보일러 급수 펌프
이번 글은 보일러 급수 펌프 (Boiler Feed Water Pump) 용량 선정에 관한 이야기 입니다. 일반적으로 BFWP 의 용량 선정 기준은 Code, Engineering 사, 사업주, 프로젝트 요구 조건에 따라서 조금씩 차이는 있지만, 설계 수행에 참고가 되었으면 합니다.
복합화력 발전소(Combined Cycle Power Plant) 및 화력발전소(기력발전소, Thermal Power Plant )를 구성하고는 주요설비로 Gas Turbine, Boiler, Turbine, 발전기 등의 주기기와 보조기기(Balance of Plant, BOP) 즉 연료공급 및 처리계통, 응축수 및 급수 계통, 냉각수계통, 재처리계통, 기타 Utilities(Air, Service Water, Water/Waste Water Treatment System)등이 있으며, 전기 생산을 위한 각각의 기능을 담당하고 있다.
이중에서 Boiler Feed Water Pump는 보일러(HRSG, WHRB, etc.)에 필요한 Feed Water를 적정한 압력과 유량을 공급해 주는 설비로써, 발전소 및 열을 이용하여 Steam을 생산하는 위한 핵심적인 설비로, 고온 ·압 환경에서 운전되기 때문에 설계 단계에서 기기의 선정 및 운전시 세심한 주의가 요구되는 설비이다.
발전소에서 보일러 급수 펌프 계통은 Project Specific 하게 구성되며, 아래 그림은 일반적인 복합화력 발전소(Combined Cycle Power Plant)의 Dual Pressure Steam (HP/LP)으로 구성된 HRSG(Heat Recovery Steam Generator) 이 설치 된 발전소의 Boiler System (HRSG)의 Schematic Diagram 이다.
이 구성에서 보일러 급수는 Deaerator 에서 Feed Water 를 공급받아 LP BFWP 를 이용하여, 보일러 수를 LP Drum 으로 보내며, 그 중 일부는 HP Feed Water Pump 에 의해서 HP drum 으로 보내 지도록 구성된다.
발전소에 사용되는 보일러 급수의 수질 조건은 까다롭기 때문에 Deaerator 에서 일차적으로 용존 산소를 제거하고 필요한 Chemicals 를 주입하여 Steam 공급에 적합한 Water Chemistry를 만족하도록 처리된다.
(수질관련 사항은 이미 Posting 한 이야기 참조)
펌프 Driver 의 선정
발전소에서 사용되는 BFW 펌프의 Driver Type은 크게 Motor 와 Steam Turbine 두 가지 종류로 나눌 수 있으며, 이전에는 BFWP의 Shaft Power 가 20 MW 를 넘어가는 경우에는 Motor 용량의 제한 때문에 Steam Turbine Driver 을 적용하는 경우가 많았으나, 최근 추세는 대형용량 BFWP 의 경우도 Motor Type Driver 가 많이 적용되고 있다.
보일러 급수 펌프를 증기 터빈 구동 방식으로 적용한 경우에는( 즉, Steam turbine 이 driver 로 적용되는 경우는 steam turbine 을 구동하기 위한 steam 을 main steam 의 extraction port 로부터 공급하도록 구성), Initial Start-up 시 펌프 운전에 필요한 Steam 이 확보되지 않으므로, 추가적인 Starting-up 용 급수 펌프(Motor Driven)를 설치하거나, Start-up 시 펌프 구동에 필요한 증기 공급을 위한 Auxiliary 보일러 설비가 고려되어야 한다.
보일러 Rated Capacity Selection
BFWP는 연속 운전 및 일시적인 System Upset Conditions 에서도 신뢰성 있게 운전되어야 하며, 발전소 출력요구 조건에 따른 기동 및 정지(cycling operation)에도 적합 하도록 설계되어야 하고, 발전소의 급수 시스템 구성 기준에 따라 구동 방식 및 설치 수량이 고려되어야 한다.
