06년 2회차

여러 개의 섹션(section)을 조합해 용량을 자유롭게 가감할 수 있지만, 구조가 복잡해 청소·수리가 곤란한 보일러는 주철제보일러이다.

주철제보일러는 섹션을 니플로 연결해 조립하는 구조여서 용량 증감은 쉬운 반면, 내부 구조가 복잡해 정비가 어렵다는 단점이 있다.

비교적 저압에서 고온의 증기를 얻을 수 있는 보일러는 다우섬 보일러이다.

다우섬은 물 대신 유기열매체(다우섬 오일)를 사용하는 열매체 보일러로, 낮은 압력에서도 물보다 훨씬 높은 온도를 얻을 수 있다는 특징이 있다.

발생 증기량이 소비량보다 남아돌 때 그 증기에너지를 일시 저장했다가 필요할 때 재사용하는 장치는 증기 축열기(스팀 어큐뮬레이터)이다.

증기 부하 변동이 큰 설비에서 잉여 증기를 저장해 부하가 급증할 때 방출함으로써 보일러 운전을 안정시키는 역할을 한다.

도시가스는 공기와 미리 혼합되지 않은 상태에서 노즐을 통해 분출되며 주위 공기와 섞이면서 타는 확산연소 형태를 갖는다.

기체연료는 별도의 무화나 증발 과정 없이 바로 공기와 확산 혼합되어 연소하는 것이 특징이다.

연소실 내 연소온도를 높이려면 발열량이 높은 연료를 완전연소시키고, 연료와 공기를 예열하는 것이 효과적이다.

반면 비중과 점도가 높은 연료는 무화(미립화)가 잘 되지 않아 연소가 불량해지기 쉬우므로, 오히려 연소온도를 낮추는 요인이 될 수 있다.

인젝터는 증기의 운동에너지로 급수를 흡입·가압하는 장치로, 급수온도가 높으면 증기가 급수와 접촉했을 때 응축이 잘 되지 않아 흡입력이 떨어져 기능이 저하된다.

반대로 보일러 수위가 낮거나 급수처리를 한 경우, 증기가 건조한 경우는 인젝터 작동에 상대적으로 불리한 조건이 아니다.

보일러 열정산을 할 때의 기준온도는 원칙적으로 외기온도로 한다.

이는 보일러로 들어오는 공기와 연료의 온도를 외기온도와 같다고 보고, 이를 기준으로 각 손실열과 유효열을 계산하기 위함이다.

연료는 단위 중량(또는 체적)당 발열량이 크고, 매연 발생이 적으며, 양이 풍부하고 저렴할수록 좋은 연료로 평가된다.

수소를 많이 함유하면 연소 시 다량의 수분(수증기)이 생성되어 잠열 손실이 커지므로, 오히려 연료의 구비조건과는 거리가 멀다.

액체연료는 저장·취급과 수송이 용이하고 품질이 균일하며 발열량이 크다는 장점이 있지만, 인화의 위험성이 없고 역화가 발생하지 않는다는 설명은 옳지 않다.

오히려 액체연료는 인화점이 낮아 화재·역화의 위험성을 항상 고려해야 하는 연료이다.

유류용 온수보일러에서 버너가 정지하고 리셋버튼이 돌출하는 것은 화염 검출 실패로 안전장치가 연료 공급을 차단(록아웃)했다는 뜻이다.

오일배관 내에 공기가 남아 있으면 연료 공급이 원활하지 않아 착화가 지연되거나 실패하면서 이런 안전차단이 일어날 수 있다.

증기보일러의 용량을 표시하는 방법으로 일반적으로 가장 많이 쓰이는 것은 상당증발량(ton/h)이다.

상당증발량은 실제 발생 증기의 상태를 100℃의 포화수를 100℃의 건포화증기로 증발시키는 기준으로 환산한 값으로, 서로 다른 조건의 보일러 능력을 비교하기 쉽게 해 준다.

자동연소제어(ACC)는 보일러가 부하변동에 따라 증기압력, 노내압력, 공기-연료비 등을 자동으로 조절하는 제어를 말하며, 온수보일러의 경우 온수온도 제어도 이에 포함된다.

