복합 사이클 발전소의 덕트 버너 교체

많은 복합 화력 발전소(CCPP)와 열병합 발전소(CHP)는 열회수 증기 발생기(HRSG) 보일러 내부에 보조 점화 , 즉 덕트 버너를 활용합니다. 덕트 버너는 필요에 따라 가동되어 HRSG의 증기 터빈 발전기로 공급되는 증기 출력을 신속하고 효율적으로 증가시켜 CCPP의 발전 용량을 증대시킬 수 있습니다. CCPP의 경우, 발전 용량은 전력 수요를 지원하기 위해 생산자의 해당 배전 계획에 따라 수요에 따라 실시간으로 조정되거나 사전에 계획될 수 있습니다. 또한 덕트 버너는 고객 사용을 위한 증기 출력을 증가시켜 궁극적으로 CHP 생산자의 매출 증대로 이어집니다. 

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국내 시장 전반에 걸쳐, 1995년부터 2005년 사이에 건설된 신규 석탄화력발전소(CCPP) 및 열병합발전소(cogen/CHP)에 많은 덕트 버너가 설치되었습니다. 2005년부터 2015년 사이에는 신규 석탄화력발전소 및 열병합발전소에 대한 덕트 버너 주춤했습니다. 2015년 이후로는 경제 상황과 최근 정부 기관들이 친환경 연료 기술 연구 및 투자를 촉구하는 압박으로 인해 신규 CCPP 및 열병합발전소 건설이 사실상 중단된 상태입니다. 그 결과, 국내 시장의 발전소 인프라가 노후화되어 관리가 시급한 상황입니다. 

안타깝게도 기존 설비 인프라의 노후화로 인해, 현재 가동 중인 많은 덕트 버너 설계된 수명 주기의 끝 단계에 도달했거나 빠르게 그 시점에 다가가고 있으며, 이로 인해 생산자에게 다음과 같은 다양한 문제가 발생하고 있습니다:

• 지속적인 장비 수리를 위한 유지보수 비용 증가
• HRSG의 배출량 증가 또는 화염 충돌로 인한 운영 비용 증가
• 버너의 부분적인 고장으로 인한 조명 꺼짐 및 안정성 문제 발생
• 버너의 완전한 고장으로 인해 버너가 작동하지 않는 간단한 문제부터 버너가 HRSG 바닥으로 무너지는 복잡한 문제까지 발생했습니다.
• 시간이 지남에 따라 기하급수적인 속도로 노후화된 장비의 지속적인 붕괴

시설의 덕트 버너의 현재 상태를 파악하고 수리 또는 교체를 위한 자본 비용 예산을 수립해야 하는 시기를 파악하려면 노후화된 장비에 대한 빈번한 문서화된 점검과 감독 모니터링이 필수적입니다. 점검은 장비가 작동 중일 때 수행할 수 있지만 일반적으로 봄과 가을에 정전 시 수행하는 것이 가장 좋으며, 평판이 좋은 연소 전문업체에서 수행해야 합니다. 이러한 점검을 통해 기존 장비에 영향을 미칠 수 있는 문제를 파악하고, 이미 발생한 고장의 원인을 진단하며, 지속적인 유지보수보다 교체가 더 경제적인지 여부를 판단할 수 있습니다. 시설 재가동이 지연되지 않도록 적절히 조율하면 하루 정도면 검사를 완료할 수 있습니다.

덕트 버너 교체는 대부분의 발전 사업자가 생각하는 것보다 훨씬 쉬운 덕트 버너 많습니다. 교체를 프로세스 노후화 프로세스 중단하고 발전 사업자의 수명을 새롭게 시작할 프로세스 있으므로 프로세스 이는 발전 생산 능력의 수명을 연장하는 최선의 접근 방식이 될 수 있으며, 경영진의 여러 걱정거리 중 하나를 해소해 줍니다.  Zeeco 수행한 이러한 턴키 덕트 버너 (그림 1) 교체 사례 연구는 시설 소유주가 진단 단계부터 시운전 단계에 이르는 과정을 이해하는 데 Zeeco , 발전소 인프라에서 노후화된 장비를 제거함으로써 얻는 이점을 보여줍니다.

