The Study of Optimized Combustion Tuning Method for Fossil Power Plant

발전용 보일러의 최적연소조정기법에 대한 실험적 연구

정재진*, 송정일**

*두산중공업(주)([email protected]), **창원대학교 기계공학과([email protected])

The Study of Optimized Combustion Tuning Method for Fossil Power Plant

Jung, Jae-Jin* Song, Jung-Il**

*Doosan Heavy Industries & Construction([email protected]),

**Dept. of Mechanical Engineering, Changwon National University([email protected])

Abstract

Fossil power plants firing lower grade coals or equipped with modified system for NOX controls are challenged with maintaining good combustion conditions while maximizing generation and minimizing emissions. In many cases significant derate, availability losses and increase in unburned carbon levels can be attributed to poor combustion conditions as a result of poorly controlled local fuel and air distribution within the boiler furnace. In order to develop a on-line combustion tuning system, field test was conducted at operating power boiler. During the field test the exhaust gases’ O2, NOX and CO was monitored by using a spatially distributed monitoring grid located in the boiler’s high temperature vestibule and upper convective rear pass region. At these locations, the flue gas flow is still significantly stratified, and air in-leakage is minimal which enables tracing of poor combustion zones to specific burners and over-fire air ports. using these monitored information we can improving combustion at every point within the furnace, therefore the boiler can operate at reduced excess O2 and gas temperature deviation, reduced furnace exit gas temperature levels while also reducing localized hot spots, corrosive gas conditions, slag or clinker formation and UBC. Benefits include improving efficiency, reducing NOx emissions, increasing output and maximizing availability.

Discussion concerning the reduction of greenhouse gases is prevalent in the world. When taking a practical approach to addressing this problem, the best way and short-term solution to reduce greenhouse gases on coal-fired power plants is to improve efficiency. From this point of view the real time optimized combustion tuning approach is the most effective and implemented with minimal cost.

Keywords : 보일러(Boiler), 연소(Combustion), 연소조정(Combustion tuning), 미연탄소(UBC), 질소산화물(NOX)

투고일자 : 2009년 8월 31일, 심사일자 : 2009년 9월 5일, 게재확정일자 : 2009년 10월 23일 [논문] 한국태양에너지학회 논문집

Journal of the Korean Solar Energy Society

Vol. 29, No. 5, 2009 IS S N 1 5 9 8 - 6 4 1 1

기 호 설 명

NOX : Nitrogen Oxide SOX : Sulfur Oxide LOI : Loss On Ignition

FEGT : Furnace Exit Gas Temp.

RH : Reheater SH : Superheater OFA : Over Fire Air GAH : Gas Air Heater GGH : Gas Gas Heater

1. 서 론

화석연료는 태양에너지의 인위적저장이 아 닌 자연현상에 의해 저장된 거대한 에너지라 고 할 수 있으며, 이는 현대의 태양에너지이 용/저장기술과 같은 태양에너지개발과는 서 로 상대적인 성장 역사를 가지고 있다. 이러 한 화석연료는 폭넓은 이용가능성, 경제성 등의 장점을 갖고 있지만 한정된 자원과 공 해물질 및 이산화탄소의 배출이라는 문제점 을 안고 있다. 따라서 태양에너지이용과 같 은 대체에너지개발과 함께 기존 자원사용상 의 문제점최소화와 이용효율극대화의 노력 이 필요하다. 발전용으로 사용되는 화석연료 의 경우 보유하고 있는 화학적 에너지를 발 전용 보일러 내에서 연소공정을 거치면서 연 소열이라는 열에너지로, 연소열에 의해서 가 열된 증기의 열에너지가 터빈에 의해서 기계 적 에너지로, 기계적 에너지가 발전기에 의 해서 전기에너지로 그 형태가 변하게 된다.

화석연료를 사용하는 발전소 중에서도 석탄 을 연료로 하는 보일러 공정은 대표적인 비 선형 공정중의 하나로 분류할 수 있다.

