l PTC 4.1 - 1964 (Reaffirmed 1991)- Withdrawn and replaced by PTC 4 - 1998- Not available from ASME

l PTC 4 - 1998 [Revision of ASME PTC 4.1 - 1964(R1991)]l PTC 4 - 2008 [Revision of ASME PTC 4 - 1998 (Jan. 9, 2009)]l Errata to ASME PTC 4 - 2008 (Feb. 2012)l PTC 4 - 2013 [Revision of ASME PTC 4 - 1998 (Feb. 7, 2014)]

l MPT 4 - 2010 (2010. 11.1, ASME PTC 4 - 2008)l MPT 4 - 2011 추록(2011.11.30)l MPT 4 - 2013 추록(2013.11.30)l MPT 4 - 2015 개정작업중 (2014. 2.7, ASME PTC 4 - 2013)

ASME Boiler Performance Test<

KEPIC MPT 4 보일러 성능 시험<

ASME PTC 4의 주요 변경내용<

Items ASME PTC 4.1-1964 ASME PTC 4-1998

Boiler Efficiency • Gross Efficiency(총효율) • Fuel Efficiency(연료효율)

Test Uncertainty Not considered Uncertainty values listed in Table 1.3-1 and level to be agreed

Radiation and Unaccountable Loss

ABMA radiation loss curve to be used

Losses are accurately evaluated(ABMA curve not used)

Reference Temperature Usually ambient ;Heat credit can be neglected

25ºC to be adopted, and heat credits and loss are calculated

Output Energy absorbed by working fluid Energy absorbed by working fluid that is not recovered within steam generator

Corrections of Flue Gas Based on measured O2 and CO2Based on measured O2, both wet and dry

Calculation of Losses and Credits Specific heat Enthalpy

Fuel Analysis Mass basis Conversion from volumetric to mass is also provided

연료분석<

구 분공업분석

(Proximate Analysis)원소분석

(Ultimate Analysis)성분분석

(Composition Analysis)

연료 고체연료 고체/액체연료 기체연료

용도연료가 노내에서 연소할때 상태예측에 활용

정확한 화학조성을 규정하여 보일러 효율에관련된 연소계산에 활용

연소계산 및 발열량 등 연료가스의 상태량을 결정하는데사용

분석치고정탄소, 휘발분,

수분, 회분C,H,N,O,S,Ash(6가지 원소)

CH2,C2H6,C3H8,N2,H2의조성비

<보일러 경계(Steam Generator Boundary)_PTC 4.1

<보일러 경계(Steam Generator Boundary)_PTC 4

<보일러 에너지정산

에너지 입력 (QrF) 에너지손실 (QpL)(연료의 화학적 에너지)

부가입열 (QpB)

QpBDA 연소용 공기의 보유열

QpBWA 연소용 공기 중 습분의 보유열

QRBF 연료의 현열

QoBSIF 황화반응열

QrBX 보조동력

QrBSb 흡착제 현열

QrBWAd 추가 수분의 에너지

QpLDFg 건배가스

QpLH2F 연료중 수소연소 수분

QpLWF 연료중 수분

QLWvF 기체 연료중 수증기

QpLWA 공기중 수분

QpLSmUb 미연탄소 및 기타 가연물질

QpLPr 미분기 배출물

QpLUbHc 연소가스 중의 미연탄화 수소

QpLRs 잔류물의 현열

QpLAq 고온 공기 정화장치

QpLALg 공기누입

QpLNOx 질소산화물 생성

QrLSrc 표면 복사 및 대류

QrLWAd 추가 수분 에너지

QrLClh 흡착제의 석회소성 및 탈수작용

QrLWSb 흡착제 중의 수분

QrLAp 회처리 피트

QrLRy 순환 입자 및 가스의 에너지손실

QrLCw 냉각수 손실

QrLAc 증기식 공기예열기

<보일러 에너지정산

에너지 입력(QrF)연료의 화학적 에너지

에너지부가입열(QpB)

에너지출력(QrO)

에너지손실(QpL)

연료입력(QrF)+부가입열(QpB) = 출력(QrO)+손실(QpL)∴ QrO = QrF - QpL + QpB

l 총효율 (Gross Efficiency)

l 연료효율 (Fuel Efficiency)

