한국스파이렉스사코에서는 고객 여러분의 현장에 딱 맞는 해법을 제공하기 위하여제안되었던 내용 중에 <스팀 건도 모니터링>에 대한 적용방법, 적용 가능한 공정 및 산업, 실제 적용사례에 대해 소개하고자 한다.
스팀을 사용하는 공정에서 필요한 품질은 무엇일까? 아래와 같이 5가지로 정리할 수 있다.
•필요한 만큼의 정확한 스팀 양이 공급될 것
•스팀 요구온도 및 압력을 만족할 것
• 스팀 내에 공기 및 비응축 가스가 제거된 상태일 것
•이물질이 없이 청정할 것
•건도가 높을 것
상기 5가지 품질 요건 중 건도가 높아야 하는 이유에 대해 집중적으로 알아보고자 한다. 스팀 발생과정에서 물을 가열할 때 물 표면을 떠나는 분자 수가 재진입 (응축)하는 분자의 수 보다 많아지게 되면 물은 자유롭게 증발하게 된다.
만일 압력이 일정하게 유지될 경우 추가적인 열의 공급은 온도를 계속 상승시키지는 못하지만 대신 물을 모두 증발시켜 생성되는 것이 바로 건포화증기다. 그러나 실제 포화증기를 공급하고 사용하는 공정에서의 건포화증기란 존재하기 어렵다. 스팀이 발생되어 배출되면서 수분이 딸려나가는 캐리오버(Carry over)와 이송과정에서 에너지(열)를 잃으면서 일부가 응축되어 스팀의 건도를 저하시키기 때문이다.
(그림 1 참조)
건도란 스팀의 건조한 정도를 나타내는 지표로서 건도1은 수분이 전혀 없는 건포화증기를 말하고, 건도 0은 스팀이 없는 포화수 상태를 의미한다. 그렇다면 스팀의 건도를 저하시키는 요인 두 가지에 대해 좀 더 자세하게 알아보자.
보일러에서 캐리오버에 의한 스팀 건도 저하
캐리오버란 보일러수 내 용존 고형물(TDS) 농도가 높거나 급격한 부하 변동, 고수위 운전 등에 의해 보일러 수와 불순물 등이 스팀에 섞여 나가는 현상을 말하며, 화학적 캐리오버(Forming), 물리적 캐리오버(Priming), 선택적 캐리오버가 있다.
그렇다면 캐리오버를 방지하기 위해서는 어떻게해야 할까?
첫째. 화학적 캐리오버를 방지하기 위해서는 2가지를 고려해야 한다. 그림 2와 같이
① 급수 수처리장치(경수연화, RO)로 보일러 급수 및 보충수를 1차 처리하고,
② 탈기기로 용존산소를 제거하여 보일러에 공급한다. 보일러에서 보일러수의 농축 방지를 위해서는 상부 블로우다운과 하부 블로우 다운을 해야 한다. 예를 들면 10 bar g 스팀 보일러의 경우 상부 블로우다운은 보일러수 전기전도도 4,000 ㎲/㎝ 기준에서 더 이상 농축되지 않도록 보일러수 일부를 연속 배출하는 것이며, 하부 블로우다운은 통상 1일 3회(수질에 따라 다름) 실시하는 것이 일반적이다.
보일러 수질관리와 별도로 에너지적 측면에서 보면 하부 블로우다운은 보일러 하부에 침적된 고형물을 짧은 시간에 순간적으로 배출시키므로 회수할 가치가 낮아 냉각 후 폐수 처리가 일반적이다.
상부 블로우다운은 폐열 회수(후래쉬 베셀 및 현열 열교환기) 시스템으로 회수하여 재이용 하는 것을 추천한다.
둘째. 물리적 캐리오버를 방지하기 위한 방법은 아래와 같다. 보일러 운전압력을 설계압력에 가깝게 운전하여 스팀의 배출속도를 낮게 한다.(스팀 압력이 낮을 수록 스팀의 체적이 크기 때문에 보일러에서 배출되는 속도가 빠르다.)
• 보일러 급수를 펌프 On/Off 제어보다는 연속 급수 방법을 선택하여 보일러 드럼 수위를 항상 일정하게 운전한다. (공정의 부하 변동이 심한 경우 3요소 - 보일러 수위, 스팀량, 급수량 제어 추천)
• 불필요한 고수위 운전을 삼가 한다.(적정 수위는 50 ~ 60 % 사이) 공정 스팀 부하를 적절이 분배, 조정하여 보일러가 피크 운전이 되지 않도록 한다.
