「증기 시스템의 안전 설계」 방법

「증기 시스템의 안전 설계」의 진행 방법

안전 설계와 프로세스 설계(공정설계)는 매우 밀접한 관계에 있습니다.

 

프로세스 설계 품질이 나쁘면 스타트업이나 셧다운은 고사하고 정상시에도 안전한 운전을 계속할 수 없습니다.

 

트러블 계속으로, 제품의 품질 확보도 소홀히 되어, 가동률도 떨어지고 이익도 반감(?) 혹은 없어져 버릴지도 모릅니다. 또한, 설계 조건을 결정할 때 빠짐이 있으면, 운전 조건이 설계 조건을 초과해 버려, 이것도 운전의 계속이 불가능해져 버립니다.

 

스팀 시스템 소개

2. 유틸리티 정지와 안전 설계

2.1 스팀 정지와 스팀 시스템의 안전성

 

2.1.1 스팀시스템

플랜트에 필요한 유틸리티 중 하나가 없어도 플랜트 운전의 안전성이 위협받게 됩니다.
특히 스팀 정지는 스팀 사용자에게 치명적이며, 플랜트 전체 또는 유틸리티를 제외한 프로세스 플랜트가 정지할 가능성이 있습니다.

 

스팀 시스템에 대해서는 이미 기본 설계 연습 「프로세스 설계 실무」의 "연소계 열 회수와 스팀 발생", 기본 설계 연습 「에탄올 합성 설비」의 "Ethanol Synthesisi Loop & Steam System"에서 설명하고 있습니다만, 여기서 안전성 혹은 안전 설계에 대해 설명하기에는 불충분하므로, 재차 스팀 시스템의 구성이나 흐름(플로우) 등에 대해 설명하겠습니다.

 

(1) 스팀 시스템의 3요소

 

스팀 시스템을 구성하는 기기 중 특히 중요한 기기는 다음 세 가지입니다.

 

보일러 급수계: 탈기기(脱気器)+보일러급수펌프
스팀 발생계: (폐열) 보일러+스팀드럼+스팀과열기
동력계 : 스팀 터빈 + 복수기
이 기기들이 스팀 시스템의 어디에 배치되어 있는지, 그리고 스팀이나 물의 흐름이 어떻게 되는지를 아래 그림에 나타 내었으므로, 그것을 사용하면서 설명하겠습니다.

증기시스템안전설계-그림1

보일러 급수계는 스팀의 기초가 되는 보일러 급수의 공급과 운전 조건의 정정을 이루고 있으며, 운전 조건은 저압입니다.

스팀발생계는 보일러 급수를 가열 증발시켜 스팀을 만드는 보일러와 보일러 급수를 일시적으로 저장하려는 스팀드럼, 그리고 스팀을 과열하는 스팀 과열기로 구성되어 있습니다. 운전 조건은 고온 고압입니다.

동력계는 스팀 터빈과 복수기로 구성되어 있으며 그림과 같이 대형 스팀 터빈과 소형 스팀 터빈이 배치되는 것이 일반적입니다.

이러한 스팀 시스템은 에틸렌 플랜트, 암모니아 플랜트, 메탄올 플랜트에서 채용되고 있으며, 그 설계나 운전에는 많은 노하우가 필요합니다.

 

(2) 스팀 시스템의 세 조건

스팀 시스템의 3 요소에 대응하여, 스팀 시스템의 설계나 운전에 있어서 중요한 운전 조건이 이하의 3 항목입니다.

 

1. 보일러 급수 조건: 보일러 급수 압력은 적어도 스팀 압력보다 높아야 하며, 보일러 급수 펌프 토출압이 13MPa를 넘는 경우도 드물지 않습니다. 또 운전 온도는 탈기기의 운전 온도와 같고 외부에서 공급되는 보급수 중의 탈산 등을 고려해 결정되는데 대부분은 105~140℃ 범위에 있습니다.

2. 스팀 조건: 보일러 및 스팀드럼의 운전조건으로, 열효율 개선을 의식하여 보다 고압으로 되어 있으며 화학플랜트에서도 10~12MPa 정도가 채용되고 있는 것 같습니다. 또한 발생한 스팀을 과열시킴으로써 더욱 열효율이 개선되므로, 480~530℃로 설계되는 일도 드물지 않습니다. 이 운전 조건이 스팀 터빈의 입구 조건으로 되어 있습니다.(원자력 발전소에서는 안전한 스팀 과열원이 없으므로 포화 스팀 그대로 사용하고 있습니다.)

3. 터빈 출구 조건: 복수기(응축기)의 운전 조건(온도)으로, 이 온도가 더 낮을수록 스팀 터빈의 열효율이 상승합니다. 단, 이 온도는 냉매온도에 지배되고 있어, 물이나 바닷물을 사용하는 냉각기(복수기)에서는 45~50℃, 공기냉각기에서는 60~70℃가 일반적입니다.

 

(3) 스팀 시스템의 물질 수지의 세 가지 요소

스팀 시스템의 물질 열 수지를 스팀 밸런스라고 하는데, 물질 수지에는 다음과 같은 3 요소가 있습니다.

