증기 열교환기 및 트레이싱 시스템: 설계 엔지니어를 위한 모범 사례

증기 열교환기 및 트레이싱 시스템: 설계 엔지니어를 위한 모범 사례

Alex Chu, 스웨즈락 필드 엔지니어링 부문 산업용 증기 시스템 SME

증기 열교환기 또는 증기 트레이싱 시스템을 올바르게 설계하려면, 우선 시스템이 어떻게 기능하는지에 대한 작동 특성을 모두 파악해야 합니다. 하지만 설계 엔지니어가 증기 시스템의 특성을 모두 파악할 수 없는 때가 있는데, 이는 대부분 성능 저하 때문입니다. 이 때문에 증기 시스템의 작동 매개변수와 기록을 면밀히 검토해야 합니다. 애플리케이션을 제대로 파악하지 못하면 시스템을 부적절하게 제어하거나 부품을 잘못 선택하게 될 가능성이 큽니다.

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설계 및 제품 선택 시 발생하는 일반적인 문제

산업용 증기 시스템을 설계할 때, 조기 고장이나 성능 저하를 방지하기 위해서는 반드시 기본 원칙을 따라야 합니다. 스웨즈락 전문가들이 다양한 장소와 산업체에서 수많은 산업용 열전달 애플리케이션을 검토한 결과, 가장 흔하게 발생하는 문제는 잘못된 구성요소 선택 또는 부적절한 설비였습니다. 문제점들은 다음과 같습니다.

• 현저히 떨어지는 완제품 품질
• 부품의 조기 고장
• 온도 조절 실패
• 부적절한 열 전송
• 수격 현상
• 열전달 장비의 오염
• 코드 및 표준 위반

증기 시스템 설계 관련 모범 사례

간단한 가이드라인 및 검증된 현장 기술만 따라도 위와 같은 일반적인 문제들을 방지할 수 있습니다. 여러분이 새로운 증기 열 교환기와 트레이싱 부품을 선택하기 전에 본 게시글 전반에 걸쳐 설명된 다음 모범 사례들을 검토하신 다음, 이를 귀 시설 내 증기 시스템의 설계, 유지보수 및 사양 프로그램에 적용해 보시기 바랍니다.

1. 증기 공급 응축수 및 캐리오버 제거

증기 제어 밸브는 증기 유량을 0에서 100%까지 조절하도록 설계되었습니다. 유량이 없거나 낮을 때, 응축수는 제어 밸브의 입력구 앞에 축적될 수 있고, 수격 현상을 초래할 수 있습니다. 또한 증기 제어 밸브를 통과하는 응축수는 제어 밸브의 조기 고장을 야기합니다.

축적된 응축수를 제거하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 이를테면, 밸브 앞 물방울 관(drip leg) 설치, 단열 개선, 적절한 증기 라인 경사, 밸브 앞 증기 분리기 설치 등이 이에 포함됩니다. 이러한 방법을 사용하면 처음부터 응축수를 방지할 수 있거나, 스팀트랩을 추가로 사용하면 응축수를 제어 밸브에서 제거할 수 있습니다.

2. 제어 밸브에 필요한 부하조정비(turndown ratio) 가이드라인 준수

효과적인 공정 온도 제어와 시트 수명을 위해, 열 전송 부품으로 적합하게 선정된 제어 밸브를 사용해야 합니다. 제어 밸브를 선택할 때에는 밸브의 부하조정 능력, 조절 가능량 또는 작동 범위를 중점적으로 고려해야 합니다.

모든 밸브는 특히 밀폐 오차 및 유량 선형성으로 인해 밸브 스트로크의 극단적인 범위에 놓이면 제어할 수 없는 유량을 일정량 갖게 됩니다.

제어 밸브에 필요한 부하조정비(turndown ratio) 가이드라인 준수:

• 케이지 제어 = 40:1 부하조정비, 가장 높은 수준의 조정성 제공
• 글로브 제어 밸브 = 30:1 부하조정비
• 조절형 밸브 = 20:1 부하조정비

적합하지 않게 선정된 제어 밸브는 공정 온도 제어 저하, 밸브 시트의 조기 마모 및 과도한 소음을 유발할 수 있습니다.

3. 제어 밸브 앞뒤로 압력 게이지 설치

압력 게이지가 제공하는 정보를 통해 시스템 내부의 상태를 파악할 수 있습니다. 따라서 압력 게이지를 제어 밸브 앞뒤로, 그리고 증기 트랩 뒤에 있는 응축수 환수관에 설치하는 것이 좋습니다. 이 방법으로 증기 열교환기를 통과하는 증기 압력의 특성을 정확하게 파악할 수 있습니다. 또한 모든 압력 게이지는 고온 손상을 방지하기 위해 사이폰(pigtail)을 함께 사용해야 하고, 더블 블록 차단 밸브로 유지 보수가 가능해야 합니다.

4. 진공브레이커(vacuum breakers) 설치

증기 공급에서 분리되어 있고, 대기로 통하지 않은 모든 증기 시스템에는 진공브레이커를 반드시 설치해야 합니다. 진공브레이커는 증기 라인, 케틀(kettles), 플레이트(plate) 또는 쉘(shell), 튜브 열 교환기 등을 말합니다. 장비 안에 있는 증기는 식는 동안 응축됩니다. 응축수는 같은 질량일 때 기체 상에 비해 전체 부피의 1/1700까지만 차지할 수 있기 때문에 진공이 형성됩니다.  

