KR101239203B1 - 수직구조로 된 유형 또는 더블유형 화력발전용 증기계통 보일러 튜브를 위한 화학세정방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 화력발전용 보일러의 화학세정공정에서 수직구조로 된 U형이나 W형 화력 발전용 증기계통 보일러 튜브에 화학세정제를 주입할 때 상기 보일러 튜브내면에 공기주머니의 발생을 방지하고, 압축공기를 이용하여 화학세정제를 순환 및 배수하는 방법을 제공하기 위한 것이다.
화력발전, 보일러, 증기계통, 화학세정, 공기 주머니, 압축공기, 진공도

Description

수직구조로 된 유형 또는 더블유형 화력발전용 증기계통 보일러 튜브를 위한 화학세정방법{A chemical cleaning method of pendent U and W type superheaters and reheaters in thermal power plant}
본 발명은 수직구조로 된 U형 또는 W형 화력발전용 증기계통 보일러 튜브(이하, 'U형 또는 W형 보일러 튜브'라 칭함)를 위한 화학세정방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게, 본 발명은 U형 또는 W형 보일러 튜브, 예를 들면 과열기와 재열기 튜브의 화학세정과 관련하여, 본 발명과 동일 출원인 및 동일 발명자가 출원하여 등록을 받은 선행 기술인 "증기계통 보일러의 화학세정 및 입자상 물질 제거기술"인 한국특허등록 제819920호(2008.3.31), 한국특허등록 제827789호(2008.4.29)에서 해결하지 못하는 수직구조로 된 U형 또는 W형 화력발전용 증기계통 보일러 튜브 내면에 부착된 금속산화물을 제거하기 위한 화학세정방법에 관한 것이다.
일반적으로, 보일러 튜브 내면에 부착된 금속산화물은 상기 U형 또는 W형 보일러 튜브의 열전도율을 감소시켜 과열에 의한 튜브파열의 원인으로 작용하게 되며, 이로 인해 보일러를 불시에 정지시키게 한다. 또한 과도하게 부착된 스케일은 쉽게 탈리가 발생되고, 탈리된 스케일이 터빈으로 유입됨으로써 침식에 의한 터빈손상 즉, 고형입자의 침식(Solid Particle Erosion)이 발생되어 터빈의 수명을 단축하고 효율을 감소시키게 된다.
상기의 선행 기술은 수평형 증기계통 보일러의 화학세정방법에 대한 것이며, 선행 기술을 그대로 도입하게 되면 U형 또는 W형 보일러 튜브의 경우에는, 수직폐쇄구조에서 중력의 영향을 받아 세정액의 자연낙하로 인하여 공기주머니가 형성될 수 밖에 없다. 즉, 수직구조의 U형이나 W형 과열기 또는 재열기 튜브의 입구(inlet)와 출구(outlet)에는 수 많은 튜브가 합류되고 분기되는 헤더(header)가 설치되어 있으며, W형 보일러 튜브의 볼록한 윗부분에는 헤더와 배출 밸브가 없기 때문에 화학세정제를 주입 또는 순환할 때 이 부분에 공기주머니가 발생하기 쉽다.
세정제를 주입할 때 공기주머니가 발생된 상태에서 세정액을 순환하게 될 경우, 공기주머니는 튜브와 화학세정제의 접촉을 방해하여 공기주머니가 발생된 부위에는 스케일이 제거되지 않아 화학세정이 완료되어도 스케일이 제거되지 않고 남아 있는 부분이 있게 되어 완벽한 화학세정효과를 기대하는 것이 어렵게 된다.
또한 U형이나 W형 보일러 튜브에는 아래 부분에 배출구(drain line)가 없기 때문에 세정공정을 마치고 배수할 때에 세정용 순환펌프를 이용하거나 중력차를 이용해서는 세정액을 완전히 배수시킬 수 없다. 만일 U형이나 W형 튜브의 하부에 세정제가 잔류된 상태에서 보일러를 운전하게 되면, 잔류된 세정제에 의하여 튜브가 부식되어 치명적인 손상을 입게 된다.