상황

2022년, 미국 남동부 지역의 한 주요 발전 회사가 기존 덕트 버너 대한 우려를 Zeeco 연락을 취했습니다. Zeeco 정전 기간 동안 점검을 Zeeco 그 결과를 기록했는데, 주요 내용은 다음과 같습니다:

• 심하게 뒤틀린 화염 안정제
• 버너 요소의 주 연료 불꽃에 대한 파일럿 조명 고장
• 화염 감지기 인식 불량
• 다운스트림 HRSG 튜브 섹션의 화염 충돌

터빈 배기가스(TEG) 흐름이 불량하여 화염 형태를 제어할 수 없게 되면, 화염 안정기가 뒤틀리거나 변형될 수 있습니다. 이는 일반적으로 새로운 기술이 도입되기 전까지는 그 문제가 알려지지 않았으나, 애초부터 불충분했던 구형 설계에서 기인합니다. 또한 수년에 걸쳐 반복적인 가동 및 정지 사이클을 겪은 연소 프로세스 단순한 프로세스 화염 홀더와 블러프 바디가 마모됩니다. 이 경우, 두 요소 모두 장비 노후화의 원인으로 지목되었습니다.

파일럿이 주 연료 불꽃을 끄지 못하는 것은 버너 요소의 처짐으로 인해 발생할 수 있습니다. 이 고장의 또 다른 원인은 극한의 온도에서 매일 HRSG 용광로 내부에 있는 스파크 장치가 파괴되는 것입니다. 고에너지 점화 시스템의 일반적인 전기 회로는 종종 빗물에 젖을 수 있는 TEG 및 개방형 도관 시스템의 수증기로 인해 쉽게 중단됩니다. 이 경우 버너 요소의 처짐이 파일럿이 주 연료에 불을 붙이지 못한 주요 원인이었습니다. 스파크 팁이 더 이상 주 연료의 경로에 있지 않았기 때문에 불이 붙을 기회가 없었습니다.

화염 감지기가 주 연료 불꽃을 제대로 인식하지 못하는 것은 몇 가지 문제 때문일 수도 있습니다:

• 처진 버너 요소.
• 화염 감지기의 렌즈를 코팅하는 먼지, 이물질 또는 수증기.
• HRSG의 정상적인 심한 진동으로 인해 화염 감지기 장착 시스템이 의도치 않게 움직입니다.
• 구형 감지기 모델은 불꽃과 불꽃이 없는 상태를 제대로 구분할 수 없는 구식 불꽃 인식 알고리즘을 사용합니다.
  전자 부품은 오래 가지 않으며 쉽게 불꽃 인식이 제대로 되지 않을 수 있습니다.

이 경우 감지기는 오래된 기술이었고 여러 버너 높이에 걸쳐 여러 단계에 걸쳐 마모된 상태였습니다.

다운스트림 HRSG 튜브 섹션의 화염 충돌은 긴 합금 보일러 튜브를 수리하는 데 수백만 달러의 비용이 드는 HRSG 보일러의 주요 파괴 요인입니다. 버너 시스템이 (버너 관리 시스템[BMS]의 완전한 제어 하에) HRSG 노에 원료를 투입하고 파일럿 점화기에 의해 점화될 때 길고 느린 화염이 화염 충돌을 일으킵니다. 주 연료 불꽃이 켜지고 화염 감지기에 의해 인식되면 HRSG 분산 제어 시스템(DCS)은 출력 증기 수요를 충족하기 위해 연료를 증가시킬 수 있습니다. 

