증기 배관 계통에서 워터해머 발생을 피할려면

워터해머 발생을 피

할려면

 

응축수 회수배관이나 증기배관에서 쿵쿵, 꽈당, 꽝꽝하는 워터해머 소리를 들으면 겁도 나고 기분도 좋지 않고 배관이 파손되지 않을까 걱정도 되는데 실제로 외국에서는 워터해머에 의해 밸브가 파손되어 사람이 다친 경우도 있다. 이와 같은 워터해머가 발생하는 원인을 명확하게 이해하지 못하여 많은 경우 증기시스템이 원래 가지고 있는 기본적인 문제라고 생각하고 드레인 밸브를 여는 등 다른 해결방법에 의해 임시적으로 대처하기도 하지만 이는 근본적인 해결책이 되지 못하고 에너지 손실도 많게 된다.
워터해머가 발생하는 원인을 명확하게 이해하고 그에 따른 설계를 하게 되면 워터해머는 거의 발생하지 않게 할 수 있다.

 

증기 시스템에서 발생하는 워터해머는1. 증기 배관에서 발생하는 경우: 배관내에 존재하는 응축수가 주범2. 응축수 회수관 내에서 발생하는 경우
1) 스팀트랩에서 배출된 응축수가 응축수회수 주관과 연결되는 방법에의해 발생하는 경우2) 온도조절되는 설비에서 발생하는 경우로 나누어 볼 수 있다.

 

■ 증기 배관에서 발생하는 워터해머
일반적으로 증기 배관에서 발생하는 워터해머의 예를설명할 때 가장 개념적으로 간단하고 이해하기 쉬운 설명은

“배관 하부로 흐르는 응축수에 의한 슬러그의 발생”을 설명하는 것이다.

 

그림 1. 수평 증기수송 배관에서 워터해머
그림 1과 같이 증기 배관 하부에는 항상 많든 적든 어느 정도의 응축수가 증기의 흐름에 따라 흐르고 있다.
따라서 이 응축수는 적정 간격(20~30~50m)에서 드레인 포켓을 통해 제거되어야 하는데 그렇지 못하면 어느 정도의 양이 쌓여서 증기와 함께 흐르게 된다. 이때, 증기의 부하 변동에 따라 증기의 속도가 빨라졌다 느려졌다 하게 되면 응축수의 흐름 역시 빨라졌다 느려졌다 하면서 파도가 형성되고 결국 나중에는 슬러그 형태로 된 후 배관내에서 증기의속도와 같은 속도로 흐르게 된다. 이 응축수의 슬러그는 수평배관에서는 시속 90 km(=25 m/s) 이상의 속도로 흐르면서 밸브에 큰충격을 주게된다.

 

따라서 이들 문제를 해결하기 위하여 증기주관에는 20~30~50 m 간격으로 드레인포켓을 설치하여야하고, 이 드레인포켓까지 응축수가 중력에 의해 흐르도록 적어도 1/250의 기울기(경사도)를 가지고 증기의 흐름 방향으로 흐를수 있어야 한다. 또한 상승되는 배관의 하부에는 반드시 드레인 포켓을 설치하고 스팀트랩으로 응축수를 배출 하여야 한다. 물론 기수분리기를 설치하는 것 역시 필요하게된다.

 

 그러나 컨트롤 밸브나 체크밸브 등의 설치 조건 상 배관에 응축수가 가득차게 포켓 형태의 루프가 형성된 배관에서 응축수가 정체하였다가 증기가 다시 공급되면서 응축수는 정체된 상태에서 밸브가 먼저 열리면서 증기가 다시 흐를때 정체된 물의 저항에 의한 손상도 워터햄머 라고 할 수 있다.

 

 

​특히 스윙체크밸브나 버터플라이밸브 등과 같이 밸브가 움직일때 응축수가 저항으로 작용하는 경우에는 응축수가 고여있는 상태에서 증기가 갑자기 공급되면 밸브가 갑자기 움직이면서 손상을 입게된다

 

그림 2. 컨트롤 밸브의 설치–전후에 스팀트랩을 설치한다. 

 

 

 

따라서 컨트롤 밸브를 설치하는 루프에서 그림 2와 같은 경우 컨트롤 밸브의 전후에 반드시 스팀트랩을 설치하여야 한다.

■ 응축수 회수배관에서 발생하는 워터해머

스팀트랩에서 배출된 응축수는 응축수 주관의 상부에연결해야 한다. 상부에 연결하게 되면 응축수 회수관 상부에 있는 재증발증기를 뚫고 스팀트랩에서 배출된 응축수가 상대적으로 저항이 없이 응축수 회수관 내부로 유입된다. 그러나 응축수 회수관 하부로 연결되면 응축수 회수관 내부에 있는 모든 응축수의 저항을 받게 됨은 물론, 배출이 정지하면 상승하던 물 기둥이 역류하면서 트랩에 충격을 주게 된다. 그러나 응축수 회수관에서 발생하는 워터 해머는 스팀트랩에서 배출되는 응축수가 가진 열량과 응축수 회수관 내에 있는 응축수의 열량이 다른 데에서 발생하는 경우가 대부분이다.