본 발명은, 수직구조로 된 U형 또는 W형 화력발전용 증기계통 보일러 튜브의 화학세정공정에서 공기주머니가 발생하지 않도록 세정액을 충수하고, 세정액을 완전 배수하여 튜브내면의 스케일을 용이하게 제거할 수 있는 화학세정방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 스케일 제거공정이 완료된 후 폐액을 배수할 때, 자연배수가 되지 않는 U형 또는 W형 보일러 튜브에 압축공기를 사용하여 폐액을 배출함으로써 세정액의 배수가 원활하게 이루어질 수 있는 화학세정방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 수직구조로 된 U형 및 W형 화력발전용 증기계통 보일러 튜브를 위한 화학 세정 방법은, 상기 증기계통 보일러 튜브의 입구헤더와 출구헤더로부터 10.3m 이상의 길이로 설치된 수직관 내부를 진공펌프를 이용하여 진공상태로 유지시키는 단계;
상기 튜브 내부의 진공도를 유지하면서 화학세정제를 동시에 주입하여 상기 튜브에 대해 화학세정을 실시하는 단계; 및
상기 화학세정을 실시한 후에 공지의 공기 압축 장치를 이용하여 5~60kg/㎠의 압축공기를 이용하여 상기 튜브 내부의 세정폐액을 외부로 배출시키는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 화학세정장치 및 방법은, 상술한 바와 같이 수직구조로 된 U형 또는 W형 화력발전용 증기계통 보일러 튜브에 세정액을 충수할 때, 상기 U형 또는 W형 보일러 튜브 내부에 진공상태를 유지하여 내부에 존재하는 공기를 제거함으로써 공기주머니의 발생을 방지할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 화학세정장치 및 방법은 진공을 유지하는 방법 중에서 진공펌프를 이용하는 것으로, 세정액에 용존되어 있는 공기를 배출 할 수 있고, 최초 충수시 입구측 헤더에 발생한 공기주머니를 제거 할 수 있는 효과가 있다.
또한 보일러 튜브 내부가 만수되었을 때, 진공펌프로 순간적으로 물이 유입되는 것을 방지할 수 있으므로 안정적인 화학세정을 수행할 수 있고, 공기주머니에 의한 비세정 부위 발생도 방지할 수 있다.
W형 보일러 튜브를 화학세정한 후에, 압축공기를 사용하여 세정폐액을 배출시키는 방법은 오염된 폐수를 압축공기로 완전히 배수하고 다시 깨끗한 물을 주입하여 순환한 다음 압축공기로 강제 배수를 반복하여 세척하는 수세방법이며, 압축공기를 사용하지 않고 깨끗한 물을 연속 주입하여 희석하면서 폐수를 배출 시키는 방법에 비하여 소요되는 수세시간과 수세수의 양이 50%이상 절약된다.
본 발명의 화력발전용 보일러에서 수직구조로 된 U형 및 W형 화력발전용 증기계통 보일러 튜브를 위한 화학세정방법은 화학세정제를 주입할 때, 상기 보일러 튜브, 예를 들면 과열기와 재열기 튜브의 입구헤더와 출구헤더로부터 10.3m 이상의 길이로 설치된 수직관 내부를 진공펌프를 이용하여 공기를 배출시켜서 진공상태로 유지시킨다.
예컨대, 진공펌프를 이용하여 보일러튜브 내부의 공기를 배출하는 방법은 도 1에 예시한 바와 같이, 보일러 튜브, 예를 들면 과열기 및 재열기의 튜브(11)에서 수위가 가장 높은 곳보다 10.3m이상 높게 입구 헤더(12)와 출구 헤더(13)에 수직관(14, 14')을 설치하고, 이 수직관(14,14')의 상부를 진공펌프(15)와 연결한 다음 진공펌프(15)를 운전하면서 진공도를 755mmHg이하로 유지시킨다.
진공펌프(15)를 이용하여 보일러 튜브(11) 내부의 공기를 제거할 때 잔류하는 공기의 양은 진공도에 따라 달라지며, 잔류하는 공기의 양에 따라 보일러 튜브(11) 내부에 발생되는 공기층의 크기가 달라진다. 발생된 공기층을 제거하기 위해서는 용량이 큰 순환펌프(16)가 필요하며, 공기층의 크기가 클수록 이것을 제거하기 위하여 많은 유량이 요구되므로 공기층의 크기를 줄이기 위해서는 배관의 진공도를 높여야 한다. 최소유량은 공기층의 이동이 원활히 이루어질 때의 유량으로 결정되며, 진공 후 충수방법은 최소 순환유량을 일시에 충수하지 않고 공급 가능한 순수의 유량에 맞춰 순환펌프를 가동하여 충수한다.
W형 보일러 튜브 내부로 진공을 형성하여 공기주머니를 방지하는 방법을 보다 구체적으로 예를 들어 설명하면, 첨부 도면 중 도 2에 예시한 바와 같이 상기 W형 보일러 튜브로 유입되는 유량이 적을 경우에는 상기 W형 보일러 튜브의 벽면을 타고 물이 내려와서 튜브의 하부에서부터 물이 차기 시작을 한다(진공 1단계). 다음에 W형 보일러 튜브의 볼록한 상부까지 물이 채워진 후에는 다음 곡관부의 하부에서부터 물이 차게 되며, 공기 주머니가 없는 상태로 물은 W형 보일러 튜브의 상부까지 채워지며 공기층은 상부 수평한 W형 보일러 튜브에 소량 존재하게 된다(진공 2단계). 상부 수평한 W형 보일러 튜브에 발생된 공기층은 세정액의 순환에 의하여 제거되므로 공기주머니는 발생하지 않게 된다(진공 3단계).