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그러나 시간이 지남에 따라 버너 팁이 연료 압력에 의해 침식되거나 TEG 흐름과 버너 화염의 재순환으로 인해 화염 안정제가 휘거나 버너 요소가 처지면(그림 2) 실제 또는 완전 연소가 일어나기 전에 연료가 버너 팁의 하류로 더 많이 흐르게 됩니다. 이러한 요인으로 인해 화염이 튜브에 충돌할 때까지 화염이 더 오래 지속될 수 있습니다. 시간이 지남에 따라 충돌은 튜브를 파괴합니다. 이 문제를 해결하지 않으면 향후 고장이 임박할 수 있습니다. 이 사례에서는 침식된 버너 팁으로 인한 긴 불꽃이 불꽃 충돌의 원인이 되었습니다.

도전 과제

이 프로젝트에는 일반적인 과제와 상황에 따른 특수한 과제들이 모두 포함되었습니다. 구체적으로, 사전에 계획된 정지 작업은 봄에 18일간 진행될 예정이었으며, ‘비주요 정지 작업’으로 분류되었습니다. 이는 이번 정지 기간 동안 연소 터빈이나 증기 터빈에 대한 개조 작업이 계획되어 있지 않음을 의미합니다. 많은 현장에서는 정지 작업을 상당히 미리 계획하는 경우가 일반적이므로, 기존에 계획된 정지 일정을 중단하거나 변경하지 않고 교체를 완료할 수 있도록 덕트 버너 현재 상태를 파악하는 것이 매우 중요합니다.

이 고객은 대규모 고객층으로 인해 증기 생산 및 메가와트 출력에 대한 수요가 가장 중요하다는 점에서 이 시설이 전력망에 매우 중요하다고 설명했습니다. 정전 시기를 놓치는 것은 선택 사항이 아니었고, 정전 마지막 날에 발전소를 가동해야 했습니다. 이 사이트의 다음 정전 계획은 몇 년 후가 아니었기 때문에 장비와 설치에 또 다른 중요한 고려 사항이 추가되었습니다. 이 시기 문제를 해결하기 위해서는 광범위한 턴키 계획이 필요했으며, 시설과의 지속적인 커뮤니케이션이 중요했습니다.

일반적으로 설계 및 설치는 사전에 승인된 자본 예산의 정전 비용 범위 내에 맞아야 합니다. 이 사례의 경우 고객은 새 버너를 구매하기 약 2년 전에 자본 예산을 승인받았습니다. 그러나 경제 내 인플레이션과 팬데믹으로 인해 자재 가격이 예상치 못한 문제가 발생했습니다.

견적 요청 시기와 설비 가동 중단 일정을 적절히 조율하는 것이 성공의 핵심이었습니다. 설계, 제작, 납품, 설치 각 단계는 성공적으로 수행되기 위해 전체 일정 중 몇 주씩 소요됩니다. 따라서 계획된 가동 중단 일정보다 훨씬 앞서 장비를 주문하는 것이 매우 중요했습니다. 또한, 덕트 버너 기존 상태를 파악함으로써 시설 소유주는 교체 작업을 적절히 계획할 수 있었습니다.

프로젝트 프로세스

이번 개조 공사의 설계는 전 세계 수많은 OEM(원천 장비 제조업체)을 대상으로 다수의 덕트 버너 교체 프로젝트를 성공적으로 수행했을 뿐만 아니라, 신규 덕트 버너 및 제작 경험도 풍부한 고도로 숙련된 팀이 담당했습니다. 한 팀의 엔지니어와 관리자가 프로젝트 전반에 걸쳐 일관되게 참여함으로써 고객 팀과의 협력 관계를 공고히 하고, 프로젝트 전반에 걸친 정보 단절을 방지할 수 있습니다.