 

1. 보급수 : 수처리장치에서 적절한 처리를 한 후 공급되어 스팀시스템에 공급되는 물.

2. 스팀 내보내기(Export) & 가져오기(Import) : 스팀 시스템과 외부 사이에 스팀의 출입이 있는 경우, 스팀을 외부로 공급하는 것을 "스팀 내보내기" 그 반대를 "스팀 가져오기"라고 하고 있으며, 출입이 없는 경우를 셀프 밸런스라고 합니다.

3. 복수: 보급수가 외부에서 공급되는 물이라면, 이 복수는 스팀터빈 배기를 응축한 물로 외부로 송출합니다.

이들 3 가지 사이에는 다음과 같은 관계가 있으며, 이것이 스팀 밸런스의 기본 개념입니다.

 

【 보급수+스팀 가져오기 = 스팀 내보내기+복수 】

 

엄밀하게 말하면 플래시 드럼에서 드레인이나 탈기기로 배출되는 스팀 등을 고려해야 합니다.

 

다음 아래에서는 구체적으로 스팀 밸런스를 계산하고 그 결과를 바탕으로 스팀 시스템의 안전성에 대해 논의하고자 합니다.

 

2.1.2 스팀정지에 따른 영향

지난 번에 언급 했듯이, 향후 논의를 심화시키기 위해 스팀 밸런스를 계산합니다.

(1) 스팀 조건의 결정

 

스팀 밸런스를 계산하기 위해서는 지난번에 설명드린 "스팀 시스템의 세 조건"을 정해야 합니다. 대략적인 스팀 조건에 대해서는 저번에 보여드린 스팀 시스템에 기재해 두었으니 그걸 보면서 설명해 드릴게요.

 

이 스팀 시스템에는 스팀 조건을 동일하게 하는 사용자가 세 가지가 있습니다.

 

첫 번째는 폐열 보일러에서 스팀 과열기를 통해 대형 스팀 터빈에 이르는 라인으로 고압 스팀 헤더(HP steam header/high pressure steam header)라고 불리는 부분입니다.

두 번째는 대형 스팀터빈의 추기단(Extraction stage)을 나온 스팀라인으로, 프로세스 스팀이나 소형 스팀터빈 등의 사용자에게 스팀을 공급하고 있습니다. 이것을 중압 스팀 헤더(MP steam header/middle pressure steam header)라고 부릅니다.

세 번째는 소형 스팀 터빈의 배기 스팀이나, 중압 헤더로부터의 렛다운(letdown) *1 스팀이나 플래시 드럼으로부터의 회수 스팀이 모이는 라인으로, 저압 스팀 헤더(LP steam header/low pressure steam header)라고 부르고 있습니다.

*1 렛다운이란 고압에서 저압으로 밸브를 통해 스팀을 공급하는 시스템으로, 그 상태 변화는 단열 변화와 같다.

 

이러한 스팀 헤더 조건을 정하는 방법에는 규칙이 있으며, 그에 따라 스팀 시스템에 기재한 온도 압력을 결정했습니다. 그 일부를 아래 표에 소개합니다.

​

표 2.1-1 스팀 헤더 온도 압력 결정 규칙(제약 조건)

스팀 헤더	온도	압력	비고
고압 스팀	터빈 재료 (내열강도)	스팀터빈 재료 (내열 강도)	가열기 하류 배관 설계 및 터빈 효율에도 주의
중압스팀	추기단 단열효율	공정 스팀 사용자 압력	추기단 노즐 위치에 따른 제한도 있다
저압 스팀	포화 온도 이상이면 가능	가열기의 피가열 온도 와 탈기기 압력	탈기기 압력 이상

 

다음으로 중요한 스팀 조건은 대형 스팀 터빈의 복수(응축)단계의 온도 조건입니다. 이 온도 조건은 이미 설명한바와 같음(아래 참조),

 

【 터빈 출구 조건: 복수기(응축기)의 운전 조건(온도)을 말하며, 이 온도가 더 낮을수록 스팀 터빈의 열효율이 상승합니다. 단, 이 온도는 냉매온도에 지배되고 있어, 물이나 바닷물을 사용하는 냉각기(복수기)에서는 45~50℃, 공기냉각기에서는 60~70℃가 일반적입니다. 】

 

복수단 출구(복수기) 온도는 냉매 온도 조건보다 높고, 냉매 온도 +20~30℃ 이므로, 50℃를 선정했습니다.

 

(2)스팀 밸런스의 계산 방법

 

스팀 밸런스를 계산하려면, 계산 절차를 틀리면 안됩니다. 스팀의 흐름에 따라 갑자기 고압 스팀 헤더부터 계산을 하는 것이 아니라 저압 스팀 헤더부터 계산합니다. 일단

 

저압 스팀 헤더에서의 스팀 필요량을 계산합니다. 이를 위해서는 가열기 열부하(이미 알려진)로부터 스팀의 필요량을 계산합니다. 그 때에는 저압 스팀의 온도는 포화 온도로 가정하고, 그 잠열을 이용하여 계산합니다. 다음으로 탈기기에서 사용할 스팀량을 가정합니다. 양자를 합치면 저압 스팀의 필요량 G-LP(out)가 됩니다.

