급수가열기 TTD·DCA란? 저압·고압 차이, 추기량 계산과 성능 저하 원인

일본 제조사가 공급한 열병합발전 설비나 공장 보일러를 운전·보전하고 있다고 가정해 보겠습니다. 히트 밸런스 선도에는 低圧給水加熱器, 高圧給水加熱器라는 이름이 붙어 있고, 증기 배관에는 第1抽気, 第2抽気가, 운전 설명서에는 ドレン과 脱気器가 나옵니다. 그런데 가열기 한 대의 출구 온도가 조금씩 떨어지고 있어, 튜브가 오염된 것인지 다른 원인이 있는 것인지 판단해야 하는 상황입니다.

이 글은 일본어 자료의 용어를 한국 현장에서 쓰는 말로 정리한 뒤, 저압·고압 급수가열기의 차이와 추기량 계산 방법을 설명합니다. 이어서 가열기 상태를 판단하는 두 가지 지표인 TTD(terminal temperature difference)와 DCA(drain cooler approach)를 읽는 법, 각 값이 변했을 때 의심할 수 있는 원인을 다룹니다.

마지막에는 점검 체크리스트, 일본 공급사에 보낼 질문, 문의 메일 예시를 넣었습니다. 전체를 관통하는 관점은 하나입니다. 재생 사이클 전체의 효율과 가열기 한 대의 열수지를 나눠서 보는 것입니다.

목차

1. 한눈에 보는 일본어 급수가열기 용어
2. 급수가열기란
3. 저압·고압 급수가열기의 차이: 어디에 설치되는가
4. 추기를 하면 왜 사이클 효율이 오르는가
5. 추기량 계산 방법
6. TTD와 DCA: 가열기 성능을 읽는 법
7. 캐스케이드 드레인과 수위 관리
8. 비용·압력손실·설치 공간
9. 신규 도입·교체 시 사양 맞추기
10. 함께 보게 되는 규격: HEI·ASME와 한국의 확인 사항
11. 체크리스트: TTD·DCA가 벗어났을 때
12. 일본 공급사에 보낼 질문
13. 이 글의 범위
14. 자주 묻는 질문
15. 출처

한눈에 보는 일본어 급수가열기 용어

아래 표는 일본의 히트 밸런스 선도, P&ID, 설명서에 자주 나오는 용어를 한국어로 대응시킨 것입니다. 일본 측에 용어 그대로 물어볼 수 있도록 로마자 읽기도 함께 적었습니다.

표 1: 일본어 용어와 한국어 대응

제조사나 플랜트에 따라 쓰는 법이 다를 수 있습니다. 받은 자료에서 뜻이 다르게 쓰인 것 같으면 공급사에 확인하십시오.

일본어	로마자	한국어(영어)
給水加熱器	kyusui kanetsuki	급수가열기(feedwater heater, FWH)
低圧給水加熱器 / 高圧給水加熱器	teiatsu / koatsu kyusui kanetsuki	저압 급수가열기 / 고압 급수가열기(LP / HP 히터)
抽気（第1抽気、第2抽気…）	chuki (dai-ichi chuki…)	추기 증기(extraction·bleed steam), 제1추기·제2추기… 몇 번이 가장 압력이 높은지는 선도에서 확인
脱気器	dakkiki	탈기기(deaerator, 증기와 물이 직접 접촉하는 개방형 가열기)
復水器 / 復水ポンプ	fukusuiki / fukusui pump	복수기 / 복수펌프
給水ポンプ	kyusui pump	보일러 급수펌프(BFP)
ドレン	doren	가열기 드레인(추기 증기가 쉘측에서 응축되어 생긴 응축수)
過熱低減部 / 凝縮部 / ドレン冷却部	kanetsu teigen-bu / gyoshuku-bu / doren reikyaku-bu	과열저감부 / 응축부 / 드레인 냉각부(desuperheating / condensing / drain cooling zone)
胴側 / 管側	do-gawa / kan-gawa	쉘측(동체측) / 튜브측(관측)
水室 / 管板 / U字管	suishitsu / kanban / U-ji-kan	수실(채널) / 관판(튜브시트) / U-튜브
カスケード（ドレン逆流）	kasukedo (doren gyakuryu)	캐스케이드 드레인: 압력이 높은 가열기의 드레인을 다음 저압 가열기로 차례로 보내는 방식
非常ドレン	hijo doren	비상 드레인(emergency·alternate drain)
ベント	bento	벤트(불응축가스 배출)
再生サイクル / 熱収支	saisei saikuru / netsu shushi	재생 사이클 / 열수지(히트 밸런스)

TTD와 DCA는 일본 자료에서도 영문 약어로 적는 경우가 많습니다. 逆流(gyakuryu)는 일반적으로 "역류"라는 뜻도 있어, 물이 추기 배관으로 거꾸로 흘러드는 이상 상황을 가리킬 때도 쓰입니다. 앞뒤 문맥으로 구분하십시오.

급수가열기란

급수가열기는 터빈에서 뽑아낸 증기로 보일러에 들어가는 물을 미리 데우는 열교환기입니다. 급수 온도를 단계적으로 올려 보일러가 연료로 공급해야 할 열을 줄입니다. 이렇게 사이클 내부의 열을 급수로 되돌리는 방식을 재생 사이클이라고 합니다.

