고온 급탕수 발전소(HTHW) 증설 설계

-조지메이슨대학 난방 용량 증설 사례

RMF엔지니어링 / 에릭 크렌칙 프로젝트 엔지니어

 

 

유럽에서는 주거 및 상업용 난방에 고온 급탕수(High-temperaturee-hot-water, 이하 HTHW) 시스템이 1900년대 초부터 사용됐다. 이후 HTHW 관련 기술이 발전하면서 미국에서 도 관심을 받기 시작했고 현재는 증기 유지관리의 불편함 없이 대규모 열 분배가 요구되는 대 학교 내 난방용으로 광범위하게 사용되고 있다.

HTHW 시스템은 보통 350°F(177°C) 이상의 공급 온도로 운전하며 시스템 압력은 운전 온도 포화 압력보다 약 25psi 높게 설정한다. 시스템 압력은 물의 순간 증발이나 펌프 공동화를 방지하는데 매우 중요하다.

HTHW 시스템은 증기 계통과 비교하여 계통 내 온도차가 더 크고 연료 절약에 유리하며 에 너지 저장 용량은 계통 내 온도차에 비례한다. HTHW 시스템은 교내에서 발생하는 부하 변동 에 대응하여 일정한 연소율을 유지할 수 있다. 또한, HTHW는 폐회로 계통으로 보일러 블로우다운(blowdown)이 필요하지 않으며 증기 계통과 비교하여 보충수 요구량이 적다. 그뿐 아니라 계통 온도차가 크기 때문에 증기 계통보다 배관이나 설비 크기가 작은 장점이 있다.

HTHW-발전소 설계 시 주요 고려사항은 다음과 같다.

• HTHW-발전기 선정 • 펌프 선정 • 계통 증설과 보완 • 응력 분석 및 배관 설계 최근 완료된 버지니아 주 페어팩스 소재 조지메이슨 대학(George Mason University, Fairfax Va) HTHW-발전소 증설 프로젝트를 사례로 주요 요소에 관해 소개했다.

도입 배경 2013년 초 조지메이슨 대학은 입력과 출력 용량이 약 110-MMBtu와 90-MMBtu인 4대의 HTHW 발전기를 가동했다. 이후 학생 수가 늘고 교정이 커지면서 난방 용량을 추가해 야만 했다. 기존 설비는 이미 최대 용량으로 운전 중이었으므로 대학 당국은 발전소를 증설하기로 결정했다.

발전소 증설은 HTHW 발전기를 비롯해 1차 및 2차 펌프, 팽창탱크, 보충탱크, 보충펌프, 압 축 공기, HVAC 계통과 배관 및 보조 장비 등을 포함하고 있다. 이러한 추가 설비는 기존 발전소와 독립적으로 기능하도록 설치하였으며 기존 발전소와 함께 교내에 HTHW를 제공했다.

HTHW-발전기 선정 확장 발전소 설계 시 고려해야 하는 가장 중요한 요소는 HTHW 발전기이다. 대학 내 HTHW 시스템은 360°F(177°C)에서 작동하며 온도차 100°F(38°C)로 물을 공급 했다(회수 온도 260°F(127°C)). 계통 압력은 대략 220psi으로 운전했다. 증설로 도입하는 새 로운 HTHW 발전기는 이 같은 운전 조건을 고려하여 선정했다. 기존 발전기는 관이 손상되는 문제가 있었기 때문에 대학 당국은 발전기 선정을 가장 중요하게 고려했다.

​연관보일러(firetube boiler)와 수관 보일러(watertube boiler)는 HTHW 시스템에 사용할 수 없다. HTHW 발전기는 관이나 오리피스의 배치에 의해 결정되는 특정 유로로 물을 강제 순환하여 물이 고르게 분포하도록 한다. 신중한 검토 과정을 거쳐 최대 출력 25MMBtuh의 HTHW 발전기를 설치했다. 연소기에 천연가스와 No.2 연료를 모두 연료로 사용할 수 있어야 한다는 요건도 발전기 선정에 영향을 미쳤으며, 현재 모든 HTHW 발전기는 천연가스를 주 연료로, No. 2 연료를 예비 연료로 사용할 수 있다.

​대학 당국은 효율과 배출가스 요건을 중요하게 고려했는데 발전기 배출가스를 천연가스 사용 시에는 질소산화물 30ppm과 일산화탄소 50ppm으로 제한하였으며 효율 기준은 천연가스와 No.2 연료 사용 시 82%와 84%였다. 이 같은 제한 기준을 충족하기 위해서는 연소기를 정밀하게 제어해야 한다.

연소장치는 중간축 제어방식(jackshaft control)을 이용했다. 배출가스를 제어하기 위해 배 출 가스 재순환기와 굴뚝 댐퍼를 설치하였으며 발전기는 루프 제어기를 이용하여 설정값과 적정 연소율을 유지했다.

​연소기 화염과 배출가스 최적화를 위해 다양한 시도가 이루어졌으며 최종 적으로 천연 가스와 No.2 연료 사용 시 82%와 84% 효율을 달성하였다. 동시에 모든 배출가스 제한 기준을 충족했다. HTHW 발전기에 보편적으로 사용되는 굴뚝 절탄기(stack economizer)를 설치하지 않았다는 점은 주목할 만하다. 대신 배관 일부에 “내부 절탄기(internal economizer)”를 설치했다.

​전형적인 스택 절탄기와 마찬가지로 에너지 회수를 최대화하기 위해 환수(return water)는 배출가스 온도가 가장 높은 발전기 후면으로 유입 되어 발전기에서 배출되는 배기가스에서 에너지를 흡수한다.

펌프 선정