HRSG(Heat Recovery Steam Generator)의 Benson Type과 Drum Type 비교 및 수처리 방법

Benson Type과 Drum Type의 구조 비교

 

 

Benson Type과 Drum Type의 기동시간과 효율 비교

HRSG(Heat Recovery Steam Generator)에서 Benson Type과 Drum Type 비교

구분	Benson Type (Once-Through)	Drum Type (Natural Circulation)
구조	증기 드럼(Drum) 없음, Separator 사용	증기 드럼(Drum) 존재
효율	높음 운전 효율 및 플랜트 효율 상대적으로 높음	상대적으로 낮음
기동/정지	빠름 기동 시간 Drum Type 대비 약 60% 단축, 빠른 부하변동 가능	느림 두꺼운 Drum 벽 두께로 인한 온도구배 제한, 피로수명 소모 큼
수명/피로	유리함 드럼이 없어 피로수명 소모 적음, 더 많은 사이클 운전 가능	불리함  드럼의 두꺼운 벽이 피로수명 제한요인, 반복기동 시 수명 소모 큼
운전/제어	복잡 정밀한 수처리 필요, 운전 자동화/제어 난이도 높음	단순 드럼 수위 제어로 안정적 운전, 제어 로직 비교적 단순
수처리	어려움 드럼이 없어 불순물 제거 어려움, 고품질 급수 요구	용이 드럼이 불순물 및 수분 분리 역할, 수처리 부담 적음)
설계/중량	드럼이 없어 전체 중량 감소, 배관 복잡성 증가	드럼 존재로 중량 증가, 구조 단순
적용성	대형, 고효율, 빠른 기동이 요구되는 최신 복합화력 발전소에 적합	전통적, 중소형, 안정성 우선 발전소에 적합

Benson Type HRSG (Once-Through)

장점

• 기동 및 부하 변동이 매우 빠름: 두꺼운 HP Drum이 없어 온도구배에 따른 기동/정지 속도 제한이 없으며, Drum Type 대비 약 60% 빠른 기동 가능.
• 효율이 높음: 최신 복합화력 발전소에서 플랜트 효율이 약 64%까지 도달 가능.
• 피로수명 유리: 반복적인 기동/정지(Cycling) 운전에서 Drum Type 대비 피로수명 소모가 60% 이상 적어, 더 많은 사이클 운전 가능.
• 중량 감소: 드럼이 없어 구조적으로 경량화 가능

단점

• 수처리 어려움: 드럼이 없어 불순물 제거가 어려워, 매우 고품질의 급수와 정밀한 수처리 시스템 필요.
• 운전 및 제어 복잡: 증기/수 분리 및 유량 제어가 Drum Type보다 복잡, 운전 자동화 수준이 높아야 함.
• 배관 복잡성 증가: 내부 배관이 복잡해 설계 난이도 및 설치 공정이 증가.

Drum Type HRSG (Natural Circulation)

장점

• 운전 및 제어 단순: 드럼 수위 제어가 비교적 쉽고, 운전 안정성이 높음.
• 수처리 용이: 드럼에서 물과 증기의 분리가 가능해 불순물 관리가 상대적으로 쉬움.
• 검증된 기술: 오랜 기간 다양한 플랜트에서 사용된 신뢰성 높은 방식.

단점

• 기동 및 부하변동 느림: 두꺼운 드럼 벽으로 인해 온도 구배에 따른 피로수명 소모가 크고, 기동/정지 시간이 길다.
•  효율 상대적으로 낮음: 최신 대형 복합화력 발전소 요구에 비해 효율이 낮음
• 중량 증가: 드럼의 존재로 전체 중량이 증가

 

Benson Type은 빠른 기동, 높은 효율, 피로수명 측면에서 우수하지만, 수처리와 운전/제어의 복잡성이 높다.

Drum Type은 운전 및 수처리가 용이하고 신뢰성이 높으나, 기동 및 부하변동이 느리고 효율이 상대적으로 낮다.

 

HRSG의 급수처리에서 OT(산소처리, Oxygen Treatment)와 AVT(All Volatile Treatment)의 특징 비교

1. AVT (All Volatile Treatment)

AVT는 보일러 및 HRSG 계통의 부식 방지와 pH 조절을 위해 휘발성 약품(주로 암모니아, Hydrazine 등)만을 주입하여 수질을 관리하는 방식입니다.

 

운영 방법

• 암모니아를 투입해 pH를 알칼리성으로 유지하고,
• Hydrazine(N₂H₄) 등 환원제를 추가해 용존 산소를 제거함으로써 환원성 분위기를 조성합니다.

목적

• 금속 배관의 부식을 억제하고,
• 스케일(석출물) 방지 및 수질 안정성을 확보합니다.

특징

• AVT(R): 환원제(Hydrazine) 사용, 환원성 분위기(산소 거의 없음)
• AVT(O): 산소 주입 없이 암모니아만 사용, 산화성 분위기(저농도 산소 존재)

운전상의 고려

• pH, 암모니아 농도, 전기전도도 등 주요 지표를 엄격하게 관리해야 하며,
• 부식 및 스케일 방지 효과가 높아 HRSG에서 널리 사용됩니다.

