보일러 계통 Carryover

보일러 계통의 캐리오버(Carryover) 발생 원인과 메커니즘, 방지 방안에 대해 공유하고자 한다.

 

 

 

보일러 계통 Carryover

캐리오버(Carryover), 기수(氣水)공발이라고도 하는 이 현상은 보일러 관수 중에 용해 또는 현탁되어 있는 고형물이 스팀의 흐름과 함께 스팀 사용 시스템으로 넘어가는 현상이다.

보일러 관수 중의 고형물이 스팀 시스템으로 넘어가면 스팀 순도가 저하되어 제품의 품질을 저하시키고, 열 사용 설비의 열효율 감소 및 기기장치의 고장을 초래한다. 

 

 

캐리오버의 발생 원인과 매커니즘

캐리오버는 보일러 내에서 스팀-물의 혼합물로부터 스팀이 불완전하게 분리되는 것에서 발생된다.

기계적, 화학적인 것 모두를 포함하여 많은 인자가 이 불완전한 분리에 기여하는데, 여러 종류의 캐리오버 발생 원인은 크게 기계적 원인과 화학적 원인으로 아래와 같이 분류할 수 있다.

 

분류	기계적 원인	화학적 원인
주요 인자	- 부적절한 보일러 설계 - 기수분리기 불량 - 높은 수위 - 부적절한 연소방법 - 부하 특성	- 높은 총 용존고형물(TDS) 농도 - 과도한 알카리도 - 기름성분 및 그외 유기성 오염물 - 실리카의 선택적 휘발성
발생 메커니즘	- Spray carryover (물안개) - Priming (비수) - Leakage carryover (누설)	- Foaming (기포 발생) - Vaporization of Salt (염의 증발)

 

 

프라이밍 (Priming, 비수)

프라이밍은 보일러 드럼 내에서 수면이 동요되거나 격심한 증발에 의해 보일러수의 미립자가 비산하여 스팀 속에 혼입되는 현상으로 보일러 관수가 스팀 출구로 배출되는 것을 말한다.

◈ 프라이밍에 영향을 주는 요소

프라이밍에 영향을 주는 요소로는 보일러의 설계 시 압력, 스팀 드럼의 크기, 스팀 발생량, 순환율, 강하관(Downdommer)과 상승관(Riser)의 배열, 기수분리기의 성능 등이 있다.

일반적으로는 다음 사항 중 하나 또는 여러 사항이 중복될 때 발생하게 된다.

- 높은 수위

- 기수분리기 불량

- 보일러를 설계 압력 이하로 운전하는 경우

- 과도한 스팀 사용

- 부적절한 연소 방법

- 부하 특성

 

 

◈ 기계적 원인에 의한 캐리오버 방지법

기계적 원인에 의한 캐리오버를 방지하기 위해서는 무엇보다 원활한 보일러 운전이 중요하다.

일정한 부하와 설계 기준 범위 내에서 운전되는 보일러의 경우 스팀과 함께 배출되는 수분의 양은 2% 미만이다. 그러나 많은 양의 부하가 급속하게 변하는 경우 보일러 내의 압력은 심각하게 강하하고, 보일러의 관수가 스팀으로 재증발하면서 극도로 불안정한 상태가 된다. 설상가상으로 압력의 감소로 스팀의 비체적이 증가하게 되면 거품의 기포가 비례적으로 커지게 된다.

따라서 원활한 보일러 운전을 위해 다음 사항을 검토해야 한다.

- 현재 수위 제어가 On/Off 컨트롤 시스템이라면 모듈레이팅 수위 제어로 전환

- 보일러 압력을 유지하기 위하여 압력유지밸브(1차 압력 조절밸브)는 플랜트의 중요하지 않은 부분들을 차단시키기 때문에 중요한 설비에 우선권을 부여하는 제어를 고려

- 스팀 축열기 설치를 고려

- 보일러의 부하가 증가되기 전에 부하 증가량을 예측하여 최대 사용 압력으로 상승시키는 ‘피드포워드 (Feed-Forward)제어’ 고려

- 플랜트를 사전에 정해진 기간에 걸쳐서 예열하는 ‘Slow-Opening 제어’ 고려

 

 

포밍(Foaming, 기포 발생)

포밍(Foaming)은 보일러 드럼 수면과 스팀 출구 사이의 공간에서 거품이 형성되는 현상으로 포밍이 클수록 이로 인한 문제점은 심각하다.