복수기를 나온 물은 보일러에 들어가기 전에 압력과 온도를 모두 올려야 합니다. 압력은 주로 펌프가, 온도는 추기 증기를 쓰는 급수가열기가 올립니다. 추기 증기는 터빈에서 팽창하는 도중에 뽑아내므로, 끝까지 팽창해 복수기로 가는 배기 증기와는 뽑는 위치도 압력도 다릅니다.

흔히 쓰는 밀폐형(closed) 급수가열기는 쉘 앤 튜브 구조입니다. 급수는 튜브 안을 흐르고 추기 증기는 쉘측에서 응축하며, 두 유체는 섞이지 않고 튜브 벽을 통해 열만 전달됩니다. 응축된 증기는 드레인이 되어 다른 가열기나 탈기기 등으로 회수됩니다.

탈기기도 물을 데우지만 증기와 물을 직접 접촉시키는 방식입니다. 주된 역할은 용존 가스 제거이므로 구조와 목적이 밀폐형 가열기와 다릅니다. 물 온도만 올린다고 탈기가 끝나는 것이 아니라, 빠져나온 가스를 벤트로 배출해야 합니다.

저압·고압 급수가열기의 차이: 어디에 설치되는가

일반적인 급수 계통은 복수기, 복수펌프, 저압 가열기, 탈기기, 보일러 급수펌프, 고압 가열기, 보일러 순으로 이어집니다. 실제 플랜트에는 보통 가열기가 여러 단 있고, 단마다 다른 추기점에서 증기를 받습니다.

저압 가열기는 대개 탈기기 상류의 복수 라인에 있습니다. 고압 가열기는 보일러 급수펌프 하류에 있으며, 이미 고압이 된 급수를 보일러로 보내기 전에 데웁니다. 즉 "저압"과 "고압"은 추기 증기의 압력만이 아니라 주로 급수(튜브측) 압력을 기준으로 한 구분입니다.

그림 1은 계통을 단순화한 것입니다. 파란색은 물, 주황색은 추기 증기입니다.

그림 1: 급수는 저온에서 고온으로 흐르고, 가열기마다 추기를 따로 받는다

파란색은 물, 주황색은 추기 증기입니다. 드레인 계통은 그림 5에 따로 나타냈습니다.

단순화한 개념도입니다. 가열기 단수, 배관 배치, 추기 위치, 펌프 위치는 플랜트마다 다릅니다.

가열기 한 대 안에서도 튜브측 급수 압력과 쉘측 증기 압력은 같지 않습니다. 튜브 벽이 두 유체를 나누고 열은 온도 차로 이동하므로, 고압의 물을 그보다 낮은 압력의 증기로 데울 수 있습니다. 도면을 볼 때는 급수 경로를 먼저 따라가고, 가열기마다 튜브측과 쉘측 설계 압력을 따로 확인하십시오.

P&ID에서 계통을 추적할 때는 복수기에서 보일러까지의 주 급수 라인을 한 줄로 먼저 그립니다. 그다음에 추기, 드레인, 벤트 라인을 더하면 각 배관의 역할을 헷갈리지 않습니다.

급수가열기를 복수기와 혼동하지 않도록 주의하십시오. 둘 다 증기를 응축시키지만, 복수기는 터빈 배기를 응축시키는 설비이고 급수가열기는 보일러로 돌아가는 물을 데우는 설비입니다.

밀폐형 가열기 내부: 세 개의 구역

추기 증기가 튜브 바깥면에 닿으면 급수에 열을 주고 응축합니다. 증기는 응축하면서 잠열을 내놓기 때문에, 증기의 온도 변화만으로는 열교환량을 계산할 수 없습니다.

급수는 입구 수실로 들어가 튜브를 지나 출구 수실로 돌아옵니다. U-튜브 형식은 입구와 출구를 한 장의 관판에 모을 수 있지만, 모든 가열기가 같은 튜브 배치를 쓰는 것은 아닙니다. 그림 2는 U-튜브 가열기의 개념도입니다.

그림 2: 밀폐형 가열기는 튜브측과 쉘측 유체를 섞지 않는다

U-튜브 가열기의 개념 단면입니다. 급수는 아래쪽 입구로 들어가 U-튜브를 돌아 위쪽 출구로 나갑니다.

흐름 경로를 보이기 위해 튜브 수, 패스 칸막이, 지지판은 단순화했습니다. 과열저감부와 드레인 냉각부는 생략했습니다.

가열기에는 최대 세 개의 구역이 있는 경우가 많습니다. 과열저감부는 추기 증기의 과열분을, 응축부는 주로 응축열을 쓰고, 드레인 냉각부는 드레인이 나가기 전에 열을 한 번 더 회수해 하류로 가져가는 열을 줄입니다. 가열기에 따라 세 구역을 모두 갖기도 하고, 한두 구역만 갖기도 합니다.

구역마다 작동 방식이 다르므로, 수위나 오염의 영향이 출구 온도에 나타나는 모습도 다릅니다. 구역 구성은 급수 출구 온도의 상한에도 관계합니다. 과열저감부가 있는 가열기에서는 급수 출구 온도가 쉘 압력의 포화온도보다 높아질 수 있습니다.

단순한 응축부에서는 증기 포화온도와 급수 온도의 차이가 열전달의 구동력입니다. 전열면적과 오염의 영향이 여기서 나타납니다.

추기를 하면 왜 사이클 효율이 오르는가

급수 가열의 핵심 효과는 보일러 입열을 줄여 사이클 열효율을 높이는 것입니다. 복수기에서 나온 차가운 물을 연료만으로 끝까지 데우는 대신, 저온 구간의 가열을 추기 증기가 맡습니다. 그 결과 보일러에서 작동유체에 열을 공급하는 평균 온도가 높아집니다.

