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[국내] 운전 중 공기예열기 수세정 방안
2009년 9월 7일 (월) 09:48:00 |   지면 발행 ( 2009년 8월호 - 전체 보기 )

운전 중 공기예열기 수세정 방안


영흥화력본부
제2발전소장_김명현
(032)455-3400 / mhkim@kosep.co.kr


개요

영흥화력 제3, 4호기는 장기 전력수급계획에 따라 수도권에 저렴하고 안정적인 전력을 공급하기 위해 건설된 국내 최대 용량(870㎿×2) 고효율의 초임계압 석탄 화력발전소로, 각각 2008년 6월과 12월에 상업운전을 개시했다. 수도권 총량 규제와 인천시의 환경협정 및 법적 대기배출허용기준이 세계 최고 수준으로 강화되 먼저 수도권 지역에 위치한 제3, 4호기는 여타 발전소에 비해 약 10배나 강화된 환경 규제치를 준수하여 운전 중이다(<표 1> 참조).



보일러를 안정적으로 운전하기 위해서는, 미분탄연소 보일러의 공기예열기(Air Preheater, AH) 차압이 관리값 이상이 되면 AH를 물세척하여 차압을 설계값으로 회복시켜 운전해야 한다. 대부분의 발전소에서는 지금까지 AH 차압이 증가하면 플랜트를 정지하여 수세정을 시행했으며, 영흥화력도 매년 정기점검 기간에 플랜트를 정지시켜 수세정을 했다. 그러나 환경 규제치 강화로 영흥화력의 경우 AH의 차압 상승 주기가 현저하게 단축됨에 따라 새로운 물 세정 방법의 개발이 요구되어 왔다. 또한 플랜트를 정지하면 전력판매 손실 및 기동 비용 발생으로 인해 회사에 막대한 손실을 끼치게 된다. 이에 영흥화력에서는 플랜트 운전 중 AH 수세정이라는 획기적인 해결 방안을 모색하기 위해 문제점 검토 및 대책 수립 후 종합 리허설을 시행했다. 그리하여 플랜트 운전 중에 통풍기 계통을 순차 정지하여 AH를 수세정하는 기술을 국내 최초로 확립하게 됐다.

경위

플랜트 운전 중에 AH를 수세할 경우 주된 문제점으로 ① 수세할 공기예열기의 계통 격리 방안과 ② 수세 시 미스트(Mist) 유입 방지 방안(SCR 측탈질 촉매 성능 저하, GGH Cooler & EP 집진판 오염 등), ③ 공기예열기를 최단시간에 냉각 · 건조시키는 방안, ④ 수세 시 세정 효과 극대화 방안, ⑤ 수세 시 상세 조작 절차 확립(통풍계통 안정 운전절차 등) 등이 거론됐다. 국내에서는 처음 시도하는 관계로 먼저 태스크 포스팀을 구성해 사전에 모든 문제점을 검토하고, 최종 리허설을 거친 후 절차를 확립했다.


[그림 1] 영흥화력 발전계통도



이 절차에 따라 2009년 5월 AH 차압이 상승(<그림 3> 참조)하여 작성한 절차서에 의거, 처음으로 운전 중 AH 수세정을 실시했다. 그 결과 계획했던 설계 수준으로 AH 차압이 감소했고, 처음 시도에서 확인된 새로운 문제점에 대해서는 대책을 마련하여 절차를 표준화했다.

AH 수세정

1. AH 차압 상승 원인
AH의 차압 상승은 국내뿐만 아니라 외국의 발전 플랜트에서도 경험하고 있는 것으로, 탈질설비의 미 반응 암모니아에 의한 것으로 판명됐다. AH 차압 상승 메커니즘은 다음과 같다.
질소산화물을 저감하기 위하여 탈질설비 상부에서 분사된 암모니아는 촉매 층을 지나도 일부가 미반응 상태(Slip)로 공기예열기에 유입된다. 이 미 반응 암모니아(NH3 Slip)가 고온(350~220℃) 영역에서는 가스 형태로 존재하지만, 저온(220~150℃) 영역에서는 삼산화황과 반응하여 끈적끈적한 액체 상태인 중황산암모늄(Ammonium Bisulfate, ABS)으로 존재하여, 열소자 표면에 석탄재와 함께 부착되어 고착된다(<그림 4> 참조). 화학식으로 표시하면 다음과 같다.


