응축수 회수탱크의 오버플로우 현상 및 스팀 누설 현상에 대한 해결책, 스팀트랩에의한 열효율 계산, O-TRAP 등

응축수 회수 탱크의 오버플로우 현상 및 스팀 누설 현상에 대한 해결책 등

Solutions for overflow and steam leakage in the condensate recovery tank, etc

 

일반적으로 증기(Steam)을 사용하는 곳에서 증기 수송 메인 배관(30~50m 간격으로 스팀트랩설치), 스팀 헤더, 증기 배관 관말, 기수분리기, 증기 사용장치(열교환기, 가마솥, 농축관, 건조기 등 ) 각각의 장소에 개별적으로 스팀트랩을 설치하여, 이곳에서 발생한 응축수를 최단 적기에 배출시켜 주어, 증기 열 효율을 극대화 시킵니다.

더불어서, 스팀트랩(Steam Trap)을 통해서 배출된 응축수를 환수 배관(Recycle Pipe) 을 통해 응축수 회수탱크(보일러 급수탱크)로 환수시켜 재이용하는데, 이로 인한 에너지 절감 및 용수 절약이 매우 크다는 것은 주지의 사실입니다.

그런데 이러한 과정에서 응축수 환수 배관 내에서 응축수가 원활하게 배출되지 않아서 배관 내부 부식 염려 라든가~, 워터 해머 발생 등에 직면하는 경우도 꽤 많이 발생하고 있습니다.

설상 가상으로, 응축수가 회수된 탱크에서 오버플로우 가 발생한다거나, 스팀이 누설되어 나오고 있는 상태에 직면 한다든가~, 또한 응축수 회수 탱크의 온도가 100℃ 이상이 된다든가~, 탱크 자체가 흔들거리는 현상 마저 발생하는 곳들이 있습니다.

 

 

이에 대한 해결책 등에 대해서 아래에 서술하겠습니다.

 

스팀트랩은 증기공간내에서 증기가 응축하여 발생된 응축수를 효율적으로 제거하고, 증기의 누출은 없도록 설계된 일종의 자동밸브입니다. 또한 스팀트랩은 공기와 CO2 등 비응축성 가스를 제거할 수 있어야 하며, 시스템전체의 성능을 보장하고 에너지 절약이 유지될 수 있도록 올바르게 작동되어야 합니다.
응축수가 원활하게 배출되지 못하면;

- 증기공간내에 응축수가 차오르게 되며 결국 유효한 가열 면적이 감소되며,
- 워터해머의 발생가능성이 높아져서 배관이 손상될 수 있고,
- 가열 온도가 불 균일하여 제품의 불량이 초래되며,
- 증기배관 및 설비 내부의 부식 또는 재질의 노화를 촉진시켜 설비의 수명이 단축됩니다.

 

증기 사용 설비의 운전조건에 따라 응축수의 부하가 변동할 수 있고, 일반적으로 계산되는 응축수부하는 정상운전시의 부하량을 기준으로 하고 있으므로 최악의 조건에서도 응축수를 원활하게 배출하기 위하여 증기사용설비에 올바르게 적용될 적정한 스팀트랩의 기종선정을 고려하여 설치해야 합니다. 

 

증기트랩을 올바르게 적용하여 설치를 하면 결과적으로, 에너지손실방지, 응축수자연회수, 시스템내 합리적 증기 이용 구성, 배관내 배압방지를 통해서 에너지 절감을 이룩하게 되는 것입니다. 스팀트랩의 올바른 선택이 이렇게 중요한 것입니다.

 

스팀트랩(STEAM TRAP)에 의한 응축수 회수에 대하여 정리해 보겠습니다.

압력 2 ㎏/㎠·g의 증기 사용 후 버켓트랩을 통해 배출되는 온도는 이론적으로는 증기의 포화온도에 해당하는 133.25℃ 이지만 버켓트랩은 응축수를 간헐배출하는 특성이 있으므로 약간씩 방열되어 응축수가 배출되므로 약 1~2℃ 낮은 상태로 배출됩니다. (대기 배출시 재증발 증기발생과 함께 약 98~100℃ 정도 됨)
또한 플로트 스팀트랩과 버켓타입 스팀트랩의 응축수 배출온도는 방열손실을 고려한다면 플로트 스팀트랩의 온도가 버켓타입 스팀트랩 온도보다 조금 더 높습니다.
트랩후단의 응축수 올림배관(입상배관)에 대하여 어디까지 응축수를 배출할 수 있는지에 대하여 문의를 많이 받게 되는데, 응축수 회수배관은 자연하향구배 배관이 원칙이며, 이 원칙을 벗어나게 되면 여러가지 문제점이 발생할 수 있습니다.
압력 2 ㎏/㎠·g 의 증기가 연속적으로 공급되어 응축수를 배출하는 회수배관은 이론적으로 배관 마찰손실이나 배압이 없다면 20m까지 올릴 수 있으나, 현실적으로는 마찰손실과 배압등으로 응축수를 밀어 올리는 높이는 "트랩 전·후단의 차압인 응축수 압력" ー "(마찰손실+배압)"의 높이 입니다.