대신 대가도 있습니다. 터빈에서 뽑아낸 증기는 그 뒤 단에서 일을 하지 못합니다. 연료가 줄었다고 출력까지 늘어나는 것은 아니므로, 효율은 입열과 순일(net work) 양쪽으로 비교하십시오.

열효율은 순일을 사이클이 받은 열로 나눈 값입니다. 기본 랭킨 사이클에 추기 분기와 펌프 일을 더해 보면 재생의 효과가 분명히 보입니다. 동시에 추기를 많이 한다고 무조건 좋은 것이 아니라는 점도 드러나며, 추기 압력·단수·단당 온도 상승은 터빈·보일러와 함께 계획해야 합니다.

급수 온도가 오르면 보일러 전열면의 조건도 바뀝니다. 설계 급수 조건을 지키는 것은 중요하지만, 온도 변동을 줄이는 효과와 사이클 열효율 개선 효과는 따로 평가하십시오.

탈기기로 들어가는 물을 저압 가열기에서 미리 데우면 탈기기에 필요한 가열 증기가 줄어듭니다. 드레인도 회수하므로 사이클은 물과 열을 함께 재이용합니다. 다만 단별 추기량의 변화는 전체 열수지로 판단해야 합니다.

급수가열기와 이코노마이저(절탄기)의 차이

둘 다 보일러로 들어가는 물을 데우지만 열원이 다릅니다. 급수가열기는 주로 터빈 추기 증기를, 이코노마이저는 보일러 배기가스의 열을 씁니다.

따라서 급수가열기를 추가할 때는 배기가스 쪽과 함께 평가하십시오. 이코노마이저에 들어가는 급수가 뜨거워지면 이코노마이저가 회수할 수 있는 열량이 바뀌므로, 플랜트 전체에서 열이 어디로 가는지 추적해야 합니다.

이름이 비슷한 예열기 중에는 터빈 추기가 아니라 외부 증기나 폐열로 물을 데우는 것도 있습니다. 이때는 열원과 평가 범위를 분명히 적고, 재생 사이클 이야기와 섞지 마십시오.

추기량 계산 방법

가열기 한 대만 보면, 급수가 얻는 열과 추기 증기가 드레인이 되기까지 내놓는 열을 같게 놓으면 됩니다. 각 흐름의 열을 압력과 온도로 구한 비엔탈피로 나타내면 응축까지 계산에 넣을 수 있습니다.

가상의 예를 들어 보겠습니다. 급수 유량 10 kg/s, 입구·출구 비엔탈피를 590, 740 kJ/kg(그림 4와 같은 약 140°C, 175°C의 물)로 가정합니다. 급수 1 kg당 150 kJ를 얻으므로 열교환량은 1,500 kJ/s, 즉 1,500 kW입니다.

추기 증기는 2,800 kJ/kg(약 1 MPa의 약간 과열된 증기)로 들어오고, 드레인은 610 kJ/kg(약 145°C의 물)로 나간다고 가정합니다. 추기 증기 1 kg이 내놓는 열은 2,190 kJ입니다. 필요한 추기량은 그림 3처럼 1,500을 2,190으로 나눈 값입니다.

그림 3: 급수측 열교환량을 증기 1 kg이 내놓는 열로 나눈다

밀폐형 가열기 한 대의 교과서적인 경우입니다. 다른 가열기에서 들어오는 캐스케이드 드레인과 외부로의 열손실은 무시했습니다.

(1) 급수측에 필요한 열

Q = m_w (h_out − h_in)

Q = 10 × (740 − 590) = 1,500 kW

(2) 추기 증기가 내놓는 열과 같게 놓는다

m_s = Qh_s − h_d

= 1,5002,800 − 610

= 약 0.685 kg/s

Q: 열교환량 [kW], m_w: 급수 유량 [kg/s], m_s: 추기 증기 유량 [kg/s], h_in, h_out: 급수 입구·출구 비엔탈피 [kJ/kg], h_s, h_d: 추기 증기 입구·드레인 출구 비엔탈피 [kJ/kg]. 수치는 계산 방법을 보이기 위한 것으로, 특정 플랜트의 값이 아닙니다.

이 예에서 추기량은 급수 유량의 약 6.8%입니다. 이 값은 터빈 주증기 유량에 대한 추기율과 반드시 같지는 않습니다. 다른 추기, 보급수, 라인으로 들어오는 드레인이 있으면 기준 유량이 바뀝니다.

1,500 kW는 급수로 전달된 열이지 늘어난 발전 출력이 아닙니다. 줄어든 터빈 일과 펌프 동력을 빼는 것은 사이클 전체 계산에서 다룹니다.

실제 계산에서는 각 지점의 압력·온도·상(phase)에 맞춰 증기표에서 비엔탈피를 읽으십시오. 온도 차에 비열을 곱하는 방법은 어림값에 그칩니다.

상위 고압 가열기에서 드레인이 캐스케이드로 들어온다면, 그 유입분을 열수지의 입력으로 더해야 합니다. 모든 열을 새로 뽑은 추기 증기가 공급한다고 가정하면 필요한 추기량을 크게 잡게 됩니다.

계산 시트에서는 먼저 가열기 주위에 경계를 긋고, 그 경계를 지나는 흐름을 모두 적습니다. 그다음 증기와 급수만의 단순한 식으로 충분한지, 캐스케이드 드레인과 벤트까지 넣어야 하는지를 정합니다.

