보일러 배기가스 온도·O₂ 농도와 연료 원단위
상관분석을 통한 연소효율 개선

1. 원단위가 나빠졌다면 ‘어느 보일러인가’ 다음에는 ‘왜 나빠졌는가’를 묻는다

보일러의 N㎥/ton이 높다는 사실만으로는 개선방법을 결정할 수 없다. 같은 스팀을 생산하면서 연료를 더 사용하는 이유가 낮은 부하율인지, 과잉공기인지, 높은 배기가스온도인지, 열교환 성능저하인지 구분해야 한다.

2. 실제 운전특성 분석에서는 배기가스 온도와 O₂를 주요 영향인자로 선정했다

2008년 Utility 운전특성 분석자료는 보일러 효율에 영향을 미치는 주요 인자로 최종 배기가스 온도와 배기가스 O₂ 농도를 제시했다. 분석결과에는 “최종 배기가스 온도를 낮게 운전할수록 효율이 높아지는 특성”, “배기가스 O₂ 농도를 낮게 운전할수록 효율이 높아지는 특성”이 기록되어 있다.

또 실제 분석항목으로 개별 보일러의 부하율·외기온도·배기가스온도·배기가스 O₂농도와 원단위의 상관관계가 각각 구성되어 있었다.

3. 이론적 배경 — Excess Air는 ‘완전연소를 위한 여유’이자 동시에 Stack Loss의 원인이다

이론적으로는 연료를 완전히 연소시키는 데 필요한 정확한 공기량이 존재하지만 실제 Burner에서는 연료·공기의 혼합이 완벽하지 않으므로 일정량의 Excess Air가 필요하다. DOE는 이 여유공기가 부족하면 미연연료·Soot·Smoke·CO가 증가하고, 반대로 너무 많으면 불필요하게 가열된 배기가스 질량이 증가해 Stack으로 빠져나가는 열손실이 커진다고 설명한다.

따라서 Boiler Tune-up의 목표는 공기를 최소화하는 것이 아니라 완전연소와 안전성을 확보하는 범위에서 Excess Air를 최소화하는 것이다. 필요한 값은 연료종류, Burner, 부하율과 현장조건에 따라 달라진다.

4. O₂–CO Trade-off — 최적점은 O₂가 가장 낮은 곳이 아니라 CO가 급증하기 직전의 안정영역이다

Flue-gas O₂를 낮추면 Excess Air와 Dry Stack Loss를 줄일 수 있지만 어느 지점 이하에서는 공기부족과 혼합불량 때문에 CO와 미연분이 빠르게 증가할 수 있다. EPA의 Boiler Tune-up Guide도 O₂만을 이용한 Trim보다 Combustibles/CO 측정을 함께 이용하면 O₂ Set Point를 더 안전하게 최적화할 수 있다고 설명한다.

따라서 현장 Test에서는 O₂를 단계적으로 조정하면서 CO, Flame Stability, Stack Temperature와 N㎥/ton을 동시에 확인해야 한다.

5. Stack Loss는 ‘배기가스량 × 배기가스와 연소공기의 온도차’에서 시작한다

배기가스 손실의 기본개념은 연소 후 생성된 건식 배기가스와 수분이 외부로 가지고 나가는 열이다. 실무적으로 Stack Temperature가 높을수록, 그리고 Excess Air가 많아 배기가스량이 증가할수록 Dry Flue-gas Loss가 커진다.

DOE의 Natural-gas Boiler Combustion Efficiency 표에서도 동일한 Stack Temperature 조건에서 O₂가 증가할수록 효율이 낮아지고, 동일 O₂에서는 Stack Temperature가 상승할수록 효율이 낮아지는 관계를 확인할 수 있다.

6. Stack Temperature는 절대값보다 Combustion Air와의 온도차로 해석하는 것이 좋다

연소효율 계산에서는 단순 Stack Temperature보다 Flue-gas Temperature − Combustion-air Temperature가 중요한 입력이다. 외기온도가 달라지면 같은 Stack Temperature에서도 손실조건이 달라질 수 있기 때문이다.

