응축수 회수, 보일러 및 스팀시스템 부속설비

1. 개요

증기주관을 통해 공급된 증기는 다시 작은 지관에서 각 증기사용설비가 요구하는 온도 및 압력조건에 따라 적절하게 감압되어 설비에 공급된다.

증기사용설비에서 증기는 공정에 열을 준 뒤 응축된다. 증기가 응축하여 발생된 응축수 는 설비의 효율적인 운전을 위하여 적정 증기트랩을 통해 연속적으로 배출된다. 설비에 서 배출된 응축수는 아직도 이용 가능한 충분한 열량을 지니고 있으므로, 적절한 압력의 저압 재증발 증기를 발생시킨 후 회수하여 사용하거나 응축수를 보일러실 급수탱크로 회수하여 급수예열에 사용된다.

열사용처에서 생기는 응축수는 상당히 많은 열을 가지고 있다. 응축수는 증기사용처의 압력에 상응하는 포화온도로 배출되기 때문에 이 응축수의 온도는 100℃ 이상이다. 따라 서 응축수 1kg당 100kcal이상의 열량을 가지고 있기 때문에 매우 큰 열량이다. 보일러에서 발생되는 증기 1kg당의 열량이 650∼670 kcal/kg 정도이므로 응축수가 가지고 있는 열량은 발생증기의 15∼20% 정도나 된다. 열량은 발생증기의 15∼20% 정도나 된다.

따라서 응축수를 회수하여 보일러 급수로 사용할 수 있다면 열이용 설비의 에너지가 절 약된다. 이와 같이 증기사용처에서 발생하는 응축수를 증기트랩을 통해 회수하여 보일러 급수로 사용하는 것을 응축수회수라 한다.

응축수 회수에 의한 급수의 예열온도가 높으면 높을수록 연료절감 즉 에너지 절약이 된 다. 일반적으로 급수의 온도가 6∼7℃ 상승하게 되면 연료 사용량의 약 1%를 절약할 수 있다. 또한 보일러의 급수는 화학적으로 처리하여 사용하게 되나 응축수는 화학적으로 안정한 증류수이므로 별도의 화학처리를 하지 않아도 충분히 보일러 급수로 사용할 수 있다.

따라서 응축수는 보유열량의 재이용과 급수처리가 필요 없다는 점에서, 회수하여 보일러 급수로 재이용해야 하는 필요성이 강조되고 있다.

 

2. 기술의 특징

증기사용설비에서 증기트랩까지의 압력은 동일하기 때문에 중력에 의해서 응축수가 증 기트랩으로 이동하여야 한다. 따라서 중력에 의해 응축수를 원활히 배출시키기 위하여 증기사용설비의 응축수 배출구보다 아래쪽에 증기트랩을 설치하여야 한다. 모든 증기사 용설비에서 응축수 배출점마다 하나씩의 트랩을 각각 설치하는 것이 필수적이므로 가능한 한 그룹 트래핑은 하지 않는다. 

유입된 증기가 배출되지 않고 계속 잔존되어 있으면 설비 내부에는 응축수가 정체되고 결국 설비의 열효율은 심각한 영향을 받게 된다. 이런 증기에 의한 장애를 증기장애현상 이라고 하며 증기장애현상 발생시에 증기트랩에 유입되어 있는 증기는 설비의 가열에는 더 이상 사용될 수 없는 증기로서 설비의 운전에는 악영향을 미치는 것이므로 이런 증 기가 트랩에 유입되면 즉시 배출시켜 설비의 운전에는 영향을 미치지 않도록 하는 것이 필요하다.

증기장애현상은 설비의 응축수 배출점과 증기트랩의 거리가 멀고 구경이 작을 때에도 발생될 수 있다. 증기트랩에서 배출되는 응축수를 회수하여 재활용하는 경우에 응축수 회수관 내에는 원하지 않는 배압이 형성되어 증기트랩의 용량에도 영향을 미치지만 디 스크 트램의 경우에는 트랩이 폐쇄되지 못하고 증기를 누출하는 경우도 발생하므로 조 심하여야 한다.

