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제2장 : 스팀의 사용2. 스팀 배관 구경 선정
  • 한국에너지정보센터
  • 승인 2020.07.15 10:37
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2.1 스팀 배관

스팀 배관 시스템은 스팀 공급처와 스팀 사용처 사이를 연결하는 중요한 연결 고리이며, 스팀 공급처는 대부분 보일러 또는 다른 공장 보일러일 수도 있다. 스팀 공급처는 반드시 양질의 스팀을 필요한 양만큼 필요한 압력으로 공급해야 하며, 열량 손실이 최소가 되도록 보온이 되어야 하며, 정비에 대한 문제도 적은 상태로 공급해야 한다.

보일러에서 발생된 스팀은 배관을 따라 열에너지를 필요로 하는 장소로 이동하에 되는데 일반적으로 주증기관이라 불리는 하나 또는 그 이상의 배관을 통하여 사용처로 수송되며, 이 주증기관으로부터 분리 된 지관을 통하여 각각의 증기 사용 설비로 연결되게 된다.

스팀 배관 선정은 유속에 의한 방법과 압력 손실에 의한 방법이 있다. 압력 손실에 의한 방법은 계산이 복잡하고 까다로워 여기서는 주로 유속에 의한 방법으로 배관 구경을 선정한다.
스팀의 성질 중 압력에 따른 비용적 즉 단위 중량 당 부피를 보면 압력이 증가하면 비용적은 작아지는 것을 알 수 있다.

이 의미는 같은 량의 스팀이 같은 속도로 배관을 통과 할 때 압력이 높으면 배관 사이즈가 작
아지는 것을 의미한다. 아마도 전 세계에서 배관의 표준으로 사용되고 있는 규격은 API 일 것이며 API에서는 배관의 두께를 스케쥴(Schedule / Sch.) 번호로 분류하고 있다.

이 스케쥴은 배관의 허용 압력 정도와 관련이 있으며 5, 10, 20, 30, 40, 60, 80, 100, 120, 140과 160까지 11단계가 있다. Sch. 번호는 숫자가 클수록 배관 두께가 더 커진다.

표 1. 스케쥴 번호에 따른 호칭 경 별 배관 내경 사이즈

스팀 배관 구경을 속도에 따라 선정하려면 스팀의 부피와 배관의 단면적으로 계산한다 .
건조한 포화 증기의 경우 실무적인 경험으로 볼 때 속도가 25-40m/sec 가 적정하나 40m/sec의 속도를 최대로 하여야 한다. 속도가 이 이상이 되면 특히 증기가 습증기의 경우에는 침식 및 소음이 심해지며, 또한 압력손실의 영향이 아주 크게 된다.

배관 거리가 멀고, 스팀 압력이 1.0barg 이하 경우에는 아주 큰 압력 손실을 피하기 위해 속도를 15m/sec 로 제한하기도 한다.

 

2.2 Air Heater(공기 가열기) 스팀 배관 선정

스팀 배관 선정 공식

여기서,
D : 선정된 배관구경(mm)
C : 증기의 적정 속도(m/s)
v : 배관 내의 압력에서 비용적(㎥/kg)
m : 스팀 배관을 통과하는 스팀의 질량 유량 (kg/hr)

 

2.3 온수 탱크 스팀 배관 선정

온수 탱크에 공급되는 스팀은 스팀 헤더에서 공급되는 압력과 감압 밸브 후단의 압력 두 가지 압력으로 공급된다. 스팀 공급량은 같고 압력이 다를 경우의 스팀 배관의 사이즈 차이가 있다 .
스팀 배관 사이즈는 같은 량의 스팀을 공급 할 경우 스팀 압력에 따라 배관 사이즈가 달라진다. 즉 압력이 높으면 비 용적이 작아져 스팀 배관 사이즈가 작아지는 것을 알 수 있다.
표 2는 배관 사이즈에 따른 스팀 유속에 의한 스팀 통과 량을 표시하였다 .

2.4 효율적 스팀 배관 방법

효율적 스팀 배관 방법은 수송은 고압으로 하고 사용은 저압으로 한다. 스팀 수송을 고압으로 하면 다음과 같은 장점이 있다. 증기 배관 구경이 작아져 증기 주관의 설치비 즉 파이프, 플랜지, 지지대와 인건비 등이 감소하고, 배관 보온을 위한 투자비용이 절감된다. 또한 감압을 하여 사용하게 되는 스팀 사용처에서는 감압의 효과에 따른보다 건조한 스팀을 사용하게 된다.

보일러의 열 보유 능력도 증가하여 부하의 변동에 대한 대처도 용이하며 피크 부하 시 프라이밍Priming) 과 캐리오버(carryover)의 위험도 줄여준다. 스팀 배관 선정 시 오버 사이징이 되면 배관 자재의 비용이 실제 필요보다 높게 되며, 방열 손실량이 커져 응축수 발생량이 많아지고, 생성된 응축수의 양이 많아져 스팀의 질과 열전달이 나빠진다. 또한 배관 설치비용이 증가된다.

반대로 배관 구경이 작게 되면 스팀의 속도가 빨라지고 압력손실이 커져 사용처에 공급되는 압력이 원하는 압력보다 낮아 질 수 있으며, 사용처에 스팀 공급량이 부족하게 될 위험이 크며 증가된 속도에 의하여 침식, 워터 해머 및 소음의 발생 위험도 증가한다. 그러므로 스팀 배관은 적정 사이즈 배관 선정이 경제적이고, 효율적인 스팀 시스템 구성의 기본이 된다.

 

 

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