미분탄 연소공정 자체의 복잡성은 물론 연 소에 따른 슬래깅(slagging), 파울링(fouling) 발생과 예기치 않은 설비의 고장으로 인한 급격한 보일러 거동 변화 등 운전 상태나 효 율이 수시로 변화하는 아주 복잡한 시스템이

다. 이와 같은 보일러의 안전성을 확보하고, 최적의 연소상태를 유지하기 위해서는 다양 한 운전변수들은 물론 질소산화물(NOX), 황 산화물(SOX), 일산화탄소(CO)등과 같은 환 경오염물질 배출기준에 이르기까지 수많은 변수들을 고려해야 한다. 그러나 이러한 모 든 변수들을 고려한다는 것은 현실적으로 많 은 어려움이 따르기 때문에 현재까지의 많은 시험과 운전경험을 통하여 알려진 주요 제어 변수 값들을 적정 수준으로 유지하기 위한 수준에서 연소조정이 이루어지고 있다. 그러 나 이들 변수들 간의 영향 정도를 명확히 규 명하고, 이를 바탕으로 한 시스템적인 접근 이 이뤄진다면 실시간 최적연소조정이 가능 할 것이며, 이는 더욱 향상된 보일러 운전은 물론 설비의 가용성과 출력을 증가시키는 유 용한 도구가 될 것이다. 뿐만 아니라, 화력발 전설비에 있어서 이산화탄소 저감에 대한 실 제적이고 단기간에 해결할 수 있는 방법은 효율을 높이는 것이라고 할 수 있고, 이러한 관점에서 볼 때 실시간 최적연소조정은 비용 대비 가장 현실적이고 효과적인 방법이기도 하다. 이를 위해 본 연구에서는 실증시험을 통하여 실시간 연소조정의 타당성 및 최적연 소시스템 적용가능성을 검토하였다.

2. 최적연소조정 연구를 위한 예비적 고찰

최적연소조정 연구를 위한 실증시험에 앞 서 연소조정에 대한 국내외 발전보일러에서 의 적용현황과 연구동향에 대해 알아보았으 며, 각 내용은 다음과 같다.

2.1 연소조정의 기대효과

보일러의 안정적인 운전과 신뢰성이 확보 된 최적의 연소상태를 유지하기 위해서는 운 전 변수들 간의 상관관계를 면밀히 고려해야 한다.(그림 1 참조). 그림에서 알 수 있는바 와 같이 연소상태의 변화와 이에 따른 운전

변수(조정가능변수)들 간에는 서로 다양한 상관관계를 갖고 있다.

그림 1. 연소상태에 따른 운전조절변수

이처럼 수많은 변수들을 고려해야한다는 것이 현실적으로 어려운 것은 사실이지만 이 러한 어려움에도 불구하고, 최적연소시스템 개발 및 적용 성공사례들이 기술세미나 또는 논문을 통해 발표되고 있으며, 최근의 IT 기 술 발전과 더불어 더욱 진보된 시스템으로 진화되고 있다. 다음은 외국 발전사의 최적 연소시스템 적용 사례에 대한 데이터이다.¹⁾

• 효율 0.5∼2% 향상,

• NOX 10%∼30% 감소,

• 오염도 제어범위 유지,

• 강열감량(LOI) 최대 20% 감소,

• 승온율 최대화(ramp rate),

• 일산화탄소 최대 50% 감소,

• 과·재열기 온도 변화폭 최대 30% 감소,

• 공연비 제어 성능 향상,

• 석탄 성상 변화에 따른 공정 불안정화 최소화 등

특히, NOX 저감의 경우 부가적인 설비의 증 설 없이 단지 연소 최적화만으로 환경 규제치 이하로 운전되는 조건을 만족시키는 등 상당 한 기술적인 진보가 이뤄지고 있다.^2),3),4)

2.2 국내외 연구 동향

국내에서 운전되고 있는 대부분의 보일러 에서는 지속적으로 일정한 성상의 연료를 사 용하지 않는 경우가 많기 때문에 상탄되는 연료에 맞게 적절히 운전변수를 변경해야만 최적의 운전효율과 안전을 기대할 수 있다.

