응축수 회수,드레인 회수란? 드레인 배관 선정, 응축수 배관 구경 선정 예, 플래시 증기 , 재증발 증기 기준으로 구경선정.

드레인 회수란?

드레인이 가지고 있는 에너지

증기가 응축되어 드레인으로 돌아갈 때, 열 에너지는 가열 대상인 저온 물질을 향해 이동합니다. 이때 이용되는 에너지는 증기를 발생하기 때문에 보일러에 공급한 에너지의 약 75%에 불과합니다. 즉, 나머지 약 25%의 에너지는 응축된 드레인 안에 저장되어 있는 것입니다.

 

드레인은 이러한 열에너지를 가질 뿐만 아니라, 이상적인 보일러 보급수이므로, 효율적인 증기 시스템 설계를 위해서는 가능한 한 많은 드레인을 회수하여, 보일러 급수로서 재이용하거나, 공정 중에 가열 열원으로 효과적으로 사용하는 것이 필수적입니다.

드레인은 스팀 트랩에 의해 고압에서 저압 영역으로 배출됩니다. 이 압력 강하로 인해 드레인의 일부가 다시 증기로 돌아갑니다. 이 증기를 「플래시 증기」나 「재증발 증기」라고 부르며, 그 발생률은 고압에서 저압 영역으로의 압력 강하의 크기에 따라 변화하는데, 질량으로 10~15%라고 하는 것이 매우 일반적인 값입니다.

 

즉, 드레인 중 에너지의 약 절반(증기발생을 위해 사용한 전체 에너지의 12.5%)은 플래시증기가 보유하고 있는 셈입니다.

 

따라서 플래시 증기의 회수는 에너지 효율이 높은 증기 시스템을 실현하는데 매우 중요한 명제라고 할 수 있습니다.

​

◆드레인을 보일러로 되돌리는 메리트

효율적인 증기·드레인 루프에서는, 증기 사용 설비로부터 배출되는 고온의 드레인을 보일러 급수 시스템으로 되돌리는 것은 필수입니다. 연료비 절감 이외에도 다음과 같은 장점이 있습니다.

1. 경제적 가치

드레인이 보유한 에너지 평가에 대해 여기에서 명확히 할 필요가 있습니다. 어떤 드레인이라도 보일러 급수 탱크로 되돌릴 수 없는 경우에는 대체로 저온의 보급수를 보일러에 공급해야 합니다. 이 보급수는 호일러(휠라) 보급수로서 최적인 90℃까지 가열되는 것이 일반적이며, 드레인을 회수하면, 이 에너지·비용을 절약할 수 있습니다.

 

2. 보급수 비용

드레인을 회수하지 않으면, 대신 연수를 보충하여 사용한 물 및 수처리 비용을 지불해야 합니다. 이 비용이 절약됩니다.

 

3. 배수 처리 비용

고온의 폐수를 공공 하수로 배출하는 것은 금지되어 있습니다. 그 이유는, 환경에 대해서 바람직하지 않다는 것, 또 하수용의 토관등을 파손할 우려가 있기 때문입니다. 드레인은 폐수 규제 온도보다 높은 온도(고온)이므로 사전에 냉각해야 합니다. 드레인을 회수하면, 이 배수 처리 비용 및 냉각 비용을 경감할 수 있습니다.

 

4. 보일러의 증발량

저온의 물을 보일러에 보급하면 보일러의 증기 발생 능력이 감소하게 됩니다. 보일러의 증기 발생 능력에 대해서는 다양한 표현 방법이 있으며, 보통 그 정격은 다양하게 표시되고 있습니다. 하지만, 어떤 정격이라도 「1000cc의 물을 공급했을 때 발생하는 증기량(kg) 」으로 환산할 수 있습니다. 그리고, 공급수의 온도가 낮을수록 보일러로부터의 증기 발생량은 감소하는 것은 분명합니다.

 

5. 드레인은 이상적인 보일러 보급수

드레인은 증류수이며 용존 고형물(TDS)은 거의 완전히 제거되어있습니다. 따라서 드레인을 회수하면 보일러의 블로우 다운량을 줄일 수 있습니다. 블로우다운은 용존 고형물의 농도를 줄이기 위한 목적으로 이루어지지만 블로우다운량을 줄일 수 있다면 보일러에서 배출되는 열에너지도 절약할 수 있게 됩니다.

