KR20040037436A - 질소-수소 분석에 의한 화학세정 종점 판별방법 및 장치 - Google Patents

질소-수소 분석에 의한 화학세정 종점 판별방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 화학세정 공사시 발생하는 특정 기체성분의 농도를 조사하여 스케일 용해 공정 및 세정 종점을 판별하는 방법으로서 특정 기체성분의 농도를 조사하여 스케일 용해 공정 및 세정 종점을 판별하는 방법 및 이를 수행하기 위한 장치로서 특정 기체의 농도는 선택적 투과 멤브레인과 TCD를 이용함으로써 실시간으로 세정진행 공정을 감시할 수 있도록 하여 설비내의 스케일을 완벽하게 제거하고 세정 효과를 극대화하며 세정종점을 현장에서 바로 확인토록 함으로써 부식성인 세정액으로 인한 설비의 부식 발생을 최소화하는 세정 종점 판별 방법 및 장치를 제공하기 위한 것이다.

Description

질소-수소 분석에 의한 화학세정 종점 판별방법 및 장치{Method for distinguishing a terminal point of a chemical cleaning by nitrogen-hydrogen analysis and apparatus for carrying out the same}
본 발명은 질소-수소 분석에 의한 화학 세정 종점 판별 방법 및 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게, 본 발명은 발전소 및 산업체의 보일러, 예를 들면 원전 증기 발생기 또는 열 교환기 내부에 형성된 스케일을 화학 약품의 사용으로 제거하는 화학 세정 공정의 종점을 판단하기 위한 방법 및 장치로써 주로, 시료 채취 배관, 시료 냉각기, 시료수 질소(N2)-수소(H2) 측정 센서, 측정 신호 연산 장치 및 연산 결과 출력 장치 등으로 구성되어 있으며, 이중에서 시료수 측정 센서는 멤브레인을 선택적으로 통과한 N2농도와 H2농도에 따라 기체의 열전도도가 변화하는 현상을 이용하여 일정한 기준 농도에 도달하면 화학 세정 종점을 판별하는 방법과 그 장치에 관한 것이다.
발전소 및 산업체의 보일러나 열 교환기는 장기간 운전하면 전열면에 부식 생성물이나 광물질로 구성된 스케일이 부착하게 되고, 이러한 스케일이 부착할 경우 설비의 효율이 크게 떨어지고 안전 운전에 지장을 초래하기 때문에 스케일 부착 량이 일정치에 도달하면 화학세정을 실시하여 제거하고 있다. 그러나, 화학세정으로 스케일의 대부분이 제거된 후에도 불필요하게 화학세정을 장시간 실시할 경우 부식성인 세정제에 의해 설비금속의 부식이 심하게 발생할 수 있다. 따라서, 효율적으로 세정공정을 제어하고 설비부식을 방지하기 위해서는 화학세정 종점 판단 기술이 매우 중요하다.
이하, 종래의 화학 세정 종점 판별 방법의 한계성에 대해 설명하기로 한다.
기존 화학 세정 종점 판별 방법은 세정 종점에 가까워짐에 따라 제거하고자 하는 스케일의 주성분인 철 이온이나 구리 이온 농도가 세정액에서 일정하게 유지되는 특성을 이용한 철이온이나 구리이온 농도 측정법으로 세정종점을 판단하였다. 이 방법으로는 세정액 시료 채취, 시료 희석, 여과, 표준 용액 조제, 기기 예열(ICP) 및 검교정, 분석 등으로 인해 정량 분석시 장시간이 소요되기 때문에 화학 세정 시험 결과를 바로 확인할 수 없었다. 기존 기술로는 세정 종점 판별에 많은 시간이 소요되어 화학 세정을 불필요하게 장시간 실시하게 되고 이로 인해 설비의 부식이 심하게 발생하고 세정 공정의 자동 제어가 불가능하였다.
본 발명은 상기의 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 장기간 운전하여 보일러, 예를 들면 증기 발생기 및 열 교환기 전열면에 부착된 스케일을 제거하기 위한 화학 세정 공사시 세정 종점을 효과과적으로 판단함으로써 세정 시간을 단축하고 설비의 부식 발생을 방지하기 위하여 현장에서 용이하게 활용할 수 있는 세정 종점 판별 방법 및 장치를 제공하는데 발명의 목적이 있는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 장치의 구성도 이다.
