KR101115050B1 - 보일러수 중 용존수소 측정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 운전 중인 대용량 보일러 계통을 순환하고 있는 물이나 증기 중에 포함된 수소가스(이하 용존수소라 한다)를 연속적으로 측정하는 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 보일러 계통을 순환하고 있는 물이나 증기를 상온으로 냉각시킨 물(이하 보일러수라 한다)중에 포함되어 있는 수소가스를 가스만을 선택적으로 투과시키는 불소계의 고분자막(이하 가스분리막이라 한다)을 사용하여 분리한 후 분리된 가스 중에 산소가 포함되어 있지 않은 상태에서도 작동하도록 고안된 전기화학적 수소가스 센서를 사용하여 수소가스를 검출하고, 수소가스 농도에 따라서 보일러 과열 여부를 진단하는 장치이다.

본 발명에 의한 보일러수중 용존수소 측정 장치는 감도가 높을 뿐만 아니라 주기적으로 전해액을 교체할 필요가 없고, 전극세정을 하지 않아도 되기 때문에 운영유지가 간편하고, 용존수소 농도에 따라서 보일러 과열 여부를 진단하여 상태에 따라서 상태표시등을 점등하고 경보를 울리도록 되어 있어 운전중인 보일러에서 과열을 감시하는데 매우 유용하게 사용할 수 있다.

보일러 과열, 용존수소, 수소검출, 수중가스 분리

Description

보일러수 중 용존수소 측정방법{Method for measuring dissolved hydrogen in boiler water}

도 1은 본 발명의 보일러수 중 용존수소 측정방법에 대한 3전극 방식의 전기화학적 수소센서 구조이다.
도 2는 본 발명의 보일러수 중 용존수소 측정방법에 대한 3전극 방식 전기화학적 수소센서의 상세도이다.
도 3는 본 발명의 보일러수 중 용존수소 측정방법에 대한 용존수소를 분리하는 분리검출부 구조이다.
도 4는 본 발명의 보일러수 중 용존수소 측정방법에 대한 용존수소 측정 장치의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 보일러수 중 용존수소 측정방법에 대한 용존수소 측정 예이다.

본 발명은 운전 중인 대용량 보일러 계통을 순환하고 있는 물이나 증기 중에 포함되어 있는 용존수소 농도를 측정하는 장치에 관한 것이다. 운전중인 보일러에서 과열(재질의 온도가 정상적인 사용온도 범위를 초과한 상태)이 발생하여 보일러 튜브의 온도가 300℃ 이상으로 되면 보일러 튜브 내면을 흐르는 물이나 증기가 튜브재질과 직접 반응하여 튜브 내면에 산화철이 생기면서 수소가스가 발생한다(식1).

이때 발생하는 수소가스량은 온도가 높을수록 많아지기 때문에 보일러 계통을 순환하는 물이나 증기 중에 포함된 용존수소량을 측정하면 과열 발생 여부나 과열의 정도를 알 수 있기 때문에 용존수소 측정 방법이 보일러 과열을 감시하는 방법의 하나로 사용되고 있다.

현재 물 중에 포함되어 있는 용존수소를 측정하는 방법으로 많이 사용되고 있는 것은 보일러수중의 용존수소를 불소계의 고분자 가스분리막으로 분리하여 전해조(cell) 내의 전해액 중에 확산시켜 산화하는 방법(스위스 Orbisphere 사)과 보일러수 중에 직접 전극을 담가 용존수소를 산화하는 방법(독일 Gronowski 사)이 있다.

전해액중에서 산화하는 방법은 양극으로 백금(Pt), 음극으로 염화은(AgCl)이 피복된 은(Ag) 전극을 사용하고, 전극 사이에 전해액이 채워져 있다. 가스분리막을 사용하여 보일러수로부터 분리한 수소가스가 전해조 내로 들어와 전해액중을 확산하여 양극에서 수소가스가 산화되면서 전자를 방출하고, 음극에서는 양극으로부터 전자를 받아 표면의 염화은이 은으로 환원된다.

