증기의 유효한 이용과 스팀 트랩(열손실 감소, 응축열 이용, 플래시증기 이용, 응축수회수 이용, 응축수회수 방법)
◈열손실 감소
열 손실이란 증기 배관이나 장치로부터의 방열과 같이 사용되지 않고 쓸데없이 시스템 밖으로 방출되는 문자 그대로 열 에너지의 손실을 말합니다. 그 주요 요인은 증기 시스템의 운전 상황에 따라 달라집니다.
▶운전 개시 시 및 정지 시
증기 시스템의 운전을 개시하면, 통상 운전 상태에 도달할 때까지의 동안, 증기의 열은 증기 배관이나 장치 등을 따뜻하게 하는 데 소비됩니다. 정지 빈도가 작은 시스템에서는 문제가 되지 않지만, 매주 혹은 일별로 기동과 정지를 실시하는 등, 정지빈도가 높은 시스템의 경우에는 그로 인한 열손실을 무시할 수 없습니다. 보온 처리를 하여 배관이나 장치 등의 냉각을 억제하거나, 배출되는 응축수의 재사용을 도모하는 등의 연구가 필요합니다.
▶통상 운전시
정상 운전에 도달한 후에는 증기 배관이나 열교환기의 외표면으로부터의 방열과 배출 응축수와 함께 유출되는 열이 주된 손실이 됩니다. 요구되는 부하에 비해 장치 용량이 크면 방열에 의한 비율이 커집니다.
◈증기 사용 설비에 대한 적절한 증기 공급
장치에 증기를 공급하는 경우는, 그 장치의 최고 사용 압력이나 최고 사용 온도 등의 사양을 준수하는 것은 당연하지만, 그 장치의 부하 및 기타 사용 조건을 고려하여, 적절한 증기 공급을 실시하는 것이 바람직합니다. 예를 들어, 장치의 입구 측 증기 압력을 낮출 수 있다면, 그만큼 열에너지의 유효 이용을 도모할 수 있습니다. 증기의 일반 특성으로 저압 증기일수록 함유하는 잠열이 커지기 때문입니다.
그러나, 저압일수록 포화증기 온도도 낮아지기 때문에, 열교환기의 가열측과 피가열측 간 온도차가 작아져, 같은 효과를 얻기 위해서는 전열면적을 크게 할 필요가 있습니다. 동시에 스팀 트랩의 입구 쪽과 출구 쪽의 차압도 작아져 배출량 저하로 이어집니다. 장치 주변을 결정할 때 이러한 요소들을 사전 검토하는 것이 중요합니다.
◈응축열(복수열復水熱)의 이용
증기의 잠열이 손실되면 응축되어 응축수(복수)가 되지만 각종 공정기기나 열교환기 내에서 생긴 응축수는 신속하게 배출되어야 합니다. 응축수가 체류하면 전열 효율의 저하를 초래하고, 또한 운전 재개 시 워터 해머의 원인이 될 수 있기 때문입니다. 하지만, 배출되는 고온 응축수는, 아직 큰 에너지(현열)를 가지고 있어, 재사용할 가치가 충분히 있습니다.
▶응축열(복수열)의 이용은 구체적으로 다음 세 가지로 분류할 수 있습니다.
▷플래시 증기의 이용
▷온조 트랩을 이용한 현열 이용
▷응축수 회수
▶플래시 증기의 이용
“플래시 증기” 내용편에서 알아보시면, 응축수가 고압역에서 저압역으로 들어가면 그 일부가 재증발하여 플래시 증기가 됩니다. 이 플래시 증기도 보일러에서 생성되는 증기도 증기임에는 변함이 없으며, 그 잠열의 이용을 도모할 수 있습니다. 고온의 열교환기로부터의 응축수를 적당한 압력으로 설정한 플래시 탱크로 인도하여 플래시 증기를 생성하여 저온 열교환기에 이용하는 것은 흔히 이루어지고 있는 사례입니다. 또한, 스팀 트랩에서 배출되는 응축수도 그 일부가 재증발하기 때문에 마찬가지로 그 이용을 도모할 수 있습니다.
아래의 그림1은 보일러 플랜트에서의 한 예입니다. 증기식 공기 예열기의 응축수를 플래시 탱크로 재증발시켜, 그 플래시 증기를 탈기에 공급하고, 남은 응축수는 저온 급수 가열기에 공급하고 있습니다. 플래시 탱크 내에서 생성되는 플래시 증기의 비율과 그 용적에 대해서는 아래의 표 1과 표 2를 참조하십시오.