따라서 계절·외기조건이 다른 데이터를 비교할 때는 Stack Temperature와 함께 Combustion-air Temperature를 저장하면 더 정확한 진단이 가능하다.

7. 배기가스 온도가 높다는 것은 회수하지 못한 열이 많을 가능성을 뜻한다

연소 후 발생한 고온의 배기가스가 충분히 열을 전달하지 못한 채 Stack으로 배출되면 연료에 포함된 에너지 일부가 배기가스의 현열로 손실된다. 따라서 동일한 부하와 연소조건에서 Stack Temperature가 비정상적으로 높아지면 Heat-transfer Surface Fouling, Soot/Scale, 과도한 Excess Air 또는 열회수 성능저하 등을 점검할 필요가 있다.

다만 배기가스온도는 Boiler Type, 부하, 급수온도와 Economizer 유무에 따라 달라지므로 하나의 절대온도를 모든 설비에 적용하지 않는다.

8. O₂ 농도는 Excess Air를 판단하는 중요한 현장지표다

연료를 완전연소시키려면 이론공기량보다 어느 정도 많은 공기가 필요하지만, 공기가 지나치게 많으면 가열된 질소와 잉여 산소가 Stack으로 빠져나가면서 열손실이 증가한다. 배기가스 O₂는 이 Excess Air 상태를 간접적으로 판단하는 대표적인 지표다.

9. 그렇다고 O₂를 무조건 낮추는 것이 목표는 아니다

공기비를 지나치게 줄이면 CO와 미연분이 증가하고 Flame Stability가 나빠지며 안전문제가 생길 수 있다. 따라서 목표는 가장 낮은 O₂가 아니라 완전연소와 안전성을 유지하면서 Stack Loss가 최소가 되는 Excess Air 영역을 찾는 것이다.

O₂와 함께 CO, Burner 상태, Flame, 배기가스온도와 부하율을 확인하는 이유가 여기에 있다.

10. 보일러의 Monitoring 설계도 연소진단에 필요한 변수를 포함했다

2차년도 추진계획의 보일러 Monitoring 항목에는 가스유량·압력·온도, 스팀유량·압력·온도, 배기가스 전단·후단온도, 배기가스 O₂농도와 부하율이 포함되어 있었다.

11. 상관관계는 원인을 확정하는 것이 아니라 점검순서를 정하는 도구다

O₂가 높은 시간에 원단위가 높게 나타났다고 해서 O₂ 하나가 모든 원인이라고 단정할 수는 없다. 부하율이 동시에 낮았거나 배기가스온도도 함께 상승했을 수 있기 때문이다.

따라서 Trend와 Scatter Plot으로 관계를 찾은 뒤 유사한 부하조건에서 O₂·Stack Temperature·N㎥/ton을 비교하고, 필요하면 Burner Adjustment Test로 인과관계를 검증한다.

12. 현장 분석은 ‘상관관계 → 가설 → Test’ 순으로 진행한다

이 과정은 단순한 통계분석을 실제 운전개선으로 연결하는 핵심 절차다.

13. 배기가스온도가 높다면 원인을 분해한다

Heat-transfer Surface의 Fouling/Scale, Economizer 성능저하, 과도한 Excess Air, 높은 Firing Rate, 급수조건 변화와 Sensor 이상을 차례로 확인한다. 세관이나 청소 후에는 같은 부하조건에서 Stack Temperature와 N㎥/ton이 실제로 개선됐는지 다시 측정한다.

14. O₂가 높다면 Burner와 Air/Fuel Ratio를 점검한다

Damper Position, FD Fan, Linkage, O₂ Sensor 상태와 Burner Tune을 확인하고 부하구간별 O₂를 측정한다. 하나의 고정 O₂ 목표보다 Low/Medium/High Fire 구간별로 안정적인 연소영역을 만드는 것이 실무적으로 더 적절할 수 있다.

