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시설관리/설비 운영

보일러 종류별 특징과 가동효율 높이는 법

보일러에 종류별 분류로 크게 주철제 보일러, 입형보일러, 노통연관식 보일러, 수관식 보일러, 관류 보일러, 진공식 보일러, 열매 보일러 등이 있습니다. 이번 컨텐츠에서는 보일러의 종류별 특징과 보일러의 용량 산정, 효율 계산식을 알아보고 보일러의 전열면에 생기는 스케일의 영향과 효율관계에 대해서 알아보도록 하겠습니다.


■ 보일러의 종류

1. 주철제 보일러(Cast Iron Sectional Boiler)

사용압력이 저압증기의 경우에는 1kg/㎠이하, 온수의 경우 3kg/㎠이하에 주로 사용되는 보일러로 특징으로는
① 내식성이 우수하고 수명이 길며 현장조립이 간단하고 분할반입이 용이하다.
② 용량 증감이 용이하고 가격이 저렴하나, 내압 충격에 약하고 대용량 고압에 부적당하며 구조가 복잡하여 청소, 검사, 수리가 어렵다.
③ 고압에 대한 우려 때문에 주로 저용량으로 소규모 건물에 주로 사용된다.
④ 열에 의한 팽창으로 균열 발생이 쉽다.

2. 입형보일러(Vertical Type Boiler)

수직형 보일러로서 소규모 패키지형으로 일반 가정용에 사용되며 증기용 0.5kg/㎠이하, 온수용 3kg/㎠이하에 주로 이용된다.

3. 노통연관식 보일러

노통보일러와 연관보일러의 장점을 조합한 보일러로 Pipe내로 연소가스를 통과시켜 Pipe밖의 물을 가여하는 방식으로 특징으로는
① 보일러내의 보유수량이 많아 부하변동에 대응이 용이하고 급수조절 및 처리가 비교적 간단하다.
② 설치가 간단하고 전열 면적이 크나 수명이 짧고 고가이며, 대용량에는 적합하지 않고 스케일 생성이 빠르다.
③ 사용압력이 5~7kg/㎠로 주로 중규모 건물에 많이 사용된다.

4. 수관식 보일러

보일러 드럼내 벽을 수관으로 설치한 구조로 연소실 외벽을 수관으로 둘러싸인 구조로 되어 있으며 특징으로는
① 전열면적이 크기 때문에 온수, 증기 발생이 쉬우나 부하 변동에 따른 압력변화가 매우 크다.
② 압력은 10kg/㎠ 이상으로 고압, 대용량에 적합하나, 설치면적이 넓고 가격이 고가이며 구조가 복잡하여 청소,검사 등이 어려운 것이 단점이다.

5. 관류식 보일러

수관식 보일러와 유사하나 드럼실이 없는 방식으로 소형으로 관로로 순환하는 물이 예열,증발,과열이 동시에 이루어지면서 증기를 발생하는 방식으로 특징으로는
① 보유수량이 적어 증발 속도가 빠르고 소음 발생이 크다.
② 급수 수질관리가 매우 중요하며 스케일 생성에 따른 정기적인 Blow Down이 필요하다.
③ 고효율 운전이 가능하며 설치 면적은 작으나 가격이 고가이고 부하변동에 따른 압력변화가 크므로 자동제어 시스템이 필요하다.

6. 소형관류 보일러

관류보일러 중에서 최고사용압력이 10kg/㎠이하, 전열면이 10㎡이하의 수관식 보일러를 말하는 것으로 특징으로
① 관헤더 사이에 수관으로 구성되어 있고 전열면적당의 보유수량이 적어 폭발위험의 안전하다.
② 이코노마이저를 이용하여 고효율 운전을 가능하게 하고 설치면적이 작다.
③ 여러대를 설치하여 부하변동에 따라 대수 제어를 함으로서 부분부하운전에 대한 대응을 고효율로 운전할 수 있다.

7. 진공식 보일러

진공 온수보일러는 진공상태(150~400mmHg)의 용기에 충전된 열매수를 가열하여 발생된 증기를 이용하여 상부에 설치된 열교환기를 통하여 온수(80℃정도)를 발생시키는 온수보일러이다. 진공식온수보일러의 특징으로는
① 보일러 용기가 내압이 아닌 외압을 받으므로 비교적 안전한 편이다.
② 보일러 압력용기 법규 대상에서 제외된다.
③ 고진공상태로 수질관리가 불필요 하며, 온수,급탕등을 동시에 사용이 가능하다.
④ 단점으로는 증기를 직접 필요로 한는 경우에는 대응이 곤란하고, 90℃이상의 고온수 및 증기 생산이 어렵다.

8. 열매체 보일러

① 250~350℃ 액체나 기체상태의 열매유를 순환시켜 고온의 온수나 증기를 만드는 보일러로서 설비 가격은 고가이나 낮은 압력으로 고온을 얻을수 있어 유지관리비가 저렴하다.
② 열매체가 기름성분으로 보일러의 부식이나 스케일의 영향이 없으며 동파우려가 적다.
③ 산업용으로 주로 많이 보급되고 있다.
④ 단점으로는 국부적인 가열로 열화가 발생되기 쉽고, 열매가 주로 인화성으로 안전에 특히 주의가 필요하다.
⑤ 가격이 고가이다.

■ 보일러 용량표시는 어떻게 할까?

