보일러 효율 과 보일러 연료 소비량(보일러 연료 사용량) 에 대하여~

●보일러 용량(능력)이란
   보일러 능력, 즉 용량은 최대 연속 부하 상태에서 1시간에 발생하는 증발량(kg/h)으로 표시합니다.

그러나, 조건 등에 따라서 증기의 열량은 다르므로, 보일러 용량을 환산 증발량으로 나타낼 수 있습니다.

●보일러 효율이란
  연료를 연소시켜 발생시킨 열량이 얼마나 증기를 발생시키는데 사용되는지를 나타내는 비율입니다. 계산방법은 아래와 같습니다.

 

 

​■ 보일러 효율에 대하여

    보일러 효율은 연료가 가지는 에너지가 몇 % 증기로 변환되었는지를 나타내는 지표입니다.

보일러 효율 산정방법은 입출열식과 열손실법, 2종류가 있는데, 이 보일러 효율은 제조업체 카탈로그 등에 기재되어 있습니다.

보일러 효율에는 이코노마이저에 의한 배열(waste heat) 회수도 포함되므로 대체로 90% 정도일 겁니다.

 

 

입출열법

 

Qs 유효 출열 (有効出熱 보일러로 흡수한 열량) ÷ 입열합계 [ H1 사용시 연료의 저발열량 (KJ/kg 또는 m3) + Q 연료 단위당 연료의 연료 발열량 이외에 연료 및 공기 측에 가해지는 열량 (KJ/kg 또는 m3)] × 100 %

η1 입출열법에 의한 보일러효율 = 「 Qs ÷ （ H1 + Q  ）」× 100（％）

 

 

열손실법

 

1- L1 [연료 단위당 열손실 합계 (저발열량 기준) (KJ/kg 또는 m3) ÷ 입열 합계 [H1 사용시 연료의 저발열량 (KJ/kg 또는 m3) + Q 연료 단위당 연료의 발열량 이외에 연료 및 공기 측에 가해지는 열량 (KJ/kg 또는 m3)] × 100 ％

 

η2  열손실법에 의한 보일러효율 = 【1 – [L1÷ (H1+Q)] × 100 (%)

      (참조: 일본산업규격 JIS B 8222)

 

   ▶보일러 효율 계산식 정리◀

                 증기 발생량(㎉/h) x [증기 엔탈비(㎉/㎏) ㅡ 급수온도(℃)]

       효율 =---------------------------------------------------------------- x 100 %

                 연료 소비량(㎏/h) x 연료 저위발열량(㎉/㎏)

 

 

 

■ 보일러 연료 소비량 계산 예 1)

 

보일러 연료 소비량은 보일러 효율을 알면 계산할 수 있습니다. 그 계산 예는 아래와 같습니다. 자세한 내용은 보일러 형식을 포함한 각 보일러 제조업체에 문의해 주십시오.

 

보일러 연료 소비량 계산 조건

보일러 효율       87 %

공급 증기량       100 kg/h

공급 증기압력     0.5 Mpa·G

급수 온도         15 ℃

사용 연료          A중유 저위발열량 : 36,700kJ/L

전제 조건 :  급수 온도의 변화는 고려하지 않는 것으로 한다.

 

계산식

실제 증발량 × [(포화증기 엔탈피) - (급수 엔탈피)] ÷ (연료의 저위 발열량 × 보일러 효율)

100 kg/h × ( 2,756 kJ/kg - 15 ℃ × 4,186 KJ/kg ℃ ) ÷ 36,700 kJ/L × 0.87 = 6.4 Lh

보일러 연료 소비량 :  6.4 L/h ​ 

 

 

■ 보일러 연료 사용량 계산 예 2)

 

     보일러 효율은 보일러 명판에 93% 라고 기재되어 있습니다. 피가열 물질은 물이며, 온도에 따른 비중 변화는 무시하며 비중은 1 입니다. 물 탱크 용량은 13.5㎥ (3000 x 2500 x 1800㎜). 피가열물질인 물의 초기온도는 10℃, 도달 목표 온도는 65℃ 입니다. 사용하고있는 보일러의 연료는 도시가스(LNG)입니다. 이러한 환경에서 보일러 연료 소비량은 얼마나 될까요?

 

피가열 물질인 물의 비중을 1로보면, 물의 질량은  13.5㎥ → 13,500 ㎏ 입니다.

물을 온도 상승시키는데 필요한 열량(㎉)은 13,500 ㎏ * (65 - 10)℃ =  742,500 ㎉

이열량 742,500 ㎉ 을 만들기 위해서 보일러 효율이 93% 짜리 보일러를 사용한다 하였으니,

742,500 ㎉ = Ⅹ * 93%   에서    Ⅹ = 798,387.097  ㎉  

798,387.097  ㎉ 를 보일러에 공급해야 합니다.

