드레인 회수시의 유의점 (응축수 회수시 유의 점)
* 드레인 회수
증기에 의한 열에너지는 에너지원으로서 공업적으로 가장 많이 사용되고 있다. 보일러에서 발생한 증기는 증기터빈을 돌린다거나 가열, 증발, 보온, 건조 및 난방 등에서 열에너지를 소비한 후 마지막으로 드레인(복수)이 된다.
증기에너지(전열량) 가운데 유효하게 이용되고 있는 것은 약 80%의 증발잠열분이며 나머지 현열은 드레인으로 폐기되는 것이 많다.
이와 같은 경우 드레인의 보유열을 회수하여 유효하게 이용하면 연료를 크게 절감할 수 있다. 또 드레인에 불순물을 함유하지 않으면 그대로 보일러 급수로 사용할 수 있다.
그리고 드레인을 모두 회수하는 것은 불가능에 가까우므로 여러 가지 드레인 회수상의 유의점에 주의하여 가능한 한 높은 드레인 회수율을 보이도록 적극적으로 드레인 회수를 추진한다.
1. 드레인회수의 메리트
드레인 회수의 메리트는 드레인이 보유하고 있는 열에너지와 드레인의 재이용이다.
그 효과는 다음과 같다.
(1)연료사용량의 절감
(2)수처리비용의 절감
(3)물의 절약
예를 들면, 드레인을 회수하여 보일러 급수온도를 10℃ 상승시킬 수 있다면 연료는 약 1.5% 절감할 수 있다.
드레인 회수율이 높은만큼 증기계통은 폐쇄계가 되어 보일러 보급수를 절감할 수 있다.
또 회수한 드레인이 오염되어 있는 경우는 약품 및 드레인 필터 등으로 처리하여 양질의 보급수를 얻을 수 있어 수처리 비용을 절감할 수 있다.
2. 드레인 회수 방법
드레인 회수 방법으로는 오픈시스템(Open System)과 클로즈드시스템(Closed System)이 있다.
회수율이나 드레인 압력에 따라 그 선택이 이루어진다.
(1)오픈회수 시스템(Open System)-(아래 그림)
보일러의 증발량에 대한 드레인의 회수율이 40∼50%정도까지 저회수율인 경우나 100℃이하인 저온 드레인 회수의 경우에 유효한 드레인 회수시스템이다.
일반적으로 드레인은 보일러의 급수탱크로 회수시키는 드레인 회수, 또는 이용의 정도에서 회수경로가 일단 대기개방이 된다.
이 시스템은 드레인 회수배관의 설치로 실시할 수 있는 것이 많기 때문에 공사비는 비교적 작다. 회수에 의해 얻어지는 메리트는 고온에서의 고회수율이며 클로즈드시스템(Closed System)에 비해 상당히 적다.
OPEN회수 시스템은 CLOSED회수 시스템에 비하여 설치비가 적게 들지만 그 만큼 회수할 수 있는 에너지의 양은 적어집니다.
(2)클로즈드시스템(Closed System)-(아래 그림)
드레인 회수의 이상적인 시스템으로 현재 실시되는 고온 드레인회수의 대부분은 이 시스템으로 시공되고 있다. 대표적인 플로우는 기본적으로는 드레인은 보일러로 직접 회수시키고 시스템이 클로즈드화한다.
이 시스템에서는 스팀트랩에서 배출되는 고온 드레인이 보유한 열의 대부분을 직접 보일러로 회수할 수 있으므로 메리트가 크다.
CLOSED회수 시스템은 OPEN회수 시스템에 비하여 초기 투자비용이 많지만 회수 할 수 있는 에너지의 양은 더 많습니다.
3. 드레인 발생과 드레인 제거의 필요성
3.1 드레인의 발생
드레인은 다음 중 주로 ①의 증기소비 설비에서 발생한다.
