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1. 일반

보일러 급수 펌프(BFP, Boiler Feedwater Pump)는 보일러에서 필요한 급수를 적정한 압력으로 공급해 주는 펌프로서, 발전소나 일반 열 전용 보일러 설비의 중추적인 펌프이며, 고온 고압에서 운전되는 관계로 펌프의 선정 및 운전에 있어 각별한 주의가 요구되는 펌프입니다.

보일러 급수 펌프 계통의 대표적인 구성은, 아래 그림과 같이 탈기기(Deaerator)로부터 급수를 흡입하여 고압 급수 가열기(High Pressure Feed Water Heater)를 거쳐 보일러 드럼(Drum)에 급수를 공급하는 것입니다.

일반 열 전용 보일러 설비의 경우에는, 발전소와 유사하나, 증기 압력이 저압인 관계로 대부분의 경우 탈기기가 설치되지 않으므로, 회수되는 응축수(Condensate)와 보급수(Make-up Water)가 합쳐지는 보급수 탱크로부터 급수를 흡입하여 고압 급수 가열기를 거치지 않고 바로 보일러에 공급되는, 아래 그림과 같이 구성됩니다.

한편 보일러 급수 펌프가 탈기기나 보급수 탱크와 같이 급수 저장소에서 흡입하지 않고, 다른 펌프의 토출측에서 직접 흡입하는 경우도 있습니다.

그중 하나는, 아래 그림에서와 같이, 탈기기에서 흡입하지만 급수 펌프가 주 급수 펌프와 가압 펌프(Booster Pump)로 나뉘어져 있는 경우로, 주 급수 펌프 입장에서 보면 다른 펌프의 토출측에서 흡입하는 경우입니다.  이러한 구성은 대부분 보일러 급수 펌프가 고온 고압인 대용량 발전소에서 주로 채택되는데, 주 급수 펌프 바로 상류측에 회전수가 낮은 가압(Boosting) 펌프를 설치하여 펌프 계통의 요구 NPSH (NPSH required)를 낮추기 위한 것입니다.   즉, 주 급수 펌프와 가압 펌프를 동일한 전동기의 서로 다른 쪽에 설치하되 가압 펌프나 주 급수 펌프측에 기어를 설치하여 서로의 회전수를 달리하는 것입니다.   하지만, 이 경우 초기 엔지니어링 단계에서는 가압 펌프의 용량이나 수두(Head)를 별도로 계산하지 않으며, 가압 펌프를 포함한 급수 펌프 일체를 하나의 펌프로 생각하여 선정한 후, 급수 펌프 제작 업체에서 한 대의 펌프로는 구매 사양서에 명기된 요구 NPSH 값을 맞출 수 없어서 가압 펌프를 추가한 경우에, 아래 6절에서 설명되는 참 흡입 수두의 적정성을 검토합니다.  

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한편, 주 급수 펌프와 가압 펌프사이에 급수 가열기 (Feed Water Heater) 가 설치되는 경우도 있는데, 고압 급수 가열기의 값이 고온 급수 펌프에 비해 상대적으로 비싼 경우에 급수 가열기의 설계 압력을 낮출 목적으로 사용합니다.   그러나, 최근에는 급수 가열기의 설계 및 제작 기술이 발달하여 고압 급수 가열기의 값이 저렴해져서 많이 사용되지는 않습니다.

다른 하나는, 아래 그림에서와 같이, 복수기(Condenser)에 탈기 기능이 추가되어 있는 탈기 복수기(Deaerating Condenser)를 사용하는 경우로, 이 경우에는 별도의 탈기기 없이 복수기 출구측에 설치된 응축수 펌프(Condensate Extraction Pump)의 토출측 응축수가 바로 급수 펌프에 흡입되는 경우입니다.

보일러 급수 펌프의 구동기로는 전동기나 증기 터빈을 사용하는데, 일반적으로 대용량 발전소에서는 증기 터빈 구동 방식을 많이 채택하며, 중소형 발전소에서는 전동기 구동 방식을 주로 채택합니다.    대용량 발전소인 경우에는, 구동 마력이 너무 커서 그만한 용량의 전동기가 없어 터빈을 사용하기도 하지만, 증기 터빈을 이용하는 경우에는 용이하게 구동 회전수를 조정할 수가 있어, 부분 부하에서 낮은 회전수로 운전함으로써 구동 마력을 줄일 수 있기 때문에 채택되기도 합니다.   전동기를 사용하는 경우에도 유체 커플링(Hydraulic Coupling)이나 변속 전동기(Variable Speed Motor)를 사용하여 부분 부하에서의 구동 마력을 줄일 수 있습니다.  

