[논문]영흥화력발전소 보일러배관 화학세정을 위한 유동검토

김진권; 강신형

가설 설정

배관내부의 유속은 균일하다고 가정하였다. 이 가정을 벗어나는 입자, 유체 및 유속에 대해서는 이 절 뒤에서 물리학적으로 합리적인 경향을 제시한다.
본 연구에서는 화학세정 전문업체인 (주)방산 테크놀로지에서 제공한 화학세정액 물성과 이들의 경험으로부터 대표적인 침전물입자를 가정하였다. 세정액은 (주)방산테크노로지에서 독자개발한 axon-tek 이라는 화학 용액으로서, pH는 약 7 정도로 약산에 해당하고, 밀도는 물과 거의 같은 P/=1.
작업이다. 여기서는 전체 배관을 Table 1 과 Table 3 에 나타낸 24개의 직렬로 연결된 배관그룹으로 분리하고, 각 배관그룹 내에서 동일한 직경의 병렬 배관들은 유량이 분배된다고 가정하여, 하나만 계산함으로써 배관 유동해석을 단순화하였다. 본 논문에서는 두 예만 나타내고, 나머지 계산과정은 강신형과 김진권(3) 을 참고하도록 한다.

제안 방법

그리고, 전체 배관에 이 유량이 흐를 때 발생하는 압력손실을 배관유동해석 소프트웨어로 유명한 영국 Flite 사의 Piping Systems Fluid Flow 를 사용하여 해석한다. 그리고, 실제 화학세정에 사용될 펌프의 작동점을 구하여, 필요한 유량을 충분히 보낼 수 있을지를 검토한다.
먼저, 주어진 이물질을 세정액으로 수직상방향으로 밀어올리기 위한 유속을 종단속도 계산을 통하여 구하고, 배관망 검토를 통하여 각 수직 배관에서 이 유속을 발생시키기 위해서 배관에 공급해야 할 유량을 계산한다. 그리고, 전체 배관에 이 유량이 흐를 때 발생하는 압력손실을 배관유동해석 소프트웨어로 유명한 영국 Flite 사의 Piping Systems Fluid Flow 를 사용하여 해석한다. 그리고, 실제 화학세정에 사용될 펌프의 작동점을 구하여, 필요한 유량을 충분히 보낼 수 있을지를 검토한다.
있다. 기존의 국내 화력발전소들은 500 MW급인 반면에, 영흥화력 발전소는 국내 최초로 시도되는 800 MW 급으로, 주증기 량을 기존의 1, 720 ton/hr 에서 2, 415 ton/hr 로, 효율을 기존의 89.33 %에서 90.14 % 로 높이도록 설계개념이 바뀌었기 때문에, 보일러의 높이는 기존의 120 m 정도에 비해서 90 m 정도로 낮지만, 수퍼히터, 리히터 등을 기존의 수평형에서 Fig. 2 에서 보는 바와 같이 수직형으로 배열했다.
배관망해석필요라고 적은 부분이다. 다른 모든 부분에서는 병렬로 흐르는 관들은 모두 같은 직경의 관 혹은 튜브들인 반면에, 여기서는 내경 42mm 인 튜브 226 개, 내경 301.4 mm 인 파이프 1개, 내경 37.4 mm 인 튜브 120 개가 직렬과 병렬로 복잡하게 얽혀 있어서 다른 부분과 같이 일률적으로 어떤 비율의 유량이 분배될지 미리 알지 못하고, 전체 배관망 및 유량을 Piping Systems FluidFlow 에 입력하고 해석을 해 보아야 알 수 있고, 이에 대해서는 뒤에서 다시 논한다.
구성된다. 먼저, 주어진 이물질을 세정액으로 수직상방향으로 밀어올리기 위한 유속을 종단속도 계산을 통하여 구하고, 배관망 검토를 통하여 각 수직 배관에서 이 유속을 발생시키기 위해서 배관에 공급해야 할 유량을 계산한다. 그리고, 전체 배관에 이 유량이 흐를 때 발생하는 압력손실을 배관유동해석 소프트웨어로 유명한 영국 Flite 사의 Piping Systems Fluid Flow 를 사용하여 해석한다.
8 에 나타낸 바와 같이 굵은 파이프 몇개와 가는 튜브 수백개 병렬로 흐르는 것으로 파악되었다. 이 경우에 다른 부분과 같이 유량 분배를 예측할 수 없기 때문에, 전체 수백개의 요소를 Fig.9 와 같이 직접 입력하여 배관망 유동해석을 실시하였다.

