오늘날 모든 공장들의 운전은 유틸리티 시스템 에 의존하고 있다. 유틸리티는 공장의 운전에 필 요한 에너지원을 말하며 유틸리티 시스템은 유틸 리티의 공급에 관련되는 각종 설비를 일컫는다.
공장의 운전에서 요구되는 전기, 수증기, 공업용 수, 그리고 공기 및 각종 가스류들은 유틸리티 시 스템을 통하여 공급된다. 그러므로 공장의 운전에 서 유틸리티 시스템의 효율적인 관리와 운영은 공 장의 안전운전과 경제성에 가장 큰 영향을 미친다.
그러나 이러한 유틸리티 시스템의 중요성에도 불 구하고 공장의 경영에서 유틸리티 시스템은 큰 주 목을 받지 못하고 있다. 유틸리티는 공장에서 생 산되는 최종 제품과 같이 눈에 뜨이는 것이 아니 기 때문에 어떤 문제가 생기기 전에는 거의 무시 당하는 경향이 있다. 특히 불경기가 이어지거나 회사의 경영상태가 악화되거나 경우에는 유틸리 티 시스템은 투자 우선순위에서 아주 뒤로 밀리는 것이 일반적이다.
대부분의 화학공장에서 가열 및 냉각에 소요되 는 유틸리티는 중앙 집중화된 유틸리티 시스템에 의해 제공된다. 아울러 공장 현장에서의 열병합 발전의 사용이 나날이 증가되고 있는데 이는 운전 현장에서 소요되는 전력도 유틸리티 시스템을 통 하여 공급됨을 의미하는 것이다. 따라서 에너지 소비와 관련된 공장의 운전효율은 공정조업 자체 의 효율뿐만 아니라 유틸리티 시스템의 운전 효율 에 따라서도 좌우됨을 알 수 있다. 그러므로 유틸 리티의 운용에 대한 중요성을 간과하는 것은 상당
한 규모의 경제적 손실로 이어질 수 있다. 전기 전 자 및 제약 등의 분야에서는 전체 운전비용에서 유틸리티가 차지하는 부분이 비교적 소규모이지 만 석유화학, 시멘트, 제지 등의 분야에서는 유틸 리비 비용이 전체 운전비용의 상당부분을 차지한 다. 화학관련 산업분야의 공장에서는 대체적으로 사용되는 에너지의 약 70% 정도가 유틸리티 시스 템을 경유하는 것으로 알려져 있다. 따라서 보일 러와 수증기 분배 시스템을 포함하는 유틸리티 시 스템의 효율이 80%라 하면 유틸리티 시스템을 경 유하는 공장 에너지의 14%가 손실되는 셈이 된 다. 그러므로 유틸리티 시스템의 효율적인 운용을 통하여 상당한 에너지 절감, 나아가 조업비용의 절감을 이룰 수 있다.
유틸리티 가운데 대부분의 공장에서 가장 큰 비 중을 차지하는 것은 수증기이다. 수증기 수급운용 의 효율적인 관리는 공장의 전력 및 용수의 수급 에도 직접적인 영향을 미친다. 따라서 본 고에서 는 수증기의 수급을 중심으로 하는 유틸리티 공정 의 최적 운용에 대해서 살펴보고자 한다. 수증기 와 관련되는 유틸리티 설비로서는 수증기의 생산 을 위한 보일러, 보일러에서 생산된 수증기로부터 의 전력 생산 및 수증기의 감압을 위한 터빈, 그리 고 공장조업 현장에서 요구되는 다양한 압력수준 의 수증기를 적절히 분배하기 위한 수증기 분배계 통을 들 수 있다. 따라서 이들 유틸리티 설비 각각 에 대한 최적 운용방안을 규명할 필요가 있다. 그 러나 이들 유틸리티 설비는 매우 복잡하며 공장조 여 영 구
한양대학교 응용화학공학부, [email protected]
업과 직접 연관되어 있기 때문에 간단한 계산기나 수작업에 의한 계산으로는 이들 설비들에 대한 최 적 운전조건을 규명할 수 없다. 그러므로 컴퓨터 의 도입 활용이 필수적으로 요구되는데 컴퓨터를 통한 계산에서는 각 유틸리티 설비와 이의 운전에 대한 모델이 필요하다. 유틸리티의 효율, 그리고 보일러, 터빈 및 수증기 분배계통과 같은 주요 유 틸리티 설비의 모델을 통하여 최적 운전조건을 규 명하고 유틸리티 시스템의 최적 설계를 구현할 수 있다.
보일러 공정
보일러는 연료를 연소하여 얻은 열이나 다른 열 원으로부터의 열을 이용하여 밀폐용기 내의 물로 부터 수증기를 발생하는 장치이다. 수증기를 이용 하는 증기기관은 18세기 초부터 활용되기 시작하 였으나 보일러가 제대로 실용화된 것은 19세기 초 부터이다. 보일러는 유틸리티 플랜트에서 가장 큰 비중을 차지한다. [그림 1]은 보일러의 대략적인 구조를 보인 것이다.