• 보일러에서 스팀을 고압으로 생산하여 배관을 통해 이송하고, 사용처 부근에서 저압으로 감압하여 사용한다. 상기와 같이 보일러에서 스팀이 배출되는 속도를 설계 이하로 운전되게 관리하는 것이 필요하다. 일반적인 보일러(포화증기 생산)의 경우에는 스팀의 건도가 95 ~ 98% 이다. 그렇지 않은 경우를 예로 들면 스팀을 직접 분사하여 동물 사료를 생산하는 공정에서 캐리오버로 약품(식품첨가가 허가된 제품) 처리된 보일러수가 유출되어 사료에 혼입되면서 후각에 민감한 동물의 사료 섭취량이 감소하기도 한다. 또한 병원의 멸균 설비에서 깨끗하게 관리되어야 할 수술도구가 오염되는 등 스팀 내 수분에 의한 문제는 아주 심각하다고 볼 수 있다.
스팀 배관 방열 손실에 의한 스팀 건도 저하
스팀을 발생, 이송, 사용하는 공정은 모두 잘 보온되어 있어야 한다. 만약 보온되지 않았거나, 보온의 효율이 떨어진다면 당연히 방열 손실에 의해 열량을 잃어 응축되면서 건도를 저하시키게 된다. 그렇다면 방열 손실에 따른 응축수 발생량은 어떻게 계산할 수 있을까?
표 1에서와 같이 KS규격에 명시된 방법으로 10bar g 스팀이 잘 보온된 배관, 보온되지 않은 구간, 70%의 보온 효율 구간을 통과할 때 방열 손실량을 비교할 수 있다. 즉 잘 보온된 구간에 비해 보온되지 않는 구간에서는 127배, 70% 효율의 보온 구간은 12.7배나 응축수가 많이 발생된다. 이렇게 방열 손실에 의해 발생된 응축수를 제거하지 않고 그대로 사용 설비로 공급하게 되면 아래와 같은 문제가 발생된다.
• 스팀 배관에서의 워터햄머 유발
• 스팀 배관 및 유량계, 컨트롤 밸브 등 주요 설비의 침식
• 열교환기 열교환 속도 지연으로 가열시간 연장
• 제품 품질 저하
그렇다면 보일러에서 스팀과 함께 유출된 보일러 수, 배관의 방열 손실에 의해 발생된 응축수는 어떻게 제거할 수 있을까?
첫째. 스팀 배관에서 응축수를 잘 배출해 주는 것이 필요하다. 즉 응축수가 정체될 수 있는 곳에 드레인 포켓(Drip leg)을 규정에 맞도록 설치하고, 트랩을 통해 배출해 주는 것이다. (그림 3 참조) 또한 드레인 포켓의 크기도 혼돈하는 경우가 많은데 아래와 같이 설계하여 설치하면 된다. (그림 4 참조)
둘째. 스팀 기수분리기를 설치하여 미스트(미세한 입자 크기) 형태로 스팀에 분산된 응축수는 첫 번째 방법으로는 배출할 수 없다. 따라서 특별히 제작된 기수분리기를 사용해야 한다. 차폐판식 기수분리기 원리는 안개가 자욱한 도로를 자동차로 달릴 때 앞 유리에서 미세한 수분이 서로 뭉치면서 차창 아래로 떨어지는 것과 같다.
셋째. 스팀을 감압하거나 과열증기를 혼합, 간접가열(고압 스팀 또는 전기히터)하는 방법이 있다. 이는 공정 내 고압의 스팀이 있거나, 과열증기가 존재할 경우 가능한 방법으로 적용에 제약이 있다. 이렇게 스팀의 건도를 저하시키는 요인과 해결 방법에 대해 알아 보았다. 그렇다면 건도가 낮은 습증기로 인해 문제가 될 수 있는 산업 및 공정은 표 2를 참조해 보자.
상기 언급된 공정의 경우 스팀 품질이 제품 / 공정의 품질로 연결되는 아주 중요한 부분이다. 따라서 스팀의 건도를 높이기 위해 앞서 언급한 여러 가지 방법을 모두 적용한다고 해도 실제 스팀 건도를 모니터링 하는 철저한 관리가 반드시 필요하다.
그림 6과 같이 실시간 스팀 건도의 모니터링이 필요한 경우 간편한 건도 측정 장비를 설치하여 실시간 스팀 건도를 모니터링 할 수 있다. 측정 원리는 다음과 같다.
