스팀 트랩으로 효과적인 증기 에너지 절약 방법 (고정 오리피스 식 스팀트랩으로 개선)

고정 오리피스 식 스팀 트랩(O-TRAP)에 의한 효과적인 에너지 절약 방법 

The efficient energy reduction method by fixed orifice type trap.

 

Abstract

In the food industry, the petrochemical industry, the paper pulp industry there are many processes of performing indirect heating by steam, and the steam which emitted heat is discharged from the steam trap as condensate. If a steam trap deteriorates, steam leaking will accrue, so the steam consumption of the whole factory tends to increase every year.

Although the steam leak rate from a steam trap is different with an operating condition, preservation frequency, etc. an average loss rate exceeding 10% has also been reported, therefore can say that to reduce steam leakage from steam trap is an important factor for energy saving. In order to reduce steam loss, it is necessary to perform check and replace of steam traps frequently. however, if it is a large-sized factory, thousands or much more steam traps are also installed, so it is easy to imagine that is considerably hard to do it from the point of view of the labour and cost. Therefore, the repair of the steam trap is carried out after a steam leak trouble is actualized. And the steam loss before the repair is ignored.

We propose the energy saving maintenance system using the "fixed orifice-type steam trap" which does not have a deterioration part unlike the steam trap as consumption part. This report introduces the introduction of the "fixed orifice-type steam trap" and the reduction of the steam leaking and maintenance cost by a new maintenance method.

 

1. 개요

식품산업, 석유화학산업, 펄프 및 제지 산업에서는, 증기에 의한 간접 가열하는 공정이 많으며, 열을 방출한 증기는 스팀 트랩에서 응축수 (이하 드레인 이라 칭함)로 배출되고 있습니다. 스팀 트랩이 노후화되면 드레인과 함께 배출되는 미사용 증기 (동반 증기)가 증가하기 때문에, 공장 전체의 증기 소비량은 해마다 증가 해 나가는 경향이 있습니다. 스팀 트랩에서 증기 누출 율에 대해서는 사용 조건, 보존 빈도에 따라 다르지만, 평균 손실 비율이 10 %를 초과 한 예도 보고되고 있으며, 스팀 트랩에서 누설 증기는, 중요한 에너지 절약 대상이라 할 수 있습니다. 증기 손실을 줄이기 위해서는 스팀 트랩의 점검, 교체를 자주 할 필요가 있지만, 대규모 공장의 경우, 스팀 트랩이 수천 개에서 수만 대가 설치되어있는 경우도 있어, 비용, 노력을 생각하면 쉽지 않은 것은 분명합니다. 따라서 일반적으로 증기 누출 문제가 표면화되어야 보전 대응을 하지, 그 이전에 누설하고 있던 증기에 대해서 손을 쓸 수 없다는 것이 현실이라 할 것입니다.

고정 오리피스 트랩(O-TRAP) 은, 기존의 소모품으로서의 스팀 트랩과는 다른 열화(노화) 부품이 없는 「고정 오리피스 식 스팀 트랩」 에 의한, 트랩의 에너지 절약 방법을 제안합니다. 이 내용에서는 그 「고정 오리피스 식 스팀 트랩」 의 소개와 새로운 보전 방법에 의한 증기 누출 손실, 유지 보수 비용 절감에 대해 소개합니다.

2. 고정 오리피스 식 스팀 트랩의 역사

고정 오리피스 식 스팀 트랩 (이하 오리피스 식 트랩 이라 칭함)는 1970 년대에 미국 해군에서 함정용에 대한 높은 내구성의 스팀 트랩으로 개발되어, 관련 특허를 획득 한 것이 시작입니다. 이 기술은, 기존의 스팀 트랩에서는 소모품이었던 작동 밸브를 일절 사용하지 않고, 열화부(노화부)를 갖지 않는다는 점이 획기적이며, 1977년 5월 18일에는, 당시 지미 카터 대통령에 의해 해군 소속의 엔지니어였던 로렌스・L・가짓쿠 씨에게 「오리피스 형 트랩의 개발」을 대상으로 한 에너지 절약 기기 발명 유공자로 미국 정부 표창이 주어졌습니다.

