[에너지관리기능사 필기] 10년 2회차 기출문제 정답·해설 페이지

앵글 밸브는 증기 흐름의 방향을 90°로 전환시키는 구조를 가진 밸브로, 보일러 주증기 밸브에 흔히 쓰인다.
릴리프 밸브는 설정압력을 초과하면 유체를 배출시켜 압력을 낮추는 안전 목적의 밸브다.
체크 밸브는 유체의 역류를 막는 역지 밸브다.
슬루스 밸브는 유체 흐름을 직선으로 유지하며 개폐하는 밸브다.

왕복식 펌프는 피스톤·플런저의 왕복운동으로 급수를 밀어내는 펌프로, 워싱턴 펌프·웨어 펌프·플런저 펌프가 모두 여기에 속한다.
반면 터빈 펌프는 임펠러를 회전시켜 얻은 속도에너지를 안내깃으로 압력으로 바꾸는 원심식 펌프이므로 왕복식이 아니다.
고압 급수에 원심식을 쓸 때는 단수를 늘린 다단 터빈 펌프를 사용한다는 점에서 왕복식과 구조가 확연히 다르다.

보일러의 3대 구성요소는 보일러 본체, 연소장치, 부속설비다.
보일러실은 보일러가 설치되는 공간일 뿐 보일러 자체의 구성요소가 아니다.

건조도는 습증기 중 증기(기체)가 차지하는 질량비율을 나타내며, 건조도가 1이면 수분이 전혀 섞이지 않은 건포화증기를 뜻한다.
습포화증기는 건조도가 1보다 작아 수분이 섞인 상태다.
포화수는 건조도가 0인, 아직 증발하지 않은 물 상태다.

기체연료는 유황이나 회분 함량이 거의 없어 연소 시 대기오염 물질 발생이 적은 편이다.
적은 과잉공기로도 완전연소가 가능하고 발열량이 크며 고부하 연소가 가능하다는 나머지 설명은 기체연료의 일반적 특징에 부합한다.

KS B 6205 기준 육상용 보일러의 열정산에서는 시험 시의 외기온도를 기준온도로 삼는다.
연소실 내부온도나 표준온도, 송풍기 입구온도는 열정산의 기준온도로 사용되지 않는다.

연소장치를 선정할 때는 사용 연료의 종류·형태, 연소효율, 내구성과 가격 등을 고려하되 과잉공기는 되도록 적게 사용할 수 있는 장치를 선택해야 한다.
과잉공기가 많아지면 배기가스에 의한 열손실이 커져 열효율이 떨어지므로, 과잉공기를 많이 쓸 수 있다는 것은 선정기준으로 옳지 않다.

상당증발량은 실제증발량을 100℃ 포화수를 100℃ 증기로 바꾸는 기준(539kcal/kg)으로 환산한 값이다.
실제증발량 $G$와 급수·발생증기 엔탈피 차 $(i_2-i_1)$을 곱해 발생에 필요한 열량을 구한 뒤, 이를 $539$로 나누어 상당증발량을 계산한다.
따라서 상당증발량은 $\dfrac{G(i_2-i_1)}{539}$로 표현된다.

건식집진장치는 물을 사용하지 않고 중력, 관성력, 원심력 등을 이용해 분진을 분리하는 장치다.
가압수식 집진기는 물을 분사해 분진을 포집하는 습식집진장치이므로 건식집진장치에 해당하지 않는다.

저위발열량은 고위발열량에서 연소로 생성된 수분의 증발잠열을 뺀 값이다.
저위발열량은 $H_l = H_h - 600(9H+W)$이며, 여기서 $H$는 수소 함량, $W$는 수분 함량(질량분율)이다.
$H_l = 9700 - 600\times(9\times0.13+0.005) = 9700-705 = 8995\,\mathrm{kcal/kg}$로 계산된다.

송풍기의 소요동력은 풍량과 풍압의 곱을 효율로 나눈 값으로 구한다.
$L = \dfrac{Q\times P}{6120\times\eta} = \dfrac{120\times35}{6120\times0.6}$
계산하면 $L \approx 1.14\,\mathrm{kW}$가 된다.

