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문제 정의
- 본 연구는 보일러의 연소 과잉공기비에 따른 효율과의 관계로 평가하였으며 환경성 및 설비 유지보수 비용측면은 배제하였다. 효율 산정은 ASME PTC 4.
- 본 연구에서는 당진화력 8호기 보일러를 대상으로 하여 USC 보일러에서 연소되는 연료의 변화에 따른 적정과잉공기비를 구하기 위해 성능 시험을 실시 하였다. 발열량이 다른 4가지 연료의 연소시험을 통해 열손실법에 의한 열손실항목을 도출하여 과잉공기비 변화에 따른 항목별 손실변화와 보일러 효율을 구하였다.
- 하지만 보일러 연료인 유연탄을 전량 수입하는 운영 특성상 국제석탄가격 상승[2] 및 2001년 전력산업 구조개편으로 인한 발전사간의 경쟁이 심화되었다. 이로 인해 원가절감을 위한 석탄 공급원의 다변화, 저가 아역청탄 공급 등으로 보일러 설계시와는 다른 연소조건을 가지게 되었고 달라진 연소 환경에 따라 적정 공기비를 찾아 효율향상을 이루어내는 것이 필요하게 되어 본 연구에서는 당진화력 8호기를 대상으로 혼합연료별 공기량 변화시험을 통한 USC 보일러의 효율을 구하여 적정 공기비를 제시하고자 한다.
제안 방법
- 각 손실항목별 손실량을 더하여 총열손실량을 구하고 과잉공기비 변화에 따른 효율을 산정하였다. Test 1에서의 공기량 변화에 따른 보일러 열효율은 과잉공기비 11%에서 89.
- 또한 보일러 열효율은 보일러 설비 자체의 성능이 일정한 경우에도 입구공기온도, 연료의 성상 및 발열량, 공기 중의 수분함량, 연료 혼소율 등의 성능시험조건의 변화에 따라 다른 값으로 나타난다. 그러나 성능시험은 일정기준 하에서의 설비성능을 파악하는데 있으므로 설계보증 기준공기온도와 시험시의 기준공기온도 차이에 대한 열입열 보정을 실시하고 연료에 대해서는 건배기가스 손실, 연료 중 수분 손실, 공기 중 습분손실의 보정을 실시하였다.
- 각 시험은 보일러의 안정상태 유지를 위해 각 연료가 보일러 급탄 후 2시간 이후 진행되었으며 발전단기준 520 MW 출력, 주파수 60 Hz를 유지하며 과잉공기비는 설계값인 15%에서 11%까지 2%p씩 줄여가며 각각의 케이스별로 2시간씩 데이터 취득 운전과 안정상태를 반복하였다. 또한 연료인 석탄을 공급하는 미분기 운전을 안정적으로 하기 위해 미분기의 운전은 연료이송용 공기가 공급되는 bowl 하부와 연료가 분쇄되는 bowl 상부의 차압을 300 ~350 mmH2O로 유지하였고 미분기 입구온도는 연료의 착화온도 대비 -5℃ 이내를 유지하였다. 또한 주증기 및 재열증기 온도 유지를 위해 연소용 공기는 -20°에서 30°까지 분사노즐의 각도조정이 가능하도록 하였다.
- 또한 주증기 및 재열증기 온도 유지를 위해 연소용 공기는 -20°에서 30°까지 분사노즐의 각도조정이 가능하도록 하였다.
- 본 연구에서는 당진화력 8호기 보일러를 대상으로 하여 USC 보일러에서 연소되는 연료의 변화에 따른 적정과잉공기비를 구하기 위해 성능 시험을 실시 하였다. 발열량이 다른 4가지 연료의 연소시험을 통해 열손실법에 의한 열손실항목을 도출하여 과잉공기비 변화에 따른 항목별 손실변화와 보일러 효율을 구하였다. 산정된 효율을 토대로 과잉공기비를 도출해내었고 구체적인 결론은 다음과 같다.
- )의 합으로 구한다. 본 시험의 열손실 항목 중에서 방열손실과 미측정손실은 각각 발열량의 0.25%, 0.19%의 설계값을 적용하였다.
- 선정된 위치에 ASME PTC 4.1에서 추천하는 방법으로 각 측정점에서의 자료 취득을 위한 계측기가 설치되고, 설치된 계측기 및 기록계는 정밀급 계측장비가 사용되었다. 한편 보일러 절탄기 출구 연도와 보일러 하부에서 시료 채취한 회중 미연탄소농도는 미연탄소 분석기에 의해 분석된 결과값을 시험 자료로 활용하였다.