하지만 현실적으로 이러한 조작을 하기란 쉽 지가 않고, 이에 따른 경제적 손실 또한 엄청 나다고 해도 과언이 아닐 것이다.

최근 들어 각 발전소에서는 보일러 효율 향상 및 운전 신뢰성 확보 방안의 일환으로 미분탄 이송설비에 가변오리피스를 설치하 는 방안이나 버너 노즐 개조 또는 공기량 제 어설비 장착 등의 다양한 시도와 기술도입이 이뤄지고 있으나, 최적연소시스템 구현에는 여전히 한계가 있는 것으로 보인다.⁵⁾

해외의 경우에는 이미 최적연소조정에 대 한 상당한 기술적 노하우가 축적되어 실시간 모니터링 시스템과 제어기법을 최신 IT기술 에 접목하여 상용화(그림 2 참조)하고 있

다.⁶⁾⁷⁾ 이들 시스템을 이용함으로써 운전자는

운전 중의 NOx 증가나 미연분 또는 현열 손 실에 대한 걱정 없이 미연탄소 배출량을 최 소화하는 등의 운전을 할 수 있게 되는 것이 지만 이들 시스템 또한 기술적인 한계가 있 음은 분명하다. 따라서 최적연소조정시스템 의 성공적인 운용은 기본적으로 계측 또는 관리되는 데이터나 계측설비의 신뢰성 확보 가 무엇보다 중요하다고 판단된다.

그림 2. GE Combustion Optimization System

3. 최적연소모니터링시스템 개발

이상의 자료를 바탕으로 최적연소조정시 스템 구현에 대한 타당성 검토와 최적연소조 정시스템개발을 위한 연구를 수행하였으며, 연구내용은 다음과 같다.

3.1 최적연소조정을 위한 실증시험 (1) 센서 설치 목적, 위치 및 연소조정 범위 각종 센서들의 설치 목적은 저온 및 고온 유체 시스템의 입·출구 온도와 유속 측정 및 연소가스 성분 분석을 통하여 설계/운전변수 의 영향을 확인하기 위함이며, 센서 설치 위치 는 화로내부의 고온연소가스가 흐르는 화로상 부의 수평흐름영역과 후부전열부(rear pass) 상부에 공간격자를 형성하고, 각 위치에서의 연소가스 온도와 성분분석을 할 수 있도록 하였다.(그림 3 의 격자점 참조)

그림 3. 보일러 주요사양 및 센서설치 위치

연소시험은 연소와 관련된 운전변수들에 대한 조작과 이때의 화로내부 가스온도측정, 연소가스 분석, 열유속 측정 및 운전데이터 분석이었다. 최적연소조정을 위해서는 그림 1에 나타난 바와 같은 많은 운전변수들을 고

려해야 하지만 실증시험시의 경우에는 과잉 공기량 증대, 공기조절기(air register) 조정, 상부 연소용 공기 주입관(over fire air) 유량 조정, 미분기 바이어스 조정 등 연소와 밀접 한 관계가 있는 주요 변수들에 대한 조작만 을 수행한 연소조정을 수행하였다.

그림 4. Burners and Air Ports Configuration

3.2 실증시험 결과

(1) 보일러 운전 상태 비교

그림 5와 6은 1차 시험(2007년 11월)과 2차 시험(2008년 5월)의 화로내부 연소가스 온도 분포와 가스 분석치를 나타내고 있다.

1차 시험의 경우 연소가스 분포는 재열기측 의 좌측으로 편향되어 운전되고 있으며, CO의 경우 전체 평균이 930ppm정도로서 적정 운전 권장치인 150ppm∼200ppm을 훨씬 초과한 상 태이며, NOX의 경우에 있어서도 160ppm 정도 로 상당히 높은 상태로 운전되고 있다. NOX, CO, O2 측정위치인 후부 전열부 상부에서의 측정값 분포에서 알 수 있는바와 같이 위치 별 로 큰 차이를 나타내고 있음을 알 수 있다.