안전밸브의 분출면적은 같은 분출량을 기준으로 할 때 압력이 높을수록 좁아도 충분하다.
압력이 높아지면 단위 면적당 분출 능력이 커지기 때문에, 저압일 때보다 더 작은 분출면적으로도 필요한 증기를 방출할 수 있다.

보일러 1마력은 100℃의 물 15.65kg을 1시간 동안 같은 온도(100℃)의 증기로 바꿀 수 있는 능력으로 정의된다.
이는 100℃ 물의 증발잠열(약 539kcal/kg)을 기준으로 $15.65\times539\approx8435\,\mathrm{kcal/h}$에 해당하는 능력을 뜻한다.

수관보일러가 강제순환식을 채택하는 가장 큰 이유는 고압에서 포화수와 포화증기의 비중차가 작아져 자연순환력만으로는 충분한 순환을 얻기 어렵기 때문이다.
압력이 높아질수록 물과 증기의 밀도 차이가 줄어들어 대류에 의한 자연순환이 약해지므로, 펌프를 이용한 강제순환이 필요해진다.

외분식 보일러는 연소실(화실)이 보일러 본체 바깥쪽에 위치하는 구조를 말하며, 횡연관 보일러가 대표적인 외분식 원통보일러다.
노통 보일러, 노통연관 보일러, 입형 보일러는 화실이 보일러 동체 내부에 위치하는 내분식 구조다.

공기예열기는 배기가스의 열을 회수해 연소용 공기를 예열함으로써 열효율을 높이고 불완전연소와 배기가스 열손실을 줄이는 장치다.
다만 배기가스와 공기가 통과하는 전열면이 추가되므로 통풍저항은 오히려 커진다는 점에서, 통풍저항이 작아진다는 설명은 옳지 않다.

수관식 보일러는 화실과 다수의 수관, 관모음(헤더), 상하부 드럼 등으로 구성되며 화실이 보일러 동체 바깥쪽에 위치하는 외분식 구조다.
내분식은 원통보일러(노통·노통연관 등)의 특징이므로, 수관식 보일러를 내분식이라고 설명한 부분이 틀렸다.

적분동작(Integral action)은 누적된 편차를 시간에 따라 적분하여 제어하므로 정상상태에서 잔류편차(Steady-state error)가 영(0)이 된다. 이 특성 때문에 비례동작(P)과 조합하여 PI 제어로 널리 사용된다.
그러나 적분동작은 과거의 모든 편차를 누적하면서 제어하기 때문에 응답이 지연되고, 과도한 보정으로 인해 진동 및 오버슈트가 발생하기 쉬우며, 제어 안정성이 떨어지는 단점이 있다.
미분동작은 편차의 변화율에 반응하므로 잔류편차를 줄이지 못한다.
온-오프동작·다위치동작은 정해진 이산적 출력만 가능하므로 연속제어가 아니다.

비열은 물질 1kg의 온도를 1℃ 올리는 데 필요한 열량으로, 물의 비열(약 1kcal/kg℃)은 증기나 공기보다 크다.
따라서 대기압 하에서 같은 질량 1kg 기준으로 열용량이 가장 큰 것은 물이다.

프리퍼지 인터록은 점화 전 노 내에 남아 있는 미연소 가스를 배출하기 위해 송풍기를 일정 시간 가동해 통풍시키는 과정을 강제하는 인터록이다.
송풍기가 작동하지 않으면 프리퍼지가 완료되지 않으므로 전자밸브가 열리지 않고 점화가 차단된다.

증기 축열기는 보일러가 저부하일 때 남는 잉여증기를 저장했다가 과부하 시 이를 방출해 증기 부족을 보충하는 장치다.
부하 변동이 큰 계통에서 보일러의 증발량을 평준화시켜 안정적인 증기 공급을 돕는 역할을 한다.

블록선도는 제어계통에서 각 요소 간 신호의 흐름과 상호관계를 블록과 화살표로 나타낸 도표이지, 온도·압력·수위 자체의 변화를 나타내는 선도가 아니다.
피드백, 시퀀스, 인터록에 대한 설명은 자동제어 용어의 정의로 적절하다.

공기비(과잉공기계수)는 실제로 공급한 공기량이 이론적으로 필요한 공기량의 몇 배인지를 나타내는 값이다.
따라서 공기비는 $m=\dfrac{\text{실제공기량}}{\text{이론공기량}}$으로 정의된다.

