[리뷰] 유틸리티 시스템의 최적운용 (1)

* 본 리뷰는 "Matlab 활용 유틸리티 시스템의 최적운용"의 내용을 정리, 요약한 리뷰입니다.
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* 유틸리티 공정의 개요
- 화학관련 산업 분야의 공장에서 사용되는 에너지의 70% 정도는 유틸리티 시스템을 경유함

- 열이 손실되는 주요 원인(보일러 공정에서의 손실 및 효율)

손실(%)	오일	석탄	가스
현 열	11	12	9
잠 열	7	5	11
불완전연소	낮음	3	무시가능
표면복사	4	5	4
보일러 Blowdown	3	3	3
총 손실(%)	25	28	27
효 율(%)	75	72	73

- 배기가스 구성물질
 1. 질소, 산소, 이산화탄소, 스팀, 이황화산소, 일산화탄소, 메탄 등

- 불완전 연소를 막기위해 과량의 공기를 추가하면 대기중으로 배출되는 질소 및 산소의 양도 같이 증가하게 되어 결국 현열 손실이 높아짐

- 연료 연소중 생성되는 물이 스팀 형태로 배출되면서 증발 잠열 손실이 높아짐

- 보일러 겉면을 통해 발생하는 열손실은 1-5%정도임

- 보일러 공급수 내에 용해되거나 현탁된 고체물질의 농도를 일정 수준 이하로 유지하기 위해 새로운 공급수로 대체하는 작업(보일러 Blowdown)을 함

- 효율향상을 위한 방법
 1. Economizer(배기가스 관료 내에 삽입된 열교환기)를 사용해 보일러 공급수를 예열
 2. 스팀 응축액의 재순환(재사용)
 3. 배기가스로 부터 열회수(5%까지 향상 가능)

- 열병합 발전의 총괄 효율 : 70-85%

- 주요 보일러 연료의 조성

구성물질(wt. %)	역청탄	Petroleum coke	벙커C유
C	63.40	77.74	85.75
H2	4.00	3.43	12.00
O2	4.60	1.08	0.30
N2	1.50	1.09	0.28
S	1.30	6.21	1.65
Ash	13.20	0.45	0.02
Moist	12.00	10.00	0.00
저발열량(LHV)	25,431kJ/kg	31,369kJ/kg	41,580kJ/kg

* 보일러 공정의 모델링
- 보일러의 구성물질
 1. 탈기기(Deaerator)
 2. 고압급수 가열기(HPH, High Pressure Heater... 오일 보일러)
 3. 절탄기(Economizer, 석탄 보일러)
 4. 공기식 공기예열기(GAH, Gas-Air Heater)
 5. 증기식 공기예열기(SAH, Steam-Air Heater)
 6. 1차 및 2차 과열기(석탄 보일러의 경우에는 3차 과열기까지 있음)
 7. 보일러 드럼
 8. 중유 가열기(오일 보일러)
 9. 플래쉬 탱크



* Steam 터빈 공정의 모델링
- 탈기기, 고압급수 가열기, 증기식 공기가열기 등에서 소비되는 자체 소모 스팀으로 인해 보일러 부하 증가량 계산과 터빈 발전기의 열분석에 많은 시간과 노력이 소요됨

- 스팀 헤더의 온도와 압력

특성	SS	HS	MS	LS
온도(C)	520	380	285	200
압력(atm)	120	40	16	4

- 터빈 발전기
 1. 한 가지 에너지원을 이용해 열 에너지와 전기 에너지를 동시에 생산함
 2. 두 가지 형태의 에너지가 필요하거나 열 에너지의 사용처가 발전 시스템과 가까울 때 이용

- 유틸리티 펌프
 1. 스팀 발생 장치에서 사용되는 용수나 공기, 그리고 연료 등을 이송하거나 스팀을 분배하는데 사용되는 장치
 2. 펌프의 구동원은 모터와 터빈으로 구분됨

- 감압 설비
 1. 고온 고압의 스팀을 저온 저압의 스팀으로 만드는데 사용

- 터빈 vs. 보일러 효율
 1. 터빈 효율은 열 에너지로부터 기계적 에너지를 얼마나 잘 이끌어 내는가를 나타내 줌
 2. 보일러 효율은 얼마만큼의 에너지가 적절하지 않은 용도로 손실되었는가를 나타내 줌

- 통상적으로 스팀 터빈의 효율은 등엔트로피 효율로 나타냄

- 자기소모 스팀
 1. 보일러에서 스팀을 생산하기 위해서는 공기나 연료를 일정온도 수준까지 가열해 줘야 함
 2. 보일러 급수는 탈기시킨 후 주입해야 함
 3. 이 때 사용되는 스팀을 보일러 공정에서의 자기소모 스팀이라고 함

- 80ton/hr의 HS를 주입한 스팀 터빈의 경우, 50ton/hr의 MS와 30ton/hr의 Condensate, 그리고 25MW의 전기를 생산함



* 참고자료

스팀종류	온도 (°C)	압력 (KG)	Enthalpy (kJ/kg)	비 고
SS	525	121.5	3,422
HS	370	40	3,156
MS	270	15	2,982
LS	195	3.5	2,858	잠재열량
Demi. Water 1	135	80	538	나머지 경우
Demi. Water 2	135	40	535	중압에서 저압스팀 변환시