 

특히 스팀트랩에서 배출된 응축수가 펌프로 펌핑되고 있는 배관에 연결될 때는 더욱 워터해머가 심해진다. 일단 스팀트랩에서 응축수가 배출되어 물로 가득찬 배관으로 유입될 때 배관 내부의 물의 압력과 온도는 스팀트랩에서 배출되는 응축수의 압력과 열량보다 작다. 따라서 스팀트랩에서 응축수가 배출되면 배출된 응축수에서 재증발 증기가 발생하면서 물과 함께 흐른다. 그러나 물의

온도가 상대적으로 낮으므로 물속에 있던 재증발 증기가 급속하게 응축되면서 발생한 진공의 공간 속으로 주변의물이 유입되면서 워터해머가 발생한다.

그림 3.

 

 

이를 해결하기 위하여 스팀트랩에서 배출되는 응축수는 반드시 응축수 회수관의 상부에 연결하여야 한다. 만약 펌핑 배관에 연결하는 것을 피할 수 없다면 스팀트랩 에서 응축수가 충분하게 냉각된 후 배관에 연결하도록 해야 한다.
문제는 덜하지만 스팀트랩의 배출관을 응축수 회수관의 상부에 연결하지 않고 하부에 연결하면 워터해머가 발생하는 경우가 있다. 응축수 회수관의 상부에는 재증발 증기가 흐르고 있어 트랩의 배출관을 상부에 연결하면 큰 저항 없이 회수관에 응축수가 유입되고 이 배출관에서 일부 재증발 증기가 응축되어도 상부가 가스상태로 연결되어 있어 별 문제가 되지 않으며 또한 배출이 종료 되어도 적은 양의 응축수가 트랩으로 역류한다.
그러나 회수관의 하부에 연결되면 트랩의 배출관은 항상 물로 가득 차있고 응축수 회수관내의 전체적인 물이 저항으로 작용하고 있으며 이 물속을 뚫고 올라가면서 응축되는 재증발 증기에 의한 워터해머가 발생하며 회수관의 상부에 연결된 경우와는 달리 그 충격이 트랩에까지 영향을 미치게 된다. 또한 트랩의 배출이 종료되었을 때 응축수 회수관 내의 응축수 전체가 역류하면서 그 힘도 크게 작용하게 된다.

 

그림 4. 오리피스 트랩을 이용하여 응축수 배출

 

 

 

그림 5. 트랩의 배출관을 회수관의 하부로 연결한 경우

 

 

 

  

■ 온도조절 설비에서 워터해머
공정에서 발생하는 워터해머 중에서 가장 자주 발생하고 있고 항상 심각하게 문제로 느끼고 있는 경우가 온도조절되는 설비에서 발생하는 응축수 배출 정지 현상이다.

 

이 주제는 이미 스팀피플에서 여러 번 다룬 것으로서 특히 석유화학 공장에서는 공정의 증기 시스템의 설계가 식품이나 일반화학 공장과 같은 일반 산업 공장과는 다르게, 압력 군별로 증기 공급을 하고 압력군 별로 응축수 회수를 하고 있어 응축수 배출 정지 현상이 빈번하게 발생하면서 동시에 워터해머가 발생하고 있다. 이와 같은 워터해머를 해결하기 위하여 현장 운전자들은 스팀트랩

다음에 설치된 드레인 밸브를 열고 운전함으로써 응축수회수를 하지 못하고 있는 경우가 많다.
그 원인을 자세하게 알아 보려면 먼저 석유화학 공장의 증기 공급 및 응축수 회수 시스템의 구성을 알아 보아야 한다.
석유화학 공장의 경우 열병합 발전을 제외하고 공정에서 사용하는 증기의 압력이 30 bar g를 넘는 고압증기(HPS), 10~20 bar g의 중압증기(MPS) 및 3~5 bar g의 저압증기(LPS)의 주관을 각각 전 공장에 설치하고 필요한 위치에서 배관을 연결하여 증기를 사용하고 있다. 또한 이들 응축수는 각각 해당 압력별로 별도의 응축수 회수 주관을 설치, 스팀트랩에서 배출된 응축수를 압력별 회수 주관에 연결하고 이 응축수는 다음 단계의 증기를 발생하는 재증발증기 드럼으로 회수된 후 이 드럼에서 재증발 증기를 회수하고 있다.
즉 고압증기(HPS)의 응축수(HPC)를 회수한 응축수 탱크에서는 중압증기(MPS)를 발생시켜 사용하고 중압증기(MPS)의 응축수(MPC)를 회수한 응축수 탱크에서는 저압증기(LPS)를 발생시켜 이용한다. 그리고 저압증기(LPS)의 응축수(LPC)는 대기벤트되고 있는 탱크로 회수하므로 이 탱크에서는 대기압의 재증발 증기가 벤트되고 있다.

