이상적인 증기 시스템(증기설비)의 설계 방법과 주의점 정리(병원 증기 시스템 예)

이상적인 증기 시스템(증기설비)의 설계 방법과 주의점 정리하였습니다 (병원 증기 시스템 예).

병원의 예라고 하였지만~, 증기(스팀)을 사용하는 곳이라면 어느 곳이나 해당되는 내용들 입니다.

 

1) 개요

증기는 우리 생활에 필수적인 열매체입니다. 화력발전소의 발전용 동력원 및 제조업·빌딩·병원 등의 가열 공정 등에서 이용되는 가열용 열원으로서 넓고 대량으로 사용되고 있어 우리의 생활을 지탱하고 있습니다.

증기가 사용되는 장점은 세 가지가 있는데 첫째, 다른 가열방법에 비해 안정적이고 균일한 가열이 가능하다는 점이다. 둘째, 증기에 의한 가열은 응축을 수반하므로 전열 효율이 매우 높고, 피가열물을 빠르게 승온할 수 있다는 점이다. 세 번째로, 증기는 보유 열량이 크고, 응축 드레인도 아직 충분한 열량을 가지므로 회수·재이용에 적합하다고 하는 점입니다.

그러나 한편, 그 사용 방법에 의해서 증기 시스템의 안전성이나 생산물의 품질, 설비의 생산성, 에너지 코스트가 크게 좌우됩니다.

이곳에서는 증기의 뛰어난 특성을 살리기 위해 증기 시스템이 안고 있는 문제·과제와 그 원인, 대책과 개선 사례에 대해 포인트를 파악하면서 소개합니다.

 

2. 증기시스템의 문제·과제

증기 시스템의 문제·과제와 개선 포인트를 설명하기 위해 병원을 예로 설명하겠습니다.

증기를 사용하는 병원의 증기시스템의 예를 그림-1에 기재했습니다.

지하층이나 옥상에 설치한 보일러로 연수를 가열해 증기를 발생시키고 있습니다.

증기는 배관을 지나 병원내의 각종 설비로 송기됩니다. 증기 이용 설비는 공조설비, 흡수식 냉동기, 온수조, 온수용 열교환기, 오토 클레이브, 가습기, 열풍건조기 등 다양합니다. 발생한 드레인(응축수) 들은 배수되거나 다시 보일러에 수거(응축수 회수)해 재활용 됩니다.

이것들을 증기의 발생으로부터 회수까지 사용되는 모든 기기·배관을 포함해, 증기 시스템이라고 부르고 있습니다.

【리넨실, (병원•호텔 등의) 시트(sheet)•베개 커버•수건 등을 보관하는 방.】

 

그림1-병원증기시스템-예

2-1 배관 내의 「증기의 질」 문제

증기의 질은 잘 알려져 있지 않지만 크게 불순물과 건도 의 두 가지 문제가 있다.

 

2-1-1 불순물

첫 번째는, 증기 중의 불순물이다. 증기 자체는 물을 증발시킨 것으로 청정한 기체로 생각할 수 있지만 실제로는 보일러 급수에 첨가되는 보일러의 청정제나 배관 내의  녹・스케일(배관 내 석출한 무기염류), 공사 직후 쓰레기 등이 포함된다.

증기 중에 포함되는 불순물은 배관이나 기기를 폐색(막힘)시키거나 또 “사진-1” 과 같이 제어밸브 등의 접동부에 퇴적되어 움직임을 저해하거나 시트부의 에로젼(침식)을 발생시키는 경우가 있다.

이러한 배관이나 기기, 제어밸브 등의 내부에서 불순물에 의해 일어나는 현상이 원인이 되어, 가열을 저해하거나, 증기압력을 변동시키는 등 증기시스템의 다양한 트러블로 이어진다.

또 직접가열설비(오토 클레이브 등 증기와 피가열물이 직접 접하는 가열방식)에서는 증기 중의 불순물이 그대로 피가열물의 표면에 부착되기 때문에 품질이나 위생상의 문제가 발생한다.

