보일러 열효율 측정

왜 배우는가: 보일러 열효율은 연료비와 온실가스 배출을 좌우하는 핵심 운전 지표다. 에너지관리기준이 열정산을 정기적으로 하도록 요구하므로 현장 관리와 시험 모두에서 자주 다뤄진다. 측정 항목과 측정 방법(직접법·간접법)을 구분하는 문제가 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제120회 1교시 12번, 제119회 4교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

보일러 열효율은 연료가 가진 발열량 중 증기(온수)에 유효하게 흡수된 열량의 비율이며, 직접법과 간접법(열손실법)으로 측정한다.

핵심 키워드

• 열효율(Thermal Efficiency)
• 열정산(Heat Balance)
• 직접법(Input-Output Method)
• 간접법(Heat-Loss Method)
• 고위발열량(Gross Calorific Value, GCV)
• 환산증발량(Equivalent Evaporation)
• 배기가스 손실(Flue Gas Loss)
• 열정산 기준 KS B 6205

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 보일러가 연료 에너지를 얼마나 증기나 온수의 열로 바꾸는지를 따지는 것이다. 연료를 100만큼 넣었을 때 쓸모 있는 열이 몇 만큼 나왔는지를 백분율로 나타낸다.

정식으로 정의하면, 보일러 열효율은 공급된 연료의 발열량에 대한 보일러가 발생시킨 유효열량의 비다. 식으로 쓰면 다음과 같다.

$\eta = \frac{Q_{out}}{Q_{in}} \times 100\,[\%]$

여기서 Q_{out}은 발생 증기(온수)가 흡수한 유효열량(kcal/h 또는 kW), Q_{in}은 연료의 발열량과 연소용 공기의 현열을 합한 입열량이다.

열정산은 입열과 출열을 같은 기준 시간 동안 빠짐없이 계산해 수지를 맞추는 작업이다. 입열은 연료의 발열량, 연소용 공기의 현열, 연료의 현열 등이다. 출열은 발생증기의 흡수열, 배기가스 보유열, 불완전연소에 의한 열손실, 방열 손실, 블로우다운 손실 등이다.

고위발열량(GCV)은 수증기 응축잠열을 포함한 발열량이고, 저위발열량(NCV)은 이를 뺀 값이다. 열효율을 계산할 때 기준 발열량을 반드시 명시해야 하며, 국내 열정산 관행은 고위발열량 기준을 많이 쓴다.

환산증발량은 실제 발생 증기를 100℃ 포화수가 같은 양의 증기로 바뀔 때의 값으로 환산한 것이다. 보일러 용량과 효율을 같은 기준으로 비교하려고 쓴다.

3. 등장 배경과 필요성

보일러는 산업체와 건물 난방에서 연료를 가장 많이 쓰는 설비 중 하나다. 연료비가 운전비의 큰 비중을 차지하므로 효율 1%p 개선이 곧 연간 연료비 절감으로 이어진다. 또한 연소 효율이 떨어지면 CO나 미연 탄화수소가 늘어나 환경 규제 문제가 생긴다.

에너지관리기준은 열발생설비에 대해 정기 계측과 열정산을 요구한다. 열정산 결과를 기록하고 분석해야 손실 요인을 찾아 개선할 수 있다. 측정 항목을 빠짐없이 잡고 계산 방법을 정확히 적용하는 능력이 기술사 시험에서 평가 대상이 된다.

직접법은 입출열의 양을 직접 재어 효율을 빠르게 구하는 방법이다. 간접법은 각 손실을 따로 재어 100%에서 뺀다. 두 방법은 목적과 필요한 측정 항목이 다르므로, 시험에서는 어떤 측정이 어떤 계산에 쓰이는지 연결해 설명하는 것이 중요하다.

4. 구성요소·원리·절차

보일러 열효율 측정은 직접법과 간접법으로 나뉜다. 두 방법은 같은 열수지를 반대 방향에서 계산한다. 직접법은 유효 출열을 직접 재고, 간접법은 입열에서 손실을 빼서 효율을 구한다.