기체연료의 연소방식 중 예혼합 연소방식은 연료와 산화제를 미리 섞은 후 연소시키므로 화염이 짧고 높은 화염온도를 얻을 수 있다. 하지만 혼합기체가 미리 준비되어 있어서 역화(flashback) 같은 위험이 발생할 수 있다. 반면 확산 연소방식은 연료와 공기가 연소실에서 섞이면서 화염이 길고 온도가 낮으며, 직접·복합 연소방식은 특정한 고온·고압 조건이나 특수 목적에 특화된 방식이다.

압력계의 브르돈관을 증기의 고온·고압으로부터 보호하기 위해 사이폰관에는 물(응축수)이 가득 차 있어야 한다.
사이폰관에 물이 차 있지 않으면 증기가 브르돈관에 직접 닿아 고장의 원인이 되므로, 물이 가득 차지 않도록 한다는 설명은 압력계 취급 주의사항과 반대되는 내용이다.
온도 상한 관리, 정기 교체, 콕크 설치 방식에 관한 나머지 설명은 압력계 취급상 옳은 주의사항이다.

연료소비량은 보일러 출력을 연료 발열량과 보일러효율의 곱으로 나누어 구한다.
$\text{연료소비량}=\dfrac{300000}{10000\times0.8}=\dfrac{300000}{8000}$
계산하면 연료소비량은 $37.5\,\mathrm{kg/h}$가 된다.

수면계의 기능시험은 프라이밍·포밍이 발생했을 때, 2개 수면계의 지시 수위에 차이가 있을 때, 유리관을 교체했을 때처럼 이상 징후가 있거나 가동을 시작하는 시점에 실시한다.
보일러가 이미 정상적으로 가동되고 있는 상태 자체는 별도의 기능시험을 실시해야 하는 특정 시기로 보기 어렵다.

증발열이나 용해열처럼 열을 가해도 온도는 변하지 않고 물질의 상(相)만 바뀌는 데 쓰이는 열을 잠열이라 한다.
온도 변화를 동반하는 열은 현열이며, 승화열과 기화열은 잠열의 한 종류에 해당한다.

수트블로워는 전열면 외측에 쌓인 그을음 등을 제거하는 장치로, 사용 전 분출기 내 응축수를 배출하고 사용 시 댐퍼를 열어 흡입통풍을 증가시킨다.
수트블로워는 보일러 부하가 높은 상태(대체로 50% 이상)에서 실시해야 하며, 저부하 상태에서 실시하면 화염이 불안정해지는 등 문제가 생길 수 있다.
따라서 부하가 낮을 때만 블로워를 한다는 설명은 실제와 반대된다.

지역난방은 열원 플랜트에서 만든 열매를 배관으로 멀리 보내는 방식이라, 압력이 높을수록 증기의 비체적이 작아져 같은 열량을 보내는 데 필요한 관경은 오히려 작아진다.
따라서 고압증기이기 때문에 관경을 크게 해야 한다는 설명은 성립하지 않는다.
인건비 절감, 대규모 설비에 따른 고효율화, 건물 내부 공간의 유효 활용은 지역난방의 실제 장점에 해당한다.

고온부식은 중유 등 연료 속 바나듐(V) 화합물이 전열면에 부착해 저융점 화합물을 만들면서 진행된다.
연료 중 바나듐 성분을 줄이거나 전열면 표면온도를 낮추고, 보호피막을 씌워 부착물이 직접 금속에 닿지 않게 하는 것이 방지책이다.
반면 황산나트륨 같은 나트륨 화합물은 바나듐과 결합해 융점이 더 낮은 부착물을 만드는 쪽이어서 고온부식을 오히려 조장한다. 방지책이 될 수 없다.

계속사용검사 중 운전성능검사는 보일러가 실제로 가동되고 있는 사용부하 상태에서 성능을 확인하는 검사다.
최대부하나 최저부하와 같은 특정 시험조건을 인위적으로 만드는 것이 아니라, 평상시 운전 중인 부하 상태를 기준으로 실시한다는 점이 특징이다.
이 기준은 출제 당시 검사기준에 따른 것이다.

