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Ⅰ. 화학 개요
1. 수질관리 개요
가. 개요
1) 발전소에서는 다량의 공업용수를 사용하고 있다.
2) 발전용수로서의 원수(raw water)에는 표면상으로는 깨끗해 보이지만 현탁상 물질, 콜로이드상 물질, 저분자상 물질 같은 많은 불순물을 함유하고 있다.
3) 이러한 불순물은 운전 중 스케일 생성, 부식, 기수공발 등의 장해를 일으키는 원인이 되므로 적절한 대책이 필요하다.
4) 수질관리의 목적은 수질에 기인하는 장해와 고장을 방지하고 안전하고 효율적으로 운전하는데 있다.
나. 수질기초용어
1) 농도단위
: 수중에 함유되어 있는 불순물의 양은 다음과 같은 농도 단위로 표시된다.
가) ppm (parts per million)
- 1kg 중에 함유되어 있는 어떤 물질의 mg 수이다.
- mg/ks, mg/l 을 ppm으로 표시한다.
나) ppb (parts per billion)
- 물 1kg 중에 함유된 어떤 물질의 μg 수이다.
- μg/kg, μg/l 를 ppb로 표시한다.
2) 수소이온농도(pH)
가) 수용액의 액성은 수소이온 농도의 역대수로 표시한다. (pH = -log[H+])
나) pH의 범위는 0~14 의 범위로 되어 있으며, pH=7 을 중성, pH > 7 이면 알칼리성, pH < 7 이면 산성이라 한다.
3) 전도도 (conductivity)
가) 수용액에 대한 전기의 통하는 정도를 전도도라 하며 수중의 불순물의 농도를 간접적으로 알 수 있다.
나) 전도도가 높다는 것은 불순물이 많음을 의미한다.
4) 경도 (hardness)
가) 물 속에 용존하는 칼슘이온(Ca+2)과 마그네슘이온(Mg+2)의 농도를 나타내며
나) 통상 전경도라 함은 칼슘이온과 마그네슘이온 농도의 합으로 표시된다.
다. 물에 기인한 장해현상
1) 개요
가) 원수는 부유물질이나 용해염류 및 용해가스 등의 불순물이 함유되어 있어 이 원수를 직접 보일러에 공급하면 스케일(scale)이나 슬러지(sludge)의 퇴적, 부식(corrosion), 기수공발(carry over) 등 각종 장해를 일으킨다.
나) 이들 장해현상은 열효율 저하, 기기의 손상, 나아가서는 정지 등의 원인이 되므로 불순물로 인한 장해현상 방지는 발전소 수질관리의 중요한 과제이다.
2) 금속 구조물의 부식
가) 부식의 정의
: 부식이란 금속이 그들의 본래 상태인 산화물로 되돌아가려고 하는 과정 즉, 환경과의 전기화학적 또는 화학적 반응에 의해 금속에 가해지는 파괴적인 공격이며 전기화학적 기구에 의해 발생한다. 금속결합은 공유결합과 달리 자유전자에 의해 결합되어 있으며 이 자유전자는 8~13개의 원자 주변을 자유롭게 이동하며 결합을 형성하고 있어, 만일 보일러 내를 흐르는 이온성 물질이 전자와 결합하여 산화반응을 일으키면 전자와 결합했던 금속원자는 짝을 잃고 용출되어 나오게 되는데 이 e자유전자가 금속으로부터 탈리되는 과정을 음극반응(cathode반응)이라 한다.
한편 짝을 잃은 금속 격자 내의 금속원자가 양이온으로써 수중에 용해되어 나오는 과정을 양극반응(anode 반응)이라 한다.
이러한 전기화학적 과정에서 요구되는 사항은
① 양극과 음극이 존재하여 전지(cell)를 형성해야 한다.
② 양극과 음극이 전기적으로 접촉해야 한다.
③ 액체가 전해액으로 작용해야 한다.
양극에서는 산화반응이 일어나며 금속 이온이 분해하여 용액 속으로 들어간다.
M → M+ + e- (전자의 상실)
음극에서는 환원반응이 일어나는데 용해된 산소가 환원되고 수소가스가 발생된다.