Ÿ 증기트랩에서 배출되는 응축수는 회수관 내의 응축수보다는 항상 많은 에너지를 갖고 있 어 트랩에서 회수관 내로 배출되게 되면 재증발 증기가 발생된다. 이 재증발 증기가 자연 스럽게 응축수와 분리된 후, 배출되어야만 회수관 내에서 워터해머 등을 피할 수 있다. 따라서 트랩에서의 배출관은 응축수 회수주관의 상부에 연결하는 것이 필수적으로 요구 되며, 특히 회수주관이 고가배관으로 되어있을 때에는 더욱 주의하여 연결하여야 한다.

Ÿ 증기트랩 출구측 배관은 응축수와 공기 또는 비응축성 가스률 이송하는 것뿐만 아니라 재증발 증기도 이송해야 한다. 배관비용을 절감하기 위해서 응축수 배관을 가능한한 작 게 선정하는 경향이 있지만 적정한 배관 경을 선정하는 것이 바람직하다.

응축수 배관 중에서 재증발 증기의 체적분율이 99% 정도이고, 응축수의 체적분율이 1% 정도이다. 응축수 회수관의 하부에는 물이 흐르기 때문에 재증발 증기는 습증기이므로 배관의 엘보에서 워터해머나 침식을 방지하기 위해서 재증발 증기의 유속은 15m/s를 넘 지 않아야 한다.

 

[출처] 한국에너지공단, 에너지절약시설 편람, 2014

 

3. 기술도입시의 고려사항

1) 증기트랩

증기트랩은 응축수만을 배출하는 일종의 자동밸브이다. 응축수가 배출되는 구멍인 오리 피스, 조절기의 지시에 따라 오리피스를 개폐하여 응축수나 공기를 제거하고 증기의 누 출을 방지하는 밸브, 증기와 응축수를 구분하여 밸브를 개폐시키는 조절기, 다른 부품을 내장하고 있는 몸체로 구성되어 있다.

증기트랩은 단지 응축수와 증기를 구분하여 응축수만을 배출할 수 있도록 밸브의 개폐 작용이 이루어지는 단순한 기능을 갖고 있다. 즉 증기트랩 바로 직전에 응축수가 있으면 밸브가 열리고 증기가 존재하면 밸브가 닫히는 기능만을 갖고 있다. 따라서 응축수가 증 기트랩에 자연스럽게 유입될 수 있도록 증기트랩의 설치방법 등 효율적인 증기트랩핑이 이루어져야 한다.

증기트랩은 단지 밸브의 개폐 기능만을 갖고 있으며 응축수의 배출은 증기트랩 앞의 압 력(증기압력)과 뒤의 압력(배압)과의 차이 즉, 차압에 의해서 배출된다.

또한 동일 오리피스에서 응축수의 배출용량은 차압에 따라 결정되므로 배압이 과도하게 되면 설비 내에 응축수가 정체될 수 있다. 응축수가 원활하게 배출되지 못하면 증기 공 간 내에 응축수가 차오르게 되며 결국 유효한 가열면적이 감소된다. 또한 워터해머의 발생가능성이 높아져 배관이 손상될 수 있고, 가열온도가 불균일하여 제품의 불량이 초래 되며, 증기관 및 설비내부의 부식 또는 재질의 노화를 촉진시켜 설비수명이 단축된다.

설비에 따라 설비의 운전조건, 부하조건 및 응축수 배출요구조건이 모두 다르므로 어느 한가지 타입의 증기트랩으로 모든 요구조건을 충족시킬 수 없어 필요에 따라 많은 종류 의 증기트랩이 개발되었는데, 기능에 따라 크게 온도조절식 트랩, 기계식 트랩, 열역학적 트랩(디스크 트랩) 3가지로 구분될 수 있다.

 

가. 온도조절식 트랩

증기와 응축수의 온도 차이를 이용하여 응축수를 배출하는 타입으로 응축수가 냉각되어 증기포화온도보다 낮은 온도에서 응축수를 배출하게 되므로 응축수의 현열까지 이용할 수 있어 에너지절약 적이다. 압력평형식(벨로즈식, 다이어프램식)과 바이메탈식으로 나누 어진다.