따라서 이 방법은 산소가 없는 상태에서도 사용이 가능하다. 그러나 시간이 지남에 따라 은전극 표면의 염화은이 소모되기 때문에 주기적으로 이를 보충하여 주어야 하므로 잦은 보수가 필요하고, 매번 전해조를 분해하여 전극을 세정하고 재조립하여야 하기 때문에 운영유지가 어렵다는 단점이 있다.

한편, 보일러수중에 직접 전극을 담가 수중의 용존수소를 산화하는 방법은 양극은 백금(Pt)을 피복한 티타늄, 음극은 스텐레스 강으로 되어 있으며, 가스분리 과정이 필요없다는 장점이 있으나 보일러수중에 많이 존재하는 철산화물과 같은 불 순물에 의해서 전극표면이 쉽게 오염되기 때문에 자주 세정을 실시하여야 하고 물의 순도가 높은 때에는 전해질을 첨가하여 주어야 하기 때문에 운영유지가 불편하다는 단점이 있다.

본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 개선하기 위한 것으로, 보일러 수중에 포함된 용존수소를 가스분리막으로 분리한 다음 가스상태에서 3전극 방식의 전기화학적 수소센서를 사용하여 수소가스를 검출하는 방법에 관한 것이다.

도1에 공기중에 포함되어 있는 수소가스를 검출하는데 많이 사용되고 있는 3전극 방식의 전기화학적 수소센서의 구조를 나타내었다. 전극은 양극(1)과 음극(2) 및 참조전극(3)으로 되어 있고 세 전극은 모두 백금을 담지시킨 다공성 전극으로 되어 있다. 전극 사이에는 전해질 용액이 채워져 있다. 가스유입구(6)를 통하여 수소가스가 공기(산소)와 함께 수소센서 내부로 들어오면 양극에서는 수소가스가 산화되면서 전자를 방출하고, 음극에서는 양극으로부터 부하저항(5)을 통하여 이 전자를 받아 산소가 환원된다. 양극의 수소이온(H⁺)과 음극의 수산이온(OH^-)이 반응하여 물로 된다(식4, 식5, 식6). 이때 부하저항(5)에 흐르는 전류는 수소농도에 비례하므로 전류의 크기에 의해서 수소농도를 측정할 수 있다.

따라서 이와 같은 3전극 방식의 전기화학 수소센서에서 전극반응이 일어나기 위해서는 산소가 필수적으로 필요하다. 전극반응이 잘 일어나기 위해서는 최소 10％ 정도의 산소가 필요하다. 따라서 대용량 보일러수에서 분리된 수소가스와 같이 산소가 거의 없거나 미량으로 존재하는 경우에는 현재 사용되고 있는 수소가스와 공기(산소)가 하나의 구멍을 통하여 동시에 유입되도록 되어 있는 3전극 방식의 전기화학적 수소센서는 사용이 불가능하다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에서는 수소센서의 후면에 구멍을 만들어 이 구멍을 통해서 외부로부터 공기(산소)가 수소센서 내부로 유입되도록 하여 산소를 포함하고 있지 않은 수소가스의 검출이 가능하도록 하였다. 즉 수소센서 전면의 구멍을 통해서는 보일러 수로부터 분리된 수소가스가 들어오고 수소센서의 후면의 구멍을 통해서 전극반응에 필요한 공기(산소)가 공급되도록 하였다

도2에 본 발명의 개선된 3전극 방식 전기화학적 수소센서의 상세한 구조를 나타내었다. 센서외함(4) 후면에 공기가 유입될 수 있도록 하는 공기유입구(10)가 있고, 이곳을 통하여 외부로부터 공기가 수소센서 내부로 들어오고 내부의 전해액이 외부로 유출되지 않도록 하는 가스투과막(9)이 있으며, 가스투과막 아래에는 밀봉을 위한 오링(8)과, 가스투과막 바로 위에는 가스투과막을 밀착시키기 위한 지지 판(11)이 있다. 이와 같은 구조를 갖는 3전극 방식의 전기화학적 수소센서를 구현하여 보일러수로부터 분리된 산소를 포함하지 않는 수소가스의 검출이 가능하도록 하였다.