TTD와 DCA: 가열기 성능을 읽는 법

급수 출구 온도가 떨어졌다고 해서 그것만으로 튜브 오염이라고 할 수는 없습니다. 추기 압력, 급수 유량, 급수 입구 온도가 바뀌면 정상인 가열기도 출구 온도가 바뀝니다. 그래서 가열기 성능은 두 가지 온도 차로 관리합니다.

• TTD(terminal temperature difference) = 가열기 쉘측 압력에 대응하는 포화온도 − 급수 출구 온도
• DCA(drain cooler approach) = 드레인 출구 온도 − 급수 입구 온도

이 정의는 ASME PTC 12.1과 EPRI(미국 전력연구소)의 열소비율 모니터링 지침에서 쓰는 것과 같습니다. 그림 4는 가상의 값으로 각 온도를 어디서 재는지 보여 줍니다.

그림 4: 측정점을 나란히 놓고 TTD와 DCA를 읽는다

가정값: 포화온도 180°C, 급수 140 → 175°C, 드레인 출구 145°C

TTD = 쉘측 포화온도 − 급수 출구 온도, DCA = 드레인 출구 온도 − 급수 입구 온도. 과열저감부가 있는 가열기에서는 TTD가 음수가 될 수 있습니다.

그림 4에서 두 값이 모두 5 K인 것은 정의를 보이기 위한 것일 뿐, 5 K가 모든 가열기의 합격 기준은 아닙니다. 측정값은 같은 부하에서의 설계값, 보증 조건, 그 가열기의 정상 시 데이터와 비교하십시오.

EPRI는 TTD와 DCA의 기대값을 보통 히트 밸런스 선도에서 가져오며, 제조사의 설계 데이터를 쓰는 더 엄밀한 방법이 ASME PTC 12.1에 있다고 설명합니다.

참고로, EPRI의 가열기 수위 제어 지침은 모든 부하에서 TTD가 약 2.8 K(5°F)인 참조 플랜트를 예로 들고, 정격 부하(full load)의 DCA는 약 5.6~8.3 K(10~15°F) 정도라고 설명합니다. 이는 판정 기준이 아니라 참고값입니다. 실제 가열기의 설계값은 그 설비의 히트 밸런스와 데이터시트에서 가져와야 합니다.

DCA는 드레인 냉각부의 작동 상태를 보여 주므로, 드레인 냉각부가 없는 가열기에는 같은 방식으로 적용되지 않습니다. TTD도 과열저감부 유무에 따라 의미가 달라지고, 설계상 음수로 운전하는 가열기도 있습니다. 각 지표는 도면에 나온 구조와 맞춰 읽으십시오.

TTD·DCA가 변했을 때 의심할 수 있는 원인

먼저 열원이 바뀌었는지 확인합니다. 출구 온도가 추기 압력과 함께 떨어졌다면 쉘측 포화온도도 내려간 것이므로, 예전 출구 온도에 도달하기 위한 조건 자체가 바뀐 것입니다. 추기 압력과 급수 유량은 거의 그대로인데 TTD만 커졌다면 열전달 쪽을 보십시오.

표 2는 자주 보이는 패턴을 정리한 것입니다. 각 항목은 진단이 아니라 조사의 실마리입니다. 여러 징후가 겹쳐도 원인을 확정하려면 점검 결과나 수질 이력이 필요합니다.

표 2: 증상, 의심 원인, 먼저 볼 것

같은 부하의 정상상태(steady state) 데이터끼리 비교합니다. 전형적인 경향일 뿐 확정은 아닙니다.

증상	의심 원인	먼저 볼 것
출구 온도 저하, 추기 압력도 저하	열원측 변화(쉘 포화온도 저하)	추기 압력, 부하, 터빈 운전 조건
추기 압력과 급수 유량은 그대로인데 TTD 상승	튜브 오염, 플러깅(폐쇄) 처리한 튜브, 수위 과다(튜브가 물에 잠김), 불응축가스 축적	수위 지시, 벤트 유량, 튜브측 차압
DCA 상승	수위가 드레인 냉각부 입구 이하로 내려가 증기가 유입, 드레인 냉각부 내 플래시	수위 지시와 설정값, 수위 조절 밸브의 응답
튜브측 차압 상승, 온도 상승폭 감소	튜브 내 오염 또는 유로 변화	같은 유량에서 비교, 수질 기록
드레인 유량 증가, 수위 급상승	튜브 누설(고압 급수가 쉘측으로 유입), 드레인 밸브·배관 이상	튜브측·쉘측 압력, 수위, 드레인 유량 추이

수위가 TTD·DCA에 주는 영향은 EPRI의 급수가열기 수위 제어 지침에 근거했습니다. 가열기 탓으로 판단하기 전에 압력 탭 위치와 온도계 오차도 확인하십시오.

튜브측 차압이 올라도 유량이 함께 늘었다면 오염의 증거가 되지 않습니다. 세정이나 개방 점검을 정하기 전에, 같은 유량대에서의 추이를 온도·수질 기록과 함께 비교하십시오.

추이 분석을 위한 운전 기록

일일 운전일지는 부하, 급수 유량, 각 온도, 쉘 압력, 수위를 같은 시각에 기록해야 비교하기 쉽습니다. 경보 이력 한 건보다 부하 변동 전후의 추이를 보십시오.