2차 시험 측정데이터의 경우, 연소가스 분 포는 1차 시험의 경우와 마찬가지로 좌측으 로 편향되어 운전되고 있으나, 재열기측이 아닌 과열기측에 높은 온도 분포를 형성하고 있다. NOX분포는 115ppm 정도로서 전반적 으로 고르게 낮은 값을 나타내고 있으나, CO 의 경우 전체평균이 약 3,000ppm 가까이 나

타나고 있으며, 일부 영역에서는 계기 유효측 정 범위를 벗어날 정도의 높은 수치를 나타내 고 있다. 화로와 보일러 출구까지의 공기누설 율을 0% 라고 가정하면 일반적인 O2 함유량 인 3.5%에 비해 아주 낮은 과잉공기율로 운 전되고 있으며, 2차 시험의 경우 약 0.45 %로 서 CO 과다 배출이 발생할 수밖에 없는 조건 으로 운전되고 있음을 알 수 있다.

그림 5. 연소가스 성분측정 및 온도분포 : 1차 시험

그림 6. 연소가스 성분측정 및 온도분포 : 2차 시험

(2) 연소조정(combustion tuning)시험 결과 시험결과에 나타난 바와 같은 연소가스의 편류, 미연탄소와 NOX 과다발생의 문제점을 해결하고 화로의 열부하를 적정수준으로 유지

하기 위한 연소조정시험을 수행하게 되었으며, 이때의 측정 및 운전데이터 분석은 시험기간 중 운전변수 변경 시점을 기준으로 데이터의 변화 가 발생한 부분에 대해 Case 별로 데이터를 샘 플링 한 후 평균값을 취하였다. Case (A)의 경 우 공기량(1,850 → 1,990 T/h) 증대 후 절탄기 출구 배기 온도가 약 10℃ 상승하는 것 외에는 운전 상태가 아래와 같이 개선됨을 알 수 있다.

* 석탄 투입량 :185∼190 → 175∼180 T/h

* CO량 : 2919/1501ppm → 613/514ppm

* 미연분 : 7.41/7.24 → 4.19/3.97%

* 절탄기 출구 온도 : 평균 10℃ 상승

(a) 연소가스 온도 분포

(b) 연소가스 온도 측정시의 운전데이터

그림 7. 연소가스온도분포 및 운전데이터 : Case (A)

Case 출력 구분 조정 전 조정 값 비고

(B) 510 MW

Air

Reg. 47% 30%(Close) D-1 70%(Open) 버너 OFA 83% 50%(Close)

그림 8. 화로 열유속 측정데이터 : Case (A)

그러나 위와 같은 운전상의 개선은 공기량 증가에 따른 연소상태 호전에 의한 결과이 며, 이로 인해 버너단에서의 연소불안정 상 태가 완전히 해소되거나 최적연소조건으로 조정된 것은 아니다. 그림 7에서 보는 바와 같이 화로내의 연소가스 온도분포는 여전히 좌측으로 치우치는 현상이 개선되지 않았음 을 알 수 있고, 공기량 증가와 더불어 절탄기 출구가스 온도가 올라감으로써 건배기손실 이 증가됨을 알 수 있다. 다만, 그림 8 에서 보는 바와 같이 저과잉공기 운전으로 인한 버너 영역에서의 불완전 연소조건에 의한 열 유속 불균형은 과잉공기량을 증가시킴에 따 라 보일러 화로 후면부가 전면부에 비해 다 소 높게 나타나지만 좌우 균형은 유지되는 것으로 판단된다. Case (B)의 측정 및 데이 터분석결과에 대한 운전 변수 조정 값 및 운 전 변수 조정 항목은 아래 표 1, 2와 같다.

표 1. 운전 변수 조정 값 조정항목

Case

Air Reg.