15. 개선 전에는 계측 신뢰성을 먼저 확인한다

O₂ Sensor Drift나 배기가스 Temperature Sensor 오류가 있으면 잘못된 연소조정을 할 수 있다. 특히 원자료에서도 모든 Monitoring 항목의 센서·저장상태가 완전히 갖춰진 것은 아니므로, 실제 개선에 앞서 Sensor 설치·Calibration·데이터 저장상태를 확인해야 한다.

16. 18단계 Combustion Efficiency 분석 Process

① Boiler Inventory → ② Gas Flow → ③ Steam Flow → ④ N㎥/ton → ⑤ Load Factor → ⑥ Flue-gas T → ⑦ O₂ → ⑧ CO(가능 시) → ⑨ Trend → ⑩ Scatter/Correlation → ⑪ 유사부하 비교 → ⑫ 이상구간 선정 → ⑬ Sensor 검증 → ⑭ Burner/Heat-transfer 점검 → ⑮ Adjustment/Cleaning → ⑯ 안정화 → ⑰ N㎥/ton 재측정 → ⑱ 지속 Monitoring

17. 해외 Boiler Tune-up은 ‘측정 → 조정 → 전 부하영역 재검증’이 기본이다

미국 DOE와 EPA의 Boiler Tune-up 지침은 Flue-gas O₂, CO, Stack Temperature를 측정하고 Air/Fuel Ratio를 조정한 뒤 Full-load뿐 아니라 Part-load 조건에서도 Combustion Efficiency를 다시 확인하는 접근을 권고한다. Burner Linkage의 마모나 Damper 설정변화 때문에 과거의 Tune-up 값이 계속 유지된다고 볼 수 없기 때문이다.

따라서 Tune-up은 일회성 조정이 아니라 정기적인 성능관리 활동으로 보는 것이 적절하다.

18. O₂ Trim은 Base Combustion Control을 대신하는 것이 아니라 미세보정한다

EPA의 Continuous Combustion Control 구조에서는 Steam Pressure 등에 따라 기본 Fuel/Air Control이 부하변화를 담당하고, Stack O₂ Analyzer가 실제 O₂를 측정하여 Air Flow를 미세하게 Trim한다. 즉 O₂ Trim은 큰 부하변화를 직접 제어하는 Main Loop라기보다 기본 Air/Fuel Curve의 편차를 보정하는 느린 Feedback Loop에 가깝다.

또 Fuel/Air Cross-limit, Minimum Air와 Flame Safety 같은 보호로직보다 우선할 수 없도록 구성해야 한다.

19. 기술동향 — O₂ Trim에서 O₂ + CO 기반 Combustion Optimization으로

DOE의 Industrial Boiler 자료는 O₂ Trim을 통해 Excess Air를 연속보정할 수 있다고 설명하며, 더 발전된 제어에서는 CO를 함께 측정하여 공기를 지나치게 줄이는 것을 방지한다. DOE가 소개한 고도화 Combustion Control도 O₂·CO·NOx를 연속 측정하여 연료·공기 혼합을 조정하는 방향으로 발전했다.

따라서 현대적인 접근은 ‘O₂를 일정하게 유지’하는 수준에서 부하별 O₂ Set Point + CO Constraint + Emission Constraint를 함께 관리하는 방향이다.

20. 해외 실제사례 — Boiler Controls 개선으로 효율을 회복한 프로젝트가 있다

미국 DOE Better Plants의 산업체 사례에서는 Boiler Control과 연소계통을 개선하면서 Low-O₂ Select Control, CO Trim, 새로운 O₂/Combustion-air Control Curve 등을 적용했다. 해당 프로젝트는 두 Boiler의 평균효율이 약 4.43% 개선되고 연간 약 210만 달러의 Fuel·Utility Cost 절감이 보고되었다.

