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제3장 : 응축수 회수
  • 한국에너지정보센터
  • 승인 2021.11.05 03:03
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1. 스팀 트랩

 

1.4 스팀 트랩의 선정과 고려 사항

정의에 의하면 스팀 트랩은 응축수와 비 응축성 가스는 자유롭게 배출하지만 스팀의 누출은 방지하는 기능을 갖고 있다. 스팀 트랩의 선정에 있어 가장 중요한 요소는 우선 압력, 응축수 부하 및 에어 벤팅의 조건을 먼저 검토하여 설계 조건에 맞추어야 한다. 그렇지만 시스템 설계 조건과 정비의 필요성도 성능과 선정에 함께 고려하여야 한다.

 

가) 워터 햄머링

원인이 무엇이든 워터해머는 스팀 시스템 내부에 이상이 발생했다는 신호이다. 그 이유는 증기 및 응축수 배관의 설계가 잘못되었거나 잘못된 타입의 스팀 트랩이나 스팀 누출 트랩의 사용, 아니면 이들 요인들이 복합되어 나타나기 때문이다. 만약 스팀 트랩이 올바르게 작동하기
힘들게 시스템이 배열되어 있다면, 설비에 맞는 타입의 스팀 트랩을 설치하는 것은 아무 의미가 없다.

동시에 올바른 설치만 하고 나머지 스팀 트랩핑이 제대로 안되면 아무 의미가 없다. 종종 워터해머가 발생하면 스팀 트랩이 파손된다. 그 보다 자주 발생하는 것은 고장난 스팀 트랩이 워
터해머에 노출된다는 것이다. 이 현상은 여러가지 원인에 의해 발생하는데 그중 일부는 다음과 같다.

 

● 고속으로 이동하는 스팀 배관에서 응축수가 제거되지 않는 경우

● 온도 조절되고 응축수가 회수 관으로 상승되는 곳에서 응축수가 제거되지 않는 경우

● 응축수 배관이 물로 가득 차거나, 재증발 증기에 의한 교축 효과에 따라 과압이 걸려 상대적으로 배관 구경이 작게 선정 된 회수 관으로 응축수 유입이 쉽지 않은 경우 최근의 설계 및 제작 기술로 스팀 트랩은 과거의 트랩보다는 강하게 만들고 있고 정상 운전 조건에서의 수명도 길게 하였으며 좋지 않은 설치 조건에서도 어느 정도 견딜 수 있게 되었다. 그렇지만 스팀
트랩이 아무리 잘 만들어졌어도 잘못 설계된 시스템에 설치되면 효율과 수명이 매우 단축된다. 만약 스팀 트랩이 워터해머에 의해 동일한 시스템에서 반복하여 고장이 나면 그 이유는 스팀 트랩보다는 시스템상의 문제가 원인이 된다.

이 경우 가장 먼저 해야 할 일은 문제의 원인을 조사 분석하여 문제의 근본적인 원인을 찾아 시스템의 부적합한 것을 올바르게 해결하거나 스팀 트랩을 강한 것으로 교체하여 이 조건에 맞추는 것이다. 두 번째의 방법은 절충안이지만 근본적인 해결책은 아니다. 안전이 항상
가장 중요한 것이며 결코 절충되어서는 안된다.
2가지 중요한 응용처는 증기주관의 드레인과 온도조절 되는 열교환기 시스템이다.
일반적으로 증기주관은 30~50 m 간격마다 드레인 포켓을 설치하고 응축수를 드레인해야 한다. 또 어떠한 상승배관의 하부에도 반드시 드레인 트랩을 설치해야 한다.

온도 조절되는 열교환기는 응축수가 공정에서 자유롭게 드레인 되도록 하여야만 효율이 유지된다. 만약 스팀 트랩 후단에 상승배관이 있으면 어떤 트랩을 설치하여도 워터해머가 발생한다. 이런 상황에서 스팀 트랩은 펌프/트랩 유니트와 같은 보다 강력한 응축수 회수시스템으로 교체되어야 한다. 새로운 시스템을 설계할 때에는 배관이 올바르게 설치되도록 해야 한다 .
이렇게 해야만 열효율 향상, 안전 및 안정적 운전이 이루어진다.

