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보일러 급수 펌프(BFP)의 기술 발전 트렌드 - 하편에바라(EBARA)제작소 요시카와 시게루
  • 한국에너지정보센터
  • 승인 2018.10.07 18:07
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보일러 급수 펌프(Boiler Feed Pump, BFP)는 화력발전소의 심장부에 해당할 정도로 매우 중요한 장치 중 하나이다. 최근에는 산업용 화력발전설비의 대용량화, 고온·고압화, 운용 방법의 변화와 더불어 개량, 발전되고 있다.

이에 이 연구에서는 대형화, 고압화라는 BFP 기술의 변천에 대해 알아보기로 한다. 즉 재생 가능 에너지 도입에 따른 화력발전소 가동 환경의 가혹화에 적응하는 BFP의 발전 사례를 소개한다.

1. BFP의 트렌드, 대형화와 고성능화

화력발전설비의 대용량화, 고압화와 함께 BFP도 대형화, 고압화가 진행되고 있다. BFP는 보일러 작동에 필요한 높은 압력을 만들어내기 때문에 화력발전소에 적용되는 펌프 중에서도 소비 동력이 가장 크다. 따라서 BFP의 효율 향상은 환경 부하 경감을 위해서도 반드시 해결해야 할 과제 중 하나다.

BFP에 쓰이는 익근차는 그 비속도 Ns가 약 120~250(m3/min, m, min-1)인 원심 펌프가 사용된다. 일반적으로 비속도가 크고 동일 비속도에서 유량이 커야 펌프 효율이 향상된다. 일반적으로 주 급수 펌프로서 50% 용량의 BFP 2대가 적용되지만 이를 100% 용량 1대로 함으로써 대용량화, 높은 비속도에 의한 효율 향상으로 공간 절약은 물론 자원 절약을 실현할 수 있다.

일본에서는 500MW와 600MW의 초임계압 화력발전용 주 급수 펌프를 100% 용량 1대의 사양으로 설계, 제작하여 순조롭게 가동하고 있다. 또한 일부 국가나 지역에서는 1,000MW 플랜트에서 100% 용량의 주 급수 펌프 1대로 사용하는 것이 실용화되고 있다. 이처럼 대용량, 고 비속도화는 일반적으로 펌프 효율에서 달성하는 것이 유리하다. 아래의 그림 1은 1,000MW 초임계압 화력발전용 100% 용량 BFP의 출하 전 사진이다.

한편 대용량화에 따라 축 동력의 증대와 함께 50% 용량인 BFP와 회전 속도가 동일한 경우, 토크가 커지는 만큼 그 강도를 유지하기 위한 주축 직경이 커지게 된다. 동일 회전 속도에서 익근차의 직경은 변화하지 않으므로 주축이 커지는 만큼 익근차 자오면의 유로가 방해 받는 형태가 된다.

따라서 주축의 유로 표면이나 익근차에서 나온 물의 흐름을 감속하여 압력으로 변환하는 볼류트 및 단간 유속을 포함한 하이로드 형상에 대해 비정상적인 흐름 해석을 포함한 CFD를 통해 고효율을 달성하기 위한 최적 형상을 추구해야 한다.

또한 주축경에 대해서도 주축 강도 해석에 의해 50% 용량에서의 축경 증대를 최소화 하는 최적경을 구해야 한다. 100% 용량인 BFP의 경우에는 1대로 가동되기 때문에 예상하지 못한 정지 등이 발생하면 플랜트의 발전 용량을 100% 상실하게 된다. 따라서 주축 각부가 충분한 강도를 유지할 수 있도록 고려해야 한다.

위의 표는 일반적인 출력과 규모의 발전소에 들어가는 BFP의 성능을 비교한 표다. BFP 축동력은 플랜트 출력의 약 3.5~4%를 차지하고 있어 대용량화에 의한 효율 향상으로 축동력 비를 줄이는 것도 가능하다. 500MW 사양인 경우에는 100% 한 대로 BFP 축동력의 플랜트 정격 출력에 대한 비를 약 0.5포인트 절감할 수 있다.