드레인 ①증기사용 열교환기 등 부하설비에서 발생
②증기수송관 수송관 가열시 발생
방열에서 발생
보일러에서의 캐리오버시 발생
3.2 드레인 제거의 필요성
증기사용장치는 물론 모두가 건포화증기를 이용하는 것으로 설계되어 있기 때문에 건포화증기를 공급할 필요가 있다.
습증기를 공급하면 전열면의 드레인 막이 두꺼워 장치의 성능을 저하시킨다.
또 드레인은 스케일이나 시공시의 이물을 혼입하는 것이 많기 때문에 전열면에 부착하여 장치의 출력을 저하시킨다. 따라서 가능한한 신속하게 드레인을 제거하여 청정한 건포화증기를 공급하지 않으면 안 된다.
보수면에서 고려하면 워터해머, 부식 및 침식의 방지이다. 겨울철 동결사고 방지도 중요하다.
워터해머는 휴지상태에서 증기를 송기하기 시작할 때 일어나기 쉽고, 배관계에 급격한 충격, 진동 및 굉음을 일으켜 이음이 느슨하게 되어 증기누설을 만든다거나 밸브, 배관 및 장치 등에 손상을 주는 것도 있다.
보일러의 캐리오버에 의한 드레인은 보일러 출구에 설치된 증기헤더에서 제거하는 것이 좋다.
4. 드레인의 수질
회수드레인은 증기의 증류수이기 때문에 이론적으로는 순수이며 보일러에 급수하는 연수보다도 보일러에 때문에 일반적으로는 클로즈드시스템에서 회수를 했을 경우에는 회수 전에 비해 탈산소제, 청관제의 사용량이 감소하여 급수처리비의 절감효과가 높다.
그러나 급수의 보일러 전처리나 보일러 내처리의 불비 또는 캐리오버나 생산설비에서의 누설 등에 의해 드레인의 수질이 오염된다.
또 생산설비 및 부속장치의 녹이나 슬러지 등을 발생시키기 때문에 드레인 회수를 계획할 경우 사전에 수질을 체크하여 보일러에서 재이용할 수 있는 수질인가를 살펴보아야 한다. 문제가 있는 경우에는 그 대책에 대하여 충분히 검토할 필요가 있다.
5. 드레인 회수장치
드레인회수장치는 스팀트랩에서 배출되는 고온 드레인을 재이용하기 위한 것이기 때문에 드레인을 회수하여 재이용할 수 있으면 크게 연료를 절감할 수 있다.
그러나 드레인 회수는 공장의 드레인 압력이나 회수거리, 회수대상지역 등에 따라 회수방법이 조금씩 다르다.
즉 일반공장처럼 드레인 압력이 비교적 고압인 스팀트랩을 갖춘 경우나 드레인 압력이 미미해 원거리까지 압송할 수 없는 공장, 또 드레인량이 적은 경우 등 회수조건은 공장에 따라 다르다. 이와 같은 공장에서는 획일적인 드레인 회수를 실시하면 비용이 극히 커지기 때문에 여러 가지 조건을 고려, 가장 경제적인 드레인 회수장치를 검토할 필요가 있다.
드레인 회수장치의 선정에는 ①드레인압력 ②드레인 온도 ③드레인량 ④회수거리 ⑤드레인 이용선 ⑥증기사용장치명 ⑦스팀트랩형식 ⑧전원압력, 주파수 등이 필요하다.
6. 스팀트랩에 대하여
증기사용장치는 모두 증기스페이스가 완전히 증기로 차 있을 때 최대출력을 발휘한다. 증기스페이스에 드레인이 체류하고 있으면 유효전열면적이 감소하여 출력이 저하한다.
그러므로 기기의 출력을 최고로 유지하기 위해서는 기기 내에서 발생하는 드레인을 가능한 한 신속하게 배출하여 증기스페이스를 항상 증기로 채운 상태로 유지해야 한다. 이러한 목적으로 사용하는 것이 스팀트랩이다.
