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제3장 : 응축수 회수
  • 한국에너지정보센터
  • 승인 2021.08.31 22:18
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1. 스팀 트랩

1.1 스팀 트랩의 개요

오늘날 제품을 생산하는 생산공정에서 증기를 사용하지 않는 공정은 거의 없으며, 모든 증기시스템에서 스팀 트랩은 가장 필수적인 것 중의 하나가 되었다. 스팀 트랩은 스팀이 갖고있는 열을 최대한 사용하도록 스팀을 설비 내에 잡아두고 적절한 시기에 응축수와 비응축성 가스를 배출하도록 한다.

스팀 트랩은 스팀 및 응축수 관리 시스템의 연결고리 이다. 비록 스팀 트랩을 별도로 분리하고 검토하는 경우도 있지만, 그 자체가 스팀 시스템에 영향을 주는 모든 것으로 생각하는 것은 바람직하지 못하다. 스팀을 사용하는 설비에서 다음과 같은 질문이 매우 중요하다.

● 설비가 요구하는 온도까지 빠르게 도달하는가 또는 아주 천천히 반응하는가 그리고 요구하는 성능보다 부족하지는 않은가?
● 시스템에서 문제가 전혀 없는가 아니면 부적절한 스팀 트랩핑에 의해 워터해머, 부식, 누출 및 정비비용이 너무 많이 드는 것은 아닌가?
● 시스템의 설계가 잘못되어 스팀 트랩의 수명과 성능에 있어 부정적인 영향을 미치는 것은 아닌가? 종종 부적합한 스팀트랩을 어떤 특정한 설비에 사용하여도 어느 정도까지 잘못된 징후나 영향을 주지 않는 것처럼 보이기도 한다. 심지어 어떤 경우에는 스팀 트랩이 완전히 닫혀있어도 스팀 주관의 경우처럼 외관상의 문제가 없어 보이기도 한다.
이런 경우 스팀 주관 중 하나의 드레인 지점에서 미처 배출되지 않은 응축수는 결국 다음의 배출점까지 흘러가게 된다. 그러나 만약 다음의 드레인 지점에 있는 스팀 트랩도 닫혀 있다면 이는 쉽게 문제가 된다.

경험이 많은 엔지니어는 아마도 스팀 트랩핑에 보다 적절한 주의를 기울이기만 해도 컨트롤 밸브의 마모나 찢김, 누출 및 설비의 성능 저하 등이 모두 해결된다는 것을 인식하게 될 것이다. 모든 기계적인 부품은 마모의 문제가 있으며 스팀 트랩 역시 예외는 아니다. 스팀트랩이 고장으로 열려 있게 되면 비록 예상보다 적은 양이라 하더라도 어느 정도의 스팀이 응축수 시스템으로 누출된다. 다행스럽게도 이제는 이 스팀 누출을 신속하게 감지하고 교정하는 수단이 개발되었다.

 

가) 스팀 트랩의 필요성

스팀 트랩의 역할은 설비에서 응축수는 배출하고 생스팀의 누출은 방지하는 것이다.”(Lionel Northcroft - circa 1934) 어떤 스팀 시스템도 가장 핵심적인 요소인 스팀 트랩이 없이 완성될 수는 없다. 스팀 트랩은 스팀 시스템과 응축수 회수 배관을 연결하는 핵심적인 장비로서, 스팀 및 응축수 회로에서 가장 중요한 연결고리가 된다.

스팀 트랩은 한마디로 응축수 뿐만 아니라 공기나 다른 비응축성 가스도 함께 시스템에서 배출하여 스팀이 공급되어야 할 위치에 도달하도록 하여 스팀이 효율적으로, 그리고 가능한 한 경제적으로 성능을 발휘하도록 한다.

스팀 트랩이 다루어야 할 응축수의 양은 심각할 정도로 변화한다. 스팀 트랩은 응축수를 스팀의 포화 온도에서 응축수가 발생하자마자 배출하기도 하고 또는 공정에 자신의 현열까지 방출하여 스팀 온도보다 낮은 온도에서 배출하기도 한다. 스팀 트랩이 작동하는 스팀의 압력은 진공에서부터 수백 bar 사이에 이르는 압력이 될 수 있다. 이 변화하는 조건에 따라 여러 가지 타입의 스팀 트랩이 있으며 각각은 고유한 장점과 단점을 가지고 있다. 경험에 의하면 스팀 트랩의 특성이 설비의 운전특성과 잘 맞을 때 가장 효율적으로 작동한다.