위치 제어는 특정 대상물의 위치를 잡아주는 일반적인 서보제어 개념으로, 보일러의 자동연소제어 항목과는 관련이 없다.

온-오프(on-off) 제어는 제어량이 목표값에서 일정 범위(데드존)를 벗어나면 조작량을 최대 또는 최소 두 가지 상태로만 전환하는 방식이다. "제어량이 목표값에서 어떤 양 만큼 벗어나면 밸브를 개폐한다"는 표현은 밸브의 완전 개(ON) 또는 완전 폐(OFF) 두 가지 상태만 나타내므로 온-오프 제어의 정의와 정확히 일치한다.

• 비교부 출력이 조작량에 비례하는 것은 비례제어(P제어)이다.
• 편차의 시간 적분에 비례하는 것은 적분제어(I제어)에 해당한다.
• 편차의 시간 변화에 비례하는 것은 미분제어(D제어)에 해당한다.

보일러 급수 중에 섞여 있는 불순물이나 침전된 슬러지를 보일러수와 함께 외부로 배출하기 위해 설치하는 밸브는 분출밸브이다.

• 급수역지밸브는 급수의 역류를 막는 장치이다.
• 안전밸브는 보일러 내 압력이 설정치를 초과할 때 증기를 방출해 압력을 낮추는 장치이다.
• 증기밸브는 발생 증기를 계통으로 보내는 개폐용 밸브이다.

사이클론(원심력식) 집진장치는 입자가 비교적 큰 먼지를 원심력으로 분리하는 방식으로, 구조가 간단하고 설치비·유지비가 저렴해 경제성과 집진성능을 함께 고려할 때 유리하다.

• 백필터와 전기집진장치는 미세한 입자까지 고효율로 포집하지만 설비비가 크다.
• 벤튜리스크러버는 물 등의 액체로 미세먼지를 세정하는 방식으로, 큰 입자 위주의 경제적 집진에는 적합하지 않다.

열전달의 기본 방식은 전도, 대류, 복사 세 가지이며, 발산은 열전달 방식을 가리키는 용어가 아니다.

상당증발량 $Ge$는 실제증발량 $G$를 100℃ 기준으로 환산한 값이므로 $Ge = \dfrac{G(h_2-h_1)}{539}$이고, 이를 실제증발량에 대해 풀면 다음과 같다.

$G = \dfrac{539 \times Ge}{h_2 - h_1}$

급수온도 20℃의 급수엔탈피는 약 $h_1 = 20\ \mathrm{kcal/kg}$, 발생증기 엔탈피는 $h_2 = 659\ \mathrm{kcal/kg}$이므로
$G = \dfrac{539 \times 1000}{659-20} = \dfrac{539000}{639} \approx 844\ \mathrm{kg/h}$

따라서 실제증발량은 약 844kg/h이다.

비수방지관은 증기 발생이 활발해져 물방울이 증기와 함께 비산할 때 이를 걸러내고 증기만 증기관으로 송기하도록 동(드럼) 내부 증기 취출구에 설치하는 부속장치이다.

• 워터 실링은 배기가스 계통 등에서 물로 통로를 밀봉하는 장치이다.
• 베이퍼록 방지관은 배관 내 액체연료가 기화해 흐름이 막히는 베이퍼록을 막기 위한 장치이다.
• 슬라이드 밸브는 판을 미끄러뜨려 유로를 여닫는 밸브 형식이다.

전열면 증발률은 시간당 증발량을 전열면적으로 나눈 값이다.

$\text{전열면 증발률} = \dfrac{20{,}000\ \mathrm{kg/h}}{458\ \mathrm{m^2}} \approx 43.7\ \mathrm{kg/m^2 \cdot h}$

현열은 물질의 상태변화 없이 온도 변화에만 관여하는 열이므로, "현열은 물질의 상변화에만 관여하는 열"이라는 설명은 상변화에 관여하는 것은 잠열이라는 사실과 반대로 서술되어 틀린 내용이다.

10℃ 물을 증기로 만들 때는 100℃까지 데우는 현열과 물을 증기로 바꾸는 잠열이 모두 필요하고, 100℃ 물을 같은 온도의 증기로 바꾸는 데 드는 열은 잠열이며, 기체 중에서는 수소의 비열이 가장 크다는 서술은 모두 옳다.