6.1 스팀트랩의 필요기능
(1)발생한 드레인을 신속하게 배출할 것
(2)증기를 누설하지 않을 것
(3)공기 등의 불응축가스를 배출할 수 있을 것
6.2 스팀트랩의 선정에 필요한 항목
(1)장치의 드레인 부하와 부하특성
(2)증기조건으로서 압력, 온도 및 포화증기인가, 과열증기인가
(3)배압조건으로서 대기배출인가, 드레인회수인가, 배압은 어떠한가
(4)본체재질
(5)접속형식
(6)드레인의 부식성, 워터해머의 가능성, 동결, 굉음 및 보수점검 등의 용이
또 스팀트랩을 설치할 때에는 트랩의 성능을 잘 이해하여 드레인이 체류하지 않도록 배관을 시공할 필요가 있다.
7. 드레인 회수시 유의점
드레인회수에 대하여 다음과 같은 유의점을 검토할 필요가 있다.
(1)회수한 드레인은 여러 가지 종류의 미량성분이 용해되어 있다. 그대로 보일러 급수로 사용 가능한가의 검토.
(2)그대로 사용할 수 없는 경우에는 수처리를 해야 하는가, 또 오염이 심한 경우 회수할 수 있는가의 검토.
(3)트랩은 드레인회수관, 설비에 따라 배압을 받기 때문에 배압제한이 없는 프리플로우트식 또는 바겟트식으로 할 필요가 있다. 이 트랩의 선정을 검토.
(4)증기압이 다른 배관계통이 있는 경우 압력별로 드레인회수관의 설치를 검토.
(5)드레인온도가 상승했을 때 펌프냉각을 위한 수 보급, 유량계의 마모 방지 및 이코노마이저에서의 회수열량의 감소 등에 대한 검토.
더블 트랩핑
스팀트랩의 출구배관에 또 다른 스팀트랩을 직렬로 설치하는 것을 더블 트랩핑이라고 하며, 이는 위험요소가 큰 설치방법 입니다.
더블 트랩핑은 메인트랩(전단트랩)의 누설이 발생했을 때를 대비하여 설치를 하는 경우가 있습니다 만, 이는 정상적인 작동을 하고 있는 상황에서는 메인트랩(전단트랩)의 배압으로 작용을 하기 때문에 추천하지 않습니다.
두개의 트랩을 설치하는 것은 안전책으로 생각될 수 있지만, 실제로는 트랩이 막힌것 처럼 응축수가 체류되는 현상이 발생할 수 있습니다.
더블트랩핑은 득보다 실이 많습니다.
더블트랩핑으로 트랩을 설치하는 이유
- 안전대책
- 에너지 절감 대책
스팀트랩의 작동 메카니즘으로 설명할 수 있는 부분입니다 만, 더블트랩핑은 부적절한 트랩핑입니다.
더블트랩핑으로 스팀록킹을 유발.
증기의 누설 혹은 재증발 증기의 발생으로 후단에 설치되어 있는 트랩이 닫히게 됩니다.
더블트랩핑이 부적합한 이유
이유1: 재증발 증기 또는 생증기의 누설방지
만약 트랩이 파손되면 증기의 누설이 발생합니다. 트랩이 정상이라고 한다면 압력차이로 인해 응축수와 재증발 증기가 배출 됩니다. 어떤쪽이든 증기가 존재하는 상황이 만들어 지게 되어 전단의 트랩에 영향을 미치게 됩니다.
- 배압이 상승. (증기의 유입시 후단측 스팀트랩에서 원활히 배출되지 않기 때문)
- 후단측에 설치되어있는 트랩은 스팀록킹이 발생해 밸브가 닫히게 됨.
- 응축수가 체류되어 워터햄머가 발생.
이유2: 작동차압에 따른 트랩의 사이징
트랩을 한개 설치할 때에는 트랩의 전단과 후단의 압력차이로 응축수 배출량을 확인합니다. 더블트랩핑의 경우에는 두개의 트랩사이의 압력또한 검토해야 합니다. 어쩌면 작은 트랩을 한개 설치하는 것으로 충분한 곳에 사이즈가 큰 트랩을 더블로 설치할 수 밖에 없는 경우또한 발생합니다.