<효율산정 비교표

구 분 열 손실법(에너지정산법) 입출력법

효율(%) [1- (손실-부가입열) / 입력] x 100 (출력 / 입력) x 100

장 점 ▪ 주요 측정값(연소가스 온도 및 분석 등)정밀 측정 가능

▪ 시험결과의 기준 또는 표준조건 보정가능

▪ 측정 손실량이 작아 측정 시험효율의낮은 불확도

▪ 큰 손실 개소의 규명 용이

▪ 효율의 주요 변수(출력, 입력)를 직접측정

▪ 측정해야 할 데이터가 적음▪ 측정 불가능한 미측정손실 산정이불필요

단 점 ▪ 측정해야 할 데이터가 많음▪ 용량, 출력자료가 자동으로 산출되지않음

▪ 일부 손실 등은 측정불가 (추정 필요)

▪ 불확도를 최소화하기 위해 연료사용량,발열량, 증기량, 증기 성질 등의 정밀측정 필요

▪ 비효율적 개소규명이 안됨▪ 시험결과를 표준 또는 보증조건으로보정 불가 (에너지정산법 이용 필요)

<효율에 대한 KEPIC 시험불확도

보일러 종류 에너지 정산법(%) 입출력법(%)

발전용/대형산업용- 석탄연소- 오일연소- 가스연소

0.4 - 0.80.2 - 0.40.2 - 0.4

3.0 - 6.01.01.0

유동층 0.9 - 1.3 3.0 - 6.0

소형산업용, 열차단 트랩 있음[주1]- 오일- 가스

0.3 - 0.60.2 - 0.5

1.21.2

소형산업용, 열 차단 트랩 없음- 오일- 가스

0.5 - 0.90.4 - 0.8

1.21.2

주1) 절탄기/공기예열기

석탄연소 보일러의 시험은 석탄사용량의 측정에 불확도가 높으므로 입출력법의 사용은 권장하지 않음

<성능시험 절차

□ 성능시험절차서 준비

○ 성능시험절차서 작성 및 검토

○ 성능시험절차서 협의 및 확정

- 시험수준, 시험항목, 목표 시험 불확도, 시험기간중 운전방법 등

□ 성능시험 준비

○ 성능시험 부하 및 성능시험용 연료확보

○ 성능시험용 계측기 선정, 교정, 설치 및 동작상태 확인

□ 예비 성능시험 실시

○ 본 성능시험과 동일한 조건으로 실시

○ 예비시험후 문제점 해결을 위한 기간 필요

○ 목표 시험 불확도(Test Uncertainty) 달성여부 확인

< 성능시험 절차

□ 본 성능시험 실시

○ 운전조건 : 운전모드, 설계조건 유지, 계통격리

○ 안정운전 : 평균치/순시 변동치 편차 허용한계 이내

○ 시험조건의 안정화 시간(hour)

- 미분탄 및 오일/가스 보일러 : 1

- 유동층 보일러 : 24~48

○ 최소 시험시간(hour)

○ 시험자료 수집, 유효성 평가, 정리, 측정주기

○ 인수성능시험 : 보일러 최초 운전후 빠른 시일내 또는 계약요구 사항에 따라 수행

<성능시험 절차

□ 시험결과 보고

○ 시험결과의 보정 : 석탄의 성상, 대기온도 등

○ 성능시험 결과 계산

○ 시험불확도 분석

○ 성능시험 결과 보고서 작성 및 보고

<보일러 출력 및 효율 개략도

<고체연료 시료채취(Sampling)

• 보일러로 들어가는 연료를 시료채취

. 유동전체 시료채취(Full Stream Cut Solid Sampling)또는 ´Thief́ Probe for Solids Sampling- Sampling 위치 : Boiler Test Boundary에 가까운 곳- Sampling 간격 : 일정한 간격으로 수집, 통산 시험의 시작/종료시점 및 매 1시간 간격.