O2 + 4H+ + 4e- →2H2O (물생성)
2H+ + 2e- → H2 (수소가스 발생)
물리적 원인에 의해 일어나는 현상은 침식(erosion), 마모(wear) 등으로 일컬어진다. 어떤 경우에는 물리적 원인 후에 화학적 부식이 뒤따르는데 이런 경우는 침식부식, 부식마모, 접촉진동부식 등이 이에 속한다.
나) 부식에 영향을 미치는 요소
① pH
: 일반적으로 금속은 pH가 높은 영역에서 부식이 안 된다. 수중에 수소이온이 존재할 경우 수소이온은 자유전자와 결합하여 부식의 진행을 촉진한다. 구리와 니켈은 철보다 비교적 낮은 pH 영역에서 부식이 적게 일어난다.
② 용존산소의 영향
: 용존산소는 금속부식의 주원인으로 작용하는 경우가 많다. 일반적으로 용존산소가 높으면 부식이 증가하며 용존산소 농도차가 있을 경우 산소농담전지에 의한 부식이 일어나는 경우도 있다.
③ 용해염류의 영향
: 수중에 용해이온이 존재할 경우 물의 전기전도도는 증가하여 전자의 이동이 활발해지며 부식은 가속화된다. 일반적으로 전도도가 높으면 용존산소 증가에 따라 부식이 증가한다.
3) 스케일
가) 생성원인
① 일반적으로 물과 접하는 금속표면에 생성되는 산화물이나 각종 불용성물이 관 벽이나 전열면 상에 부착되어 층을 이루는 것을 스케일이라 하며 부착되지 않고 유속이 완만한 곳에 침적된 것을 슬러지라 한다.
② 스케일의 생성 원인은 다음 세가지 관점에서 설명할 수 있다.
- 관의 부식
- 보일러수 중의 용해 고형물의 석출
- 보일러수 중의 현탁성 고형물의 퇴적
나) 스케일 성분
① 스케일을 생성하는 성분으로는 급수에 의해 유입되는 경도 성분, 실리카, 유지류 및 계통 내에서 생성되는 재질의 부식 생성물이 있다.
② 이렇게 생성된 스케일 성분 중 일부는 슬러지로 침적되거나 보일러수 중에서 부유되다가 블로우다운(blow down)에 의해 배출된다.
③ 탄산염, 규산염, 황산염이나 철산화물은 스케일이 되기 쉽다.
다) 스케일에 의한 장해
① 열효율 저하
: 스케일의 열전도율은 그 조성이나 물리적 성상, 부착 상태에 따라 다르지만 전열면 재질에 비해 극히 낮아 전열면에 스케일이 부착되면 열전도율이 저하된다.
② 관류저항의 증대
: 스케일은 물의 흐름을 방해하게 되는데 일반적으로 보일러 튜브 내면 부착 두께에 따라 압력손실이 증가한다.
③ 과열로 인한 튜브 파열
- 스케일의 부착량이 어느 한계치를 벗어나 전열면의 온도가 재질의 허용온도를 초과하게 되면 재료의 기계적 강도가 저하되고 계통의 압력에 견디지 못하고 파열되는 사고를 일으키게 된다.
- 또한 스케일이 부착된 부분과 부착되지 않은 부분과의 열팽창 차이로 인해 파열되는 경우가 있다.
라) 방지대책
: 일단 스케일이 부착하면 점차 성장하여 기계적 방법이나 화학적 방법에 의한 제거는 쉽지 않다. 따라서 스케일 생성을 방지하기 위해서는 다음과 같은 조치가 필요하다.
① 각 계통별 수질관리 기준 준수
② 급수계통으로 불순물 유입 억제
③ 적절한 블로우 다운 실시
④ 주기적인 화학세정 실시
4) 기수공발(carry over)
가) 정의
① 순환보일러 드럼에서 발생되는 증기 중에 불순물이 증기와 같이 증기계통으로 동반되는 현상이다.
② 발생 형태에 따라 거품현상(foaming), 프라이밍(priming), 선택적 휘발현상(selective carry over)으로 구별한다.