자재 구매는 최적의 가격과 배송을 찾는 데 있어 광범위한 교육을 받은 직원이 담당합니다. Zeeco 국제 표준화 기구(ISO) 프로그램에서 모니터링하는 광범위한 승인 제조업체 목록을 활용하므로 관련 구매자에게 엄청난 구매력을 제공하고 신규 또는 검증되지 않은 공급업체에 대한 우려를 없앨 수 있습니다.

Zeeco의 7개 글로벌 제조 시설 중 한 곳에서 장비 제작은 품질 보증/품질 관리(QA/QC) 팀과 프로젝트 실행 엔지니어링 팀에 의해 집중적으로 모니터링되었습니다. 배송은 운송 전문가로 구성된 물류 팀이 계획하고 수행했습니다. 프로젝트 실행 단계에 앞서 Zeeco 는 현장에서 수행될 모든 기계 및 전기 작업에 대한 매우 구체적인 턴키 작업별 개요와 계획을 수립했습니다. 실행된 계획에 따라 숙련된 건설 인력이 작업을 수행했습니다.

발견

거의 모든 턴키 설치 프로젝트에서 기존 장비의 철거를 시작하기 전에 알려지지 않은 문제를 발견하게 됩니다. 이 프로젝트의 경우 HRSG 탄소강 케이싱 벽에 심각한 내부 부식이 발견되었습니다(그림 3). 이러한 유형의 발견은 구형 HRSG 및 덕트 버너 장비에서 점점 더 흔하게 발생하고 있으며, 특히 HRSG 장치가 원래 마린 환경 근처에 설치되었거나 극한의 온도로 인해 노출된 케이싱, 밀폐된 HRSG 벽 단열재 및 HRSG 내부 플로팅 라이너 플레이트 시스템이 극도로 작동할 수 있는 장소에 설치된 경우 더욱 그렇습니다.

이러한 유형의 HRSG 및 덕트 버너에서 흔히 발견되는 다른 문제로는 내부 부식된 연료 배관, 압력 배관의 벽 두께 감소, 밸브 시트 부식 또는 파괴가 있습니다. 이러한 문제는 날씨와 계절 조건의 변화로 인해 발전소의 연료 배관 인프라 전반에 걸쳐 연료 온도 변동이 다양하기 때문에 시간이 지남에 따라 발생합니다. 이 프로젝트를 위해 외부 배관은 이미 부식이 없는 새로운 배관, 피팅 및 밸브로 교체할 예정이었습니다. 

해결책

이 턴키 덕트 버너 프로젝트는 이러한 일반적인 문제점들을 염두에 두고 계획되었습니다. 장비 구매 및 턴키 설치 계약을 최종 확정하기 전에, 발생할 수 있는 모든 문제점에 대해 고객과 충분히 논의합니다. 상세한 계획을 통해 사전에 문제점을 최소화함으로써 실제 상황에 최대한 부합하는 정확한 공사 일정을 수립하고, 예상치 못한 상황을 방지할 수 있습니다.

계획된 정전 중에는 다른 계약업체가 냉각탑이나 보일러 드럼 벨리 팬 및 릴리프 밸브와 같은 다른 장비에 대한 작업을 현장에서 수행하는 경우가 많습니다. 현장은 혼잡해질 수 있으며, 공구 트레일러와 건설 사무실 공간으로 인해 자재 보관 구역이 줄어들 수 있습니다. 평판이 좋은 설치 업체를 이용하고 정전 회의에 매일 참석하도록 하면 모든 계약업체가 매일 우려 사항과 향후 계획을 발언하고 공유할 수 있습니다. 계약업체 간의 조율을 통해 크레인이나 오버헤드 리프트 공간, 비파괴 검사 방사선 촬영 검사 간격, 자재 및 소모품 배송으로 인한 도로 혼잡과 같은 문제를 피할 수 있습니다. 의사소통이 잘 이루어지는 프로젝트는 더 안전한 프로젝트이며, 사고를 방지하고 잠재적으로 생명을 구할 수 있습니다.