​

드레인 배관 선정 

1. 드레인 배관 선정에 대해서

드레인관의 구경선정에 대해서는, 많은 변동 요인이 있어, 모두에 적용할 수 있는 단순한 추천 기준이라고 말할 수 있는 것은 없습니다.

예를 들면, 제어 시스템에 의한 압력 변화, 트랩의 종류, 나아가서는 공탕내의 공조 등에 의해 변화하는 분위기 온도 등 다양한 변동 요인이 있습니다.

또, 드레인 회수가 얼마나 에너지 절약에 중요한가를 알고 있어도, 드레인을 회수하면, 다음과 같은 문제가 발생했다는 사례가 끊이지 않습니다.

1) 드레인이 돌아오지 않는다

2) 생산장치의 드레인 배출이 잘 되지 않게 나빠졌다

3) 생산 장치의 효율 저하나 온도가 오르지 않는다

4) 장치의 시동에 시간이 걸리게 되었다

5) 드레인 배관에서 워터 해머가 발생한다

6) 드레인 배관의 손상이 빠르다(부식, 침식)

7) 드레인 탱크가 끓어서 위험하다

이러한 문제는 드레인관경(지름)의 선정에는 다음과 같은 4종류의 배관설계가 있는 반면, 대부분의 경우 드레인은 액체로 인지되고, 관경 선정(튜브지름의 선정)에는 액체배관으로서의 기준이 사용되고 있다는 것입니다.

1) 장치에서 트랩에 이르는 배관·드레인을 기준으로 드레인 배관 사이즈 선정

2) 트랩 출구 배관 ·· 플래시 증기를 기준으로 드레인 배관 사이즈를 선정

3) 드레인 공통 회수관··플래시 증기를 기준으로 드레인 배관 사이즈를 선정

4) 펌프에 의한 회수관··드레인을 기준으로, 드레인 배관 사이즈를 선정

여기서 주의해야 할 것은 드레인 배관은 액체만이 흐르는 배관이 아니라는 것입니다. 액체밖에 흐르지 않는 드레인관이란 「4.펌프에 의한 회수관」뿐입니다.

왜냐하면 펌프는 액체 밖에 보낼 수 없기 때문에 펌프 바로 앞에서 기액 분리하고 액체만이 펌프에 의해 보내지는 구조로되어 있기 때문입니다.

따라서, 펌프의 용량이나 압력 손실 등으로 액체 배관으로서 드레인관 직경을 설계할 수 있는 것은, 이 경우뿐이다.

 

「1.트랩까지의 드레인관」 에 대해서는 트랩의 관경 선정이 올바르게 행해지고 있으면, 트랩과 같은 직경의 배관으로 문제가 없습니다.

​

2. 플래시 증기를 기준으로 드레인 배관 사이즈를 선정

일반적으로, 설비비의 관점에서 드레인 배관은, 가능한 한 소구경이 되도록 선정합니다.

하지만, 실제로 스팀 트랩에서 배출되는 것은 항상 드레인과 플래시 증기의 혼합 유체입니다만, 배관을 설계할때는 일반적으로 물의 유량으로 취급되는 경우가 많습니다.

트랩 직전의 압력과 드레인관 내의 압력차에 의해 좌우됩니다만, 플래시 증기의 용적이 드레인의 400배 이상도 될 수 있다는 것이 항상 배려되고 있다고는 말할 수 없습니다. 이 사실만으로 보더라도, 드레인 회수 시스템의 설계는 드레인이 아니고, 플래시 증기의 용적에 근거해 이루어져야 합니다.

그 이유는, 아래의 예를 생각하면 설명할 수 있습니다. 즉, 트랩의 압력이 0.4MPa(게이지), 드레인 주관의 압력이 대기압이라는 예입니다. 이때 약 10%의 드레인이 플래시 증기로서 재증발됩니다.

3. 「배관 구경 선정 예」

전술한 예에서 1,000kg/h의 드레인 부하를 적용합니다. 즉, 트랩을 통해 드레인 1kg이 배출되면 배출측 배관은 압력 0MPa(게이지)로 0.1kg의 증기와 0.9kg의 드레인을 통과시켜야 하는 것입니다.