가) 거품현상 (foaming)
- 보일러수 중에 유기물, 고형물, 알칼리도가 높을 때 일어난다.
- 생성된 거품은 수면으로 상승하여 파괴되지 않고 거품막을 형성하여 증기와 같이 동반되는 현상이다.
- 화학물질과 관련이 있으므로 화학적 기수공발이라 한다.
다) 비등현상(priming)
- 증발관 내에서 생성된 기포가 도달, 파괴되면서 수면이 동요되거나 격렬한 증발에 의해 미립자가 증기와 같이 동반되는 현상이다.
- 이는 기수분리장치에 결함이 생기거나 부하의 갑작스러운 변동과 과부하 운전 등 주로 물리적 요인에 의해 일어나므로 물리적 기수공발이라 한다.
4) 선택적 휘발현상(selective carry over)
가) 수중의 특정물질이 고온, 고압 운전조건에서 휘발하여 증기 중에 용해되는 현상이다.
나) 이런 성질을 가진 물질로서는 실리카(SiO2), 구리(Cu), 붕소(B) 등이 있다.
2. 순수처리
가. 전처리
: 원수 중에 함유되어 있는 현탁성 물질이나 콜로이드상 물질인 탁도 성분을 제거하는 공정으로 처리하는 순서는 다음과 같다.
* 자연 침전 → 염소처리 → 응집침전 → 여과 → 흡착
1) 자연침전
가) 원수는 일단 원수저장탱크(raw water storage tank)에 저장된다.
나) 원수 중 현탁상 입자는 자연 침강에 의해 제거된다.
다) 침강 분리를 하기 위해서는 많은 시간이 소요되며 일반적으로 침강 속도는 물의 흐름이 느린 층류 상태에서는 stoke법칙에 따라 침강이 일어난다.
2) 응집침전
가) 수중에 부유하는 미세한 탁도 성분을 자연 침전에 의해 제거하는 데는 많은 시간 소요되므로 이를 단시간에 처리하기 위해 응집제를 사용하여 미세한 입자를 결합시켜 침전 부리시킨다.
나) 일반적으로 원수 중의 미세입자는 표면에 주로 음전하를 띠기 때문에 수중에서 전기적 상호 반발에 의해 분산된 채 존재하나 여기에 양전하를 가진 응집제를 주입하면 음전하의 미립자들과 중화되어 상호반발력을 상실하고 입자간의 결합에 의해 큰 입자를 형성하여 침강이 일어나게 된다.
다) 주로 많이 사용하는 약품은 황산알루미늄(Al2(SO4)3.18H2O)이며, pH와 수온 등이 응집에 영향을 미치므로 알칼리 물질이나 응집을 촉진시키기 위해 고분자 응집제를 소량 주입하기도 한다.
3) 여과
가) 응집침전장치를 통과하여 나온 여과수 중에는 미세한 부유물질이 존재한다.
나) 이들 물질을 여과재 층에 통과시켜 제거하는 공정으로 주로 사용되는 여과재로는 몰, anthracite 등 이 있다.
4) 흡착
가) 흡착은 화학반응 없이 흡착제의 표면에 불순물이 물리적으로 부착되는 작용으로 이온교환 처리를 하기 전에 실시하는 공정이다.
나) 보통 활성찬을 흡착제로 사용하며 제거되는 물질로는 주로 양이온수지를 산화시키는 잔류염소나 음이온수지를 오염시키는 유기물 등이며 황성찬이 충전된 탑 내를 통과시킴으로써 불순물이 활성탄에 흡착되어 제거된다.
다) 또한 활성탄의 장기간 사용시 유기물에 의한 오염이 발생하므로 주기적인 교체가 필요하고 재생은 공기가 차단된 가열로에서 800~100℃ 정도 가열하여 재생을 실시한다.
나. 이온교환처리
1) 개요
가) 순수한 물은 수소이온과 수산이온만이 일부 전리되어 있는 상태이다. 이온교환처리는 물 속에 녹아있는 각종 양이온이나 음이온을 이온교환수지를 이용하여 제거하는 공정이다.