결과 및 이점

이 프로젝트가 시작되고 설치 팀이 철수한 후, 이 고객이 얻은 이점은 매우 분명했습니다. 다음 각 항목은 고객의 요구를 충족시켰을 뿐만 아니라, 덕트 버너 오랫동안 절실히 필요했던 활력을 되찾아 주었습니다.

턴키 성공

덕트 버너 작업은 예정된 18일이 아닌 16일 만에 완료되어, 가동 중단 기간의 마지막 날에 설비를 성공적으로 재가동할 수 있었습니다.

비용

이 사례의 경우, Zeeco의 글로벌 구매력을 통해 자재를 조달하고 장비 구매를 훨씬 앞당겨 원래의 자본 예산 가치를 절감할 수 있었습니다.

새로운 장비

이제 고객사는 이전의 문제점이 전혀 없는 새로운 덕트 버너 갖추게 되었습니다. 유지보수 및 운영 비용 절감으로 인한 경제적 이점은 시간이 지남에 따라 누적되어 비용 절감 효과를 가져올 것입니다.

올바른 장비

설계와 설치가 사양에 100% 부합했기 때문에 고객은 한 번의 정전으로 한 번의 예산 비용으로 원하는 모든 것을 얻을 수 있었습니다.

열 방출

새로운 장비는 최적의 증기 생산을 위해 적절한 양의 열 방출을 HRSG 보일러로 전달합니다.

제작

Zeeco 는 7개의 사내 글로벌 제조 시설 중 하나를 활용하여 회사 내부 및 고객의 QA/QC 요구 사항을 완벽하게 준수하면서 장비를 적시에 완성했습니다.

배달

구매한 장비가 공급업체의 물류 시스템을 통해 현장으로 배송된다는 것을 알았기 때문에 고객 관리 감독과 우려에 드는 많은 시간을 절약할 수 있었습니다.

설치

이 턴키 설치는 Zeeco 에서 사용하고 관리하는 여러 기계 및 전기 설치 팀 중 하나를 활용했습니다. 전체 턴키 설치 덕분에 고객은 관리 감독 및 우려에 드는 많은 시간을 절약할 수 있었습니다.

정시 성과

프로젝트가 예상보다 일찍, 예산된 비용으로 완료되어 생산자에게 이익이 되었고 계획된 정전이 정확했으며 연장할 필요가 없었습니다.

안전 사건 및 사고 제로

모든 직원이 부상 없이 하루 일과를 마치고 집으로 돌아갔습니다. 장기적으로 보험료는 낮게 유지되고, 시설 안전 추적 지표는 흠잡을 데 없이 유지되며, 회사의 안전 기록은 흠잡을 데 없이 유지됩니다. 

향상된 액세스

버너 전면의 덜 혼잡한 접근 영역은 더 나은 유지보수 및 운영을 가능하게 하는 동시에 더 안전한 작업 환경을 조성합니다.

훈련

운영 팀이 공급업체로부터 새 장비에 대한 교육을 받는 것은 완벽한 운영을 달성하고 불필요한 출장을 줄이는 데 필수적입니다.

배출량

새로운 장비 기술을 도입하면 많은 경우 배출량을 크게 줄일 수 있으며, 운영 기업이 배출 허용치 내에서 배출량을 유지할 수 있습니다.

장비 보호

화염 모양이 잘 고정되고 화염 길이가 HRSG 용광로 내에 잘 맞으면 다운스트림 튜브 섹션, 라이너 벽, 천장 및 바닥의 손상을 방지할 수 있습니다.

미국 화재 방지 협회(NFPA) 규정 준수

덕트 버너에 대한 관리 기관인 NFPA 85, 특히 8장은 일반적으로 업데이트됩니다. 새로운 장비가 있다는 것은 관리 안전장치가 이미 마련되어 있다는 것을 의미합니다.

보증

새 장비는 시설 소유자에게 제한적 보증을 제공합니다. 

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