이번 글은 발전소에 사용되는 SWAS (Steam Water Analysis System) 구성시 고려되어야 할 사항에 대한 이야기 입니다. 발전소 업무를 수행하는데 참고가 되었으면 합니다.
Steam Water Analysis System (SWAS) [ CCPP SWAS Design Consideration ]
1) SWAS system 구성시에 Chiller 설치 적용여부에 대한 고려사항
SWAS system 에 설치된 Anaylzer 중 CC나 pH는 Temperature 요구 조건이 Severe하지 않지만, Silica나 DO의 경우는 20~25 °C 조건이 유지되어야 한다. 다시 말해서 CCW (Closed Cooling Water) System 의 Supply 온도 조건이 높은 경우는 Chiller를 SWAS System 설치해야 한다.
(ASME PTC 19.11” STEAM AND WATER PURITY IN THE POWER CYCLE 에서도 Chiller가 필요하다고 기술되어 있음.) 따라서 설계시에 이부분이 고려되어야 함.
2) Silica Analyzer 및 Sodium Analyzer의 Common 적용에 대한 고려 사항
Silica 및 Sodium Analyzer는 다른 Analyzer에 비해 금액이 높기 때문에, SWAS 구성 시 Stream Controller 장치를 설치하여 아래 설명 된 내용을 참고하여 한개의Analyzer를 Common으로 사용하는 방안에 대한 고려가 필요하다.
| HP/IP/LP Saturated Steam용 3 곳 Silica Analyzer | 1개의 Common Analyzer에 연결하여 사용 |
| HP/HRH/IP/LP Superheated Steam용 4곳 Silica Analyzer | 1개의 Common Analyzer에 연결하여 사용 |
| HP/IP/LP Saturated Steam, HRH 4곳 Sodium Analyzer | 1개의 Common Sodium Analyzer에 연결하여 사용 |
[ 아 래 ]
- EPRI(Electric Power Research Institute)상에 CCPP Guideline ( 아래 Table 참조)에 따르면 고온 재열 증기(Hot Reheat Steam)에 대해서는 Cation Conductivity와 Sodium 측정만 요구됨.
- 포화증기(Saturated Steam)와 과열증기(Superheated Steam) 모두에서 실리카를 연속적으로 측정할 필요 없음.
- 그러나, 일반적으로 증기 터빈을 통과하는 증기의 순도는 STG 기능과 효율에 큰 영향을 주며, 실리카의 경우는 부식성은 없지만 터빈 블레이드에 축적되어 터빈 효율을 감소시킨다. 따라서 STG 의 성능과 직접적으로 관련되기 때문에 STG OEM 사에게 Silica의 Continous Measuring 필요 여부를 STG Vendor에게 문의하되,최소한으로 Saturated Steam과 Common 적용에 대해 검토을 요청할 필요가 있음.
** Specific Conductivity:
일반적으로 Conductivity 라고도 하며, 물속에 용존하는 불순물 농도를 측정하는 것으로, 값이 높게 나온다면 용액내 이물질(이온화 물질)이 많다는 의미로 물속에 분순물이 많다는 것이다.
Demineralize Plant 에서 순수 생산시에는 Specific Conductivity 를 측정하는데 Conductivity 가 0.1 μS/cm 이하로 매우 순수하다.
시운전시에 현장에서 Demi. Plant 에서 생산되는 SC 의 값은 측정하여 보면 당연히 CC (Cation Conductivity) 보다 높지만 큰 차이를 보이지 않는다.
** Cation Conductivity
발전소 Steam Cycle 에서 Demi. Plant 에서 생산된 순수는 계통내에서 일정한 pH 값 (9-9.5, 철과 동재질의 부식이 가장 낮은 값)으로 유지시키기 위해서 암모니아(or 아민: 휘발처리)를 주입하게 된다. 이때 암모니아로 인하여 SC 는 CC 보다 약 10배이상 증가되는 경향을 보인다. 다시 말해서, 암모니아의 Conductivity 가 다른 불순물에 의한 것보다 크기 때문에 SC 를 측정했을 때 그 의미의 해석이 어렵다. (이 CC 값의 증가가 암모니아로 인해서 커진 것인지 다른 불순물로 인해서 커진 것인지 구분이 안된다. 이러한 이유 때문에 양이온 교환수지(Cation Exchanger) 를 거쳐 양이온(NH4+, Na+, Amine,등) 을 H+ 이온으로 치환한 상태에서의 Conductivity 를 측정해서 이 값을 기준으로 하게 된다.
