에너지관리기사 보일러 효율 계산: 엔탈피 차·발열량·시간 단위 맞추기

단순한 정상상태 증기 보일러의 직접법 효율은 ‘증기가 얻은 열량 / 연료가 공급한 열량 × 100’으로 계산합니다. 증기 발생량을 $D$, 연료 사용량을 $B$, 증기·급수의 비엔탈피를 $h_s$, $h_{fw}$, 연료 발열량을 $H_f$라고 하면 $\eta=D(h_s-h_{fw})/(BH_f)\times100$이에요. 증기 엔탈피에서 급수 엔탈피를 빼고, 분자·분모의 시간 기준과 발열량 기준을 맞추는 것이 핵심이에요.

보일러에서 어디까지를 유효 출력으로 보나요?

이 글은 연료로 공급한 에너지 중 급수가 증기가 되며 얻은 에너지를 유효 출력으로 보는 단순 모델이에요. 정상상태에서 증기·급수 흐름을 기준으로 계산하며, 별도의 블로다운 유출·열회수와 보조기기 전력 등은 계산 범위에 넣지 않았어요. 문제에서 다른 경계나 추가 열량을 제시하면 그 정의에 맞는 열수지로 계산해야 해요.

비엔탈피는 단위 질량당 에너지예요. 급수도 이미 에너지를 갖고 들어오기 때문에 증기 1kg이 보일러에서 얻은 에너지는 $h_s$ 전체가 아니라 $h_s-h_{fw}$예요. 두 엔탈피는 같은 기준으로 정의된 값을 사용해야 해요.

실제 증기표를 사용할 때는 압력·온도·건도 등 주어진 상태를 확인해요. 포화증기와 과열증기를 구분하고, 압력만 보고 언제나 같은 엔탈피를 넣지 않아요. 이 글의 예제는 엔탈피를 직접 주어 상태량 조회와 효율 계산을 나누었어요.

먼저 분자·분모를 각각 열량으로 만들어요

유량을 사용하는 경우 계산은 다음 두 단계로 나눌 수 있어요.

$$\dot Q_{out}=D(h_s-h_{fw}),\qquad \dot Q_{in}=BH_f$$ $$\eta=\frac{\dot Q_{out}}{\dot Q_{in}}\times100$$

$D$와 $B$가 kg/h, 엔탈피와 발열량이 kJ/kg이면 두 열량률은 모두 kJ/h가 돼요. 시간 기준이 같으므로 비율에서 단위가 사라져요. 총량으로 계산한다면 증기와 연료를 같은 시간 구간에서 측정한 kg으로 사용해야 해요.

기체 연료의 사용량이 부피유량이면 연료 발열량도 같은 기준 상태의 단위 부피당 값으로 맞춰요. 예를 들어 표준 상태 m³/h로 준 연료량에 kJ/kg 발열량을 바로 곱할 수는 없어요. 질량으로 환산하거나 동일 기준의 kJ/m³를 사용해야 해요.

계산 예제: 증기 1,000kg/h를 만드는 보일러

아래는 새로 만든 학습용 예제이며 실제 기출문제나 실제 설비의 측정값이 아닙니다. 엔탈피와 발열량은 이 열수지 연습에 주어진 값이며 특정 압력·온도의 증기표 값을 인용한 것이 아니에요.

증기가 얻은 열량률은 다음과 같아요.

$$\dot Q_{out}=1{,}000\times(2{,}800-500) =2{,}300{,}000\ \mathrm{kJ/h}$$

연료가 공급한 열량률은 저위발열량 기준으로 계산해요.

$$\dot Q_{in,LHV}=80\times40{,}000 =3{,}200{,}000\ \mathrm{kJ/h}$$ $$\eta_{LHV}=\frac{2{,}300{,}000}{3{,}200{,}000}\times100 =71.875\%$$

따라서 이 단순 모델에서 저위발열량 기준 보일러 효율은 약 71.88%예요. 급수 엔탈피를 빼지 않고 $1{,}000\times2{,}800$을 분자로 쓰면 87.5%가 나오지만, 보일러 입구에 이미 있던 급수의 에너지까지 유효 출력으로 더한 오류예요.