도 2는 본 발명의 구성요소인 질소-수소 기체 분석 센서의 내부 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1:증기 시료 채취 배관2:증기 시료 압력 제어용 감압 밸브
3:증기 시료 응축 및 냉각용 냉각기
4:응축 시료 유량 제어 장치5:N2-H2기체 측정 TCD 센서
5-1:N2분석시료 차단밸브5-2:표준농도 N2기체 공급배관
5-3:N2농도 측정용 TCD센서 5-4:N2기체 투과멤브레인
5-5:표준농도 N2기체 측정용 TCD센서,5-6:온도제어 N2센서홀더
5-7:N2농도 측정신호 전송케이블5-8:H2분석시료 차단밸브
5-9:표준농도 H2기체 공급배관5-10:H2농도 측정용 TCD센서
5-11:H2기체 투과멤브레인5-12:표준농도 H2기체 측정용 TCD센서
5-13:온도제어 H2센서홀더5-14:H2농도 측정신호 전송케이블
6 : 측정 신호를 이용한 기체 농도 연산 장치
7: 연산 결과 출력 장치
본 발명의 보일러의 원전 증기발생기 및 열 교환기 내면의 스케일을 제거하기 위한 화학세정 공사시행시 화학세정 종점 판별방법은 N2-H2기체분석에 의한 세정 종점 판별을 위한 분석용 증기시료를 채취하는 단계; 상기 증기의 압력을 1 내지 10바아 범위로 감소시키기 위한 증기시료 감압 단계; 상기 증기를 응축하고 10 내지 30℃ 범위로 냉각하기 위한 증기시료 냉각단계; 상기 냉각시료를 20 내지 300 cc/분의 범위 내에서 일정하게 공급하기 위한 분석시료 유량 제어단계; 특정 기체만을 선택적으로 통과시켜주는 특성이 있는 N2-H2기체 선택적 투과 멤브레인과 TCD를 이용한 N2-H2농도 측정단계; 측정된 전기적 신호로부터 기체농도를 산출하기 위한 연산단계; 상기 연산결과를 문자 또는 그래프로 나타내기 위한 출력단계로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 보일러의 원전 증기발생기 및 열 교환기 내면의 스케일을 제거하기 위한 화학세정 공사시행시 세정 종점 판별장치는 세정 공사를 시행하고 있는 대상 보일러 또는 열 교환기로부터 발생된 배출 증기에 대해 N2-H2기체 분석에 의한 세정 종점 판별을 위한 분석용 증기시료를 채취하는 수단; 상기 증기의 압력을 1 내지 10바아로 감소시키기 위한 증기시료 감압수단; 상기 증기를 응축하고 10 내지 30℃ 범위로 냉각하기 위한 증기시료 냉각수단; 상기 냉각시료를 20 내지 300 cc/분의 범위 내에서 일정하게 공급하기 위한 분석시료 유량 제어수단; 특정 기체만을 선택적으로 통과시켜 주는 특성이 있는 N2-H2기체 선택적 투과 멤브레인과TCD를 이용하는 N2-H2농도 측정센서; 상기에서 측정된 전기적 신호로부터 기체농도를 산출하기 위한 연산수단; 상기 연산결과를 문자 또는 그래프로 나타내기 위한 출력수단으로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 화학 세정 종점 판별 방법 및 장치를 첨부도면을 참조하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 보일러, 예를 들면 원전 증기 발생기 또는 열 교환기 내부에 부착된 스케일을 제거하기 위한 화학 세정 공사 시행시 세정 종점을 짧은 시간 내에 판별하기 위한 방법 및 그 장치에 대한 것이다.
즉, 본 발명은 화학세정 공사시 발생하는 특정 기체성분의 농도를 조사하여 스케일 용해 공정 및 세정 종점을 판별하는 방법으로서 특정 기체성분의 농도를 조사하여 스케일 용해 공정 및 세정 종점을 판별하는 방법으로서 특정 기체의 농도는 선택적 투과 멤브레인과 TCD를 이용함으로써 실시간으로 세정진행 공정을 감시할 수 있도록 하여 설비내의 스케일을 완벽하게 제거하고 세정 효과를 극대화하며 세정종점을 현장에서 바로 확인토록 함으로써 부식성인 세정액으로 인한 설비의 부식 발생을 최소화하는 세정 종점 판별 방법 및 장치인 것이다.
화학세정 공정 종점을 정확하게 판단하기 위한 본 발명의 장치는 세정공사를 시행하고 있는 대상 보일러 또는 열 교환기로부터 발생된 배출증기의 분석시료 채취배관, 고온의 증기 시료를 냉각 및 응축하기 위한 냉각기, 시료중 N2-H2기체를 정량하기 위한 기체 농도 측정용 TCD 센서, 측정 신호로부터 농도를 산출하기 위한연산 장치, 연산 결과를 표시하기 위한 출력 장치(display)등으로 구성되어 있다.