나) 현탁상 물질이나 콜로이드상 입자 등은 이온교환을 통하여 제거를 할 수 없기 때문에 전처리 공정에서 이들 물질으 1차적으로 제거하고
다) 이온교환처리는 물 중에 존재하는 저분자상 영역의 물질인 이온성 물질을 제거하는데 그 목적이 있다.
2) 이온교환수지
가) 이온교환수지(resin)는 고분자 합성수지로서 그물망 구조를 가진 다공성 물질이다.
나) 입경이 보통 0.3~0.6mm 의 구상의 것으로 그물 구조와 세공 속에 많은 이온 교환기를 가진 형태이다.
다) 양이온교환수지는 수소이온을 가지고 있고, 음이온교환수지는 수산이온을 가지고 있다.
3) 처리공정
: 주로 많이 사용하는 공정으로 양이온탑 + 탈탄산탑 + 음이온탑 + 혼상탑순으로 처리하며 이러한 공정을 2B3T + MBP 공정이라 한다.
가) 양이온탑
: 물에 녹아있는 양이온은 양이온수지 내에 확산되어 이온교환을 통하여 수지 내에 결합하게 되고 수지 내에 있는 수소이온은 수지 밖으로 빠져나와 물의 액성은 산성이 된다.
나) 탈탄산탑
① 물에 녹아 있는 중탄산 이온은 산성 조건에서 다음 반응에 의해 탄산가스 상태로 존재한다.
HCO3- + H+ → H2CO3 → H2o + CO2↑
② 헨리의 법칙에 의해 탄산가스의 용해도는 부분압에 비례하므로 공기를 주입하여 상대적인 탄산가스의 부분압을 감소시켜 수중의 탄산가스를 제거하는 원리로 중탄산 이온을 제거함으로서 음이온교환수지탑의 부하를 경감시킨다.
다) 음이온탑
① 음이온탑의 구조는 양이온탑의 구조와 동일하다.
② 양이온탑 및 탈탄산탑을 통과하고 나온 물 중에는 음이온이 남아 있으므로 음이온교환수지탑을 통과하면서 수지 내에 있는 수산이온과 이온 교환되어 음이온수지에 결합하여 제거된다.
③ 수산이온은 수지 밖으로 빠져나와 양이온탑에서 미량 유출된 나트륨(Na+)과 반응하여 수산화나트륨을 생성, 물의 액성은 약알칼리성을 띄게 된다.
라) 혼상탑
① 양이온수지와 음이온수지가 혼합 충진되어 있다.
② 동일 탑 내에서 양이온수지탑 및 음이온 수지탑에서 미량 유출된 양이온 및 음이온을 제거함으로써 순수를 더욱 더 정제하는 역할을 한다.
③ 출구수의 액성을 거의 중성이 된다.
3. 보일러수 처리
가. 개요
: 계통에 이용되는 물 중의 불순물로 인한 장해 현상을 방지하기 위해 용존산소 제거, pH조절, 불순물을 제거하는 공정으로 크게 복수처리, 급수처리, 보일러수 처리 등으로 나누어 처리한다.
1) 복수 : 복수기에서 응축된 물을 말하며, 복수계통은 복수기에서 탈기기 입구까지의 계통이다.
2) 급수 : 탈기기에서 절탄기 입구까지의 물이다.
3) 보일러수 : 보일러 순환계통에서 사용되는 물이다.
4) 보충수 : 운전 중 소모되는 물을 보충하기 위해 순수저장탱크로부터 복수기 하트 웰(hot well)로 공급되는 물을 말한다.
나. 수처리 방법
1) 약품처리
가) pH 조절
① 복수 및 급수계통에는 복수펌프 출구 및 탈기기 출구에 암모니아(NH3)를 주입하여 철, 구리 등의 부식을 동시에 방지하기 위하여 pH를 9.0~9.5 정도의 약 알칼리성으로 유지한다.
NH3 + 2H2O → NH4OH → NH4+ + OH-
② 순환보일러의 경우 드럼 내에 인산염을 주입하여 pH를 조절하고 경도 성분을 슬러리 상태로 만들어 블로우다운을 통하여 불순물을 배출한다.
