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제3장 : 응축수 회수
  • 한국에너지정보센터
  • 승인 2021.12.02 22:50
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2. 응축수 회수

스팀을 사용하는 이유는 아래의 2가지 중 하나이다.

● 발전소나 열병합 발전소 같은 곳에서 전력을 생산하기 위해.
● 난방이나 공정 시스템에 열에너지를 공급하기 위해.

1kg의 스팀이 응축되면, 동일 압력과 온도의 응축수 1kg이 생성된다. 스팀 시스템을 효율적으로 관리하기 위하여 이 응축수를 잘 이용해야 한다. 이 응축수를 이용하지 못하면 경제적, 기술적 및 환경적인 관점에서 좋지 못한 결과가 발생한다.
가열을 목적으로 사용되는 스팀은 보유하고 있는 전열 중에서 큰 부분을 차지하는 잠열만 피가열체에 주고, 나머지 열량은 응축된 물속에 남아 있다. 응축수는 열량을 가지고 있을 뿐만 아니라, 증류수이기 때문에 보일러 급수로 사용하는데 이상적이다. 효율적인 배관 설치를 통해 응축수를 모아 탈기기(deaerator), 보일러 급수 탱크로 회수하거나 다른 공정에 사용할 수 있다. 응축수를 보일러로 회수하면 안되는 경우는 오직 응축수가 오염되었을 가능성이 있을 때이다. 그러나 이 경우에도 응축수를 모아 뜨거운 공정수로 사용하거나, 폐수처리 시설로 보내기 전에 응축수가 가지고 있는 열량을 열교환기를 통해 회수할 수 있다.

응축수는 스팀 트랩을 통해 압력이 높은 곳에서 낮은 곳으로 배출된다. 이 압력강하의 결과로, 응축수 중일부분이 증발하여 재증발 증기가 발생한다. 재증발되는 비율은 시스템의 증기 측과 응축수 측의 압력 차에 의해 결정된다. 일반적으로 재증발 증기 발생률은 질량을 기준으로 10~15% 정도이다. 그러나, 부피의 변화율은 상당히 더 클 수 있다. 7barg 응축수가 대기압에서 재증발할 때 질량을 기준으로 응축수 중 약 13%가 재증발하지만, 생성되는 스팀은 재증발 전의 응축수보다 약 200배 이상 큰 공간을 필요로 한다.

스팀 트랩 출구 배관이 작게 선정되었을 경우, 이 큰 부피의 재증발 증기로 인해 배관을 통한 응축수 배출능력이 저하되는 결과를 가져오기 때문에, 스팀 트랩 출구 배관을 선정할 때는 재증발 증기를 고려해야 한다.

생성된 재증발 증기의 열량은 응축수가 가지고 있는 전체 열량의 약 50%를 차지하기 때문에, 재증발 증기의 회수는 효율적인 에너지 시스템을 위해 필수적이다. 응축수와 재증발 증기가 버려진다는 것은 보충수 및 연료의 사용이 증가 되어 운전비용이 증가 된다는 것을 의미한다.

 

2.1 응축수 회수의 필요성

가) 금전적인 가치

응축수는 적은 양을 회수하더라도 금전적인 가치가 큰 자원으로서, 비록 1개의 트랩에서 배출되는 응축수라도 회수할 가치가 있는 경우도 있다. 응축수를 회수하지 않으면 찬 보충 수가 더 공급되어야 하기 때문에, 수처리에 추가적인 비용이 요구되며 낮은 온도의 물을 가열하기 위해 더 많은 연료가 소모된다.

 

나) 용수 비용 절감

응축수를 회수하지 않는 경우에는 보충수를 공급해야하므로 시 당국에 용수 비용을 지불해야 하는 경우가 발생한다.

 

다) 폐수 비용 절감

우리의 환경법에는 40℃ 이상의 물은 환경파괴와 땅속에 묻혀있는 배관에 손상을 입히기 때문에 하수도에 방류할 수 없다. 이보다 높은 온도의 응축수는 버리기 전에 냉각되어야 하기 때문에 추가적인 에너지 비용을 초래한다. 이에 따르지 않을 경우 용수 공급업체에 의해 폐수 비용이 부과된다.

 

라) 보일러의 효율 증대
차가운 보일러 급수는 보일러의 스팀 발생량을 감소시킨다. 급수의 온도가 낮을수록 더 많은 열이 필요하므로 스팀을 생산하는데 더 많은 연료가 필요하게 된다.

 

마) 보일러 급수의 질 향상
응축수는 용융 고형물(TDS)이 거의 없는 증류수이다. 보일러 내부의 용융 고형물(TDS)의 농도를 줄이기 위해서 블로우다운을 하는데, 급수 탱크로 회수되는 응축수의 양이 많을수록 블로우다운 양이 줄어들어 보일러에서의 에너지 손실이 감소된다.

