증기보일러 이상현상

왜 배우는가: 증기보일러는 발생한 증기에 수분과 불순물이 섞이거나 수위 판단이 흐려지면 터빈·배관·보일러 본체에 손상을 준다. 캐리오버, 프라이밍, 포밍은 운전 중 증기 품질과 수위를 흔드는 대표적 이상 현상이라 실무 점검과 시험에서 반복해서 묻는다.

출제 이력: 제131회 1교시 3번, 제113회 2교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 증기보일러 이상현상은 보일러수의 수분·불순물이 증기와 함께 빠져나가거나 수면이 비정상적으로 솟아 증기 품질과 수위 판단을 저해하는 현상을 말하며, 대표적으로 캐리오버(Carry Over), 프라이밍(Priming), 포밍(Foaming)이 있다.

핵심 키워드

• 캐리오버(Carry Over): 보일러수 일부가 증기에 섞여 나가는 현상
• 기수 공발: 캐리오버의 한국어 명칭
• 프라이밍(Priming, 비수 현상): 수면이 심하게 솟아 물방울이 증기실로 튀는 현상
• 포밍(Foaming, 거품 현상): 수면에 거품층이 생겨 수위가 잘못 보이는 현상
• 관수 농축: 불순물이 쌓여 수질이 나빠지는 상태
• 기수 분리기: 증기 속 수분을 분리하는 장치
• 수위 과상승: 수위가 정상 범위를 넘어 올라간 상태
• 증기 품질(건도): 증기 중 건포화 증기의 비율

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 보일러 물이 증기와 함께 튀어 나가거나, 거품이 쌓여 물의 높이를 잘못 읽게 되는 문제다. 세 현상은 모두 증기를 만드는 수면 부근에서 일어나지만 원인과 결과가 다르다.

정식 정의로 보면 캐리오버는 보일러수 중 수분과 용해 고형물이 증기에 함유되어 증기 순도를 떨어뜨리는 현상이다. 증기 속에 섞인 액적이 기계적으로 끌려가는 부분과, 불순물이 증기 상태로 녹아 나가는 부분으로 나뉜다. 두 부분의 합이 전체 캐리오버다.

프라이밍은 부하 급변이나 수위 과상승으로 수면이 격하게 솟아올라 수분이 증기와 분리되지 않은 채 증기 출구로 넘어가는 현상이다. 물이 튀어 오르는 형태이므로 비수 현상이라고도 한다.

포밍은 관수에 유지류, 용해 고형물, 부유물이 많아 수면에 거품이 쌓이는 현상이다. 거품 때문에 수위계가 실제 수위를 나타내지 못해 운전원이 수위를 잘못 판단하게 된다.

세 현상을 한 줄로 묶으면 다음과 같다. 캐리오버는 결과(증기 품질 저하), 프라이밍은 수면 동요(물이 튐), 포밍은 수면 거품(수위 오판)이다. 답안에서는 이 차이를 먼저 구분해 쓴다.

3. 등장 배경과 필요성

증기보일러는 물을 가열해 증기를 만들고 그 증기를 배관과 설비에 보낸다. 증기 사용 설비는 건포화 증기를 기대하므로 액적이 섞이면 열 전달 효율과 기계 안전이 함께 떨어진다. 고압·대용량 보일러가 늘면서 증기 속 수분과 불순물이 터빈이나 과열기에 쌓이는 문제가 실무적으로 커졌다.

또 보일러 수위는 안전 운전의 기본 변수다. 수위가 낮으면 가열면이 과열되고, 수위가 높으면 증기에 물이 섞인다. 포밍과 프라이밍은 수위계 판독과 실제 수위를 어긋나게 하므로, 이상 현상을 이해해야 수위 관리와 수질 관리를 같이 설계할 수 있다.

이상 현상의 피해는 설비 손상에 그치지 않는다. 증기 속 액적은 배관 내부에 응축수를 만들고, 그 응축수는 이후 수격작용의 원인이 된다. 따라서 캐리오버, 프라이밍, 포밍은 개별 현상이면서 동시에 증기 계통 전체의 안전 문제로 이어진다.

증기 품질의 기준으로는 보일러 출구 증기 중 액수분 비율을 쓴다. 일반적으로 포화증기 보일러의 수분 캐리오버는 질량 기준 약 0.1% 내외로 알려져 있으며, 수질 악화나 파울링이 있으면 이 값이 커진다.

4. 구성요소·원리·절차

증기보일러의 이상현상은 보일러수가 증기와 분리되는 과정에서 생긴다. 증발 수면에서 물방울이 증기에 섞여 올라가는 것이 기수 공발(캐리오버)과 비수(프라이밍)의 공통 원리이고, 거품이 수면을 덮는 것이 포밍이다. 세 현상을 구분하려면 발생 위치와 결과를 함께 알아야 한다.

보일러수는 증발 과정에서 고형물과 불순물이 농축된다. 농축된 보일러수는 거품 층을 만들고, 이 거품이 증기 공간으로 올라가 물방울을 증기에 실어 나른다. 부하가 급변하거나 압력이 급강하하면 수면이 격렬하게 끓어 물이 증기와 분리되지 않고 솟아오른다. 따라서 세 현상 모두 보일러수의 수질, 수위, 부하 변화가 근본 원인이다.

절차로 보면 다음과 같이 진행된다.

• 보일러수에 유지분·고형물·부유물이 많아진다.
• 수면에 거품층이 생기고 수위 판단이 어려워진다(포밍).
• 부하 급변 또는 수위 과상승으로 수면이 솟아 물이 증기에 섞인다(프라이밍).
• 섞인 수분과 불순물이 증기관으로 유출된다(캐리오버).
• 증기관 내 응축수가 고여 있다가 밸브 개폐 때 배관을 친다(수격작용).

증기 속 불순물 이월량은 기계적 이월과 증기 중 용해 이월의 합으로 본다. 고압에서는 증기 중 용해 이월이 커진다. 저압에서는 물방울에 의한 기계적 이월이 주된 원인이다.

5. 관련 법령·기준·표준

실무에서 기준으로 쓰는 것은 보일러 설치·배관 기준과 압력용기 안전장치 기준이다. 다음 표는 근거에 나온 값을 정리한 것이다.

위 표의 압력방출장치 값은 산업안전보건 기준의 압력용기 안전장치 규정에 따른다. 보일러 자체의 안전밸브 설정은 보일러 관련 기준을 함께 적용한다.

증기관 구배는 응축수가 증기 흐름과 같은 방향으로 흐르도록 준다. 역구배 증기관은 응축수가 증기 흐름을 거슬러 흐르므로 구배를 키우거나 관경을 키워 증기 속도를 낮춘다. 이 조치는 수격작용과 캐리오버를 함께 줄인다.

따라서 개정 내용은 쓰지 않는다.

6. 유형과 비교

증기보일러 이상현상은 증기 발생 과정에서 생기는 현상(포밍·프라이밍·캐리오버)과 발생 후 배관·설비에서 생기는 현상(수격작용 등)으로 나눌 수 있다. 답안에서는 먼저 발생 단계의 세 현상을 구분해 두고, 각 현상이 수위·증기 순도·증기량 중 무엇을 흐리게 하는지 비교한다.