 

나) 이물질

이물질은 트랩 선정에서 고려할 또 다른 변수이다. 비록 스팀이 응축하여 생성된 응축수가 증류된 물이라 하더라도 종종 응축수에는 보일러 급수 처리 약품이나 천연적인 광물질 등이 미량 포함되어 있다. 배관 설치 시 발생한 배관 내의 오물이나 부식에 의한 녹 등도 고려해야 한다. 간헐적으로 응축수를 배출하는 스팀 트랩이 이물질에 의한 영향을 덜 받는다. 즉 온도 조절식 스팀 트랩의 경우에는 압력평형식 스팀 트랩이 더 좋다. 그러나 일부 대구경 평평한 시트를 가진 다이어프램 트랩은 문제가 되기도 한다. 밸브의 스템이 시트를 통과하는 바이메탈 스팀 트랩은 드리블링 동작으로 인해 가장 고장나기 쉽고 아예 막히기도 쉽다. 센서 엘레멘트는 쉽게 청소가 되기 때문에 이물질에 의한 영향은 없다고 보고되기도 한다. 그러나 엘레멘트 오염은 거의 문제가 되지 않으며 해당되는 부분은 밸브와 시트이다.

볼후로트식 스팀 트랩은 이물질에 매우 탄력적이다. 볼후로트식 스팀 트랩의 밸브와 시트는 항상 물속에 잠겨 있어 수면에 있는 이물질과 바닥에 가라앉은 이물질에 대해 안전하다. 아주 극단적인 예로 콘크리트 양생 오토클레이브에서 응축수를 드레인할 때 응축수 중에 가라앉은 모래 가루 등이 대구경 오리피스를 아주 저속으로 통과하면서도 아무런 문제 없이 트랩의 시트를 통과한다. 버켓트식 스팀 트랩은 버켓트에 에어 벤트 구멍이 뚫려있다.

이곳이 막히면 트랩은 에어 바인딩이 발생하여 트랩이 닫힌상태에서 멈춘다. 이 경우 에어 벤트 구멍을 막고있는 스케일 또는 이물질을 제거해야 한다. 몸체밀봉형 트랩에서 유일한 해결책은 트랩을 버리고 새로운 트랩으로 교체하는 것이다.

 

다) 스트레나
스트레나(그림 15)를 스팀 시스템에서 설치하는 것을 자주 잊어버리는데, 이는 설치비용을 줄이기위한 노력으로 보인다. 배관의 스케일과 이물질은 컨트롤 밸브와 스팀 트랩의 상태에 영향을 줄 수 있다. 배관에 스트레나를 설치하는 것은 매우 쉽고 값싼 방법으로서 설비 전체의 수명을 연장할 수 있다. 스케일 및 이물질을 잡아내므로 정비도 감소한다. 선정방법은 간단하다. 스트레나의 재질은 설비의 재질과 시스템의 운전압력 기준에 맞추어 선정한다. 보호할 기기와 이물질의 종류에 따라 여러가지 스크린 규격을 검토할 수 있는데 미세한 스크린을 선택하면 더 자주 청소를 해주어야 한다. 그렇지만 확실한 것은 스트레나를 청소하고 정비하는 것이 컨트롤 밸브나 스팀 트랩을 정비하는 것보다 훨씬 쉽고 가격도 저렴하다는 것이다.

 

라) 스팀 장애 현상(Steam Locking)

스팀 장애 현상의 가능성은 스팀 트랩 선정에서 매우 중요하다. 이 현상은 스팀 트랩이 설비로부터 너무 멀리 설치된 경우에 항상 발생한다. 또한 응축수가 사이폰관을 통해 배출되는 경우에는 매우 심각한 영향을 미칠 수 있다. 그림 16는 사이폰관을 이용하는 회전식 건조 실린더의 문제점을 보여주고 있다.

(i) 증기압력에 의해 응축수가 사이폰관을 통해 스팀 트랩에서 배출된다. (ii) 응축수의 수위가 실린더의 바닥까지 떨어져 사이폰관의 끝이 증기 중에 노출된 경우이다. 증기가 사이폰관을 통해 스팀 트랩으로 유입되고 트랩은 닫힌다.(이 경우 볼후로트식 스팀 트랩을 말한다) 이제 트랩은 스팀 장애가 되었다고 한다. 실린더에서는 방열이 계속되어 응축수가 발생하지만 스팀 트랩으로 유입될 수 없다.

