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제2장 : 스팀의 사용

기사승인 2020.08.13  22:19:31

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3. 스팀 배관 실무

3.1 스팀 배관 (Main Steam Piping)

 

어떤 스팀 배관에서도 일부의 스팀은 방열 손실에 의해 응축된다. 예를 들어 잘 보온된 100 mm 배관이 7barg 스팀을 50m 수송할 때 주변 외기 온도가 20℃ 라면 약 시간당 26kg의 스팀이 응축된다.

이 양은 아마도 스팀 배관이 수송할 수 있는 스팀 용량의 1% 미만일 것이다. 그럼에도 불구하고 스팀 주관이 드레인 되지 않고 1시간이 지나면 이제 스팀 주관에는 스팀만 존재하는 것이 아니고 적어도 26리터의 물이 있게 되며 시간이 지날수록 점진적으로 물의 양이 증가한다.

따라서 이 물을 드레인하기 위한 조치를 취해야 한다. 만약 드레인이 효과적으로 이루어지지 않으면 부식, 침식 및 워터 해머의 원인이 된다. 증기는 점점 습증기가 되고 그에 따라 열전달 능력을 감소시킨다. 아주 극심한 조건에서 물이 축적되도록 놓아두면 파이프의 총 유효 단면적이 감소하며 스팀 유속은 추천하는 한계보다 높게 증가하게 만든다. 가능하면 스팀 주관은 스팀의 흐름방향으로 10 m당 100 mm이상의 경사도를 유지하도록 해야한다.

만약 스팀 주관이 흐름 방향으로 상승하는 경우에는 응축수는 스팀의 흐름에 의해 상향으로 끌려 올라가게 된다. 대신에 릴레이 점을 설치하여 이들 릴레이 점 사이에서 흐름 방향으로 구배가 되도록 한다. 보다 상세한 사항은 그림 1을 참조한다. 배관을 증기의 흐름 방향으로 구배를 주어 설치하면 증기와 응축수가 서로 같은 방향으로 흐르게 된다.

드레인 점은 각 릴레이의 하단부에 설치하고 증기와 응축수는 이 드레인 점을 향해 같은 방향으로 흐르게 된다.

 

3.2 스팀 배관에서의 방열 손실

스팀 주관이 한번 예열 되어도 방열에 의해 열이 계속 손실되므로 응축이 계속 이루어진다.
이 방열 속도는 증기 온도, 주변 온도 및 시스템의 보온 효율에 따라 다르다 . 만약 스팀 분배 시스템이 최대한 효율적이 되려면 어떤 방열 손실도 경제적으로 최소 값이되기 위한 필요
한 모든 수단을 강구해야 한다. 가장 경제적인 보온 두께는 몇 가지의 인자에 따라 결정 된다 .

M = Q x L x 3.6 x f / hfg

여기서
M = 응축량 (kg/h)
Q = 열방산 율 (W/m) (표1 참조)
L = 배관의 유효 길이 , 플랜지 및 피팅류 포함 (m)
hfg = 증발 잠열 (kJ/kg)
f = 보온 계수 즉 1.0 이면 나관, 0.15 면 좋은 보온

 

3.3 스팀 배관 응축수 배출

스팀 배관에서 발생 된 응축수가 스팀 트랩으로 원활한 유입을 위해서는 드레인 포인트의 위치 선정 및 구경 선정에 특별히 주의를 기울여야 한다. 또한 모든 흐름이 정지하는 가동 중단 시 증기 주관에서 응축수에 어떤 현상이 발생하는지도 검토해야 한다. 중력에 의해 물은 배관을 따라 아래로 흘러 시스템의 가장 낮은곳에 모이게 된다. 그러므로 스팀 트랩은 가장 낮은 지점에 설치되어야 한다. 대형 배관에서는 초기에 발생하는 응축수의 양을 처리하는데는 자연적인 낮은 지점에 설치하는 것과 함께 30m에서 50m 간격으로 드레인 지점을 설치하는 것이 요구된다. 스팀 주관에서의 드레인 포켓 구경과 길이는 표 2를 참고한다.