- Table 1은 시험에 사용된 연료의 성분 분석치이다. 성분분석은 연료가 미분기에 공급되어 분쇄되기 전 연료저장고에서 채취하여 성분분석을 실시 하였고 연료의 분석단위는 연료 1 kg중 항목별 중량 백분율로 나타낸다.
- 주요 규격으로는 최대 연속증발량 1,605 ton/h이고 주증기 조건은 과열기 출구기준으로 255 kgf/cm2 , 569℃, 재열증기 조건은 재열기 출구기준으로 55.09 kgf/cm2 , 596℃이며 보일러 급수온도는 295℃, 대기온도 20℃로 설계되었다.[3]
- 1에서 추천하는 방법으로 각 측정점에서의 자료 취득을 위한 계측기가 설치되고, 설치된 계측기 및 기록계는 정밀급 계측장비가 사용되었다. 한편 보일러 절탄기 출구 연도와 보일러 하부에서 시료 채취한 회중 미연탄소농도는 미연탄소 분석기에 의해 분석된 결과값을 시험 자료로 활용하였다.
- 식 (8)은 보일러 효율 산정식이다. 항목별 열손실량을 구한 뒤 보일러의 열효율을 산정하기위해서 보일러 입열에 대해 연료의 연소열(Hf) 이외에 보일러계 내에서 발생하는 연소용공기의 보유열량, 습분등 부가입열(Hb)을 더하여 전체 보일러 열입력을 구하여 효율 산정에 사용하였다.
대상 데이터
- 시험대상 연료는 연료의 발열량에 영향을 미치는 탄소성분을 제외한 성분들에 대해서는 비슷한 조건을 갖도록 혼합하였다. 1차 시험(Test 1)은 호주산 Macquarie탄과 미국산 Powder river탄의 5:5 혼합 연료로서 발열량 25.06 MJ/kg, 2차 시험(Test 2)은 호주산 Sonoma탄과 인도네시아산 Megaprima persada탄의 5:5 혼합연료로서 발열량 24.54 MJ/kg, 3차 시험(Test 3)은 호주산 BHP Billiton탄과 미국산 Powder river탄의 4:6 혼합연료로서 발열량 23.73 MJ/kg 그리고 4차 시험(Test 4)은 호주산 Centennial탄 인도네시아산 Batubara탄의 3:7혼합연료로서 발열량 22.69 MJ/kg의 연료를 사용하였다.
- 보일러 열효율 측정을 위한 계측점은 AMSE PTC 4.1에 근거하여 위치가 선정되었으며 이러한 계측 점은 요약하면 다음과 같고 계측지점을 나열번호와 함께 Fig. 2에 나타내었다.[4]
- 당진화력 8호기는 재열재생 사이클로서 정격출력 500,000 kW이다. 보일러 형식은 관류형, 초초임계압, 평형통풍방식 및 접선연소방식이며 2 패스형식의 옥내형 보일러로 제작되었다. 기저부하 운전용 유연탄 화력 발전소로서 빈번하고 신속한 기동정지 및 높은 부하변동율, 안정된 저부하운전 및 기동손실의 최소화, 높은 열효율, 수명유지를 위한 열응력 감소 및 고도의 제어기술 등이 적용되어 있다.
- 본 시험은 아역청탄 혼합율을 50%이상 적용하여 발열량 기준으로 연료를 네 번 변경하였으며 시험 연료는 수입 역청탄 및 아역청탄의 혼합연료를 사용하였다. Table 1은 시험에 사용된 연료의 성분 분석치이다.
- 시험대상설비는 2007년 12월 31일 상업운전을 시작한 당진화력 8호기를 대상으로 하였다. 당진화력 8호기는 재열재생 사이클로서 정격출력 500,000 kW이다.
이론/모형
- 본 연구는 보일러의 연소 과잉공기비에 따른 효율과의 관계로 평가하였으며 환경성 및 설비 유지보수 비용측면은 배제하였다. 효율 산정은 ASME PTC 4.1에서 제공하는 보일러 효율 산정방법을 토대로 전력연구원의 열효율 산정프로그램을 사용하였고 보일러 입열에서 열손실량을 뺀 값을 보일러 출열로 사용하는 열손실법을 적용하였다.[5]
성능/효과
- 각 손실항목별 손실량을 더하여 총열손실량을 구하고 과잉공기비 변화에 따른 효율을 산정하였다. Test 1에서의 공기량 변화에 따른 보일러 열효율은 과잉공기비 11%에서 89.96%, 13%에서 90.09% 그리고 15%에서 90.05%를 나타내어 과잉공기비 13%에서 가장 높은 효율을 나타내었다.