이런 경우(앞의 계산식)은 증기헤더와 같은 장비의 경우이고, 열교환이 이루어지는 급탕탱크나 공조기 가열 코일 또는 열교환기 같은 장비는, 온도조절밸브(CV)가 설치되어 있으므로, 사용 부하에 따라 스팀공급 압력이 변동하게 되므로, 응축수를 배출하는 차압이 변동되게 되며, 저부하 운전시에는 장비에 진공이 걸리므로, 오히려 응축수가 장비로 역류하게 됩니다. 그러므로 온도조절이 되는 장비의 트랩후단이 올림배관(입상)일 경우는 필히 기존형의 스팀트랩으로는 응축수를 원활하게 배출할 수 없으므로, 고정오리피스식 O-TRAP을 설치하거나 혹은 응축수 회수펌프나 펌핑트랩을 이용하여 강제로 응축수를 이송하여야 합니다.

응축수 회수탱크내의 물의 온도는 탱크의 용량과 급수량과 환수량의 합에 의해 결정되며, 만일 몇몇의 스팀트랩이 불량하여 증기가 누출된다면, 응축수 회수탱크의 온도는 더욱 상승하게 됩니다

 

일반적으로 스팀트랩은 전·후단 압력차(△P)에 의해 트랩밸브가 작동하여 응축수를 배출합니다. 물론 이때 동반증기가 발생합니다. 응축수 회수 장소까지의 거리/높이 등으로 발생하는 배압, 또는 응축수가 장비내 정체되는 현상으로 스팀트랩이 작동할 수 없는 스톨현상이 있을 경우에는 무동력 환수 장치인 "펌핑트랩 또는 오그덴펌프"를 사용합니다.

예를 들어, 현재 공급압력이 2 ㎏/㎠·g인 증기 시스템에서, 응축수탱크 오버플로우 에서 나오는 즉, 응축수 회수탱크 압력을 1 k ​정도라 가정하여 설명하겠습니다. 그럼 차압(△P)는 2k-1k=1k 가 되겠습니다. 스팀트랩 후단의 배관이 3 m 상승한다면 (응축수탱크 내의 압력이 1k 로 추정해 이미 반영하였으므로), 스팀트랩 전후 압력차(△P)는 = 1k - 0.3k = 0.7 k 입니다. "이론상으로 이 압력차인 0.7k로 응축수 배출이 가능하다 할 수 있습니다."
차압(△P)이 존재하는 한, 응축수를 배출 시킬 수 있는 스팀트랩​인 O-TRAP 을 설치하면 "펌핑트랩=오그덴펌프"를 설치하지 않아도, 3m 높이의 탱크로 응축수 배출이 가능할 것입니다. 

 

※ 사용증기 압력 2k인 시스템에서, 응축수탱크 오버플로우 되어서 나오는 증기압력이 1k 정도가 되더라도, 3m 높이의 탱크로 응축수를 회수 할 때, 트랩 2차측 배압을 1.3k로 추정, 차압이 2k-1.3k=0.7k 가 존재하므로 응축수 회수를 OPEN Type으로 회수하는 시스템이라면, 펌핑트랩=오그덴펌프 설치하지 않아도, 차압 0.7k로 인해 3m높이의 장소로 응축수 배출이 가능할 것입니다. 

[응축수탱크에서 오버플로우 되어 나오는 증기압력이 1k 정도가 되는 원인은, 대부분의 경우 스팀트랩 혹은 바이패스 밸브 등에서 누출되고있는 증기 때문이기에, 기존 스팀트랩을→O-TRAP으로 교체함 과 바이패스 밸브 등은 신품으로 교체 혹은 보수를 하면, 대부분의 경우 증기누출이 멈추게되어서 응축수탱크 오버플로우는 멈추게됩니다. 만약, 이렇게해서 개선이 된다면 배압 1k는 해소되게되어 실제 배압은 0.3k가 되어서 차압인 △P는 1.7k 가 되기때문에 응축수 배출은 더욱 부드럽게 배출될 것입니다.]

위에서 처럼, 응축수 탱크에서 오버플로우 현상이 발생한다든가, 탱크의 온도가 100℃ 이상으로 감지된다거나, 탱크에서 해머링이 발생한다는 것은, 아마도 응축수 배출시키는 스팀트랩 혹은 Bypass Valve 의 열림 고장이 나있는 곳에서, 생스팀이 누출되고 있기 때문일 것입니다.
"열림 고장이 나 있는 스팀트랩 혹은 바이패스 밸브 등을 추적 발견해 빨리 교체한다면, 생스팀 누설은 거의 대부분 개선이 될 것 입니다."

증기분출이 되고있는 증축수 회수탱크에서, O-TRAP 도입후 증기분출이 없어져 개선이 된 모습

고정 오리피스식 스팀트랩인 O-TRAP을 적정하게 설치하여 에너지절감 이룩하세요~!!