다만 같은 출력이라고 해도 수온(밀도)나 용량, 전압력에서 차이가 있을 수 있다. 따라서 축동력비만으로 비교하는 것은 불가능하다. 효율성에 측면에서 보면 500MW인 경우에는 2대 사양의 효율 82%에 비해 앞서 언급한것과 같이 1대 사양으로 86%의 효율 향상을 달성할 수 있다.

 

2. 또 하나의 트렌드, BFP의 내력 향상과 합리화

최근 태양광, 풍력 등 재생 가능 에너지가 많이 도입되기 시작했다. 이러한 재생 가능 에너지는 화석연료를 사용하지 않고, 이산화탄소를 배출하지 않기 때문에 지구온난화 방지 대책의 하나로서 앞으로 보급이 진전될 것으로 전망된다. 그러나 태양광이나 풍력은 기후 등 기상조건에 의해 발전 출력이 크게 변동될 수 있다는 단점이 있다.

때문에 전력 계통의 안정적인 운전이 어렵다는 문제로 인해 화력발전소에서는 더욱 높은 수준의 수급 조정 능력을 갖춘 유연한 계통운전이 요구되고 있다. 구체적으로는 부하 변화 속도의 향상, 최적 부하율의 저감, 기동 시간의 단축 등이다. 이처럼 화력발전소의 수급 조정 대응화에 대한 요구와 함께 BFP에 대해서도 기동 정지 빈도증대, 급수 온도 변화, 적은 수량의 운전 빈도의 증대 등 가혹한 가동 환경을 견딜 수 있는 대안이 요구되고 있다.

이에 구조, 재료, 설계도에서의 재검토를 진행하여 BFP의 내력 향상을 실현시키려는 노력이 이어지고 있다. 앞서 언급한 것처럼 BFP는 화력발전 시스템의 주 배관 계통에서 심장부에 해당하는 역할을 담당하고 있기 때문에 고도의 기능과 신뢰성이 요구된다. 물론 최대한 저렴한 가격으로 전력을 공급하는 것도 필요하다. 이러한 이유로 발전 플랜트 기기의 구성 간소화나 원가 절감은 펌프 메이커에게 중요한 과제가 되었다. 그렇다면 BFP의 합리화 전략은 어떤 것들이 있을까?

 

3-1. BFP 합리화 전략 첫 번째, 부스터 펌프의 폐지
 

초임계압 화력발전용 BFP는 회전 속도가 5,000~6,000min-1의 고속으로, 필요 유효흡입양정인
NPSH(NPSHR)이 더욱 높아진다. 발전 용량이 커질수록 BFP의 유량도 증가하기 때문에 NPSHR은 더욱 높아진다. 이에 대해 BFP에 주어지는 유효 NPSH(NPSHA)는 탈기기의 설치 높이로 결정되는데, 보통은 20~25m 정도다.

따라서 연락배관을 끼고 BFP의 상류 측에 부스터 펌프를 설치하여 BFP의 NPSHR을 확보하는 것이 일반적이다. 이에 대해 BFP의 초단 익근차를 인듀서 부로 하여 NPSHR을 낮춰, 부스터 펌프와 연락배관을 폐지하는 방법이 일부 플랜트의 기동용 M-BFP에 적용된 사례가 있다. 이 경우 공간 절약, 자원 절약에 의한 플랜트 건설비 절감을 실현할 수 있다.

 

3-2. 풀 카트리지를 원통형으로 자른 이중통 BFP
내부 케이싱(내통)이 상하 2개로 나뉜 구조의 BFP는 내통의 윗 부분을 분해하면 주축, 익근차를 회전체로 조립된 상태로 꺼낼 수 있다. 이는 발전소 현지에서 점검 작업을 할 수 있다는 장점이 있어 지금까지 일본 국내외의 발전소에 다수 적용되어 왔다. 그러나 내통은 복잡한 구조의 주강으로 되어있기 때문에 제조 원가가 높다는 단점이 있었다.

이에 내부 케이싱을 원통형으로 자른 형태는(그림 2) 비싼 내통이 필요하지 않고, 동일 성능(압력)으로 비교했을때 내부 케이싱 직경을 약간 작게 할 수 있기 때문에 외통의 직경도 줄일 수 있어 원가 절감 측면에서 장점이 있다. 그러나 회전체를 점검하기 위해서는 중통, 회전체를 세로로 둔 상태에서 중통, 가이드밴, 익근차를 주축에서 빼는 작업이 필요하다.