보일러 급수 펌프를 증기 터빈으로 구동하는 경우에는, 발전소 기동시 펌프 구동용 증기가 없으므로, 별도의 전동기 구동 기동 급수 펌프(Motor-driven Start-up BFP)를 설치하거나 혹은 구동용 증기를 공급할 수 있는 보조 보일러 설비를 별도로 두어야 합니다.   기동 급수 펌프의 용량은, 보일러가 안정적으로 운전될 수 있는 최저 부하인 약 30%에서 40% 정도의 용량으로 선정합니다.

2. 정격 용량(Rated Capacity) 선정 (차례)

보일러 급수 펌프의 정격 용량은  토출(Discharge) 용량으로 정의되며, 토출 용량은 펌프 최종단 출구 용량을 포함하여 펌프 중간단에서 추기되는 용량도 포함됩니다.   펌프의 흡입 유량은 펌프 평형 드럼 누수 유량등 펌프 자체에서 필요한 유량들을 고려하여 펌프 제작자가 선정합니다.

이러한 보일러 급수 펌프의 정격(토출) 용량은 보일러의 최대 연속 정격 유량(Boiler Maximum Continuous Rating, BMCR)을 기준으로 선정합니다.

보일러의 BMCR은, 발전소의 경우에는 발전기를 구동하는 증기 터빈의 유량을 기준으로 선정하며, 열 전용 설비의 경우에는 공정 증기의 사용량을 기준으로 선정합니다.  열 전용 보일러의 경우에는 보일러 용량이 작고 저압인 관계로 값이 비싸지 않아 여유있게 보일러 용량을 선정해도 큰 무리는 없으나, 발전용 보일러의 경우에는 용량이 크고 고압인 관계로 값이 비싸고 전력 소모량이 많아 용량 선정에 신중을 기해야 합니다.

발전용 증기 터빈의 용량을 정의하는 방법에는 여러 가지가 있으며, 그 중 가장 많이 사용되는 용량  및 그 정의는 다음과 같습니다.

발전용 보일러의 BMCR을, 증기 터빈의 어느 정격을 기준으로 선정하느냐는 발전소 건설에 관여하는 사람들의 관점이나 건설되는 발전소의 목적에 따라 달라질 수 있습니다.   미국 엔지니어링 회사의 영향을 많이 받은 한국 전력 공사의 발전소는 대부분 보일러 BMCR을, 증기 터빈의 VWO 정격 유량으로 선정합니다.  반면, 유럽의 발전소나 국내의 민간 업자가 건설하는 발전소의 경우에는 TMCR이나 PGR의 증기 터빈 입구 유량을 보일러의 BMCR 유량으로 선정합니다.

미국 엔지니어링 회사들이 증기 터빈의 VWO 유량을 보일러 BMCR 유량으로 선정하는 것은 다음과 같은 이유이므로, 그 적용 여부에 신중을 기해야 합니다.

미국의 대표적인 증기 터빈 제작 업체인 General Electric(GE)사의 VWO 열정산도에는 다음과 같은 주석이 붙어 있습니다.

위 설명에 기술 되어 있듯이, VWO 유량은, 성능 보증 조건에서의 증기 터빈 입구 유량인 Rating Flow(= ##### M)에 설계나 제작을 위한 여유 5% 더한 유량(= &&&&& M)입니다.  즉, VWO 유량은 발전소의 성능 보증을 위한 정격 유량이 아니며, 단지 증기 터빈이 보증 성능을 내도록 선정한 증기 터빈 자체의 설계 유량인 것입니다.

예를 들어, 펌프를 발주하는 경우에 펌프 제작 업체에서는 발주한 펌프의 보증 용량을 맞추기 위하여 펌프 회전익(Impeller)의 설계 유량을 발주 유량보다 크게 선정합니다.   이는 GE가 VWO 열정산도에 주석을 달아 놓았듯이, 설계나 제작시의 오차를 고려하여 여유를 갖고 설계 유량을 선정하는 것입니다.   하지만, 펌프 제작자의 설계 유량을 기준으로 엔지니어링 회사에서 펌프 흡입 배관을 선정하지는 않습니다.   발주한 펌프의 정격 유량을 기준으로 엔지니어링 회사 자체의 기준 여유를 고려하여 펌프 흡입 배관을 선정합니다.