 

2-2 응축수 회수를 통한 비용 절감
다음의 예는 응축수를 보일러 급수 탱크로 회수하여 비용을 절감 할 수 있는 방안을 보여주고 있다. 절감액은 연료 및 용수의 비용에 따라 달라진다. 이 예에서 사용되는 연료는 40MJ/N㎥(=9,540 kcal/N㎥)의 열량을 가지고 있는 연료의 단가를 600원/N㎥ 기준으로 작성했다.

 

가) 연료 절감

다음의 평균온도를 기준으로 한 연료 절감액을 알아보자.

응축수 회수온도 = 90℃
보충수 온도 = 10℃
온도 차 = 80℃
응축수 1kg이 회수되지 않으면, 차가운 보충수 1kg이 응축수의 온도까지 가열되어야 한다.
찬 보충수 1kg을 80℃만큼 승온하기 위해 필요한 열량은 1kg × 80℃ × 4.187 kJ/kg℃(= 1kcal/kg ℃) = 335kJ/kg(= 80kcal/kg) 스팀 발생량이 평균 1,000 kg/h인 보일러에서 응축수가 전혀 회수되지 않고 있을 때, 보충수를 가열하기 위해 필요한 총 에너지는

(년간 가동시간 : 24 hr/일 x 300일/년 = 7,200 hr/년 기준) : 1,000kg/h × 335 kJ/kg(= 80kcal/kg) × 7,200 hr/년 = 2,412,000,000kJ/년
(= 576,000,00kcal/년) 보일러 효율이 평균 90%라고 하면, 보충수를 가열하기 위해 필요한 에너지는 2,412,000,000kJ/년(=576,000,00kcal/년) / 39,944kJ/N㎥(=9,540 kcal/N㎥) x 0.9
= 67,094N㎥/년 x 600원/N㎥ = 40,256,400원/년년간 연료 절감 금액 = 40,256,400원

 

나) 용수 절감
회수되지 않고 있는 응축수를 대체하기 위해 1년에 필요한 물의 유량 : 7,200 hr/년 × 1,000 kg/hr / (1,000 kg/㎥) = 7,200 ㎥/년
용수 비용이 100 원/㎥ 일 때, 년간 용수 절감 비용
7,200 ㎥/년 x 100원/㎥ = 720,000 원/년

 

다) 폐수 비용 절감
회수되지 않는 응축수는 폐수로 방류되므로 시 당국에 폐수 비용을 지불해야 한다. 1년에 폐수로 방류되는 양은 7,200㎥이다. 폐수 비용이 450원/㎥일 때, 년간 폐수 절감 비용 = 7,200㎥/년 x 450원/㎥ = 3,240,000 원/년

 

라) 총 절감 금액
스팀 발생 용량이 평균 1,000kg/h인 보일러에서, 응축수가 전혀 회수되지 않을 때와 비교하여 응축수를 모두 회수했을 때의 절감액은 : 연료 비용 = 40,256,400원
용수 비용 = 720,000원
폐수 방류 비용 = 3,240,000원
총 절감 금액 = 44,216,400원
즉, 온도 (90-10)=80℃, 시간당 1,000kg의 응축수를 회수하면 년간 44,216,400원을 절감할 수 있다.

 

2-3 응축수 회수 배관

응축수 회수 배관 구경을 선정하는 데에는 각 배관의 조건에 따라 여러 가지 고려할 사항이 많기 때문에 한가지 조건만으로 구경을 선정해서는 안 된다. 응축수 회수 배관을 종류별로 나누어 보면 다음과 같다.

 

가) 트랩 입구 측 드레인 배관

응축수는 스팀 사용 설비에서 트랩까지 흘러 내려야 한다. 설비의 스팀 공간과 트랩 몸체(트랩 오리피스의 상부)의 압력은 동일하기 때문에, 응축수는 중력으로 배출된다. 설비와 트랩 사이의 압력 차는 거의 없기 때문에, 배관에서 재증발 증기는 발생하지 않는다. 그러므로 오직 응축수만을 수송하도록 배관을 선정하는 것이 가능하다.

스팀 사용 설비에 있는 배출 배관 연결구의 구경과 트랩 또는 드레인 배관의 구경이 항상 같다고 가정해서는 안된다. 부하가 작을 때 트랩에서의 압력 차가 매우 작은 온도 조절되는 설비의 경우는 특히 주의해야 한다. 공정마다 서로 다른 운전 조건을 가지고 있기 때문에, 운전 조건에 따라 드레인 배관 선정을 고려해야 한다.

