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기획특집 <특집: 증기 유량 계측의 최신 동향> 증기 건도 계측 기능을 탑재한 와류식 유량계

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작성자 댓글 0건 조회 1,993회 작성일 22-11-08 13:39

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그림 1. 증기 온도와 비엔탈피 (대기압력 예) 




서론

증기는 플랜트 조업에서 가장 중요한 열에너지 중 하나이며, 사용 방법에 따라 증기 사용량이나 생산성, 제품의 품질이 매우 큰 영향을 받는다.

증기는 최대한 건도가 높은 상태에서 증기 사용 장치에 공급하는 것이 그 사용 방법에서 중요하다. 그러나 증기를 사용하는 플랜트에서는 배관의 단열 보온 열화와 보일러에서의 캐리오버, 그리고 트래픽 대비 부족 등에 의해 증기 건도가 낮아지는 경우가 많다.


증기 건도의 저하는 증기를 사용하는 설비의 에너지 절약, 생산성, 제품의 품질, 메인터넌스 등의 저해 요인 중 하나가 된다. 한편, 증기를 직접 제품에 분무하는 사용 방법의 경우에는 이렇게 증기를 사용할 때 증기의 건도는 중요한 관리 주제가 되어야 한다.

에너지 절약 추진이 요구되는 가운데, 현재 상황의 파악을 위해 증기 사용량을 계측하는 유량계가 여러 곳에 설치되어 있다.

여기에서는 증기용 유량계로 널리 이용되고 있는 와류식 유량계에 대하여 에너지 절약 촉진을 목적으로 한 유량 계측과 함께 증기 건도 계측을 통한 안정 조업 및 품질 안정화 실현에 기여하는 방법에 관해 소개하도록 한다.



증기의 건도란 무엇인가?

증기의 건도란 포화 증기 안에 있는 기체 부분과 액체 부분의 비율을 나타낸 것이다. 증기를 가열원으로 사용하는 플랜트에서는 포화 건증기(건도 100%)가 이상적이다. 그러나 실제로는 증기가 보일러에서 만들어진 후에 계속해서 긴 증기 배관을 거쳐 각 증기 사용 설비에 공급되기 때문에 배관 등에서의 방열, 응축된 증기 드레인을 배출하기 위한 트래픽의 대비 부족으로 인해 건도가 크게 낮아진다. 보일러 물은 캐리오버로 인해 원래 젖어 있는 경우도 있다. 또한 과열 증기의 경우에도 감온 시스템이 제대로 기능하지 못하는 케이스에서는 과열도가 설정보다 훨씬 더 낮아지고 때로는 습증기가 되어버린 경우도 있다.


<그림 1>은 증기의 온도와 비엔탈피와의 관계를 나타낸 것으로, 건조도 100%의 가열원으로서 이상적인 포화 건증기는 위치 B이다. 그러나 실제로 플랜트에서 사용되는 증기는 건도가 다소 낮아진 포화 습증기이며 위치 B’가 된다.

또한, 증기 건도의 정의는 물과 증기를 포함한 증기 중의 질량 비율을 가리키며, 아래 식으로 나타낼 수 있다.


건도(%) = 증기 질량 유량/(증기의 질량 유량 + 물의 질량 유량) × 100


이 때문에 건도 x인 포화 증기의 비부피 v, 비엔탈피 h는 아래 식과 같으며, 건포화 증기의 건도가 낮아지면 비부피, 비엔탈피 모두 감소한다는 것을 알 수 있다.


• 비부피 v=v’+(v”-v’)

• 비엔탈피 h=h’+xr=h’+x(h”-h’)

v”: 증기의 비부피

V’: 드레인의 비부피

h”: 증기의 비엔탈피

h’: 현열

r: 잠열



증기 건도 저하로 인한 문제

증기의 건도 저하가 증기를 사용하는 설비나 공정에 어떤 영향을 미치는지 설명하도록 한다.

가장 먼저 증기 터빈을 예로 들어보자. 증기 터빈에서는 과열 증기가 사용되며, 과열이 낮아져 포화 증기가 되고 더 나아가서는 건도가 낮아져 드레인 물방울이 생긴 경우에는 드레인 물방울이 빠르게 회전하는 터빈 날개와 충돌하여 단기간에 침식을 일으키는 드레인 어택이 된다.


다음으로 증기 수송 배관에서의 건도 저하는 증기 중의 드레인 물방울이 증기 배관에 설치된 밸브나 유량계, 감압 밸브나 제어 밸브 등의 기기, 배관 엘보 등의 침식을 촉진하여 이들 기기의 수명을 상당히 단축시키기도 한다. 또한, 발생한 드레인이 워드 해머의 원인이 될 때도 있다.


그리고 증기를 간접적으로 사용하는 일반적인 가열 용도에서는 증기의 건도 저하로 인해 발생하는 드레인이 열교환기 등의 열 전달에 있어서의 전열 효율을 저해하여 생산성을 악화시킨다. 

이렇게 증기 건도가 낮아지면 여러 가지 문제가 발생하며 많은 현장에서는 눈에 보이는 문제 현장을 처리하는데 급급해져서 진짜 원인인 증기의 건도 저하에 대한 효과적인 대책을 세우지 못하는 경우가 많다.



증기의 건도 계측 기능을 탑재주1)한 와류식 유량계

지금까지 설명한 증기의 건도 저하가 일으키는 문제를 해결하려면 우선 지금의 건도를 알 필요가 있다. 이에 증기의 건도를 계측할 수 있는 와류식 유량계 EF200F-C(사진 1)를 소개하도록 한다.


EF200F-C에서 건도를 측정할 수 있는 원리를 간단하게 설명한다. 증기 건도가 나빠져서 측정 배관에 드레인이 혼재하게 되면 배관 바닥에 드레인층이 생긴다. 이 때 <그림 2>와 같이 유량계를 수평 아래 방향으로 설치하면 유량 센서 시작 부분에도 드레인 층이 생긴다. 드레인이 유량 센서에 끼치는 영향과 건도 사이에 상관관계가 있다는 것을 실험을 통해 미리 확인하였기 때문에 건도를 특정할 수 있다.


또한, 건도는 외부로 출력할 수 있으며 건도를 고려한 증기 유량이나 에너지 보정도 가능하다.


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사진 1. TLV 와류식 유량계 EF200F-C 


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그림 2. 센서와 드레인 층 


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사진 2. 건도 100%(포화 증기)


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사진 3. 건도 90%, 수분 10% (파형의 흐름을 동반)



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사진 4. 건도 80%, 수분 20%(환상류)

 

..(후략) 



髙田 一平 / TLV

본 기사는 2022년 11월호에 게재되었습니다. 

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본 기사는 월간지[計側技術] (일본일본공업출판주식회사 발행)로부터 번역·전재한 것입니다.

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