즉, 첨부 도면 중 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 화학 세정 종점 판별 장치의 전체 구성도 이다. 도 1에 의하면, 본 발명에 따른 화학 세정 종점 판별 장치는, 증기 시료 채취 배관(1), 증기 시료 압력 제어용 감압 밸브(2), 증기 시료 응축 및 냉각용 냉각기(3), 응축 시료 유량 제어 장치(4), N2-H2기체 측정 TCD 센서(5), 측정 신호를 이용한 기체 농도 연산 장치(6), 연산 결과 출력 장치(7)로 구성되어 있다.
첨부 도면 중 도 2는 본 발명의 화학 세정 종점 판별 장치중 N2-H2측정센서의 구조를 나타낸 구조도로서, 도 2에 의하면, 상기 측정센서는 N2분석용센서와 H2분석용센서로 구성되어 있으며, N2분석용 센서는 질소 분석시료 차단밸브(5-1), 표준농도 N2기체 공급배관(5-2), N2농도 측정용 TCD센서(5-3), N2기체 투과멤브레인(5-4), 표준농도 N2기체 측정용 TCD센서(5-5), 온도제어 N2센서홀더(5-6), N2농도 측정신호 전송케이블(5-7)로 구성되어 있고, H2분석용 센서는 H2분석시료 차단밸브(5-8), 표준농도 H2기체 공급배관(5-9), H2농도 측정용 TCD센서(5-10), H2기체 투과멤브레인(5-11), 표준농도 H2기체 측정용 TCD센서(5-12), 온도제어 H2센서홀더(5-13), H2농도 측정신호 전송케이블(5-14)로 구성되어 있다.
화학 세정제에 의한 스케일 성분의 용해 반응과 설비의 부식 반응은 다음과 같다
[스케일 용해 반응]
2Fe3O4+ N2H4-----→6FeO + 2H2O + N2↑
FeO + EDTA ----→Fe-EDTA
[금속의 부식반응]
Fe0+ H2-EDTA ----→Fe-EDTA + H2↑
Fe0+ 2HCl ----→FeCl2+ H2↑
화학 세정제에 의해 스케일이 용해되면 N2기체가 발생되고, 스케일의 용해가 완료되고 금속의 부식이 진행되면서 H2기체가 발생하게 된다. 상기와 같은 스케일 용해 및 금속 부식 발생 현상을 면밀히 조사하여 반응으로부터 발생되는 기체의 농도를 TCD(Thermal Conductivity Detection) 원리와 선택적 기체 투과막(성분: PFA, ETFE, 실리콘 고무/폴리카보네이트,두께 : 1 내지 50㎛)을 이용하여 측정함으로써 화학 세정 공정 종점 판별 방법을 알 수가 있다.
멤브레인에 의해 선택적으로 통과한 기체의 농도가 높을수록 TCD에 내장되어 있는 필라멘트로 부터 열 제거율이 높아 필라멘트의 전기 저항이 감소하고, 기체 농도가 낮을수록 필라멘트의 전기 저항이 증가하여, 멤브레인에 의해 선택적으로 통과된 기체 농도의 정량 분석이 가능하게 된다.
다음의 표 1은 기체 성분의 열 전도도 물성치를 나타낸 것이다.
기체 종류 열 전도도(J/(Kㆍmㆍs) 측정 조건
H2 0.170 273 K, 1 기압
N2 0.0243
He 0.141
Ar 0.0162
이하 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하기로 한다.
실시예
본 발명의 화학세정 종점 판별장치를 이용하여 하기 실험조건하에서 스케일이 부착된 보일러튜브의 화학세정을 실시하여 기존 세정액중 철분농도 분석법과 본 발명의 방법에 의한 세정 종점 판별효과를 비교 평가하였다.
(시험조건)
- 보일러 튜브시편 : 보령화력 5호기 보일러 튜브(화염측, 스케일 12 mg/㎠_
- 세정액 : 20％ 테트라-암모늄 EDTA, 1％ N2H4, pH 8.5
- 세정 조건 : 온도 140℃, 세정액 순환유속 1.5㎝/초, 세정시간 2시간
상기의 시험조건에서 수행하여 얻은 세정공정 종점 평가시험 결과는 다음과 같다.