다음으로 저압 스팀 헤더에 들어가는 스팀량 G-LP(in)를 계산합니다. 우선 소형 터빈의 동력부터 필요 스팀량을 계산합니다. 다음으로 플래시 드럼의 계산을 실시해, 회수할 수 있는 플래시 스팀량 G-Flash S를 구합니다. 이 플래시 드럼 계산은 고압 스팀 헤더 계산 후 재계산해야 합니다. 이들 합계가 G-LP(out) 이상이면 문제가 없지만, 적은 경우에는 중압에서 저압으로의 렛다운을 사용하여 필요량을 커버합니다. 많은 경우에는 소형 터빈의 동력을 변경하여 스팀량을 적게 하거나 가열기의 열부하를 변경합니다.

탈기 주변의 균형을 계산합니다. 탈기기에 들어가는 보급 수량(G-MU)과 온도를 가정합니다. 또한 가열기 출구 조건을 저압 스팀의 포화수로 하여 엔탈피를 결정합니다. 다음으로 열수지의 계산을 실시해, 탈기기의 온도(엔탈피)가 소정의 수치가 되도록 보급수 온도, 또는 탈기기 온도를 변경합니다.

탈기기에서 폐열 보일러(스팀 드럼)로 보내지는 보일러 급수량을 계산합니다. 이 양은 G-LP(out)와 보급수량(G-MU)의 합계로, 이 양을 G-BFW라고 합니다. 이 G-BFW를 스팀으로 만들기 위해 필요한 열량을 계산합니다. 이 열량은 폐열 보일러(스팀드럼)의 포화수까지 가열하기 위한 열량과 포화 스팀으로 만들기 위해 필요한 열량으로 나뉘며 전자를 고압 이코노마이저의 열부하, 후자를 폐열 보일러의 열부하에 해당합니다. 단, G-BFW의 1~2%는 드레인으로서 포화수 조건에서 플래시 드럼으로 보내지므로, 발생할 수 있는 스팀량(G-HP)은 G-BFW의 98~99%로 감소하므로, 그만큼 폐열 보일러의 열부하도 작아집니다.

폐열 보일러(스팀드럼)를 나온 포화 스팀을 과열하기 위해 필요한 열량(스팀과열기 열부하)을 계산합니다.

그런 다음 중압 스팀 헤더의 밸런스 계산을 실시합니다. 먼저 저압 스팀량 G-LP(in)에서 플래시 스팀량 G-Flash S를 뺀 스팀량과 프로세스 스팀으로서 외부로 송출하는 양 G-Pro를 가산합니다. 이것이 중압 스팀 헤더의 필요량 GP-MP이 됩니다.

마지막으로 대형 스팀 터빈의 계산을 실시합니다. 추기량 G-Ex는 GP-MP와 같은 양이기 때문에 대형 스팀 터빈의 동력을 바탕으로 복수단의 스팀량을 계산합니다. 이 계산은 스팀 터빈의 제조사 정보(단열 낙차나 열효율)를 바탕으로 실시합니다. 여기서는 앞서 소개한 "Dresser-Rand"의 스팀터빈 성능 추정 툴을 사용하여 결정하고 있습니다. 다만 동력은 10,000kW로 하고 있습니다.

이 복수량 G-Con과 추기량 G-Ex의 합계가 고압 스팀량 G-HP이므로 처음 가정한 G-HP와의 차이를 조정할 필요가 있습니다. 그 조정은 보급 수량으로 실시합니다. 즉,

 

【 보급수량 G-MU=복수량 G-Con + 프로세스 스팀량 G-Pro + 플래시 드럼 드레인 G-FlashD 】

 

이 계산은 반복 계산이 되며, 그 경우에는 (iii)으로부터 시작합니다. 이상의 절차에 의한 계산 결과를 스팀 밸런스와 표 2.1-2에 게재하였으니 참조하시기 바랍니다.

표 2.1-2 스팀 밸런스

항목	온도	압력	유량
단위	℃	MPa	Kg/hr
보일러 급수	130	13.0	77,830
드레인	314	10.4	770
고압 증기	314	10.4	77,060
과열 증기	520	10.0	77,060
추기 증기	330	3.0	58,000
배기 증기(복수)	50	0.012	19,060
프로세스 스팀	330	3.0	38,000
소형 스팀 터빈	330	3.0	18,260
중압~저압 렛다운	330	3.0	1,740
플래시 증기	147	0.45	290
플래시 드레인	147	0.45	480
가열기 스팀	148	0.45	19,150
탈기기 스팀	147	0.45	1,140
보급수	115	0.51	57,540

​

스팀 밸런스 그림-2

(3)스팀 정지의 영향

 

여기서 설명드릴 스팀정지란, 폐열 보일러나 에코노마이저의 가열원이 어떤 원인에 의해 끊어지거나 급격히 떨어졌기 때문에, 스팀발생이 0(제로) 이 되거나 정상시에 비해 극단적으로 적어지는 현상입니다.
스팀 밸런스를 보면 알 수 있듯이, 고압 스팀이 정지되어 영향을 받는 것은

 

1. 대형 스팀터빈: 동력원인 스팀이 정지하면 동력 공급이 불가능해져 대형 압축기도 정지한다. 그 때문에 프로세스의 운전 속행이 어려워진다.
2. 추기 스팀 내보내기: 대형 스팀 터빈 정지로 인해 추기 스팀 또한 차단되므로 프로세스 스팀 공급이 중단 됩니다. 또한, 소형 스팀 터빈에의 스팀 공급도 없어지므로, 소형 회전기(예를 들면 팬이나 펌프 등)도 운전 정지가 된다. 특히 피구동기가 보일러 급수펌프인 경우에는 보일러 급수도 정지한다.
3. 저압스팀: 가열기나 탈기에 스팀 공급이 정지되어 탈기의 온도를 유지하는 것이 어려워진다.