공정설비에서 트랩까지 거리가 먼 드레인 배관은 스팀으로 가득 차서 응축수가 트랩에 유입되는 것을 방해할 수 있다. 이런 현상을 일반적으로 증기 장애 현상이라고 한다. 이런 위험을 최소화하기 위해, 드레인 배관은 짧아야 한다.(그림 1) 가능하면 수평 배관 전에 수직 배관이 있도록 하여, 트랩이 항상 공정설비의 아래쪽에 설치되도록 한다. 이렇게 하면 응축수가 중력으로 설비에서 트랩으로 흐를 수 있다.

이러한 증기 장애 현상이 발생하는 경우, 증기 장애 해소장치를 내장한 후로트식 트랩을 사용하면 어느 정도 해결이 가능하다.

 

나) 스팀 트랩 출구 측 응축수 배관

스팀과 응축수 시스템 사이의 압력 차에 의한 트랩 오리피스에서의 압력강하로 인해 재증발 증기가 발생하기 때문에, 트랩 출구 측 배관은 트랩에서 응축수 회수배관까지 응축수, 비응축성 가스 및 재증발 증기를 이송한다.(그림 2)

스팀 시스템의 초기 가동 시, 재증발 증기가 거의 발생되지 않을 만큼 응축수는 냉각되어 있고 응축속도가 최대가 되며 공기가 응축수와 함께 트랩을 통과해야 한다.

시스템이 가열되면, 스팀 부하는 최대가 되어 스팀 공간의 압력은 최대가 되기 때문에 트랩 뒤의 배출 배관에서 발생하는 재증발 증기의 양도 최대가 된다. 이 때문에, 배관 구경은 비응축성 가스를 효율적으로 배출할 수 있도록 초기 가동 시의 부하에 맞춰 적절히 선정되어야 한다.

 

다) 공통 회수 배관

하나 이상의 트랩에서 배출된 응축수가 동일한 대기압 상태의 집수 탱크로 흐를 때, 개개의 배관에서 공통 배관을 이용하여 배출하는 것이 가능하다.(단, 특정 조건이 일치 되고 배관 구경이 적절히 선정되어야 한다.) 공통 배관으로 연결할 때, Swept 티를 사용하면 연결 부위에서의 기계적 스트레스 및 침식 현상을 감소시킬 수 있다.(그림 3)

1) 스팀 공급 압력이 다른 경우 공통 배관
스팀 압력이 서로 다른 설비에서 배출되는 응축수는 이 배관이 다음과 같을 때 공통 배관을 사용할 수있다.

● 집수탱크까지 흐름방향으로 경사도를 유지하여 설계된 경우
● 최대 부하 시 각각의 지관에서 발생 된 재증발 증기의 누적 효과를 고려하여 배관 선정한 경우

서로 다른 압력의 트랩에서 배출되는 응축수를 공통 배관으로 연결하는 것에 대한 개념을 잘못 이해하는 경우가 많다. 지관과 공통 배관의 구경이 정확하게 선정되면, 각 트랩의 출구 측 압력은 거의 같아야 한다. 그러나, 이러한 배관의 구경이 작게 선정되면, 배관을 통과하면서 발생하는 마찰의 증가에 의해 배압이 누적되기 때문에 응축수와 재증발 증기의 흐름에 제약이 발생한다. 저압에서 운전되는 트랩에서 배출되는 응축수가 가장 먼저 제약을 받는 경향이 있다.

배출 배관 시스템의 각 부분은 적절한 속도로 재증발 증기를 이송할 수 있도록 선정되어야 한다. 배출배관과 공통 배관의 구경이 적절히 선정되고 흐름 방향으로 경사도가 유지되어 있다면, 고압 트랩에서 배출되는 응축수는 저압에서 배출되는 응축수의 배출에 영향을 주지 않을 것이다.

 

라) 펌프 토출 측 배관

재증발 증기는 응축수로부터 분리되어 회수시스템에서 사용되거나 적절한 리시버에서 대기로 벤트된다.(그림 9) 리시버에 남아 있는 뜨거운 응축수는 보일러 급수 탱크와 같은 적절한 집수 탱크로 펌핑된다. 대기로 벤트되는 리시버에 펌프를 사용하면, 회수 배관은 응축수로 가득 차게되고 재증발 증기는 거의 또는 전혀 발생하지 않는다.

펌프는 필요에 따라 가동되거나 멈추기 때문에, 펌핑되는 회수 배관에서의 흐름은 간헐적이다. 펌프의 순간 토출 유량은 펌프에 유입되는 응축수의 유량보다 많기 때문에, 펌프의 토출 유량에 따라 배출 배관의 구경을 선정해야 한다.

 

2-4 응축수 회수 배관 구경 선정

가) 트랩 입구 측 드레인 배관
가장 간단한 방법은 트랩의 연결 구경과 동일한 구경으로 배관을 선정하는 것이다 . 그러나, 이는 적절하게 트랩이 선정되었을 때를 전제로 한다. 스팀 트랩의 적용처는 기본적으로 스팀 주관 또는 공정으로 나뉜다.