스팀트랩의 선정에 있어서 가장 중요한 것은 방열기기의 성능을 최대로 발휘할 수 있도록 하는 것으로, 스팀트랩의 작동원리를 이해하여 운전조건, 압력조건, 온도조건 등에 부합되는 형식(기종)을 선정합니다. 증기사용설비에서 응축수가 발생하는 형태는 설비의 종류와 운전조건 및 부하조건 등에 따라 달라집니다. 이에 따라 응축수의 배출형태도 다르므로 배출형태에 따른 배출성능이 적합한 트랩을 선정하여야 합니다.

예를 들어 유니트히터 나 에로핀히터 의 응축수를 배출할 때 열동식 트랩(Bellows, Bimetal)을 사용하면, 응축수의 배출형태가 간헐적으로 되므로, 유니트히터 내부의 증기공간에는 응축수가 정체된 순간과 증기가 유입되는 순간이 반복하게 됩니다.

따라서 유니트히터의 발생 열량은 일정하지 못하여 문제가 될 수 있으며, 또한 코일은 증기 및 냉각된 응출수와 반복하여 접촉하게 되므로 열응력이 반복적으로 작용하여 코일이 파손되는 경우가 발생합니다. 연속적인 배출 형태를 갖는 고정오리피스식 O-TRAP을 사용하면 원활한 운전을 할 수 있게 됩니다. 

 

스팀트랩에 의한 열효율 계산

증기 시스템에서 응축수는 “에너지 절감 및 효율 면” 에서 반드시 회수해야 합니다.
스팀트랩을 통해서 회수 가능한 에너지는 “응축수 와 재증발증기”로 구분할 수 있습니다. 열량은 압력차(△P)에 의해서 차이가 날수 있지만 비율은 반반정도로 추정됩니다.

에너지 회수량은 조건에 따라 다르지만 응축수의 현열만 사용한다고 가정할 때 ;

가정 1)

스팀트랩에서 응축수 탱크로 유입되면, 대기 벤트에 의해서 재증발증기가 빠져나가고 최대 90℃의 온도가 유입됩니다

가정 2) 현재 급수온도가 20℃ 짜리가 유입된다고 가정하고,

가정 3) 급수량을 1,000 kg/h 이라 한다면

급수와 응축수에 따른 에너지 절약비용은,

Q = M * Cp * (T2-T1) = 1,000 ㎏/hr * 1 Kcal/㎏·℃ * (90-20)℃ = 70,000 Kcal/hr
    M : 피가열체의 무게
    Cp: 피가열체의 비열

보일러 효율을 90%로 가정하여(일반적으론 70~80%), 저위발열량이 9,750 Kcal/L 이라면, 보일러 효율을 곱합니다. (0.9)

그러므로, 효율이 계산된 저위발열량이 9,750 Kcal/L * 0.9 =8,775 Kcal/L 가 됩니다.

벙커-C유 절감 량 ; 70,000 Kcal /hr ÷ 8,775 Kcal/L = 7.98 L/hr

상기 절감 량에서 벙커-C유 단가를 곱하고, 그 금액과 1년가동시간을 곱하면 됩니다.

 

◎ 고정 오리피스식 응축수 배출장치인　O-TRAP 이란?     O-TRAP 은 기존의 Steam Trap 처럼 작동 밸브를 사용하지 않고, 드레인 량에 맞는 크기의 원형 구멍의 개구면적을 설계하여 드레인 만을 배출시키는 구조의 획기적인 응축수 배출 장치입니다. 작동 밸브가 없어 구조가 단순하기 때문에, 고장이나 증기 누출이 발생하지 않고, 대용량의 드레인에도 소 구경으로 대응할 수 있는 것이 특징입니다.       O-TRAP (고정 오리피스 타입 스팀트랩)은 엔지니어링 된 응축수 연속 배출 장치입니다. O-TRAP은 증기 손실을 최소화하면서 공기, 응축수 및 기타 모든 비응축성 가스를 배출합니다. 최대 열효율로 응축수 부하를 배출하기 위해 특정 응용 분야에 대해 고정 오리피스 크기(Size)가 계산됩니다. 배출되는 뜨거운 응축수의 약 10~25 %가 일정한 압력 강하로 오리피스의 하류 측에서 증기로 재증발 합니다. 이 재증발 효과는 포화 증기의 흐름을 더욱 제한합니다. 실제 조건에서는, 최소 비율의 증기가 응축수와 함께 배출되는데, 이는 응축수에 비해 증기의 부피가 상대적으로 크기 때문입니다.     O-TRAP 은 움직이는 부속품이 전혀 없어 고장나지 않기 때문에 모든 압력에서 적용 할 수 있으며, 스팀 트랩으로써의 수명이 거의 반 영구적입니다.   참고 사이트 : https://blog.naver.com/tjchung/222235185082

 

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    Tel : 070-7747-8290

E-Mail : tjchung@naver.com 

           tjchung@daum.net 

   URL : http://k.o-trap.cn