Steam Boiler System 개요

Steam Boiler(증기 보일러)는 가압된 증기를 생성하기 위해 특별하게 설계된 가열 시스템이다. 

 

 

 

Steam Boiler System 개요

Steam Boiler System 구성

다양한 보일러 설계가 있지만 기본 작동 원리는 동일하다. 보일러에 에너지를 공급하여 물을 가열하면 보일러 내부에서 가압증기가 발생된다. 그런 다음 증기는 steam header 및 파이프를 통해 복사 공간 난방, 터빈 구동 또는 공정 가열과 같은 사용 지점으로 공급된다.

 

Source : http://www.boilers.guide/working-principle/

<그림 1> Schematic Diagram of Steam Boiler System

 

대기압의 물을 끓이면 그 부피가 약 1,600배 증가하여 폭발에 대한 위험성 있어, 보일러는 각별한 주의를 기울여야 하는 장비이다.

보일러 시스템은 급수 시스템, 증기 시스템 및 연료 시스템으로 구성된다. 

급수 시스템은 보일러에 물을 공급하여 필요한 증기 생산에 이상이 없도록 자동으로 조절한다. 따라서 다양한 밸브를 유지보수 및 수리가 항상 이루어져야 한다.

증기 시스템은 보일러에서 생성된 증기를 수집하고 제어하여, 배관 시스템을 통해 사용 지점으로 전달한다. 시스템 전체에서 증기 압력은 밸브를 사용하여 조절되고 증기 압력 게이지로 확인하여야 한다.

연료 시스템에는 필요한 열을 생성하기 위해 연료를 공급하는 데 사용되는 모든 장비가 포함된다. 연료 시스템에 필요한 장비는 시스템에 사용되는 연료 유형에 따라 다르다.

물이 증기로 변할 때 용해된 고형물이 남아 보일러 물에 농축된다. 고형물의 농도를 원하는 범위 내로 유지하려면 고형물의 일부를 blowdown으로 제거해야 한다.

증기가 사용처에서 그 기능을 다하면 냉각되어 응축수(증류수)라고 하는 액체로 되돌아간다. steam trap은 탈기기(deaerator) 또는 급수 탱크(feedwater tank)로 돌아가기 위해 응축수를 효율적으로 수집하는 데 사용되는 장치이다. 이 시점에서 응축수는 탈기기 또는 급수 탱크에서 신선한 보충수(makeup water)와 혼합된다. 이 혼합물은 이제 증기 생산 및 blowdown 동안 발생하는 물 손실을 보상하기 위해 필요할 때 보일러로 다시 급수된다.

보일러의 압력 범위와 최종 스팀 사용에 따라 원수(raw water), 연수(softened water), 고순도 탈염수(high purity de-mineralized water)에 이르는 보충 수질에 영향을 미친다는 점에 유의해야 한다.

 

 

Steam Boiler 구조

모든 증기 보일러가 동일하지는 않지만 보일러를 구성하는 3대요소로서 ①보일러본체, ②연소장치, ③부속설비로 크게 구분할 수 있다. , 버너, 연소실, 열교환기, 팽창 탱크, 증기 온도 제어, 안전 릴리프 밸브 및 저수위 차단장치 등으로 구성되어 있다.

 

1. 보일러 본체
기관을 형성하는 본체는 대부분 원통형으로 제작되고 있으며 연소실에서 발생한 연소열이 전해지도록 하여 내부의 액을 가열하여 소용압력의 증기를 발생시키는 통(胴, Drum)을 말한다.
본체는 물로 찬 부분을 수부(수실), 증기로 찬 부분을 증기부(증기실), 물과 증기의 경계를 이루고 있는 면을 수면이라 한다.

2. 연소장치
석탄 등 고체 연료를 사용하는 보일러에서는 화격자(또는 스토우카), 액체 및 기체 연료를 사용하는 보일러에서는 버너로 연소시켜 고온의 연소가스를 발생시키는 장치로 연소실, 연도, 연돌 등이 있다.

3. 부속설비
보일러를 경제적이며 안전하고 효율적으로 운전하기 위하여 사용되는 부속설비 계통은 다음과 같다.

(1) 안전 장치
안전변, 화염검출기, 고저수위 경보기, 가용마개, 방폭문, 유전자변 압력제한기, 압력조절기

(2) 지시 기구
온도계, 수면계, 유면계, 압력계, 수고계, 통풍계, 급유 및 급수 유량계

(3) 분출장치
분출관, 분출밸브 및 분출콕크

(4) 송기장치
주 증기관, 비수방지관, 기수분리기, 주 증기변, 신축죠인트, 감압변, 스팀헤더, 스팀트랩

(5) 급수 장치
급수펌프, 인젝터, 급수배관, 급수탱크, 급수내관, 급수정지변, 체크변 (역지변)

(6) 예열장치
과열기, 재열기, 절탄기, 공기예열기

(7) 통풍장치
송풍기, 댐퍼, 연도, 퉁풍계, 연돌

 

 

Source :&amp;nbsp;https://boiler.de/eng/steamboiler/equipment.html

<그림 2> Steam Boiler 구조도

1. boiler drum with insulation
2. reversing chamber
3. pressure regulators
4. over pressure cut-off
5. manometer with control valve
6. water level regulator and 1st low water cut-off
7. 2nd low water cut-off
8. control panel
9. main steam valve
10. safety valve
11. Two water gauges
12. flue-gas connection
13. safety flap
14. feed pump(s) complete with fittings
15. base frame
16. oil-, gas- or dual fuel burner

 

보일러내 열 전달 Concept

증기 보일러는 연소할 때 방출되는 열(heat)을 흡수하여 증기를 생성한다. 그 열은 복사(radiation), 대류(convection) 또는 전도(conduction)의 3가지 형태에 의해 전달된다. 전달되는 열의 비율은 증기, 연료 및 전달 표면의 유형에 따라 다르다.

1. 복사
복사는 물체에서 매질 없이 사방으로 방출되는 파동(전자기파)형태로 전달되는 에너지이다. 전자기파 형태로 표면 사이의 지속적인 에너지 교환이다.

증기 보일러의 경우 보일러의 튜브는 연소실에서 생성된 화염의 복사열을 흡수한다. 복사에 의한 가열은 전자기파가 흡수되는 속도에 따라 달라진다.

2. 대류
대류는 액체 또는 기체가 가열될 때 액체 또는 기체 내의 열 전달입니다. 액체 또는 기체가 가열됨에 따라 더 차가운 액체 또는 기체와 혼합되어 더 차가운 액체 또는 기체를 가열한다.

증기 보일러에서 대류 과정은 보일러의 유체가 가열되어 더 가볍고 밀도가 낮아질 때 발생한다. 더 무겁고 더 차가운 유체 또는 공기가 가열되면 더 가벼워져서 유체 또는 가스가 밖으로 이동할 때 안으로 이동하게 된다. 뜨거운 유체를 차가운 유체로 교체하면서 이러한 현상이 반복된다.

3. 전도
전도는 접촉에 의해 한 표면에서 다른 표면으로 열이 전달되는 물리적 접촉 과정이다. 금속의 열은 금속을 통해 이동하여 접촉한 부분을 가열한다.

증기 보일러의 전도는 튜브의 외부 부분이 가열되고 열이 내부 부분과 튜브의 냉각수로 전달될 때 발생한다.

 

 

Reference : 1. https://www.chemaqua.com/

2. https://boiler.de/eng/steamboiler/equipment.html