보일러의 기본적인 구성은 드럼 및 헤더, 튜브, 케이싱, 화로 등으로 구성되 어 있다. 이러한 구성 요소들에 대해 살펴보면 다음과 같다.
3-1 드럼 및 헤드
3-1-1 증기 드럼
증기 드럼은 보일러의 최상부에 위치하며 모양은 원통형으로서, 내부는 내 부 급수관, 표면 구수관, 증기 분리기, 건증기관, 증기 저지판, 청관제 투입관 등의 여러 가지 내부 부속들이 설치되어 있다. 증기 드럼은 내부 급수관을 통 하여 증기 발생에 필요한 급수가 공급되고, 튜브에서 발생되는 증기를 모으고, 그 증기로부터 수분을 분리시키는 역할을 하는 곳이며, 보일러 운전에 필요한 물을 저장하는 장소의 역할을 하는 곳으로서 정상 운전시 증기 드럼 내의 수 위는 ¹/₂정도 차 있는 상태이다.
3-1-2 물 드럼
물 드럼은 증기 드럼의 하부에 위치해 있으며, 크기는 증기 드럼보다 작고 모양은 원통형이다. 증기 드럼에는 튜브 구멍 이외에도 여기에 장치되는 각종 내부 부속 장구들을 연결하기 위해서 많은 구멍이 뚫려 있으나 물 드럼(헤더 포함)에는 부속구가 많지 않으므로 튜브 구멍을 제외하고는 몇 개의 구멍이 더 있을 뿐이다.
물 드럼은 강수관으로부터 물을 받아 증기 발생관들에 물을 골고루 분배하 며 관수 속에 함유된 불순물이 침전되는 곳이다. 일반적으로 물 드럼에 침전 되는 고체 물질은 두꺼운 진흙층을 이루는데 이 때문에 물 드럼을 때때로
mud drum이라고 부르기도 한다. 이러한 침전물은 주기적(통상 운전 200시간
마다)으로 저면구수를 실시하여 제거할 수 있다.
3-1-3 헤더
헤드는 물 드럼과 역할, 재질, 구조에 있어서 동일하나 크기와 모양 및 개폐 구의 수가 다르다. 고속형 보일러에서는 물 드럼 대신에 헤더를 설치하는 경 우가 많은데 이 헤더는 물 드럼보다 작으며 모양을 원형, 타원형 혹은 사각형 으로 되어 있다. 대체로 물 드럼에는 사람이 출입할 수 있을 만큼 충분한 크 기를 가진 맨홀이 있는 반면에 헤더에는 필요에 따라 검사, 소제 그리고 정비 를 하기 위한 핸드 홀이 헤더 전 길이를 따라 설치되어 있다. 그리고 헤더는 물 드럼과 마찬가지로 증기 드럼으로부터 강수관을 따라 물을 튜브에 분배하 고 불순물을 침전시키는 역할을 한다.
3-2 튜브
보일러 내의 튜브에는 발생관, 강수관, 보호관, 수벽관 및 지지관 등의 종류 가 있다.
3-2-1 발생관
발생관은 물 드럼이나 헤더로부터 증기 드럼에 연결되는 튜브로서 포화 증 기를 발생시키는 역할을 한다. 그리고 물 드럼이나 헤더로부터 증기 드럼에 이르는 여러 열의 튜브 전체를 묶어서 나타낼 때 발생관군이라 한다.
3-2-2 강수관
강수관은 증기 드럼과 물 드럼 혹은 증기드럼과 헤더 사이에 연결된 직경이 큰 튜브로서 관수가 대류에 의해 순환되도록 내부 케이싱과 외부 케이싱 사이 에 설치되어 있다.