- USC 보일러인 당진화력 8호기를 대상으로 한 연료별 적정과잉공기비 시험을 통해 MacquariePowder river 5:5 혼합연료 연소시와 SonomaMegaprima persada 5:5 혼합연료 연소시의 적정 과잉공기비는 13%이고 BHP Billiton-Powder river 4:6 혼합연료 연소시와 CentennialBatubara 3:7 혼합연료 연소시의 적정과잉공기비는 11%임을 알 수 있었다.
- 각 시험은 보일러의 안정상태 유지를 위해 각 연료가 보일러 급탄 후 2시간 이후 진행되었으며 발전단기준 520 MW 출력, 주파수 60 Hz를 유지하며 과잉공기비는 설계값인 15%에서 11%까지 2%p씩 줄여가며 각각의 케이스별로 2시간씩 데이터 취득 운전과 안정상태를 반복하였다. 또한 연료인 석탄을 공급하는 미분기 운전을 안정적으로 하기 위해 미분기의 운전은 연료이송용 공기가 공급되는 bowl 하부와 연료가 분쇄되는 bowl 상부의 차압을 300 ~350 mmH2O로 유지하였고 미분기 입구온도는 연료의 착화온도 대비 -5℃ 이내를 유지하였다.
- 건배기가스손실은 공기량이 증가함에 따라 연료 1kg당 공기예열기 출구 건배기가스량이 9.35 kg /kg에서 9.68 kg/kg으로 상승하였고 공기예열기 출구 온도가 144.29℃에서 144.86℃로 증가하여 건 배기가스손실량은 1136.8 kJ/kg에서 1182.7 kJ/kg으로 45 kJ/kg 증가하였다.
- 공기량 변화에 따른 보일러 열효율은 과잉공기비 11%에서는 90.12%, 13%에서는 90.24% 그리고 15%에서는 90.16%로 산정되어 과잉공기비 13%에서 가장 높은 효율을 나타내었다.
- 공기 중의 수분손실은 열손실항목 중 가장 적은 손실량을 나타낸 항목이다. 공기량이 증가함에따라 공기예열기 출구에서의 수증기 엔탈피가 증가하며 손실량이 증가하였으나 과잉공기비가 11%에서 15%까지 4%p 증가함에도 손실량은 16.83 kJ/kg에서 17.54 kJ/kg까지 1 kJ/kg미만의 변화를 보여 공기량 변동에 의한 효율 변화 효과에는 영향을 주지 않음을 알 수 있었다.
- 94℃까지 선형적으로 상승하였다. 그 결과 건배기가스 손실량은 1,300 kJ/kg에서 1,354 kJ/kg으로 54 kJ/kg 상승하였다.
- 8℃까지 선형적으로 상승하였다. 그 결과 건배기가스손실량은 1073 kJ/kg에서 1155 kJ/kg으로 82 kJ/kg 상승하였다. 또한 미연탄소손실량은 124.
- 그러나 건배기가스손실과 미연탄소손실의 손실량은 크게 변화하여 건배기가스손실량은 1169.9 kJ/kg에서 1271.4 kJ/kg으로 약 100 kJ/kg 증가하였고 미연탄소손실은 223.9 kJ/kg에서 171.0 kJ/kg으로 52.9 kJ/kg 감소하였다.
- 81%로 시험을 실시한 4가지 연료 중 3번째로 많은 수분함량을 가지고 있었다. 또한 공기량 변화에 따른 수분손실량은 공기량이 증가함에도 4 kJ/kg미만의 변화를 보여 공기량 변화에 따른 열손실량 변화에는 영향이 적음을 알 수 있었다.
- 50 kJ/kg 줄어들었다. 미연탄소손실은 건배기가스손실 다음으로 공기량 변화에 따른 손실량 변화량이 큰 항목임을 알 수 있었다.
- 미연탄소손실은 시료분석을 통해 미연탄소량을 구하여 손실량을 산정한 결과 과잉공기비가 11%에서 15%로 4%p 증가함에 따라 90.13 kJ/kg에서 71.16 kJ/kg으로 18.97 kJ/kg 감소함을 알 수 있 었다.