물 용적(부피) = 900 리터/h = 0.9 ㎥/h

증기의 용적 ＝100 kg/h × 1.673 ㎥/kg ＝ 167.3 ㎥/h

합계 용적 ＝168.2 ㎥/h

(압력 0 MPa(게이지)에 방출할 수 있는 증기의 비용적은 1.673 ㎥/kg.)

드레인 1 kg/h당 배관 내 전체 용적 유량은 168.2 ㎥/h이며, 이 내증기(内蒸気 )가 99.46%, 물이 0.54%를 차지합니다.

즉, 플래시 증기가 배관의 거의 전체 용적을 차지하고 있다고도 말할 수 있습니다.

 

(엄밀히 말하면, 대량의 플래시 증기가 배수관 내로 배출되면, 관내 압력이 대기압보다 약간 상승하여 플래시 증기량이 약간 감소하는 것으로 생각됩니다.)

​ ​

모든 드레인이 배관 바닥을 흐르는 것은 거의 확실합니다만, 그 유속은 플래시 증기의 유속보다 느리고, 곧 드레인 높이가 증가하여, 그 질량 유량과 플래시 증기의 질량 유량을 더한 것이 트랩을 통과하는 전체 질량 유량과 같아지는 상태가 됩니다.

이러한 드레인(응축수)회수 주배관의 구경 선정은 플래시 증기의 질량 유량으로부터 「배관 선정표」를 사용하여 선정할 수 있습니다. 또한, 드레인 주배관의 저부에 드레인이 흐르고 있기 때문에, 공존하는 플래시 증기가 습기 증기가 되는 것은 피할 수 없습니다.

따라서 워터 해머나 배관 엘보부에서의 침식을 방지하기 위해 플래시 증기의 유속은 15m/s 이하가 되도록 설계해야 합니다.

이러한 설계에서는 드레인관이 입구 증기관보다 굵어지는 경우도 있어 기존의 드레인관 설계와의 갭이 분명하다.

전례를 사용하여 플래시 증기의 질량 유량을 계산하고 배관 용량표에서 올바른 배관 구경 선정 사례를 나타냅니다. (액체 드레인 배관으로서 선정하면 32A - 40A의 배관 직경이 되는 것이 일반적입니다)

 

플래시 증기의 질량 유량 = 10% × 1,000kg/h = 100kg/h

 

배출배관내 압력 0MPa(게이지)로 질량유량 100kg/h의 플래시 증기를 기초로 드레인관을 선정

배관 선정 구경 = 65mm

됩니다.

4. 드레인 배관 선정시 주의할 점

드레인 배관의 선정에 대해, 실제적 관점에서 말하면, 그 밖에도 검토를 필요로 하는 점이 있습니다.

 

① 온도제어

가열 장치를 온도 제어하고 있는 경우에는 제어 밸브에 의해 증기의 압력이 저하합니다. 특히, 가열 장치가 전체 부하 상태에서 제어 밸브의 용량이 압력 손실 한계선상에서 선정되어 있는 경우, 장치 압력은 절반 이하로 저하됩니다. 물론, 제어 밸브의 선정은 이 압력 손실 한계에서 선정된다고 볼 수 없으며, 압력 저하가 더욱 커지는 경우도 생각할 수 있습니다.

중요한 것은, 제어 밸브 하류측의 증기압이 낮을수록 플래시 증기의 발생량은 적어지며, 드레인 배관의 선정에 영향을 준다는 것입니다.

 

② 온조식 트랩

이러한 종류의 트랩(예를 들면, 바이메탈식 및 밸런스·프레셔식 트랩)은 포화 온도보다 낮은 온도에서 드레인을 배출하도록 설계되어 있습니다. 실제로 사용하는 트랩에 따라 다르지만, 이 온도차는 4~50℃의 범위에 들어갑니다.

 

예를 들어 밸런스·프레셔식 트랩의 경우, 포화 온도보다 약 13℃ 낮은 온도에서 작동하는 엘리먼트가 사용되고 있어 그만큼 플래시 증기의 발생량은 적어집니다.

