보일러 배관 청소를 위한 폭발충격파의 이용 Harness detonation waves to clean boiler tubes
저자 : K. 럽케스(Kirk Lupkes), A.T. 맥코믹(A.Tofa McCormick) 출처 : POWER 2007년 10월
공기와 증기 수트블로어는 비산회와 연소 산물에 의해 발생된 보일러 대류통로(convective pass)의 슬래그 발생과 오염에 대한 전력업계의 해 결책이었다. 수동 청소 시스템은 컴퓨터와 신경망(neural net)으로 대체 되었지만 기본적인 청소기구는 적어도 지금까지는 변화가 없었다. 새로운 폭발충격파(detonation wave) 방식에 대해 알아보자. 이 방식은 보일러 의 열전도 효율을 현저히 개선하면서 이러한 침전물을 떼어낼 수 있다.
표준적인 역청탄에서 미국 서부지역 석탄으로 전환한 발전소에서 직면하 게 되는 큰 문제의 하나는 슬래그와 오염의 증가이다. 많은 발전소들은 파우 더 리버 베이슨(Powder River Basin) 석탄이 과거에 사용하던 석탄보다 현 저히 더 많은 오염을 가져온다고 보고하였다. 이러한 오염에 대처하기 위해 서는 일반적으로 수트블로어의 수량, 유형 또는 위치를 변경하고 이들의 작 동주기를 증가시켜야 한다. 청소유형과 주기를 예측하기 위해 증기발생기의 열역학적 모델을 사용하는 여러 가지 자동화 시스템도 나와 있다. 다른 경우 에는 튜브 표면이 청소가 필요한 시기를 알려주도록 가스통로에 센서를 사 용한다. 거의 10년 동안 변함이 없는 것은 수트블로어의 기계적 구조이다.
가스 통로 표면을 깨끗이 유지하는데 실패하는 경우에 그 대가는 상당히 높다. 누적된 재는 증기발생기로 하여금 보다 낮은 효율로 작동되도록 한다.
이것인 더 많은 연료를 연소시켜야 함을 의미하고 결국 죽음의 나선이 시작 된다. 문제는 모든 보일러, 연료 및 운전시나리오가 모두 특성이 있고 효과 를 발휘하기 위해서는 전형적으로 맞춤형의 해결책이 요구된다는 것이다. 올 바른 조합을 얻는 것은 쉬운 일이 아니다. 효율수준의 저하는 전체적인 압력 강화, 배출가스 온도 그리고/또는 팬 구동전력의 증가, 추가적인 튜브부식과 누설, 지속적인 높은 O&M 비용 및 순전히 청소문제로 인한 불시 정지의 빈 도증가에 의해 알 수 있다. 만약 이런 일이 당신의 발전소에서 일어나고 있 다면 해결책을 찾기 위해 아래 내용에 주목하기 바란다.
그림 1. 충격파(shock wave). 이것은 우주선에 동력을 제공하는 펄스 충격 엔진의 상상도이다. 개념은 단순하다. 연료/산화제 혼합물로 튜브가
채워지고 이것이 점화된다. 급격한 연소는 폭발 충격파로 전환되고 이 충격파는 음속의 8배까지의 속도로 실린더를 통해 진행된다. 연소는 가스가 팽창할 시간도 갖기 전에 완료된다. 이때 결과적인 폭발압력은 우주선에 대한 추진력으로 전환된다. 자료제공: NASA 마샬(Marshall)
우주비행센터
그림 2. 단순한 시스템 설계: 온라인 보일러 청소에 사용되는 전형적인 Pratt & Whitney 쇼크시스템(ShockSystem) 연소기. 자료제공: Pratt &
Whitney MMI
불을 붙여라
약 5년 전에 미국 발전업계에 새로운 기술이 소개되었다. 이것은 Pratt &
Whitney의 펄스 폭발엔진으로부터 도출된 폭발 청소방식을 사용하며 이 엔 진은 초음속 비행체에 동력을 제공하기 위해 사용된다. (그림 1) 미래형의 펄스폭발 엔진을 설계한 엔지니어들은 이 기술이 몇 년 후에 가장 신기한 보일러 청소기술로서 전력업계로 이전되리라는 것은 예측하지 못했을 것이 다. 새로운 쇼크시스템(ShockSystem) 폭발청소 연소기는 (그림 2) 발전기가 오프라인 상태에 있을 때 지금도 사용되는 가장 침투성의 청소방법인 다이 너마이트나 폭파도선을 사용하는 것과는 무관하다. 또한 음파 혼(horn)이나 물대포 같은 다른 온라인 청소시스템 옵션을 가리키는 것도 아니다.