(D-1 버너)

OFA Flow Front A/B Rear A/B

Case (B)_1 47 83/76 64/64

Case (B)_2 47 → 29 83/76 64/64 Case (B)_3 29 → 70 83/76 64/64 Case (B)_4 70 → 48 83/76 64/64

Case (B)_5 46 51/50 51/51

Case (B)_6 46 61/61 60/59

Case (B)_7 46 80/76 64/64

표 2. 운전 변수 조정 항목

그림 9. 연소조정 결과 모니터링 데이터 : Case (B)

(a) 화로 열유속 : Case (B)

(b) Furnace Metal Temp. : Case (B)

그림 10. 화로 열유속 및 운전데이터 : Case (B)

그림 11. 연소가스 온도분포("B", "E-G") : Case (B)

그림 12. O2, CO, NO 분포("E-G") : Case (B)

일반적으로 대향연소식 석탄버너에서 공 기량 조절 장치가 닫히게 되면 화로로 분사 되는 연소공기의 선회증가로 인하여 화염은 짧아지며, 반대로 개도가 증가하면 화염이 길어지게 된다. 따라서 위에서와 같이 공기 량 조절 장치를 30%로 감소시 화염이 짧아 져 측벽 중앙부의 열 부하는 감소하지만, 화 로에서의 온도가 상승하고, 측정위치 “B”에 서의 연소가스 온도는 우측 하부에서 낮게 형성되는 등의 연소가스 온도분포의 변화를 가져온다. 따라서 공기량 조절 장치를 닫는 방법으로 측벽의 열부하는 감소시킬 수 있지 만 이를 위해 지나치게 닫는 경우 화염이 짧 아져 측벽 중앙부의 열유속은 감소하더라도 버너측 열부하가 증가하게 되므로 주의를 해 야 하고, 후류부에서의 연소가스 온도분포가 변화되는 점도 고려해야 한다. 운전데이터 상의 최종과열기나 최종재열기의 온도 분포 를 보면 좌우 편차 없이 고르게 유지되는 것

으로 보인다. 그러나 이와 같은 저온유체의 균일한 분포는 과열저감기(spray)와 뎀퍼 제 어에 의해 유지되는 것으로서 고온유체의 경 우는 여전히 좌측으로 치우쳐 형성되고 있음 을 알 수 있다. 또한 Case (A) 시험이후 공 기량을 늘림으로써 전체적인 O2 값은 늘어나 고, CO값 역시 낮아졌지만, 그림 12 에서 보 는 바와 같이 국부적으로는 다소 높은 값을 나타내고 있음을 알 수 있다. 이는 여전히 특 정 버너 또는 연소영역에서 불완전 연소가 일어나고 있음을 알 수 있으며, 현재와 같이 부분적인 운전변수의 조작만으로는 쉽게 해 결할 수 없다고 보이지만, 연소가스 온도 및 성분에 대한 실시간 모니터링을 통한 연소조 정이라면 충분히 가능하리라고 판단된다.

(3) 연소조정 시험 결과에 대한 고찰 실증시험 대상 발전소의 경우, 뎀퍼 와 저 온재열기 전단에서 고온재열기 후단으로 바 이패스 라인에 의한 재열기 온도제어를 하고 있으며, 빠른 응답특성과 후부전열부측에서 의 열에너지균형 유지를 위해 일반적으로 적 용되는 2개의 뎀퍼가 아닌 4개의 뎀퍼 제어 시스템을 채용하였지만 종종 특정 뎀퍼가 100% 열리게 되는 현상을 보이고 있다.

이의 주원인은 버너 단에서의 연소불균일 과 이에 따른 화로내부 연소가스 편류에 의 한 문제로 판단된다. 재열기 온도 제어측면 에서는 제어시스템에 의해서 적절히 제어되 고 있으므로 문제가 되지 않을 수도 있지만, 연소가스 유속상승에 의한 전열부에서의 마 모 발생과 불균일한 유량분포로 인한 전열효 율저하 및 보일러 출구가스온도 상승 등의 다양한 문제점들을 야기하고 있다.

