보일러 순환방식

왜 배우는가: 보일러 순환방식은 물이 증기로 바뀌는 과정을 결정하는 기본 구조라서 보일러의 안전성·효율·기동특성을 함께 좌우한다. 자연순환·강제순환·관류식의 차이는 발전소 설계와 운전에서 반복적으로 비교되므로 시험에서도 여러 교시에 걸쳐 거듭 출제된다.

출제 이력: 제124회 1교시 6번, 제112회 3교시 1번, 제104회 3교시 3번, 제93회 1교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의는 다음과 같다.

보일러 순환방식은 급수가 가열관(수관)을 거쳐 증기로 바뀌는 과정에서 물을 순환시키는 힘이 밀도차인지 펌프인지에 따라 구분하는 방식이다.

핵심 키워드

• 자연순환: 포화수와 포화증기의 밀도차로 순환하는 방식
• 강제순환: 순환펌프로 물을 강제로 순환시키는 방식
• 관류: 드럼 없이 급수가 가열관을 한 번 통과해 증기가 되는 방식
• 순환비: 수관으로 보낸 유량을 발생 증기량으로 나눈 비
• 열적 구동력(thermal driving head): 밀도차에서 생기는 순환 구동 압력
• 강수관·승수관: 물을 내려보내는 관과 증기 혼합물을 올려보내는 관
• 기수분리: 드럼에서 증기와 물을 나누는 작용
• 증기 드럼: 기수분리와 물 저장을 맡는 용기

2. 개념 풀이

쉬운 말로 보면 보일러 안에서 물이 한 바퀴 돌며 열을 받는 길을 정하는 방식이다. 물이 데워지면 가벼워져 위로 올라가고, 식은 물은 아래로 내려와 자연스럽게 원을 그린다. 이 힘만 쓰면 자연순환이고, 펌프를 달면 강제순환이다.

정식 정의는 다음과 같다. 자연순환보일러(natural circulation boiler)는 기계적 펌핑 없이 가열된 상승관(riser)과 상대적으로 차가운 하강관(downcomer) 사이의 정수압 차이로 순환이 일어나는 보일러이다. 가열된 증발관에서 생기는 밀도 변화가 연속적인 대류를 만들며, 이것을 열사이펀(thermosiphon) 효과라고 부른다.

강제순환보일러(forced circulation boiler)는 드럼과 가열관 사이에 순환펌프를 두어 밀도차에 기대지 않고 물을 밀어 보내는 보일러이다. 고압에서 포화수와 포화증기의 밀도차가 작아져 자연순환만으로는 충분한 순환력을 얻기 어려울 때 채택한다.

관류보일러(once-through boiler)는 드럼이 없어 급수가 가열관을 한 번 지나면서 예열, 증발, 과열이 차례로 일어나 증기가 되는 보일러이다. 순환비가 1이므로 순환 자체를 따로 만들 필요가 없다.

순환비(circulation ratio)는 가열관에 공급되는 물의 질량유량을 그 가열관에서 발생하는 증기 질량유량으로 나눈 값이다. 자연순환에서는 이 값이 일정 수준 이상이어야 가열관이 과열되지 않는다.

순환력은 강수관 쪽 물기둥과 승수관 쪽 기수혼합물 기둥의 밀도차에서 생긴다. 이 밀도차가 클수록 순환력이 커진다. 압력이 올라가면 포화수와 포화증기의 밀도 차이가 줄어들어 이 힘이 약해진다.

3. 등장 배경과 필요성

초기 보일러는 보유수가 많은 원통형 보일러였다. 이 구조는 고압·대용량에 맞지 않았고 증발이 느렸다. 그래서 가는 수관을 많이 배치한 수관 보일러가 등장했다.