정상 운전 시간에는 증기가 배관을 따라 25m/sec(시속 90km/h)의 속도로 흐르면서 응축수도 함께 흐르게 된다. 그림 2를 보면 단지 15mm 구경의 배관을 증기 주관의 바닥에 접속하여 스팀 트랩으로 연결하고 있다. 비록 15mm 구경의 배관이 발생된 응축수를 처리하기에 충분하더라도 고속으로 주관을 따라 흐르는 응축수를 잡기는 힘들다. 이런 비효율적인 배율보다는 응축수를 재거하는 데 보다 믿을 만한 해결 방법은 그림 3처럼 하는 것이다.

증기주관에 드레인 포켓을 설치하고 100mm 이하의 주관의 경우에는 포켓 바닥에서 25-30mm 되는 지점에서 응축수 배출 점을 접속하며 보다 대구경의 경우 포켓 바닥에서 포켓 길이의 1/3 - 1/2 되는 지점에 드레인 배관은 연결한다. 이렇게 하여 배관 내의 오물이나 스케일이 모이도록 한다. 포켓의 바닥에는 플랜지를 설치하거나 블로우 다운 밸브를 설치하여 필요 시 청소를 한다.

3.4 스팀 배관에서의 워터 해머(Water Hammer)와 영향

응축수를 효율적으로 낮은 지점에서 배출하지 않고 스팀을 따라 흐를 때 워터 해머가 발생하며 또 응축수가 시스템의 어떤 장애물에 의해 갑자기 충격을 받고 정지할 때 워터 해머가 발생할 수 있다. 그림 4처럼 증기 배관을 따라 응축수가 모여 쌓이게 되면 점점 슬러그 덩어리가 되어 증기 속도로 배관을 따라 흐르게 된다. 이때의 속도는 25m/sec 이상이 된다. 이 물의 슬러그는 밀도가 높고 비압축성이다. 따라서 고속으로 이동하면 대단한 운동에너지를 갖게 된다.

이제 엘보나 티 등과 같이 배관에서 저항을 만나게 되면 물의 운동에너지는 압력 에너지로 변환되며 이 저항체에 충격을 가하게 된다. (열역학 법칙에서는 에너지는 새로 생성 되지도 소멸되지도 않는다. 단지 다른 형태의 에너지로 변환될 뿐이다라고 말한다) 통상 이때 땅땅 소리가 나며 배관의 흔들림도 수반된다. 심한 경우에는 피팅류가 거의 폭발 효과처럼 파열되고 이 파열된 틈으로 증기가 손실되게 되며 아주 위험한 상황을 만들게 된다. 다행히도 배관을 따라 응축수가 흐르면서 모아지지 않도록 단계적으로 응축수를 제거 하면 워터해머는 피할 수 있다. 워터 해머를 피하는 것이 워터 해머가 발생하도록 하고 장비나 기기의 재질이나 사용 압력을 높게 선정하는 것보다 훨씬 좋은 선택이다.

워터해머 가 발생하는 주된 원천은 배관의 낮은 지점이 된다. (그림 13 )

● 배관이 쳐진 곳
● 동심 레듀서와 스트레나의 잘못된 사용, 이런 경우 증기 배관에서 스트레나는 포켓을 수평으로 설치하도록 하는 것이 좋다.
● 증기 배관에서 드레인이 제대로 되지 않을 때 율적 스팀 배관 방법은 수송은 고압으로하고 사용은 저압으로 한다.

 

3.5 스팀 주관에서 지관 연결

증기 지관은 건조한 증기가 흐르고 있는 주관의 상부에 접속해야 해야 한다. 만약 배관의 측면이나 아주 나쁜 사례인 바닥에 연결하게 되면 (그림 6) 주관의 바닥에는 응축수가 흐르고 있어 여기에 접속된 지관이 드레인 포켓 역할을 하게 된다. 그 결과 매우 습한 증기가 장비에 공급된다. 그림 7에 있는 스톱밸브는 가능한 주관과 가깝게 설치하여 설비가 장기간 가동 정지될 때 지관 쪽에 응축수가 고여 있지 않도록 한다 .

한국에너지정보센터 kecenter@hanmail.net

<저작권자 © 한국에너지정보센터 무단전재 및 재배포금지>
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