 

이상과 같이 플랜트의 운전 속행은 불가능하게 되므로, 스팀 정지 즉시 플랜트 정지가 됩니다. 이러한 경우에는 인터록 등의 안전장치에 의해 정지 작업이나 그 후의 처리 작업도 비교적 용이하게 실시할 수 있습니다.
그러나 만약 프로세스 스팀의 정지가 플랜트에 피해를 입히면 어떻게 대처하면 좋을까요?

다음 아래에서는 이 케이스에 대해 설명해 보겠습니다.

 
 

2.2 스팀정지 및 프로세스 스팀(공정 증기)

 

2.2.1 프로세스 스팀
앞 (전단)에서는 「공정 스팀의 정지가 플랜트에 손상을 줄 경우 어떻게 대처하면 좋을까요? 」로 끝났으로, 이번에는 이 프로세스 스팀의 정지에 따른 영향에 대해 이야기하겠습니다.

 

(1) 공정 스팀이란(프로세스 스팀이란)?
프로세스 스팀은, 공정(프로세스)에서 유틸리티로 사용되고 있는 것이 아니라, 프로세스를 구성하는 원료 또는 그와 동등하게 사용되는 스팀으로, 예를 들면 수증기 개질 공정(프로세스) 에서 사용되는 "개선 스팀(reforming steam)"이나 에틸렌 프로세스에서 사용되고 있는 "희석용 스팀(dilution steam)" 등이 이에 상당합니다.

 

(2) 공정(프로세스) 스팀 정지의 영향

 

이 프로세스 스팀의 공급이 정지 혹은 제한된 경우에는, 수증기 개질 공정(프로세스)나 에틸렌 프로세스의 원료인 탄화수소가 열분해를 일으켜, 개질 촉매상 혹은 분해 튜브 내면에 탄소가 석출됩니다.
그 때문에 촉매의 성능이 저하되거나, 튜브 내압손이 증가하여 운전의 계속이 곤란해집니다. 그 때문에 스팀 정지에 있어서의 프로세스 스팀 확보는 가장 중요한 과제가 됩니다.

 

2.2.2 프로세스 스팀 확보

프로세스 스팀 확보를 위해 무엇을 하면 좋을까요?
아큐뮬레이터와 같은 용기를 스팀 시스템에 설치하여 만일의 경우 스팀을 확보할까요, 아니면 스팀 배관(헤더)의 지름(직경)을 굵게 하여 스팀 저장량을 늘릴까요? 아니면, 다른 플랜트 스팀 시스템에서 스팀을 공급할 수 있도록 할까요?

 

(1) 스팀 저장 용량

 

아큐뮬레이터나 배관(헤더), 혹은 전기 보일러에 의한 긴급 시의 스팀 공급을 검토할 경우, 어느 정도의 스팀이 필요한지를 산출합니다.
스팀 밸런스에 나타낸 공정(프로세스) 스팀의 유량은 38,000kg/h입니다. 이 양을 긴급시(비상시) 최소 10분간 공급해야 한다고 합니다. 즉, 필요한 스팀량은

 

필요 스팀량 = 38,000kg/h*10min/60min = 6,333kg
이 스팀의 온도 압력을 330℃, 3.0MPa라고 하면 비 용적은 0.0869m3/kg이므로, 그 체적은 다음과 같습니다.
스팀 용적 = 6,333kg*0.0869m3/kg = 550m3

 
 

(2) 아큐뮬레이터나 배관(헤더)의 크기

 

앞서 구한 체적을 아큐뮬레이터나 배관(헤더)의 용적으로 합니다. 단, 공정(프로세스) 스팀의 필요 압력을 1MPa라고 하면, 유효하게 이용할 수 있는 용적은 3MPa→1MPa, 즉 2MPa분이 되므로, 그만큼 아큐뮬레이터나 배관이 가져야 할 용적이 1.5배로 증가합니다. 즉, 아큐뮬레이터의 크기는 아래와 같이 내경 7m, 길이 21m로 거대한 구조물이 됩니다. 여기서, 아큐뮬레이터의 길이를 내경의 3배로 하고 있습니다.