 

 

 

2-1-2 건도 (건조도)

     두 번째는 건도입니다. 증기는 물이 증발한 기체이며, 이상적으로는 증기 배관 안이 완전히 기체로 100% 채워지는 것이 바람직합니다. 이 상태를 건도 100%라고 부른다. 그러나 실제로는, 증기 중에는 일부의 이미 응축해 버린 증기가 미세한 안개 상태의 액체로서 포함되어 있으며, 게다가 증기가 목적지에 도달할 때까지 배관으로부터의 방열로 이 안개 상태의 액체인 드레인의 양은 증가해 간다. 안개 모양의 드레인 물방울은 점차 배관 바닥부에 고여(쌓여) 액층으로서 증기 배관 내의 하부를 흐르게 된다. 이와 같이 배관 내의 기체 비율이 떨어짐에 따라, 건도가 저하된 상태라고 한다.

건도의 저하에 의해 간접 가열 용도(자켓 솥 등 열교환기를 사용하여, 증기와 피가열물이 직접 접하지 않는 가열 방식)에 있어서는, 가열 효율의 저하를 일으킨다.

서두에 언급했지만, 증기 가열은 응축 전열을 이용하는 것에 가장 큰 이점(메리트)이 있습니다. 증기의 건도가 떨어지면, 증기 중의 드레인에 의해 열교환기의 전열면에서의 전열이 저해되어, 가열 효율을 떨어뜨린다(저하시킨다).

또한 직접 가열 용도에 있어서는, 물방울이 피가열물의 표면에 부착됨으로 인한 품질·위생상의 문제를 들 수 있다.

또한 드레인 물방울이 증기 배관 내를 흐르면, 드레인 어택에 의해 배관 내벽을 깎아내어, 구멍이 뚫린다.

또한, 제어 밸브 등의 시트부의 에로젼(침식)을 발생시킨다.

 

 

또한, 그림-4와 같이 증기 배관 내의 드레인 덩어리가 배관의 엘보나 말단에 충돌하면, 매우 큰 충격을 주는 워터 해머가 발생하는 일이 있어, 설비의 파손이나 인명 사고로 이어질 위험이 있다.

 

 

2-2 증기 시스템에 있어서의 과제

병원에서는, 건물의 구조상, 증기 배관이 세로 방향으로 시공되는 부분(개소)가 많고, 또한 비교적 저압의 증기가 사용되는 것이 특징입니다. 이러한 시설에서 잠재적인 과제가 되고 있는 주제 2가지를 소개합니다.

 

2-2-1 스톨 현상

스톨 현상이란, 증기사용장치로부터 드레인이 정상적으로 배출되지 않는 현상을 말합니다. 영어 스톨(Stall)에는 멎다, 멎게 하다, 정지라는 의미가 있으며, 증기 사용 장치에서는 드레인의 흐름이 멈추는 것을 의미합니다.

스톨 현상은 병원 시설에서는 공조 설비 등에서 일어나기 쉽지만, 히터의 온도 저하나 천공(구멍뚫림), 워터 해머 발생 등이 나타나지 않는 한, 많은 사람들이 이 문제를 간과하기 쉽지만, 문제가 표면화되지 않아도 잠재적인 문제가 2가지 존재하고 있을 가능성도 있습니다. 첫 번째는 피가열물질의 온도 불균일 입니다. 스톨 현상에 의한 드레인의 체류에 의해 히터 상부와 하부에서 온도차가 발생합니다. (그림5)

 

 

두 번째 문제는 장치 그 자체에 부정적인 영향(악영향)입니다. 드레인이 체류한 히터 내에, 고온 증기가 흘러 들어가면 증기의 급응축에 의한 워터 해머가 일어나, 결국 히터를 파손시킵니다.

또, 히터가 고온과 저온을 반복하는 히트 사이클에 의해 열 피로를 일으켜 용접부의 균열이나, 드레인 체류에 의한 부식으로 코일에 구멍이 뚫리는 등의 트러블도 있습니다.

이러한 트러블은 장치의 운전 정지에 의한 생산 기회의 손실이나, 고액의 수리비 발생 등 막대한 비용 손실로 이어집니다.

 

2-2-2 저압 드레인의 미회수

증기 사용 후에 발생하는 드레인은 아직 많은 열을 유지하고 있으므로 회수하여 재이용해야 합니다. 그러나 병원처럼 비교적 저압 증기를 사용하는 시설에서는 드레인 압력도 낮기 때문에 보일러 급수탱크까지 회수해·재이용하는 것을 포기하고 있는 곳도 많습니다. 드레인을 그대로 폐기해 버리면 열·수자원의 손실 외에 김으로 인한 작업 환경의 악화의 문제도 일어날 수 있습니다. 또 과거에 드레인 회수를 실시했을 때, 드레인 회수관에서의 워터 해머나, 드레인 발생 설비에서 가열 불량이 일어나는 등, 드레인 회수에 의한 트러블을 경험하고 있는 예도 많았을 수 있습니다. 그런 경험을 하신 분들께서는 드레인 회수를 해서 문제를 일으키는 것보다는, 저압 드레인은 에너지 절약하지 않고 배수하는 것이 안전하다고 생각해 버리는 것도 무리는 아닐 수도 있었을 것 입니다.