나. 기계식 트랩

증기와 응축수 사이의 밀도차 즉, 부력차이에 의해 작동되는 타입으로 응축수가 생성되는 것과 거의 동시에 배출된다. 볼플로트트랩과 버킷트랩이 있다.

다. 열역학적 트랩(디스크 트랩)

온도조절식이나 기계식 트랩과는 별개로 증기와 응축수의 속도차 즉, 운동에너지의 차이 에 의해 작동된다. 작동부분이 디스크 하나뿐이므로 디스크 트랩이라고도 부르는 열역학 식 트랩은 구조가 간단하며 고장이 적고 정비보수가 용이하다. 그러나 이 트랩은 전형적 인 간헐배출을 하므로 응용에 주의하여야 한다.

증기트랩의 선정에 있어서 가장 중요한 것은 타입을 정하는 것으로 증기트랩의 작동원 리를 충분히 이해하게 되면 설비운전조건 즉 운전방법, 구조, 압력조건, 온도조건, 응축 수 배출량 등에 부합되는 타입의 증가트랩을 선정할 수 있다.

모든 설비의 요구조건을 만족시킬 수 없으므로 항상 설비의 운전특성을 고려하여 제일 적합한 타입을 선정하여야 한다.

일반적인 증기트랩 선정방법은 다음과 같다. ­

1) 생산성을 강조하여 응축수가 발생되는 대로 즉시 배출시켜야 하는 경우에는 볼플로 트 타입이 가장 적합. ­

2) 에너지절약을 위하여 응축수의 현열까지도 이용하고자 하는 경우에는 온도조절식 트랩을 선정. ­

3) 설치공간이 적고 비용이 적게 들며 워터해머 등을 고려하는 경우에는 디스크 트랩을 선정. 

 

2) 재증발 증기의 이용방법

가. 후래쉬베셀(Flash Vessel 또는 후래쉬탱크)에 의해 분리하여 이용하는 방법

스팀트랩을 통해 매출된 응축수는 응축수회수관내의 압력조건에 따라 저압의 재증발 증 기가 발생되게 된다. 후래쉬베셀을 이용하여 재증발 증기를 응축수로부터 효과적으로 분 리시켜 재증발 증기를 이용하는 방법이다. 재증발 증기를 분리하여 이용하는 응용시스템 에서 실무적으로 고려하여야 할 조건을 검토한다.

[출처] 한국에너지공단, 에너지절약시설 편람, 2014

 

나. 2차 코일을 이용한 방법

후래쉬베셀을 이용하지 않고 배관 내에서 직접 재증발 증기를 응축시켜 열을 회수하는 2차 코일을 이용하는 방법이다.

급탕탱크 또는 B-C유 저장탱크와 같은 경우 탱크하부에 2차 가열코일을 설치하여 재증 발 증기의 열을 회수할 수 있다. 이때 1차 코일에서 스팀트랩을 통해 배출된 응축수에서 발생된 재증발 증기와 응축수는 2차 코일을 통과하면서 열을 전달하여 재증발 증기는 응축되고 응축수는 회수하게 된다.

[출처] 한국에너지공단, 에너지절약시설 편람, 2014

 

4. 에너지절약효과

응축수를 회수하여 보일러의 급수를 예열하는 경우가 많이 이용되고 있다. 그러나 응축 수를 회수하는 열설비에서 응축수를 100% 회수하는 것은 매우 어렵다.

응축수 회수율에 따라서 응축수 회수에 따른 에너지 절약효과는 비례하기 때문에 응축 수 회수율을 높이는 것이 필요하다. 응축수를 이용하여 급수를 가열함으로써 열설비 시 스템의 열이용율 즉, 시스템효율을 10% 이상 증대시킬 수 있다.

응축수 회수에 의한 에너지절약효과는 보일러의 운전조건과 증발배수에 따라 약간 변화 한다. 아래 그림의 경우 20 ℃로 공급되는 급수는 응축수회수를 통해 120 ℃까지 가열 한다면 연료절약효과가 15.5% 정도인 것을 알 수 있다.

[출처] 한국에너지공단, 에너지절약시설 편람, 2014

 

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