 

[당시 발표 된 내용】

개발자 : 로렌스・L・가짓쿠 씨 미 해군에 의한 공동개발

장비 개발 협력자 : 플렉시 데이터 릭・가스켓 社

제품명 : 플렉시 트랩

설치 대상 : 해군 함정 약 100 척

에너지 절약 효과: 연간 중유 소비량 119,000 kL 절감, 약 1,080만 달러/년 상당(당시)

보전 비용 절감 효과: 약 60 만 달러

 

1980 년대 들어, 오리피스 식 트랩의 설계에 관한 기초 특허가 만료를 맞이한 후, 각 회사가 유사한 제품을 생산하여 세계 각국에 기술이 확산되었습니다. 개발 과정에서 크게 주목 받은 것도 있고, 민생 용으로도 기존 스팀 트랩의 대체가 진행된 듯했지만, 오늘에 이르기까지 오리피스 식 트랩이 크게 점유율을 늘린 사실은 없습니다. 그 주된 원인은 내구성이 높다는 장점이 있는 반면, 설치 개소마다 오리피스 구경(Orifice Size)을 설계해야 할 필요가 있었는데, 설계에 대해서도 전문 지식을 요하는 등 도입시에 많은 노력이 필요하다는 점이 있었는데, 이를 충족 시키지 못했다고 생각됩니다. 범용품으로 쉽게 도입 할 수 있는 기존의 작동 밸브 식 트랩에 비해서 사전에 여러가지 사양을 확인해야 하는 등, 취급하기 어려워서, 골치 아픈 일부 특수한 수요를 제외하고는 채용에 이르러 사용하는 것은 매우 적었다는 것입니다.

그러나, 에너지 비용이 계속 상승해 가고, 온난화 효과로 CO₂ 가스의 삭감을 강요하는 현재에 이르러, 소모품 인 스팀 트랩으로부터의 에너지 손실을 줄이는데 큰 효과를 기대할 수 있는 것으로서의 큰 장점으로 재인식되기 시작하고 있습니다.

 

3. 고정 오리피스 식 스팀 트랩의 특징

일반적으로 스팀 트랩이란 증기 장비로부터, 증기 중의 드레인을, 작동 밸브의 작용에 의해 증기를 새지 않게하면서, 드레인만을 배출하는 장치를 가리킵니다. (이하 작동 밸브 식 트랩이라 칭함). 작동 밸브는 경년 열화하기 때문에, 소모품입니다. 이에 대해 고정 오리피스 식 스팀 트랩 (이하 오리피스 식 트랩이라 칭함)는 1 개 내지 복수의 오리피스를 사용 조건에 적합하도록 설계 제작한, 오리피스를 통과하는 드레인으로 개구부를 밀봉(씰) 시키면서 배출함으로써 작동 밸브를 사용하지 않고 기수 분리시켜, 증기를 새지 않게 하면서 드레인만을 배출 할 수 있도록 한 장치입니다.

노화 부품이 없기 때문에, 설비로서 장기간 사용 (실적 30 년이상) 할 수 있게 되었습니다.

오리피스의 설계에는 최대 드레인 발생량, 배출시 최대 차압 (오리피스 1 차측 압력 - 2 차측 압력)을 미리 조사해야하여, 작동 밸브 식 트랩과 비교하면 모델 선정시 운전에 관한 보다 세밀한 정보가 필요하지만, 작동 밸브를 제거하여 내부 구조를 단순화하여, 기존 제품의 10 배 이상의 내구성을 실현하고 있습니다.

오리피스 식 트랩은 높은 내구성, 간단한 구조라고 하는 특징으로부터, 기존의 작동 밸브 식 트랩은 수명이 극단적으로 짧거나, 증기 압력 3.0MPaG(30kg/㎠) 이상의 고압 계통 및 드레인 유량이 10 t/h을 초과 하거나, 대형 트랩을 요구하는 대형 열교환 기 등에서 적극적으로 사용되어왔습니다.

그러나 작금의 에너지 비용 상승 국면에서는, 저압 증기, 소용량 기기에서도, 동반증기누설 손실의 영향이 증가하고 있어, 증기 장치 전반에 있어서 “오리피스 식 트랩”의 장점은 높아지고 있습니다.

  

4. 오리피스 식 트랩의 설계 방법

오리피스 식 트랩은 증기가 드레인에 대하여 용적이 커서, 오리피스를 통과하기 어려운, 성질을 이용하여 오리피스 구경을 설계합니다. 유체가 오리피스에서 유출하는 이론 유량은 유체의 종류, 오리피스 구경 및 오리피스 전후의 차압에 의해 결정됩니다.

예를 들어, 직경 3mm Ф의 오리피스 구멍에서 증기압 0.1MPa · G의 드레인을 단상(単相)으로 흘린 경우의 최대 통과 량은 약 210 kg/h 입니다. 한편, 같은 증기압 0.1MPa · G 의 증기를 단상(単相)으로 흘린 경우의 최대 통과 량은 약 7.8 kg/h 으로서 드레인 유출량의 3.7 % 로 크게 감소합니다. 이것은 비용적(比容積)이 관계하고 있어, 아래의 식에서 각각 나타낼 수 있습니다.