 

 

3-1 배관 내의 「증기의 질」 문제

「증기의 질」을 좌우하는 것은 “불순물과 건도” 라고 지적했었는데, 각각 질이 악화되는 원인을 알아 보겠습니다.

 

3-1-1 불순물

증기 중에 불순물이 포함되는 원인은, 주로 2가지이며, 첫번째는 신설공장·배관에 처음으로 증기를 통과했을 때의 금속의 절단자재 등의 쓰레기입니다. 증기 공급 전에 적절한 플러싱을 수행하여 제거해야 합니다. 두번째는 배관 내에서 발생하는 녹이나 스케일입니다. 철제 배관에서는 배관 내 표면에 녹이 발생하고 그것이 증기와 함께 흘러갑니다. 스케일은 보일러수에 포함되는 칼슘이나 마그네슘에 기인하는 물질로, 배관내 표면에 점차 석출·체적해, 압손을 증가시키는 것 외에 불순물로서 증기 중에 흘러가는 일이 있습니다.

 

3-1-2 건도 (건조도)

증기 중의 건도가 저하되는 원인으로서, 이쪽도 원인은 2가지 있습니다. 첫 번째는 배관으로부터의 방열 등에 의해 증기 배관 내에서 발생하는 드레인이 많아지는 경우입니다. 그리고 두 번째는 증기 배관에서 발생합니다.

드레인이 제대로 제거되지 않은 것이기 때문입니다. 구체적으로는, 증기 배관의 스팀 트랩의 선정 불량이나 막힘 불량, 스팀 트랩의 설치 개소가 부적절 등으로, 드레인을 배출해야 하는 개소에서 배수가 되지않고, 그대로 증기와 함께 배관내를 흐릅니다(그림-6 ).

 

3-2 증기 시스템에 있어서의 과제

3-2-1 스톨 현상

스팀 트랩이 정상이더라도 스톨 현상은 일어나고 맙니다. “스팀 트랩의 작동 조건”은 입구와 출구에서 일정 차압이 확보되어 있는 것이지만, “스톨 현상”은 이 상태가 확보되어 있지 않은 상태입니다. 이런 일이 발생하기 쉬운 상황으로서는, 온도 제어되고 있는 피가열물의 설정 온도가 낮고, 설비의 전열 면적이 필요 열량에 대하여 과대한 경우입니다.

스톨 현상의 발생 메카니즘을 이해하기 위해, 그림-7에서 공조기를 예로 설명합니다.

아래에 순차적 설명~;

공조기를 가동하여 증기를 공급하기 시작하면 점차 공기(에어)의 온도가 올라갑니다⑴. 온도 센서로 승온을 감지해 증기 입구의 제어 밸브의 개도는 좁혀집니다. 한편, 에어 히터 내의 증기는 열을 빼앗겨 점차 내압이 내려갑니다. 내압이 내려가면 히터 출구의 스팀 트랩 전후의 압력차가 감소하고 ⑵. 그 결과 드레인은 스팀 트랩으로부터 배출되지 않고 코일 내에 체류합니다 ⑶. 이것이 스톨 현상의 발생 원인입니다.

그 후, 공기(에어)의 온도가 내려가기 시작하고, 온도 센서가 감지하면, 제어 밸브가 거기에 맞추어 개도를 크게 하고, 히터 내의 증기 압력이 상승함으로써 스팀 트랩에서 드레인이 배출되며, 다시 설정 온도로 상승 따뜻해 집니다 ⑷.

이 일련의 사이클을 반복함으로써 워터 해머와 천공(핀홀)이 발생합니다.
즉, 스톨 현상은 '「트랩의 작동차압(트랩 전후의 압력차)이 없어져, 트랩에서 응축수가 배출이 되지 않고 열교환기 내에 정체 해버리는 현상」'입니다. 스톨현상으로 인해, 드레인 체류가 되어 그로 인해 부식이 발생하여 동파이프 핀홀, 크랙이 발생 하여, 특히 동파이프 끝부분에서 많이 발생하여 히터(열교환기)의 수명이 짧아진다는 것입니다.

