcal/kg)

33. 열정산을 위한 출열 계산 노내 분입증기에 의한 열손실(L2) (b) 자체 발생 증기를 분입하는 경우 L2 = Wb × (hg - h1) L2 : 노내 분입증기에 의한 열손실 (kcal/kg-연료) Wb : 연료 1kg당 분입증기량 (kg/kg-연료) hg : 배기가스 온도에서 증기의 엔탈피 (kcal/kg) h1 : 급수의 엔탈피 (kcal/kg)

34. 열정산을 위한 출열 계산 불완전 연소에 의한 열손실(L3) L3 = 30.5 × Go + (m - 1) × Ao × (CO) 여기서 L3 : 불완전 연소에 의한 열손실(kcal/kg-연료) Go : 이론 건배기가스량 (Nm3/kg-연료) m : 공기비, Ao : 이론공기량 (Nm3/kg-연료) CO : 배기가스중 CO가스의 vol %, 미연소분에 의한 열손실(L4) L4 = 81 × C2 여기서 L4 : 연소 잔재물 중의 미연소분에 의한 열손실(kcal/kg) C2 : 연료 1kg당 미연소 탄소분의 중량비(wt %) (C의 발열량 = 8,100 kcal/kg)

35. 열정산을 위한 출열 계산 기타, 방열 전열 손실열(L5) L5 = 입열합계(Qi) – (Qs+L1+L2+L3+L4) ☞ 일반적으로 입 출열법에 의한 열정산 시 방열 및 전열 손실과 기타 손실은입열합계에서 계산 가능한 출열항목 전체 값을 빼는 방법으로 계산

36. 열정산을 위한 출열 계산 보일러의 열효율(η) • 입출열법에 의한 보일러 열효율(η) • 효율(η) = (유효효율 / 입열합계) × 100 = Qs / QI × 100 • 여기에서 Qs인 Qs1, Qs2, Qs3, Qs4 중에서 시스템에 적합한 값 • 열손실법에 의한 보일러 열효율(η) • 효율(η) = (1-손실열 합계/입열합계)×100 = (1- LT / QI) × 100 • 여기에서 LT = L1 + L2 + L3 + L4 + L5 + L6

37. 에너지절약관점에서 개선 방안 도출 개선안 도출 주요 착안 사항 배가스 열손실 감소(열회수) 적정공기비 운전 급수공급온도 상승 불완전연소 방지 노후설비 대체 BLOW-DOWN 수 열회수 연료대체 보일러 연소운전 조건개선(간헐→연속)

38. 회수 방안 및 방법 절탄기(ECONOMIZER) 설치 공기예열기 설치 GAH Air-Leak 방지 내식성열교환기 설치 • 가스연료를 사용할 경우, • 설치장소 협소할 경우 우선 안 • 기존 GAH 대체(열회수 추가 회수) • 배기가스 산부식 우려가 있는 경우 우선 안 • 설치 공간이 충분한지 확인 • 기존 열교환기 AIR-LEAK 상태 확인, Sealing • 다른 type GAH로 교체, 냉단온도 관리기준 강화 • 기존 열교환기 후단 부에 추가 설치(열회수 강화) • FGD, 소각로 등에 적용(국내 7개 업체 적용 사례 ) 개선 방안별 절감효과 계산 배기가스 열회수

39. 개선 방안별 절감효과 계산 배기가스 열회수 • 연료절감 기대효과 계산 • 절감열량(Q) 계산 • Q = {Go + (m2 - 1) × Ao} × Cg × (tg1 - tg2)} • 여기서 Go : 이론 배기가스량(N㎥/kg-연료) • m2 : 조정후의 공기비 • Cg : 배기가스의 평균 비열(kcal/N㎥.℃) • tg1 : 개선전 배기가스 온도(℃) • tg2 : 개선후 배기가스 온도(℃) • 절감율(E) 계산 • E = (Q ÷ Qi) × 100 • 여기서 Qi ; 열정산 결과 입열합계 • 절감금액(W) • W = S × 사용연료의 단가 • 년간 절감량(S) 계산 • S = 년간 연료 사용량 × 절감율(E)

40. 개선 방안별 절감효과 계산 공기비 조정 • 공기비 조정 방안 • 적정공기비는 보일러 구조, 사용연료, 버너 운전특성 및 • 운전부하 조건 등에 따라 다름 • 보일러의 연소설비 운전특성 및 제어 방법과 여건, 가동 • 부하조건, 운전일지 등을 종합적으로 판단 적정수준 결정 • O2 triming 시스템 도입, 공연비제어기구 조절 레버위치 조정

41. 개선 방안별 절감효과 계산 공기비 조정 • 연료절감 기대효과 계산 • 절감열량(Q) • Q = (m1 - m2) × Ao × Ca × (tg - ta) • 여기서 m1; 개선전 공기비 • m2; 개선후 공기비 • Ao; 이론연소 공기량(N㎥/kg-연료) • Ca; 공기의 평균비열(kcal/N㎥.℃) • tg; 배기가스 온도(℃) • ta; 연소용 공기온도(℃)