드레인의 오리피스 통과 유량 계산식

         

   
 

증기의 오리피스 통과 유량 계산식

         

QL : 포화수 유량 (kg/h)

Qg : 증기 유량 (kg/h)

Cd : 유량 계수 (= 0.6)

d : 구멍 지름 (mm)

⊿P : 오리피스 전후 차압 (kg/c㎡)

P : 입구 절대 압력 (kg/c㎡)

V : 비 용적 (㎥/kg)

또한, 드레인 (액체)과 증기 (기체)가 공존하는 경우 (2상혼합유체/二相混合流体) 드레인의 유속이 증기의 약 30 분의 1로 느리기 때문에, 드레인이 오리피스 통과시에 오리피스 내부를 차지 때문에, 증기는 응축수가 오리피스의 배출 능력 (210 ㎏/h)의 절반 (105 ㎏/h) 이하의 양으로 되지 않는 한 통과 할 수 없게 됩니다 (드레인 씰의 작용).

이 때, 그림 1과 같이 소용돌이 치면서 흐르는 드레인의 중심에 증기가 들어 가지 않게 되는 상태를 얻을 수 있습니다.

상기 성질을 이용하여, 그림 2에 나타낸 바와 같이, 오리피스 구경은 응축수 발생량의 2 배 이하의 드레인 배출 능력이 되도록 설계됩니다.

그림 1 오리피스로부터 배출되는 응축수의 이미지

그림 2 오리피스 구경과 드레인의 관계

5. 오리피스 식 트랩 도입의 이점

설비의 에너지 절약을 추진하기 위해서 먼저 해야 할 일은 기존 장비의 낭비를 없애고, 운영 비용을 절감하는 것입니다.

증기 설비의 경우, 드레인 배출 부, 즉 스팀 트랩의 기능 유지가 설비의 열효율을 극대화하는 데 중요한 요인입니다. 작동 밸브 식 트랩은 작동 밸브의 노화에 비례하여 그림 3과 같이 미사용 증기 (동반 증기)가 드레인과 함께 배출되게 됩니다. 그림 4는 노화된 트랩을 교체 또는 수리하면 그때까지 누설하고 있던 미사용 증기(동반증기)가 감소 된 모습을 보여줍니다. 재차(다시) 드레인 만이 배출되도록하기까지의 기간 만큼, 작동 밸브 식 트랩에서는 증기가 누출되고 있어, 트랩의 기능을 유지하기 위해서는, 점검・교체 작업을 짧은 간격으로 빈번하게 반복해야 할 필요가 있다는 것을 알 수 있습니다.

그림 3 작동 밸브 식 트랩의 경년 열화(노후화) 와 증기 누설량

응축수 발생량	10 kg/h
차압	0.5 MPaG
밸브 부 열화(노화)도	A 0 %	B 10 %	C 30 %	D 60 %	E 90 %
경년	0 년	3 년	6 년	9 년	12 년
증기 누설량（㎏/h）	0	4.5	13.5	27	45
드레인량（㎏/ｈ）	10	10	10	10	10

그림 4 작동 밸브 트랩의 경년열화(노후화) 및 유지 보수​

오리피스 식 트랩은 열화 부품(노화부품)을 가지고 있지 않기 때문에 적절한 설계가 이루어지는 한, 미사용 증기(동반증기) 누출이 증가하는 일은 없습니다.

또한, 점검・교체 작업을 줄일 수 있고, 에너지 절감을 달성 할 수 있습니다.

그림 5 오리피스 식 트랩의 내구성

경년	0 년	3 년	6 년	9 년	12 년
증기 누설량（㎏/h）	0	0	0	0	0
드레인량（㎏/ｈ）	10	10	10	10	10

그림 6 오리피스 식 트랩의 내구성 2

6. 오리피스 식 트랩의 설계 후 평가 (모니터링)

오리피스 식 트랩의 가장 큰 장점은 높은 내구성 입니다. 그러나 사용 조건이 변경 되는 등 설계 조건에 현저하게 맞지 않게 되면, 증기 누설, 드레인 배출부족이 발생하게 됩니다. 설치 후 제대로 작동하고 있는지에 대해 객관적으로 평가하는 것 (모니터링)이 필수적입니다.

오리피스 식 트랩은 항상 응축수를 연속 배출하기 때문에, 운전 중에는 오리피스 2차측 온도가 안정되어있어, 오리피스 2차측 배관 표면 온도를 측정하여 배출 평가를 실시 합니다 (그림 7).