 

용적(부피) = 550m3*1.5 = 825m3
내경 = (825*4/(3*π))^0.333 = 7.03M
길이 = 7.03*3 = 21.2m

 

배관(헤더)의 경우에는 기준이 되는 헤더의 길이와 내경(d)을 얼마로 할지 결정해 둘 필요가 있습니다. 앞의 스팀 밸런스로(에서) 알 수 있듯이, 프로세스 스팀을 공급하고 있는 헤더의 합계 스팀량은 58,000kg/h이므로, 일반적인 헤더의 유속(vel)은 20~25m/s이므로,

 

스팀유량 = π/4*d^2*vel*3600 = 58,000*0.0869
헤더내경(d)=0.267~0.300m

 

즉, 헤더 내경은 약 300mm(12")입니다.
그래서, 아큐뮬레이터 역할을 하는 헤더의 길이를 100m라고 하면, 다음 식과 같이 헤더 내경은 3m를 넘어 버려서, 방금전의(아까) 300mm의 10배 굵기가 되어 버렸습니다.

 

헤더내경=(825*4/(100*π))^0.5=3.24m

 

어쨌든, 이러한 아큐뮬레이터나 배관을 설치하는 것은 공간 문제도 있어 경제적이지 않습니다. 단적으로 말하면 "보기 좋지 않다"는 것입니다.

 

"보기 좋지 않다", 또는 "아름답지 않다"라고 표현할 수 있는 장치나 기기는 어떠한 설계상의 리스크(위험)를 포함하고 있다는 것이 지론입니다.

 
 

(3) 외부로부터의 스팀 공급

 

일반적인 석유 정제나 석유화학 플랜트에서는 스팀을 각 플랜트 간에 융통하고 있으므로, 하나의 플랜트에서 스팀이 정지해도 긴급시 대응은 가능합니다. 그러나, 화학계 플랜트(암모니아나 메탄올)에서는 원료 공급이나 다운스트림 프로세스의 제약으로부터 많은 플랜트가 독립적인 경우가 많아, 다른 플랜트로부터의 백업을 기대할 수 없는 것이 통례입니다.
또한, 스팀 시스템과는 상시적으로 독립적인 전기 보일러 등이 있으면, 거기에서 스팀을 공급할 수 있기 때문에 문제가 없지만, 스팀 정지의 원인이 정전인 경우에는 이것도 기대할 수 없습니다.

 

이상과 같이 프로세스 스팀을 어떤 경우에도 확보하는 것은 기술적으로 그리고 경제적으로 어렵다는 것을 알게 될 것입니다. 그럼 어떻게 하면 될까요? 그 힌트는 스팀 시스템 자체 안에 있습니다. 다음 아래에서는 이 비밀 스팀 소스에 대해 설명하고자 합니다.

 

2.3 스팀 소스와 가열원

2.3.1 스팀드럼

프로세스 스팀을 스팀으로 저장하는 방법은 대용량 드럼 등을 필요로 하기 때문에 플롯의 문제나 경제적으로도 맞지 않는 것을 알게 되었습니다. 그렇다면 어떻게 하면 좋을까요?

 

가능한 방법은 스팀을 물로 저장하고 그 물을 증발시키는데 필요한 가열원을 어떤 방법으로 확보하여 스팀을 공급하는 것입니다.
이 경우 스팀 시스템에서 비교적 많은 물을 저장하고 있는 용기로는 탈기기와 스팀 드럼의 두 가지가 있습니다. 그래서 그것들의 특징과 스팀 소스로서의 옳고 그름을 생각해 봅시다.

 

보일러 급수 펌프의 구동원에는 모터와 스팀 터빈의 두 가지가 있습니다. 정전의 경우에는 모터가 정지되므로 펌프를 운전하는 것은 어렵고, 또한 동시에 스팀 시스템도 불안정해지므로 스팀 터빈 구동의 경우에도 펌프를 운전하는 것은 어렵습니다.
(1) 탈기기
탈기기는 수처리 설비에서 공급되는 순수를 처리하여 보일러 급수로 만드는 장치로, 운전온도는 100℃~150℃, 운전압력은 그 온도의 포화압력 때문에 비교적 저압입니다.
이 탈기기에는 보일러 급수 유량의 10분 정도의 저장탱크 능력(탈기기 저장탱크부 액면 레벨 50%)이 있으므로, 보일러 급수 유량=발생 스팀 유량의 관계에서 프로세스 스팀의 소스로서는 충분한 양의 물을 저장하고 있는 셈입니다.
단, 운전온도 및 운전압력이 낮기 때문에 긴급시 스팀소스로 채용하기 위해서는 가열원과 승압장치가 필요합니다. 원래 운전온도가 100℃~150℃로 낮으므로, 스팀 발생을 위해 중온 정도(240℃~270℃)의 가열원을 필요로 합니다. 또한, 승압에 사용되는 보일러 급수 펌프도 정지하기 때문에, 탈기기를 스팀 소스로 이용하는 방안은 현실적이지 않고, 채택하는 것은 우선 불가능할 것입니다.