그림1 보일러 플랜트에서의 플래시증기이용
표1 플래시증기량(%)
표2 재증발 증기의 용적(㎥)
▶온조 트랩을 이용한 현열 이용
스팀 트랩은 발생한 응축수를 신속하게 시스템 밖으로 배출하기 위한 기기로 일반적으로 그 배출이 신속할수록 성능이 좋다고 알려져 있었습니다. 응축수를 시스템 내에 체류시키는 단점은 있어도 장점은 발견되지 않았기 때문입니다.
응축수를 체류시켜 적극적으로 그 현열을 이용하는 온조 트랩을 개발되었는데, 미리 적당한 응축수배출온도(포화증기온도보다 분명히 낮은 온도)로 설정해 응축수가 그 온도 이상인 동안은 배출하지 않는 기구를 가진 스팀트랩으로 개발되었습니다. 1970년대 초, 제1차 석유위기가 닥치면서 "에너지 절약" 의식이 급속히 높아지고 있는 가운데, 이 온조 트랩은 많은 공장의 스팀 트레이스 라인에 차례차례 채용되거나 디스크 트랩 등으로부터의 대체가 이루어져 짧은 시간에 "에너지 절약 트랩"으로서의 존재를 확립했습니다.
▷온조 트랩의 주요 특징으로 다음과 같은 점을 들 수 있습니다.
▷응축열(현열)을 효과적으로 이용한다. 특히 스팀트레이스 라인에서 큰효과를 볼 수 있다.
▷항상 트랩 1차측의 본체 밖에서 응축수 씰이 발생하고 있기 때문에, 증기 누출이 없다.
▷응축수 배출 온도가 낮기 때문에 플래시 증기가 생기지 않는다(혹은 적다).
이는 트랩 성능에 관해 다음과 같은 이점이 생깁니다.
◌ 밸브부 에로젼이 완화되어 내구성이 뛰어납니다.
◌ 트랩 이차측의 응축수 유로 면적이 실질적으로 커지고, 그만큼 응축수 라인의 배관 사이즈를 작게 할 수 있다.
그림 2는 현열 이용에 의한 증기 절감률을 나타내는 것입니다.
▶응축수(復水) 회수
증기 시스템의 각 기기나 장치에서 발생한 응축수(복수)는 응축수 배출 라인으로 인도되지만, 이 응축수를 버리지 않고 재사용하는 것이 경제적으로나 환경적으로나 바람직합니다. 몇 가지 이용 방법이 있는 가운데, 여기에서는 특히 보일러 급수 탱크로의 회수에 대해 설명합니다. 이 회수 이용의 특징은, 응축수 자체도 재사용하는 것입니다.
보일러는, 물을 높은 압력으로 가열해 증발시켜 생성한 증기를 증기수송관으로 내보내는 장치인데, 물은 항상 보일러에 적합한 수질을 유지해야 하기 때문에, 화학물질을 이용한 수처리가 이루어집니다. 그리고 그 수질을 체크하여, 수질 저하가 검출된 경우에 그 회복 처리를 실시합니다. 이 처리를 블로우다운이라고 부르고 있습니다. 이와 같이 보일러로 증기를 생성하려면, 연료 외에 수처리제 등의 비용이 수반됩니다. 또한, 블로우다운 횟수가 많으면 그만큼 보일러수나 그 함유 에너지를 폐기하게 됩니다.
응축수는, 이미 수처리가 이루어져, 보일러로 증류되어있기 때문에 순수에 가깝고 보일러수로서 이상적인 것입니다. 적극적으로 회수 이용을 도모해야 하며, 그렇게 함으로써 다음과 같은 효과를 얻을 수 있습니다.
▷급수 요금의 저감
▷연료비의 저감
▷보일러 증기 생성 효율 향상
▷보일러의 블로우다운을 줄여, 에너지 손실을 저감
▷수처리 비용의 저감
실제로, 어느 정도의 효과를 얻을 수 있는지는 각 공장마다 다르기 때문에, 독자적으로 견적을 받아야 하지만, 다음의 예는 대략적인 효과 금액을 견적하는 데 참고가 됩니다.
전제조건을 다음과 같이 정합니다.
(전제조건)
보일러 증기 생성량 : 10,000kg/h
운전 시간 : 24시간/일 (8,760 시간/년).
보일러 급수 온도 : 15 ℃
응축수 온도 : 90℃ (모두 회수되지 않고 배출).
공급수(원수) 비용 : 500원/m3
보일러 효율 : 85%
연료비(가스요금) : 20,000원/GJ(기가쥬르)(11원/kWh)
(1GJ＝1,000,000kJ）
(연료비)
우선은, 연료비입니다만, 회수되지 않는 응축수 1kg당, 동일한 1kg의 새로운 원수가 필요합니다. 이 원수를 90℃까지 가열하는 비용을 계산합니다.