보일러는 크게 탈기기(deaerator), 고압급수 가 열기(HPH, high-pressure heater)(오일 보일러 의 경우), 절탄기(economizer)(석탄 보일러의 경 우), 공기식 공기예열기(GAH, gas-air heater), 증기식 공기예열기(SAH, steam-air heater), 1차 및 2차 과열기(석탄 보일러의 경우 3차 과열기까 지 있다), 보일러 드럼, 중유 가열기(오일 보일러 의 경우)그리고 플래쉬 탱크로 구성되어 있다. 보 일러 급수는 정수 및 중화공정과 같은 사전처리를 거쳐 탈기기로 유입된다. 보일러 급수의 사전처리 에 의해 보일러 내부가 부식하거나 내부면에 노폐 물이 축적되는 것을 막을 수 있다. 탈기기에서는 수증기를 유입시켜 보일러 급수와 접촉하도록 한 다. 보일러 급수가 수증기와 접촉하여 가열되면 급수 내부에 용해되어 있는 기체가 제거된다. 이 러한 과정을 거치지 않으면 보일러 급수에 용해되 어 있는 기체가 보일러 내부에서 팽창하게 되어 보일러가 폭발할 가능성이 있기 때문이다. 기체가 제거된 보일러 급수는 급수 펌프를 통해 보일러의 절탄기로 유입된다. 절탄기는 보일러 연소로에서
그림 1. 보일러의 개략적인 구조.
연소된 가스가 배출되는 부분에 위치하여 급수를 예열시킨다. 이렇게 예열된 급수는 보일러 드럼으 로 유입되어 수증기와 물로 분리된다. 보일러 드 럼에서 물이 수증기로 되는 속도보다 급수가 드럼 으로 들어오는 속도가 더 빠르면 과열기로 물이 나가기 때문에 드럼에 물이 넘치지 않도록 플래쉬 탱크로 일정량의 급수가 빠져나와 순수 급수를 예 열하는데 쓰이게 된다. 드럼에서 나온 수증기는 과열기로 이동하여 1차, 2차 및 3차 과열기를 통 과하면서 최종적으로 초고압 증기(예를 들면 510
℃, 114kg/cm
2g)가 된다. 물은 보일러 연소로 벽 면의 관을 통해 이동하면서 가열되어 수증기로 되 고 수증기는 부력에 의해 보일러 드럼으로 다시 올라오게 된다.
오일 보일러는 유동층 보일러인 석탄 보일러에 비하여 매우 단순한 구조로 조
작이 상대적으로 간편하다. 석 탄 보일러에는 석탄의 이동에 필요한 트레일러 및 미분탄 연 소기와 유동층 보일러 내부의 매개물질, 석회석 등을 회수, 회귀시키는 장치가 추가되어 있다. 또한 석탄 보일러는 공 기를 계속적으로 불어넣어 주 어서 매개물질이 부유하도록 해야 하므로 내부 부품의 고장 이 잦은 단점을 가지고 있다.
보일러의 설계 및 운전에 있어 서는 소요 수증기 발생량, 수 증기 압력, 수증기 온도, 보일 러 급수온도, 공기온도, 사용 연료 및 기타 운전 및 설치조 건들에 대한 검토가 필요하다.
보일러 공정의 최적 운전에 있어서는 연료에 대한 공기 비
율을 적절히 유지하는 것이 매우 중요하다. 연소 공정의 최적화에 있어서는 [그림 2]에서와 같이 모델을 통하여 연료 및 공기의 최적값을 제시하고 이에 따라 공정이 운전되도록 한다.
근래에 이르러 대기오염에 대한 환경규제의 강 화로 [그림 3]에서와 같이 배기가스 중의 NO
x및 CO 함유량에 대한 허용기준이 충족되도록 연소 공정이 운전되어야 한다.
보일러에서 생산되는 수증기는 수증기 헤더 (header)를 통해 수증기를 필요로 하는 단위 공정 이나 기타 수요처로 유입되는데 요구되는 수증기 의 양과 질은 계절과 기후 조건, 그리고 공장의 운 전상황에 따라 빈번하게 변하는 것이 일반적이다.
따라서 공장의 안정적, 경제적 운전을 위해서는 수증기의 변동량과 소요 등급을 정확히 파악하여
그림 2. 보일러 연소공정의 최적화.
그림 3. 환경오염규제를 감안한 보일러 연소공정의 운전범위.