이때, 양이온을 제거한 음이온의 전기도를 CC (Cation Conductivity) 라고하고, 다른 용어로 “Acid Conductivity” 또는“Conductivity after cation exchanger” 라고 한다.
따라서, Ammonia 나 Sodium 같은 양전하를 제외한 불순물 (Chloride, Sulfate)의 양을 나타낸다.
** Na+
수증기에 나트륨이 존재하면 염기나 염의 축적의 위험이 있으며, 표면에 고도로 농축된 염기성 용액이 형성되면 터빈 강철의 스트레스 부식 균열(Stress corrosion cracking: SCC)이 생길 수 있다.
** Silica:
실리카는 부식에 무관한 것으로 알려있으나, 수증기에 포함된 Silica는 터빈 블레이드에 축적되어 터빈 효율을 감소시킨다.
** Cl(Chlorine):
염소는 터빈 가동 중에 가장 부식성이 강한 오염물질로, 염소의 농도가 100 ppb가 되면 균열의 전조가 되는 심각한 점 부식(Pitting Corrosion)이 발생된다.
3. Steam Purity 요구조건관련 적용 코드
Steam Purity Requirement는 최종적으로 STG OEM 사에서 결정하되, 일부 OEM 사의 경우는 필요 이상의 수질 준수를 요구하는 경우가 있으며, 이런 경우에는 아래의 관련 Code를 Base로 세밀한 Check & Adjusting이 필요하다.
- EPRI Cycle Chemistry Guidelines for Combined Cycle/Heat Recovery Steam Generators (HRSGs),
- IEC TS 61370 Steam Turbine-Steam Purity, IAPWS Steam Purity for Turbine Operation,
- ASME PTC 19.11 Steam & Water Sampling)
4. 시운전 Start up 시간을 줄이기 위한 Cation Conductivity 용 DCC (Degasified Conductivity Analyzer)적용에 대한 고려 ( STG Start up Time 단축 )
발전소에서는 Start up Time 을 얼마나 단축시키느냐가 시운전 공기 준수에 키 포인트 중의 하나이기 때문에 시운전 단계에서 STG 의 Steam Purity 요구조건에 대한 관리가 필요하나, 이 조건이 잘 만족되지 않아, Steam Admission 이 일정이 예기치 않게 지연되는 경우가 발생될 수 있다.
따라서, 시운전 Start-up Time, 즉 Feed Water Purity Improvement Time을 줄이기 위하여, Superheated Steam용 CC Analyzer에 DCC (Degasified Cation Conductivity) Analyzer 를 설치하여 CC 보다 개선된 Conductivity 값을 얻을 수 있다.
일부 Steam OEM 사의 경우 DCC 를 공식 측정치로 인정하지 않는 경우도 있어, 별도의 Clarification 이 필요하지만 Project 수행 단계에서 DCC Analyzer 설치에 대한 충분한 검토 및 반영이 필요하다.
실제로 기 수행했던 XXX Project 의 경우 DCC 를 적용하여 시운전 Start-up Time 을 단축했었다.
** DCC Analyzer 의 장점 :
DCC Analyzer 는 Carbon Dioxide 처럼 Steam Purity Parameter 의 관리 대상이 아니지만, Cation Conductivity 를 높여서 정확도를 떨어뜨리는 인자로, Cation Exchanger 를 통과한 Sample 를 100 °C 근처까지 가열하여 정확도를 떨어뜨리는 Carbon Dioxide 성분을 날려 버린 후 Conductivity 를 측정하기 때문에 보다 더 정확한 CC 측정이 가능하다.
예를 들면 운전시에 CC 값이 0.6 μS/cm 라고 할경우, 최초 Admission 조건인 0.5 μS/cm 에 가깝다고 하더라도 OEM Vendor 는 Steam Admission 을 허용하지 않을 것이며, 그러나, CC 0.6의 값이 DCC (Degassed Cation Conductivity) Meter 를 거치게 되면 DCC 값이 대략 0.25 정도로 떨어지게 된다. 이것은 CO2 가 DCC Meter 의 Degas unit 을 거치면서 CO2 값의 영향을 주는 HCO3- 가 제거되기 때문이다.