고위발열량과 저위발열량을 바꾸면 왜 효율이 달라지나요?

고위발열량(HHV)은 연소로 생기는 수증기의 응축에 관련된 열까지 포함한 발열량이고, 저위발열량(LHV)은 그 열을 제외한 기준이에요. 같은 연료와 기준 상태에서 HHV가 LHV보다 커요. 따라서 같은 유효 출력과 연료 사용량이라면 분모가 큰 HHV 기준 효율이 더 낮아요.

위 학습 예제에서 같은 연료의 HHV가 42,000kJ/kg이라고 추가로 주어졌다고 할게요.

$$\eta_{HHV}=\frac{2{,}300{,}000}{80\times42{,}000}\times100 \approx68.45\%$$

71.88%와 68.45%는 같은 출력·연료량을 서로 다른 발열량 기준으로 표현한 값이에요. 기준만 바꾼 것으로 설비 성능이 나빠진 것은 아니에요. 효율을 비교할 때는 HHV·LHV 중 무엇을 사용했는지 반드시 함께 적으세요. 연소 수증기를 응축시켜 열을 회수하는 설비에서는 LHV 기준 효율이 100%를 넘게 표현될 수 있으므로, 숫자만 보고 에너지 보존 위반이라고 판단하지 않아요.

kg/h와 kg/s를 섞지 않아요

위 예제의 유효 열량률을 kW로 바꾸면 $2{,}300{,}000/3{,}600\approx638.89$kW이고, 연료 투입 열량률은 $3{,}200{,}000/3{,}600\approx888.89$kW예요. 두 값을 함께 환산하면 효율은 그대로예요.

• 분자만 초당 값으로 바꿈: 분모가 시간당 값이면 같은 비율이 아니에요. 둘 다 kJ/h 또는 둘 다 kW로 맞춰요.
• 증기량 t/h를 kg/h로 바꾸지 않음: 1t는 1,000kg이에요. 엔탈피의 kg 기준과 맞춰요.
• kcal/kg와 kJ/kg를 섞음: 문제에서 사용한 환산 기준으로 통일한 뒤 계산해요.
• 효율 0.71875에 %를 바로 붙임: 소수 비율을 백분율로 쓰려면 100을 곱해 71.875%로 적어요.

연소효율과 보일러 효율은 같은 측정값인가요?

배기가스 온도와 산소 농도로 평가한 연소효율을 증기·급수 열량으로 구한 직접법 보일러 효율과 그대로 같다고 두지 마세요. 사용하는 방법과 포함한 손실의 범위를 확인해야 해요.

미국 에너지부의 Steam Tip Sheet #4는 배기가스 온도·산소 농도와 연소효율의 관계를 다루고, 과잉공기가 많거나 부족할 때의 손실을 설명해요. 그 표의 연소효율 숫자를 이 예제의 직접법 효율에 대신 넣거나, 이 글의 예제만으로 실제 버너의 조정값을 정하지 않아요.

다음 계산에서는 세 줄을 먼저 적어요

에너지관리기사 문제에서 보일러 효율을 만나면 ‘유효 출력의 범위’, ‘발열량 기준’, ‘시간·질량·에너지 단위’를 먼저 적어보세요. 그다음 급수와 증기의 엔탈피 차, 연료 투입 열량, 최종 비율을 순서대로 계산해요.

아래 링크는 기사GG 에너지관리기사의 회차 선택 페이지예요. 이 글은 실제 기출 원문을 인용하지 않았어요. 효율 정의와 발열량 구분은 Spirax Sarco·미국 EIA, 연소효율의 범위는 미국 에너지부 원문을 2026년 10월 31일에 확인해 정리했어요.