또한 필요에 따라 아래 그림 7과 같이 건도를 측정하는 서비스를 이용할 수도 있다스팀은 열전달 매체(스팀, 온수, 열매유) 중 물이원료가 되어 안전하며, 제어가 용이할 뿐 아니라 단위 중량당 많은 열을 보유하여 전달할 수 있어 현재까지도 가장 많이 사용되고 있다. 이런 스팀에서의 품질을 실시간 모니터링 하여 유지 관리하는 것은열효율 및 제품 품질 향상을 위해 반드시 필요한 부분이다.
사례 1. A사 폐열 회수 스팀 생산 설비 스팀 건도 모니터링 시스템 적용
A사는 폐열 회수 보일러에서 발생된 스팀을 고품질 특수 강종을 생산하는 제강공정에 진공 이젝터 (Ejector)로 공급하고 있으며, 스팀 건도가 낮을 경우 지정된 시간 내 필요한 진공도가 형성되지 않아 생산 차질이 발생될 뿐만 아니라, 진공 형성을 위해 스팀을 추가 소모해야 하는 문제가 발생되어 모니터링하게 되었다. 스팀 건도를 모니티링 하기전에는 건도에 대한 관심, 관리가 부재하였으나, 건도 측정 장비를 설치하고 실시간 모니터링 하여 제품 품질 향상 및 효율적인 공정 제어가 가능하게 된 사례이다.
사례 2. B사 포화증기 건도 향상 시스템 적용
B사는 고추장 등 장류를 생산하는 회사로 스팀을 직접 분사하는 공정에서 스팀 건도가 제품의 품질에 큰 영향을 주고 있었다. 보일러에서 생산되어 생산공정에 사용되는 스팀의 건도를 확인할 수 없었으므로 품질의 문제가 생길 경우 원인에 대한 정확한 해답이 없었으며, 불안한 상태에서 공정을 관리하고 있었다.
따라서 보일러 스팀 배출라인에는 기수분리기를 설치하고, 그 후단에는 건도 모니터링 장비를 설치하여 스팀의 품질을 실시간 모니터링 하게 되자 제품의 품질 및 생산성이 개선된 사례이다.
한국스파이렉스사코에서는 고객 여러분의 현장에 딱 맞는 해법을 제공하기 위하여제안되었던 내용 중에 <스팀 건도 모니터링>에 대한 적용방법, 적용 가능한 공정 및 산업, 실제 적용사례에 대해 소개하고자 한다.
스팀을 사용하는 공정에서 필요한 품질은 무엇일까? 아래와 같이 5가지로 정리할 수 있다.
•필요한 만큼의 정확한 스팀 양이 공급될 것
•스팀 요구온도 및 압력을 만족할 것
• 스팀 내에 공기 및 비응축 가스가 제거된 상태일 것
•이물질이 없이 청정할 것
•건도가 높을 것
상기 5가지 품질 요건 중 건도가 높아야 하는 이유에 대해 집중적으로 알아보고자 한다. 스팀 발생과정에서 물을 가열할 때 물 표면을 떠나는 분자 수가 재진입 (응축)하는 분자의 수 보다 많아지게 되면 물은 자유롭게 증발하게 된다.
만일 압력이 일정하게 유지될 경우 추가적인 열의 공급은 온도를 계속 상승시키지는 못하지만 대신 물을 모두 증발시켜 생성되는 것이 바로 건포화증기다. 그러나 실제 포화증기를 공급하고 사용하는 공정에서의 건포화증기란 존재하기 어렵다. 스팀이 발생되어 배출되면서 수분이 딸려나가는 캐리오버(Carry over)와 이송과정에서 에너지(열)를 잃으면서 일부가 응축되어 스팀의 건도를 저하시키기 때문이다.
(그림 1 참조)
건도란 스팀의 건조한 정도를 나타내는 지표로서 건도1은 수분이 전혀 없는 건포화증기를 말하고, 건도 0은 스팀이 없는 포화수 상태를 의미한다. 그렇다면 스팀의 건도를 저하시키는 요인 두 가지에 대해 좀 더 자세하게 알아보자.
보일러에서 캐리오버에 의한 스팀 건도 저하
캐리오버란 보일러수 내 용존 고형물(TDS) 농도가 높거나 급격한 부하 변동, 고수위 운전 등에 의해 보일러 수와 불순물 등이 스팀에 섞여 나가는 현상을 말하며, 화학적 캐리오버(Forming), 물리적 캐리오버(Priming), 선택적 캐리오버가 있다.