주어진 조건에서 주어진 기능을 수행하는 것이 올바른 스팀 트랩을 선택하는데 필수적이다. 한번 보아서 이 조건이 어떤 것인지 분명히 알 수는 없다. 그것은 운전압력의 변화, 부하 또는 배압의 변동일 수도 있고 극한의 온도 조건이거나 워터해머일 수도 있으며 부식이나 오물에 예민한 것일 수도 있다.

이들 조건이 무엇이든 올바른 스팀 트랩의 선정은 시스템 효율을 올바르게 유지하기 위해 매우 중요한 것이다. 한가지의 스팀 트랩 타입만으로 모든 설비에 맞는 선택을 할 수는 없다 .

 

나) 스팀 트랩 선정 시 고려할 사항

1) 공기의 제거

시운전시 즉 공정의 가동 초기에 가열 공간은 공기로 가득 차 있으며 이 공기를 제거하지 않으면 예열 시간이 길어지고 전열 효과가 떨어진다. 결국 시동 시간이 길어지고 설비의 효율도 떨어진다. 따라서 가능하면 이 공기는 가열 공간에 유입되는 스팀과 서로 섞이기 전에 신속하게 배출되어야 한다. 만약 공기와 스팀이 서로 혼합이 되면 이들을 분리하기 위해서는 증기를 응축시켜 공기만 남기고 이 공기를 안전한 장소로 배출해야 한다.

보다 대형의 스팀 공간에서는 별도의 에어벤트가 필요하다. 그렇지만 스팀 시스템에서 대부
분의 경우 공기는 스팀 트랩을 통해 배출된다. 여기서 온도조절식 스팀트랩은 확실히 다른 타입의 스팀 트랩에 비해 공기를 제거하는 장점을 가지고 있는데, 그 이유는 가동 초기에 온도조절식 스팀 트랩의 밸브가 완전히 열려있기 때문이다. 볼후로트 스팀 트랩에는 온도조절식 에어벤트가 내장되어 있어 매우 효과적으로 공기를 배출할 수 있지만, 써모다이나믹스팀 트랩의 경우는 어느 정도 이하의 공기만 처리할 수 있다. 버켓트 트랩의 밴트 홀은 에어벤팅 능력이 부족하여 그 결과 예열시간이 길어지고 생산성이 떨어지며 부식 문제가 발생한다.

 

2) 응축수의 제거

공기를 벤트시킨 후, 스팀 트랩은 응축수를 배출하고 스팀은 배출하면 안된다. 이는 스팀 트랩에서 스팀이 누출되면 공정의 비효율과 경제적으로 낭비를 가져온다. 그러므로 스팀 트랩은 응축수만 통과시키고 스팀은 공정 내부 공간에 잡아두어야 한다. 만약 열전달량이 공정에 매우 중요한 경우, 응축수는 발생 즉시 스팀과 같은 온도에서 배출되어야 한다. 스팀 사용 설비에서 효율이 감소하는 주된 원인 중에 하나가 바로 부적절한 스팀 트랩의 선정에 의해 발생한 워터로깅(응축수 정체) 때문이다.

 

3) 열효율

가장 기본적인 요구 사항인 공기와 응축수의 제거가 이루어지면 이제 열효율에 대해 주의를 기울여야 한다. 즉 공급된 스팀의 양이 얼마나 경제적으로 사용되었고 스팀 트랩의 타입이 어떻게 영향을 미치는가에 대해 검토하는 것이다. 언뜻 보면 온도조절식 스팀 트랩이 가장 최선의 선택인 것처럼 보인다. 온도조절식 스팀 트랩은 응축수의 온도가 포화 온도보다 어느 정도 이하로 떨어질 때까지 응축수 배출을 지연시킨다.

이와 같이 공급된 열을 공정 또는 난방에 활용하여 스팀 사용량의 절감을 가져올 수 있다. 일부 응용 사례에서는 응축수의 배출 온도를 가능한 낮게 할 필요가 있다. 그러나 일반적인 대부분의 공정에서는 스팀 공간에서 응축수가 발생 즉시 스팀의 온도에서 배출되어야 한다. 이것은 온도조절식 스팀 트랩과는 다른 운전특성을 요구하며 이런 용도로 기계식 스팀 트랩이나 써모다이나믹 타입의 트랩을 설치해야 한다.