나) 용존산소 제거
① 복수펌프 출구 및 탈기기 출구에 하이드라진(N2H4) 을 주입하여 계통수 중에 용해되어 있는 용존산소를 제거한다.
N2H4 + O2 → N2 + 2H2O
② 용존산소를 제거하기 위해 주입되는 하이드라진은 수온이 상승하면 pH를 조절하는 효과도 있다.
3N2H4 → 2NH3 + N2
204℃ 에서 분해가 되기 시작하고 350℃에서 완전분해가 된다.
③ 다음은 물리적으로 제거하는 방법으로 용존산소 제거는 온도가 높을수록 용해도가 감소되는 원리를 이용한다. 탈기기에서 증기를 분사하여 급수의 온도를 상승시켜 용존산소를 탈기시킨다.
2) 복수탈염장치 (CPP, condensate polishing plant)의 운전
가) 개요
① 복수탈열장치는 복수계통의 부식생성물과 복수기 누설에 의해 유입되는 불순물을 제거하는 장치이다.
② 고순도의 물을 요구하는 고압 보일러와 보일러수를 블로우다운할 수 없는 관류보일러에 설치 채용한다.
나) 장치의 구성 : 전치 여과기 → 탈염장치 → 수지트랩
① 전치여과기
- 금속산화물 등 탁도 성분을 물리적 여과작용으로 제거하는 여과기이다.
- 일반적으로 양이온수지 및 캔들 필터(candle filter)를 사용한다.
② 탈열장치
- 탈염장치는 순수제조장치와 유사하다. 복수탈염장치에서는 유입수에 불순물 함량이 적고 고순도의 처리수가 요구되므로 양이온수지와 음이온수지가 혼합 충진되어 있다.
- 혼상식 탈염탑은 복수의 특성을 감안하여 양이온교환수지를 음이온교환수지보다 1.5~2.0배 많이 충진한다.
- 수지의 재생은 복수 계통 내에서 재생폐액의 오염방지를 위해 탑 내에서 실시하지 않는 외부재생법을 많이 채용한다.
③ 수지트랩
: 복수탈염장치에서 이온교환수지가 유출될 경우 계통수에 유입되므로 이를 방지하기 위하여 복수탈염장치 후단에 설치되어 있다.
3) 블로우 다운
가) 개요
① 보일러 내에서 불순물의 농축이나 슬러지의 퇴적을 방지하기 위해 블로우 다운을 실시한다.
② 순환보일러에만 적용되며 보일러수 배출 시는 인산이온 등 처리약품도 함께 배출되므로 약품 주입시 주입량을 고려해야 한다.
③ 보일러수 배출은 열손실을 동반하므로 배출량을 감소시키는 것이 바람직하다.
나) 블로우 방법
① 표면 블로우 (surface blow)
- 드럼수의 표면부분에서 배출되는 것을 말한다.
- 보일러의 농축수, 탁도 성분, 유기물 등의 배출을 목적으로 한다.
- 블로우 시간에 따라 연속 블로우와 간헐 블로우로 구분된다.
② 바닥 블로우 (bottom blow)
- 드럼의 저부에서 배출되는 것을 말한다.
- 슬러지의 배출을 주먹적으로 하므로 많은 유량으로 단시간에 배출한다.
다) 블로우량
① 블로우율
(블로우 유량 / 급수 유량) * 100 = 블로우율(%)
② 블로우량 결정
블로우량(t/h) = Ff/b
- b : 보일러수 중 불순물 농도 허용치(ppm)
- f : 급수 중 불순물 농도(ppm)
- F : 급수유량(t/h)
4. 기동 정지시 수질관리
가. 수질관리
1) 목적
가) 보일러 기동시에는 정상적으로 운전할 때에 비해 계통수 중에 용존산소가 많이 함유되어 있고
나) 정지기간 중에는 금속 재질이 대기 중 산소와 접촉되므로 기동 및 정지 기간 중에는 어느 쪽이나 산소에 의한 부식이 현저하므로 적절한 대책이 필요하다.
다) 따라서 보일러 기동 시에는 정상운전 중이나 정지 기간 중에 발생한 각종 부식생성물과 실리카의 제거가 가장 중요하다.