보일러 급수 펌프의 용량 선정을 위해서는 발전용 증기 터빈의 용량 정의에 대한 이해가 먼저 필요하며, 일반적으로 증기 터빈의 용량을 정의하는 방법에는 여러 방식이 있으며, 그 중 가장 많이 사용되는 증기 터빈 용량에 대한 정의들은 아래와 같다.
또한, 증기 터빈의 BMCR(Boiler Max. Continuous Rating )에 대한 정의에 대해서는 Project 및 지역별로 다소 차이가 있기 때문에 반드시 초기 프로젝트 계약 단계에서 명확하게 확인하는 것이 필요하다고 하겠다.
| Abbreviation | Description | Definition |
| MCR (최대 보증출력) |
Maximum Continuous Rating or PGR (Performance Guarantee Rating) |
• Plant 100% 정격용량 • 냉각수 평균온도 기준으로 산정 • Equipment 용량 산정 (Plant design) 기준(100%MCR) |
| TMCR | Turbine Max. Continuous Rating | • 냉각수 최고온도 기준으로 산정된 유량 즉, 냉각수 고온으로 인한 출력 저하를 만회하기 위해 입구 유량 증가됨 |
| VWO (최대 출력) |
Valve Wide Open | • VWO (Turbine main stop Valve Wide Open of 105%) 조건 즉, 100% MCR + 5% Valve open (즉, 100% TMCR + 5% Valve open 이 아님) • 발전소 성능보증을 위한 유량이 아니라, 단지 증기터빈 성능 보증을 위한 증기터빈 자체의 설계유량 • 설계, 제작 시의 오차를 고려한 여유 |
| BMCR | Boiler Max. Continuous Rating | • Boiler가 기능상 낼 수 있는 최대출력 기준 • 보일러 제작사의 성능 보증 용량 • BMCR은 성능보증을 위해 Turbine 측에서 결정 된 용량으로 BMCR=MCR, BMCR=TMCR, BMCR=VWO 일 수 있음. BMCR = VWO (일반적으로 VWO 가 TMCR보다 크므로, 가장 Severe한 조건임.) -------------------------------------------------------------------- 1) 미국, 한국전력 2) GE 설계 기준 BMCR = MCR or TMCR --------------------------------------------------------------------- 1) 유럽, 일본 및 일반 민간기업 2) 대부분 이 기준으로 HB 작성 |
보일러 급수 펌프의 Rated Capacity (정격용량)은 최종 Impeller 단에서의 토출 (Discharge) 용량으로 선정하며, 각각의 Engineering 사 또는 기타 기술 문서마다 Design Criteria 에 대한 기술 요구사항이 다소 다르지만, 가장 일반적이고 Practical 하게 적용되는 용량 산출 기준에 대해서 설명하고자 한다.
보일러 펌프의 유량 선정
펌프의 유량은 최대 연속 정격 유량(Boiler Maximum Continuous Rating, BMCR)을 기준으로 함.
(발전 설비 : 발전기를 구동하는 증기 터빈의 유량 기준
Steam 생산 전용 설비: Process 증기의 사용량 기준 )
| 토출 유량 산출 기준 |
Boiler 유량 | BMCR (Boiler Maximum Continuous Rating) 기준 선정 |
| + Blow-down 유량 | Boiler Blow-down 비율 고려 | |
| + Other 유량 | Standby BFWP Warm-up 유량, Boiler Superheater Spray Water 등 단, Soot Blower 유량 제외 (공급이 아주 간헐적으로 발생됨.) |
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| + Surge Margin (5%) | Drum Type Boiler 경우는 드럼내 급격한 수위 변동 발생에 대한 공급 유량의 변동치가 고려되어야 함 ( 단, Soot Blower 유량 제외 (공급 간헐적 발생)) |
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| + Wear Margin (5%) | 펌프 운전시 마모로 인한 성능 저하 고려 |
예들 들어 구성이 2 x 100 %, 구동 방식의 Motor Driven Type HP BFWP을 아래와 같은 Process 조건에서 Design 해야 한다면 펌프 용량선정은 아래와 같다. ( 계산예)