 

“스톨 현상"이라는 것은 그 밖에도 설계 초기에 문제없이 잘 운영되었더라도, 가동 상황 변화에 따라 발생할 수 있으며, 트랩의 2차 측에 배압이 걸리는 경우 등 다양한 상황에서 발생할 수 있습니다.

귀사에서 이러한 현상으로 어려움을 겪고 계시다면 부디 부담 없이 상담해 주십시오.

 

3-2-2 저압 드레인의 미회수

왜 저압 드레인을 회수할 수 없는지를 설명하기 전에, 먼저 드레인 회수에는 어떤 방법이 있는지를 설명합니다.

드레인 회수에는 크게 2가지가 있습니다. 하나는 “오픈 회수”라고 불리며, 스팀 트랩에서 배출되는 드레인을 직접 급수 탱크로 회수하거나 일단 대기압 탱크에서 받은 후 펌프에 의해 급수 탱크 등으로 회수하는 방법입니다 (그림8).

 

증기 사용 장치 내에서 발생한 드레인의 온도는 통상 증기의 포화 온도에서 100℃ 이상이지만, 오픈 회수의 경우, 드레인의 압력을 대기압, 즉 100℃ 이하로 낮춘 후 회수하는 방법을 취합니다.

회수관에 배압이 걸리지 않기 때문에, 다른 장치에 미치는 영향이 적지만, 100℃ 이하의 온도에서 만 회수할 수 있고, 그 이상의 열량은 김으로 버리게 되어, 열 회수량이 그다지 크지 않다는 약점도 있습니다.

두 번째 방법은 클로즈드(폐쇄) 회수라고 불리며, 드레인에 압력이 가해진 채 급수 탱크를 경유하지 않고 보일러에 직접 급수하는 방법입니다 (그림9)

 

드레인을 고온 고압인 채로 회수할 수 있으므로 회수 열량, 즉 에너지 절약 효과가 큽니다. 또한 드레인이 대기에 닿지 않기 때문에 드레인의 용존 산소량이 올라가지 않아 탈기 처리를 경감할 수 있고, 보일러 급수에 약제 투입량이 줄어드는 등의 메리트도 들 수 있습니다.

한편, 잘못된 기기 선정, 부적절한 기기의 사용이 있으면 다른 장치로부터 드레인이 빠지지 않게 되어, 회수관에서 워터 해머가 발생하는 등의 트러블로 이어져 버립니다.

 

일반적으로 오픈 회수 및 폐쇄 회수의 사용 구분은 드레인 압력으로 판단합니다. 대략 0.3 MPAG 이하의 증기압력이라면 오픈 회수, 그 이상이면 열 회수의 장점을 고려해  폐쇄 회수를 계획하는 것이 바람직합니다.

드레인이 저압일 경우 회수를 포기하는 경우가 많습니다. 저압 드레인 이라면 압력 대에서 판단하면 오픈 회수를 생각할 수 있지만, 사용 증기압력이 0.1 MPaG 이하가 될 때는 드레인 자체의 압력으로는 회수가 어려워지기 때문입니다. 이러한 경우에도 안전하고 효과적인 드레인 회수가 가능하며, 이 방법은 나중에 설명합니다.

 

 

4. 대책

4-1 「증기 질」의 개선

여기에서는, 지금까지 말해 온, 문제·과제를 개선하기 위한 대책에 대해, 각각의 원인별로 설명해 보겠습니다.

「증기의 질」을 개선하기 위해서, 불순물과 건조도에 대한 대책을 소개합니다.

 

4-1-1 불순물

불순물에 의한 영향을 줄이기 위해, 적절한 보일러 수처리나 증기 배관의 스테인리스화 이외에도, 기기 선정에 있어서도 대책이 가능하다 할 것입니다.

하나는 증기 용의 스트레이너 또는 필터입니다.

둘 다 이물질 제거를 목적으로 한 기기이지만 제어 밸브 등의 기기의 보호를 목적으로 한 것이 스트레이너이며, 유체의 청결성을 높이기 위한 장비가 필터입니다 (그림10).

필터로는 불순물을 제거하기 위해 금속제의 망 이나 금속 입자(알갱이)를 소결한 것을 이용하여, 여과 입도가 0.5㎛ 로 매우 미세한 불순물까지 제거할 수 있는 것도 있습니다.