(ΔT=90℃-15℃=75℃) 원수의 온도를 올리는 데 필요한 열량은 다음 식을 이용하여 구합니다.
Q＝ｍ×Cp×⊿T
여기서,
Q : 열량 (kJ)
m : 물질의 질량 (kg)
Cp : 물질의 비열 (kJ/kg℃) (물은, 4.19 kJ/kg℃)
ΔT : 물질의 상승 온도 (℃)
이 예에서, m, Cp, ⊿T는 각각 1kg, 4.19kJ/kg℃, 75℃이므로, 이들을 위식에 대입하면,
Q＝1 kg × 4.19 kJ/kg℃ × 75 ℃＝314 kJ
입니다.
이것은, 단위 질량당의 열량이므로, 314kJ/kg로서 연간의 필요열량을 구하면
10,000 kg/h×314 kJ/kg×8,760 h/년＝27.506 GJ
보일러 효율이 85%이므로 실제로 필요한 열량은
27,506 GJ/0.85=32,360GJ/년
연료비(가스요금) 20,000원/GJ를 이용해 연간 연료비용을 구하면,
32,360GJ/년×20,000원/GJ=647,200,000원/년
입니다.
(원수비)
다음으로 공급수(원수) 비용입니다. 물 요금은 체적(부피) 단위로 결정되지만, 상온수의 밀도는 대략 1,000kg/㎥입니다.따라서 응축수 회수되지 않기 위해 필요한 연간 공급 수량은
(8,760h/년×10,000kg/h)/(1,000kg/㎥)=87,600㎥/년
여기에 공급수 비용 500원/㎥를 곱하여 연간 비용을 구하면
87,600m3/년×500원/㎥ = 43,800,000원/년
입니다.
연료비와 원수비를 합치면
647,200,000 +43,800,000 = 691,000,000원
이 예에서는 연료와 물의 절약비만으로 7억원 가까이 되어 의외로 큰 금액이 될 것임을 알 수 있습니다. 이것에 수처리 비용이나 블로우다운 감소분, 배수 비용 등을 예상하면, 회수 효과는 더욱 커집니다. 단, 이 예에서는 열에너지의 회수효율을 100%로 계산하고 있기 때문에, 정확하게는 회수효율을 예상할 필요가 있습니다.
■ 응축수 회수 방법
응축수 회수는 증기 주관 장비 및 트레이스 라인을 별도 방식으로 나눌 것을 권장합니다.
1. 증기 주관
압력 제어되지 않은 증기 주관에서 발생하는 응축수는 대부분의 경우, 압력 환수 방식으로 회수 할 수 있습니다. 이 경우 응축수 회수관내의 압력으로 가해져, 상승관의 수두압력이 스팀 트랩에 배압으로 작용합니다. 따라서 응축수 회수 실시에 따른 스팀 트랩의 검토를 권장합니다. 트랩 출구의 작동 상태를 육안으로 확인할 수 없으므로, 고장날 부분이 없어 내구성이 거의 반영구적으로 사용할 수 있는 신뢰성이 높은 연속 배출식인 고정 오리피스 식 스팀 트랩(O-TRAP) 으로의 변경(교체)을 권장합니다.
2. 장비ᆞ증기 트레이스
장치 트랩 등 상류 측에서 압력 제어를 행하고 있는 경우 및 증기 트레이스 등의 경우는, 압력이 낮거나 변동하기 때문에 기존 기계식 등으로는 회수가 어려워집니다. 따라서 펌프를 사용한 응축수 회수를 하게 됩니다. 펌프의 회수 방법은 진공 펌프를 사용하여 회수하는 진공 환수 방식이 있지만, 고온 응축수에 의한 펌프의 문제와 캐비테이션 및 방폭의 문제를 고려하여 펌프 트랩을 사용한 기계적 압송을 하기도 합니다.
또한, 파워트랩(오그덴 펌프)을 사용하여 압송 방법은 오픈 시스템과 클로즈(폐쇄) 시스템이 있습니다. 케이스에 따라 구분하여 설치합니다.
고정 오리피스식 스팀트랩(O-TRAP) 은 증기 사용 설비 및 배관에서 발생하는 “최대 드레인 량”에 오리피스 시스템을 선택하기 때문에 드레인 양이 크게 변동하여도 기존의 스팀트랩 이상의 증기를 누설하지 않고, 적절하고 신속하게 대응하여 드레인을 지체 없이 연속 배출합니다.
고정 오리피스식 스팀트랩인 O-TRAP 은 설치 필요 공간이 매우 작으며, 수평 수직 등 설치 환경 제약이 없고, 증기배관 내에 존재할 수 있는 햄머링 현상을 제거 합니다.