2. OT (Oxygen Treatment, 산소처리)

OT는 소량의 산소(O₂)를 급수에 직접 주입하여 금속 표면에 치밀한 산화피막(Fe₂O₃)을 형성, 부식을 억제하는 수처리 방식입니다.

 

운영 방법

• Hydrazine 등 환원제를 사용하지 않고,
• 산소를 일정 농도(수 ppm 이하)로 급수에 주입합니다.

목적

• 환원성 분위기에서 발생하는 다공성 산화피막(Fe₃O₄) 대신,
• 산화성 분위기에서 치밀한 Fe₂O₃ 피막을 형성해 Flow Accelerated Corrosion(FAC)를 억제합니다..

특징

• 주로 고품질 급수가 확보되고,
• 드럼이 없는 Benson 타입 HRSG 등에서 적용이 증가하고 있습니다.

운전상의 고려

• 산소 주입량을 엄격히 제어해야 하며,
• 불순물(염화물, 황산염 등) 관리가 매우 중요합니다.

3. 비교 요약

구분	AVT (All Volatile Treatment)	OT (Oxygenated Treatment)
처리 방식	휘발성 약품(암모니아, Hydrazine 등) 사용	산소(O₂) 주입(산화 분위기 조성)
주입 약품	암모니아(필수), Hydrazine(AVT-R에서 사용)	산소(필수), 암모니아(보조적)
용존 산소	AVT(R):  7ppb 미만(환원성), AVT(O): 1~20ppb(산화성)	OT: 20~200ppb(산화성, 보통 30~150ppb 적용)
형성 피막	Fe₃O₄(마그네타이트, 환원성), Fe₂O₃(헤마타이트, 산화성)	치밀한 Fe₂O₃(헤마타이트) 피막
주요 목적	pH 조절, 용존 산소 제거, 부식 억제	치밀한 산화피막 형성, FAC(유동가속부식) 억제
운전 특징	약품 관리, 수처리 설비 중요	산소 주입량 정밀 제어 필요
적용	Drum 타입, 전통적 HRSG	Benson 타입, Once-Through HRSG
장점	다양한 배관 재질 적용, 운전 경험 풍부	더 안정적이고 치밀한 산화피막, FAC 억제 우수
단점	Hydrazine 등 유해약품 사용, FAC 위험(특히 AVT-R)	산소 주입 설비 필요, 공기 누설 시 부식 위험

  

Benson(Once-Through) 타입 HRSG에서 OT(Oxygen Treatment) 대신 AVT(O)를 적용할 경우 발생할 수 있는 주요 문제점

⊙FAC(Flow Accelerated Corrosion, 유동가속부식) 위험 증가

OT는 산소를 주입해 치밀한 Fe₂O₃(헤마타이트) 보호막을 형성하여 FAC를 효과적으로 억제합니다. 반면, AVT(O)는 자연적으로 유입되는 산소(주로 10ppb 이하)와 암모니아만으로 FeOOH(레피도크라이트) 보호막을 형성하는데, 이 보호막은 OT에서 형성되는 Fe₂O₃에 비해 덜 치밀하고 안정성이 떨어질 수 있습니다. 특히, Benson 타입처럼 드럼이 없고 순환이 없는 구조에서는 보호막의 불균일한 형성 및 유지가 어려워 일부 구간에서 FAC 발생 위험이 높아질 수 있습니다.

 

⊙ 보호막의 불완전성 및 국부 부식 위험

AVT(O)는 산소 주입 없이 자연 유입 산소에 의존하기 때문에, 설비 내 산소 농도 분포가 불균일해질 수 있습니다. 이로 인해 보호막이 고르게 형성되지 않거나, 일부 구간에서는 보호막이 얇거나 결손되어 국부적으로 부식이 발생할 수 있습니다.

 

⊙ 운전 조건 변화에 민감

Benson HRSG는 부하 변동이 크고, 급수의 품질과 운전 조건 변화에 매우 민감합니다. AVT(O)는 조건이 조금만 벗어나도(예: 산소 농도 상승, pH 저하, 이온전도도 상승 등) 보호막이 쉽게 파괴되거나 FAC가 촉진될 수 있습니다. 특히 공기 누설 등으로 용존 산소가 10ppb를 초과하면, 부식 위험이 급격히 증가합니다.

 

⊙ 장기 신뢰성 저하

OT는 FAC 억제와 장기 신뢰성 측면에서 Benson 타입 HRSG에 권장되는 방식입니다. AVT(O)를 적용하면 단기적으로는 운전이 가능하지만, 장기적으로는 보호막의 불안정성, 국부 부식, FAC 등으로 인해 설비 신뢰성과 수명이 저하될 수 있습니다.

 

※) Benson(Once-Through) HRSG에서 OT 대신 AVT(O)를 적용하면, FAC 억제 효과가 떨어지고, 보호막 불균일 및 국부 부식, 운전 조건 변화에 대한 민감성 증가 등으로 설비 신뢰성에 문제가 발생할 수 있습니다. 특히, 장주기 운전 및 반복 기동이 많은 복합화력 발전소에서는 이러한 위험이 더욱 두드러집니다.
따라서, Benson 타입 HRSG에는 OT 적용이 권장되며, 부득이하게 AVT(O)를 사용할 경우 FAC 및 부식 관리에 각별한 주의가 필요합니다.