이와 같은 문제점들을 해소하기위해서는 상탄되는 탄의 성상이나 연소상태/조건, 효 율 등을 고려한 실시간 자동제어가 이뤄져야 하지만 현재까지는 수동조작에 의한 기본적 인 연소조정만을 수행하는 정도였다.

그러나 본 연구의 실시간 연소조정 타당성 및 최적연소시스템 적용가능성 검토를 통하 여 다양한 연소상태모니터링과 연소제어기 능을 구비한 실시간 연소조정시스템을 갖춘 다면 실시간 최적연소조정이 충분히 가능하 다고 판단된다.

4. 결 론

실제 운전 중인 화력발전보일러를 대상으 로 연소상태에 대한 실시간 데이터 취득/분 석 시스템을 개발/적용함으로써 최적연소에 미치는 주요변수들 파악은 물론 최적연소조 정시스템개발의 토대를 마련하였으며, 최적 연소조정을 현실화하고자 한 본 연구의 결론 은 다음과 같다.

(1) 적절한 연소조정만으로도 미연분이나, NOX를 적정한 수준이하로 유지할 수 있음을 알았다.

(2) 기존의 과열기 튜브의 온도분포나, O2 분포, 화로내부 화염온도 분포 등의 연소관련 데 이터들이 많지만 이것만으로는 최적연소상 태 구현에는 한계가 있음을 알았다.

(3) 절탄기 출구에서 측정되는 O2 정보의 경우 최적 연소조정에는 충분한 정보를 주지 못한다는 것을 알 수 있었다.

(4) 본 실증시험의 대상과 같은 대향연소 보 일러의 경우 화로영역에서 편류가 발생 할 경우 후부전열까지 편류가 해소되지 않음을 알 수 있었다.

(5) 편류를 방지하기 위한 방법은 본 실증시 험에서 적용한 방법과 같이 유동패턴이 크게 변하지 않는 보일러 상부의 수평흐 름영역이나 후부전열부 상부에 연소가스 모니터링시스템을 구축함과 동시에 버너 의 공연비를 실시간 조정할 수 있는 시 스템을 구축할 경우 충분히 해결 할 수 있을 것으로 판단된다.

(6) 본 연구를 통하여 실시간 최적연소조정의 실현 가능성은 실증시험을 통해 확인할

수 있었으며, 실증시험 결과를 실용화하 고, 이와 더불어 실시간 성능/효율 모니터 링시스템과 실시간 석탄분석시스템을 비 롯한 다양한 모니터링시스템들과 통합 운 영할 수 있다면 그 가치를 극대화 할 수 있으며, 향후의 자동제어시스템의 가장 중 요한 시스템중의 하나가 될 것이다.

참 고 문 헌

1. GE Energy, Online Combustion Tuning Systems for Improving Coal Fired Boiler Perform ance, 2006 PowerGen Asia Conference, 2006.

2. Storm Technologies, A Comprehensive Approach to NOX Reduction Without Low NOX Burners, ASME International Electric Power Conference 2005, 2005.

3. Barry E. Pulskamp, P.E, Pulverized Coal Boiler Optimization Through Fuel/Air Control, Thirtieth Annual Kentucky Coal Utilization Conference, 1991.

4. Eric Mazzi, P.E., Experience with Combustion Tuning and Fuel System Modifications to Inexpensively Reduce NOX Emissions from Eleven Coal-Fired Tangential Boilers, EPRI-DOE-EPA Air Pollutant Mega Symposium, 1997

5. 차동원 외, 서천화력 보일러 최적연소를 통 한 미연탄소 저감, 한국중부발전(주) 6. Stephen A. Johnson, Technical Challenges

in NOx Control: Cost-Competitive Compliance for Coal-Fired Boilers, ADA-ES Publication No. 00002

7. IJPGC, A Comprehensive Common Sense Approach to Low NOx Combustion in Pulverized Coal Fired Boilers, ASME technical paper, 1996.