 
 

(2) 스팀드럼
스팀드럼은 폐열 보일러 등으로 가열 증발한 보일러수나 스팀을 일시적으로 저장할 뿐만 아니라 스팀 중에 동반되는 물방울이나 미스트를 제거하여 하류기기를 보호하는 기능을 가지고 있습니다.
이 스팀드럼의 운전조건은, 스팀밸런스에서 알 수 있듯이 운전온도 314℃, 운전압력 10.4Mpa로 되어있어, 거기에서의 보일러수의 저장탱크 능력(스팀드럼 액면 레벨 50%)은 대략 스팀발생량의 3~5분 정도입니다.
이 양은 스팀 정지 시에 필요한 프로세스 스팀량 (38,000kg/h÷77,060kg/h=49.3%) 에서 생각하면 약 2배의 6~10분이 되어, 프로세스 스팀의 소스로서는 충분한 양의 물을 저장하는 셈입니다.
또한 운전 압력이 높기 때문에 긴급 시의 스팀 소스로 채택하기 위한 승압 장치는 불필요하게됩니다. 그러나 보일러수를 스팀으로 만들기 위한 가열원은 필요하므로, 어떤 형태로든 준비해야 합니다. [스팀 드럼과 폐열 보일러]

[스팀 드럼과 폐열 보일러]

2.3.2 스팀드럼 보유 열량

가열원의 하나로 스팀드럼 내부의 보일러수(물)가 있습니다.

즉, 보일러수는 그 온도(여기서는 314℃)의 포화수이기 때문에, 그 보유하고 있는 열량(엔탈피)은 비교적 많다고 생각됩니다. 그래서 그 엔탈피를 구하고 거기서 얻을 수 있는 프로세스 스팀량을 계산해 봅시다.

 

(1) 엔탈피 계산

 

스팀드럼에 저장되어 있는 양을 스팀 발생량(77,060kg/h)의 5분 분량으로 합니다. 즉, 체류시간이 5분이라는 뜻입니다.

 

【 저장탱크수량 = 77,060kg/h*5min/60min = 6,422kg 】

 

이 스팀의 온도 압력은 314℃, 10.4MPa이므로 보유한 엔탈피는

 

【 보유 열량 = 6,422kg*1426.1kJ/kg = 9,158,400kJ = 9.1584GJ 】

 

(2) 플래시 계산

 

만약 외부로부터의 가열원이 없고, 있는 것은 스팀드럼 보유 열량만 있다면, 프로세스 스팀으로서 어느 정도의 양을 기대할 수 있는지, 계산해 보겠습니다. 즉, 스팀드럼내의 보일러 급수를 플래시시켜 조금 전에 구한 체적을 어큐뮬레이터나 배관(헤더)의 용적으로 합니다. 단, 프로세스 스팀으로서의 필요 압력을 1MPa로 합니다. 그러면,

 

플래시 스팀 = 2,116kg

콘덴세이트 = 4,306kg

합계 = 6,422kg

 

즉, 스팀드럼 중에 저장되어 있는 보일러수의 약 1/3을, 스팀으로 회수할 수 있다는 것을 알았습니다.

하지만 그래도 약 4ton의 스팀이 부족하기 때문에 이 만큼의 열량(약 9GJ)을 외부에서 보충해야 합니다.

 

다음에는 이 부족분의 열량을 어떻게 확보할 것인지에 대해 이야기하도록 하겠습니다.

 

 

2.4 가열원으로서의 수증기 개질로(水蒸気改質炉)

2.4.1 수증기 개질로와 공정 스팀

이전의 논의에서, 스팀드럼 중의 보일러수의 현열로 필요한 프로세스 스팀(약 6.4ton)의 약 1/3을 입수할 수 있다는 것, 그럼에도 여전히 약 4ton의 스팀이 부족하다는 것을 알 수 있었습니다.

 

수소 플랜트, 암모니아 혹은 메탄올 플랜트 등의 수증기 개질 프로세스에 사용되는 프로세스 스팀은 천연가스 와 같은 탄화수소와 함께 수증기 개질로 (水蒸気改質炉) 에서 가열 및 개질되어 수소를 많이 포함하는 조가스로 변환됩니다. 이를 위해 개질로(改質炉)에는 개질촉매를 충전한 다수의 개질관이 설치되어 외부로부터 화염복사로 가열되고 있습니다.

 

개질로를 나온 함수소조가스는 폐열 보일러에서 스팀을 발생시키고, 한층더 하류의 복수의 프로세스 혹은 스팀 시스템 관련의 열교환기에서 폐열 회수되어 갑니다.

 

2.4.2 개질관과 개질촉매

이 개질관 및 개질 촉매는 상시 외부에서 가열되고 있으므로, 견해를 바꾸면 운전을 정지했을 경우에는 대용량 축열체로 간주할 수 있습니다.

 

그럼 어느 정도의 열량을 저장하고 있을까요? 구체적으로 계산해 봅시다. 우선 개질관의 개수나 촉매량을 설정합니다. 여기에서는 「프로세스 설계 실무: 개질관 설계」 에서 구한 수치를 사용하여 계산합니다.

 

(1) 개질관

개질관 갯수는 247개(실제 설계에서는 잘린 수치가 된다), 사이즈는 내경 4인치(101.6mm), 길이 10m, 두께 8.5mm로 개질관 부피를 계산하면 약 6.7m3이고 비중을 8이라고 하면 중량은 약 54ton이 됩니다. 이 외에 입구 출구의 헤더 등도 있습니다만, 여기에서는 고려하지 않습니다.