위에서 말한것 과 같이 후단측의 스팀트랩은 증기에 의해 닫히게 되어, 결국 응축수가 체류되게 됩니다. 또 다른 이유로는 응축수 회수 배관의 압력이 높은 경우 차압의 형성이 어려워 스톨현상이라고 불리는 응축수 체류현상이 발생할 수 있어 사이즈가 큰 트랩을 설치해야 합니다.
작동 차압의 문제
후단측에 설치되어있는 트랩은 차압을 크게 가지는 것이 어려워 사이즈가 큰 트랩이 아니면
응축수의 체류가 발생할 수 있습니다.
양쪽의 트랩을 모두 크게 선정한다고 하더라도 각 트랩의 작동타이밍이 다르기 때문에 응축수 배출이 원활하지 못하게 됩니다.
응축수 배출의 문제해결
위의 내용과 같이 더블 트랩핑은 문제의 원인으로 나타나게 됩니다.
기본적인 것 이지만, 스팀트랩의 증기누설로 인한 에너지 손실을 막기 위해서는 가능한 빠르게 교환을 할 수 있는 배관을 구성해 두는 것과 트랩의 여분을 준비해 두는 것이 중요 합니다. 또한 재증발 증기의 대책으로는 폐열회수 시스템등의 적절한 방법을 구상하는 것이 필요합니다.
그룹 트랩핑
다수의 열교환 코일 혹은 섹션에서 발생하는 응축수를 한개의 헤더로 묶어 스팀트랩을 이용해 응축수를 배출하는 것을 그룹 트랩핑이라고 부릅니다.
그룹 트랩핑은 일반적으로 열교환기에 나쁜 영향으로 작용합니다.
그 이유는 각 섹션 내부의 압력 불균형 때문인데, 이로인해 응축수가 체류되는 현상과 워터햄머의 발생등으로 열교환기의 손상이 발생하기 때문입니다. 그래서 증기사용장치에 있어서는 개별 트랩핑을 실시하는 것이 기본입니다.
예를 들어 한개의 열교환기 내부에 증기 섹션이 3갈래로 나누어진 장치가 있을수 있습니다. 이 장치의 응축수 배출을 한개의 트랩의 설치로 행하고자 할 경우에는 응축수가 배출 되지 않는 현상이 발생할 수 있습니다. 그 이유는 같은 열교환기 라고 하더라도 각 섹션의 증기사용량이 다르며(전단의 섹션의 증기사용량이 많음) 사용증기량이 달라짐에 따라 내부 압력의 불균형이 발생하게 됩니다. 그렇기 때문에 각 섹션별 개별 트랩핑을 구성해야 합니다.
그룹트랩핑의 나쁜점
증기 가열식 에어 히터의 경우 에어핀 튜브면을 복수로 설치하고 응축수는 한개의 헤더로 받도록 구성됩니다. 이 에어핀 튜브면을 2장 혹은 3장으로 늘리는 것으로 전열면적의 상승시켜 가열능력을 높이는 장치가 있습니다. 결과적으로 이 장치는 한개의 장치유니트 이지만 내부를 보면 2개 혹은 3개의 열교환 장치가 설치되어 있는 것 입니다.
열교환기 내부 열교환면(섹션)의 위치에 따라 응축수 발샹량이 다릅니다. 일반적으로 피가열 물질의 입구에 가까운 전열면에서 발생하는 응축수량이 가장 많으며, 가장 후단에 설치되어 있는 전열면의
열교환기 내부 섹션에서 발생하는 압력의 불균형에 의해, 압력이 낮아지는 코일 쪽으로 응축수헤더로 부터 역류가 발생을 합니다. 이러한 압력의 불균형 으로 응축수가 배출되지 않는 현상이 발생을 하게 됩니다. 이 응추수 체류는 워터햄머 및 코일의 부식등을 유발해 메인터넌스의 주기가 짮아지게 되는 경우가 있습니다.