폭발을 만드는 과정은 연소실(chamber)에 연료와 산화제의 혼합물을 채우 고, 이 혼합물을 점화하고, 결과적인 연소파를 폭발 충격파로 전환한 후 다 음 주기를 준비하기 위해 공기로 정화시키는 것으로 구성된다. (그림 3) 연 소실 내의 폭발 충격파는 초음속으로 이동하고, 일단 연소실을 벗어나면 급 속히 압력파로 감쇠되고 열린 공간으로 (혹은 보일러와 같은 대규모 구조물 내로) 전파된다.
그림 3. 내부의 움직임. 이 그림은 쇼크시스템 가동주기를 보여준다.
자료제공: Pratt & Whitney
압력 펄스 또는 단순히 임펄스(impulse)라고도 알려진 압력파는 보일러의 후방 통로에서 소결된 재와 비소결 상태의 재를 제거하는데 요구되는 에너 지를 갖추고 있다. 이 압력파는 튜브 부식에 부정적 영향이 거의 없거나 전 혀 없으며 요구되는 작동빈도는 음향 혼보다 훨씬 더 적다.
폭발 청소방식은 연소기 출구로부터 모든 방향으로 전파되는 압력파를 만 든다. 오늘날까지 모든 적용방식은 보일러 벽 외부에 설치하고 침투를 통해 압력파를 전달하는 것이다. 이러한 적용방식은 양압 통풍 및 균형 통풍 보일 러 양쪽에 모두 설치되었다. 이러한 유형의 설비의 이점은 가동 중 휨에 의 한 랜스튜브(lance tube)의 상실, 고착 혹은 파손의 위험 없이 연소실을 보일 러 벽에 따라 설치하거나 혹은 외부 구조물 주변에 경로를 정할 수 있다. 보 일러 운전자들이 발견한 또 하나의 중요한 장점은 압력파가 통제되고 온라 인 상태로 가해지기 때문에 불필요하게 보일러를 정지시킬 필요가 없다는 것이다. 튜브 부식에 대한 장기적 영향은 최소한이고, 발전소의 배출가스가 감소되며, 배기가스 온도가 낮아지고, 전반적인 보일러 효율이 향상된다.
기존의 유지보수 옵션과의 비교
폭발 청소 방법의 전방향 압력파는 전체 튜브 집합체에 전파되는 반면에 수트블로어 기술은 시선이 닿는 곳의 청소로 제한된다. 각각의 폭발충격은 6 분의 수트블로어 가동 주기의 여러 배와 동등하고 한 개의 연소기로 보일러 구조에 따라 4대까지의 수트블로어를 대치할 수 있다. 표준적인 폭발 청소 스케줄은 연소기 당 12시간마다 반복되는 10개 펄스를 (각 펄스는 단지 몇 밀리 초(秒) 동안만 지속됨) 요구한다. 수트블로어는 전형적으로 수트블로어 당 4시간 마다 6분의 동작주기를 요구한다. 폭발청소는 연속 유지보수 모드 와 구제 청소모드에서 모두 성공적이며 최초 설치에서 고착된 침적물을 제 거한다. 수트블로어는 주로 연속 유지보수 모드에서 사용되고 누적되고 소결 된 재를 제거하는 데는 비효율적이다.
폭발 세척 연소기는 보일러 외부에 위치하는 반면에 수트블로어는 반드시 보일러 내부를 통과해야 한다. Pratt & Whitney의 쇼크시스템의 정기적인 정비요건은 두 가지 뿐이다. 자동차에 대한 정기적인 서비스와는 달리 연료/
산화제 필터의 교체와 연소기 스파크 플러그의 교체뿐이다. 이것을 표준적인 접이식 랜스 수트블로어와 비교해보면 후자의 경우는 노즐과 기어박스 실
(seal)의 마모나 손상, 랜스 튜브의 왜곡, 용해 혹은 부식 및 피드 튜브의 손 상을 끊임없이 살펴야 한다.