 

(2) 개질 촉매

개질 관내에 충전되어 있는 촉매량은 약 20m3로, 부피 밀도를 1.25로 하면 중량은 약 25ton이 됩니다.

 

(3) 개질관 및 개질촉매의 열용량

개질관과 개질촉매의 비열을 각각 0.46kJ/kg-℃와 0.76kJ/kg-℃로 하면 열량은 다음과 같습니다. 단, 축열체로서 열을 발산하는 범위를 550~750℃로 했습니다. 이 750℃의 온도는 운전 중 개질관의 길이 방향에서의 평균 온도로 하고 있으며 촉매도 이 온도와 동일하게 설정하고 있습니다. 550℃는 일단의 기준이며, 이 온도까지 냉각하는 동안에는 개질관에 프로세스 스팀을 흘려보내고 있다고 합니다.

 

이상의 가정을 바탕으로 열용량을 계산한 결과는 다음 표에 나타 냅니다.

표 2.4-1 개질관과 개질촉매의 열용량

축열체	중량 kg	비중 kJ/kg-K	온도 ℃	열용량 GJ
개질관	53,610	0.46	550~750	4.932
개질촉매	25,030	0.76	550~750	33.805
합계	78,640	---	550~750	8.737

 

 

2.4.3 프로세스 스팀 루프

이번에 상정한 운전 정지 상태에서 프로세스 스팀의 흐름을 그림에 나타냅니다.

 

이 그림에서 알 수 있듯이 폐열 보일러 + 스팀 드럼에서 발생한 스팀은 스팀 시스템으로 들어가 프로세스 스팀으로 개질로에 공급됩니다. 공급 된 스팀은 고온도(550~750℃)의 개질관이나 개질촉매에 의해 가열되어 개질로를 나옵니다.그 후 스팀은 폐열 보일러에 들어가 스팀 드럼 내 보일러수를 가열함으로써 스팀을 발생시킵니다.

 

이와 같이 프로세스 스팀의 순환(루프)이 자동적으로 형성됩니다.

 

※단, 점차 스팀드럼 내 수면이 내려가므로, 보일러수가 없어진 후에 고온의 스팀이나 가스(퍼지용의 N2)가 폐열 보일러의 튜브를 통과할 경우에는, 열응력에 의한 뒤틀림 등이 문제가 될 수 있으므로 스팀드럼 내 물 보유량은 신중하게 결정해야 합니다.

 

2.4.4 계산결과와 고찰

스팀 드럼에 보충해야 할 열량을 계산합니다.

 

【 4,306kg×（2776.2-762.6）kJ/kg = 8.671GJ 】

 

여기서 2766.2kJ/kg와 762.6kJ/kg은 1MPa의 포화 스팀과 포화수의 엔탈피로 이번에 소개한 증기표 계산 도구를 사용하여 구했습니다.

 

그래서 계산 결과를 바탕으로 고찰하면,

 

1. 표 15-1의 합계 열용량(8.737GJ)은 보충해야 할 열량 8.671GJ를 웃돌고 있으므로 필요한 스팀을 개질로(改質炉)의 축열로 발생시킬 수 있다.

2. 운전정지 시에 스팀드럼으로부터의 스팀을 프로세스 스팀으로 이용할 수 있도록 운전지침을 정하거나 인터록을 도입한다.

3. 스팀드럼 내 물 보유량을 단순히 체류시간 몇 분으로 정하는 것이 아니라, 이러한 긴급시 운전조작을 고려해 결정한다.

 

이렇게 긴급 시에도 필요한 프로세스 스팀을 확보할 수 있다는 것을 알았습니다.

 

단, 이러한 검토를 설계 시에 고려할 수 있는지 여부는, 지금까지는 전적으로 프로세스 엔지니어의 경험과 역량에 달려 있었기 때문에 설계 누락 가능성이 있습니다.

프로세스 엔지니어는 "하나는 왜 그럴까 라고 궁금해 하는 것", 그리고 "둘은 정말 이래도 되나 생각하는 것", 마지막으로 "시각을 바꾸고, 혹은 다른 프로세스 엔지니어의 조언을 받는 것"이 필요하다 라고 생각합니다.

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증기 헤더란?

증기를 사용하여 다양한 작업 및 공정을 수행하는 작업장이나 공장에서는 증기를 효율적으로 사용하기 위해 각 곳에 분배할 필요가 있습니다.

 

작업장이나 공장 내에서 증기를 공급하는 증기배관을, 그 필요한 증기용량으로 굵은 배관을 돌리는 것이 아니라 각 작업장이나 공정, 또 기계에 적정한 증기를 효율적으로 공급하는 것을 목적으로 해, 증기보일러로 부터 증기를 한 곳에 모아 각 장소에 밸브 조작으로 분배하는 것이 스팀헤더의 역할입니다.

 

각 공정에서 증기를 사용하는 시간이나 타이밍이 다를 경우, 공장내의 모든 증기 배관에 증기를 공급할 필요가 없으므로 작업의 에너지 절약도 됩니다.

 

또, 여럿의 증기 보일러로부터의 증기를 한 곳에 모아 분배하는 것도 가능하게 되므로 증기 보일러의 가동에 있어서도 적정하고 에너지 절약이 됩니다.