또한, 배압문제로 응축수 회수를 위해 설치하는 파워트랩(오그덴 펌프) 등의 투자도 불필요합니다.
가동 밸브가 없는 고정오리피스식 스팀트랩인 「O-TRAP」은、 차압(△Ρ)이 거의 없는 장소 (0.05MPa 이하）라 할지라도、오리피스를 최대 배출량에 맞추어 설계하여, 10톤/h 이상의 드레인도 원할하게 배출할 수 있습니다.
고정오리피스식 스팀트랩인O-TRAP 을 사용하므로서、응축수를 강제 배출하기 위한 장치（Power Trap=오그덴펌프）、관련 배관을 폐지하고、펌핑트랩・파워트랩 등 장비 운영에 필요한 에너지、보전 비용을 절감 할 수가 있습니다.
↓참고 그림 : 극소 차압의 드레인 배출도 가능한 O-TRAP↓
◈응축수(복수) 회수 사례
응축수 회수(리턴)는 크게 나누어 오픈 방식(개방방식)과 클로즈드 방식(폐쇄방식)이 있습니다.
오픈 방식에서는 리턴 응축수가 오픈 탱크 등으로 이끌려 대기압에 노출됩니다. 이 때문에, 응축수 온도는 100℃ 이하가 되어, 일부의 열에너지는 플래시 증기가 되어 대기로 방출됩니다. 반면, 클로즈드 방식은 유압 회수이며 고온 응축수의 에너지를 효율적으로 회수하는 데 적합합니다. 단지, 리턴(회수) 시스템의 구축 비용은 후자쪽이 커지기 때문에, 어느 쪽을 선택할지는, 회수 목적이나 회수 규모 그 외의 요소를 종합 감안해 결정할 필요가 있습니다.
몇 가지 응축수 회수 배관 예를 나타냅니다(각 그림에서 생략하고 있습니다만, 보일러 앞에는 체크밸브가 필요합니다).
▶급수 탱크로의 기본적인 회수(리턴)
스팀 트랩을 통해, 그 1차측 압력에 의해 응축수를 급수 탱크로 압송하고 있습니다.
그림 3 오픈 방식에 의한 회수
사진 설명을 입력하세요.
▶ 라인 펌프를 이용한 응축수 회수(리턴)
스팀 트랩의 1차측 압력만으로 급수 탱크까지 압송할 수 없는 경우는 라인 펌프로 중계합니다. 그 때문에, 응축수를 일단 모아 두는 쿠션 탱크를 설치하고 있습니다.
그림 4 라인 펌프를 이용한 오픈 방식에 의한 응축수 회수
사진 설명을 입력하세요.
▶ 응축수 회수 펌프를 이용한 회수(리턴)
스팀 트랩으로부터의 압력이 낮은 경우에는, 응축수 회수 펌프를 이용하여 인입력(引込力)을 확보해야 합니다.
그림 5 응축수 회수 펌프를 이용한 오픈 방식에 의한 회수
사진 설명을 입력하세요.
▶ 보일러 에로의 유압 회수(리턴)
회수 응축수를 유압 탱크에서 회수 펌프를 경유시켜 직접 보일러로 인도하고 있습니다. 펌프 1차측에 과도한 압력이 가해졌을 때는, 압력조정밸브로 그 압력을 급수탱크로 도피시켜 펌프를 보호합니다.
그림 6 클로즈드 방식에 의한 회수
사진 설명을 입력하세요.
▶ 플래시 증기의 이용
회수 응축수를 플래시 탱크로 이끌어 재증발시키고, 그 플래시 증기를 저압 라인으로 이끌어 재사용하고 있습니다. 증발하지 않은 응축수는 다른 용도를 위해 더 회수됩니다.
그림 7 플래시 증기의 이용과 응축수 회수
사진 설명을 입력하세요.
▶ 오염된 증기의 재사용
이미 언급했듯이, 응축수는 수처리가 되어, 증류되어 얻은 순수에 가까운 물입니다. 그러나, 증기 시스템에 따라서는, 증기가 소비되는 과정에서 더러워지거나, 불순물이 섞이는 등 오염되어 버리는 것도 있습니다. 예를 들어 화학반응장치의 열화에 의한 화학물질의 누출이나, 시스템을 장시간 휴지한 후의 운전 재개 시에 있어서의 장치나 배관의 녹 등을 생각할 수 있습니다.
이렇게 오염된 물은 보일러 급수용으로는 적합하지 않지만, 열교환기 및 기타 생산설비로의 이용은 여전히 가능합니다.
고정오리피스식 스팀트랩 (O-TRAP)
O-TRAP 상담 문의 ;
TEL : 070-7747-8290
URL : http://k.o-trap.cn
Mail: tjchung@naver.com , tjchung@daum.net
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