기술ㆍ연재


[연재] 현장 실무를 위한 스팀 시스템의 모든 것 (3)

월간 에너지관리
2023-06-14


(사)한국에너지기술인협회 / 이대철 교수


4. 스팀의 품질


4.1 정확한 온도와 압력

스팀은 사용처에서 요구하는 압력으로 도달해야 한다. 그렇지 않으면 성능에 영향을 주게 된다. 정확한 온도와 압력은 정확한 배관 선정을 통해서 얻어질 수 있다.


4.2 공기와 비응축성 가스

스팀 공간 내에 공기가 존재하면 문제가 발생하는데 그 이유는 압력계에서 유체의 온도를 유추할 수 없으며 공기는 열 흐름의 방해 막으로서 역할을 하기 때문이다. 스팀 속에 공기 또는 비응축성 가스가 존재하게 되면 압력계에서 보여주는 압력은 잘못된 것이 된다. 이때의 스팀 온도는 포화 증기표에 있는 

포화 온도와 일치하지 않게 된다. 스팀이 공기와 혼합되어 있는 상태에서의 열량은 순수한 증기의 열 함량에 비해 낮다. 이것은 온도가 더 낮다는 것을 의미하며 이 효과는 달톤의 분압 법칙을 따른다.


4.3 공기와 비응축성 가스의 원천

공기는 초기 가동 시 스팀 공급 배관 및 장치 내에 존재한다. 심지어 시스템이 운전된 후 마지막에 순수한 증기로만 가득 차 있었다고 하여도, 가동이 중단되면 스팀은 응축하여 그 결과 발생한 진공에 의해 공기가 유입된다. 또한 공기는 보일러 급수 속에 녹아 있는 상태로 시스템에 유입될 수 있다.

80℃에서 물은 전체 부피의 0.6% 만큼의 공기를 함유할 수 있다. 공기는 추측하는 것 이상으로 스팀 시스템에 더욱 널리 분포되어 있다. 공기의 존재를 무시하거나 방치하면, 모르는 사이에 생산성을 떨어뜨리고 부식을 일으키는 원인이 된다. 스팀 시스템에서 공기를 완전히 제거하기 위해 자동 에어 벤트를 장착하는 작은 투자는 항상 가치가 있을 것이다.


4.4 청결(Clearliness)

스팀 시스템에서 이물질의 출처는 다음과 같다.


가) 부적절한 보일러 운전으로 인한 보일러에서 고형물의 캐리오버

나) 배관 스케일

다) 용접 찌꺼기

라) 잘못 적용되거나 과잉으로 사용된 연결용 개스킷류


이러한 모든 원하지 않는 물질은 증기시스템의 효율적인 운전에 좋지 못하다. 그 이유는 다음과 같다.


가) 보일러에서 과잉으로 공급된 수 처리 약품이 열전달 표면에 쌓여 열전달 속도를 저하시킨다.

나) 배관 스케일 및 기타 이물질은 컨트롤 밸브와 스팀 트랩의 운전을 방해할 수 있다. 그와 같은 배관 이물질에 대해 기본적인 보호방법은 배관에 스트레나(그림 1)를 설치하는 것이다.

다) 배관에 스트레나를 사용하여도 캐리오버 된 수처리 약품을 막을 수는 없다. 대신 기수 분리 기를 사용하여 물방울 내에 녹아있는 물질을 물과 함께 배출함으로써 캐리오버된 물질을 감소시킬 수 있다.


<그림 1> Y형 스트레나


4.5 기수 분리기(Separator)

보온이 잘 되어있다고 하여도, 스팀 배관에서 항상 약간의 응축은 발생하고 있다. 만약 스팀 배관의 보온이 잘못되어 있으면, 수송 중에 열손실은 더욱 많아지고 빠른 응축 속도로 인해 배관을 따라 진행할수록 증기의 질은 더 떨어진다. 

여기서, 보일러에 의한 것이 아닌 수송 중에 열손실에 의해 생성된 습증기는 보일러 연료에 의해 공급된 증발 잠열이 없어져 대체된 것이기 때문에, 비용을 상승시킨다. 습증기가 보일러에서 발생하든 배관에서의 방열 손실에 의해 발생하든 관계없이 습증기는 다음과 같은 문제점을 야기한다.


가) 배관, 피팅 그리고 밸브 내부 부품의 침식

나) 워터 해머와 그와 관련된 문제의 가능성 증가

다) 열전달 표면에 열전달을 방해하는 수막을 형성하여, 공정에서 열전달 속도를 현격하게 감소시킨다. 이로 인해, 공정의 가동시간을 증가시키고 요구되는 공정온도에 이르지 못하게 할 수도 있다. 보일러에서 생산된 습증기는 거의 대부분 관수 내 용존 고형물을 함유하고 있다. 이것은 배관, 밸브 트림 및 열전달 면에 침적되어 정비를 증가시키고 열전달에 방해가 된다.


중략...


월간 에너지관리 2023년 6월호 게재