기록지에는 시각과 부하, 그리고 쉘 압력에서 계산한 포화온도를 함께 적습니다. 온도계 값만 있는 기록으로는 열원 문제와 열전달 문제를 구분하기 어렵고, 압력을 함께 기록하면 구분하기 쉬워집니다. 수위·유량·계측 오차도 함께 확인하십시오.

계측 지연도 고려하십시오. 큰 부하 변동 직후의 값을 정상 상태 값처럼 다루면 안 됩니다.

캐스케이드 드레인과 수위 관리

압력이 높은 가열기의 드레인을 다음 저압 가열기로 차례로 보내는 방식을 캐스케이드라고 합니다. 드레인의 열을 하류에서 재이용할 수 있지만, 압력 차와 드레인 유량을 제어해야 합니다. 드레인을 펌프로 급수 라인에 밀어 넣는 방식(펌프 압송, pumped forward)을 쓰는 플랜트도 있으니, 해당 플랜트가 어느 쪽인지 확인하십시오.

고압 드레인이 저압 가열기로 들어가면 일부가 플래시해 증기가 됩니다. 드레인 배관과 밸브는 액체만이 아니라 플래시 증기를 포함한 2상 흐름을 기준으로 선정해야 합니다.

쉘 수위가 너무 높으면 응축 증기로 가열되어야 할 튜브 면이 물에 잠겨 성능이 떨어집니다. 이상 시에는 물이 추기 배관을 거슬러 터빈으로 들어갈 수도 있으므로, 정해진 경보와 보호 장치가 중요합니다. 화력발전용 증기 터빈에서 이 위험(터빈 수분 유입, water induction)은 ASME TDP-1이 다룹니다.

수위가 너무 낮으면 증기가 드레인 냉각부로 들어가 드레인이 설계대로 냉각되지 않습니다. 정상 수위는 가열기 설계마다 정해지며, 모든 설비에 맞는 하나의 높이는 없습니다.

그림 5는 가열기 두 대의 예로 정상 드레인 경로와 비상 경로를 나눠 보여 줍니다.

그림 5: 정상 드레인 경로와 비상 경로를 따로 확인한다

쉘 압력이 높은 가열기의 드레인을 인접한 저압 가열기로 회수하는 예입니다. 비상 배출처와 보호 동작은 플랜트마다 설계로 정해집니다.

LC = 수위 제어(level control). 비상 밸브의 개방 조건, 급수 바이패스, 추기 차단 등의 인터록은 이 개념도로 판단할 수 없습니다.

튜브가 누설되면 고압 급수가 쉘측으로 들어가 드레인 유량이 늘고 수위가 빠르게 오를 수 있습니다. 고수위는 드레인 밸브 고장이나 드레인 경로 막힘으로도 생기므로, 플랜트에 설계된 보호 동작에 따르십시오.

운전원은 보통 수위계 지시와 수위 전송기 신호가 일치하는지, 밸브가 응답하는지, 하류 압력 조건이 정상인지를 확인합니다. 운전 중에 수위를 임의의 값으로 움직여 시험하지 마십시오. 플랜트 절차서에 정해진 시기와 방법으로 확인해야 합니다.

벤트는 불응축가스를 빼내는 경로이므로 드레인과 따로 확인하십시오. 튜브 주변에 가스가 고이면 열전달을 막기 때문에, 벤트 유량을 줄여야 할 단순한 증기 손실로 보면 안 됩니다.

수위 이상, 출구 온도 저하, 차압 변화는 함께 나타나는 경우가 많습니다. 하나씩 따로 다루기보다, 어떤 유량이나 제어의 변화가 먼저 일어났는지 시간 순으로 따라가면 점검할 곳이 좁혀집니다.

비용·압력손실·설치 공간

가열기를 추가하면 열을 회수하는 설비에 더해, 추기 증기와 드레인을 관리하는 설비도 늘어납니다. 대안을 비교할 때는 가열기 가격만이 아니라 펌프, 밸브, 계측기, 점검·정비 공간까지 포함하십시오.

소규모 플랜트라서 불리하고 대규모라서 유리한 것은 아닙니다. 가동 시간, 부하 변동, 연료 가격, 기존 배관 조건에 따라 이익과 비용의 균형이 달라집니다.

비용 증가

초기 비용에는 가열기 본체, 지지대, 기초, 보온, 추기 배관, 드레인 배관이 들어갑니다. 압력 등급에 맞는 밸브와 계측기, 보호 기능을 구현하는 제어 시스템 비용도 잡아야 합니다.

개조 공사라면 정지 기간과 기존 설비와의 연결 공사도 비용입니다. 연간 효과를 연료 절감만으로 계산하지 말고, 점검 비용, 보조기기 소비동력, 운전 손실 시간도 넣으십시오.

같은 출력에 대한 연료, 또는 같은 연료 투입에 대한 순출력처럼 같은 기준으로 비교하십시오. 부하나 외기 조건이 다른 운전 데이터를 비교하면 가열기의 효과를 잘못 판단합니다.

단수를 늘리면 추기 증기를 더 잘게 나눠 쓸 수 있지만, 전열면적·배관·계측기도 늘어납니다. 한 단을 추가해 얻는 이득이 늘어나는 공사비와 보전비를 정당화하는지가 기본 판단 기준입니다.

급수측 압력손실 증가

급수는 가열기의 튜브와 수실을 지나면서 마찰과 방향 전환으로 압력을 잃습니다. 펌프 선정은 배관을 포함한 계통 전체의 필요 양정을 감당해야 합니다.