탄화수소 연료 $C_mH_n$ 1kmol을 완전연소시키는 데 필요한 이론산소량은 $O_2 = m + \dfrac{n}{4}\ \mathrm{kmol}$로 구해지며, 탄소수·수소수가 많을수록 소요 공기량도 많아진다.

부탄 $C_4H_{10}$: $O_2 = 4+\dfrac{10}{4} = 6.5\ \mathrm{kmol}$
프로판 $C_3H_8$: $O_2 = 3+\dfrac{8}{4} = 5.0\ \mathrm{kmol}$
에탄 $C_2H_6$: $O_2 = 2+\dfrac{6}{4} = 3.5\ \mathrm{kmol}$
메탄 $CH_4$: $O_2 = 1+\dfrac{4}{4} = 2.0\ \mathrm{kmol}$

따라서 네 연료 중 부탄이 1kmol당 필요한 이론산소량, 즉 연소공기 소요량이 가장 많다.

저위발열량 기준 보일러효율은 상당증발량 환산에 쓰이는 상수 539(kcal/kg, 100℃ 포화수→건포화증기 잠열)를 이용해 다음과 같이 나타낸다.

$\eta = \dfrac{539 \times Ge}{Gf \times H_\ell} \times 100\ (\%)$

즉 상당증발량에 539를 곱한 값(유효 출열)을 연료소비량과 저위발열량의 곱(공급 입열)으로 나눈 식이 옳다.

물질을 가열하는 데 필요한 열량은 $Q = m \times c \times \Delta t$로 구한다.

$Q = 30\ \mathrm{kg} \times 0.6\ \mathrm{kcal/kg\cdot ^\circ C} \times (35-15)^\circ C = 360\ \mathrm{kcal}$

동일 압력에서 물-증기의 상태별 단위중량당 엔탈피는 포화수 < 습포화증기 < 건포화증기 순으로 커진다. 건포화증기는 포화수의 엔탈피에 증발잠열을 모두 더한 상태이므로 단위중량당 엔탈피가 가장 크다.

비등수는 끓고 있는 물, 즉 포화수 상태를 가리키므로 증발잠열을 아직 받지 않은 상태이다.

과열기는 보일러 본체(드럼)에서 발생한 포화증기를 가열하여 과열증기로 만드는 장치이며, 고압증기 터빈에서 팽창되어 압력이 낮아진 증기를 다시 가열하는 장치는 재열기(reheater)이다. 따라서 이를 과열기라고 설명한 내용이 틀렸다.

배기가스로 급수를 예열하는 절탄기, 배기가스 열로 연소용 공기를 예열하는 공기예열기, 기름의 점도를 낮추기 위한 오일프리히터에 대한 설명은 모두 옳다.

고압보일러의 기수분리기는 주로 장애판(배플)을 조립한 방식, 원심분리(사이클론)를 이용한 방식, 파도형의 다수 강판을 겹쳐 조립한 방식, 스크러버·건조 스크린 방식 등으로 구성된다.

이른바 "재과열판"을 이용하는 방식은 기수분리기의 형식에 해당하지 않는다. 증기를 다시 가열하는 것은 과열기·재열기의 기능으로, 습분을 물리적으로 분리하는 기수분리기와는 별개의 장치이다.

수관식 보일러는 지름이 작은 수관 속으로 물이 흐르고 그 관을 다수 배치해 전열면적에 비해 보유수량이 적기 때문에, 점화 후 증기가 발생하기까지 걸리는 시간이 짧아 증기 발생속도가 가장 빠르다.

노통보일러·노통연관 보일러·연관 보일러는 동체 안에 보유하는 수량이 많아 상대적으로 증기 발생이 느리다.

고압보일러가 압력용기로 취급되는 근본 원인은 밀폐된 동체 안에서 물(액체)이 가열되어 증기(기체)로 상태변화하면서 부피가 크게 팽창해 높은 압력을 만들어내기 때문이다.

수두, 연료 사용량, 화학변화 등은 보일러 내부 압력 발생의 주된 원인이 아니다.