(iii) 실린더는 이제 물로 가득 차게 되어 실린더의 건조 효율이 떨어지며 실린더를 회전시키는 동력비가 증가하게 된다. 최악의 경우 실린더의 중앙선까지 물이 가득차게 되고 기계적인 과부하로 큰 손상을 입게 될 것이다. 이 문제를 해결하기 위하여 스팀 장애 해소장치가 내장된 스팀 트랩(그림 17)이 필요하다. 이것은 니들 밸브를 내장한 것으로 사이폰관에 잡혀있는 증기를 메인 밸브를 바이 패스하여 배출하도록 한다. 볼후로트식 스팀 트랩만이이 장치를 설치할 수 있어, 실린더 건조기와 같은 대용량 설비에 적합한 스팀 트랩이다.

이 니들 밸브는 스팀의 손실을 방지하기 위하여 아주 조금만 열어놓기 때문에 공기 제거에는 용량이 부족하다. 이 타입의 트랩에는 종종 에어 벤트와 스팀 장애 해소장치를 조합하여 공급하기도 한다. 주기적으로 방열 손실에 따라 열리는 트랩은 결국 스팀장애를 극복할 수 있지만, 결과적인 응축수 배출과 설비의 효율은 매우 비정상적이 된다.

 

마) 디퓨저

스팀 트랩에서 응축수를 대기 중으로 방출하는 경우 뜨거운 응축수가 배출되는 것을 확인할 수 있다. 응축수의 압력에 따라 다르지만 어느 정도의 재증발 증기가 발생하여 옆을 지나가는 통행자에게는 위험 요소가 된다. 그러나 간단한 장치로 이 배출되는 정도를 줄여 위험을 최소화할 수 있다. 이 목적을 위하여 간단히 디퓨저(그림 18)를 배관 끝에 설치하면 배출시 운동에너지를 분산시키게 된다. 그결과 배출속도와 소음의 크기를 상당히 감소시킬 수 있다. 일반적으로 소리의 크기를 약 80%까지 감소시킬 수 있다.

 

바) 진공 시스템에서의 응축수 회수

진 공 조건에서 운전되는 스팀 공간에서 응축수를 제거하는 것은 문제가 발생할 수 있다 .
만 약 정상적인 스팀 트랩을 설치하게 되면, 스팀 트랩의 배출구를 스팀 공간보다 더욱 진공도가 큰 장소로 연결하여 트랩의 전후에 충분한 차압을 주어야만 응축수가 배출된다. 그러나 이것은 실무적으로 불가능 하기 때문에 이런 환경에 맞추어 가압식 펌프로 응축수를 제거하게 된다.(그림 19)

출구 측에 상승 부분이 없거나 아주 적은 경우 연질시트의 체크밸브를 펌프의 토출구에 설치하고, 펌프보다 낮은 위치로 펌핑할 경우 공기 파괴 장치(Air break)는 사이폰 방지(Anti-syphon)의 역할을 한다. 펌프보다 낮은 위치로 펌핑할 경우 대기압을 구동압력으로 이용할 수 있으나 이때 최소 개방 수두(체크밸브의 타입에 따라 다름)를 주고 워터실을 만들기 위해 출구 체크밸브는 펌프보다 낮은 곳의 루프실에 설치해야 한다. 펌프를 진공의 가스시스템에 응용하는 경우 압축공기나 불활성 가스를 구동력으로 사용한다.

 

사) 온도조절 밸브가 설치된 시스템에서의 응축수 회수

스팀 트랩은 항상 자동밸브로서, 흐름이 유지되기 위해서는 시스템의 동력이 필요하다.
그 러나 스팀 트랩 자체만으로는 이 동력을 제공하지 못한다. 스팀 트랩을 통과하는 응축수는 외부의 힘에 의해 의존하여 흐르게 되며, 이 외부의 힘은 스팀의 힘 또는 트랩 입구 측에 작용하는 정수두압등이다. 트랩의 출구 측에는 반드시 입구 측 보다 낮은 압력이 있어야 올바른 방향으로 흐름이 형성된다.

스팀 트랩을 통과하는 응축수의 유량은 트랩 전후의 차압에 의해 결정되므로 스팀 트랩을 차
압에 의해 반응하는 장치라고 말한다. 물론 스팀 트랩의 전후의 차압이 0보다 작은 경우도 있으며 이런 경우 역류가 발생한다. 스팀 트랩의 출구가 응축수 주관에 연결된 경우, 각 스팀 트랩의 2차 측에 역류를 방지하기 위해 체크밸브를 설치해야 한다.