압력손실은 정격 유량뿐 아니라 최대 유량과 예상 운전 범위 전체에서 확인하십시오. 가열기가 깨끗할 때의 입·출구 압력과 유량을 기록해 두면, 나중에 오염이나 막힘을 알아보는 기준값이 됩니다.

고압 가열기라고 해서 압력손실이 반드시 큰 것은 아닙니다. 압력손실은 압력 등급보다 튜브 지름, 튜브 수, 유로 길이, 패스 수, 운전 유량에 크게 좌우되므로 따로 평가해야 합니다.

튜브 유속을 낮추면 압력손실은 줄지만 전열 성능과 가열기 크기에 영향을 줍니다. 열전달과 펌프 동력 비용을 함께 따져 보십시오.

설치 공간 증가

가열기 본체의 바닥 면적뿐 아니라 점검과 분해에 필요한 공간도 계획하십시오. 수실을 여는 방향, 튜브를 어디서 점검하는지, 형식에 따라서는 튜브 번들을 뽑아낼 공간이 검토 항목입니다.

가열기 주변에 밸브와 배관을 빽빽하게 배치하면 일상 점검은 가능해도 대규모 수리가 어려워집니다. 비계, 양중, 반출 경로를 제조사의 보전 지침과 건물 배치에 맞춰 확인하십시오.

횡형과 입형 가열기는 설치 면적뿐 아니라 지지 방식과 상부 여유 공간도 다릅니다. 드레인 높이와 배관 저항도 관계하므로, 빈 공간이 있다고 아무 데나 놓을 수는 없습니다.

신규 도입·교체 시 사양 맞추기

견적을 비교할 때는 모든 공급사에 같은 입구 조건과 요구 출구 조건을 주어야 합니다. 급수 유량·압력, 추기 증기 조건, 유입 드레인이 다르면 필요한 전열면적, 재질, 밸브 용량이 달라집니다.

정격점에서 성능을 만족하는 가열기라도 기동 시나 저부하에서는 드레인을 제대로 내보내지 못할 수 있습니다. 공급사에 운전 범위와 기동·정지 조건을 주고, 추기 압력이 떨어졌을 때 드레인을 어떻게 처리하는지 확인하십시오. 맞춰야 할 항목은 표 3과 같습니다.

표 3: 가격을 비교하기 전에 열·압력·보전 조건을 맞춘다

사양서와 견적서가 자주 어긋나는 항목과 확인할 자료입니다.

항목	맞출 조건	확인할 자료
열성능	급수 유량, 입구 조건, 추기 증기 조건, 유입 드레인	히트 밸런스, 보증점, 운전 범위
펌프 동력	급수측 허용 압력손실과 최대 유량	압력손실 계산서, 계통 양정 계획
압력 등급·재질	튜브측·쉘측 설계 조건, 수질	기기 사양서, 재질표, 검사 절차서
수위·드레인	정상 드레인 배출처, 저부하·이상 시 경로	계통도, 제어 설명서, 보호 조건
보전·설치	개방 방향, 양중, 반출 경로, 정지 기간	배치도, 보전 지침, 공사 범위

가격 사례 하나로 일반화하지 마십시오. 같은 성능 보증, 같은 설치·보전 범위에서 총비용을 비교해야 합니다.

시운전 후 성능을 어떻게 검증할지는 구매 전에 합의하십시오. 압력·온도 측정점, 유량계 조건, 비교에 쓸 부하 범위를 시운전 기록에 남겨 둡니다.

교체 전후의 출구 온도만 비교하는 것은 같은 조건으로 보정한 열교환량이나 온도 차를 비교하는 것보다 근거가 약합니다. 계측기도 함께 바꿨다면 그 영향을 가열기 성능 변화와 구분하십시오.

점검·수리 기록

튜브 누설이 의심되면 튜브측과 쉘측의 압력 차를 수위·드레인 유량 변화와 맞춰 봅니다. 누설 방향은 압력 조건에 따라 바뀔 수 있으므로, 정지 중에 본 현상이 운전 중에도 똑같다고 가정하지 마십시오.

수리를 계획할 때는 튜브 재질, 두께, 손상 위치를 확인하고, 누설 튜브 처리만으로 끝내지 마십시오. 손상이 한 곳에 몰려 있다면 유체 유발 진동이나 지지 상태처럼 재발로 이어지는 원인을 찾아야 합니다.

수질은 튜브 표면 상태에 영향을 주므로, 급수·드레인 분석 결과를 보전 기록과 연결하십시오. 처리 조건이 재질에 맞는지 확인하고, 일반적인 수질 기준만 보고 약품 처리를 바꾸지 마십시오.

가열기를 개방하는 작업에는 고온수와 잔압이 따릅니다. 정지, 격리, 배수, 냉각 조건은 플랜트 작업 절차서에서 확인하십시오. 이 조건은 튜브측만이 아니라 연결된 모든 계통(급수, 추기, 드레인)에 적용됩니다.

성능 시험과 기계적 점검은 주는 정보가 다르므로 둘 다 활용하십시오. 출구 온도가 좋다고 튜브 건전성이 증명되는 것은 아니며, 압력 부위는 플랜트 검사 계획에 따라 점검해야 합니다.

운전 조건, 성능 지표, 점검 결과, 수리 내용을 하나의 이력으로 관리하십시오. 이 기록이 다음 교체 때 전열면적과 보전 사양을 정하는 근거가 됩니다.