도3에 본 발명의 개선된 3전극 방식 전기화학적 수소센서를 사용하여 보일러수로부터 용존수소를 분리하여 검출하는 분리검출부의 구조를 나타내었다. 수소가스를 포함하는 보일러수가 물유입구(13)을 통하여 들어와 수소가스만 가스분리막(12)을 통과하여 수소가스센서의 가스유입구(6)로 들어가고 보일러수는 물유출구(14)를 통하여 흘러나간다. 가스분리막을 통과하여 수소가스 센서로 들어가는 수소가스량은 보일러수 유량의 영향을 받기 때문에 분리검출부에 유입되는 유량을 일정하게 유지할 필요가 있다.

＜ 적용예 1＞

본 발명의 보일러수중 용존수소 측정 장치의 구성을 도4에 나타내었다. 보일러수유입구(1)를 통하여 보일러수가 들어와 유량조절발브(2)에 의하여 유량계에 유량이 250㎖/min이 되도록 조정되어 가스분리부(4)의 하부로 들어갔다가 물유출구(6)를 통하여 나간다. 이때 보일러 수중에 포함된 용존수소는 가스분리막(5)를 통과하여 3전극 방식의 전기화학적 수소센서(7)로 들어간다. 수소센서의 신호는 제어표시부(9)로 전송되어 수소농도로 변환되어 표시창에 표시된다. 수소농도에 따라 상태표시등(10)에 상태(정상, 주의, 경고)를 나타내는 등(Lamp)이 켜지고, 주의나 경고상태에서는 경보장치(12)를 울리게 된다.

도5에 본 발명의 보일러 수중 용존수소 측정 장치를 사용하여 발전소 보일러 수중의 용존수소를 측정한 예를 나타내었다. 장기간에 걸쳐 안정적으로 작동하고 있으며, 0.1ppb 수준의 낮은 용존수소 농도 변화를 검출할 수 있다.

본 발명은 대용량 발전소에서 보일러 과열을 감시하기 위하여 보일러수 중의 용존수소를 측정하는데 있어서 측정감도가 높고, 장기간에 걸쳐 안정적일 뿐만 아니라 자주 전해액을 교체할 필요가 없고, 전극세정을 할 필요가 없는 새로운 수단을 제공함으로써 용존수소 측정기의 신뢰도를 높이고, 운용이 편리함은 물론 용존수소 농도에 따라서 보일러 과열발생 여부를 진단할 수 있어 발전소 보일러 사고예방과 수명연장에 크게 기여할 것이다.

Claims (4)

1. 발전소 보일러수중의 용존수소를 측정하는 방법에 있어서,

   상온으로 냉각된 보일러수를 장치로 도입하여 가스만 선택적으로 투과시키는 가스분리막을 사용하여 보일러수로부터 용존수소를 분리하는 단계,

   분리된 용존수소를 3전극 방식 전기화학적 수소센서로 검출하는 단계,

   3전극 방식의 전기화학적 수소센서에서 검출된 신호를 받아 농도로 변환하여 표시하고, 용존수소 농도에 따라 보일러 과열 여부를 진단하는 단계로 이루어진 보일러수 중 용존수소 측정방법.
2. 제1항에 있어서, 3전극 방식 전기화학적 수소센서는 수소가스 유입구 반대편에 공기유입구가 있고, 공기유입구로부터 전해액이 외부로 유출되는 것을 방지하는 한편, 공기(산소)를 투과시키는 가스투과막이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 보일러수 중 용존수소 측정 방법.
3. 삭제
4. 삭제

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