이 중황산암모늄은 높은 부식성과 부착성을 가지고 있어 AH 열소자에 석탄재와 함께 부착되면 막힘 및 부식을 일으키고 AH 차압은 상승하게 된다.


2. AH 수세정의 필요성
AH 차압이 상승하면 보일러 통풍계통 유인통풍기(IDF) 및 압입통풍기(FDF)의 압력 손실 증가에 의해 부하가 증가한다. 부하가 증가하여 통풍기 성능 및 통풍계통 덕트 내압 설계, AH Guide 베어링 허용 응력을 초과하는 경우, 플랜트 정격출력(887㎿)을 유지할 수가 없게 된다. 따라서 플랜트의 안정 운전과 정격출력을 유지하기 위해서는 AH 차압이 관리값을 넘는 경우 AH 수세를 하여야 한다.

운전 중 AH 수세정 요령

1. 운전 중 AH 수세정 시 발전기 출력
운전 중 AH 수세정을 위해 통풍계통 1열을 정지하기 때문에 안정적인 운전이 가능한 발전기 출력은 400㎿이다. 영흥화력에서는 1차 공기댐퍼를 통한 누설량이 장기 운전한 발전설비보다 현저히 적기 때문에 1차 공기통풍기의 운전 여유율을 감안하여 출력을 점차 증가시켜 460㎿에서 운전했다.

2. 운전 중 AH 수세정 공정
운전 중 AH 수세정 절차는 크게 나누어 AH 냉각 → AH 수세 → AH 건조의 세 과정으로 실시한다.
이번에 수세정한 결과를 바탕으로 표준화된 AH 수세 시간은 약 50시간이다(<표 2> 참조).

(1) AH 냉각
① 목적
플랜트 운전 중에는 AH 내부에 고온 가스(약 344℃)가 유입되고 그 고온 가스에 의해 AH 내부에 고온부가 존재한다. 통풍계통을 정지해도 AH 내부는 고온 상태를 유지하기 때문에 그 상태에서 수세를 실시하면 세정수가 고온부에 접촉되어 급냉에 의한 각부의 변형이나 용접부의 균열 등이 발생한다. 그래서 세정수가 접촉되어도 AH 내부에 이상이 발생하지 않도록 AH 고온부를 약 150℃ 이하까지 FDF에 의해 보일러로 공급되는 공기(대기온도)로 냉각시킨다.



② 냉각 요령
IDF & FDF를 이용한 대기공기의 열 교환으로 AH를 냉각한다. IDF가 기동되어 있기 때문에 AH입구 가스 측 및 탈질설비에 있는 맨홀을 개방하여 대기공기를 유입시키고, 절탄기 출구의 가스댐퍼를 닫아 노 내에서 오는 가스를 차단한다. 그리고 FDF로 대기공기를 이용하여 AH 열소자를 냉각시키고 노 내로 보낸다. 강제 냉각은 AH 가스 출구 온도가 공기입구온도보다 10℃ 높은 경우 종료한다.