신설보일러는 노벽에 남아 있는 수분을 완전히 제거하도록 서서히 가열하여 건조시켜야 하며, 습기를 일부러 남겨두는 것은 옳지 않다.
급격히 가열하면 노벽이 급격한 열충격으로 균열이 생길 수 있으므로 서서히 온도를 올려 건조시키는 것이 원칙이다.
연도의 배플·그을음 제거기·댐퍼 개폐 상태 점검은 사용 전 정상 점검 항목이다.
기수분리기 등 부속품의 부착 상태와 이물질(공구·볼트·너트·헝겊 조각) 잔류 여부 확인도 필요한 점검이다.
압력계·수위제어기·급수장치 등 접속부의 풀림·누설·콕 개폐 확인도 정상적인 사용 전 점검 항목이다.

보일러 사고의 원인은 크게 제작상의 원인과 취급상의 원인으로 나뉘는데, 부속장치가 갖추어지지 않은 것은 설계·제작 단계의 문제이므로 취급상의 원인에 해당하지 않는다.
최고사용압력을 초과해 운전하는 것은 취급 부주의에 해당한다.
저수위로 인한 과열은 운전 중 급수 관리를 소홀히 한 취급상의 원인이다.
습기나 부식성 가스로 인한 외부부식도 운전·관리 과정에서 발생하는 취급상의 원인으로 본다.

보일러 안전관리에서 가장 우선되는 것은 안전 저수위 이하로 내려가는 것을 막는 일이다.
수위가 안전 저수위 아래로 떨어지면 전열면이 화염이나 고온 연소가스에 노출되어 급격히 과열되고, 그 상태에서 급수하면 심한 열충격으로 보일러 파열 사고로 이어질 수 있다.
벙커C유 예열, 2차 공기 조절, 저온부식 방지는 모두 연소·운전 효율과 관련된 관리 항목이지만 저수위 사고만큼 직접적으로 폭발 위험과 연결되지는 않는다.

보일러를 안전하고 효율적으로 운전하며 점검을 소홀히 하지 않는 것은 모두 취급책임자의 일상 업무에 해당한다.
반면 효율이 좋은 보일러를 새로 개발하는 일은 제조사·연구기관의 역할이지 현장 취급책임자가 수행할 사항이 아니다.

온수방열기의 방열량은 표준방열량에 실제 온도차 조건을 보정하여 구한다.
방열기 온수의 평균온도는 $\dfrac{92+70}{2}=81\,^\circ\mathrm{C}$이고, 실내온도 18℃와의 차는 $81-18=63\,^\circ\mathrm{C}$로 표준조건인 62℃와 거의 같다.
주철제 온수방열기의 표준방열량은 $450\,\mathrm{kcal/m^2\cdot h}$이고, 온도차 보정을 하면 $450\times\left(\dfrac{63}{62}\right)^{1.3}$ 로 표준방열량보다 아주 조금 큰 값이 된다.
따라서 보기 중 표준방열량과 거의 같은 수준인 약 457kcal/m²·h가 이 조건의 방열량이 된다.

온돌바닥이 땅과 직접 닿지 않는 2층 이상의 바닥은 지면의 습기가 올라올 우려가 없으므로 방수처리를 반드시 해야 하는 대상은 아니다.
방수처리는 주로 지면에 직접 접하는 바닥에서 습기 침투를 막기 위해 적용하는 시공이다.
루핑·비닐·방수몰탈 등 내식성 재료로 습기가 스며들지 않도록 밀봉하는 것은 올바른 시공법이다.
벽면을 타고 올라오는 습기에 대비해 바닥보다 다소 위쪽까지 방수처리를 하는 것도 적절한 방법이다.
방수층은 열손실 감소에도 도움이 되므로 이 설명은 옳다.

강제순환식은 순환펌프를 이용해 온수를 강제로 순환시키는 방식으로, 원심펌프를 주로 사용하고 관경을 작게 설계할 수 있으며 보일러와 방열기의 높이 차이에 크게 구애받지 않는다.
반면 온수의 밀도차만으로 온수를 순환시키는 방식은 중력순환식의 원리이므로 강제순환식을 설명하는 내용으로 볼 수 없다.