연소율이 낮을 때에는 화로에 가장 가까운 몇 줄의 튜브에서만 증기가 발생 되고, 이들 튜브내의 물과 증기는 상승하는 반면에 가열되지 않은 튜브내의 물은 하강하게 되는데, 연소율이 낮은 경우에는 하강하는 물의 양이 상승하는 물과 증기의 양의 보충에 충분하다. 그러나 연소율이 증가하여 연소 가스의 유속과 온도가 상승하면, 튜브내의 물과 증기가 상승하는 튜브의 수가 많아짐 에 따라 물이 하강 순환할 수 있는 튜브의 수는 줄어들게 된다. 만일 계속해 서 연소율이 더욱 증가하게 되면 물이 하강하는 튜브의 수가 더욱 줄어들어 상승하는 물과 증기의 양에 대하여 하강하는 물의 양이 부족하게 되는 한계점 (물 순환 끝점)에 도달하게 되고, 결국 화로에 근접한 튜브들이 과열, 소손되
는 현상이 발생할 수 있다.
따라서 이러한 물 순환 끝점 이상으로 보일러의 증기 발생율을 증가시키기 위해서 강수관을 연소 가스로부터 열을 직접 받지 않게 하기 위해서 이중 케 이싱 내에 설치한다.
3-2-3 보호관
화로에 가장 근접한 소구경의 발생관과 과열기 튜브들이 복사열에 의해 과 열되는 것을 방지하기 위해서 직경이 매우 큰 튜브를 설치하는데 이것을 보호 관이라 한다. 보호관은 설계상으로 보호관에 미치는 연소열의 온도에 따라 보 통 2～4열의 튜브로서 구성되며, 직경이 큰 튜브를 설치하여 단위 시간당 흐 르는 유량을 크게 함으로써 복사열을 많이 흡수하도록 되어 있다.
3-2-4 수벽관 및 가스 저지관
수벽관은 증기 드럼과 water wall header 사이에 연결되는 튜브로서 화로 측벽의 온도를 낮춰서 내부 케이싱을 보호하는 기능을 가지며, 가스 저지관은 연소 가스의 흐름을 약화시키는 일종의 보호관 역할을 한다.
3-3 케이싱
케이싱은 보일러의 외부를 둘러싸고 있는 판으로 연소 가스나 열이 화실로 누출되는 것을 방지하는 것이다. 이 케이싱 측면은 물 드럼으로부터 연도까지 그리고 전부 및 후부는 화로 벽에서 연도까지 얇은 철판으로 이루어져 있다.
보일러의 케이싱은 단일 케이싱과 이중 케이싱이 있다. 이중 케이싱은 내부 케이싱과 외부 케이싱으로 구성되며, 이 두 케이싱 사이의 공간은 강제 송풍 기의 출구 혹은 공기 가열기 출구로부터 보일러 주위를 둘러싸고 전면으로 나 와 공기 조절기를 통하여 화로 내로 공급되는 공기의 통로로 사용된다.
3-3-1 이중 케이싱을 사용함으로써 얻는 이점
① 흡입공기가 예열된다.
② 역화로부터 화실 요원을 보호한다.
③ 강제 송풍기 이외의 별도의 화실 통풍을 위한 공급 통풍 혹은 배출 통풍이 있기 때문에 화실이 시원하다.
④ 화실 내에서의 소음이 감소된다.
⑤ 이중 케이싱을 사용함으로써 버너 공기구멍의 규격이나 수를 늘이지 않고 도 보일러 용량을 증가시키는데 필요한 높은 공기 압력을 사용할 수 있다.
3-4 화로
화로는 연료가 연소하는 장소이다. 화로는 그 내부에서 연료와 공기가 잘 혼합되고, 연료가 완전 연소되어 열을 발산할 수 있도록 하기 위해서 적절한 공간이 필요하다.
만약 연료가 화로 내에서 완전히 연소되지 않고 튜브들 사이에서 완전 연소 가 이루어진다면 열이 연소 가스로부터 튜브 표면에 전달되는 시간이 감소되 고 이 열을 흡수하는 튜브 표면의 넓이가 감소되므로 그 결과 배기 손실이 증 가되어 보일러의 효율이 현저하게 떨어진다. 따라서 화로는 그 보일러에 부여 된 최고 능률까지 도달하는 동안 어떤 연소율에서도 튜브 하부 공간에서 연료 의 완전 연소가 이루어지도록 설계되어야 한다.
화로의 일반적인 구조는 옆벽, 바닥, 앞벽, 뒷벽으로 되어 있으며 각 벽의 외부에는 강철판, 그리고 강철판 안쪽에는 절연재와 내화재가 덧붙여져 있다.
