◈ 공조기 코일 파손 발생원인
⑴기존스팀트랩에서의 응축수배출이 원할치 못해, 워터해머 발생으로인한 코일파손발생.
⑵증기 차압(ΔP)이 없어서 응축수 정체(스톨현상)로 인한 워터해머발생해 코일파손발생.
⑶자동제어밸브 사용환경에서의 목표온도 도달시, 그 부근(운전정지부근)에서 차압(ㅿP)부족으로인해, 스팀트랩의 응축수배출 역할부족원인으로 워터해머 발생해 코일파손발생.
⑷증기를 사용하는 열교환기의 능력에 비해 부하가 매우 적은 상태에서 운전되는 경우,열교환기 내부에서 부압(마이너스 압력)이 발생할 수 있으며, 이에 따라 코일파손발생.
즉, 필요 증기량을 정격용량으로 공급해 줘야하는데, 증기코일의 능력에비해 부하가 매우 적은 상태에서 운전되고 있다면, 공조기 코일 내부에서 부압(마이너스 압력)이 발생합니다.
◎ 종합 : 워터해머 및 스톨현상, 부압발생 원인으로, 코일손상발생 확률이 매우 높습니다.
◈ 응축수를 제거하는 이유와 제거하는 방법
응축수가 배관중에 있으면, 증기이송을 방해하며, 워터해머현상이 일어날 확율이 크며, 워터해머가 발생하면 배관이나 기계가 손상될 수 있습니다.
배관에 응축수가 차있으면 배관이나 장비와 부속등의 부식도 빨라집니다. 또한, 증기 사용처에서 증기와 함께 응축수가 나올수 있어서 증기잠열을 사용하는데 효율이 많이 떨어지는 등등 문제가 많아집니다. 그래서 스팀트랩이나 기수분리기를 사용해서 증기와 응축수를 분리하여 제거하는 것입니다.
증기사용 시스템에서 워터해머 및 스톨현상 발생을 억제하는 가장 일반적인 방법은, 스팀트랩이나 기수분리기를 이용해 응축수를 제거하는 것 입니다.
◈ 공조기 코일 파손이 빈번하게 발생하는 근본원인 및 해결에 대한 검토.
증기공급계통에서 각 지역으로 수송될 때 중간에 에너지를 잃게 됩니다. 수송거리가 멀 경우, 압력손실도 발생합니다. 압력이 저하하게되면, 일부가 증기중에 더욱 수분이 되어 이송될 가능성도 있습니다. 이런 경우의 상태를 습증기 라고 부릅니다. 이런 습증기를 건증기로 유지하기위해서는, 적정한 위치에 기수분리기나 드레인포트(트랩포트)와 스팀트랩을 설치해 응축수를 분리/제거합니다.
『보일러→증기배관→증기헤더→증기배관→기수분리기→감압밸브→증기배관→열교환기(공조기코일)→스팀트랩→드레인 회수 시스템』 계통에서 필요증기량 에 알맞는 증기배관 선정을 하지않고 작은 관경을 설치할 경우(=공급열량이 매우 작을 경우), 공조기 코일 내부에서도 부압(마이너스 압력)이 발생할 수 있다는 것입니다.
부압(負圧, 마이너스압)과 워터해머 발생하면, 공조기열교환기튜브가 파열될 수 있습니다.
일반적인 워터해머 및 스톨현상 발생원인은, 차압(ㅿP) 부족등에 의한 응축수 정체로 인한 것 입니다.
따라서 일반적으로는 기존 스팀트랩을 고정오리피스식 트랩인 O-TRAP 으로 교체설치하거나, 펌핑트랩(파워트랩, 메커니컬펌프, 오그덴펌프)이나 진공 펌프 등으로 강제적으로 드레인을 배출시켜주어 해결을 합니다.
그러나, 위에 나열한 발생원인 ⑷항에 대한 해결책은, 증기시스템 상의 히트밸런스(Heat Balance)에 관한 사항이므로, 이를 근본적으로 대응하여 개선하지 않으면 안될 것입니다.
흔하지 않으나, 설계 미스이거나 간혹 공사비를 아끼려 했는지 모르겠으나, 증기압력과 배관구경에 따른 포화증기 통과량을 간과 또는 무시한 채, 작은 구경의 배관을 설치하는 경우가 있습니다.
아래에 모 바이오 업체에서의 발생한 건에 대한 실 내용을 소개해 드리겠습니다.
공조기의 최대 열소비량 275,000 kcal/hr
공급(사용)하는 포화증기압력은 2 kg/㎠·G (2k의 잠열은 516.88 Kcal/kg)
열소비량 275,000 kcal/hr을 2 kg/㎠·G의 증기량으로 환산하면 532.04 kg/hr 입니다.
포화증기압력 2 kg/㎠·G, 증기통과량 532.04 kg/hr 을 만족시킬 수 있는 배관구경은 80A 여야 합니다. 그런데, 업체 현장에 설치된 배관경은 40A 였습니다.
이곳의 공조기에서는 부압(마이너스압력)발생하고, 워터해머가 발생하고, 공조코일손상이 자주 발생하여 곤란을 많이 격고 있었습니다. 스팀트랩 교체등 여러가지 노력을 하였으나, 허사였고, 부압발생 원인 파악도 하지 못하고 있었습니다.
아래에서 배관구경 계산을 해 보이겠습니다.