필요한 방열면적은 난방부하를 표준방열량으로 나누어 구한다.
$\dfrac{6{,}000\,\mathrm{kcal/h}}{450\,\mathrm{kcal/m^2\cdot h}}\approx 13.33\,\mathrm{m^2}$
이 면적을 1섹션당 표면적 $0.15\,\mathrm{m^2}$로 나누면 $\dfrac{13.33}{0.15}\approx 88.9$가 되고, 소수점을 올림하면 최소 89쪽의 섹션이 필요하다.

보일러 분출은 보일러수를 빼내는 작업이라 수위가 크게 변동할 수 있으므로 보일러부하가 가장 적을 때(가급적 가동 전이나 부하가 가벼운 시간대) 실시하는 것이 원칙이다. 부하가 클 때 분출하면 수위가 급격히 낮아져 저수위 사고로 이어질 수 있다.
분출작업이 끝날 때까지 다른 작업을 병행하지 않는 것은 올바른 주의사항이다.
2대의 보일러를 동시에 분출하지 않는 것도 안전을 위한 원칙이다.
분출 종료 후 분출밸브를 확실히 닫고 누수를 확인하는 것도 필요한 절차이다.

개별 난방법은 실 단위로 개별 열원기기를 두는 방식으로, 하나의 열원에서 건물 전체에 열을 공급하는 중앙식 난방과는 분류가 다르다.
증기 난방, 온수 난방, 복사 난방은 모두 중앙의 보일러(열원)에서 각 실로 열매체를 공급하는 중앙식 난방법의 종류에 해당한다.

보온재는 재질에 따라 견딜 수 있는 안전사용온도가 크게 다른데, 유기질 발포체인 폼폴리스티렌(발포 폴리스티렌) 보온판·통은 다른 무기질 보온재에 비해 사용 가능 온도가 훨씬 낮다.
석면판, 내화단열벽돌, 탄산마그네슘 보온재는 모두 무기질 계열로 폴리스티렌 계열보다 높은 온도까지 견딜 수 있다.

운전 중 수면계 유리가 파손되면 고온·고압의 물과 증기가 함께 분출될 수 있어 위험하므로, 가장 먼저 물 콕을 닫아 물 쪽에서의 유출을 차단하는 것이 우선 조치이다.
이후 증기 쪽 콕을 닫고 드레인콕을 열어 잔류 압력이 빠졌는지 확인한 다음 유리관을 교체하는 순서로 진행한다.

운전 중 급수는 소량씩 자주(연속적으로) 하는 것이 원칙이며, 한 번에 다량으로 급수하면 보일러 내부 수위와 온도가 급변해 열응력과 압력 변동 등의 위험을 키울 수 있다.
수면계 수위를 항상 상용수위로 유지하는 것은 올바른 관리 방법이다.
과잉공기를 적게 하여 완전연소가 되도록 댐퍼를 조절하는 것도 옳은 설명이다.
증기압력이 일정하도록 연료공급을 조절하는 것 역시 정상적인 운전 관리이다.

점화 전에 댐퍼를 열어 노내와 연도에 남아 있는 가연성가스를 송풍기로 미리 배출시키는 작업을 프리퍼지라 한다.
이는 점화 시 잔류 가스에 의한 노내 폭발 사고를 예방하기 위한 필수 절차이며, 연소 종료 후 잔류가스를 배출하는 포스트퍼지와는 시점이 다르다.

환수관 내 유속이 다른 방식보다 빠르고 방열기 내 공기를 함께 배제할 수 있으며 방열량을 넓은 범위로 조절할 수 있어 대규모 난방에 적합한 응축수 환수방식은 진공환수식이다.
진공펌프로 환수관 내를 진공에 가깝게 유지해 응축수 회수를 촉진하므로, 자연 낙차에 의존하는 중력환수식보다 유속과 조절 범위 면에서 유리하다.

대기환경보전법상 규제 대상 물질은 연소로 생성되는 황산화물(SOx), 질소산화물(NOx), 검댕·먼지 등 오염물질이다.
산소(O₂)는 연소가스 중 과잉공기량을 판단하는 지표로 측정되는 성분일 뿐, 그 자체가 대기오염 규제 대상물질은 아니다.