<배관 또는 용기내의 유체의 온도 측정

- 배관 또는 용기내의 유체의 온도 측정은 Thermowell 설치

- Thermowell의 설치위치는 유체가 잘 섞이고 구배가 없는 곳에 설치

< Duct에서의 유체 온도 측정

- 불확도를 최소화 하기 위해 여러 지점에서 측정- 지지대에 열전대를 부착하는 방법으로 측정- 단면에서 온도변화의 크기와 평균온도의 불확도로부터 결정- 직각 Duct 의 권장되는 측정점의 수는 9ft2마다, 최소 4지점,

최대 36 지점.- 원형 Duct의 경우 서로 90도를 이루는 두 직경에 설치,

측정점 간격은 아래 식에 따라 계산

<배기가스 분석

- 시료채취 위치: 시료채취는 다측정공 동시, 균등유량을 흡입- 측정공 위치 : AH 입구/출구 가스

- Probe, Bubbler, Gas Analysis를 이용하여 배기가스 분석

<불확도 분석

l 개 요- 시험결과의 정확도를 정량화, 성능시험의 품질(Quality)의 정도- 사전시험과 시험후 불확도 분석은 중요한 변수(임의요건 부록 B 참조)

- PTC 19.1 시험불확도 적용

l 불확도 분석의 장점

- 측정장치 또는 시험결과의 오차범위를 추정하는 최선의 절차

- 측정값±불확도로 정의된 대역(Band)은 참값을 포함할 가능성(보통 95%)이 높아

- 시험결과의 불확도는 시험의 질(Quality of Test)에 대한 척도

- 단위시험 불확도 분석으로 시험오차가 큰 변수와 측정값 결정

l 불확도 분석의 원칙

- 모든 측정값은 오차를 가진다 → 결과의 불확도에 반영

- 오차(Error) : 변수의 참값과 측정(계산) 값의 차이- 불확도(Uncertainty) : 측정 또는 결과의 추정된 오차범위

- 유효범위(Coverage) : 불확도 만큼 참값과 다르다고 예상할 수 있는 측정값의 백분율

<불확도 이론

<측정오차의 유형 및 오차의 시간종속성

[측정오차의 유형] [오차의 시간 종속성]

< U.S & European Plant Performance 비교

□ 발열량 (Heating Value)

○ U.S : 고위발열량 (Higher Heating Value, HHV)

○ European : 저위발열량 (Lower Heating Value, LHV)

○ LHV/HHV Ratio : 0.9 ~ 0.96

□ 설계탄

○ U.S : Higher sulfur coal ( Illinois #6 & Pitsburgh #8)

○ European : Lower sulfur content, higher ash fusion temperature

□ 냉각수 온도, 복수기 배압 설계 기준

○ 덴마크 : 2.5 kPa-abs (0.74 inch Hg)

○ 한국, 일본 : 5.0 kPa-abs(1.5 inch Hg)○ 미 국 : 6.75 ~ 8.5 kPa-abs(2 ~ 2.5 inch Hg)

< U.S & European Plant Performance 비교

□ Codes & Standard

○ U.S : ASME PTC

○ 유 럽 : DIN, Draft European Standard

○ Heat losses & design margins 계산방식 달라

□ Plant Heat Rate Difference

○ LHV/HHV Ratio (Bituminous coal : 약 0.96, Sub-bituminous coal : 약 0.925)

○ 복수기 배압변경 (6.75 kPa-abs → 2.5 kPa-abs )시 Heat rate 개선

○ Cooling tower → Once-through cooling water 방식 적용시 Heat rate 개선

초임계압 석탄화력 발전소 기준 약 6~8% Heat Rate 차이 발생

< Current State of A-USC Technology

< Revised PTC 4 Forms to PTC 4-2013, Appendix A

< Revised PTC 4 Forms to PTC 4-2013, Appendix A

< ASME PTC 4 Technical Inquires

< ASME PTC 4 Technical Inquires

□ 시험불확도 (Test Uncertainty) ○ 질의 : PTC 4에서 시험불확도를 배제하면(즉, 측정 및 화학적 분석 등이 완전하다면) PTC 4.1으

로 계산된 결과와 동일한가 ?

○ 답 변 : 결과는 다르다. (PTC 4는 연료효율을 의미하고 규정된 기준온도(25oC)를 사용하나

PTC 4.1은 사용자가 선택하고 복사 및 전열손실 계산 방법이 달라)

□ PTC 4시험의 우수성

○ 질의 : 어떤 조건에서 PTC 4로 계산한 결과가 PTC 4.1에 비해 우수한가 ?

○ 답 변 : 아니다. PTC 4는 PTC 4.1에 비해 보다 포괄적인(comprehensive) 규정이며, 보다 현대

적인 시험측정, 계산 및 불확도 분석 기술을 기준으로 함.