가스용 보일러의 연료배관은 관경에 따라 고정·부착 간격이 정해져 있으며, 관경 13㎜ 이상 33㎜ 미만인 경우에는 2m마다 고정·부착한다. 관경 25㎜는 이 구간에 해당하므로 2m 간격이 기준이 된다.

참고로 관경 13㎜ 미만은 1m마다, 33㎜ 이상은 3m마다 고정한다. 출제 당시의 보일러 설치·시공 기준에 따른 수치이다.

수면계는 프라이밍·포밍이 발생했을 때, 두 개의 수면계 수위가 서로 다를 때, 수위가 의심스러울 때와 같이 지시가 정상적이지 않다고 판단되는 경우에 반드시 시험한다.

반면 수위의 움직임이 예민하다는 것은 수면계 통로가 막히지 않고 정상적으로 작동하고 있다는 뜻이므로, 별도의 시험이 필요하지 않다.

연도 내 가스폭발은 연소실이나 연도에 미연소가스가 충만한 상태에서 점화가 이루어질 때 발생한다. 정상적으로 점화되지 못하고 쌓인 가연성 가스가 한꺼번에 착화하면서 폭발적으로 연소하기 때문이다.

• 프리퍼지를 충분히(과도하게) 하는 것은 오히려 미연소가스를 배출해 폭발을 예방하는 조치이다.
• 발열량이 높은 연료를 쓰는 것 자체는 폭발의 직접 원인이 아니다.
• 통풍력이 강한 경우는 오히려 미연소가스가 체류하기 어렵게 만든다.

관말 증기트랩장치의 냉각관(cooling leg)은 트랩에 들어가기 전 응축수를 식혀 트랩 작동을 안정시키는 관으로, 방열에 필요한 길이를 확보해야 한다. 그 길이는 최소 1.5m 이상으로 설치하도록 하고 있다.

출제 당시의 설치기준에 따른 수치이다.

보일러 산세관 작업 후 잔류 산액을 중화하고 금속 표면을 보호하기 위해 탄산소다, 가성소다, 암모니아, 히드라진 등의 중화방청제를 사용한다.

아황산(아황산소다 등)은 보일러수 중 용존산소를 제거하는 탈산소제로 쓰이는 약제이며, 산세관 후 중화방청 목적의 약제는 아니다.

중앙식 난방은 한 곳의 보일러실에서 열원을 만들어 각 실로 공급하는 방식으로, 열의 전달방법에 따라 직접 난방법, 간접 난방법, 복사 난방법 등으로 나뉜다.

개별 난방법은 각 실이나 세대마다 개별적으로 열원기기를 두는 방식으로, 중앙식이 아니라 개별식 난방에 해당한다.

보일러 건조보존법은 동 내부의 습기를 흡수·제거하여 부식을 막는 방법으로, 생석회·실리카겔 같은 흡습제나 기화성 방청제를 넣어 보존한다.

알칼리분(가성소다 등)은 동 내부를 알칼리성 보일러수로 가득 채워 부식을 방지하는 만수보존법에 사용하는 약제이므로, 건조보존에는 부적합하다.

수면분출장치는 보일러수 표면에 떠 있는 부유물(유지분, 부유 스케일 성분 등)을 제거하기 위해 수면 근처에서 소량씩 계속 뽑아내는 연속분출장치이다.

수저분출·수중분출은 동 저부에 가라앉은 슬러지를 배출하기 위해 필요할 때마다 실시하는 간헐분출 방식이다.

보일러 사고 중 가장 빈번하고 치명적인 것은 저수위에 의한 과열·파열 사고이므로, 보일러실 취급자는 급수설비와 안전저수위가 정상 상태인지를 가장 자주 점검해야 한다.

재료 결함, 급유장치 여과계통, 절탄기·과열기 점검도 필요하지만 저수위 관리만큼 상시적·빈번한 점검 대상은 아니다.

열동식 트랩은 방열기 출구 등에 설치되며, 내부에 넣은 에테르 등 휘발성 액체가 온도 변화에 따라 벨로즈를 팽창·수축시켜 밸브를 자동으로 개폐하는 방식으로, 응축수와 공기는 배출하고 증기의 유출은 막는다.