(2) AH 수세
① 목적
AH 열소자에 부착한 중황산암모늄(ABS) 및 부착재를 AH 고온 가스 측의 저온부에 설치된 고정식 수세 장치로 가성소다와 혼합된 약 50~60℃의 온수로 수세하며, 수세 완료는 수세 배수의 수질(pH > 6.5)로 판단한다.
② 수세 요령
수세할 계통의 AH를 에어모터로 약 0.25rpm으로 저속 회전시킨다. AH 전 · 후단 관련 댐퍼를 공기 및 가스 유입을 최소화하기 위해 모두 수동으로 밀착하여 닫고 수세를 실시한다(<그림 6> 참조). 시간 단축을 위해 수세와 병행하여 소방 호스를 이용, 딱딱한 슈트 제거를 목적으로 고온 가스 측의 맨홀에서 수직 방향으로 분사하여 세정 효과를 증대시킨다. 수세 중에는 정지 측 탈질설비 및 전기집진기로 수세 미스트가 비산되지 않도록 AH와 가까운 맨홀에 환기팬을 설치하여 미스트를 배기한다. 이와 동시에 탈질설비 및 전기집진기 측에는 추가로 공기를 공급하여 미스트 유입에 의한 성능 저하를 방지한다.

[그림 6] 정지된 AH 계통 격리도


(3) AH 건조
① 목적
AH 엘리먼트 표면에 부착한 수세수는 부식을 촉진시킨다. 또한 잔류 수분에 석탄재가 재부착할 가능성이 있기 때문에 AH 내부 온도를 증기식 공기예열기(SCAH)를 이용해 약 90℃까지 승온하여 건조시킨다.
② 건조 요령
증기식 공기예열기를 기동하여 AH 열소자의 물기를 먼저 건조시킨다. 2차 공기를 이용하여 건조하기 위해 FDF를 기동하고, 이때 공기량이 총 공기량에 합산되어 안정 운전에 지장을 주기 않도록 조치한다. 건조 경로는 다음과 같다.


AH 내부 열소자 및 AH 하부 Hopper 부위의 건조가 완료되면 종료한다.

3. 반대편 공기예열기 세정
건조가 완료되면 통풍계통을 재기동하여 평행 운전을 시행한다. 평행 운전을 위해 팬 블레이드 개도조정 시 서서히 조작하고 동일한 개도에서 자동으로 전환한다. 앞에서 설명한 운전 중 AH 수세정 공정 절차에 따라 반대편 AH 수세정을 시행한다. 반대편 AH 수세정이 완료되면 출력을 전출력으로 증가시켜 플랜트의 운전 상태, 특히 차압 감소와 AH이음 발생 여부 등을 점검한다(<그림 7> 참조).


마무리

국내 발전소에서 실적이 없었던 운전 중 공기예열기 수세정의 시험 계획, 실시 및 본 운용에 대해 발전소 직원(관계회사 포함)이 혼연일체가 되어 대처한 결과, 설비 개선 없이 운전 중 AH 수세정 기술을 확립할 수 있었다.
그러나 AH 차압은 강화되고 있는 환경 규제치 준수와 탈질설비 촉매 열화에 의한 성능 저하와 함께 앞으로도 계속 상승할 것으로 예상된다. 이에 영흥화력은 발전소의 안정 운전 저해 요인의 하나로 꼽히는 AH 차압 상승의 방지 대책에 대해 지속적으로 검토를 진행하여 플랜트의 안정적인 운전을 꾀할 예정이다. 또한 전출력(880㎿) 정상 운전 상태에서 AH 차압을 감소시킬 수 있는 새로운 도전을 계속 할 것이다.

공기예열기(Air Preheater)
가스의 남는 열을 이용해서 공기를 가열해 보일러의 연소실에 공급하는 장치이다. 예열온도는 노(爐)의 형태에 따라 다르나, 보통 120∼250℃까지 높일 수 있다. 예열공기를 사용하면 연료의 점화가 쉬울 뿐 아니라 연소온도가 높아지기 때문에 연소효율이 좋아진다. 따라서 불완전연소도 적어지고 그을음 발생도 감소된다. 이 때문에 대형 보일러에는 거의 공기예열기가 설치되어 있다. 예열법은 관류식(貫流式)과 재생식(再生式)으로 크게 분류한다.


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