1) 스팀 주관
트랩당 응축수 부하는 배관의 구경, 압력, 보온의 정도, 대기 온도, 사용된 트랩의 수량, 위치 및 배관의 상태와 같은 다양한 요인에 영향을 받는다. 보온이 된 증기주관에 30~50m당 하나의 트랩이 설치되었을 경우, 스팀 주관 스팀용량의 1%를 기준으로 하여 각각의 드레인 트랩에 대한 응축수 부하를 결정한다.

보온이 되지 않은 스팀 주관 25m당 하나의 트랩이 설치되었을 경우, 주관 스팀 용량의 5 %를 기준으로 하여 응축수 부하를 결정하면 충분하다. 주관과 트랩의 구경에 상관없이, 드레인 포켓의 구경이 적절하게 선정되어야 한다.

2) 공정 설비

온도가 조절되는 공정인 경우, 운전하는 동안 부하가 변하기 때문에 시스템의 운전 변수 및 배열이 더자세히 고려되어야 한다. 특히 공정에서 요구하는 온도가 100℃ 이하 일 경우 응축수 배출 정지 조건에 적용 될 가능성이 있다.

이 경우 응축수 회수 시스템은 펌프를 이용해야 한다. 그러나 트랩 입구 측 응축수 회수 배관은 여기에 상관없이 선정되어야 하며 통상적으로 응축수 발생량의 두배수를 적용하고, 배관 내 압력 강하를 0.8mbar/m를 기준으로 선정하면 무난한 응축수 회수 배관 사이즈를 결정할 수 있다.

 

나) 스팀 트랩 출구 측 응축수 배관

트랩 출구 측 배관은 동일 압력과 온도의 응축수 및 재증발 증기 모두를 이송한다 .
이 복잡한 상황을‘2상(two phase) 흐름’이라 하고, 스팀과 물 두 가지 특성을 모두 가지고 있다. 응축수의 10%가 재증발하는 예를 통해 트랩 출구 측 배관의 특성을 고려해 보자. 4barg의 응축수 1kg이트랩을 통해 대기로 배출될 때, 0.1kg은 100℃의 증기가 되고 0.9 kg은 100℃의 물이 된다. 그러나 상대적인 부피는 “배관 내의 압력(0barg)에서 각각의 비용적”에 따라 달라진다.

0.9kg 응축수의 부피 = 0.0009 ㎥
0.1kg 재증발증기의 부피 (0barg에서 비용적은 1.673㎥/kg) = 0.1673 ㎥
1 kg 혼합물의 총 부피 = 0.1682 ㎥
그러므로, 배관에서 물의 부피 = 0.0009×100/0.1682 = 0.5 %
그리고, 재증발 증기의 부피 = 0.1673×100/0.1682 = 99.5 %

이 배관은 물 배관이라기 보다는 스팀 배관이기 때문에, 트랩 출구 측 배관의 구경 선정은 상대적으로 작은 부피의 응축수 보다는 적절한 스팀 속도를 기준으로 하여야 한다. 배관의 구경이 작게 선정되면, 재증발 증기의 속도와 배압이 증가하여 워터 해머를 유발하고 트랩의 용량을 감소시킨다.

 

다) 공통 응축수 회수 배관

각각의 공정에서 배출된 몇 개의 트랩 출구 측 배관을 하나의 공통 회수 배관으로 연결하는 경우가 있다. 만일 다음과 같은 고려사항이 충족된다면 아무런 문제도 발생하지 않는다.

● 공통 배관이 물로 가득 차지 않고, 배관의 끝이 대기로 개방되거나 대기로 벤트 된 리시버 또는 후레쉬 베셀로 흐름 방향으로 경사진 경우
● 공통 배관의 구경이 각 지관의 누적 구경에 맞춰 선정된 경우 2개의 트랩 출구 측 배관이 합류되는 공통 배관의 구경은 연결된 배관들의 제곱의 합의 제곱근이다. (D3² = D1² +D2²)

 

라) 펌프 토출 측 응축수 배관

응축수에서 분리된 재증발 증기는 재증발 증기 회수시스템에서 사용되거나 단순히 대기로 벤트된다. 남아 있는 뜨거운 응축수를 보일러 급수 탱크로 펌핑하여 재사용하면, 응축수가 가지고 있는 열량 및 불순물이 거의 없기 때문에 보일러 급수로서 매우 좋다.

펌프의 토출 배관은 오직 응축수만을 이송하지만 트랩의 출구 배관 및 공통 배관 보다는 속도가 낮도록(일반적으로 1~2m/s) 구경을 선정해야 한다. 펌프의 토출 측 배관의 구경은 기계식 응축수 회수 펌프 인 경우 펌프 토출 측 연결구와 동일한 구경으로 선정한다.

 

 

다음호에 이어서 연재됩니다.

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