그룹트랩핑이 이미 구성되어 있는 경우
몇 몇 장치에서는 구조적인 특성, 혹은 비용절감의 목적으로 개별트랩핑을 하기 힘든 경우가 있습니다. 하지만 증기사용 장치에 있어서 가장 높은 효율을 발휘하기 위해서 라고 한다면 개별 트랩핑을 추천하는 것은 변함이 없습니다.
그룹트랩핑이 구성되기 쉬운 장치
- 에어히터
- 다단 프레스
- 콜게이터 머신의 더블페이서
만약 이미 그룹트랩핑이 구성되어 절대 개별트랩핑으로 바꿀수 없는경우라고 한다면, 충분한 크기의 응축수 헤더를 트랩전단에 설치해 압력의 균형을 유지할 수 있게 해야합니다.
개별트랩핑이 아닌 그룹 트랩핑은 문제가 발생 할 수 있습니다. 예를들면 각 섹션의 압력불균형에 따라 높은 압력이 낮은압력으로 역류해 응축수의 배출을 방해 할 수 있습니다. 충분한 크기의 응축수헤더를 두는 것으로 한정적인 문제의 해결은 가능 하지만 열교환기의 최대 효율을 발위하기 위해서는 압력차이가 발생하는 환경에서도 지장이 없도록 개별트랩핑을 실시해야 합니다.
※ 증기사용 장치에서 그룹트랩핑을 가능한 구성하지 않는것이 좋지만 어쩔수 없는 경우에는 최적의 구성을 위하여 장치업체와 같이 찾아야 할 것입니다. 또한 스팀트랩에 있어서도 최적의 선정을 하여 장치의 능력을 최대으로 사용할 수 있는 방법을 구상해야 합니다.
스팀 록킹
열교환기의 가동중 원인을 알수 없는 이유로 가열온도가 떨어지는 현상을 경험한 적이 있을 것 입니다.
그것은 「스팀 록킹」 혹은 「에어바인딩」 현상의 가능성이 있습니다.
「스팀 록킹」 혹은 「에어바인딩」 현상의 원인은 틀리지만, 발생 메카니즘은 같습니다. 증기 혹은 불응축 가스가 먼저 트랩에 도달해 트랩의 밸브를 닫는 것 입니다.
무었이 스팀록킹을 일으키는가?
트랩은 응축수는 배출하되 증기는 잡아주는 역확을 하는 것이 정상 입니다. 따라서 스팀록킹으로 밸브가 닫히는 것은 트랩의 기능상 정상입니다. 실제로 열교환 장치의 배치나 배관의 구성이 문제를 발생시키는 원인이 되기도 합니다.
스팀록킹은 천천히 진행되어 자연적으로는 좀처럼 해결되지 않습니다. 그리고 가열 능력이 떨어지는 것이 확연히 보이지만 스팀트랩 자체에는 증기가 걸려있어 온도가 높은 상태로 유지됩니다. 이떄문에 발견이 힘든점이 있습니다.
열교환기의 가열능력이 떨어지는 이유에는 스팀록킹현상으로 열교화기 내부에의 응축수 체류가 원인인 가능성이 있습니다.
스팀록킹 현상은 아래의 2가지 상황에서 발생할 확율이 높아집니다.
- 열교환기의 배치상 응축수 배출배관에 증기가 섞여 배출되는 경우
- 트랩 주변의 배관 구성상 응축수가 우선적으로 트랩에 도착할 수 없는 경우
스팀록킹중 응축수와 증기가 섞여 배출되는 경우에는 록릴리즈 밸브, 니들밸브의 활용으로 소량의 증기를 흘려 줌으로 해결을 할 수 있습니다.
배관의 구성이 문제가 되는 경우에는 응축수가 우선적으로 트랩에 흘러 들어갈 수 있도록 배관의 수정이 필요 합니다.