또한 세척하여 반복 사용할 수 있는 것도 있습니다.

신설 공장·설비에 있어서는 금속편이나 쓰레기가, 배관등이 노후 된 공장에서는 녹과 스케일이 혼입되기 쉬우므로 필터(여과기)는 필수 불가결 합니다.

또한 기수분리기(세퍼레이터)라고 불리는 기기도 있습니다.

증기 중에서 드레인을 제거하는 것이 목적으로, 후술하는 건도 향상을 위해 사용됩니다.

기수분리기(세퍼레이터)는 내부에서 증기와 증기 중에 포함되는 드레인이나 불순물을 분리합니다. 분리 효율을 높이기 위해서 증기를 선회시켜, 원심력으로 강제분리 시키는 방식이 유효합니다 (그림11).

 

 

4-1-2 건도

증기의 건도가 저하되면, 전술한 바와 같은 가열 효율의 저하로 이어진다. 또한 건도 저하를 방치하면 드레인 어택이나 워터 해머의 원인이 된다.

이를 방지하기 위해 증기 배관 중의 드레인을 적절히 제거해야 하며, 해결책은 위에서 설명한 기수분리기와 스팀 트랩입니다.

스팀 트랩은 드레인을 배수시키고 증기는 놓치지 않는 특수한 자동 밸브입니다.

증기사용장치뿐만 아니라 증기 배관에도 적절하게 설치함으로써 배관 내에서 발생하는 드레인을 배제할 수 있습니다. 그러나 스팀 트랩은 증기 중에 떠다니며 증기와 함께 흐르는 드레인들은 배제 할 수 없기 때문에, 배관의 에로젼(침식)의 걱정이 있는 곳에서는  바로 앞에 기수분리기(세퍼레이터)를 설치해야 합니다. 이러한 대책을 취함으로써 건도 저하를 방지하고 리스크를 경감시킬 수 있습니다.

또한 직접 가열 설비에 있어서는 피가열물의 품질면이나 위생면에서의 영향, 간접 가열 설비에 있어서는 가열 효율 저하 나 에로젼(침식)의 위험(리스크)을 줄일 수 있습니다.

기수분리기(세퍼레이터)는 제어 밸브의 출구와 가열 장치 사이에 설치하는 것이 최적이고, 분리된 드레인이 아래로 모이기 때문에, 그림10 스트레이너 및 필터 그림11 사이클론식 기수분리기(세퍼레이터) 하단에 스팀 트랩을 설치해야 합니다.

또한, 기수분리기(세퍼레이터)와 스팀 트랩, 감압 밸브가 일체화된 제품도 있어, 공간절약화에 효과적이다(그림12).

 

다음으로, 증기의 질을 고려한 증기 배관 설계에 대해 설명합니다.

 

증기 배관 중에는 반드시 드레인이 포함되어, 이를 제거해야 하는 것은 앞서 기술한 바와 같습니다. 이를 위해서는 드레인의 캐치에 적합하고 배제하기 쉬운 위치에 최적의 스팀 트랩을 설치할 필요가 있습니다.

드레인은 증기에 비해 비중이 큰, 즉 중력 방향으로 움직이기 쉬운 유체입니다. 또 무겁기 때문에 상향(위쪽)으로는 올라가기 어렵습니다.

증기 배관은 방열로 인해 드레인이 발생하기 때문에 증기 배관의 30~50m 간격으로 스팀 트랩의 설치가 필요합니다.

또한 상승 배관의 하부에도 반드시 스팀 트랩을 설치할 필요가 있다.

병원과 같은 시설에서는 증기배관이 횡(가로)방향뿐만 아니라 종(세로)방향으로도 시공되고 있어 건축 여건상 배관을 U자 모양(형상)으로 할 필요가 있는 곳도 있습니다. 그러한 현장에서는 그림13과 같이 드레인이 쌓이기 쉬운 부분(곳)에 스팀트랩의 설치가 필요합니다.

 

또한 굵은 수평 배관에 대해 직접, 가느다란 드레인 배출배관을 설치해 버리면(드레인 포트를 설치하지 않으면), 드레인이 가느다란 배관으로 들어가지 못해 그냥 직진 통과해 버립니다. 이러한 경우는 그림14와 같이 드레인 고임(포트)를 설치함으로써 해소할 수 있습니다. 매우 주요한 포인트 입니다.