2) 기동의 분류 (정지기간 및 터빈 첫 단 온도 기준)
: 보일러 기동(start up) 형태를 정지 기간 및 첫 단의 셀 내부 금속 온도를 기준으로 분류할 수 있다.
3) 기동시 수질관리
가) 순환보일러의 수처리
① 용존산소 대책
- 용존산소는 부식의 원인 물질이기 때문에 복수기와 탈기기에서 충분히 탈기 후 급수로 사용하고
- 급수계통에서는 탈산소제인 하이드라진을 복수펌프 출구와 탈기기 출구에 주입하여 용존산소를 제거한다.
② 부식 생성물 및 실리카 제거
- 복수의 배출 : 보일러 기동 시 복수 중에는 터빈 부착물에서 용출된 실리카나 부식 생성물을 함유하고 있으므로 기동전 플러싱(flushing)하여 배출한다.
터빈 롤링(rolling)이 시작되면 실리카의 농도가 갑자기 증가하므로 롤링 중이나 롤링 직후의 블로우 실시는 수질 조기 정상화에 효과적이다.
- 급수가열기의 응축수 배출 : 기동 초기에는 급수를 가열하고 나온 증기측 배출수는 부식 생성물과 실리카를 많이 함유하므로 배출하는 것이 좋다.
- 보일러수의 배출 및 실리카 퍼지(purge) : 보일러를 장기간 정지 후 기동 시에는 정지 기간 중 발생한 부식생성물과 휴지보존처리용 약품을 제거하기 위해 보일러수를 배출하고 다시 순수를 채운 후 순환시키면서 플러싱(flushing)한다.
- 순환보일러 기동시에 블로우나 복수탈염장치에 의해 계통수 중의 불순물을 제거하는 조작을 플러싱이라 한다.
나) 관류보일러의 수처리
① 개요
- 관류보일러 기동 시의 수처리는 순환보일러와 대체로 유사하나 순환보일러보다는 엄격하다.
- 보일러 기동 시에는 수질의 조기 정상화를 위해 급수 및 복수계통을 분리하여 순차적으로 수질 목표치 내로 도달할 때까지 플러싱한다.
② 기동 시의 플러싱 조작
* 복수계통 플러싱
- 복수계통의 불순물을 제거하기 위해 실시하는 것으로 복수기 → 복수펌프 → 복수기의 순환계통을 구성하여 불수눌을 제거하고
- 복수펌프 출구에 하이드라진을 1~5 ppm 정도 주입하여 용존산소를 제거한다.
* 저압 플러싱
- 복수 플러싱이 완료되면 저압급수가열기 계통의 불순물을 제거하기 위해 복수기, 복수탈염장치, 저압급수가열기, 탈기기 및 복수기를 순환하는 계통을 구성하여 복수 플러싱과 같은 요령으로 실시한다.
* 급수계통 플러싱
- 저압 플러싱이 완료되면 고압급수가열기 계통의 불순물을 제거한다.
* 복수기, 복수탈염장치, 저압급수가열기, 탈기기, 고압급수가열기, 복수기의 순환계통을 구성하여 실시한다.
* 보일러 플러싱
- 급, 복수계통 플러싱이 완료되면 보일러 급수펌프를 가동하여 보일러 내에 급수를 채우면서 플러싱하고 플래시 탱크로 블로우 한다.
- 세정효과를 높이기 위해서는 순환수 유량을 증가시키고 산화철 스케일의 용해도가 가장 높은 150℃ 부근까지 온도를 증가한다.
- 보일러의 부식을 최소로 하기 위하여 탈기기를 조기에 기동하여 탈기된 물로 보일러를 충수한다.
나. 보일러 정지시 보존처리(휴지보존)
1) 개요
가) 발전설비의 정지 기간 동안 설비의 보존처리는 대단히 중요하다.
나) 정상운전 시 수질관리가 아무리 양호해도 장기간 정지 시 보존처리가 잘못되면 정지 기간 중 생성된 녹과 슬러지층이 부식을 가속화시키고
다) 재기동 시에는 다량의 부식생성물이 보일러 내로 유입되어 장해를 초래하므로 정지시 보존처리에 주의를 기울여야 한다.