분배 공급해 주는 것이 필수적이다. 수증기의 안 정적 공급을 위해서 엔지니어는 수증기 분배공정 에 수반되는 각 유틸리티 단위 장치의 운전상태를 정확히 파악하여 변화된 요구량에 대응하도록 하 고 수증기 헤더의 온도와 압력이 일정하게 유지하 도록 수증기 분배공정의 각 단위 장치를 조절하여 야 한다. 그러나 고압급수 가열기(HPH), 증기식 공기 예열기(SAH), 그리고 탈기기 등에서 주로 소비되는 자체 소모 수증기로 인한 보일러의 부하 증가량 계산과 터빈 발전기의 열분석에는 많은 시 간과 노력이 소요되므로 수증기 분배 및 공급조업 을 신속 정확하게 할 수 있는 시스템을 확보하여 운용하는 것이 필요하다.
수증기 분배
수증기 헤더는 수증기 발생 장치에서 생산한 수 증기를 각각의 단위 공정이나 수요처로 공급해 주 는 역할을 하며 헤더의 압력에 따라 초고압, 고압, 중압, 저압 수증기 헤더로 구분할 수 있다. 가장 대표적인 수증기 헤더의 온도와 압력 조건은 [표 1]에 나타나 있다.
[표 1]에 보인 네 개의 헤더는 일반적으로 터빈 발전기와 유틸리티 터빈, 그리고 감압 설비로 연 결되어 있으며 비상사태를 위해 대기 방출 운전을 하도록 되어 있다.
보일러에서 생산된 초고압 수증기는 먼저 초고 압 수증기 헤더로 이송되는데 그 중 일부는 각각 의 공정으로 이송되고 나머지는 터빈 발전기에 공 급되어 중압 수증기 헤더와 저압 수증기 헤더로 추기되기도 하며 감압 설비를 거쳐 고압 수증기
헤더로 공급되기도 한다. 감압 설비를 거친 고압 수증기는 유틸리티 펌프를 구동하는 터빈으로 공 급되어 중압 수증기 헤더나 저압 수증기 헤더로 추기되기도 하며 나머지는 감압 설비를 거쳐 중압 수증기 헤더로 공급된다. 유틸리티 터빈과 터빈 발전기의 고압단, 그리고 감압 설비로부터 공급된 중압 수증기는 연료 펌프를 구동하기 위한 터빈, 고압 급수 가열기, 증기식 공기 예열기, 그리고 수 증기 분무 장치에서 사용되고 나머지는 감압 설비 를 거쳐 저압 수증기 헤더로 공급된다. 터빈 발전 기의 저압단, 감압 설비, 플래쉬(flash) 탱크, 그리 고 유틸리티 터빈으로부터 공급된 저압 수증기는 탈기기와 증기식 연료 예열기 및 각각의 공정으로 공급된다. [그림 4]는 수증기 분배 공정의 대략적 인 공정도이며 [그림 5]는 상용 유틸리티 최적화
온도(℃) 520 380 285 200
압력(atm) 120 40 16 4
표 1. 각 수증기 헤더의 온도와 압력
초고압 고압 중압 저압
수증기 수증기 수증기 수증기
그림 4. 수증기 분배 공정의 공정도.
시스템의 화면이다.
유틸리티 시스템의 운용 최적화 문제는 일반적 으로 MI(mixed-integer) 최적화 모델로 설정된 다. 목적함수와 제약조건의 형태는 다음과 같다.
목적함수： Min
yd, yt, d, xf(yd, d) + Σpfi(xi, yi)i=1
hj(d, yd, yj, xj, θj) ≤ 0, j = 1, …, p r(d, yd, y1, x1, θ1, …, yp, xp, θp) ≤ 0 제약조건：d ∈ Rn, xj∈Rq×Rp, yd∈ [0, 1]N,
yj∈ [0, 1]n×p
위에서 f는 설계비용함수, fi는 운전비용함수이 며yd는 유틸리티 단위장치의 선택여부를 나타내 는 0이나 1의 값을 취한다.
유틸리티 시스템을 분석할 때 빈번히 야기되는 문제는 저압 수증기 수요를 충당하기 위해서 고압
수증기를 감압 밸브를 통과시킬 것인가, 아니면 수증기 터빈을 통과시킬 것인가를 결정하는 문제 이다. 전기모터와 수증기 터빈 모두에 의해서 구 동될 수 있는 펌프가 있다고 하면 다음과 같은 두 가지 운전방법을 고려하여 볼 수 있는데 이들 가 운데 경제적으로 어느 방법이 유리한지 결정하여 야 한다.
(방법 1)：수증기 터빈을 사용하여 펌프를 구 동하고 저압 수증기를 공급한다.
(방법 2)：전기모터를 사용하여 펌프를 구동하 고 저압 수증기는 감압밸브를 이용하여 공급한다.
수증기 터빈의 사용이 경제적으로 유리한지의 여부를 결정하기 위해서는 전력비용, 연료비용, 수 증기 터빈 효율, 수증기 물성치, 그리고 보일러 효 율에 대한 데이터가 필요하다.
그림 5. 상용 유틸리티 분배 시스템의 보기.