차압이 0 이하가 되는 것은 흔히 있다. 특히 히터 밧데리, 열교환기, 쟈켓 솥, 판형 열교환기 등 거의모든 공정설비에서 스팀 공급 측에 온도 조절 밸브가 설치된 경우에는 이 현상이 자주 발생한다. 이 현상은 스팀 압력에 관계없이 발생할 수 있으며 일부는 응축수 회수 시스템의 압력과 공정 설정 온도와의 상관관계에 따라 발생한다.

“응축수 배출정지 조건(Stall)”이라는 용어는 이 현상을 잘 설명하는 것으로, 이와 같은 현상의 발생이 예상되면 가압펌프를 이용하여 열교환기에서 응축수를 강제적으로 제거해야 한다. 이 현상에 대한 상세한 내용은 추후“열교환기에서의 응축수 제거”라는 주제로 설명할 것이다.

 

아) 그룹 트랩핑(Group Trapping)

그룹 트랩핑은 두개 이상 여러 개의 설비에서 배출되는 응축수를 하나의 스팀 트랩을 이용해 배출하는 것을 말한다. 그림 21은 서로 다른 스팀 압력에서 운전되는 두개의 자켓 솥에서 생성된 응축수를 하나의 스팀 트랩을 통해 배출하는 것을 보여준다.

자켓솥 B는 내부의 스팀 압력이 높기 때문에 응축수가 잘 배출되지만, 체크밸브 D는 계속 닫혀 있기 때문에 자켓 솥 A에서는 응축수를 배출하지 못한다. 자켓 솥 A에는 응축수 정체현상이 발생하여 공정 성능이 현저하게 떨어진다.

위 와 같은 이유 때문에 서로 다른 압력에서 운전되는 장치의 응축수를 제거하기 위해 그룹 트랩핑을 해서는 안된다. 그렇다면 장치들이 같은 압력에서 운전된다면 그룹 트랩핑을 해도 되는가?

다음의 설치 도면을 보면서 판단해 보도록 하자. 그림22에서, 자켓 솥 A의 내용물이 원하는 온도까지 가열된 후에는 스팀 소비량이 줄어든다. 이제 자켓 솥 B, C, D에 각각 차가운 제품을 새로 채우고 스팀을 공급하기 시작하면 스팀의 응축속도가아주 빠르고 동시에 스팀 소비량이 매우 크게 된다.

결과적으로, 증기의 공급 속도가 빨라지기 때문에 지관 각각에서는 큰 압력강하가 발생한다. 그러므로 제품의 온도가 자켓 솥 A와 같아질 때까지 자켓 솥 B, C, D 의 증기 유입 배관과 스팀 자켓에는 A보다 낮은 압력의 스팀이 존재한다.

 

이 런 이유 때문에, 자켓 솥 B, C, D의 드레인 출구에서의 압력 또한 자켓 솥 A의 드레인 출구 압력에 비해 낮게 된다. 또한 전체 시스템의 압력을 동일하게 유지하기 위해 자켓 솥 A의 증기가 응축수 드레인 배관을 통해 다른 자켓 솥으로 흐르게 된다.
결과적으로 서로 다른 압력으로 유지되는 장치의 드레인 점이 하나의 트랩에 연결된 경우 가장 높은(이 예에서는 자켓 솥 A) 압력으로 운전되는 장치에 의해 다른 장치에서는 응축수가 배출되지 못한다. 즉, 응축수를 배출해야 할 필요성이 가장 큰 장치(이 예에서는 자켓 솥 B, C, D)에 응축수 정체현상이 발생한다. 따라서, 그림 22와 같은 응축수 배관의 배열은 만족할만한 결과를 가져올 수 없다.

개별적으로 온도조절 되는 여러 개의 공정에 그룹 트랩핑을 하면 상황은 더욱 심각해진다.
그나마 그룹 트랩핑을 할 수 있다고 볼 수 있는 응용처는 다음의 그림과 같은 여러 개의 히터를 직렬로 설치한 에어히터 밧데리이다. 아래의 그림에서 보듯이 하나의 컨트롤 밸브를 이용해 히터의 각 단이 항상 부하 변화를 공유한다는 점에서 위의 그림의 상황과는 다르다. 그렇다고 해도 응축수 드레인 연결부와 공통 배관은 다른 곳에서의 스팀 흐름에 영향을 받지 않고 한 방향으로 적절히 응축수를 배출할 수 있도록 배관 구경을 충분히 크게 선정하는 것이 중요하다. 모든 히팅 코일에 하나의 컨트롤 밸브에 의해 증기가 공급되고 동일한 피 가열체가 모든 히팅 코일에 의해 가열되고 있을때만 그룹 트랩핑이 가능하다.