2) 휴지보존방법
* 장기간 정지 중인 보일러의 보존 방법은 강의 부식 3대 요소인 산소, 수분, 전위차 중 수분과 산소를 제거하는 건식보존법과 용존산소를 제거하기 위해 하이드라진이 처리된 순수로 만수 보존하는 습식보전법으로 분류된다.
5. 냉각수처리
가. 개요
* 발전소에서의 냉각수 사용 종류는 터빈을 구동하고 나온 증기를 복수기에서 열교환을 통해 응축시켜 보일러 급수로 회수하기 위한 주 냉각수처리
* 각종 회전기기에서 발생하는 열을 냉각시키기 위한 보조 냉각수처리
* 발전기 내부에서 발생되는 열을 교환하기 위한 고정자 냉각수처리 등이 있다.
나. 주 냉각수처리
* 바다와 인전합 발전소에서는 해수를 이용한 일과 냉각방식(once-through cooling)을 채택하고 있으며,
* 여과수를 이용한 냉각방식은 순환냉각방식(recirculation cooling)을 사용하고 있다.
1) 일과 냉각방식(once-through cooling)
* 이 방식은 열교환에 의해 온도가 상승된 물을 그 상태로 방류하기 때문에 다량의 냉각수가 필요하므로 주로 해수를 사용한다.
* 해수 중에는 패류나 기타 해양생물이 냉각수의 수로나 복수기의 내부에 부착하여 유로 저항을 증대시키고 복수기의 열효율을 저하, 부식 발생을 촉진하는 등 많은 장해를 일으키고 있다.
* 이에 대한 대책으로 황산 제1철을 주입하여 복수기 튜브에 보호피막을 형성하고 생물의 번식을 방지하고자 염소를 주입하고 있으며 튜브 재질의 부식을 방지하고자 전기방식 및 주기적인 튜브의 세정을 통하여 튜브 내면을 항상 청결하게 유지해야 진공도 저하 방지 및 복수기 튜브의 부식을 억제할 수 있다.
가) 황산 제1철(FeSO4, 7H2O) 주입
① 황산 제1철의 주입은 구리합금 재질의 부식 및 침식을 방지하는데 효과가 있다.
② 복수기 관 내면에 주입된 철이온이 용존산소에 의해 수산화철(γ-FeO.OH)형태의 보호피막을 형성한다.
나) 해수전해설비에 의한 염소 주입
① 해수 중에 용존하는 염류의 일부를 전기분해하여 생성된 차아염소산을 취수구에 소량 주입한다.
② 복수기관 내부에 미생물의 부착을 방지하고 주입된 염소는 냉각계통에서 대부분 분해되어 방류구에서는 거의 나타나지 않는다.
다) 복수기 관 내 전기방식
* 전기부식이란 재질의 이온화경향 차이에 의해 금속 표면에 양극부와 음극부가 생기게 되며 양극부는 부식이 촉진되고 음극부는 억제되는 현상이다.
* 해수를 냉각수로 사용하고 있는 복수기, 열효관히 및 각종 냉각계통설비는 주로 철강 및 동합금으로 되어 있고 이들 설비들은 해수의 심한 부식성으로 인해 기능장해 및 수명단축 등 운전에 지장을 초래하게 된다.
* 이러한 부식으로 인한 손실을 최대한 방지하기 위하여 주로 사용되고 있는 전기방식은 외부 전원법과 유전 양극법 등이 있다.
① 외부 전원법
* 방식하고자 하는 금속을 -극에 연결하고 전극판에 +극을 연결하여 외부에서 전류(DC 4V)를 흘러 방식 전류를 조절하여
* 수온 변화 및 냉각수의 조건이 변해도 피방식체의 부식방지 적용 전위를 자동조절 가능하여 방식이 효과적이다.
* 대용량설비에 주로 사용된다.
② 유전 양극법
* 유전 양극법은 Zn, Al, Mg 등의 저전위 금속 즉, 이온화 경향이 큰 금속을 부착하여 피방식 금속과의 전위차에 의한 전지작용에 의해 방식전류를 발생시켜 방식하는 방법이다.
