배열회수 보일러의 원리와 특성 및 종류

배열회수 보일러 원리 및 특성

배열회수 보일러(HRSG : Heat Recovery Steam Generator)란 가스터빈과 같은 열기관에서 열 에너지를 보유한 채로 버려지는 배기가스의 열을 회수하여 계통에 필요한 증기를 발생시키는 설비를 말합니다. 배열회수 보일러는 보일러 본체, 배기가스 덕트, 배기가스 댐퍼 및 기타 부속설비로 이루어지며, 배열회수 보일러 본체는 과열기, 재열기, 증발기, 절탄기, 증기드럼 등으로 구성되어 있습니다.

 

기력보일러와 배열회수보일러의 특징

기력보일러와 비교할 시 배열보일러의 특징은 다음과 같습니다.

구분	기력보일러	단순 배열회수 보일러
연료연소 여부	연소	비연소
열전달 방식	복사, 대류, 전도	대류, 전도
보일러케이싱 구조	수냉벽 구조	강팡 구조
보온방식	수냉벽 외부보온 방식	강판 내부 또는 외부보온 방식
압력수준	단압식	단압식 또는 다압식
재생사이클 채택여부	7~8단 재생채택	일반적으로 채택하지 않음

대용량 발전용으로 사용되는 배열회수 보일러는 주로 순환형(드럼형) 보일러를 채택하고 있으며 가스터빈 배기가스 열회수율을 높이기 위해 고압, 중압, 저압드럼을 보유한 3압식을 대부분 채택하고 있습니다.

 

배열회수 보일러의 열전달은 거의 대류에 의해 발생합니다. 기력보일러는 보일러 내에서 직접 연료를 연소하기 때문에 복사열이 존재하며, 도한 보일러가 수냉벽으로 이루어져 있습니다. 그러나 배열회수 보일러는 단순히 가스터빈의 배기가스만을 이용하므로 거의 대류에 의해 열 교환이 이루어지기 때문에 수냉벽이 없습니다.

 

배열회수율을 높이기 위해 핀 튜브(Fin Tube)를 사용합니다. 배열회수 보일러에서 사용하는 튜브의 전열표면은 지느러미형(Extended Fin Type)으로 되어 있습니다. 튜브 표면에 핀(Fin)을 나선형으로 감아 전기저항용접으로 조립하여 핀(Fin)과 튜브(Tube) 사이에 열전도가 잘 되도록 되어 있습니다.

 

배열회수 보일러의 입열은 보일러 입구댐퍼 개도와 가스터빈 부하에 따라 좌우됩니다. 배열회수 보일러는 보일러 자체의 연료 공급설비가 없습니다. 따라서 가스터빈 기동 후 배열회수 보일러 입구 댐퍼를 서서히 개방하여, 대기로 방출하던 가스터빈 배기가스를 배열회수 보일러로 도입하여 배열회수 보일러를 기동합니다. 배열회수 보일러 입구댐퍼가 전개되면 가스터빈 부하에 다라 보일러 출력이 감소합니다.

 

배열회수 보일러 구분

배열회수 보일러의 형식은 배기가스 이용방식, 증기압력 수준, 보일러수 순환방식 및 배기가스 유동방향에 따라 다음과 같이 구분할 수 있습니다.

 

배기가스 이용방식에 따른 구분

단순 배열회수식(Unfired HRSG)

단순 배열회수식 가스터빈 배기가스가 보유한 열만을 이용하여 증기를 생산하는 방식으로 가장 단순한 형식입니다. 단순배열회수식은 가스터빈 배기가스 에너지의 약 95%를 회수하여 증기 생산에 이용할 수 있으며, 열교환면적을 증가시켜 성능을 더 높일 수 있으나 배기가스 압력강하 손싱등을 고려해야 합니다. 국내 복합발전의 배열회수 보일러는 가스터빈의 입구 연소가스 온도가 높아짐에 따라 대부분 단순배열 회수식을 채용하고 있습니다.

 

배기조연식(Supplementary Fired HRSG)

배기조연식은 배기가스 덕트 내부에 추가로 공급된 연료를 연소하여 배기가스 온도를 더욱 높임으로써 가스터빈 저부하 운전 시 증기조건을 향상시켜 증기터빈의 출력을 증가하는 방식입니다. 가스터빈 배기가스에는 일정량의 산소에 남아있게 되며 이를 이용하여 배기가스 덕트 내에서 추가적인 연료 연소가 가능하며, 연소용 공기가 충분히 예열되어 있는 상태이므로 석탄화력 보일러에 비하며 연료소비가 적게 됩니다.

 

배기재연식(Fully Fired HRSG)

배기재연식은 가스터빈 배기가스를 대용량 보일러의 연소용 공기로 이용하는 방식으로 압입통풍기(FD Fan) 위치에 가스터빈 배기 덕트가 설치됩니다. 배기재연식은 외부 공기를 이용하는 석탄화력 보일러에 비하여 연료소비가 적으며, 보일러 입구에 압입통풍기(FD Fan)를 추가 설치할 경우 증기터빈 단독운전이 가능합니다.

 

과급보일러식(가압유동층보일러)

과급보일러식은 가스터빈 공기압축기에서 압축된 공기를 이용하여 보일러에서 가압 연소하고, 보일러의 배기가스를 가스터빈에 도입, 팽창시키는 방식입니다. 가스터빈 배기가스 열은 보일러 급수가열에 이용합니다.

 

증기압력 수준에 다른 구분

단압식(Single Pressure HRSG)

- 하나의 증기압력 수준으로 설계된 배열회수 보일러 형식입니다.

- 낮은 온도범위에서 열회수가 곤란하므로 다압식에 비해 배열회수 보일러 출구 배기가스 온도가 높은 편입니다.

- 다압식에 비해 증기계통, 급수계통이 간단합니다.

 

다압식(Multiple Pressure HRSG)

- 배열회수율을 높이기 위한 방법으로 배열회수 보일러의 증기압력 수준을 고압, 저압으로 분리하는 2압식과 고압, 중압, 저압으로 분리하는 3압식이 있습니다.

- 증기압력에 따라 각각 다른 온도의 증기를 생산하므로 열회수 범위가 넓어집니다.

- 일산, 분당, 안양, 부천 복합은 2압식이며, 보령, 인천, 서인천, 신인천, 부산, 영월, 군산복합 등 국내 발전회사 대부분은 3압식을 채택하고 있습니다.