 

이 경우의 드레인 주관의 구경 선정 예를 다음에 설명합니다.

압력 0.7MPaG에서의 포화 온도 = 169.9℃

포화 온도 △13℃ = 169.9 - 13 = 156.9℃

온도 157℃에 해당하는 압력(증기표에서) = 0.5MPaG

 

즉, 상류측 압력은 0.7MPaG가 아니라 0.5MPaG로 생각되며, 이 조건에 따라 드레인 배관의 구경을 작게 할 수 있습니다.

 

③ 운전 개시시 부하

운전 개시 조건이란, 플랜트가 저온 상태에 있고 증기의 응축 속도가 최대 상태에 있을 때의 조건입니다. 운전 개시시의 부하는 계산치와 크게 다르기 때문에, 경험을 기반으로 하여 단순하게 2나 3이라고 하는 계수를 곱하고 있는 실정입니다.

플랜트에서는 반드시 모든 장치가 동시에 사용된다고는 할 수 없으며 다양한 운전 조건을 고려해야 합니다.

 

예를 들어 클리닝/린넨 공장의 경우에는 시작시 먼저 세탁에 사용하기 위해 물을 가열하고, 조금 시간이 지나면 건조기에서 증기를 사용하고, 그 후 증기 다리미를 사용하게 됩니다.

 

④ 플래시·탱크나 클로즈드 시스템에 의한 드레인 회수

드레인 주관에 항상 압력이 걸리고 있는 것으로 생각되며, 이 압력에 의해 트랩의 동작에 지장을 초래하지 않도록, 이러한 장치에 대해 충분히 주의를 기울여야 합니다. 트랩의 관리·유지보수를 제대로 실시하지 않으면 도입시의 성능이 유지되지 않고 히트 밸런스가 무너져 에너지 손실의 원인이 됩니다.

 

5. 다양한 압력으로 작동하는 트랩

각각 다른 압력으로 작동하는 각종 트랩에서 공통 드레인을 드레인 주관으로 배출할 경우, 실제로 어떻게 시공하면 좋은지 자주 질문을 받습니다. 고압의 드레인에 의해, 다른 저압에서 작동하는 트랩으로부터 배출되는 드레인이 방해를 받는다는 것은, 흔히 듣는 이야기입니다.

 

하지만 고압, 저압이라는 압력은 각 트랩 내의 메인 밸브에 관해 가해지는(걸리는) 압력이라는 사실이 간과되고 있는 것입니다. 개별 트랩의 출구측 압력은 드레인 주관(돌아오는 관)의 압력에 플래시 증기에 의해 발생하는 압력 손실로 생각되는 배압을 더한 값이 됩니다.

드레인 주관의 압력 조건 하에서 플래시 증기의 유량에 대하여 배관의 구경이 너무 작으면 배압이 높아져 저압에서 동작하는 트랩으로부터의 배출이 제한되거나 방해될 수 있습니다. ​

​

6. 증기 사용 압력 0.45Mpa 인 곳에서 배출된 응축수를, 주배관 관경(ф80A), 수평 이동 합계63m 거리인 곳에 위치하는, 양정5m (수직5m)인 응축수 탱크로 이송 가능할런지요?

단, 펌핑트랩 (메커니컬펌프, 오그덴펌프 등) 설비하지 않고, 응축수 회수가 가능한 방법을 찾고 있습니다.

 

배압 0.05Mpa, 차압(ΔP) 0.4MPa 이 존재 하므로, 고정오리피스식 트랩인O-TRAP을 설치하면, 펌핑트랩 설치하지 않아도, O-TRAP은 오직 차압(ΔP) 만으로 응축수 탱크로 이송 가능 합니다.

​

 

​

​

 

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

​

#드레인회수, #증기배관구경선정, #워터해머, #스톨현상, #응축수배출, #드레인배출, #오트랩, #고정오리피스식스팀트랩, #O-TRAP, #필요증기량, #감압밸브, #감압변, #증기시스템, #증기공조기손상, #공조코일파손, #응축수회수관에서워터해머, #드레인회수관에서워터해머, #응축수회수배관워터해머, #플래시증기, #응축수회수관직경, #드레인배관선정, #드레인배관사이즈선정