다시 도 1로 돌아가서, 출구헤더(13)는 순환펌프(16)와 연결배관(17')으로 연결되어 있고 그의 중간에는 10.3m이상의 배수관(18)이 연결되어 있으며, 그 아래에 배수탱크(19)가 설치되어 있다. 따라서, 배수탱크(19)를 만수 상태로 운전하여 진공을 걸때에는 배수 탱크(19)의 물이 배수관(18)으로 상승하여 진공이 형성되고, W형 보일러 튜브 내부가 최초로 만수되었을 때 물이 배수관(18)을 통하여 배수탱크(19)와 외부로 배출됨으로써 펌프로 물을 강제 주입시 진공펌프(15)에 물이 유입되는 것을 방지할 수 있다. 다음에 보일러튜브 내부에 화학세정액을 서서히 충수하면 공기주머니에 의한 비세정부위 발생을 방지할 수 있다.
도 1에서 미설명부호 17은 입구헤더와 순환펌프(16)를 연결하는 연결배관이고, 부호 20은 물탱크이다.
이어서, U형 또는 W형 보일러 튜브 내면에 부착된 스케일을 제거하는 화학세정공정이 완료된 후, 상기 한국특허등록제819,920호에 공지되어 있는 공기압축장치 및 에어블로잉 공정을 이용하여 5~60kg/㎠의 압력으로 공기를 단계적으로 압축하여 블로잉하면 상기 U형 또는 W형 보일러 튜브 내부의 세정폐액을 외부로 배출시킬 수 있고 오염된 폐수를 압축공기로 세정액의 잔류 없이 완전하게 배출시킬 수 있으며, 압축공기를 사용하지 않고 깨끗한 물을 연속 주입하여 희석하면서 폐수를 배출시키는 방법에 비하여 소요되는 수세시간과 수세수의 양이 50% 이상 절약할 수 있는 장점이 있다.
이와 같은 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
실시예
다음 표 1과 같은 실험조건에 따라 공기주머니의 발생을 방지하기 위한 유량산출실험을 실시한다.
표 1
조건 규격
배관 내경 32㎜
배관 높이 16m
배관 수량 5개
헤더 규격 Dia : 300㎜
L : 500㎜
진공 압력 750㎜Hg
진공펌프를 사용하여 배관 내부의 공기를 제거한 후, 임시저장탱크에서 약품을 물과 섞은 다음 가설펌프를 이용하여 헤더를 통해 수직관 및 W형의 튜브에 물을 채운다. 입구 및 출구 헤더에 충수를 완료한 후 순환펌프를 가동하여 W형 보일러 튜브 내부를 순환시킨다. 다음에 유량에 따른 기포의 유동특성 및 공기주머니의 존재 여부를 확인한다.
위와 같은 실험결과, 진공 전·후의 최소유량은 W형 보일러 튜브의 수가 증가됨에 따라 많은 차이가 났으며, 진공 후 공기주머니를 방지하기 위한 최소 순환유량은 W형 봉일러 튜브의 수량(용적)에 비례하여 증가하며 도 3과 같이 관계식은 1차 함수로 나타남을 알 수 있다.
진공 후 공기주머니의 발생을 방지하기 위한 최소유량의 산출식은 아래와 같 다.
Y = A + B·X
여기서, Y=유량(㎥/hr), X=보일러 튜브, A=-0.9(거의 무시가능), B=1.55이다.
그러므로 배관수가 800여개인 헤더의 경우에는, 최소유량 = 1.55 X 800 = 1,240㎥/hr이 된다.
상기한 바와 같이 진공을 유지한 후, 화학세정공정을 수행할 때 진공펌프로 물이 유입되지 않도록 하여 공정 동안에도 진공도를 유지시킨다.
헤더의 출구에서 순환펌프로 이어지는 배관의 중간에 하부방향으로 길이 가 10.3m이상인 배수관을 설치하고 배수관하부에 배수탱크를 설치한다. 배수탱크를 만수상태로 유지하면서 진공펌프를 운전하면 물이 배수관으로 상승하여 진공이 형성되고, W형 보일러 튜브 내부가 최초로 만수가 되었을 때 물이 배수관을 통하여 배수탱크와 외부로 배출되므로 펌프로 물을 강제 주입시 진공펌프로 물이 유입되지 않는다.