* 이때 저전위 금속은 자체가 소모되므로 희생 양극법이라 한다.
* 대개 유전 양극법은 소규모 시설이나 작은 방식전류로도 방식이 가능한 설비를 대상으로 사용한다.
2) 순환냉각방식(recirculating cooling)
가) 열교환에 의해 상승한 물의 온도를 냉각탑을 이용해 물의 증발잠열을 대기 중으로 방출함으로써 냉각된 물을 재순환하는 방식으로 냉각수의 일부가 냉각탑에서 증발이 일어나고 순환수 중에 불순물의 농축이 일어난다.
나) 농축으로 인하여 냉각계통은 스케일, 오염(fouling), 부식 등의 장해현상이 발생되므로 스케일 방지제 등 약품을 주입하고 순호나수의 농축도를 조절할 필요가 있다.
다) 냉각탑은 자연 통풍식과 강제 통풍식으로 나뉜다.
다. 보조 냉각수처리
1) 보조 냉각수처리는 내연기관, 공기압축기, 터빈오일 기타 회전기기의 구동부분에서 발생하는 열로 인해 기기의 온도가 상승하는 것을 방지할 목적으로 사용된다.
2) 각종 열교환을 통해 상승된 보조 냉각수의 온도를 2차 냉각수에 의해 온도를 저하시킨 후 각종 회전기기의 냉각을 위해 사용된다.
3) 이 방식의 특징은 증발 손실이 거의 발생되지 않으므로 냉각수의 보충량이 극히 적다.
4) 따라서 대부분이 순수를 사용하며 순환 과정에서 불순물의 농축이 일어나지 않으므로 냉각수 관리를 소홀히 하기 쉬우며
5) 냉각수에는 용존산소를 함유하고 있어 열교환기 통과 시 수온이 상승하게 되면 부식이 발생되기 쉬우므로 용존산소를 제거하고 부식 억제제를 주입한다.
6. 화학세정
가. 목적
1) 보일러는 운전시간이 경과함에 따라 스케일이 부착하게 되며
2) 열효율 저하는 물론이고 심하면 튜브 파열 사고의 원인이 된다.
3) 이와 같은 문제점과 설비의 수명단축을 사전에 방지하기 위하여 정기적으로 화학약품을 사용하여 튜브 내면의 스케일을 제거하는 것이 목적이다.
나. 화학세정 기준
다. 보일러튜브의 스케일 조사
1) 보일러 튜브 발관
가) 화학세정의 실시 여부를 판정하기 위해서는 보일러튜브 발관 위치의 선정이 대단히 중요하다.
나) 보일러의 안전 운전을 위해서는 보일러 튜브 중 스케일이 가장 많이 부착된 부위나 사고가 우려되는 부위를 화학세정 기준으로 삼아야 하며 이러한 부위로서는
① 열부하가 높은 부위
② 고형물이 정체하기 쉬운 부위
③ 흐름이 나쁜 부위
④ 과거 고장이 잦은 부위
⑤ 제작자가 지정하는 부위 등이 있다.
⑥ 튜브 발관시 톱 사용을 원칙으로 하며 하부측부터 먼저 절단하여 튜브 내부에 이물질이 들어가지 않도록 해야한다.
⑦ 절단된 부위가 열이나 충격 등을 받지 않도록 해야하며 절단 후 즉시 발관 년 월 일, 발관위치, 보일러의 흐름방향, 화염 및 노벽 측을 명기한다.
2) 스케일 조사
* 보일러의 화학세정을 위해서는 튜브 내의 스케일을 조사하고
* 그 결과에 따라 적절한 세정방법과 화학약품의 주입농도 등을 결정한다.
* 조사항목으로는 스케일의 부착 상황, 두께, 부착량 및 화학조성 등이 있다.
라. 보일러 화학세정
1) 화학세정 방법
가) 화학세정의 목적은 보일러 재질은 손상시키지 않고 스케일만 완전히 용해 제거하는 것이다.
나) 세정대상 보일러의 구조 및 특성과 스케일의 조성, 부착상태 등에 따라 적절한 세정 방법을 택해야 한다.
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