만약 히팅 코일이 병렬로 설치된 경우에는 부하를 공유하지 못하고 각각 부하가 다르게 되면서 응축수 배출 정지 등이 발생 되므로 스팀 트랩을 각각 분리하여 개별적으로 설치하는 것이 필수적이다. 그룹 트랩핑의 근본적인 이유는 과거에 스팀 트랩의 덩치가 크고 가격이 비싼 경우에 하나의 스팀트랩만 설치하여 설치공간과 비용을 절약하기 위한 것이었다. 오늘날의 스팀 트랩은 상대적으로 작고 개별적으로 열교환기에 각각 설치하여 응축수를 배출하여도 가격적인 효과가 있다.

그룹 트랩핑을 하는 것 보다는 개별 트랩핑을 하는 것이 증기를 사용하는 설비에는 더욱 효율적이다. 많은 예에서, 응축수 배출정지조건이 발생하는 경우 온도 조절되는 설비에서 응축수가 배출되지 않는 것을 방지하기 위해 펌핑 트랩을 사용하는 것이 필요하다. 같은 원리가 그룹 트랩핑에도 적용된다.

 

1-5 스팀 트랩 선정

가) 스팀 주 배관 드레인 스팀 트랩 선정 및 설치

스팀 주관은 스팀 속에 물방울이 분산되어 공급되기도 하지만 배관의 벽을 따라 물과 공기층이 함께 흐르고 있다. 최대의 설비 효율을 위해서 이들 3가지 모두 제거 되어야 한다. 스팀 트랩의 구경은 적정하게 선정되고 대기 벤트되는 리시버로 떨어지는 응축수 회수 주관으로 응축수를 배출해야 한다.

종종 응축수 회수 관이 스팀 주관을 따라 함께 설치되기 때문에, 스팀 주관의 드레인용 스팀 트랩을 통해 배출되는 응축수를 바로 이 회수 관에 연결하려는 시도가 많다. 만약 이 응축수 회수관이 물로 가득 차 있다면(대부분 가득 차 있다), 심각한 워터 해머가 발생하게 된다. 만약 스팀 트랩이 간헐 배출하는 타입이라면 더욱 문제가 되므로 물로 가득 찬 배관에 스팀 트랩의 배출관을 직접 연결하는 것은 반드시 피해야 한다.

스팀 주관의 응축수 부하는 상대적으로 적어서 저용량의 써모다이나믹 스팀 트랩이 가장 적합하다. 이 트랩은 매우 견고하여 외부 설치 시 장기간 효율적으로 작동한다.

 

나) 스팀 헤더 스팀 트랩 선정 및 설치

스 팀 헤더는 스팀 주관과 유사하게 매니폴드의 하부에 포켓을 설치하고 드레인해야 한다. 헤더를 드레인 포켓이 설치된 방향으로 약간 경사지게 하여 드레인을 도와준다.
헤더의 길이가 5m 이상이면 헤더의 양쪽 끝에 포켓을 설치하는 것이 효율적이다.

볼 후로트 스팀 트랩이 변동되는 부하를 잘 처리할 수 있어 최선의 선택이다. 헤더가 보일러에 가깝게 설치되어 캐리오버에 노출될 가능성이 있는 경우 공기 장애 해소 장치가 내장된 후로트 스팀 트랩을 사용할 수 있다.

 

다) Air Heater(공기 가열기) 스팀 트랩 선정 및 설치

이 응용에 설치하는 트랩은 매우 큰 부하와 경미 한 부하를 모두 잘 처리할 수 있어야 하며 공기도 신속하게 배출할 수 있어야 한다. 볼후로트 스팀 트랩이 가장 이상적이며 출구 아래에 설치해야 한다.

 

라) 후래쉬 베셀 스팀 트랩 선정 및 설치

후 래쉬 베셀은 응축수 막과 스팀 중에 분산된 응축수를 모두 제거하여 건조 스팀을 설비에 공급한다. 후래쉬 베셀에서 응축수가 분리되면 바로 제거해야 하므로 볼후로트 스팀 트랩이 제1선택이다.

 

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