게시판 > 질답게시판 > steam drum 온도.압력 문의의 건

장현수 jddast

11-05-11 12:30

복잡하게 쓰셔서 이해하는데 힘들었습니다. 하여튼 질문의 요지는 steam drum에서 기액분리가 어떻게 되는건지 알고 싶다는 거네요.

1) 우선 steam drum에 들어오는 Feed는 2가지입니다.
1. Deaerator에서 오는 액체
2. 보일러에서 발생한 스팀을 사용하고 응축이 된 condensate
이 두액체가 스팀드럼에 들어오면서 (스팀드럼은 이 두 액체의 압력보다 낮게 설계) 압력이 떨어져 기체가 발생하게 됩니다. 그렇면 발생한 기체는 상단노즐을 통해 터빈으로 가는 것이고, 액체는 아래 노즐을 통해 다시 보일러로 순환하게 되는 것 같네요.

2) steam drum의 압력과 온도는 각 시스템별로 달리 하셔야 합니다. 예로, 보일러에서 발생한 스팀을 사용한 condensate(응축수)가 3kg/cm2g라고 한다면 스팀드럼은 기체를 발생할 수 있도록 그 보다 낮은 압력 (예, 2kg/cm2g나 1kg/cm2g, 또는 대기압...) 이 되어야 겠지요. 온도는 설정한 드럼의 압력에 해당하는 포화온도가 될 것이구요. 다만, 압력을 많이 떨어뜨릴수록 기체가 많이 발생하니 목적에 따라 Balaance를 잡아야 할 것입니다.

답이 되었는지 모르겠네요.

PC보일러설… sky83jjy

11-05-12 15:47

소중한 답변 감사드립니다.
결국 기액분리는 압력을 떨어뜨려 기체를 발생시키는거군요~
감사합니다~

스테파노 Stefano

11-05-12 21:20

(0) 장현수님의 답글에서 의미하는 'steam drum'은 보일러에서 일반적으로 말하는 스팀드럼을 설명한 것이 아닙니다. 무엇을 설명하고 있는지 알 수 없습니다.

i) "Dearator 액체나 Condensate가 들어와 압력이 떨어지면서 기체가 발생.."
ii) "발생한 기체는 상단 노즐을 통해 터빈으로 .."
iii) "액체는 노즐을 통해 다시 보일로로 순환.."

장현수님.. 위의 어느 것도 맞지 않는 설명입니다. 그 이유를 설명하지요.
i) Deaerator 액체나 Condensate에서 발생는 기체는 Live Steam이나 Flashed Steam이라고 하며 압력이 거의 없는 기체입니다.
ii) 여기서 발생한 기체는 거의 압력이 없어서 터빈을 구동할 수 없으며 설령 압력이 있는 포화스팀이라고 해도 터빈에 사용할 수가 없습니다. 터빈에 사용하는 스팀은 과열스팀이 되어야 하기 때문이지요.
iii) 액체가 노즐을 통해 보일러로 순환하는 것으로 설명하고 있는데 어떤 노즐을 의미하며 어떤 Driving Force로 보일러에 흘러들어간다는 것인지 불분명합니다.

(1) Steam Drum은 "Condensate Drum"이나 "Flash Drum" 혹은 "Blow-down Drum"을 언급하는 것이 아닙니다. 보일러수를 담아두고 물이 순환되는 수관이 연결되어 있거나 연관이 드럼속을 지나가는 구조로 된 Boiler Water Drum을 말합니다. Steam Drum이라고 했지만 스팀과 보일러수(Boiler Water, BW)가 함께 들어 있습니다. 곧 스팀드럼은 보일러드럼을 말합니다.