W형 보일러 튜브의 화학세정 후, 폐액의 배수는 5~60kg/㎠의 압축공기를 사용하여 배출한다. 과열 증기관의 화학세정 폐액을 압축공기를 이용하여 배출시키는 방법은 먼저 과열기 출구에 임시 볼 밸브를 설치하여 수관벽과 과열기 튜브 내면에 공기압축기로 압축공기를 주입하여 가설배관을 이용하여 순환을 하고, 5~60kg/㎠범위의 압력에서 단계적으로 원하는 압력을 가압하여 W형 보일러 튜브의 화학세정 후 폐액을 외부로 배출시키며 배수여부는 RT(방사선 투과시험)로 확인한다.
화학세정 후 과열기와 재열기 튜브 내부의 화학세정폐액을 제거하기 위한 배수공정으로 먼저 과열기의 경우 주증기관에 연결된 MSV(주증기 밸브) 출구에 임시밸브(블로우 아웃 밸브)를 설치한 다음 압축기를 이용하여 수관벽과 과열기에 5~60kg/㎠ 압력으로 공기를 압축한 후 임시밸브를 90초에서 3분 이내로 개방하여 연속적으로 공기유속을 주어 폐액을 폐수처리장과 연결된 가설배관을 이용하여 배출한다.
이때 사용되는 에어블로잉 시스템은 공기를 압축하기 위한 장치와 압축된 공기를 배출하는 밸브 그리고 배관 후단에 부착되는 소음기로 구성되며, 소음기는 고압공기 배출에 따른 소음을 환경기준치 이하로 낮추기 위한 설비이다.
단계적으로 공기를 5kg/㎠, 10kg/㎠, 20kg/㎠, 40kg/㎠, 60kg/㎠ 압력으로 가압하여 공기를 배출시킴으로써, 발생되는 공기의 항력(Drag Force)을 이용하여 과열기 튜브내면의 화학세정폐액을 배출시킨다.
재열기 튜브 내부의 화학세정 폐액을 배수할 때에는 주증기밸브 후단에 설치된 임시밸브를 NRV와 가배관으로 연결시키고 압축기를 이용하여 수관벽과 과열기 그리고 임시밸브 전단까지 5~60㎏/㎠ 압력으로 공기를 압축한 후, 임시밸브를 90초에서 3분 이내로 개방하여 연속적으로 공기유속을 주어 수관벽과 과열기에 압축된 공기가 재열기 튜브를 통과하게 함으로서 발생하는 공기의 항력으로 재열기 튜브내부의 화학세정폐액을 방출시킨다.
도 1은 수직구조로 된 W형 보일러 튜브의 진공형성방법을 설명하기 위한 화학세정장치의 모식도이다.
도 2는 수직구조로 된 W형 보일러 튜브 내부에 진공을 형성하여 공기주머니를 방지하기 위한 단계를 설명하기 위한 모식도이다.
도 3은 수직구조로 된 W형 보일러 튜브 내부의 진공후, 공기주머니를 방지하기 위한 최소 순환유량과 배관의 수량과의 관계식을 보여주기 위한 그래프이다.

Claims (3)

  1. 수직구조로 된 U형 또는 W형 화력발전용 증기게통 보일러 튜브의 입구헤더와 출구헤더로 연결되어 있는 수직관 내부를, 해당 수직관의 상부와 연결되어 있는 진공펌프에 의해 공기를 배출하여 진공상태로 유지하는 단계;
    상기 튜브에 화학세정제를 주입하여 화학세정을 실시하는 단계; 및
    상기 화학세정 후에 압축공기를 공급하여 세정폐액을 외부로 배출하는 단계로 이루어진 수직구조의 U형 및 W형 화력발전용 증기계통 보일러 튜브를 위한 화학 세정 방법에 있어서,
    상기 공기 배출 방법은 상기 수직관을 진공펌프에 의해 진공도를 755mmHg 이하로 유지하고, 상기 입구 헤더를 통해서 상기 보일러 튜브에 물을 채우고, 상기 출구헤더의 연결배관과 연결되어 있는 순환펌프를 가동하여 상기 보일러 튜브 내부를 순환시켜서 되는 것을 특징으로 하는 수직구조로 된 U형 또는 W형 화력발전용 증기계통 보일러 튜브를 위한 화학 세정 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 화학세정의 수행에서 공기를 배출하여 진공상태로 유지하는 단계는 상기 연결배관의 중간에 하부방향으로 길이가 10.3m 이상인 배수관을 설치하고 그의 하부에 배수탱크를 설치하고, 상기 진공도가 유지될 수 있도록 상기 배수탱크를 만수상태로 유지하면서 진공펌프를 운전하는 것을 특징으로 하는 수직구조로 된 U형 또는 W형 화력발전용 증기계통 보일러 튜브를 위한 화학 세정 방법.
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