3-5 보일러의 내부 부속구
수관 보일러에서 내부 부속구라 함은 증기 드럼(steam drum)내에 설치된 장치들을 말한다. 수관 보일러에서 사용되는 내부 부속구들은 대체로, 내부 급 수관, 표면 구수관, 증기 분리기, 증기 저지판, 스워쉬 플레이트, 건증기관, 제 거 과열기, 청관제 투입관 등이 있다.
3-5-1 내부급수관
내부급수관은 급수정지 및 역지밸브와 절탄기를 거쳐 들어 온 급수를 증기 드럼 내에 골고루 분배시키는 역할을 하는 관이다. 이 관은 전체 길이를 따라 상부에 구멍이 많이 뚫려 있으며 한쪽 끝은 폐쇄되었고 다른 끝은 급수정지 및 역지밸브에 연결되어 있다. 내부급수관이 앞서 언급한 것과 같은 형상을 하고 있는 이유는 증기 드럼 내부에서 증기가 발생되고 있는 상태에서 갑자기 비교적 온도가 낮은 급수를 증기 드럼 내부의 어느 한곳에만 계속적으로 공급 되면 이에 인접한 고온의 전열면이나 리벳 조인트 등이 국부적으로 냉각되어 부동 팽창이나 열응력을 일으켜 변형 혹은 균열되기 때문이다. 즉 급수를 보 일러의 운전에 방해가 되지 않도록 공급하기 위함이다. 내부 급수관은 급수의 적절한 흐름을 위해서 구멍의 총 면적이 내부 급수관 단면적의 약 2배가 되도 록 한다.
3-5-2 표면구수관
표면구수관은 증기 드럼의 물 표면으로부터 물보다 가벼운 유류, 부유성 불 순물 혹은 기타 찌꺼기를 보일러 밖으로 배출하고 관수 속에 용해되어 있는
염분 농도와 염기도를 감소시키는 역할을 하는 관으로 수면방출관이라고도 한 다. 정상 수위보다 조금 아래에 증기 드럼의 길이만큼 길게 설치된 한 개의 곧은 관이며, 전 길이를 따라 상부에 구멍이 뚫려 있다. 단, 스컴팬이 달려 있 는 보일러에서는 구멍이 표면구수관의 하부에 뚫려 있다. 스컴팬이란 찌꺼기 를 제거하기 위해 설치된 평평한 금속판으로 표면구수관의 바로 밑에 전 길이 를 따라 설치되어 있다.
표면구수 요령은 표면구수관과 연결되어 있는 드럼 밖의 표면구수밸브를 개 방함으로써 표면 구수를 실시 할 수 있으며, 표면 구수시에는 관수의 요동을 고려해서 서서히 표면구수밸브를 열어야 하며 갑자기 열어서는 안 된다.
일반적으로 효과적인 불순물 제거를 위해서 정상 수위보다 높게 급수한 다음 2분 정도 후에 보유 관수의 10% 정도를 배출한다. 표면 구수는 운전 중 실시 하는 것으로서 매일 1회 이상 실시하는 것이 좋다.
3-5-3 증기분리기
증발관에서 발생된 증기는 기수드럼으로 들어가서 수적이 포함되지 않은 건 조한 상태로 과열기 또는 증기를 사용하는 곳으로 배출되어야 한다. 만약 수 적을 포함한 증기가 과열기 또는 증기터빈으로 들어간다면 이 수적 중에 포함 된 불순물이 침전물을 발생하여 관의 과열 또는 효율 저하를 초래시킨다. 따 라서 기수 드럼에서 나오는 증기가 수적을 적게 포함하도록 하기 위하여 그림 3-1과 같이 승수관이 기수 드럼의 수면보다 위에 부착되어 있다. 발생 증기의 수분 포함량은 주로 기수 드럼의 증기부 체적당의 증발량에 관계된다.
그림 3-2와 같이 증기의 수분은 전열면 부하가 증가하여도 1% 정도이나 어 떤 부하에서 급격히 수분 포함량이 증가되는데 이 부하를 한계부하라고 한다.