함께 보게 되는 규격: HEI·ASME와 한국의 확인 사항

해외 발주처와 엔지니어링사는 아래 미국 규격을 자주 참조합니다. 가열기가 이 가운데 어느 규격으로 설계·시험되었는지, 혹은 어느 것도 아닌지 공급사에 물어보십시오.

• HEI Standards for Closed Feedwater Heaters(HEI 2622, 제9판): 미국 열교환기협회(Heat Exchange Institute) 규격으로, 가열기 성능, 튜브측 압력손실, 기계 설계와 재료를 다룹니다. 현행판은 HEI나 규격 판매처에서 확인하십시오.
• ASME PTC 12.1-2015, Closed Feedwater Heaters: TTD, DCA, 튜브측·쉘측 압력손실을 구하는 성능 시험 규격입니다. ASME는 2015년판을 R2026(stabilized maintenance)으로 표시하고 있습니다. 부분 패스(partial-pass) 드레인 냉각부를 가진 가열기에는 적용되지 않습니다.
• ASME TDP-1-2023, Prevention of Water Damage to Steam Turbines Used for Electric Power Generation: Fossil-Fueled Plants: 가열기 격리 시스템을 포함해 터빈 수분 유입을 막는 방법을 다룹니다.

한국의 발전 설비에는 국제 규격을 바탕으로 만든 전력산업기술기준 KEPIC을 적용하는 경우가 있습니다. 다만 급수가열기의 성능 시험을 KEPIC에서 어떻게 다루는지, ASME PTC 12.1과 어느 정도 가까운지는 이 글에서 확인하지 못했으므로, 발주처의 적용 규격과 KEPIC 원문으로 확인하십시오.

쉘과 수실에 어느 압력용기 규격을 적용할지(일본 규격인지 ASME인지)는 프로젝트와 설치 국가에 따라 다릅니다. 한국에 설치하는 경우 에너지이용 합리화법의 검사대상기기·수입 검사대상기기 검사에 해당하는지도 함께 확인해야 하므로, 공급사와 한국에너지공단 등 관할 기관에 미리 확인하십시오.

체크리스트: TTD·DCA가 벗어났을 때

아래 항목은 안정된 운전 상태에서 성능 저하의 원인을 검토하고, 정지나 세정을 요청하기 전에 쓰는 목록입니다. 고수위 경보나 급격한 수위 상승 같은 이상 시에는 설비의 보호 동작과 운전 절차에 따른 대응이 우선입니다.

• 기준 데이터와 비교할 수 있는 부하에서, 정상 상태로 운전할 때의 값인가?
• 추기 압력이 바뀌었는가? 현재 쉘 압력으로 포화온도를 다시 계산했는가?
• 급수 유량이나 급수 입구 온도가 바뀌었는가?
• 수위계와 수위 전송기의 값이 일치하는가? 수위가 정상 설정값에 있는가?
• 수위 조절 밸브가 정상적으로 응답하는가? 개도가 기준 데이터와 다른가?
• 벤트 라인이 설계대로 열려 있고 흐르고 있는가?
• 같은 유량에서 튜브측 차압이 올랐는가?
• 드레인 유량이 늘었거나 수위가 불안정해졌는가?(튜브 누설 가능성)
• 온도계와 압력 탭이 기준 데이터를 잡을 때와 같은 위치에 있고, 교정되어 있는가?
• 가열기에 과열저감부와 드레인 냉각부가 있는가?(TTD·DCA의 의미가 달라짐)
• 가열기 데이터시트나 히트 밸런스에 적힌 설계 TTD·DCA는 얼마인가?

일본 공급사에 보낼 질문

받은 자료로 답을 찾을 수 없을 때 아래 질문을 보내십시오. 공급사와 합의한 업무 언어로 필요한 항목만 골라 옮겨 쓰십시오.

• 가열기마다 어떤 구역(과열저감부, 응축부, 드레인 냉각부)이 있습니까?
• 가열기별 설계 TTD와 DCA는 정격 부하와 부분 부하에서 각각 얼마입니까?
• 정상 수위 설정값과 고수위, 고고수위(high-high), 저수위 경보 레벨은 얼마입니까?
• 정상 드레인과 비상 드레인은 각각 어디로 가며, 비상 드레인 밸브는 어떤 조건에서 열립니까?
• 도면의 "제1추기"(第1抽気)는 가장 압력이 높은 추기입니까, 가장 낮은 추기입니까?
• 추기 배관을 통해 물이 터빈으로 들어가는 것을 막는 보호 장치는 무엇입니까?(추기 차단 밸브, 역지 밸브, 고고수위 트립 등)
• 가열기를 운전에서 제외할 때의 허용 운전 조건(바이패스, 부하 제한)은 무엇입니까?
• 쉘과 수실의 압력 부위 설계·제작·검사에 적용한 규격과 판(edition)은 무엇입니까?
• 열성능 보증과 성능 시험에 적용한 규격(ASME PTC 12.1 등)과 시험 조건은 무엇입니까? HEI 규격은 어느 항목에 적용했습니까?
• 튜브 재질과 적용되는 수질 한계는 무엇입니까?
• 한국 내 검사(에너지이용 합리화법에 따른 검사 등)에 필요한 서류를 제공할 수 있습니까?

문의 메일 예시

대괄호 부분을 해당 플랜트에 맞게 바꿔 쓰십시오. 실제 메일은 공급사와 합의한 업무 언어(영어 등)로 옮겨 보내십시오.