그러므로, 보일러 BMCR을, 증기 터빈의 VWO 유량으로 선정하는 것은 너무 많은 여유를 고려하는 결과를 초래합니다.  왜냐하면, 보일러의 BMCR은 보일러 제작자의 입장에서 보면, 성능 보증 용량이므로, 보일러 제작자도 BMCR을 보증하기 위해서 보일러의 설계 유량을 그보다 크게 선정하기 때문입니다.

하지만 이는 전적으로 발주자와 관련 엔지니어링 회사의 판단에 따른 문제로, 발주자나 엔지니어링 회사가 더 많은 여유를 선호한다면, VWO 유량을 기준으로 보일러 BMCR을 선정한다고 해서 결코 잘못된 것은 아닙니다.  단지, 보일러 BMCR 용량이 크게 선정되는 경우에는, 보일러 초기 투자비가 증가하여 발전소 경제성이 나빠진다는 점만 다를 뿐입니다.

한편, GE의 경우에는 일반적으로 발전기의 용량도 증기 터빈 VWO 조건에서의 출력을 기준으로 선정합니다.   이는, 설계나 제작이 잘되어서 증기 터빈이 VWO 유량을 모두 통과시키고 그에 따라 증기 터빈 출력이 VWO 열정산도에 나타난 출력을 모두 내는 경우에는, 그만큼의 발전을 더 하겠다는 의도가 숨어 있는 것입니다.  이러한 경우에, 보일러 BMCR 용량을 VWO 유량 기준으로 선정했다면, 발전소는 정격 용량 이상의 발전 용량을 낼 수 있는 행운을 갖게 됩니다.  이는 보증 조건이 아니기 때문에, 일종의 행운이라고 할 수 있습니다.

유럽이나 일본의 대부분의 증기 터빈 제작자들은 VWO 라는 용어도 사용하지 않지만, VWO 열정산도도 제출하지 않습니다.   그리고 발전기도 VWO 용량에 대해 선정하지 않습니다.   이러한 경우에, 엔지니어링 회사 임의로 정격 유량에 5% 여유를 더한 후, 이를 VWO 유량이라고 가정하고, 이를 보일러 BMCR 용량으로 선정하는 것은 잘못된 것입니다.  즉, 증기 터빈이 확실히 통과시킨다는 보장도 없는 유량을 기준으로 보일러 BMCR 용량을 선정한다는 것도 문제이고, 설령 증기 터빈이 다행히도 가정한 VWO 유량을 통과시켜 증기 터빈 축에서 VWO 출력이 나온다고 해도 발전기 용량이 VWO 출력을 기준으로 선정되지 않았기 때문에 증기 터빈을 VWO 유량에서 운전할 수도 없습니다. 그러므로, 이러한 경우에 VWO 유량을 기준으로 선정한 보일러 BMCR 용량은 단지 필요 이상의 여유일 뿐이며, 발전소의 경제성만 나쁘게 할 뿐입니다.

미국의 어느 유명한 엔지니어링 회사의 설계 지침서에는, 이렇게 VWO 유량을 보일러 BMCR 유량으로 선정하는 이유를, 증기 터빈이 잘못 제작되어 PGR 운전시 더 많은 증기를 요구하는 경우나, 나중에 증기 터빈이 노후되고 효율이 떨어져 더 많은 증기를 필요로 하는 경우를 대비하기 위한 것이라고 설명하고 있습니다.   하지만, 잘못 제작될 가능성이나 노후되는 것은 증기 터빈에만 있는 것이 아니고 보일러에도 동일하게 적용되기 때문에, 이러한 관점에서 본다면 보일러 용량만 키울 것이 아니라 증기 터빈의 용량도 원하는 PGR 용량보다 키워야 하며, 이렇게 되면 발전소 용량 자체가 커지는 결과를 초래합니다.

한편, 5% 초과 압력(Over-Pressure)운전에 대해 설계되는 발전소의 경우에는 실제로 5% 초과 압력 운전이 발생하므로, 보일러 BMCR 유량을 5% 초과 압력에서의 증기 터빈 유량을 기준으로 선정해야 합니다.  증기터빈의 통과 유량은 입구 압력에 정비례하므로, 5% 초과압력에 대한 증기터빈 열정산도가 없는 경우에는 정격유량에 5%를 더하여 선정하면 됩니다.

보일러 BMCR이 어떻게 선정되던지 간에, 보일러 급수 펌프는 보일러에서 필요한 급수를 원활히 공급하는 것이 목적이므로, 보일러 급수 펌프의 정격 용량은 보일러 BMCR을 기준으로 하여 다음과 같은 방법으로 선정합니다..