수관식 보일러(http://www.territorioscuola.com/wikipedia/en.wikipedia.php?title=Water-tube_boiler 참조)에서는 보일러드럼(=스팀드럼)에 들어있는 BW가 Down-comer라는 관을 따라 흘러내려온 다음 가열되는 코일을 따라 흘러올라가면서 BW가 가열되어 수증기(Steam)와 보일러수(Boiler Water)가 혼합된 상태(Two-phase State)로 올라가 드럼 에 다시 들어온 다음 수증기는 액표면으로 상승하여 기상으로 올라가고 BW는 Drum에 남아 다시 순환됩니다. BW가 순환되는 방법은 주로 자연순환식 입니다. 원래의 질문에서 설명한 내용을 보면 BW 강제순환식 보일러를 설명하고 있습니다.

수증기와 BW가 분리되는 원리는 BW드럼안애서는 밀도 차이에 의해서 일차로 분리되고 2차로 관성을 이용해서 분리한 다음 마지막으로 Demisting Pad를 거치면서 기-액이 거의 완전히 분리되어 포화증기가 배출됩니다.

연관식 보일러(http://en.citizendium.org/wiki/File:Fire-tube_Boiler.png 참조)는 연도가스가 보일러드럼(=스팀드럼) 내부를 지나가면서 BW를 가열하여 수증기를 발생시키는데 연관 표면에서 발생되는 수증기는 스팀드럼 표면에서 기-액이 분리되고 여기서도 관성식 액적 분리기, Demister 등을 거쳐 포화수증기가 배출됩니다.

Steam Drum의 내부 구조를 이곳에서 볼 수 있습니다.
http://www.google.co.kr/search?tbm=isch&hl=ko&source=hp&biw=1246&bih=822&q=%22Steam+Drum%22&gbv=2&aq=f&aqi=&aql=&oq=

종류가 너무 많아 이해하기 힘들다 생각되는 경우 이 도면을 참고하세요.
http://www.controlguru.com/wp/p48.html
http://www.google.co.kr/imglanding?q=%22Steam+Drum%22&hl=ko&newwindow=1&gbv=2&tbm=isch&tbnid=Rce0jFC1qsgKNM:&imgrefurl=http://www.gewater.com/handbook/boiler_water_systems/fig16-4.jsp&imgurl=http://www.gewater.com/images/handbook/boiler_water_systems/16-4.jpg&w=302&h=301&ei=qczLTcyGK8feiALHi8mLBQ&zoom=1&iact=hc&page=7&tbnh=154&tbnw=155&start=125&ndsp=22&ved=1t:429,r:13,s:125&biw=1229&bih=805

(2) "처음에 boiler feed water로 들어온 물" 이 물은 BFW(Boiler Feed Water)라고 하며 차거운 물이 Drum에 열충격을 주지 않도록 BW와 잘 섞이도록 해줄 뿐이고.. "나중에 열교환 후에 들어온 steam"은 Boiler Water와 혼합된 상태로 "Riser Tube" 속을 통과한 뒤에 Steam(Boiler Water) Drum으로 다시 순환됩니다. 수관식 보일러는 대부분 대류에 의한 자연순환식 흐름을 사용합니다. 대류 현상은 수증기와 BW의 밀도차이에 의해 일어납니다.

(3) Steam Drum의 압력은 Drum 상부의 압력이 바로 포화 Steam의 압력이 되며 Boiler Drum(Steam Drum)의 하단 혹은 Down-comer 하단에서는 BW의 정압이 더해져서 압력이 가장 높습니다. Boiler가 아주커서 BW 액면이 10m 정도 된다면 기상 상부와 Coil 하단부의 압력차가 1기압 정도 차이가 나겠지만 대체로 보일러 드럼내의 압력은 거의 같다고 인식하는 것이 상례입니다.

(0) 장현수님의 답글에서 의미하는 'steam drum'은 보일러에서 일반적으로 말하는 스팀드럼을 설명한 것이 아닙니다.  무엇을 설명하고 있는지 알 수 없습니다.

i) "Dearator 액체나 Condensate가 들어와 압력이 떨어지면서 기체가 발생.." 
ii) "발생한 기체는 상단 노즐을 통해 터빈으로 .."
iii) "액체는 노즐을 통해 다시 보일로로 순환.."

