이번 글은 Drum Boiler 의 수위 (Drum Level) 보정에 대한 이야기 입니다. 유사 설비 적용시 참고가 되었으면 합니다.
Drum Boiler 수위 보정
[ 스팀 드럼 LEVEL COMPENSATION ]
Drum Level Compensation and Range Calculation of DP Transmitter Steam Boiler 에 Drum 연결 된 레벨 게이지 및 기타 원격 레벨 표시기( DP 송신기 제외)는 완전히 정적 상태가 아니기 때문에 게이지의 수온은 주변 온도와 비슷하다. 게이지의 연결 배관를 통해 응축수가 게이지로 흘러들어가며 이로 인해 가열되고, 소량의 물이 게이지와 연결 배관을 통해서 항상 흐르게 된다. 따라서, 스팀 드럼에 연결 된 모든 수위 측정 장치는 실제 드럼 스팀/물 포화 온도보다 낮은 온도에서 작동하게 되며, 이 낮은 작동 온도는 측정 장치 내에서 레벨 Reading 오류를 유발한다. 그래서 측정 장비에서 Drum Level 은 항상 실제 드럼 수위보다 낮게 표시되는 문제가 발생된다. 이런 현상은 실제 Plant 운전시 흔하게 경험하는 상황으로,
예를 들면 100 ℃ 로 보상된 레벨 트랜스미터의 경우 프로세스 온도가 90 ℃ 로 감소하면 실제 레벨은 표시된 것보다 높게 나타나게 된다.
이러한 효과로 인한 오차는 아래와 같은 공식에 의해서 계산될 수 있으며, 외부쪽의 물 밀도(Wet Leg 쪽)가 스팀 드럼내의 물 밀도보다 높기 때문에, 측정 장비는 항상 True Drum Level 보다 낮게 표시되고, 수위 오차 크기는 운전 압력에 따라 다르게 나타나게 된다.
보일러 Steam Drum 물 밀도는 작동 압력이 증가함에 따라 감소때문에, 이러한 오류는 특히 운전 압력이 100 barg 를 초과하는 스팀 드럼에서는 크게 나타나기 때문에 적절한 Compensation 이 고려되어야 한다.
아래 예는 상부 Tap 및 하부 Tap 으로 연결 된 Level Gauge 의 물온도 차이(밀도차이)에 의한 오차 정도를 보여준다.
일반적으로 보일러 드럼의 레벨 측정에 가장 널리 사용되는 장치는 차압 트랜스미터로, 이 장치는 드럼 내부의 물에 의해 생성된 헤드 압력을 기준 레벨과 비교하여 드럼 내부의 물 높이를 유추하도록 구성된다.
Boiler (HRSG or WHRB)는 운전 범위에 걸쳐 정확한 드럼 레벨 Signal 이 제공 될 수 있도록 Ambient Conditions 에서 Noraml Operating Condtions (운전 압력/온도)까지 드럼 레벨 Signal 에 대한 온도 & 압력 보상이 필요하다.
(액체 기둥의 측정된 높이 H는 기둥 바닥에 가해지는 압력 P에 정비례하고 액체의 밀도에 반비례)
Steam Drum 에서 레벨 측정은 드럼 상단과 하단에서 발생되는 차압을 기반으로 하는 정수압 측정이기 때문에, 광범위한 압력 및 온도변화는 밀도를 변화시켜 실제 차압에 상당한 영향을 미치게 때문에 운전 압력 따른 밀도 보상이 필요한 것이다. 또한, Steam Drum 내에 포화수 및 스팀 밀도는 드럼 내부의 운전 압력에 따라 변화되기 때문에, 차압트랜스 미터를 사용하여 드럼 레벨을 측정할 때는 측정 유체의 특성이 고려되어야 한다.
다음 예는 보일러 드럼의 Process Parameter 를 아래와 같이 가정 했을 경우 차압트랜스미터의 압력차 계산 식이다.
[ Hydrostatic equation = ρ(Density: Gf, Gv,Gr) · g (Gravity) ·h(Height/ L (Level)) ]
위의 계산에서 보여 지듯이, 차압 트랜스미터에서 감지된 차압 DP는 항상 음수값을 나타내며( 즉, 저수위 일때 차압이 크고 고수위 일때 차압이 작음), 드럼내의 액체 수위가 높아지면 트랜스미터의 출력 신호가 감소하고 수위가 낮아지면 출력이 증가된다. 또한, 드럼내에 수위가 동일하더라도 운전 압력이 변경 될 경우( 온도차에 따른 밀도값 변화) DP 값이 변화되는 것을 볼 수 있다.
이미 설명한 바와 같이 드럼 레벨 신호의 적절한 Reading 은 플랜트 운전 중에 드럼 레벨을 유지하는 데 중요하며, 복합 발전소의 경우 드럼 레벨은 전통적으로 D/P 유형 압력 트랜스미터를 사용하여 측정하고 있다.
드럼 레벨신호는 드럼 외부에 장착 된 D/P 송신기의 신호가 온도 변화에 영향을 받기 때문에 ( 스팀 드럼 내부와 외부 D/P 트랜스미터 Impulse Tube에서 온도차 발생) , 그 온도차는 스팀 드럼 압력 신호를 사용하여 보상되어야 한다. 이것은 드럼 내부의 물 및 증기는 항상 포화 상태에 있으며, 이 온도는 이 드럼 압력에 해당하는 포화 온도이기 때문이다.