42. 개선 방안별 절감효과 계산 급수온도 상승 • 보일러 급수온도 상승 방안 • 배가스 열회수장치인 절탄기(Economizer)를 설치, 급수 예열 • (사용연료 조건, 저온부식 유발 요인, 설비의 구조 및 공간 • 조건에 따라 급수상승 가능조건과 설치위치 등을 판단) • 응축수(Steam Drain)를 최대한 회수 • 공정에서 발생되는 폐열을 회수하여 급수 용수 예열 • 개방탱크의 재증발 증기를 최대한 회수하거나, 급수탱크를 압력탱크화

43. 개선 방안별 절감효과 계산 급수온도 상승 • 연료절감 기대효과 계산 • 절감율(E)의 계산 • E = (t2 - t1) ÷ (h - t1) × 100 • 여기서 h; 증기의 엔탈피(kcal/kg) • t1; 개선전 급수온도(℃) • t2; 개선후 급수온도(℃)

44. 개선 방안별 절감효과 계산 노후보일러 대체, 고효율 보일러 선택 운전 • 형식승인기준 보일러 열효율과 비교하여 현저히 낮을 경우 • 와 노후화 되어 안전 운전이 어려울 때 보일러를 교체 • 보일러가 여러 대가 설치되어 있을 경우 효율이 가장 좋은 • 보일러를 파악하여 고효율 보일러을 집중 가동

45. 개선 방안별 절감효과 계산 노후보일러 대체, 고효율 보일러 선택 운전 • 연료절약 효과 계산 • 절감율(E)의 계산 • E = (η2 - η1) ÷ η2 × 100 • 여기서 η1; 개선전 열효율 • η2; 개선후 열효율

46. 보일러 데이터 수집 분석 예제 문1) 증기 보일러 열정산시 보일러 열정산 방식(KSB6205)에서 규정 하고 있는 열정산 범위를 설명한 것 중 알 맞지 않는 것은? ((가) 연돌 전에 설치된 집진설비를 포함한다. (나) 배가스열회스장치인 공기예열기를 포함한다. (다) 연소용공기 공급계통에서 외부 열원으로 가열하는 공기 예열기(증기가열기)를 포함한다. (라) 액체연료 사용 보일러에서 연료가열기를 포함한다. (마) 연료분무용 외부증기는 범위에서 포함하지 않는다.

47. 보일러 데이터 수집 분석 예제 문2) 보일러의 열정산 실시할 경우 다음 출열항목 중에서 열손실 구성비가 가장 크게 차지하는 항목은? (가) 배가스에 의한 배출열 (나) 연료의 불완전 연소에 의한 열손실 (다) 관수의 블로우 다운(Blow Down)에 의한 열손실 (라) 버너의 분입 증기(Atomizing Steam) 배출열 (마) 방열로 손실 되는열

48. 보일러 데이터 수집 분석 예제 문4) 다음은 보일러 열정산 기준과 데이터 취득 방법을 설명한 것 중 맞지 않는 것은? (가) 열정산 시 기준온도를 외기온도로 한다 (나) 연료의 발열량은 원칙적으로는 저위발열량을 적용한다 (다) 측정 시에는 간헐브로우다운, 그을음 불어내기, 시료채취, 누설 등이 없도록 한다. (라) LNG연료의 경우 연료사용량은 유량계로 가스 용적유량을 0℃, 1ata으로 환산한 체적유량으로 한다. (마) 열정산 시 보일러의 발생증기량은 일반적으로 증기유량계 로 측정된 데이터를 기준으로 한다.

49. 보일러 데이터 수집 분석 예제 문5) 보일러의 배가스 성분을 측정하여 공기비를 계산하고,배가스 량을 계산하는 공식이 맞는 것은?( 단, G 실제 배가스량, Go 이론 배가스량, Ao 이론 연소 공기량, m 공기비) (가) G = Go + (m - 1) × Ao (나) G = m × Ao (다) G = Go + (m × Ao) (라) G = (m - 1) × Ao (마) G = Go + (m + 1)×Ao

50. 보일러 데이터 수집 분석 예제 문6) 다음은 한국산업규격(KS B-6205)에 의한 보일러 열정산 시 측정방법을 설명 하고 있다. 잘못 설명된 것은? (가) 운전 상태는 일정 부하로 연속적으로 가동 시 측정한다. (나) 과열기, 재열기, 절탄기 및 공기예열기를 갖는 보일러의 경우 배기가스 분석은 공기예열기 출구 쪽만 가스분석기로 측정하면 된다. (다) B-C유 연료를 사용하는 보일러 경우 측정된 체적유량을 질량단위로 환산할 경우 체적유량에 비중만을 곱하면 된다. (라) 증기발생량을 계산시 버너의 자체 분무증기사용량은 급수 량에서 보정한다. (마) 정상조업 상태에서 1시간 이상 연속 운전일 때 측정한다.