장현수님.. 위의 어느 것도 맞지 않는 설명입니다.  그 이유를 설명하지요.  
i) Deaerator 액체나 Condensate에서 발생는 기체는 Live Steam이나 Flashed Steam이라고 하며 압력이 거의 없는 기체입니다.  
ii) 여기서 발생한 기체는 거의 압력이 없어서 터빈을 구동할 수 없으며 설령 압력이 있는 포화스팀이라고 해도 터빈에 사용할 수가 없습니다.   터빈에 사용하는 스팀은 과열스팀이 되어야 하기 때문이지요.  
iii) 액체가 노즐을 통해 보일러로 순환하는 것으로 설명하고 있는데 어떤 노즐을 의미하며 어떤 Driving Force로 보일러에 흘러들어간다는 것인지 불분명합니다.    
  
(1) Steam Drum은 "Condensate Drum"이나 "Flash Drum" 혹은 "Blow-down Drum"을 언급하는 것이 아닙니다.  보일러수를 담아두고 물이 순환되는 수관이 연결되어 있거나 연관이 드럼속을 지나가는 구조로 된 Boiler Water Drum을 말합니다.  Steam Drum이라고 했지만 스팀과 보일러수(Boiler Water, BW)가 함께 들어 있습니다.  곧 스팀드럼은 보일러드럼을 말합니다.

수관식 보일러(http://www.territorioscuola.com/wikipedia/en.wikipedia.php?title=Water-tube_boiler 참조)에서는 보일러드럼(=스팀드럼)에 들어있는 BW가 Down-comer라는 관을 따라 흘러내려온 다음 가열되는 코일을 따라 흘러올라가면서 BW가 가열되어 수증기(Steam)와 보일러수(Boiler Water)가 혼합된 상태(Two-phase State)로 올라가 드럼 에 다시 들어온 다음 수증기는 액표면으로 상승하여 기상으로 올라가고 BW는 Drum에 남아 다시 순환됩니다.   BW가 순환되는 방법은 주로 자연순환식 입니다.  원래의 질문에서 설명한 내용을 보면 BW 강제순환식 보일러를 설명하고 있습니다.

수증기와 BW가 분리되는 원리는 BW드럼안애서는 밀도 차이에 의해서 일차로 분리되고 2차로 관성을 이용해서 분리한 다음 마지막으로 Demisting Pad를 거치면서 기-액이 거의 완전히 분리되어 포화증기가 배출됩니다.

연관식 보일러(http://en.citizendium.org/wiki/File:Fire-tube_Boiler.png 참조)는 연도가스가 보일러드럼(=스팀드럼) 내부를 지나가면서 BW를 가열하여 수증기를 발생시키는데 연관 표면에서 발생되는 수증기는 스팀드럼 표면에서 기-액이 분리되고 여기서도 관성식 액적 분리기, Demister 등을 거쳐 포화수증기가 배출됩니다.

Steam Drum의 내부 구조를 이곳에서 볼 수 있습니다. 
http://www.google.co.kr/search?tbm=isch&hl=ko&source=hp&biw=1246&bih=822&q=%22Steam+Drum%22&gbv=2&aq=f&aqi=&aql=&oq=

종류가 너무 많아 이해하기 힘들다 생각되는 경우 이 도면을 참고하세요.
http://www.controlguru.com/wp/p48.html
http://www.google.co.kr/imglanding?q=%22Steam+Drum%22&hl=ko&newwindow=1&gbv=2&tbm=isch&tbnid=Rce0jFC1qsgKNM:&imgrefurl=http://www.gewater.com/handbook/boiler_water_systems/fig16-4.jsp&imgurl=http://www.gewater.com/images/handbook/boiler_water_systems/16-4.jpg&w=302&h=301&ei=qczLTcyGK8feiALHi8mLBQ&zoom=1&iact=hc&page=7&tbnh=154&tbnw=155&start=125&ndsp=22&ved=1t:429,r:13,s:125&biw=1229&bih=805

(2) "처음에 boiler feed water로 들어온 물" 이 물은 BFW(Boiler Feed Water)라고 하며 차거운 물이 Drum에 열충격을 주지 않도록 BW와 잘 섞이도록 해줄 뿐이고..  "나중에 열교환 후에 들어온 steam"은 Boiler Water와 혼합된 상태로 "Riser Tube" 속을 통과한 뒤에 Steam(Boiler Water) Drum으로 다시 순환됩니다.   수관식 보일러는 대부분 대류에 의한 자연순환식 흐름을 사용합니다.  대류 현상은 수증기와 BW의 밀도차이에 의해 일어납니다.

