완벽한 증기 품질을 위한 필수 지식: 보일러 드럼 비수방지관 문제의 근본적 해결책

완벽한 증기 품질을 위한 필수 지식: 보일러 드럼 비수방지관 문제의 근본적 해결책

 

목차

1. 비수(Priming) 및 캐리오버(Carry Over) 현상의 이해
2. 보일러 드럼 비수방지관의 역할과 중요성
3. 비수방지관 문제를 유발하는 주요 원인
   • 3.1. 부적절한 수질 관리
   • 3.2. 급격한 부하 변동 및 운전 조건 불안정
   • 3.3. 높은 보일러 수위
   • 3.4. 기계적 설계 및 내부 장치의 문제
4. 보일러 드럼 비수방지관 문제의 구체적인 해결 방법
   • 4.1. 철저하고 체계적인 수질 관리
   • 4.2. 안정적인 운전 조건 유지
   • 4.3. 보일러 수위의 정확한 관리
   • 4.4. 내부 장치의 점검 및 개선
5. 해결책 실행을 통한 기대 효과

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1. 비수(Priming) 및 캐리오버(Carry Over) 현상의 이해

보일러 드럼 내에서 발생하는 비수(Priming) 현상은 증기 생산 시 물방울이 증기와 함께 비정상적으로 다량 배출되는 현상을 말합니다. 이로 인해 증기 품질이 저하되고, 이 물방울이 용해된 고형물과 화학 물질을 함께 증기 라인으로 운반할 때 '캐리오버(Carry Over)'가 발생합니다. 캐리오버는 증기 사용 공정의 오염, 열교환기의 효율 저하, 증기 트랩 및 제어 밸브의 막힘, 그리고 터빈이나 기타 증기 사용 설비의 손상을 유발하는 심각한 문제입니다. 증기 품질 저하는 곧 생산성 저하 및 에너지 손실로 직결되므로, 비수 현상을 방지하는 것은 보일러 운전의 핵심 목표 중 하나입니다.

2. 보일러 드럼 비수방지관의 역할과 중요성

보일러 드럼은 증발관에서 올라온 기수(汽水) 혼합물에서 증기와 물을 분리하는 중요한 역할을 합니다. 비수방지관은 이러한 드럼 내부에 설치되어 증기 순도를 높이는 장치입니다. 일반적으로 드럼 상부에 위치하며, 증기가 드럼을 빠져나가기 전에 물방울을 효과적으로 제거(제습)하여 건조 증기(Dry Steam)를 공급하는 역할을 합니다. 증기 분리기, 증기 세정기(Steam Scrubber), 증기 건조기(Steam Dryer) 등의 내부 장치가 비수방지관의 기능을 수행합니다. 이 장치들이 제 역할을 하지 못하면 증기 내 수분 함량이 높아져 캐리오버가 발생할 가능성이 매우 커집니다. 특히, 비수방지관은 급격한 부하 변동이나 일시적인 수위 상승 상황에서도 증기 품질을 일정 수준 이상으로 유지하는 마지막 방어선 역할을 합니다.

3. 비수방지관 문제를 유발하는 주요 원인

비수방지관 자체의 결함보다는, 보일러의 운전 조건과 환경적 요인이 복합적으로 작용하여 비수 현상을 유발하고 비수방지관의 부하를 증가시키는 경우가 대부분입니다.

3.1. 부적절한 수질 관리

가장 흔하고 중요한 원인입니다. 보일러 수가 과도하게 농축되어 용해된 고형물(TDS, Total Dissolved Solids)의 농도가 높아지면, 물의 표면 장력이 증가하여 거품(Foaming)이 쉽게 발생합니다. 이 거품층이 두꺼워지면 증기와 물의 분리 경계면이 불안정해지고, 결국 거품과 함께 물방울이 증기 쪽으로 튀어 오르면서 비수를 유발합니다. 특히 실리카, 알칼리도, 유기 오염 물질(오일, 그리스 등)의 농도가 높을 때 비수 현상이 악화됩니다.

3.2. 급격한 부하 변동 및 운전 조건 불안정

보일러의 열 부하가 갑자기 급증하거나(예: 대량의 증기 사용 시작) 압력이 급격하게 떨어질 때, 드럼 내부의 물이 갑자기 끓어오르는 현상(Flashing)이 발생하여 물방울이 튀게 됩니다. 이러한 급격한 부하 변동은 비수방지관의 처리 용량을 초과하게 만들어 비수를 일으킵니다. 일정한 압력과 온도에서 운전하지 못하고 잦은 기동/정지 또는 부하 변화를 겪는 보일러에서 흔히 발생합니다.

3.3. 높은 보일러 수위

보일러 드럼의 운전 수위가 정상 범위를 초과하여 너무 높게 유지될 경우, 증기와 물의 분리 공간(Steam Space)이 충분하지 않게 됩니다. 증기가 생성되면서 물방울이 분리될 시간이 짧아지고, 물방울이 비수방지관으로 바로 유입되거나 증기와 함께 드럼을 빠져나갈 가능성이 높아집니다. 자동 수위 조절 장치의 오작동이나 잘못된 설정으로 인해 발생할 수 있습니다.