동관 접합 중 용융점이 높은 경납(硬鑞)을 사용하는 접합을 브레이징(brazing)이라 하며, 우리말로는 경납접합이라 부른다.

• 연납접합은 용융점이 낮은 연납을 쓰는 방식으로, 브레이징이 아닌 솔더링(soldering)에 해당한다.
• 플레어접합은 관 끝을 나팔 모양으로 넓혀 이음쇠로 조이는 기계적 접합이다.
• 타이톤 접합은 고무링을 끼워 접합하는 주철관 이음법으로 동관과는 무관하다.

보일러 파열사고의 원인은 크게 구조상 결함(설계불량, 재료불량, 공작불량)과 취급상 결함으로 나뉜다.

취급불량은 운전·관리 과정에서 발생하는 취급상의 결함이지, 보일러 자체의 구조상 결함에 해당하지 않는다.

보일러 동(胴) 저부에 진흙 모양으로 가라앉는 침전물(슬러지)은 급수 중에 포함된 칼슘·마그네슘 등 경도 성분, 즉 염류분이 온도 상승과 농축에 의해 불용성 화합물로 석출되어 쌓인 것이다.

유지분은 수면에 떠 포밍의 원인이 되고, 산분·알칼리분은 침전물이 아니라 보일러수의 액성을 나타내는 성분이다.

유리수면계의 유리관 파손은 주로 유리관의 급격한 온도변화, 상·하 콕 중심선의 불일치, 콕 너트를 지나치게 조이는 경우 등 물리적·열적 응력이 유리에 직접 가해질 때 발생한다.

유리관 내부에 스케일이 부착되는 것은 수위 지시를 불명확하게 만드는 원인은 되지만, 유리관 파손의 직접적 원인과는 거리가 멀다.

보일러 설치·시공 기준은 가스용 보일러와, 용량이 일정 규모 이상인 유류보일러에 대해 공급연료량에 따라 연소용 공기를 자동 조절하는 기능을 갖추도록 하고 있다. 유류보일러의 기준 용량은 5t/h 이상이며, 난방전용 보일러만 10t/h 이상으로 완화되어 있다.

이 문제는 난방 및 급탕 겸용 보일러이므로 난방전용 완화 규정이 적용되지 않아 5t/h 이상이 기준이 된다. 출제 당시의 설치·시공 기준에 따른 수치이다.

탄산칼슘 경도 1ppm은 물 1ℓ(1,000mℓ)에 탄산칼슘 1mg이 포함된 경우를 의미한다. ppm(parts per million)은 백만분의 일을 나타내는 농도 단위로, 수질 분석에서 물 1ℓ 기준으로 용질의 질량(mg)을 직접 나타낸다. 즉 1ppm = 1mg/ℓ이므로, 탄산칼슘 경도 1ppm은 1ℓ의 물에 정확히 1mg의 CaCO₃이 포함되어 있다는 의미다.

주철제 보일러의 수압시험압력은 최고사용압력 구간에 따라 배수를 달리 적용하며, 최고사용압력이 0.43MPa 이하인 경우에는 최고사용압력의 2배를 시험압력으로 한다(다만 그 값이 0.2MPa 미만이면 0.2MPa로 한다).

이 보일러의 최고사용압력 0.4MPa은 0.43MPa 이하 구간에 해당하므로
$0.4\ \mathrm{MPa} \times 2 = 0.8\ \mathrm{MPa}$

따라서 수압시험압력은 0.8MPa이다.

보일러 급수는 관 내 부식과 스케일 생성을 억제하기 위해 약알칼리성(pH 8~9 정도)으로 관리하는 것이 가장 적합하다. 산성이면 부식이 촉진되고, 지나치게 강한 알칼리성이면 가성취화 등 다른 장해를 일으킬 수 있다.

저온부식은 배기가스 중 황산화물(SO₃)이 수분과 결합해 황산으로 응축되면서 저온 전열면을 부식시키는 현상이므로, 근본적으로 연료 중의 황분을 제거하는 것이 가장 확실한 방지법이다.