(3) Steam Drum의 압력은 Drum 상부의 압력이 바로 포화 Steam의 압력이 되며 Boiler Drum(Steam Drum)의 하단 혹은 Down-comer 하단에서는 BW의 정압이 더해져서 압력이 가장 높습니다.   Boiler가 아주커서 BW 액면이 10m 정도 된다면  기상 상부와 Coil 하단부의 압력차가 1기압 정도 차이가 나겠지만 대체로 보일러 드럼내의 압력은 거의 같다고 인식하는 것이 상례입니다.

장현수 jddast

11-05-13 08:58

우선 PC보일러님께 틀린 답글로 인한 혼란을 드려 죄송하고 오류를 수정해 주신 스테파노님께 감사드립니다.
제가 잘 모르면서도 이런 글을 올리는 이유는 함께 생각을 공유하고 문제를 해결하자는 취지였으니 이해해 주시기 바랍니다.

1) 제가 올린 답글은 완전 잘못된 생각이었네요. 저는 지금까지 단순히 Deaerator에서 발생한 BFW와 스팀을 사용하고 재순환된 condensate가 보일러로 들어가며, 보일러에서 발생한 고압과열스팀이 바로 터빈같은 사용처로 간다고만 생각을 했었습니다. 일반적으로 저는 Vendor에게 Package로 의뢰를 하기에 자세한 구조를 공부하지 않은 탓입니다.

2) Boiler drum의 사용이유는 위에서 설명하신대로 Drum에 열충격을 주지않게하기 위해서입니다. (제가 아는 BFW의 사용이유 한가지 더는 보일러순환액의 산소용존도를 떨어뜨려 즉, 깨끗한 물을 유지하기 위함이라고 알고 있습니다.)

3) 그렇다면 PC보일러님께서 원하신 답변은 스테파노님 말씀대로 밀도차와 관성, Demister가 기액분리의 원리가 되겠네요.

4) 한가지 의문점은 터빈과 같은 사용처에서는 과열스팀이 필요로한데 steam drum(boiler drum)을 거친 스팀은 포화상태가 될 것으로 이해하고 있습니다. 이 점이 약간 의문입니다.

스테파노 Stefano

11-05-13 20:49

(1) Boiler Feed Water는..
보충용으로 공급되는 "순수(Pure Water, Demineralized Water, Deionized Water, 등으로 부르지만 같은 의미)"와 스팀 사용 후 순환되는 "응축수"를 Deaerator에 모아서 저압스팀으로 탈기(Deaeration)시키고 보일러 약품을 넣어만들어지는 "보일러 급수(Boiler Feed Water, BFW)"입니다.

탈기는 O2뿐 만 아니라 CO2를 제거하기 위함입니다. Boiler 약품에는 부식방지제(Corrosion Inhibitor), 청관제(Scale Remover), 분산제(Scale Dispersant), 산도조절제(pH Control Material), 용존산소 제거제(Oxygen Scarvenger), 등이 적절한 함량으로 섞어 사용됩니다. 보일러와 관련되어 사용되는 물의 종류는 다음과 같습니다.