이 수치는 CASE67의 성과가 아니라 해외 별도 프로젝트의 결과다. CASE67에서는 이러한 사례를 O₂·CO·배기가스 데이터를 실제 제어와 M&V까지 연결한 참고사례로만 사용한다.

21. 또 다른 실제 적용 — 제조공장의 Fuel/Air Controller 개선

DOE Better Buildings의 Bentley Mills 사례에서는 새로운 Combustion Controller가 Fuel/Air Ratio와 Excess O₂를 제어하여 안전하고 안정적인 운전을 유지하면서 Combustion Efficiency를 개선하도록 구성되었다. 이 사례는 생산중단을 피하기 위해 설비개선을 Off-peak 시간에 수행했다는 점도 현장 적용 측면에서 의미가 있다.

즉 연소최적화는 알고리즘뿐 아니라 생산 Schedule, Shutdown Window와 Commissioning 계획까지 포함해야 실제 공장에 적용할 수 있다.

22. Tune-up 효과는 설비상태에 따라 크게 달라지므로 고정 절감률을 쓰지 않는다

DOE O&M Guide는 정밀 계측을 이용한 종합 Tune-up으로 Excess Air, Sooting, Unburned Fuel과 높은 Stack Temperature를 교정할 경우 상당한 Fuel Saving 가능성을 제시하지만, 실제 효과범위는 초기 상태에 따라 크게 달라진다.

따라서 CASE67에서는 외부 문헌의 절감률을 현장 기대절감률로 가져오지 않고 Before/After Gas per Steam, 동일 부하조건과 충분한 운전기간으로 실제 성과를 검증하는 원칙을 유지한다.

23. 확대응용 — O₂ Trim Control로 발전할 수 있다

부하에 따라 필요한 Excess Air가 달라지는 보일러에서는 Stack O₂를 실시간 측정해 Combustion Air를 미세 조정하는 O₂ Trim Control을 적용할 수 있다. 다만 O₂ 값 하나만 따라가는 것이 아니라 Burner 안전조건과 CO 발생을 함께 감시해야 한다.

24. Economizer와 열회수 개선의 진단근거가 된다

배기가스온도가 지속적으로 높고 열교환면 상태가 정상이라면 Economizer 적용 또는 성능개선을 검토할 수 있다. 반대로 배기가스온도가 이미 충분히 낮다면 추가 열회수의 경제성과 저온부식·응축 위험을 함께 검토해야 한다.

25. Boiler Digital Twin의 입력변수로 확장할 수 있다

Load Factor, Gas Flow, Steam Output, Stack Temperature, O₂와 Feed-water Condition을 장기간 축적하면 정상 효율곡선을 모델링할 수 있다. 실제 운전이 이 모델에서 벗어나면 Fouling, Combustion Drift 또는 Sensor 이상을 조기에 탐지하는 Condition-based Diagnosis로 발전할 수 있다.

26. AI는 ‘최적 O₂ 숫자’보다 운전영역을 학습하는 데 활용한다

보일러별·부하별 정상 데이터를 이용해 현재 Steam Demand에서 예상되는 N㎥/ton과 Stack Temperature·O₂ 범위를 예측할 수 있다. 이후 실제값이 예상범위를 벗어나면 운영자에게 연소·열교환 상태 점검을 권고하는 방식이 현실적이다.

27. Evidence & Measurement Boundary

현재 확보자료에서는 이 두 변수 조정만으로 달성한 독립적인 최종 절감률·절감금액은 확인되지 않는다. 따라서 임의의 성과값을 제시하지 않는다.

Excess Air, O₂ Trim, Fouling, Economizer, Digital Twin과 AI 진단은 실제 상관분석을 다른 현장에 적용·고도화하기 위한 기술적 확장이다.

28. Review 상태

Status: APPROVED / FINAL-LOCK