① BHP(Boiler Horse Power) : 1시간에 100℃의 물 15.65kg을 전부 증기로 증발시키는 증발능력을 1보일러 마력이라 하고, 1마력의 상당 증발량은 15.65kg/hr로 표시된다.
※ 1BHP = 15.65 kg/hr x 539 kcal/kg = 8434 kcal/hr

② BT(Boiler Ton) : 1시간에 100℃물 1000kg를 완전히 증발시킬 수 있는 능력을 1보일러 톤 이라고 한다.
※ 1BT = 1000 kg/hr x 539 kcal/kg = 539,000 kcal/hr = 64 BHP

③ 상당증발량(kg/h) : 증기의 엔탈피는 압력, 온도에 따라 다르므로 발생증기가 갖는열량을 기준상태(100℃ 포화수를 100℃의 건포화증기로 증발시킬 때 증발잠열 539 Kcal/kg의 증발량의 값으로 환산한 것으로 '기준증발량' 이라고도 한다.


■ 가동효율은 어떻게 계산할까?


Gs : 스팀의 유량(kg/h)
Hs : 스팀의 엔탈피(kcal/kg)
Gw : 물의 유량(kg/f)
Hw : 물의 엔탈피(kcal/kg)
Gf : 연류의 유량(kg/h)
Hf : 연료의 저위발열량(kcal/kg : 고위발열량에서 저위발열량을 제외한 실제발열량)

■ 이론 공기량 계산식은?

※ 도시가스 1000kg 완전 연소될 때 이론 공기량 은?
① 연소 반응식 : CH4 + CO2 -> CO2 + 2H2O

② 이론 산소량 : 메탄 16g/1mol 완전연소시 2x32g/1mol 산소량 필요
                       16g : 64g = 1000x10^3g : X g
                        X g = 4,000kg

③ 이론 공기량 : 메탄 1mol 완전연소시 2/0.21 = 9.5mol 공기량 필요
                       메탄 16g/1mol 완전연소시 9.5x29g/1mol 산소량 필요
                       16g : 276g = 1000x10^3g : X g 
                       X g = 17,250kg

④ 연공비 : 1000kg/17,250kg = 0.058
⑤ 공연비 : 1/0.058 = 17.2


■ 스케일과 보일러의 효율 관계

1. 스케일의 영향

경도성분(칼슘,마그네슘) 및 실리카가 함유된 물을 보일러 용수로 급수 시킨 경우 운전하면 관수의 농도가 높아져 수관 벽에 스케일이 부착되게 됩니다. 스케일은 열전달성이 불량하여 보일러 효율을 저하시키고 심하면 과열되어 수관을 파열 시킬 우려가 있으며, 또한 철의 부식을 진행시켜 장비 수명을 저하하게 합니다.

2. 스케일 부착에 따른 전열면온도 및 효율과의 관계


※ 수관은 350℃ 이상 되면 허용응력이 급격히 저하되고, 스케일 부착에 의한 보일러 효율저하는 표에서 보시는 것과 같습니다.

3. 스케일 방지대책 관리

스케일의 생성을 억제하기 위해서는 경수연화장치를 사용하여 경도성분인 칼슘, 마그네슘을 제어하여 연수를 보일러에 공급하고 연수기를 통과한 미량의 누출 경도 성분과 연수기에서 처리되지 않는 실리카 성분등을 제거하기 위하여 주기적으로 약품주입을 통하여 스케일의 생성을 방지해야 합니다. 또한 보일러 수의 주기적이 PH를 측정하여 약품을 주입하여 산성에서 알카리성으로 변화시켜 철이 가장 부식되지 않은 상태를 유지하도록 하여야 합니다.(PH10.5~11.5정도) 보급수는 용존산소를 제거하기 위하여 일정량의 청관제를 투입하고, 염화물이온농도가 관수에서 400mg Cℓ/ℓ 이상으로 되지 않도록 주기적인 블로우 다운을 실시하여야 합니다.

■ 효율적인 시스템 적용방안

63빌딩에서는 열손실 및 압력강하를 감소하고 수송능력을 증대하기 위하여 1차 증기 압력을 높이고, 각 기계실에서 2차 감압을 하는 방식을 적용하여 장비의 설정 압력 범위에서 신속한 대응능력을 확보하기 위한 방식을 적용, 효율적인 운영시스템을 구성하고 있습니다. 장비 가동에 따른 효율적인 운영방법은 매일 가동효율 계산하여 고효율 상태를 유지해야 하는데 그중 가장 중요한 것은 공연비 조정입니다. 보일러가 실제로 연료를 연소시킬 때에는 그 연료의 이론 공기량 만으로 완전 연소가 거의 불가능한데 고효율의 운전상태를 유지하기 위해서는 이론 공기량보다 더 많은 공기량을 보내어 가연성분과 산소의 접촉을 원만하게 이루어지도록 주기적인 공기비 조정 작업을 수행해야 합니다.

☞ 가동효율 1% 개선시 년간 절약금액? (전년사용량 1,718,786 N㎥ 기준)

※ 1년 절약금액 = 1,718,786N㎡ x 816원/ N㎡(가스요금) x 0.01% =  14,025,293 원


사진 및 자료 제공: 한화63시티

김정진 | 한화63시티 63운영팀 과장
안녕하세요. 63운영팀에서 공조설비분야 업무를 담당하고 있는 김정진 과장입니다. 블로그를 통해 건물 공조분야의 에너지 절감 방법과 기술사 자격증에 관련된 전문적인 내용을 알려드리려고 합니다.