운전비용의 감소
폭발 수트블로어는 표에 보인 바와 같이 전통적인 공기와 증기를 사용하 는 수트블로어와 비교하여 큰 비용절감을 제공한다. 폭발 수트블로어는 흔히 다수의 전통식 수트블로어를 대체할 수 있기 때문에 실제 비용절감은 더 높 을 수 있다. 또한 수트블로어 수리나 추가적인 보일러 청소를 위한 정지 기 간이 없어지기 때문에 발생되는 비용 상의 이점도 있다.
경제적 대안. 쇼크시스템 폭발 시스템의 O&M 비용은 전통적인 수트블로어 시스템보다 낮을 수 있다. 자료제공: Pratt & Whitney
단일 수트블로어 또는
연소기 당 비용 공기 수트블로어 증기 수트블로어 쇼크시스템
폭발 수트블로어
유량 5,100scfm 12,000lb/hr 공급업체 데이터
일일 주기 6 6 20
주기 당 시간 (분) 6 6 NA
연간 가동 일자 310 310 310
사용비용 $0.0005/scf $5/톤 $0.28/폭발
보충수 비용 NA $2/1,000갤런 NA
주기 당 비용 $15.30 $3.30 $0.28
일일 비용 $137.70 $29.70 $5.60
연간 운전비용 $42,687 $9,207 $1,736
업계는 또한 전통적인 공기와 증기 수트블로어의 부정적인 튜브부식 영향 없는 전방향 음향 청소방법도 사용한다. 음향 혼을 사용하는 결과는 기껏해 야 중간 정도이다. 음향혼은 다양한 주파수의 음파를 사용하여 후방 통로의 저온 영역에 있는 비소결 상태의 재를 제거한다. 이것은 또한 보다 하류에 있는 환경 관련 구성품에도 설치된다. 이 경우에도 음향 혼은 광고된 성능을 발휘하지 못하는 경우가 많다. 특정한 경우에는 성능을 향상시키기 위해 최 초에 계획했던 것보다 음향 혼을 훨씬 더 자주 가동해야 한다. 이것은 상대 적으로 미약한 청소효과를 고려할 때 장기적인 보일러 건전성에 높은 수준 의 우려를 가져온다.
간편한 설치
폭발 수트블로어는 또한 기기배치에도 추가적인 유연성을 제공한다. 전통 적인 수트블로어는 가동하지 않을 때에도 접이식 랜스 튜브를 설치하기 위 해 넓은 공간이 있어야 한다. 폭발 연소기는 청소 능력을 상실하지 않고 여 러 가지 다양한 구조로 설치할 수 있다.
폭발 청소 제품은 보일러 벽에 따라 설치될 수 있고 장애물을 피하기 위 해 굽힐 수 있다. 굽은 튜브 구성에서 연소기의 외부 가장자리는 보일러 벽 에서 단지 약 6피트 정도 더 나올 뿐이다. 다수의 튜브에 근접하여 설치하면 청소가 최적화될 뿐 아니라 장치가 차지하는 물리적 공간이 최소화된다. 폭 발 청소 제품은 많은 용도에서 수트블로어를 대체하기 때문에 연소실에 맞 도록 수트블로어의 침투부를 이용하여 기존의 수트블로어 위치에 설치할 수 있다. (그림 4)
그림 4. 여러 가지 설치 옵션. 폭발 수트블로어는 사용자에게 여러 가지 설치 옵션을 제공하며 여기에는 (왼쪽에서 오른쪽으로 순서대로) 구분연소기, 접근연소기 및 직선연소기 구조가 포함된다. 자료제공: Pratt
& Whitney MMI
시끄러울수록 더 좋다
폭발방식의 온라인 보일러 청소기술은 “터보차저 방식의” 음향혼이 아니 다. 폭발연소기에 의해 만들어진 압력파는 이산적인 불연속적 압력이며 이것 은 음향혼의 주기적 파동과는 근본적으로 다르다. 압력진폭 역시 음향 혼의 음파와 비교할 때 압력파가 자리수가 다를 만큼 훨씬 더 높다.