• 저온 전열면에는 내식성 재료를 써야 하며, 침식되기 쉬운 재료를 쓰는 것은 방지법이 될 수 없다.
• 배기가스 온도는 노점 이하가 아니라 노점 이상으로 유지해야 황산이 응축되지 않는다.
• 과잉공기량을 늘리면 SO₂가 SO₃로 산화되는 양이 늘어 저온부식에 오히려 불리하다.

보일러 수처리 중 내처리(보일러 내부 처리)는 보일러 동체 안에 직접 약품(청관제)을 투입해 스케일 생성 억제, pH 조정, 탈산소 등을 도모하는 방법으로, 청관제 투입법이 이에 해당한다.

이온교환법, 침강법, 진공탈기법은 급수를 보일러에 넣기 전에 처리하는 외처리 방법이다.

점화 전에는 주증기 밸브를 닫아 둔 상태에서 준비 작업을 진행하며, 압력이 오른 뒤 송기 시점에 밸브를 서서히 개방한다.

따라서 주증기 밸브를 미리 개방하는 것은 점화 전 준비사항이 아니다.

• 수면계 수위를 확인하는 것은 저수위 사고를 막기 위한 필수 점검이다.
• 댐퍼를 열고 미연소가스를 배출하는 것은 프리퍼지로, 노내 가연성 가스를 미리 제거하는 절차이다.
• 연료계통과 급수계통 점검은 점화 전 기본 확인 항목이다.

보일러 운전 종료 후 노내와 연도에 남은 가연성 가스를 송풍기로 배출하는 조작을 포스트 퍼지라 한다.

운전 시작 전 같은 방식으로 미연소가스를 배출하는 것은 프리퍼지이며, 프라이밍은 보일러수가 비산하여 증기에 섞여 나가는 현상으로 이 문항과는 관계가 없다.

유리수면계 1개를 다른 종류의 수위측정장치로 대체할 수 있는 경우는 최고사용압력 1MPa 이하이면서 동체 안지름이 750㎜ 미만인 소용량 보일러에 한정된다.

압력과 동체 크기가 작아 수위 변동에 따른 위험이 상대적으로 낮은 보일러에만 적용되는 예외 규정이다.

출제 당시(2006년) 설치검사기준을 기준으로 한 설명이다.

보일러 급수 중 탄산염 성분은 가열 시 분해되어 연질스케일을 형성한다.

반면 황산염과 규산염은 부착력이 강한 경질스케일을 만들어 제거가 훨씬 어렵고, 염화칼슘은 스케일보다는 부식과 관련이 깊은 성분으로 다뤄진다.

증기관이 과열되는 것은 수격작용의 원인으로 보기 어렵다.

수격작용은 배관 내 정체된 응축수가 고속 증기에 밀려 급격히 이동할 때 발생한다.

• 주증기 밸브를 급히 열면 응축수가 급속히 밀려 수격을 일으킨다.
• 다량의 증기를 갑자기 송기할 때도 같은 원리로 수격작용이 발생한다.

검사대상기기 조종자를 해임하거나 조종자가 퇴직하는 경우, 사용자는 해임·퇴직 이전에 다른 조종자를 선임하여야 한다.

조종자 공백이 생기지 않도록 하기 위한 규정으로, 퇴직 후 일정 기간 내 선임하는 방식이 아니다.

출제 당시(2006년) 에너지이용합리화법 관련 규정을 기준으로 한 설명이다.

검사대상기기의 검사 중 구조검사는 제작 단계에서 실시하는 검사로, 별도의 유효기간 개념이 없다.

계속사용검사·설치검사·설치장소변경검사는 검사에 합격하면 검사증에 유효기간이 부여되어 주기적으로 갱신이 필요하다.

출제 당시(2006년) 기준의 설명이다.

에너지기술개발계획은 산업자원부장관이 수립하는 계획이다.

지역에너지 계획은 시·도지사가 수립하고, 수요관리투자계획은 에너지공급자가 수립하며, 에너지이용합리화 실시계획은 관계 행정기관의 장과 시·도지사가 수립하는 등 각 계획은 수립 주체가 서로 다르게 정해져 있다.

출제 당시(2006년) 소관 부처 명칭을 기준으로 한 설명이다.