도시가스(LNG)의 순발열량(=연료의 연소과정에서 발생하는 수증기의 잠열을 제외한 발열량)은 9,420 ㎉ 이니까,

필요한 도시가스(LNG)의 량은,  

   798,387.097  ㎉ ÷ 9,420  ㎉ = 84.754 N㎥ 가 필요 합니다. 

 

 

▣ 고위발열량 (Higher Heating Value) = 총발열량

   연료가 연소한 후, 연소가스의 온도를 최소온도까지 내릴 때 분리하는 열량이며, 이때 연소 가스 중의 수증기는 응축하여 액체가 되며, 응축할 때 응축열을 발산하고 그 응축열 까지를 포함하여 열량을 계산한 것이 고위발열량 이며, 총발열량 이라고도 한다.

쉽게 설명하면, 탄화수소류의 기체 연료는 연소시, 산소와 결합하여 연소가스를 배출하고 수증기를 생산하게 된다. 그때 발생된 수증기는 응축이 되지 않지만, 연소가스의 최초 온도까지 내릴 때를 가정하면, 수증기는 응축이 되고 응축이 될 경우 열을 발산하게 된다. 이때의 응축열까지 합한 열량을 고위 발열량이라고 말한다.

 

 

▣ 저위발열량 (HLower Heating Value) = 순발열량

   저위 발열량은 위에서 설명한 것과 같이, 고위 발열량에서 연소 가스 중에 함유된 수증기의 증발열을 뺀 것을 말한다. 통상 고체와 액체 연료의 경우, 열량계산을 저위발열량으로 기준하는 데 그 이유는, 고체나 액체 연료의 경우, 연료를 기화시켜 연소시키기 위하여 연료 중에 함유된 수분을 증발시켜야 한다. 액체상태에서 기체상태로 상변화를 시키기 위해서는 수분의 증발열이 필요하게 된다. 이처럼 수분의 증발열을 뺸 실제로 효용되는 연료의 발열량을 저위발열량(=순발열량) 이라 한다.

 

 

보일러 효율과 연료 소비량 에 대하여~

 

※ 연료비 절감 예측 (예)

・보일러의 연료 소비량에 의한 시산

・A 중유 단가를 @\ 1,000 원/L 이라 가정하여 산출

 

A 형은 보일러 효율 85 %

B 형은 보일러 효율 90 %

C 형은 보일러 효율 95 %

로 되어 있다면, 보일러 효율에 따라 상당한 연료비 절감을 기대할 수 있습니다.

 

 

연료비 절감의 요점;

증기 스톱 밸브, 감압 밸브, 스팀 트랩, 솔레노이드 밸브(전자변) 등의 초기 누설 고장은, 수리 할 수 있으며 또한 소모품입니다. 증기 누출 과 각 기기의 열화는 초기라면 수리 비용도 경미합니다 만, 사용 경과 시간이 오래되면, 상기의 부품들의 관리 여하에 따라서 증기 누출이 증가되므로 철저한 관리가 요구됩니다.

 

 

증기 보일러 각 연료 발생 열량 단가 비교 (10,000kcal 당 가격)

 

* 각 연료는 총 발열량에서 계산, 각 수치는 시험 성적표에서 확인 바랍니다.

* 연료 가격은 사용량, 수용 설비, 지역에 따라 변동이 클겁니다.

아래 연료 가격은 계산을 위해서 임의로 설정한 참고 가격 임.

 

① 등유

46.43 MJ/kg × 238.9 kcal＝11,092 kcal/kg x 0.80 = 8,873.6 kcal/L

1,000원/L

1000 / 8873.6 × 10000

∴　10000 kcal ＝ 1,126.938원

 

② A중유

45.47 MJ/kg × 238.9 kcal ＝ 10,863kcal/kg × 0.86 ＝ 9,342kcal/L
1,000원/L
1,000 / 9342 × 10000
∴　10000 kcal ＝ 1,070.43원

 

③ 도시가스 (상세 내용은 가스회사에서 확인)

45.11 MJ/㎥ × 238.9 kcal ＝ 10,777 kcal/㎥

2,800원/㎥

2800 / 10777 × 10000

∴　10000 kcal ＝ 2,598.13원

 

 

증기 보일러의 연료 손실에 대해서

 

1. 증기 누출에 의한 손실

(조건) 증기압 0.4Mpa 또는 0.7Mpa (게이지 압력)의 포화 증기가 2mm의 구멍에서 1일 8시간 1개월 25일에 유출되는 증기량

 

Gm＝D2 × 4.0 × 증기 절대압력  （P1＋0.101325）

Gm = 최대 유출량 kg/hr

P1  = 증기 압력 Mpa (게이지 압력)

D  = 구멍의 지름

 

0.4Mpa의 경우

Gm ＝ 22 × 4.0 ×（0.4 ＋ 0.101325） ＝ 8.0212 kg/hr

∴1시간 당 약8.0212 kg의 증기가 새고 있음.