원수로부터 만들어지고 보충용으로 사용되는 "순수(Deionized Water)",
스팀사용 후 응축수 드럼으로 회수되는 "응축수(Steam Condnesate)",
응축수와 순수로부터 만들어지는 "보일러급수(Boiler Feed Water)",
보일러 드럼에 들어있으면서 내부에서 순환되는 "보일러수(Boiler Water)"
보일러 드럼에서 조금씩 빼주는 "드럼배출수(Blow-down Water)"

(2) 보일러 급수의 공급
BFW는 보일러에 그냥 흘러들어가는 것이 아니고 보일러압력보다 높은 압력으로 펌핑해서 투입해 주어야 합니다. 보일러가 압력을 유지하는 것은 스팀이 발생하기 때문이기도 하지만 스팀이 계속 발생되면서 그 압력을 계속 유지하도록 하는 것은 바로 이 급수펌프에 의해서 입니다. 소형보일러의 경우에는 바로 보일러드럼에 공급되지만 대형 보일러에서는 급수예열기("Economizer")를 거쳐 예열된 후 보일러드럼에 들어갑니다.

(3) 포화 수증기의 발생과 증기 건도
BFW가 Boiler 드럼에 들어오면 Boiler Water(BW)와 섞이게 되는데 보일러드럼내에서 이 BW가 내부에서 순환하면서 가열되어 Steam이 생성됩니다. 생성된 스팀에 Boiler Water가 따라가는 현상 (이를 "비말동반" "Carry Over" 현상이라고 함)이 일어나지 않도록 관성과 응집현상을 이용하여 미세한 물방울이 제거된 "포화수증기"가 발생되어 보일러 드럼을 나옵니다.

비말동반되는 액적이 포함된 전체 포화수증기 중에 들어있는 건조 포화수증기의 비율을 "증기 건도(Dryness)"라고 부릅니다. 건도가 좋지 않은 수증기는 (1)수송중 응축액에 의한 Erosion 문제가 생기고 (2)과열수증기로 만들어 스팀 터빈등에 사용할 때 SiO2등이 터빈 날개에 달라붙는 경향을 나타냅니다.

보일러드럼을 빠져 나올때의 증기 건도가 아주 좋은 포화수증기라고 해도 온도가 떨어지면 응축수가 생성되기 마련인데 이런 포화스팀은 장거리 수송이나 터빈용에 사용할 수가 없습니다. 따라서 온도만을 더 높인 과열수증기가 필요합니다. 과열수증기는 보일러에 들어있는 과열기에서 만들어집니다. 과열기를 가지고 있지 않은 보일러도 아주 많습니다.

(4) 과열수증기의 제조 방법과 과열 수증기 사용이유
과열수증기는 스팀드럼에서 배출되는 포화수증기를 과열기(Superheater)를 통과시켜 포화온도보다 높은 온도로 가열한 것으로 압력은 포화수증기와 같고 단지 온도만 더 높은 수증기입니다. 과열기는 Steam Coil 중 "Convection Zone"에 설치되는 열교환기로 "Radiation Zone"에서 올라오는 Flue Gas와 포화스팀간에 열교환이 일어나면서 Flue Gas의 온도를 낮추어 줍니다. 이 과열수증기를 사용하는 이유는 (1)스팀 수송중 온도가 약간 떨어지더라도 응축수가 생성되지 않도록 하고 (2)수송 선속도를 높게 유지해도 Erosion이 일어나지 않도록 하며 (3) 스팀터빈 날개에 응축수가 충격을 주는 것을 방지하고 (4) 터빈 날개에 SiO2같은 스케일이 쌓이는 것을 방지하기 위함입니다.

(5) Desuperheater
과열수증기는 가열목적으로 사용할 때에는 열전달계수도 떨어지고 스팀이 잘 응축되지도 않기 때문에 사용전 응축수를 분사시켜 포화수중기로 만들어 줍니다.

탈기는 O2뿐 만 아니라 CO2를 제거하기 위함입니다.  Boiler 약품에는 부식방지제(Corrosion Inhibitor), 청관제(Scale Remover), 분산제(Scale Dispersant), 산도조절제(pH Control Material), 용존산소 제거제(Oxygen Scarvenger), 등이 적절한 함량으로 섞어 사용됩니다.   보일러와 관련되어 사용되는 물의 종류는 다음과 같습니다.