제목: [플랜트명] 고압 급수가열기 No. [X] 설계 TTD/DCA 및 수위 설정 문의

[담당자명]님, 안녕하십니까.

최근 [기간] 동안 [부하] % 부하에서 고압 급수가열기 No. [X](高圧給水加熱器)의 급수 출구 온도가 약 [값] °C 떨어졌습니다. 추기 압력과 급수 유량은 기준 데이터와 거의 같습니다.

당사가 계산한 TTD는 [값] K에서 [값] K로, DCA는 [값] K에서 [값] K로 커졌습니다.

원인을 찾기 위해 아래 자료를 보내 주실 수 있겠습니까?

• [부하] % 및 100% 부하에서의 설계 TTD와 DCA
• 정상 수위 설정값과 경보 레벨(기준 높이 포함)
• 이 가열기에 과열저감부와 드레인 냉각부가 있는지 여부
• 내부 점검 전에 벤트와 수위 제어에 대해 권장하는 확인 사항

추이 데이터를 첨부합니다. 협조에 감사드립니다.

[이름]
[회사명]

이 글의 범위

• 예시의 수치(유량, 엔탈피, 온도)는 모두 가상의 값이며 계산 방법을 보이기 위한 것입니다.
• 표 2의 진단 패턴은 전형적인 경향일 뿐 확정이 아닙니다. 여러 원인이 동시에 작용할 수 있고, 확정하려면 점검 결과가 필요합니다.
• EPRI에서 인용한 TTD·DCA 값은 참고용입니다. 실제 가열기의 설계값이 우선합니다.
• 가열기 배치, 구역 구성, 드레인 계통, 보호 로직은 제조사와 플랜트마다 다릅니다. 플랜트 절차서와 공급사의 지침을 따르십시오.
• KEPIC과 에너지이용 합리화법의 적용 여부는 이 글에서 판단하지 않습니다. 발주처와 관할 기관에 확인하십시오.
• 운전, 격리, 점검에 관한 판단은 관련 법령과 규격에 따라 플랜트의 책임 엔지니어가 내려야 합니다.

자주 묻는 질문

저압 급수가열기와 고압 급수가열기는 무엇이 다릅니까?

주로 급수 압력으로 나눕니다. 저압 가열기는 탈기기 상류에, 고압 가열기는 보일러 급수펌프 하류에 있습니다. 쉘측 추기 압력과 튜브측 급수 압력은 별개이므로 사양서에서 둘 다 확인하십시오.

증기를 추기하는데 왜 효율이 오릅니까?

추기를 하면 터빈 후단의 일은 줄지만, 급수를 미리 데우므로 보일러가 공급해야 할 열도 줄어듭니다. 추기 위치와 단수는 순일을 입열로 나눈 값이 좋아지도록 설계합니다.

탈기기도 급수가열기입니까?

그렇습니다. 재생 사이클에서는 증기와 물이 직접 접촉하는 개방형 급수가열기로 볼 수 있습니다. 증기와 물을 섞어 데우면서 용존 가스를 제거하므로, 밀폐형 가열기와 달리 두 유체가 섞입니다.

급수 출구 온도가 추기 증기의 포화온도보다 높아질 수 있습니까?

과열저감부가 있는 가열기라면 가능합니다. 이 구역은 추기 증기의 과열분을 쓰기 때문에 급수 출구 온도가 쉘 압력의 포화온도를 넘을 수 있고, 그러면 TTD는 음수가 됩니다.

TTD와 DCA는 작을수록 좋습니까?

일률적으로 그렇지는 않습니다. 가열기의 설계값, 구조, 같은 운전 조건에서의 그 가열기 자체 기준 데이터와 비교해 판단하십시오. 특히 TTD는 과열저감부 유무에 따라 의미가 다르고, 설계상 음수인 가열기도 있습니다.

가열기 하나를 운전에서 빼도 플랜트를 계속 운전할 수 있습니까?

급수 바이패스, 추기 차단 구성, 보일러의 급수 온도 제한에 따라 다릅니다. 가열기 없이 운전할 때의 허용 부하와 보호 조치는 플랜트 운전 절차서에서 확인하십시오.

출처

• TTD·DCA의 정의, 구역 구성, 과열저감부가 있을 때의 음의 TTD: EPRI, "Turbine Cycle Heat Rate Monitoring" (1012220)
• 수위 이상이 DCA·TTD에 주는 영향, 참고 설계값, 터빈 수분 유입: EPRI, 급수가열기·드레인 탱크 수위 제어 지침 (1003472)
• ASME PTC 12.1의 적용 범위와 상태: ASME, "PTC 12.1 Closed Feedwater Heaters"
• HEI 2622 제9판: Accuris, HEI Standards for Closed Feedwater Heaters
• ASME TDP-1-2023: ASME, TDP-1-2023 목차
• 재생 랭킨 사이클: University of Waterloo, regenerative Rankine cycle
• 열소비율 개선: EPRI, Heat Rate Improvement Reference Manual
• 튜브 누설의 징후(수위 조절 밸브 개도, 드레인 유량): Heat Exchanger World, "Feedwater heater leak detection"
• KEPIC 개요: HSB, Korea KEPIC
• 에너지이용 합리화법(검사대상기기의 검사, 수입 검사대상기기의 검사): 한국법제연구원, 에너지이용 합리화법
• 저압·고압 급수가열기 제품 예: Seo Koatsu Kogyo, 저압 급수가열기(일본어), 고압 급수가열기(일본어)