보일러 운전장해

왜 배우는가: 보일러는 고온·고압의 증기와 열을 다루는 설비라 운전 중 장해가 곧 폭발·화재·인명피해로 이어진다. 수위 이상과 이상연소는 기술사 시험에서 원인과 조치를 짝지어 묻는 대표 주제이므로 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제132회 3교시 4번, 제111회 4교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

보일러 운전장해는 보일러 운전 중 수위·증기·연소가 정상 범위를 벗어나 설비 손상이나 사고를 일으키는 이상현상을 말한다.

• 보일러 운전장해
• 포밍(foaming)
• 플라이밍(flyming)
• 캐리오버(carryover)
• 수격작용(water hammer)
• 역화(back fire)
• 이상연소

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 보일러는 물을 끓여 증기를 만들고 그 증기를 쓰는 설비다. 물의 높이(수위)가 틀어지거나, 물과 증기가 제대로 나뉘지 않거나, 불이 정상적으로 타지 않으면 운전장해가 생긴다.

정식 정의는 다음과 같다. 보일러 운전장해는 보일러수의 수위 이상, 증기의 질 저하, 연소 이상이 발생하여 보일러의 안전과 열효율을 해치는 현상이다. 수위 이상과 증기 이상은 물과 증기의 분리 문제에서 생기고, 이상연소는 연료와 공기의 혼합 및 착화 문제에서 생긴다.

포밍은 보일러수에 유지류, 용해 고형물, 부유물이 있어 수면에 거품이 생기고, 그 결과 수위를 올바로 읽지 못하는 현상이다.

플라이밍(비수 현상)은 부하의 급변이나 수위 과상승으로 수면이 심하게 솟아 물방울이 증기와 분리되지 않는 현상이다.

캐리오버(기수 공발)는 보일러수 속의 물방울이나 용해 고형물이 증기와 함께 딸려 나가 증기 순도를 떨어뜨리는 현상이다. 이로 인해 관 내 응축수가 생기고, 워터해머와 증기 과열, 터빈 고장으로 이어질 수 있다.

수격작용(워터해머)은 배관 안에 고인 응축수가 밸브의 급격한 개폐 때 고온·고압 증기에 떠밀려 배관을 강하게 치는 현상이다. 배관 파열의 원인이 된다.

역화(back fire)는 점화 시 연료가 먼저 나오고 시간이 지나 착화되어, 노 안에 미연소 가스가 쌓였다가 순간적으로 폭발적 연소를 일으키는 현상이다.

이상연소는 연소가 정상 상태를 벗어나 불완전연소, 역화, 연소 진동 등이 일어나는 것을 통칭한다. 불완전연소는 산소가 부족하여 일산화탄소가 생기고, 불꽃이 붉은빛을 띠는 연소다.

3. 등장 배경과 필요성

보일러 사고의 역사는 운전 취급 문제와 맞닿아 있다. 19세기 말과 20세기 초 미국, 영국, 유럽의 검사 기록에서 보일러 폭발의 가장 빈번한 원인은 녹으로 인한 보일러 약화였고, 운전자의 부주의와 부적절한 훈련도 폭발의 주요 원인이었다. 1905년 매사추세츠주 브록턴의 보일러 폭발 사고는 58명이 사망하고 150명이 부상한 대형 사고로, 이후 보일러법 제정으로 이어졌다.

증기 이상과 수위 이상이 사고로 이어지는 과정은 물과 증기의 분리 실패에 있다. 수위계가 거품이나 비수로 가려지면 운전원은 실제 수위를 잘못 읽고, 급수나 블로우다운 조작을 잘못하게 된다. 워터해머는 배관과 밸브를 파손하고, 캐리오버는 터빈과 과열기를 손상시킨다. 따라서 운전장해의 원인과 조치를 함께 익히는 것이 설비 안전의 기본이다.

수위 과상승과 부하 급변은 플라이밍의 원인이고, 수면이 비정상적으로 높아지거나 압력이 급강하면 캐리오버가 생긴다. 이상연소의 대표 원인인 연료 먼저 공급과 점화 지연은 역화의 원인이 된다.

압력방출장치 설정압력 최고사용압력 이하 작동 같은 법정 기준은 4절 이후에서 다룬다.

4. 구성요소·원리·절차

보일러 운전장해는 증기 드럼의 수위와 증기 순도가 무너질 때 생긴다. 장해를 일으키는 구성요소와 발생 순서를 함께 이해해야 답안에서 원인과 조치를 연결할 수 있다.

표의 설비는 서로 독립이 아니다. 급수와 블로우다운이 보일러수 농도를 조절하지 못하면 증기 드럼의 거품이 늘고, 기수 분리기의 부담이 커진다. 따라서 장해 원인을 찾을 때는 한 설비만 보지 않고 수위, 수질, 부하, 연소 상태를 함께 본다.

장해의 원리는 물과 증기가 분리되는 과정에서 시작된다. 보일러수 속 유지류와 용해 고형물이 많으면 수면에 거품이 생기고, 실제 수위를 판단할 수 없게 된다. 이것이 포밍이다. 부하가 갑자기 커지거나 수위가 지나치게 높으면 물이 증기와 분리되지 못하고 수면이 솟아오른다. 이것이 플라이밍이다. 솟아오른 물방울이 증기와 함께 배출되면 캐리오버가 된다. 기수 공발로 증기 순도가 떨어지면 관 안에 응축수가 생기고, 이 응축수가 고온 고압 증기에 밀려 배관을 치면 수격작용이 된다.

연소 측면의 장해는 연소 과정의 순서가 어긋날 때 생긴다. 점화 전 연료 투입과 공기 공급의 순서가 틀리거나, 점화 실패 뒤 미연소 가스가 노 안에 쌓이면 재점화 때 역화가 일어난다. 불완전연소는 산소가 부족할 때 일산화탄소를 만들며, 연소 상태가 불안정하면 화염이 흔들리면서 노 내 압력 변동이 커진다.

장해가 발생하는 순서는 다음과 같다.

• 부하 급변이나 수위 과상승으로 수면이 불안정해진다.
• 포밍 또는 플라이밍으로 수위 판단이 틀어진다.
• 수분이 증기에 섞여 나가는 캐리오버가 일어난다.
• 증기관 안에 응축수가 고이고, 밸브를 급히 열면 수격작용이 생긴다.
• 배관 접합부가 손상되어 증기 누출이나 배관 파열로 이어진다.

연소 계통은 별도 순서로 본다. 연료 공급과 점화 순서가 어긋나면 역화가 나고, 공기비가 맞지 않으면 불완전연소가 생긴다. 두 계통의 장해는 노 안의 압력과 수위 감시로 함께 확인된다.

5. 관련 법령·기준·표준

보일러 운전장해와 직접 관련된 기준은 압력용기와 압력방출장치 관련 규정이다. 산업안전보건 법령은 압력용기에 최고사용압력, 제조연월일, 제조회사명을 지워지지 않게 각인하도록 한다. 압력방출장치는 과압을 막는 마지막 안전장치이므로 설정 압력과 점검 주기가 기준으로 정해져 있다. 수위 이상에 대해서는 저수위 차단과 수위 경보 장치가 기준이 된다.

표의 압력방출장치 기준은 과압 사고를 막기 위한 값이다. 설정 압력을 최고사용압력보다 높게 두면 안전밸브가 늦게 열려 사고 위험이 커진다. 따라서 압력방출장치는 정기 점검과 봉인 상태를 함께 확인해야 한다.