스팀 트랩의 타입을 선정할 때 최우선적으로 공정의 요구 사항을 검토하는 것이 필수적이다. 일반적으로 스팀과 응축수 시스템에 연결된 공정의 종류에 따라 특정 조건에서 가장 우수한 성능을 발휘하는 타입을 결정해야 한다. 일단 타입이 선정되면 스팀 트랩의 구경을 선정해야 한다. 구경 선정시 시스템의 운전 조건 즉 다음의 변수를 알아야 한다.

● 최대 스팀 압력과 응축수 압력
● 스팀 및 응축수 운전 압력
● 온도, 응축수 발생량
● 공정이 온도조절되는가
이들 변수에 관해서는 다시 알아 보기로 한다.

 

4) 신뢰성

경험에 의하면“우수한 스팀 트랩핑”은 신뢰성과 같다고 본다. 즉 최소한으로 주의를 기울여도 필요한 최적의 성능을 발휘해야 한다. 신뢰성이 저하되는 원인은 많은 경우에서 다음과 관련이 있다.

● 응축수의 상태에 따른 부식문제가 있다. 이것은 양질의 급수와 특수한 배관 재질을 사용하여 해결할 수 있다.
● 스팀 트랩 다음의 배관이 상승하여 발생하는 워터해머는 종종 설계 단계에서 이들 문제를 간과하여 발생하며, 이러한 문제가 발생하지 않으면 신뢰성 있는 스팀 트랩에 불필요한 손상을 입히게 된다.(더 자세한 내용은“스팀 트랩 선정시 고려할 사항”을 참조한다.)
● 보일러에서 캐리오버되어 퇴적된 수처리 약품에 의한 이물질 또는 배관내의 이물질에 의해 스팀 트랩의 운전에 영향을 받게 된다. 그러나 스팀 트랩에 요구되는 가장 중요한 기능은 응축수와 공기의 제거이며, 여기서 스팀 트랩의 작동원리에 대해 확실하게 이해하여야 한다.

 

5) 재증발 증기
비록 스팀 트랩을 선정할 때마다 고려하는 것은 아니지만 고압 시스템의 응축수를 저압의 응축수 배관으로 배출하는 경우 자연적으로 재증발 증기가 발생하며 이 재증발 증기로 인해 많은 사람들이 스팀 트랩의 작동 상태에 대해 혼란을 겪게 된다.

스팀 트랩의 상태를 점검할 때 재증발 증기를 생증기와 혼동해서는 안된다. 스팀의 압력과 온도에서, 생성된 응축수의 엔탈피를 포화 증기표에서 살펴보자. 예를 들어 7.0barg 응축수의 경우 온도는 170.5℃이고 보유 열량은 721.4kJ/kg (=172.3 kcal/kg)이다.
응축수가 대기중으로 배출되면 단지 물로 존재하면서 온도는 100 ℃를 유지하고 포화수의 열량은 419.04kJ/kg(=100.1 kcal/kg)이 된다.

이때 과잉의 열량인 302.4 kJ/kg(=72.2 kcal/kg)은 약간의 물을 증발시켜 대기압 상태의 스팀을 발생시킨다. 이렇게 생산된 스팀을 재증발 증기라고 부른다. 위와 같은 조건에서 발생된 재증발 증기의 양은 다음과 같이 계산한다. 저압에서 재증발증기 발생량 = 과잉 열량(kJ/kg)/저압에서 증발잠열(kJ/kg)= (302.4 kJ/kg)/(2,257.0 kJ/kg) = 0.134 kg 재증발증기/응축수kg
만약 스팀 트랩이 7 barg에서 대기중으로 500kg/h의 응축수를 배출한다면 재증발 증기 발생량은 500×0.134=67kg/h이 된다. 이것은 스팀 및 응축수의 순환 회로에서 에너지가 손실된다는 것을 의미한다.
결국 이를 활용하면 시스템 효율을 제고하는 간단한 기회가 된다. 이에 대한 내용은“응축수 및 재증발 증기회수”자료에서 깊이 다룰 것이다.

한국에너지정보센터  kecenter@hanmail.net

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