 

◈ 오리피스가 정상으로 작동하는 경우, 측정점의 온도는 2 차압의 포화 온도 (대기 개방의 경우 100 ℃)입니다 (그림 8).

배출 능력 부족의 경우는, 드레인이 오리피스 1 차측에 체류하기 때문에, 온도가 점차 저하하여, 최종적으로는 주변(주위) 온도까지 내려 갑니다 (그림 9).

배출 과다의 경우는, 2 차압의 포화 온도 이상이 됩니면 (그림 10).

 

그림 7 오리피스 식 트랩 작동 평가시 온도 측정점

그림 8 최적 오리피스

그림 9 배출 부족

그림 10 배출 과다

7. 오리피스 식 트랩에 의한 에너지 절약 보전 방법

위에서 언급한 오리피스 식 트랩의 특성 「높은 내구성」· 「온도 안정성」을 살린 효율적인 보전 방법을 아래에 제시합니다.

 

● 오리피스 식 트랩의 도입 및 관리 흐름

① 모든 트랩을 넘버링 하여 (그림 11), Plot Diagram(플롯도)을 작성합니다 (그림 12).

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② 넘버링한 트랩 정보를 List (나열) 합니다 (그림 13).

     ↓

③ 기존 설치된 트랩의 증기 누출 여부를 Thermography (열화상) 검사를 실시하여 조사합니다 (그림 14).

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④ 검사 결과로부터 에너지 절약 잠재력을 산출, 투자 회수 기간을 계산합니다 (그림 15).

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⑤ 정리된 모델 선정 데이터를 기준으로 산출하여 모델을 선정합니다 (그림 16).

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⑥ 교체 계획을 수립하여, 증기 누설량이 많은 트랩부터 오리피스 식 트랩으로 업데이트 합니다.

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⑦ 오리피스 식 트랩을 설치 합니다 (그림 17).

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⑧ 오리피스 식 트랩을 설치 한 장소에서 재차 Thermography(열화상) 조사를 실시합니다 (그림 18).

     ↓

⑨ 정기적으로 Thermography (열화상) 조사를 실시하여, 표면 온도를 List에 기입합니다 (그림 19).

     ↓

⑩ 오리피스(구멍)에 막힘이 생긴 경우는 청소를 실시합니다 (그림 20).

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⑪⑥ ~ ⑩을 반복합니다.

 

그림 11 트랩을 넘버링 합니다.

그림 12  PLOT Diagram(플롯트 도)를 작성 합니다.

그림 13 트랩을 LIST 화 합니다.

그림 14 Thermography(열화상) 조사를 실시합니다.
 

그림 15 에너지 절약 잠재력을 확인하여, 투자 회수 기간을 계산합니다.

 

그림 16 오리피스 식 트랩의 모델을 선정합니다.

그림 17 오리피스 식 트랩을 설치합니다.

 

그림 18 설치한 오리피스 식 트랩을 Thermography(열화상) 조사를 실시합니다.

그림 19 정기적으로 Thermography(열화상) 조사를 실시하여, 표면 온도를 List(목록)에 기입합니다.

그림 20 오리피스에 막힘이 발생한 경우는 청소를 실시합니다.

 

오리피스 식 트랩은 개방 고장을 발생시키는 것은 없기에, 유지 보수는 오리피스 입구에 축적하는 이물질 만 제거하면 될 것입니다. 소 구경 오리피스 (φ1.0㎜ 이하)의 유형은 # 60 다음 스크린을 장착 한 Y 형 스트레이너를 표준 장비하고 있기 때문에, 막힘의 발생 빈도는 연간 약 1 ~ 3 % 정도에 지나지 않습니다.

오리피스 식 트랩의 장점 인, 높은 내구성 특징을 살려서, 증기 누설을 완전히 방지 할뿐만 아니라, 유지 관리를 단순화 (Thermography(열화상)로 열 감지에 의한 점검, 막힘 만 제거) 할 수 있습니다. 증기 누출이 발생한 트랩을 서서히 오리피스 식 트랩으로 업데이트(교환설치) 해 나가는 것으로, 큰 투자 없이, 에너지 절약 상태를 유지하는 것이 가능해 집니다.

당사로서는, 모델 선정 등의 정밀한 엔지니어링 서비스를 제공함으로써, 오리피스 식 트랩의 보급에 노력하면서, 영구적 인 에너지 절약 시책에 공헌할 수 있다면 좋겠습니다.

상담 문의 :   Tel : 070-7747-8290

            E-Mail : tjchung@naver.com  

    홈페이지: http://k.o-trap.cn