이러한 이유 때문에 현지에서 점검이 어렵다는 단점이 있었다. 따라서 중통, 회전체에서 외통 커버, 축수, 축봉 부품을 포함한 외통 이외의 부품 일체를 빼내는 것이 가능한 풀 카트리지 구조를 적용하면 풀 카트리지를 공장에 보내면 되기 때문에 현지에서 점검할 필요가 없다. 그림 2는 풀 카트리지형 이중통 중간 절단형 BFP의 조립 시와 분해 시의 상태를 나타낸 것이다.

3-3. 자기 윤활 축수 적용 범위의 확대

BFP는 회전속도와 출력이 높기 때문에 축수 급유 방식으로 강제 급유 윤활을 적용한다. 윤활장치(윤활 유닛)에는 주유 펌프(MOP)와 기동 및 비 백업용 보조유 펌프(AOP)가 설치되어 있다. 기준 급유 압력은 0.08~0.12MPa 정도다. 운전 중 유압이 낮아(0.05MPa)질 경우, 윤활유 급유기관에 설치된 압력가스 스위치 혹은 트랜스미터로 경보를 발생시킴과 동시에 보조유 펌프를 자동으로 작동시킨다.

또한 급유가 저하한 경우(0.03MPa)에는 축수 보호 안전을 위해 급수펌프를 정지시킨다. 윤활장치에서는 윤활유를 저장하는 기름 탱크, 유압 조절통, 유 냉각기, 교체식 필터 등의 기기류가 설치되어 있는데, 일반적 기름 탱크는 기름펌프 유량의 3배 이상의 유량을 필요로 한다. 계장품으로는 앞서 언급한 유압 감시 외에 필터 차압, 기름 탱크의 유면, 기름의 온도 등의 감시 측정기가 필요하다. 이러한 기기, 계장품으로 구성된 급유 유닛은 높이 면적이나 제조원가의 측면에서 큰 비중을 차지하므로 급유 방식의 합리화가 필요하다.

그렇다면 강제 급유를 적용할 것인가, 혹은 자기 윤활 방식을 적용할 것인가 하는 선택의 기준은 무엇인가? 그것은 바로 래디얼 축수 부분의 주속이나 슬라스트 축수 형식에 의해 결정된다. 초임계압 화력용 BFP의 경우에는 회전속도가 5,000min-1급의 고속이면서 축동력도 크기 때문에 강제 급유가 필요하다고 판단할 수 있다 .

한편 컴바인드 사이클 플랜트용의 경우 BFP는 일반적으로 2P 동력기 직결 구동이다. 출력도 2,000~2,500kW 정도로, 초입계압 화력 발전용 BFP에 비교하면 작다. 터빈이나 유체계수가 없기 때문에 별도의 급유 유닛이 필요하여 축수를 자기윤활방식으로 할 수 있다면 높이 면적을 축소하여 합리화를 도모할 수도 있다. 현재는 강제 급유 방식을 적용하고 있으나, 자기윤활기구의 개량, 축수 냉각구조의 개량에 의해 자기윤활방식의 적용 범위가 넓어질 가능성도 생각해볼 수 있다.

7. 결론

지금까지 산업용 화력발전에 쓰이는 보일러 급수펌프(BFP)의 변천, 특징, 기술 개발 트렌드에 대해 알아보았다. BFP는 산업용 화력발전설비의 대용량화, 고온·고압화, 운용 방식의 변화 등에 발맞춰 개선, 진화를 거듭하고 있다. 이러한 변화를 겪게 된 것은 전력 수요의 증대, 환경 부하 저감에 대한 요구에 대응하기 위해서는 화력발전이 더욱 중요한 역할을 하게 될 것이라는 전망 때문이다. 이처럼 향후 에너지 분야의 환경 변화에 대응하여 전략을 마련해 나간다면, 에너지 문제 해결은 물론 세계 에너지 시장에서 경쟁력을 갖출 수 있을 것이다.

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