응축수 회수 배관(드레인 환수라인)에서 심한 워터해머 발생 원인과 대책에 대해서 살펴보겠습니다

◈응축수 회수관에서의 워터해머 로 인한 발생으로 주민 민원 해결이 시급해 분석해 봄.

​현황⑴보일러 증기압력은 5kgf/㎠·G, 사용증기압력은 2kgf/㎠·G

(지하4층의 보일러실헤더→18층으로 증기 이송, 이송 거리는 약 65m, 증기수송배관직경 ? A, 증기압력손실 ? kgf/㎠·G 예상 됨, 감압변을 거쳐 2 kgf/㎠·G, 사용증기압력은 2kgf/㎠·G, 스팀트랩을 통해 응축수 배출, 응축수 회수배관 직경 50A, 응축수 회수관 약 50m 수평 이동 후, 지하4층으로 자연 낙하)

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현황⑵응축수회수관은 약50m정도의 긴 굴곡 배관이며→배관이 꺽인부분에서 워터해머 많이발생.

이러한 워터해머 발생으로 인해 위/아래 층 주민들로부터 민원이 발생.

현황⑶열교환기의 코일 파손 발생으로 인해 수리하기도 함.

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종합 : 현재 응축수 회수관에서의 심한 워터해머 발생으로 인해, 주민의 민원 해결이 시급함.

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응축수 회수관 (드레인 회수배관)에서 심하게 워터해머가 발생하는 원인은, ⑴재증발 증기에 의한 발생, ⑵부압(마이너스압)으로 인한 발생 등이 원인입니다. (응축수 회수배관에서의 워터햄머 발생) : 아래에서 살펴보도록 하겠습니다.

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⑴ 재증발 증기에 의한 발생

응축수 배관 라인에서의 워터해머 현상은 부하설비에공급되는 증기의 압력과 밀접한 관계가 있으며, 증기의 공급 압력이 높을수록 이 워터해머 현상이 크게일어나게 되는 사항입니다.

여기서 응축수를 배출시키는 스팀 트랩의 후단에는응축수만이 트랩을 통하여 배출이 되는데 왜? 응축수 배관내에 있는 물과 물이 만나는 부분에 있어서 워터해머링이일어날까 하는 의구심을 갖게 되는 사항 입니다.

응축수는 증기 공급 압력에 대한 현열량을 가지고있는 열수 입니다

잠열량은 증기에서 응축수로 변화하는 과정에서 응축잠열로 피가열물질에 공급이 된 상태이며, 예를 들어 부하 설비에 증기 공급 압력이2kg/㎠·g 일 때, 이 증기가 응축이 되어서 응축수가가지고있는 현열량은 증기압 2kg/㎠·g 상태에서 133 kcal/kg 입니다.

이는 증기가 응축 되어 트랩을 통과 하게 된 다음에도보유한 열량의 변화는 없는 상태 입니다. 이때 증기압 2kg/㎠·g 의 응축수가 트랩을 통해 나오면, 트랩의 후단에 걸리는 압력은 대부분이대기압 상태입니다.

일반적으로 대기압상태의 포화수(물)가 보유할수 있는 현열량은100 kcal/kg 밖에 되지를 않습니다. 이때 2kg/㎠·g 로 공급된 응축수가 대기압 상태로 나온다면, 대기압상태에서의 포화수가보유할수 있는 열량 100kcal/kg 이외의 나머지33kcal/kg 의 열량은 어디로 가는것일까요~? 바로 이 남은 열량 33㎉/㎏ 이 트랩후단의 기존의 응축수를 재증발 시키는데 필요 열량으로 작용을 하게 되는 것이며, 이것이 바로 증기에서말하는 재증발 증기(Flash Steam)가 되는 것입니다.

이는 기계실의 응축수 탱크가 초기 가동시에는 문제가없다가, 가동 중간이나 말기가 되면, 응축수 탱크에서 많은양의 수증기가 나오는 현상을 유발하게 되는 것입니다.

이 재 증발 증기(Flash Steam)는 트랩의 후단에서 응축수 상태로 나옴과 동시에 재증발이 순간적으로 일어나 배관내를 증기로채우게 되는데, 평균 측정치로 볼때 응축수 수량의 10~15% 가재증발 증기로 변화되는 것입니다.

이 재증발 된증기가 보통은 응축수 배관내에 단면적 상으로 99.44% 를 차지하는 형상으로 존재를 하다가 응축수배관내의 차가운 응축수를 만나게 되면, 순간적으로 응축이 되며, 이때 그 재증발 증기가 차지하고 있던부분의 공간을 차가운 응축수가 채워지게 되면서 나는 소음이 바로 워터해머링 현상 이라는 것입니다.

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⑵ 열교환기에서의 부압(마이너스압) 발생이 원인

증기를 사용하는 열교환기의 능력에 비해, 능력은 큰데 부하가 매우 적은 상태에서 운전되는 경우, 열교환기 내부에서 부압(마이너스 압력)이 발생할 수 있습니다. 이에 따라 공급되는 포화증기가 순간 응축이 매우 빠르게 진행되어 부압(마이너스 압력)이 발생하면, 이로 인해 주위의 드레인이 빨려 드려지기 때문에, 역류되면서 응축수 회수배관에서 심하게 워터해머가 발생하게 됩니다.

이럴 경우, 심한 워터해머로 인한 주민 민원은 물론, 열교환기의 코일 파손이 발생합니다. 즉, 필요 증기량을 정격용량으로 공급해 줘야 하는데, 증기 코일의 열교환 능력에 비해 부하가 매우 적은 상태에서 운전되고 있다면, 열교환기 (공조기 코일 등 내부)에서 부압(마이너스 압력)이 발생한다는 것입니다.

자동제어밸브 사용환경에서의 목표온도 도달 시, 그 운전정지부근에서 차압(ㅿP) 부족으로 인해, 스팀트랩의 응축수 배출 역할 부족의 원인으로 워터해머 가 발생해 코일이 손상/파손하는 것입니다.

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◎종합: 부압(마이너스압)발생은, 워터해머 및 스톨현상 을 일으키는 발생 원인의 확률이 매우 높습니다.

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◈ 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.

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◈ 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 저하하게 되면, 일부가 증기중에 더욱 수분이 되어 이송 될 가능성도 있습니다. 이런 경우의 상태를 습증기 라고 부릅니다. 이런 습증기를 건증기로 유지하기위해서는, 적정한 위치에 기수분리기나 드레인포트(트랩포트)와 스팀트랩을 설치해 응축수를 분리/제거합니다.

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◈열교환기에서 부압(마이너스압) 발생이 일어나는 원인

『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.

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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(㎥/㎏)

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= 68.52 mm ≒ 80A

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◎보일러 증기압력 7 ㎏/㎠, 증기량 550 ㎏/h 의 배관구경계산

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= 43.57 mm ≒ 50A

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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.

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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.

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참고 사이트: 공조기 증기 코일 파손 발생이 잦은 원인 분석

                        https://tjchung55.tistory.com/14774261

 

O-TRAP 상담 문의 ;

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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