이러한 대책을 강구함으로써 건도 저하를 방지하고, 워터 해머 등의 트러블을 미연에 방지할 수 있습니다.

 

 

4-2 증기 시스템의 최적화

4-2-1 스톨 현상

앞에서 설명한 스톨 현상으로 인해, 스팀 트랩의 입구와 출구의 압력차(ㅿP)가 없어졌을 때, 어떻게 드레인을 배출해야 되는지를 설명합니다.

열교환기 내에 응축수가 정체되어 있는 상태를 해소하고 싶은 것이기 때문에, '「트랩의 1차측 압력 小 〈 트랩의 2차측 압력 大」' 이라고 한다면, 응축수의 배출이 안되기 때문에 '「트랩의 1차측 압력 大 〉 트랩의 2차측 압력 小」' 이 되게 하면 배출 됩니다.

 

스톨 현상을 발생시키지 않는 대책은 아래와 같습니다.

▶ 첫 번째 조치는 고정 오리피스식 스팀 트랩(O-TRAP)으로 교체 설치한다

    → 오리피스식 트랩 "O-TRAP"은 소비증기=드레인 을 규정 압력으로 배출하도록 설계된 오리피스를 내장하므로 안정적으로 응축수를 배출시키기 때문입니다.

→ 이것은 스팀트랩 중에서도 가장 차압이 적어도 작동하기 때문입니다.

       증기 차압이 존재하는 한, 응축수를 지속적으로 배출 시키기에 가장 적합한 트랩이다.

 

 

 

 

(참조 사이트: ⑴ https://blog.naver.com/tjchung/221051929764 

                     ⑵ https://blog.naver.com/tjchung/221355459644  

                     ⑶ https://blog.naver.com/tjchung/220091042578 

                     ⑷ https://blog.naver.com/tjchung/222017735566

                     ⑸ https://blog.naver.com/tjchung/222247898388

 

▶ 차선책으로, 예전 방식인 기존의 펌핑트랩 사용만을 고집하는 경우에는, 펌핑트랩(파워 트랩=메커니컬펌프=오그덴펌프) 이나 진공 펌프 등으로 강제적으로 드레인을 배출한다. → 이 방법으로 해결되지 못하는 곳도 많다. (즉, 펌핑 트랩을 도입하는 방법: 그림 15).

 

 

이것은 부압의 드레인이 자중으로 펌핑트랩(메카니컬펌프=오그덴펌프)내로 흘러내려 일정량이 쌓이면 내부의 플로트가 떠올라 밸브를 교체하고 외부로부터 공급하는 증기나 공기의 압력에 의해 강제적으로 드레인을 배출하는 장치입니다. .

또한 스팀 트랩 기능이 있는 펌핑트랩(메카니컬펌프=오그덴펌프)를 설치하면 차압(ㅿP)이 확보되어 있을 때는 스팀 트랩 으로서의 작동, 차압(ㅿP)이 없을 때에는 펌프로 작동하여 에어 히터(또는 AHU) 등의 열교환기 내부에 드레인을 체류시키지 않고 운전할 수 있습니다.

펌핑트랩(메카니컬펌프=오그덴펌프)의 설치는 증기 사용 장치마다 설치해야 합니다. 그러나, 공조기가 여러대 있는 현장도 많아, 이러한 경우에는, 진공 펌프를 사용함으로써 여러 공조기로부터의 드레인을 동시에 배수할 수 있습니다. 스팀 트랩의 출구측 라인을 대기압 이하로 진공으로 끌어내어, 강제적으로 스팀 트랩 입구부와 출구부에 차압(ㅿP)을 만들어, 공조기 내의 드레인 체류를 방지할 수 있습니다.

 

 

4-2-2 저압 드레인의 미회수

사용하는 증기 압력이 낮고, 스팀 트랩에서 배제되는 드레인을 자압으로 회수처까지 드레인을 보낼 수 없는 경우에는 전술한 펌핑트랩(메카니컬 펌프=오그덴펌프)를 사용한다.

펌핑트랩(메카니컬 펌프)는 스톨 현상의 대책뿐만 아니라, 저압 드레인의 회수에도 이용할 수 있습니다.

고압 증기나 공기에 의해 드레인을 압송하기 때문에, 현장에 전기 계통이 없고, 전기를 사용할 수 없는 장소에서도 드레인 회수를 할 수 있습니다.