대상 데이터

침전물은 용접 이물질, 산화된 녹이 화학 세정액에 녹아 나온 가루, 흙가루, 먼지 등 다양한 종류가 있을 수 있지만, 이들의 경험을 바탕으로, 가장 대표적인 입자로서는 직경 0.2 mm 의 철구 (steel sphere)를 선택하였다. 화학세정에서 발생하는 산화물의 용해 과정에서 발생하는 입자를 고려할 때, 직경 0.

이론/모형

여기서는 전체 배관을 Table 1 과 Table 3 에 나타낸 24개의 직렬로 연결된 배관그룹으로 분리하고, 각 배관그룹 내에서 동일한 직경의 병렬 배관들은 유량이 분배된다고 가정하여, 하나만 계산함으로써 배관 유동해석을 단순화하였다. 본 논문에서는 두 예만 나타내고, 나머지 계산과정은 강신형과 김진권(3) 을 참고하도록 한다.

성능/효과

재열배관은 터빈에서 중간팽창한 스팀을 끌어다가 보일러에서 다시 가열한 후 저압터빈으로 보내는 배관이다. (2) 재열 저온 어셈블리 튜브에는 스팀이 수평과 수직상방향으로 가므로, 화학 세정 시에는 세정액의 흐름을 반대로 하면, 세 정액이 수평과 수직하방향으로만 흐르므로, 침전물은 큰 유량 없이도 중력에 의해서 배출될 수가 있다.
이 유량-압력손실 관계와 약 90 m 에 달하는 보일러 배관 높이에 의한 실양정 및 화학 세정에 사용될 정격유량 408 ton/h, 양정 170 m 인 화학 세정용 펌프 H₂₅15-700의 성능곡선을 고려하여, 영흥화력발전소 보일러의 주 수증기 배관 및 재열배관의 화학세정시의 펌프 작동점을 계산해 보면, 주 수증기 배관의 산세정시에는 유량 이 약 13 CMM 정도가 흐르고, 재열배관의 산세 정시에는 유량이 약 14.5 CMM 정도에서 작동하도록 할 수 있다. 따라서 이 펌프를 사용한 화학세정시설정한 침전입자들의 배출을 효과적으로 달성할 수 있다.
재열배관 전체를 화학세정하는데 필요한 유량이 8.924CMM 으로 63% 수준으로 감소했다. 물-주증기관의 화학세정에 필요한 유량과 유사한 수준으로 동일한 펌프를 활용할 수 있다.
5의 오른쪽에 나타낸 것처럼, 층류 유동의 경우와 비교해서 더 균일한 형태를 나타내고, 평균속도를 상회하는 유속을 나타내는 중앙부위의 영역이 층류에 비해서 더 넓어진다. 즉, 배관 내의 평균유속이 2.2절에서 계산된 침전이물질의배줄속도와 같을 때, 수직하강하는 이물질 보다수직상승하는 이물질의 수가 더 많을 것이라는 것을 알 수 있다.

후속연구

비선형적으로 복잡하게 변화한다. 따라서, 다양한 재질, 형상, 크기의 입자들 모두에 대한 배출 가능 유속을 정확하게 계산하는 것은 사실상 불가능하며, 발전소 보일러 물-수증기관의 화학세정 시에 발생할 수 있는 침전물 입자들 중 대표적이거나, 혹은 최악의 입자를 대표로 선정하여, 침전물의 물성과 형상, 크기를 가정하고, 이에 대한 배줄 유속을 계산하고, 다른 형상, 물성, 크기의 입자에 대해서는 유체에서 받는 힘의 경향을 비교, 검토함으로써 배출가능여부를 판단하는 것이 합리적인 방안이다.
3 에서 수직상방향으로 도움을 주는 저항계수가 구형보다 크다. 즉, 구형 침전물에 대해서 침전물 배출 유속을 구하면, 다른 형상 또는 표면거칠기를 가진 침전물도 배출할 수 있을 것이다.

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