그렇다면 캐리오버를 방지하기 위해서는 어떻게해야 할까?
첫째. 화학적 캐리오버를 방지하기 위해서는 2가지를 고려해야 한다. 그림 2와 같이
① 급수 수처리장치(경수연화, RO)로 보일러 급수 및 보충수를 1차 처리하고,
② 탈기기로 용존산소를 제거하여 보일러에 공급한다. 보일러에서 보일러수의 농축 방지를 위해서는 상부 블로우다운과 하부 블로우 다운을 해야 한다. 예를 들면 10 bar g 스팀 보일러의 경우 상부 블로우다운은 보일러수 전기전도도 4,000 ㎲/㎝ 기준에서 더 이상 농축되지 않도록 보일러수 일부를 연속 배출하는 것이며, 하부 블로우다운은 통상 1일 3회(수질에 따라 다름) 실시하는 것이 일반적이다.
보일러 수질관리와 별도로 에너지적 측면에서 보면 하부 블로우다운은 보일러 하부에 침적된 고형물을 짧은 시간에 순간적으로 배출시키므로 회수할 가치가 낮아 냉각 후 폐수 처리가 일반적이다.
상부 블로우다운은 폐열 회수(후래쉬 베셀 및 현열 열교환기) 시스템으로 회수하여 재이용 하는 것을 추천한다.
둘째. 물리적 캐리오버를 방지하기 위한 방법은 아래와 같다. 보일러 운전압력을 설계압력에 가깝게 운전하여 스팀의 배출속도를 낮게 한다.(스팀 압력이 낮을 수록 스팀의 체적이 크기 때문에 보일러에서 배출되는 속도가 빠르다.)
• 보일러 급수를 펌프 On/Off 제어보다는 연속 급수 방법을 선택하여 보일러 드럼 수위를 항상 일정하게 운전한다. (공정의 부하 변동이 심한 경우 3요소 - 보일러 수위, 스팀량, 급수량 제어 추천)
• 불필요한 고수위 운전을 삼가 한다.(적정 수위는 50 ~ 60 % 사이) 공정 스팀 부하를 적절이 분배, 조정하여 보일러가 피크 운전이 되지 않도록 한다.
• 보일러에서 스팀을 고압으로 생산하여 배관을 통해 이송하고, 사용처 부근에서 저압으로 감압하여 사용한다. 상기와 같이 보일러에서 스팀이 배출되는 속도를 설계 이하로 운전되게 관리하는 것이 필요하다. 일반적인 보일러(포화증기 생산)의 경우에는 스팀의 건도가 95 ~ 98% 이다. 그렇지 않은 경우를 예로 들면 스팀을 직접 분사하여 동물 사료를 생산하는 공정에서 캐리오버로 약품(식품첨가가 허가된 제품) 처리된 보일러수가 유출되어 사료에 혼입되면서 후각에 민감한 동물의 사료 섭취량이 감소하기도 한다. 또한 병원의 멸균 설비에서 깨끗하게 관리되어야 할 수술도구가 오염되는 등 스팀 내 수분에 의한 문제는 아주 심각하다고 볼 수 있다.
스팀 배관 방열 손실에 의한 스팀 건도 저하
스팀을 발생, 이송, 사용하는 공정은 모두 잘 보온되어 있어야 한다. 만약 보온되지 않았거나, 보온의 효율이 떨어진다면 당연히 방열 손실에 의해 열량을 잃어 응축되면서 건도를 저하시키게 된다. 그렇다면 방열 손실에 따른 응축수 발생량은 어떻게 계산할 수 있을까?
표 1에서와 같이 KS규격에 명시된 방법으로 10bar g 스팀이 잘 보온된 배관, 보온되지 않은 구간, 70%의 보온 효율 구간을 통과할 때 방열 손실량을 비교할 수 있다. 즉 잘 보온된 구간에 비해 보온되지 않는 구간에서는 127배, 70% 효율의 보온 구간은 12.7배나 응축수가 많이 발생된다. 이렇게 방열 손실에 의해 발생된 응축수를 제거하지 않고 그대로 사용 설비로 공급하게 되면 아래와 같은 문제가 발생된다.