다시말하면, CC 는 양이온을 제거하고 남은 음이온의 Conductivity 인데, 이중에는 CO2 가 물에 녹으면서 생성된 HCO3- 가 CC 에 영향을 주기 때문에 수질에 크게 관련이 없는 CO2 를 제거하여 HCO3- 가 없는 순수한 음이온으로 구성된 CC 값은 낮아지게 된다.
CC (Cation Conductivity) 는 SC(Specific Conductivity) 에서 Cation Exchanger 를 거쳐 양이온을 제거하고 측정된 값이다.
여기서, Degas unit 를 거치게 되면 평형상태에 있던 HCO3- 가 CO2 로 치환되면서 제거되고 순수하게 음이온만 잔류하게 된다. 따라서 HCO3- 가 제거된 만큼 DCC 값은 줄어 들게된다.
일반적으로 경험상 CC 를 Steam Admission 기준인 0.5 μS/cm 를 달성하기 위해서는 길게는 2 주 정도의 시간이 소용되지만 DCC Meter 를 이용할 경우 기간을 단축시킬수 있는 장점이 있어 금액이 다소 비싸지만 Engineering 단계에서 이 부분에 대한 배려가 필요하며 SWAS system 에 포함하는 것이 차후 시운전 단계에서 큰 손실을 막을수 있게 하지 않을까 판단된다.
[ Extracted from EPRI Document ]
[ Sample : Alarm and Trip Set Point List for CCPP ]
| DESCRIPTION | UNIT | ALARM SET POINT | ||||
| LOW LOW (AL2) |
LOW (AL1) |
HIGH (AL1) |
HIHI (AL2) |
HHH (AL3) |
||
| Condenser Make-Up - SC | μS/cm | 1.50 | ||||
| Condensate (Before Dosing) - CC | μS/cm | 0.20 | ||||
| Condensate (Before Dosing) - DO | ppb | 20.00 | ||||
| Condensate (Before Dosing) - Na | ppb | 10.00 | ||||
| Condensate (After Dosing) - CC | μS/cm | 0.20 | ||||
| Condensate (After Dosing) - DO | ppb | 10.00 | 20.00 | |||
| HRSG Feed Water Pump Suction - CC | μS/cm | 0.20 | 0.40 | 0.80 | ||
| HRSG Feed Water Pump Suction - pH | - | 9.20 | 9.60 | |||
| HRSG Feed Water Pump Suction - DO | ppb | 10.00 | 20.00 | |||
| IP Drum Water - SC | μS/cm | 50.00 | ||||
| IP Drum Water - pH | - | 9.40 | ||||
| IP Drum Water - Na | ppb | Curve | ||||
| HP Drum Water - SC | μS/cm | 30.00 | ||||
| HP Drum Water - pH | - | 8.00 | 8.70 | |||
| HP Drum Water - Na | ppb | Curve | ||||
| LP Sat. Steam - CC | μS/cm | 0.20 | 0.40 | 0.80 | ||
| LP Sat. Steam - Silica | ppb | 10.00 | 20.00 | 40.00 | ||
| LP Sup. Steam - CC | μS/cm | 0.20 | 0.40 | 0.50 | ||
| LP Sup. Steam - Na | ppb | 5.00 | 8.00 | |||
| IP Sat. Steam - CC | μS/cm | 0.20 | 0.40 | 0.80 | ||
| IP Sat. Steam - Silica | ppb | 10.00 | 20.00 | 40.00 | ||
| HRH Steam - CC | μS/cm | 0.20 | 0.40 | 0.50 | ||
| HRH Steam - Na | ppb | 5.00 | 8.00 | |||
| HP Sat. Steam - CC | μS/cm | 0.20 | 0.40 | 0.80 | ||
| HP Sat. Steam - Silica | ppb | 10.00 | 20.00 | 40.00 | ||
| HP Sup. Steam - CC | μS/cm | 0.20 | 0.40 | 0.50 | ||
| HP Sup. Steam - Na | ppb | 5.00 | 8.00 | |||