그림 6. HPC 응축수 회수, MPS 재증발증기 회수 시스템

 

예를 들어 고압증기(HPS) 압력은 35 bar g이고 중압증기(MPS)압력은 11 bar g이며 저압증기(LPS) 압력은 3.5 bar g인 공장이 있다. 그러면 고압 응축수(HPC)에서 11 bar g의 중압증기(MPS)를 발생시키고 중압 응축수(MPC)에서는 3.5 bar g의 저압증기(LPS)를 발생시킨다.
또한 각각의 응축수 회수 주관은 지상에서 약 6~7 m정도의 높이에 설치되어 있어 지상에 설치된 모든 스팀트랩에는 항상 0.6~0.7 bar g의 배압이 기본으로 걸리고 있다.
증기압력을 선정할 때는 공정의 온도를 고려하여 적정한 온도차이가 있는 증기 압력을 정하게 된다. 그리고 응축수 회수관은 당연하게 압력 군별로 다음 단계를 선정하게 된다. 응축수 회수관을 다음 단계로 회수하는 것은 단순하게 보면 증기 압력과 응축수 회수관의 압력 차이로 볼 때 충분한 압력차이가 있으므로 별 신경을 쓰지않고 선정한다. 그러나 실제로 증기 사용설비 즉 열교환기 및 리보일러의 내부 증기공간에 걸리는 압력은 공급하는 증기 압력이 아니고 부하에 따라 온도조절밸브에 의해 변동하는 증기 압력이 된다. 이 때 증기 압력은 공정 온도에 해당하는 포화 증기 압력까지 떨어지므로 응축수 회수관 내의 압력이 공정 온도의 포화 증기 압력보다 높게 되는 경우에는 응축수 배출정지 조건이 발생하여 워터해머가 발생한다.

 

 

고압증기를 사용하는 공정의 경우는 대부분 공정온도가 높아 문제가 없으나 중압증기(MPS)나 저압증기(LPS)를 사용하는 경우에는 문제가 발생하는 경우가 많다.
그리고 중압증기(MPS)를 사용하는 경우 공정 온도가 130℃~160℃인 경우가 대부분인데 배압이 3.5 bar g이므로 공정 온도가 153 ℃보다 낮은 경우에는 증기 부하에 따라 문제가 발생하기도 한다. 또한 공정온도가 153 ℃ 이상이라 문제가 없는 공정에서 에너지 절약을 위한 공정 개선에 의해 공정 온도를 낮추는 경우(예를 들어 130 ℃로)에는 문제가 발생할 수 있다.
이런 경우에는 응축수 회수 배관을 중압 응축수(MPC) 회수관(저압증기 발생 응축수 탱크)이 아닌 저압응축수(LPC) 회수관(대기 개방 응축수 탱크)으로 회수하도록 변경하여야 한다.
가장 큰 문제가 되는 부분은 공정 온도가 100 ℃ 미만인 경우로서 이들 공정에는 대부분 저압증기(LPS)를 공급하고 있으나 배압이 항상 0.6~0.7 bar g가 걸리고 있으므로 항상 응축수 배출정지 문제가 발생하게 된다. 이를 해결하기 위한 방안이 여러 가지 도입되고 있는데 이제까지는 가장 대표적인 것이 응축수 회수를 위한 Power Trap(트랩펌프)를 설치하고들 있었으나, 이는 도입 비용도 고가이고, 매년 발생하는 메인테난스 비용도 만만치 않기 때문에 비 추천입니다.

요즈음에 가장 좋은 선택은 오리피스식 트랩인 「O・TRAP」을 도입하는 것입니다.
가동 밸브가 없는 오리피스 식 스팀트랩인 「O-TRAP」 은、 차압(△Ρ)이 거의 없는 장소（0.05MPa이하）라 할지라도、오리피스를 최대 배출량에 맞추어 설계하여 10톤/h 이상의 드레인도 원할하게 배출할 수 있습니다.

O-TRAP 을 사용하므로서、응축수를 강제 배출하기 위한 장치（Power Trap）、배관을 폐지하고、파워 트랩 등 장비 운영에 필요한 에너지、보전 비용을 절감 할 수가 있습니다.

가동 밸브가 없는 오리피스 식 스팀트랩인 「O-TRAP」은、 차압(△Ρ)이 거의 없는 장소 (0.05MPa 이하）라 할지라도、오리피스를 최대 배출량에 맞추어 설계하여 10톤/h 이상의 드레인도 원할하게 배출할 수 있습니다.
O-Trap을 사용하므로서、응축수를 강제 배출하기 위한 장치(Power Trap）、배관을 폐지하고、파워 트랩 등 장비 운영에 필요한 에너지、보전 비용을 절감 할 수가 있습니다.

그림7  극소 차압의 드레인 배출도 가능한 Orifice・Trap ( O-Trap )

 

 

 

또 다른 원인으로 많은 경우 스팀트랩의 설치 위치를 들 수 있다. 열교환기의 설치 위치가 응축수를 회수하는 주관의 상부에 있으나 스팀트랩은 지상으로 내려 설치하여 문제가 되는 경우이다. 이런 경우에는 스팀트랩을 위로 올려 설치하여 중력에 의해 자연스럽게 응축수가 회수 주관으로 유입되도록 하는 것이 필요하다.

 

상담 문의 :   Tel : 070-7747-8290

            E-Mail : tjchung@naver.com 

 

     홈페이지: http://k.o-trap.cn