(시험결과)
화학세정 종점 판별에 대한 기존의 철분(Fe) 분석법과 본 발명의 방법에 의한 시험결과를 다음 표2에 비교하여 나타내었다. 본 발명의 방법에 의하면 N2농도가 더 이상 감소하지 않고(스케일 용해반응 완료시점) H2농도가 급격하게 증가하기 전(모재금속의 부식발생 이전)에 화학세정 공정의 종점을 결정할 수 있었으며, 기존의 판별방법에 의한 결과(철분농도 증가가 완만해지는 시점)와 유사하게 일치함을 알 수 있었다.
상기한 본 발명의 화학세정 종점 판별방법은 기존 철분의 ICP분석방법에 비해 단시간에 세정종점의 확인이 가능하였으며, 본 발명의 방법을 이용할 경우 설비에 부착된 스케일을 완벽하게 제거하고 설비의 부식방지에 효과가 높은 것으로 평가되었다.
시간 기존 ICP 분석법 본 발명의 N2-H2분석법 비고
Fe(ppm) N2(Vol％) H2(Vol％)
14:15 4,560 95 12
14:25 4,790 74 12
14:35 5,010 63 12
14:45 5,120 59 13
14:55 5,140 58 14 세정 종점
15:05 5,150 57 17
15:15 5,160 57 21
15:25 5,150 56 26
※ 세정 시료 1회 분석시 평균 소용시간
- 본 발명의 방법 : 20초 이내(측정치의 실시간 감시기능)
- 기존의 Fe 분석법 3시간 이상(시료 전처리, ICP 기기 검교정, 분석 등)
※ ICP 분석기기 : ICP-AES(Shimadzu)
※ N2-H2분석 : 본 발명의 장치(멤브레인/TCD 센서) 이용
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 화학세정 종점 판별방법 및 장치에 의하면, 단시간, 예를 들면 20 내지 30초내에 그 결과를 확인할 수 있어 화학세정 공정제어의 자동화가 가능하다는 것을 확인할 수 있으며, 본 발명의 장치를 발전소와 산업체 현장에서 화학세정 공사시 적용함으로써 설비내의 스케일을 완벽하게 제거하고 최적세정 종점을 신속하게 판단하여 과다한 세정시행을 예방함으로써 설비의 부식 발생을 획기적으로 방지시켜 주는 효과가 있다.

Claims (2)

  1. 보일러의 원전 증기발생기 및 열 교환기 내면의 스케일을 제거하기 위한 화학세정 공사 시행시 화학세정 종점 판별방법에 있어서,
    N2-H2기체분석에 의한 세정 종점 판별을 위한 분석용 증기시료를 채취하는 단계;
    상기 증기의 압력을 1 내지 10바아 범위로 감소시키기 위한 증기시료 감압 단계;
    상기 증기를 응축하고 10 내지 30℃ 범위로 냉각하기 위한 증기시료 냉각단계;
    상기 냉각시료를 20 내지 300 cc/분의 범위 내에서 일정하게 공급하기 위한 분석시료 유량 제어단계;
    특정 기체만을 선택적으로 통과시켜주는 특성이 있는 N2-H2기체 선택적 투과 멤브레인과 TCD를 이용한 N2-H2농도 측정단계;
    측정된 전기적 신호로부터 기체농도를 산출하기 위한 연산단계;
    상기 연산결과를 문자 또는 그래프로 나타내기 위한 출력단계로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 질소-수소분석에 의한 화학세정 종점 판별방법.
  2. 보일러의 원전 증기발생기 및 열 교환기 내면의 스케일을 제거하기 위한 화학세정 공사 시행시 세정 종점 판별장치에 있어서,
    N2-H2기체 분석에 의한 세정 종점 판별을 위한 분석용 증기시료 채취수단;
    상기 증기압력을 1 내지 10바아로 감소시키기 위한 증기시료 감압수단;
    상기 증기를 응축하고 10 내지 30℃ 범위로 냉각하기 위한 증기시료 냉각수단;
    상기 냉각시료를 20 내지 300 cc/분의 범위 내에서 일정하게 공급하기 위한 분석시료 유량 제어수단;
    특정 기체만을 선택적으로 통과시켜 주는 특성이 있는 N2-H2기체 선택적 투과 멤브레인과 TCD를 이용하는 N2-H2농도 측정센서;
    상기에서 측정된 전기적 신호로부터 기체농도를 산출하기 위한 연산수단;
    상기 연산결과를 문자 또는 그래프로 나타내기 위한 출력수단으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 질소-수소분석에 의한 화학세정 종점 판별방법.
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