3.4. 기계적 설계 및 내부 장치의 문제

비수방지관 자체의 설계 결함이나 시간이 지남에 따른 장치 손상(예: 증기 분리기의 파손, 부식, 막힘)도 원인이 될 수 있습니다. 또한, 드럼 내부의 배관(급수 분산관 등)에서 물이 분출될 때 발생하는 난류가 증기 분리 효율을 저해할 수도 있습니다.

4. 보일러 드럼 비수방지관 문제의 구체적인 해결 방법

비수방지관 문제 해결은 단일 조치로 이루어지기보다, 운전 조건과 수질 관리의 종합적인 개선을 통해 이루어져야 합니다.

4.1. 철저하고 체계적인 수질 관리

• 정기적인 블로우다운(Blowdown) 실시: 보일러 수의 총 용해 고형물(TDS) 농도와 알칼리도를 허용 기준치 이하로 유지하기 위해 정기적으로 드럼 하부와 수면 근처의 물을 배출(블로우다운)해야 합니다. 특히 연속 블로우다운 시스템을 통해 TDS를 실시간으로 관리하는 것이 가장 효과적입니다.
• 급수 수질 개선: 보일러 급수의 경도(Hardness) 성분을 제거하기 위해 연수장치(Water Softener) 또는 탈염장치(De-mineralizer)를 최적의 상태로 운전합니다. 급수 내 유기물이나 오일 성분 유입을 철저히 차단해야 합니다.
• 화학 처리 프로그램 최적화: 보일러 수 처리제(스케일 방지제, 부식 억제제 등)를 전문가의 진단에 따라 정확하게 투입해야 합니다. 특히, 비수 현상을 억제하는 데 도움을 주는 소포제(Anti-foaming Agent)를 필요에 따라 적정량 투입하는 것이 효과적인 해결책이 될 수 있습니다.
• 주기적인 수질 분석: 보일러수, 급수, 복수의 pH, TDS, 알칼리도, 경도, 실리카 농도 등을 정기적으로 분석하여 수질 관리 상태를 확인하고 필요한 조치를 즉시 시행합니다.

4.2. 안정적인 운전 조건 유지

• 급격한 부하 변동 최소화: 증기 사용 공정의 부하 변화를 예측하고, 이에 맞춰 보일러의 발화율 및 압력을 점진적으로 조절하여 드럼 내부 압력의 급변을 방지해야 합니다. 필요하다면 축열기(Accumulator)와 같은 장치를 활용하여 증기 부하 변동을 완화할 수 있습니다.
• 운전 압력 유지: 보일러는 설계된 운전 압력 범위 내에서 안정적으로 운전되어야 합니다. 압력이 지나치게 낮아지면 증기 공간 내 난류가 증가하고 비수 발생 가능성이 커집니다.

4.3. 보일러 수위의 정확한 관리

• 정상 수위 유지: 드럼 수위는 수면계로 지속적으로 확인하며, 자동 수위 조절 장치(Level Controller)가 정상 작동하여 항상 지정된 정상 운전 수위를 유지하도록 관리해야 합니다. 수위가 너무 높으면 비수가 발생하고, 너무 낮으면 과열 및 손상 위험이 있습니다.
• 수위계 및 조절 장치 점검: 수위 검출기, 전극봉 및 자동 수위 조절 밸브를 주기적으로 분해하여 청소하고, 오작동 여부를 점검하여 정확성을 확보해야 합니다.

4.4. 내부 장치의 점검 및 개선

• 비수방지관/분리기 점검 및 청소: 정기 보수 시 드럼을 개방하여 증기 분리기, 스크러버 등 비수방지관의 부식, 파손, 막힘(스케일 또는 슬러지 침전) 여부를 육안으로 확인하고, 필요 시 세척하거나 교체해야 합니다.
• 드럼 내부 흐름 개선: 급수 분산관의 설치 위치나 분출 방향을 점검하여 증기 분리 공간에 난류를 최소화하도록 조정합니다.

5. 해결책 실행을 통한 기대 효과

보일러 드럼 비수방지관 문제를 근본적으로 해결하고 증기 품질을 개선함으로써 다음과 같은 효과를 얻을 수 있습니다.

1. 에너지 효율 증대: 건조한 고품질 증기 공급으로 증기 잠열이 온전히 활용되어 열교환 효율이 향상되고, 물을 다시 증발시키기 위한 추가적인 에너지 소모가 줄어듭니다.
2. 설비 수명 연장 및 유지보수 비용 절감: 캐리오버로 인한 증기 배관, 트랩, 밸브 및 증기 사용 설비(터빈, 공정 기기)의 침식, 막힘, 부식 손상을 방지하여 설비의 수명을 연장하고 유지보수 비용을 크게 절감할 수 있습니다.
3. 제품 품질 향상: 증기 내 불순물이 공정 증기에 섞여 제품을 오염시키는 것을 방지하여 최종 제품의 품질을 안정적으로 유지할 수 있습니다.
4. 안전성 확보: 드럼 내부의 안정적인 운전을 통해 과열이나 압력 불안정 등의 잠재적인 안전 위험을 줄일 수 있습니다.