 

0.7Mpa의 경우

Gm ＝ 22 × 4.0 ×（0.7 ＋ 0.101325） ＝ 12.8212 kg/hr

∴1시간 당 약 12.8212 kg의 증기가 새고 있음.

 

1개월 간 （8시간 25일 가동）의 하기 조건에서의 누설에 의한 손실을 연료 소비로 환산

 

（조건） Ａ중유 비중 0.8486 kg/㎥、 저발열량 10,240 kcal/kg（42.87 MJ/kg）、보일러효율75％

 

※ 1 MJ ＝ 1000 KJ ＝ 238.85 kcal

※ 0.4 Mpa의 포화증기 엔탈피 ＝ 656.28 kcal/kg (＝ 2747.7 kJ/kg)

※ 0.7 Mpa의 포화증기 엔탈피 ＝ 661.01 kcal/kg (＝ 2767.5 kJ/kg)

 

G ＝ 증기 분출량 kg/hr

ι“ ＝ 분출 증기 엔탈피（전열） kcal/kg

hr ＝ 월간 운전 시간

He ＝ 연료의 저발열량 kcal/kg

η  ＝ 보일러 효율 ％

 

　　　　　　　　　　　　G×ι“

연료소비량（Ｌ）＝ ――――――――― × hr

　　　　　　　 　　He×（η÷100）×α

 

0.4 Mpa의 경우

 

　　　8.0212 × 656.28

Ｌ＝――――――――――   × 8 × 25 ≒ 161.5 L

 　　10,240 × 0.75 × 0.8486

 

 

0.7 Mpa의 경우

 

　　　12.8212 × 661.01

Ｌ＝――――――――――   ×  8 × 25 ≒ 260.1 L

 　　10,240 × 0.75 × 0.8486

 

 

 

2. 보온 미 시공에 의한 손실 (20m/m 유리섬유 거북철망마감)

 

(조건) 0.4 Mpa의 포화 증기로 외부 온도 15 ℃ 무풍 상태

보일러 효율 75 % 가정, 10m 길이의 각 배관 구경 별의 1개월 25일 8시간 보온 미 시공 배관을 시공 한 경우의 연료 소비량

 

 

 

3. 불필요한 배관에 의한 열 손실 (사용하지 않는 증기 배관에 통기)

 

(조건) 상기처럼 동일하게 보온 시공 (20 m/m 유리 섬유 거북 철망 마감)

배관구경	연료소비량	1개월 배관 10m 당 (원)
		A중유 \1000 원의 경우
20A	≒ 10 L/월/10m	≒ 10,000원/월
25A	≒ 11	≒ 11,000원/월
32A	≒ 13	≒ 13,000원/월
40A	≒ 14	≒ 14,000원/월
50A	≒ 15	≒ 15,000원/월
65A	≒ 16	≒ 16,000원/월

                 (비, 눈 several times)

 

(조건) 상기처럼 동일하게 보온 미 시공, 라관(裸管)의 경우

 

배관구경	연료소비량	1개월 배관 10m 당 (원)
		A중유 \1000 원의 경우
20A	≒ 29 L/월/10m	≒ 29,000원/월
25A	≒ 36	≒ 36,000원/월
32A	≒ 45	≒ 45,000원/월
40A	≒ 52	≒ 52,000원/월
50A	≒ 65	≒ 65,000원/월
65A	≒ 82	≒ 82,000원/월

 

 

4. 보일러 효율 차이에 의한 손실

η＝W（ι’‐ι”）／F0・He・α

η ＝ 보일러 효율

W ＝ 증발량 kg/hr

ι’  ＝ 증기압 엔탈피 kcal/kg

ι”  ＝ 급수 엔탈피 kcal/kg

F0 ＝ 급유량 L/hr

He ＝ 연료 값 저위 발열량 kcal/kg

등유 ＝ 10,400 kcal/kg

A중유 ＝ 10,200 kcal/kg

α＝비중

등유 ＝ 0.7897

A중유 ＝ 0.8795

 

상기 계산식은 정확한 연료 소비량, 급수량과 급수온도, 블로우량, 발생증기 압력이 필요합니다.

배기가스 온도의 보일러 효율 측정(시운전 시의 배기가스 온도 280도에서 보일러 효율 85%)이므로 이 온도에서 추정해 주길 바랍니다.

 

보일러 효율5% 저하하면, 5% 연비가 증대됩니다. 보일러 효율 악화는 경년열화 나 혹은 고장입니다.

 

 

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