열수지의 원리는 입열과 출열이 같다는 것이다. 입열은 연료의 발열량과 연소용 공기가 가져오는 현열로 이루어진다. 출열은 발생증기의 흡수열, 배가스 보유열, 방열 손실, 불완전연소 및 미연분 손실로 이루어진다. 열효율은 입열에 대한 유효 출열의 비율이다.

직접법은 측정 요소가 적어 현장에서 빠르게 효율을 평가할 때 쓴다. 증기 속 수분이 많으면 증기 건도가 낮아져 결과가 실제보다 높게 나오므로 건도 보정이 필요하다.

간접법은 열손실 항목을 하나씩 구해 효율을 계산한다. 주요 손실은 배가스 현열 손실, 연료 중 수소분 손실, 연료 중 수분 손실, 공기 중 수분 손실, 불완전연소(일산화탄소) 손실, 방열 손실, 미연분 손실(재·바닥재)이다. 간접법은 개별 손실을 알 수 있어 설비 개선 방향을 잡기에 유리하다.

직접법의 효율은 다음 식으로 구한다.

$\eta_{d}=\frac{G_s\,(h_s-h_w)}{G_f\,H_h}\times100\%$

G_s는 시간당 발생증기량(kg/h), h_s는 발생증기 엔탈피(kcal/kg), h_w는 급수 엔탈피(kcal/kg), G_f는 시간당 연료소비량(kg/h), H_h는 연료 고위발열량(kcal/kg)이다.

간접법의 배가스 손실은 다음 식으로 구한다.

$L_1=\frac{m_g\,c_p\,(t_g-t_a)}{H_h}\times100\%$

m_g는 연료 1kg당 배가스량(kg/kg), c_p는 배가스 비열(kcal/kg·℃), t_g는 배가스 온도(℃), t_a는 외기 온도(℃)다. 간접법 효율은 \eta_i=100-\sum L_i(%)이다.

증기 발생량을 열량으로 환산할 때는 환산증발량을 쓴다. 환산증발량은 다음 식으로 구한다.

$W_e=\frac{W_2\,F\,(h_2-h_1)}{539}\ (\mathrm{kg/h})$

W_2는 연료 1kg당 발생증기량(kg/kg), F는 시간당 연료소비량(kg/h), h_2와 h_1은 발생증기와 급수의 엔탈피(kcal/kg)다. 분모 539는 100℃ 포화수의 증발잠열(kcal/kg)이다.

측정 절차는 다음과 같다.

• 보일러를 정상 운전 상태로 안정시키고 부하를 기록한다.
• 연료 사용량과 연료 발열량(분석값)을 측정한다.
• 증기 유량, 증기 압력·온도, 급수 온도를 측정해 엔탈피를 구한다.
• 배가스의 O₂ 또는 CO₂, CO 농도와 배가스 온도, 외기 온도·습도를 측정한다.
• 간접법이면 항목별 열손실을 계산하고 직접법이면 유효 출열을 계산한다.
• 입열과 출열(또는 손실 합계)이 맞는지 확인한 뒤 효율을 산출한다.

열효율은 입열 대비 유효 출열 비율이며, 간접법은 100에서 열손실 합계를 뺀다.

5. 관련 법령·기준·표준

열효율 측정과 열정산은 여러 기준에 걸쳐 있다. 산업체 에너지관리기준은 열발생설비에 대해 정기적인 계측과 열정산을 요구한다. 열정산 방식은 KS 표준의 열정산 방식을 따르며, 집단에너지 열생산용량 계산은 환산증발량 식을 쓴다. 가정용 가스보일러는 효율관리기자재 운용규정에 따라 난방열효율을 라벨에 표시한다.

위 표의 열정산 주기는 운전 현황을 주기적으로 파악하기 위한 최소 기준이다. 환산증발량 기준값 539kcal/kg은 증기 열량을 비교하기 위한 공통 기준이므로 측정 결과를 다른 보일러와 비교할 때 같은 값을 써야 한다.

열생산용량 식에서 Q′는 열병합발전용 보일러에서 발전에 쓰인 열량이고, Q″는 소내 소비 열량이다. 두 항을 빼야 실제 공급 가능한 열량이 된다.

열정산 결과는 배가스 성분과 온도, 급수 수질, 연료 공급량을 함께 기록한다. 결과를 기록해야 설비 개선 효과를 추적할 수 있다.