- 미연탄소손실은 연소 후 남은 찌꺼기 속에서 분석된 미연탄소량의 크기에 따라 손실량의 크기가 정해지는데 연료비의 크기에 따라 미연탄소손실의 크기가 정해졌다. 본 시험에서는 과잉공기비가 11%에서 15%로 4%p 증가하였을때 미연탄소 손실량은 31.50 kJ/kg 줄어들었다. 미연탄소손실은 건배기가스손실 다음으로 공기량 변화에 따른 손실량 변화량이 큰 항목임을 알 수 있었다.
- 본 시험에서는 미연탄소손실이 네 번의 시험 중 가장 큰 손실량을 나타내었는 데 연료중의 휘발분에 대한 고정탄소분의 비인 연료비가 1.52로서 연소 중 연료의 열분해가 잘 이루어지지 않은 것으로 보이고 공기량을 증가시킬수록 연소성이 좋아져 미연탄소손실량이 큰 폭으로 줄어들었을 것으로 판단된다.
- BHP Billiton-Powder river 4:6 혼합연료 연소를 실시한 시험 역시 연료 중의 수분손실과 수소연소손실 그리고 공기 중의 수분손실은 공기량이 변화함에도 손실량의 크기는 비슷하게 나타났다. 본 시험연료는 연료 중 수분함유량이 많아서 연료 중 수분 손실이 480.9 ~ 483.4 kJ/kg로 Macquarie-Powder river 5:5 혼합연료 연소시험 대비 약 40 kJ/kg이 많이 나타났다.
- 연료별 수소연소손실량은 연료성분 중 수소함유량이 크기를 좌우하였다. 본 시험의 수소함유량은 5.50%로서 네 번의 시험 중 가장 많은 함유량을 보유하고 있고 수소연소손실량 역시 가장 많았다. 수소연소손실은 건배기가스손실 다음으로 열손실 항목 중 가장 큰 비중을 차지하였지만 공기량 변화에 따른 손실량 변화는 4 kJ/kg 미만으로 효율변화에 끼치는 영향은 적었다.
- 산정된 열손실량을 토대로 보일러 열효율을 산정한 결과 과잉공기비 11%에서는 90.61%, 13%에서는 90.46% 그리고 15%에서는 90.35%로 산정 되어 과잉공기비 11%에서 가장 높은 효율을 나타내었다.
- 연료 1 kg 중 건배기가스량은 과잉공기비 11%에서 15%로 공기량 증가 시 8.50 kg/kg에서 8.77 kg/kg으로 증가하였으며 공기예열기 출구가스온도 역시 143.3℃에서 154.8℃까지 선형적으로 상승하였다. 그 결과 건배기가스손실량은 1073 kJ/kg에서 1155 kJ/kg으로 82 kJ/kg 상승하였다.
- Macquarie-Powder river 5:5 혼합연료 연소시험에서 열손실 항목 중 건배기가스 손실은 공기량이 증가함에 따라 상승하는 형태로 나타났다. 연료 1 kg 중 건배기가스량은 과잉공기비가 11%에서 15%로 증가시 11.28 kg/kg에서 11.39 kg/kg으로 증가하였으며 공기예열기 출구가스온도 역시 143.2℃에서 146.94℃까지 선형적으로 상승하였다. 그 결과 건배기가스 손실량은 1,300 kJ/kg에서 1,354 kJ/kg으로 54 kJ/kg 상승하였다.
- 연료 중의 수분손실량은 연료 중의 총수분함량에 크게 영향을 받는데 본 시험의 경우 연료 중 수분함량은 16.81%로 시험을 실시한 4가지 연료 중 3번째로 많은 수분함량을 가지고 있었다. 또한 공기량 변화에 따른 수분손실량은 공기량이 증가함에도 4 kJ/kg미만의 변화를 보여 공기량 변화에 따른 열손실량 변화에는 영향이 적음을 알 수 있었다.
- 연료 중의 수분손실은 351.7 kJ/kg에서 353.5 kJ/kg으로 1.8 kJ/kg 증가하였으며 수소연소손실은 961.3 kJ/kg에서 966.4 kJ/kg으로 5.1 kJ/kg 증가하였다. 공기 중의 수분손실은 7.
- 열손실량을 산정하고 보일러 열효율을 산정한 결과 과잉공기비 11%에서는 90.37%, 13%에서는 90.30% 그리고 15%에서는 99.22%로 산정되어 과잉공기비 11%일 때 가장 높은 효율을 나타내었다.
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