안전밸브가 1개만 부착된 경우 그 안전밸브는 최고사용압력 이하에서 분출하도록 설정한다.
안전밸브를 2개 이상 설치하는 경우에는 그 중 1개를 최고사용압력 이하에서 분출하도록 하고, 나머지는 최고사용압력의 1.03배 이하에서 분출하도록 하는 것이 설치검사 기준의 취지이다(출제 당시 기준).

보일러수에 녹아 있던 고형분이나 수분이 증기 흐름을 따라 발생증기에 섞여 함께 배출되는 현상을 캐리오버라 한다.
수분 방울이 증기에 섞여 나가는 현상은 프라이밍, 거품이 수면 위에 크게 형성되는 현상은 포밍이라 하며, 캐리오버는 이러한 현상의 결과로 고형분·수분이 증기 계통으로 넘어가는 것을 포괄적으로 가리킨다.

감압밸브를 증기배관에 설치할 때 바이패스 배관(감압밸브 전후 우회 배관)에 필수적으로 필요한 부품을 판단하면, 에어벤트는 정수계통의 공기 제거나 냉각 시 응축수 배출 등에 사용되는 부품으로 고온 고압의 증기배관 감압 시스템에서는 필요하지 않다.
스트레이너는 감압밸브 전단에 설치하여 이물질로부터 밸브를 보호한다.
슬루스밸브는 감압밸브의 점검·정비 시 증기 공급을 차단하기 위해 필요하다.
압력계는 감압밸브 전후의 압력 차이를 확인하여 정상 작동 여부를 점검하는 데 필수다.

과열기 출구 안전밸브의 분출용량은 과열기의 온도를 설계온도 이하로 유지하는 데 필요한 양 이상이어야 하며, 설계온도 이상으로 유지하기 위한 것이라는 설명은 목적이 반대로 되어 있어 옳지 않다.
과열기 출구에 1개 이상의 안전밸브를 두는 것은 기본 요건이다.
과열기 안전밸브의 분출용량·수를 보일러 동체 안전밸브의 그것에 포함시킬 수 있다는 것도 인정되는 내용이다.
관류보일러에서 과열기 출구에 최대증발량에 상당하는 분출용량의 안전밸브를 둘 수 있다는 것도 옳은 설명이다.

보일러 설치·검사기준에서 용량 10ton/h 이상인 강철제 보일러의 배기가스와 외기 온도차는 250℃ 이하로 규정되어 있다. 이는 보일러 효율 및 안전성 기준에 따른 것으로, 배기가스 온도가 외기 온도에 비해 과도하게 높으면 연료 손실이 크고 보일러 부식 위험이 증가하기 때문이다.

보일러 용수관리가 불량하면 스케일 생성·전열면 과열·프라이밍/포밍 등의 장해가 나타나지만, 이는 연소 조건과 직접 관련된 공기비의 증대와는 별개의 문제이다.
공기비는 연료와 공기의 혼합·연소 상태에서 결정되는 값으로, 급수 수질 관리와는 직접적인 인과관계가 없다.

에너지진단 결과 에너지다소비사업자가 에너지관리기준을 지키지 않는 경우, 그 이행을 위한 에너지관리지도는 에너지관리공단이 실시한다(출제 당시 기관명 기준).
한국에너지기술연구원·한국환경공단·한국폐기물협회는 각각 다른 분야의 전문기관으로, 에너지이용합리화법상 에너지관리지도 업무를 담당하는 기관이 아니다.

대기전력저감대상제품이 대기전력저감기준에 미달하여 내려진 시정명령을 제조업자·수입업자가 이행하지 않은 경우, 그 사실을 공표할 수 있는 자는 지식경제부장관이다(출제 당시 소관 부처 기준).

에너지기본법상 지역에너지계획은 5년마다 5년 이상을 계획기간으로 하여 수립·시행하도록 정하고 있다(출제 당시 법령 기준).

에너지이용합리화법 시행령에서는 연료·열 및 전력의 연간 사용량 합계가 2,000 티오이(TOE) 이상인 자를 에너지다소비사업자로 정의한다(출제 당시 법령 기준).

효율관리기자재의 제조업자·수입업자는 해당 기자재의 에너지 사용량을 지식경제부장관이 지정하는 시험기관에서 측정받도록 되어 있다(출제 당시 소관 부처·체계 기준).