원수로부터 만들어지고 보충용으로 사용되는 "순수(Deionized Water)", 
스팀사용 후 응축수 드럼으로 회수되는 "응축수(Steam Condnesate)",
응축수와 순수로부터 만들어지는 "보일러급수(Boiler Feed Water)",
보일러 드럼에 들어있으면서 내부에서 순환되는 "보일러수(Boiler Water)"
보일러 드럼에서 조금씩 빼주는 "드럼배출수(Blow-down Water)"

(2) 보일러 급수의 공급 
BFW는 보일러에 그냥 흘러들어가는 것이 아니고 보일러압력보다 높은 압력으로 펌핑해서 투입해 주어야 합니다.  보일러가 압력을 유지하는 것은 스팀이 발생하기 때문이기도 하지만 스팀이 계속 발생되면서 그 압력을 계속 유지하도록 하는 것은 바로 이 급수펌프에 의해서 입니다.  소형보일러의 경우에는 바로 보일러드럼에 공급되지만 대형 보일러에서는 급수예열기("Economizer")를 거쳐 예열된 후 보일러드럼에 들어갑니다.

(3) 포화 수증기의 발생과 증기 건도
 BFW가 Boiler 드럼에 들어오면 Boiler Water(BW)와 섞이게 되는데  보일러드럼내에서 이 BW가 내부에서 순환하면서 가열되어 Steam이 생성됩니다.  생성된 스팀에 Boiler Water가 따라가는 현상 (이를 "비말동반" "Carry Over" 현상이라고 함)이 일어나지 않도록 관성과 응집현상을 이용하여 미세한 물방울이 제거된 "포화수증기"가 발생되어 보일러 드럼을 나옵니다.

비말동반되는 액적이 포함된 전체 포화수증기 중에 들어있는 건조 포화수증기의 비율을 "증기 건도(Dryness)"라고 부릅니다.  건도가 좋지 않은 수증기는 (1)수송중 응축액에 의한 Erosion 문제가 생기고 (2)과열수증기로 만들어 스팀 터빈등에 사용할 때 SiO2등이 터빈 날개에 달라붙는 경향을 나타냅니다.

보일러드럼을 빠져 나올때의 증기 건도가 아주 좋은 포화수증기라고 해도 온도가 떨어지면 응축수가 생성되기 마련인데 이런 포화스팀은 장거리 수송이나 터빈용에 사용할 수가 없습니다.  따라서 온도만을 더 높인 과열수증기가 필요합니다.  과열수증기는 보일러에 들어있는 과열기에서 만들어집니다.  과열기를 가지고 있지 않은 보일러도 아주 많습니다.

(4) 과열수증기의 제조 방법과 과열 수증기 사용이유
과열수증기는 스팀드럼에서 배출되는 포화수증기를 과열기(Superheater)를 통과시켜 포화온도보다 높은 온도로 가열한 것으로 압력은 포화수증기와 같고 단지 온도만 더 높은 수증기입니다.   과열기는 Steam Coil 중 "Convection Zone"에 설치되는 열교환기로 "Radiation Zone"에서 올라오는 Flue Gas와 포화스팀간에 열교환이 일어나면서 Flue Gas의 온도를 낮추어 줍니다.  이 과열수증기를 사용하는 이유는 (1)스팀 수송중 온도가 약간 떨어지더라도 응축수가 생성되지 않도록 하고 (2)수송 선속도를 높게 유지해도 Erosion이 일어나지 않도록 하며 (3) 스팀터빈 날개에 응축수가 충격을 주는 것을 방지하고 (4) 터빈 날개에 SiO2같은 스케일이 쌓이는 것을 방지하기 위함입니다.

(5) Desuperheater
과열수증기는 가열목적으로 사용할 때에는 열전달계수도 떨어지고 스팀이 잘 응축되지도 않기 때문에 사용전 응축수를 분사시켜 포화수중기로 만들어 줍니다.

장현수 jddast

11-05-17 08:42

더욱 자세한 설명 감사드립니다.