설치 면적도 차지하지 않기 때문에, 유틸리티나 스페이스에 제한이 있는 경우에서도 사용 가능합니다.

전동의 소용돌이 펌프를 사용하여 드레인 회수를 하면 드레인의 온도에 따라서는 드레인이 펌프 내에서 기화되어 캐비테이션이라고 불리는 문제가 발생할 수 있습니다.

이 현상이 계속되면 펌프가 파손되어 드레인을 압송 할 수 없게 됩니다. 이 소용돌이 펌프를 대체하는 것은 드레인 회수 전용의 제트 펌프입니다. 제트 펌프는 이젝터에 의해 드레인을 가압하여 펌프로 보내기 때문에, 고온 드레인이라도 캐비테이션은 일어나기 어렵습니다.

 

 

5. 개선 사례

마지막으로, 지금까지 설명한 문제·과제에 관해서, 실제의 해결 사례를 소개하고 싶다.

 

5-1  기수분리기 의 도입 사례

한 병원에서는 증기로 가습하는 타입의 에어 핸들링 유닛이 사용되었다. 조습용 제어밸브의 내부 누출이 빈발하고 있어 과도하게 수증기가 공급되어 버렸을 때에는 '수술실이 난리났다'는 일도 있었다고 한다.

 

특정 위치의 제어 밸브가 자주 고장 나면 주변 상황에 문제가 있다고 생각됩니다. 이때는 조습용(調湿用) 증기배관의 스팀트랩이 막혀 고장을 일으키고 있어 증기의 건도 저하, 그에 따른 드레인에 의한 제어밸브의 시트부의 에로젼이 원인으로 추정되었다.

대책으로서, 우선은 스팀 트랩을 갱신(교체)하고, 드레인 체류를 방지하고, 제어 밸브에 있어서의 에로젼 발생 리스크를 저감시켰다. 이러한 개선은 조습용(調湿用) 제어 밸브의 내부 누설 빈도를 크게 감소시켰다.

또, 수술실과 같은 중요성이 높은 장소의 에어 핸들링 유닛(AHU)에는 기수분리기 필터를 제어 밸브 앞에 설치하고, 가습용 증기는 건도가 높고 불순물이 없는 상태로 공급할 수 있도록 개선을 실시하였다.

 

5-2 진공 펌프의 도입 사례

     어떤 병원에서는 60대의 공조기(AHU)를 사용하고 히터 내부의 천공이 빈발하고 있다고 상담이 있었다.

이야기를 들어보면, Reheater (공조기 내부의 온도 관리용 가열 코일)로 핀홀로부터의 누설이 빈발하고 있어, 그때마다 히터를 교환해 주고 있었다.

교환 1회에 80~90만원 걸렸고, 일부의 공조기는 연구 설비용으로 사용하고 있었기 때문에 간단하게 멈출 수 없었으며, 매우 곤란해져 있었다.

천공의 원인은 드레인 체류로 인한 부식입니다. 공급 증기 압력은 0.2MPaG이지만, Reheater 의 제어 온도는 23℃로, 공조기의 드레인 출구가 차가운 상태였다. 압력계를 설치하고 확인하면 -40kPaG와 상당한 진공으로, 스톨 현상 대책이 불가피한 것이 판명되었다.

60대의 설비가 있었기 때문에, 복수의 설비를 접속할 수 있는 진공 펌프를 도입하고, 스팀 트랩의 출구측을 -80kPaG까지 압력을 내렸다. 드레인이 Reheater 로부터 빠져 펌프측으로 회수된 것을 확인하였다.

그 결과, 핀홀 발생 빈도가 대폭 감소하여 수리 빈도 및 비용 절감으로 이어졌다.

 

 

6. 결론

  이곳에서는 증기 시스템의 문제·과제를 해결하는 기술을 소개하기 위해 병원의 설비를 예로 문제와 원인, 그리고 유효한 대책에 대해 설명했습니다.

바르게 증기를 사용하면 높은 생산성·품질의 향상, 그리고 에너지 절약에도 연결된다는 것입니다.

 

     키워드: 증기의질, 증기건도, 증기스톨현상, 증기워터해머, 증기드레인회수

      Key Word : steam quality , steam dryness , stall phenomenon , water hammer , condensate recovery

● Main Reporter：HIROKI HASHIZUME CES Center, TLV CO., LTD.

 

 

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