진공 발생을 예방함으로써 시스템이 정지되었을 때 진공브레이커는 내파로부터 스팀 시스템을 보호합니다. 일반적으로 모든 증기 장비에는 장비 제조업체가 지정한 장소에 에어벤트 및 진공브레이커가 설치되어 있는 것이 권장됩니다.

5. 자동 에어벤트 설치

시스템의 가동을 정지하거나 유지 보수를 하는 동안, 공기는 증기 시스템 안으로 들어옵니다. 이 공기는 시스템을 재가동하기 전에 무조건 배출해야 합니다. 증기 열교환기 시스템에 남아있는 공기는 열전달에 나쁜 영향을 끼치고 재가동을 느리게 만드는 원인이 됩니다. 시스템 내부의 공기는 열 전달 표면에 얇은 경계층을 형성하여 단열 효과를 내고 열 전달을 방해할 수 있습니다. 이 공기막의 두께는 1/1000인치밖에 되지 않지만, 그 효과는 구리 13인치 또는 주철 3인치와 같습니다.

이를 해결하는 방법으로 스팀트랩은 적합하지 않습니다. 스팀트랩은 시스템의 가장 낮은 곳에 설치하는데, 뜨거운 공기는 가장 높은 곳으로 올라가는 성질이 있기 때문입니다. 자동 에어벤트는 증기 시스템 내에서 공기를 제거하는 매우 효율적인 방법입니다. 에어벤트는 증기 시스템 본체 끝에 설치하거나 진공브레이커와 함께 가장 높은 곳에 설치하여 공기를 밖으로 배출합니다.

6. 열전달 장비의 역압 방지

증기 시스템에서 열전달 장비는 응축수가 중력 또는 압력 차이를 통해 배출되도록 설계합니다. 가능하다면 스팀트랩 앞 또는 뒤로 수직 상승하는 부분 없이 중력 배출 될 수 있도록 설치하는 것이 좋습니다. 이는 증기 제어 밸브를 사용하는 모든 애플리케이션에는 필수 사항입니다. 중력 배출을 사용할 수 없는 일부 애플리케이션은 스팀트랩이나 제어 밸브와 같은 응축수 장비에과도하게 역압이 걸리지 않도록 주의하여 관리해야 합니다. 배출 장비에 예기치 않은 역압으로 조기 고장과 성능 저하가 발생하면 응축수가 장비에 축적될 수 있습니다. 이는 수격 현상, 부적절한 온도 제어, 효율성 감소, 부식 등의 문제를 초래하기 때문에 역압에 각별히 주의해야 합니다.

7. 과열 증기 예방

일반적인 증기 가열 애플리케이션에서는 100% 품질의 포화증기를 공급해야 합니다. 이때 증기 내에 혼입된 응축수 방울은 전혀 없어야만 합니다. 또한 과열 증기 또는 포화점보다 더 높은 온도의 증기는 열전달 프로세스로 들어가지 않도록 주의해야 합니다. 과열 증기는 포화 증기보다 단위 부피당 적은 에너지를 보유하고, 증기 시스템 설계상 발견되지 않았던 성능의 저하가 발생할 수 있습니다. 과열저감기(de-superheater)를 설치하면 과열 증기 공급을 제어할 수 있습니다.

8. 볼 밸브 잠금장치

볼 밸브는 증기 시스템에서 누설 없는 차단을 제공하는 안전하고 안정적이며 비용 효율적인 솔루션입니다. 볼 밸브의 핸들 방향으로 차단 상태를 빠르게 식별할 수 있습니다. 2인치 이하의 볼 밸브는 잠금 핸들과 함께 구매할 수 있고, 매우 안전한 잠금 장치 및 태그아웃(tagout)을 제공합니다. 증기 시스템의 잠금장치 및 태그아웃이 관련 현장 또는 현지의 규정을 준수하는지 안전 점검 부서를 통해 확인하십시오.

9. 적합한 스팀트랩 선택

다양한 기계적 구조의 스팀트랩들이 있습니다. 애플리케이션마다 다른 구조가 가능하며, 상황에 맞춰 더 안정적인 구조를 선택하면 됩니다. 증기 열교환기 애플리케이션에는 기계식 스팀트랩이 유량을 조절하는 데 가장 적합합니다. 증기 트레이싱에는 애플리케이션 요구에 따라 다양한 스팀트랩 유형을 선택할 수 있습니다.

스팀트랩 선정은 최대 및 최소 유량, 프라이밍 요건, 에어벤팅, 기능 검사, 장착 옵션을 고려하여 선택합니다. 스웨즈락은 크기가 작은 스팀트랩에 유지 보수와 교체가 용이하도록 유니버셜 마운트의 사용을 권장합니다.

특히 closed loop 리턴 시스템에서는 특수 장비 없이 스팀트랩을 검사하는 것이 더 좋습니다. 하류 측에 바이패스를 설치하면 응축수 배출을 쉽고 빠르게 육안으로 관찰할 수 있습니다.

10. 외부 오염을 방지하는 여과기 설치

증기 라인에서는 부식과 그 부산물 때문에 오염이 쉽게 발생할 수 있습니다. 오염은 제어 밸브 내부 부품, 차단 밸브 시트, 스팀트랩 시트—등에서 발생할 수 있으며, 이런 부품에서 조기 고장이나 오염을 초래합니다. 여과기는 필터와 같은 역할을 하여 증기 시스템에 외부 물질의 유입을 막아줍니다.

여과기를 설치할 때, 항상 잠금장치가 있는 블로우다운 밸브를 함께 설치하고 안전한 장소로 배출물을 내보내야 합니다. 여과기는 본체에 응축수가 축적되지 않도록 여과 부분을 수평으로 조절하여 설치하십시오.

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