▣ 공조기 최대 열 소비량 시간당 275,000㎉/h
Q = 275,000 ㎉/h, 사용증기압력 2㎏/㎠, 잠열 516.88 ㎉/㎏, 2㎏/㎠ 비용적= 0.603 ㎥/㎏
증기 필요량 : 275,000 ㎉/h / 516.88 ㎉/㎏ = 532.04 ㎏/h ≒ 550 ㎏/h,
V = 증기유속( m/s), V g = 증기의 비용적(㎥/㎏)
= 68.52 mm ≒ 80A
◎보일러 증기압력 7 ㎏/㎠, 증기량 550 ㎏/h 의 배관구경계산
= 43.57 mm ≒ 50A
공조기 최대 열 소비량 시간당 275,000㎉/h이므로 사용증기압력 2㎏/㎠이기에 증기 필요량은 약 550 ㎏/h이어서 배관구경은 80A 여야 하나, 40A 로 시공되어 있어서, 필요증기량 에 맞지않게 너무 작은 관경을 설치되어 있습니다. 능력이 큰 장치에 이처럼 공급열량이 매우 작게 공급되면, 부하가 너무 적어서 즉시 응축되어, 공조기 코일 내부에서 부압(마이너스 압력)이 발생할 수 있다는 것입니다.
증기가 코일에 들어 갈때에, 증기가 정격용량보다 소량이기에, 증기 전량이 바로 응축/액화 되어 버려, 코일내에는 부압이 될 수도 있기 때문에 이를 두고, 즉 증기가 흐르고 있지 않다고 섣부른 판단을 할 수 있으나, 결코 그렇치 않다는 것입니다.
증기압은 100℃에서 대기압이며, 게이지압력 으로는 0 kg/㎠ 입니다. 열교환기 내부(=공조기 가열코일 내부)는 100℃ 이하가 되면 게이지압력은 마이너스 입니다.
일상적인 자연현상입니다. 열교환기 내부(=공조기 가열코일 내부)가 증기만으로 채워져 있는게 아니라, 응축수가 상당한 수위로 되어 있습니다. 최대 부하때는 증기가 많이 공급되어 100℃ 이상이 되면, 플러스 압력이 되지만, 일반적으로 부하가 그리 크지 않은 경우가 많기 때문에 이런 경유 즉, 부하가 적은 경우 는 대부분 부압(마이너스압력) 이 됩니다.
드레인이 체류한 히터(코일) 내에, 고온 증기가 흘러 들어가면 증기의 급응축에 의한 워터 해머가 일어나, 결국 히터를 파손시킵니다. 즉, 히터가 고온과 저온을 반복하는 Heat Cycle에 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 이어지게 됩니다.
이를 개선하고 싶은 경우 ⇒
①필요증기량을 충분하게 통과할 수있도록 구경을 선정한 증기배관으로, 보일러에서 생산한 증기압력 원압을 그대로 증기헤더를 경유하여 사용증기설비(공조기)에 최대한 가깝게 수송해 와서, 거기에서 감압을 하여 공조기로 공급을 하는 것을 추천합니다. (보일러에서 넘어오는 캐비테이션, 미스트 습분 등을 증기헤더에서 일차적으로 분리/배출시키며, 보일러에서 생산된 증기압력(원압) 그대로 수송하는 경우의 배관직경은, 감압시킨 2 kg/㎠·G 의 배관경보다 작은 직경으로 수송할 수 있을 것이기에 배관비용도 절약할 수 있을 것이며, 그에따른 방열손실도 절감될 것입니다.) 수송 거리에 따른 감압손실도 줄일 수 있을 것입니다.
② 2 kg/㎠·G으로 감압시킨 후, 설계 배관 직경보다 작은 직경의 배관을 설비했던 것을 변경 교체없이 그대로 사용한다면, 공급증기압 설정을 높은 압력으로 승압하는 방법도 있습니다. (감압 밸브의 조정뿐이나, 현장 증기 FLOW를 정확히 파악하여 판단해 실시해야 합니다.)
어느 정도의 압력으로 해야, 공조기 코일 (아마도 구리제품)이 괜찮을지? 확인이 필요할 것 이라고 생각합니다.
⇒ 현장에 설치된 상황을 살펴보아, 증기 헤더에서의 사양상의 압력이 0.2MP(2kg/㎠·G) 이기 때문에, 증기 헤더로부터 2 kg/㎠·G 의 증기를 수송함에 있어서 압력손실 발생(증기공급량이 더욱 줄어듦)은 물론, 현재 설치된 구경도 너무 작기 때문에 정격 증기통과량을 커버할 수 있는 배관구경으로 교환 설치가 필요하다고 판단됩니다.
검토없이 공급증기압력만 높힐경우, 코일손상 및 증기에너지 손실등을 초래할 수 있습니다.
따라서, 증기배관 FLOW도면을 정확하게 작성하여, 공정 에너지 밸런스에 맞도록 증기통과량에 맞는 배관구경을 설치함과 동시에 고정오리피스식 트랩 O-TRAP 을 함께 설치 활용하면, 생증기 누출없이 응축수를 분리배출시켜, 워터해머 및 스톨현상없이 공조기를 가동시킬 수 있을 것입니다. 이에 따라 공조기 코일 손상이 빈번하게 발생하지 않을 것입니다.
즉, 요약하자면, 증기 시스템에서 설비용량(필요증기량)에 알맞는 증기배관 구경선정을 하지 않고 매우 작은 관경의 배관을 설치할 경우 부하가 너무 적어서, 공조기 코일 내부에서 부압(마이너스 압력) 발생을 초래할 수 있으니, 설비의 필요증기량에 알맞는 배관 구경 선정해 설치할 것 권합니다.
O-TRAP 관련 홈페이지 : http://k.o-trap.cn
O-TRAP 관련 E-mail 문의처 : tjchung@naver.com
O-TRAP 관련 Tel 문의처 : 070-7747-8290
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