 

 

보일러 증기 헤더

보일러 헤더는 하나 이상의 보일러로부터 증기를 받아들이는 특수한 증기 주관으로 생각하면 되며, 상부에서 증기를 받아들여, 주관으로 증기를 공급하는 수평 배관이 일반적입니다.

스팀 헤더는 보일러에서 나온 증기를 일단 이 장치에 모아 물과 증기로 나누어 밸브 끝에 있는 각 배관으로 분배하는 장치입니다.

보일러 헤더에는 반드시 트랩을 설치해야 합니다. 이는 보일러의 물, 염분 및 고형물을 완전히 분리하여 배출해야 하기 때문이며, 헤더에 설치되는 트랩은 신속하게 대량의 드레인을 배출할 수 있는 능력을 가진 것을 선정해야 합니다. 또한, 워터해머에 대해 강한 형식의 트랩을 선택하는 것도 중요한 포인트입니다. 고정오리피스식 트랩인 O-TRAP 의 기종을 선정하기 위해서는, ①헤더 증기 압력 ②배압(응축수 회수관 높이, 응축수 탱크 높이, 탱크까지의 거리) ③헤더 직경 ④헤더 길이 ⑤헤더 보온 두께 등 헤더의 사양이 필요합니다.

 

증기의 기본: 증기의 유효 활용

열의 이동은 항상 높은 온도 레벨에서 낮은 레벨로 이동합니다.

보일러에서 열은 연소실에서 전열관을 통해 물로 전달됩니다.

물은 더욱 가열되어 증기로서 보일러 헤더에서 배관을 통해 각각의 시스템으로 수송되어 증기가 가진 열에너지를 이용합니다.

보일러에서 발생한 증기는 주위 온도보다 고온이기 때문에 배관 내벽을 통해 대기로 방열됩니다.

이 열손실에 의해(로 인해) 증기는 응축되어 드레인으로 변화합니다.

따라서 이 열손실을 최소화하기 위해 배관은 보온됩니다.

다만 열교환기나 에어히터 등의 경우에는 증기의 열에너지를 전달하여 이용하는 것이 목적이므로 가능한 한 효율적으로 전열이 이루어질 수 있도록 여러 가지 고려를 해야 합니다.

간접 가열, 즉 열교환기 등으로 간접적으로 피가열물을 가열할 경우 증기는 보유한 잠열을 방출하여 응축되어 드레인이 됩니다.

즉 간접 가열의 경우에는 잠열만을 이용합니다.

포화증기는 압력이 높아질수록 그 증기가 가진 잠열이 작아 포화수의 현열은 반대로 증가합니다.

이것은 가열에 이용하기에는 높은 증기 압력일수록 낭비하는 열량이 많아집니다.

예를 들어, 물 1,000kg을 열교환기로 20℃에서 80℃까지 가열하는데 252,000kJ를 필요로 하는데, 0.1MPa의 건조포화증기를 사용하게 되면 그때 잠열은 2,210kJ/kg이므로, 252,000kJ÷2,210kJ/kg÷114.0kg의 증기를 필요로 합니다.

마찬가지로 0.7 MPa의 건조포화증기를 사용하면 그 때 잠열은 2,056 kJ/kg이므로 252,000 kJ  ÷ 2,056 kJ/kg  ≒ = 122.6 kg의 증기가 필요합니다.

따라서 0.7MPa의 증기보다 0.1MPa의 증기를 사용하는 것이 그 차이 122.6 - 114.0 = 8.6 kg의 증기를 절약할 수 있습니다.

또한 어느 경우에도 그 보유한 현열은 스팀 트랩에 의해 드레인으로서 배출합니다.

0.1MPa의 증기 현열은 503kJ/kg이고 0.7MPa의 증기 현열은 719kJ/kg입니다.

이 경우 현열량의 차이는 (122.6kg×719kJ/kg)-(114.0kg×503kJ/kg)⇒30,807kJ가 되며, 이 현열은 드레인으로서 배출해 버립니다.

간접 가열의 경우에는 필요 이상으로 높은 압력의 증기를 이용하면 낭비하는 열량이 매우 많아집니다.

어느 정도, 감압할 것인가는 열교환기 부분의 온도조건과 그 증기공급구의 크기가 확보되어 있는가, 또 감압에 의한 열교환능력이 저하되지 않는 것이 전제 조건입니다.

 

증기는 저압이 될수록 비용적이 커집니다.

0.7MPa에서의 증기비 용적이 0.2448cm3/kg인데 비해, 0.1MPa에서는 0.9018cm3/kg으로 약 3.7배입니다.

따라서 저압증기로 전환할 경우에는 증기관 구경을 재검토해야 합니다.

또한, 저압증기를 사용할 때에는 프로세스 장치에 있어서 증기온도와 피가열물의 온도차가 작아지므로 전열면적을 증가시키거나 장치대수를 증가시켜야 하는 경우가 있습니다.

그러나 이러한 경비는 일시적이며, 저압증기 사용으로 인한 이익은 지속적인 것은 말할 것도 없습니다.

 

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