열교환 장치의 배치구조에 따른 스팀록킹
증기가 섞여 배출되는 구조에는 플래시탱크의 설치로 증기와 응축수를 분리 하는것으로 해결이 가능합니다. 다만 분리된 증기는 열교환기에 연결하여 재활용을 할 필요성이 있습니다.
그러나 장치의 구조에 따라서 기액분리된 증기를 다시 열교환기에서 사용하는 것이 불가능한 경우가 있습니다. 사이폰관 혹은 버켓형식의 구조를 가진 회전기가 대표적인 예입니다. 장치의 구조를 바꾸는 것은 어렵기 때문에 이러한 경우에는 다른 대책이 필요합니다.
록 릴리즈 밸브 혹은 니들밸브의 사용
스팀록킹의 근본적인 원인인 증기를 흘려 보내는 것으로 문제를 해결할 수 있습니다. 방법으로는 록릴리즈 밸브와 니들밸브를 활용하는 것 입니다. 롤릴리즈 밸브와 니들밸브의 개도를 조절하는 것으로 증기손실량을 최소화 할 수 있습니다.
어떻게 배관이 스팀록킹을 유발시킬까?
입상배관이 있어도 증기 압력이 더 높기 때문에 응축수는 트랩으로 흘러 들어가지 않을까? 라고 생각하실 수 있습니다. 그러나 해결되지 못하는 이유에 대하여 아래의 2가지로 설명하겠습니다.
- 트랩과 트랩의 입구배관의 압력은 동압이 형성 됩니다.
- 응축수는 밸브가 열렸을때 배출됩니다.
트랩의 내부 압력은 트랩의 전단 배관의 압력과 동압이 됩니다. 이유는 트랩 자체가 배출할 수 있는 양을 정하는 오리피스의 크기는 증기의 누설을 방지하기 위하여 최소치로 설계되기 때문입니다. 동압이 형성 되는 것으로 스팀록킹이 발생을 합니다. 동압이라고 하면 응축수는 증기보다 밀도가 높기 때문에 아래쪽에 존재하며 윗쪽에는 증기가 존재 합니다. 즉 입상배관이 있다고 하면 증기가 먼저 트랩에 도착해 스팀록킹이 발생하는 것 입니다.
스팀록킹은 트랩내부에 막혀 있던 증기가 응축되는 것으로 일단 해결 됩니다. 이떄 응축수가 배출되지만 스팀록킹은 다시 발생을 하게 되고 응축수는 배관과 장치내부에 다시 체류되게 됩니다.
트랩 출구측 배관
이상하게도 입상배관이 트랩의 전단에 있을때만 스팀록킹이 발생합니다. 출구측의 입상배관은 왜 발생하지 않을까요.
트랩의 출구측 입상배관의 경우 또한 재증발 증기의 발생으로 증기로 채워지는 것은 같으나 이미 트랩에서 배출된 후 이므로 이 증기로 인해 트랩이 닫히는 일은 발생하지 않습니다.
또한 트랩의 출구측 배관에 연결된 대상이 대기압의 응축수 회수 탱크 혹은 압력탱크, 어느쪽이라고 하더라도 차압이 형성 되게끔 설계가 됩니다. 이 차압으로 응축수와 재증발 증기는 흐름을 유지할 수 있습니다.
배관 구성의 주의점
배관의 구성중 입상배관 외에도 스팀록킹을 발생 시키기 쉬운 배관구성이 있으므로 주의를 기울여야 합니다.
예를 들면, 구배의 잘못된 구성이나 굽어진 배관은 주의가 필요 합니다.
※ 에어바인딩은 "스팀록킹"과 메카니즘은 유사하지만 불응축 가스로 인해 발생됩니다. 이 에어바인딩은 증기 시스템 뿐 아니라 에어시스템 및 가스 시스템에서도 발생하는 문제로 밸런스 라인의 설치를 필요로 합니다. 상세 정보는 다음장에서 설명 하도록 하겠습니다.
그룹 트랩핑 또한 스팀록킹을 유발하는 원인이 됩니다. 이 부분에 대해서는 "그룹 트랩핑"을 읽어 주십시오.