캐리오버가 발생하면 스팀 및 응축수 계통에 스케일을 유발하고 그 스케일로 인한 과열과 부식은 당연한 결과라 하겠다. 포밍(거품)이 심한 경우에는 보일러 수위 제어 시스템에 부적절한 수위를 감지하게 하여 공정에 위험할 뿐만 아니라 인명 피해를 초래할 수도 있다.

◈ 포밍(Foaming)의 발생 원인

포밍은 기본적으로 보일러 관수가 수질관리 기준치보다 과다하게 농축될 때 발생한다.

보일러 관수가 과농축 되면 그 안에 용존되어 있는 고형물, 즉 TDS(Total Dissolved Solids)가 고농도로 존재하게 된다. 보일러 관수의 TDS농도가 증가할 경우 스팀 기포는 더욱 더 안정화되며 수면에서 파열되거나 분리되지 않고 스팀 기포가 안정화 되어 수면에서 파열되지 않고 넘쳐 흐르는 것이다.

이러한 현상은 실생활에서 냄비에 물을 끓일 때 쉽게 관찰되는 현상으로 라면을 끓일 때 처음에 맹물을 냄비에 넣고 뚜껑을 닫으면 물 끓는 소리가 보글보글 들리지만 물이 넘치지는 않는다. 그러나 여기에 라면 스프를 첨가하고 뚜껑을 닫으면 라면 스프가 물에 녹아 TDS가 되어 포밍을 유발하여 닫혀진 뚜껑을 밀고 넘치게 된다

 

 

◈ 포밍(Foaming) 방지 대책

보일러 관수의 TDS 제어는 아래 두 가지 농도 사이에서 적절하게 관리되어야 한다.

● 경제적인 운전을 위한 높은 TDS농도

● 거품을 최소화하는 낮은 TDS농도

이 두 TDS농도 사이에서 보일러 관수 TDS 농도를 관리하기 위해서는 자동 블로우다운 컨트롤 시스템을 설치하여 관리하는것이 효율적이다.

보일러 관수는 열수로서 이를 배출하는 것은 곧 에너지 손실을 의미하므로 최소화 하는 것이 좋다.

그러나 보일러 관수가 수질관리기준치(KS B 6209 순환보일러의 수질기준 참조)보다 과농축되면 포밍에 의한 캐리오버가 발생하므로 에너지 손실을 최소화 하면서 포밍이 발생하지 않는 적정농도로 보일러 관수의 TDS를 제어해야 한다. 

 

 

선택적 캐리오버(Selective Carryover)

고온, 고압 보일러에서는 포밍이나 프라이밍 현상이 발생하지 않더라도 보일러수 중의 특정 성분이 휘발하여 스팀에 용해된 상태로 함유되어 터빈 날개에 부착된다. 이러한 현상을 선택적 캐리오버(Selective Carryover)라 한다.

선택적 캐리오버의 대표적인 원인 물질로는 실리카(SiO2), 붕소(B) 및 구리(Cu)를 들 수 있으며 특히 실리카는 선택적 캐리오버의 전형적인 물질로써 스팀 중에 쉽게 혼입된다.

스팀 중의 실리카 휘발에 의한 함유율은 보일러수 중의 실리카 농도에 비례하고 보일러 수의 pH에 반비례하며 압력에는 비례한다.

<그림 1> 보일러수에 대한 스팀 중 실리카 비율(%)(출처: Steam People(Sep. 2017))

 

상기 그림과 같이 일반적인 보일러 관수 pH 1~12사이 범위에서 보일러의 압력이 35 bar 이상인 경우 스팀 중의 실리카 비율이 0.1% 이상이 된다.

통상적으로 30 bar 이상 고압 보일러의 경우에는 급수에서 실리카 농도를 0.02ppm 이하로 관리해야 실리카에 의한 선택적 캐리오버를 방지할 수 있다.

 

Reference : 한국스파이렉스사코㈜, Steam People(Sep. 2017)