• 스팀 배관에서의 워터햄머 유발
• 스팀 배관 및 유량계, 컨트롤 밸브 등 주요 설비의 침식
• 열교환기 열교환 속도 지연으로 가열시간 연장
• 제품 품질 저하
그렇다면 보일러에서 스팀과 함께 유출된 보일러 수, 배관의 방열 손실에 의해 발생된 응축수는 어떻게 제거할 수 있을까?
첫째. 스팀 배관에서 응축수를 잘 배출해 주는 것이 필요하다. 즉 응축수가 정체될 수 있는 곳에 드레인 포켓(Drip leg)을 규정에 맞도록 설치하고, 트랩을 통해 배출해 주는 것이다. (그림 3 참조) 또한 드레인 포켓의 크기도 혼돈하는 경우가 많은데 아래와 같이 설계하여 설치하면 된다. (그림 4 참조)
둘째. 스팀 기수분리기를 설치하여 미스트(미세한 입자 크기) 형태로 스팀에 분산된 응축수는 첫 번째 방법으로는 배출할 수 없다. 따라서 특별히 제작된 기수분리기를 사용해야 한다. 차폐판식 기수분리기 원리는 안개가 자욱한 도로를 자동차로 달릴 때 앞 유리에서 미세한 수분이 서로 뭉치면서 차창 아래로 떨어지는 것과 같다.
셋째. 스팀을 감압하거나 과열증기를 혼합, 간접가열(고압 스팀 또는 전기히터)하는 방법이 있다. 이는 공정 내 고압의 스팀이 있거나, 과열증기가 존재할 경우 가능한 방법으로 적용에 제약이 있다. 이렇게 스팀의 건도를 저하시키는 요인과 해결 방법에 대해 알아 보았다. 그렇다면 건도가 낮은 습증기로 인해 문제가 될 수 있는 산업 및 공정은 표 2를 참조해 보자.
상기 언급된 공정의 경우 스팀 품질이 제품 / 공정의 품질로 연결되는 아주 중요한 부분이다. 따라서 스팀의 건도를 높이기 위해 앞서 언급한 여러 가지 방법을 모두 적용한다고 해도 실제 스팀 건도를 모니터링 하는 철저한 관리가 반드시 필요하다.
그림 6과 같이 실시간 스팀 건도의 모니터링이 필요한 경우 간편한 건도 측정 장비를 설치하여 실시간 스팀 건도를 모니터링 할 수 있다. 측정 원리는 다음과 같다.
또한 필요에 따라 아래 그림 7과 같이 건도를 측정하는 서비스를 이용할 수도 있다스팀은 열전달 매체(스팀, 온수, 열매유) 중 물이원료가 되어 안전하며, 제어가 용이할 뿐 아니라 단위 중량당 많은 열을 보유하여 전달할 수 있어 현재까지도 가장 많이 사용되고 있다. 이런 스팀에서의 품질을 실시간 모니터링 하여 유지 관리하는 것은열효율 및 제품 품질 향상을 위해 반드시 필요한 부분이다.
사례 1. A사 폐열 회수 스팀 생산 설비 스팀 건도 모니터링 시스템 적용
A사는 폐열 회수 보일러에서 발생된 스팀을 고품질 특수 강종을 생산하는 제강공정에 진공 이젝터 (Ejector)로 공급하고 있으며, 스팀 건도가 낮을 경우 지정된 시간 내 필요한 진공도가 형성되지 않아 생산 차질이 발생될 뿐만 아니라, 진공 형성을 위해 스팀을 추가 소모해야 하는 문제가 발생되어 모니터링하게 되었다. 스팀 건도를 모니티링 하기전에는 건도에 대한 관심, 관리가 부재하였으나, 건도 측정 장비를 설치하고 실시간 모니터링 하여 제품 품질 향상 및 효율적인 공정 제어가 가능하게 된 사례이다.
사례 2. B사 포화증기 건도 향상 시스템 적용
B사는 고추장 등 장류를 생산하는 회사로 스팀을 직접 분사하는 공정에서 스팀 건도가 제품의 품질에 큰 영향을 주고 있었다. 보일러에서 생산되어 생산공정에 사용되는 스팀의 건도를 확인할 수 없었으므로 품질의 문제가 생길 경우 원인에 대한 정확한 해답이 없었으며, 불안한 상태에서 공정을 관리하고 있었다.
따라서 보일러 스팀 배출라인에는 기수분리기를 설치하고, 그 후단에는 건도 모니터링 장비를 설치하여 스팀의 품질을 실시간 모니터링 하게 되자 제품의 품질 및 생산성이 개선된 사례이다.