< ASME PTC 4 Technical Inquires

□ 표면복사 및 대류손실 (Surface radiation and convection losses) ○ 질의 : Hraz(복사 열전달계수) 정의에서 ‘이 상관관계는 …방사율(emissivity) 0.8을 기준으로 한

다’라고 기술되어 있는데, 대신 청결한 알루미늄의 방사율 0.2를 적용하여 표면복사 및 대류손실

(QrLSrc)을 계산하여도 되는가?

○ 답 변 : 아니다. PTC 4는 일반적으로 청결한 알루미늄의 방사율( 0.1 ~ 0.2) 대신, 더럽고 산화된표면기준의 고 방사율(0.8)을적용하여 복사열 손실을 계산, 이는 효율 손실을 계산하기 위한 것으로 보온재를 선정하는 설계기준과는 다름.

□ 공기예열기 Tempering coil (Item 11)의 열손실계산

○ 질의 : PTC 4.1 대신 PTC 4를 대체 적용하는 과정에서 공기예열기 Tempering coil (Item 11)이

경계밖에 위치하여 열손실계산에서 배제하였는데 맞은가 ?

○ 답 변 : 보일러에서 공기예열기 Tempering coil에 증기가 공급되지 않는다면 열손실계산에서 제

외하여야 함.

< ASME PTC 4 Technical Inquires

□ 공기예열기 Tempering coil (Item 11)의 열손실계산 (계속)

- PTC 4.1 ATF에서 기준공기온도는 공기예열기 출구의 공기 온도를 기준으로 손실을 계산(부가

입열은 제외)

- PTC 4에서는 기준 공기온도 77F(25oC)를 기준으로 손실뿐만 아니라 입구 건공기 및 공기중 습분에 대한 부가입열을 계산.

□ 저위발열량(LHV)과 PTC 4 적용

○ 질의 : 성능보증 기준시 사용 연료의 발열량이 HHV대신 LHV로 주어졌다면 PTC 4는 어떻게 적

용되어야 하는가 ?

○ 답 변 : HHV를 LHV으로 변환은 ASTM D-3588을 적용하고, 연료중 수소 연소 수분 손실을 계산

하며, 상세한 계산방법은 PTC 4-2008, Appendix D를 참조.

< ASME PTC 4 Technical Inquires

□ 추가 수분 손실(Loss due to additional moisture)○ 질 의 : 추가 수분(분무용 증기)의손실 및 부가입열 계산시 PTC 4.1과 PTC 4에서 적용하는 기

준온도 수분의 상태(증기 또는 물)가 차이가 있는데 결과가 다른가 ?

○ 답 변 : 연료 효율 계산에 있어 손실 및 부가 입열을 고려한 결과는 동일한 기준온도의 엔탈피를사용하기 때문에 동일함.

□ 기준온도 77F (25oC)

○ 질의 : 효율 계산을 위한 설계 대기 조건 (design ambient condition) 이 15oC & 85% Relative

Humidity로 주어졌을 경우 PTC 4 적용은 ?

○ 답 변 : PTC 4는 규정된 고정 기준공기 온도 77F (25oC)를 적용하며, 이는 손실 및 부가 입열 계

산을 위한 기준으로, 규정된 설계 대기 조건(design ambient condition) 15oC & 85% Relative

Humidity 와는 다른 의미이며, 이는 플랜트 설비 설계를 위한 조건으로 적용됨.

< ASME PTC 4 Technical Inquires

□ 기준온도 77F (25oC) (계속)

○ 특별한 언급이 없는 한 설계 대기 조건(design ambient condition)은 Fan 입구온도(TA6)를의미

하며, 손실 및 부가 입열의 엔탈피 계산을 위해 사용되어지지 않음

○ 에너지 부가입열은 기준온도(Reference temperature) 77F (25oC) 보다 낮을 경우 보일로 경계점으로 들어가는 부가입열은 음(Negative)의 값을 가짐.

□ 건식 저회처리설비(Dry bottom ash removal system) 적용시 부가입열

○ 질의 : 건식 저회처리설비 적용시 PTC 4의 열손실 및 부가입열 계산은 ?

○ 답 변 : PTC 4는 습식 저회처리설비 기준으로 작성되었으나, 건식 저회처리설비에도 적용가능

하며, 그림 1-4-5에 나타난 배출층 물질 냉각기(Bed drain cooler)에 나타난 개념을 적용.

- 냉각수가 없는 점을 반영하고, 유입되는 냉각공기를 부가입열로 계산(세부 절차는 Technical

Inquiry 참조)