음향기술은 본질적으로 전방향으로 전파되기는 하지만 폭발 연소기로부터 의 각각의 압력파 임펄스는 25에서 220Hz 범위로 작동되는 음향혼이 연속 가동되는 경우라도 하루 종일 전달할 수 있는 것보다 훨씬 더 많은 에너지
를 전달한다. 데시벨 단위로 측정하면 쇼크시스템에 의해 발생되는 압력파는 보일러 내부에서 175dB를 초과하는데 반해 음향혼은 130에서 150dB에 불과 하다. 보일러 외부에서의 소음 수준은 100dB 범위로 측정되는데 이것은 OSHA(미국 직업안전보건청)이 허용하는 한계보다 충분히 낮고 전형적으로 발전소에서 사용되는 것보다 더 높은 청각보호가 요구되지 않는다.
압력파의 효과
폭발세척은 연속 유지보수 모드와 고착된 침적물이 반드시 제거되어야 하 는 구제 청소모드 양쪽에서 모두 성공을 거두었다. 음향청소는 주로 연속 유 지보수 모드에서 사용되고, 누적되고 소결상태의 재를 제거하는데는 불충분 하다. 쇼크시스템 홈페이지에 (www.shock-system.com) 게재된 일련의 사용 전과 사용 후 사진은 시스템의 청소효과를 잘 보여준다.
영구적으로 설치된 쇼크시스템뿐만 아니라 시범 설치결과도 온라인 폭발 청소가 다양한 보일러 영역에서 재 침적물의 관리, 발전소 정지의 제한 및 열소비율의 개선에서 전통적 방법과 동등하거나 더 우수한 효과가 있음을 보여준다. (그림 5)
그림 5. 이것이 음압파다. 음압파 방출의 전방향적 특성은 3차원적으로 에너지를 방출하여 열전도 표면을 철저히 청소한다. 이 과정은 3단계로
(왼쪽에서 오른쪽으로) 이루어진다. 첫 번째는 청소 이전의 보일러 단면에 보인 바와 같이 오염물로 메워지고 다져진 상태이다. 이 때 쇼크시스템이 점화되면 충격파가 보일러 튜브 공간을 통해 전달된다.
마지막으로 충격파가 소멸된 후에 튜브 표면이 부분적으로 청소된 것이 보인다. 청소는 필요에 따라 반복될 수 있다. 자료제공: Pratt &
Whitney MMI
압력파의 시선을 벗어난 지역의 청소 기능은 전통적인 수트블로어의 분사 에 의해서는 달성될 수 없다. 폭발 청소장치는 정상적인 보일러 운전과정에 서 가동되어 접근이 불가능한 장소의 청소를 위해 요구되는 발전소 정지의 횟수 그리고/ 또는 기간을 감소시킨다. 이 새로운 기법은 압력파와 관련된 혼합된 재의 속도가 더 낮기 때문에 입자 충격 부식으로 인한 튜브의 마모 가 더 적을 것으로 예상된다. 이것은 보다 긴 발전소 수명과 불시 정지 횟수 의 감소를 의미한다.
온라인 폭발청소 연소기는 증기나 고압공기 (그리고 관련된 압축기)와 같 은 귀중한 발전소 자원에 부담이 되지 않는다. 이러한 장점은 현저히 낮은 운전비용으로 나타날 것으로 예상된다. 전통적인 수트블로어 기술과 대비된 또 다른 장점은 온라인 폭발 청소장치가 기계적 부품이 더 적다는 것이다.
보일러에 출입할 필요가 없기 때문이다. 이것은 정비비용의 감소를 의미한 다. 더욱이 폭발연소기는 다양한 방법으로 구성될 수 있기 때문에 일반적으 로 설치를 위해 보일러 외부에 긴 개방공간이 요구되는 전통적인 접이식 수 트블로어 보다 제한된 면적에 설치가 가능하다.
