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2001년 4월호 알파와 오메가

4. 운전 데이터
1). 제어밸브 [표1참조]

2). 감압용 오리피스 [표2참조]
A. 기존 오리피스제작사(펌프제작사)에서 설계/제작 데이터 기준

오리피스의 설계/제작은 펌프제작사에서 수행한 것으로 판단되며, 설계차압은 펌프의 최대 압력에 기준한 것으로, 탈기기의 압력이 통상적으로 5kg/cm²g 로 예상되고 탈기기까지의 관로 압력 손실을 고려한다면 오리피스 출구의 압력은 적어도 6kg/cm²g 내외가 되는 것으로 판단하여 입구압력은 약 187.4kg/cm²g로 가정한다.

B. 실제 운전 조건 [표3참조]
정상 출력시 급수량이 330000kg/Hour임으로 출력이 33%일 경우에 미니멈 흘로우 밸브상으로는 110000kg/Hour가 흐르게 된다.

5. 분석 및 대책

1) 기존 오리피스의 현상 및 문제점
A). 기존의 오리피스는 전형적인 다단 오리피스로써 고강도의 마르텐사이트 계열의 스텐레스 강판에 여러 개의 구멍을 내어 필요로 하는 압력차를 갖게 하였다.

그러나 다단의 오리피스를 감압용으로 사용하는 경우, 오리피스 판과 판 사이에는 케비테이션의 방지책으로 적정의 거리를 유지하여야 하고, 구멍을 통한 고속의 유체 흐름으로 인한 침식(구멍의 마모)현상과 이에 따른 구멍의 크기 증대로 인하여 감압성능은 사용연수에 따라 크게 떨어진다.

아울러 초기 설계의 유량이 많고(실운전 110t/h, 설계 124t/h), 설계 차압이 실제 운전과 상당한 차이를 보이는 것으로 판단하여 실제 운전 차압은 상당히 낮아진 것으로 판단한다.

B). 미니멈 흘로우 배관 시스템의 운전 특성상 실제 운전유량은 설계유량인 124/h로 일정하게 운전하는 것이 아니고, 운전 초기의 부하가 정상 운전 부하에 근접하거나 또는 정지 시에는 상당 시간을 설계유량보다 상당히 적은 유량으로 운전하게 됨으로 이 오리피스는 유량 변화에 따른 감압을 대부분 미니멈 흘로우 밸브에 전가함으로 미니멈 흘로우 밸브에는 케비테이션이 발생하게 된다.

이때 발생한 케비테이션으로 인한 밸브의 시트 손상은 정상 운전 시에도 계속적인 높은 차압 하에서 강도 높은 누설을 일으키므로 미니멈 흘로우 밸브는 매우 심각한 손상을 입게 되는 것이다.

2) 개선 방안 및 대책
A). 미니멈 흘로우 밸브의 시트 누설 등급을 높힌다.

B). 오리피스는 유량변화에 부응하는 가변 오리피스를 채택한다. 붙임의 개선된 오리피스는 유량의 변화에 따라 오리피스의 개도가 변하는 것으로 시스템의 운전 부하에 비례하게 운전함으로 미니멈 흘로우 밸브의 압력 부하를 일정하게 하여준다.

C). 오리피스는 장시간 운전하여도 오리피스 구멍이 구조적으로 잘 마모되지 않는 속도제어식 미로형 오리피스를 채택한다.

D). 오리피스는 구조적으로 교환이 가능한 구조로 설계하여, 점검 및 교환이 가능하게 하여 미니멈 흘로우 밸브의 안전성을 확보한다.

주급수펌프 재순환 제어밸브 및 시스템 요구사항
(Boiler Feedpump Recirculation Control Valve and System Requirements)

1.서론
일반적으로 보일러 급수펌프는 전형적인 고에너지(압력이 높고, 온도도 높은) 수송용 펌프로써, 펌핑작용에 의해 발생되는 전체 에너지 중에서 어느 정도는 열로 변환한다.

펌프의 토출 유량이 펌프 성능곡선(Pump Performance Curve)상의 적정 유량으로 운전되지 않고, 최소흐름(Minimum Flow Line)선에 가깝게 흐르게 되면 펌프의 토출압력은 급격히 증대하면서 상당한 열이 펌프에 발생하게 된다.

이러한 현상은 케비테이션이나 급격한 압력 상승으로 인하여 펌프 자체의 구조를 손상시킬 수 있다. 따라서 이러한 현상의 발생을 시스템적으로 예방하기 위하여 그림 1과 같이 펌프 토출 배관측에 최소흐름배관(Minimum Flow Line)을 설치한다.

이 최소 흐름 배관은
-펌프의 최대 정격 압력(Full Discharge Pressure of the Pump)

-펌프의 보호를 위한 최소 흐름량을 탈기기, 탈기기 저장탱크 또는 복수기로 재 순환 (Recirculate the minimum flow rate to Deaerator, Deaerator Storage Tank. or Condenser to Protect the pump)시켜야 한다.

보일러 급수 펌프를 초기 운전 시에는 보일러가 아직 완전 부하로 되지 않았기 때문에 보일러 급수 펌프 제어밸브로는 이러한 펌프의 급수압력을 적절히 제어 할 수 없다.

예전의 소형 보일러의 경우에는 이러한 재순환 배관에 오리피스를 설치하여 급수 펌프를 보호하고, 시스템을 안정화했는데, 이러한 경우에는 보일러가 정상 가동 시에도 일부의 급수가 계속 재순환 되어 전체적인 시스템 효울이 떨어지는 방법을 채택했지만, 지금은 모든 보일러 급수펌프에는 재순환 배관이 설치되어 있으며, 정상 운전 시에는 이 배관으로 급수가 전혀 흐르지 않는 구조로 되어 있어 열효율이 매우 높다.

이와 같은 시스템의 목적하에서 급수 펌프의 재순환 배관의 전형적인 운전 모드는 급수 펌프의 토출 배관이 설치되어 있는 유량, 압력, 온도계기에 의해 다음과 같은 모드로 운전하게 된다.

-보일러 급수 펌프가 운전을 시작하면, 미니멈 홀로우 밸브는 열리고, 급수 또는 시동용 급수 배관의 제어밸브는 닫힌다.

-재순환배관 시스템을 통한 초기 펌프의 준비(Warm-up)가 끝나면, 급수 제어밸브는 서서히 열리게 된다.

-급수펌프의 10%~25% 용량까지 급수량이 증대되면, 재순환배관의 밸브(이하 미니멈 홀로우 밸브, Minimum Flow Control Valve or Recirculation Valve)는 닫히기 시작한다.

-미니멈 홀로우 밸브가 닫힌 후, 급수 시스템이 펌프의 25%이하까지 떨어지면, 펌프에서의 급격한 압력상승 및 온도 상승에 대비하여 미니멈 홀로우 밸브는 열리도록 되어 있다.

-따라서 미니멈 홀로우 밸브는 정상적인 시스템운전 시 90%~95% 정도가 닫혀 있는 상태로 운전한다.이러한 운전 모드를 분석하면, 보일러 급수펌프의 미니멈 홀로우 밸브는 발전소의 어떠한 밸브보다도 가장 높은 차압을 가지게 되는 밸브로써 분류된다.

2. 유체의 압력 강하와 이에 따른 밸브에서의 유체역학적 특징

미니멈 흘로우 밸브에 있어서 입구의 압력은 적어도 1500~6000psig(105 ~420 barg)에 있으며, 출구의 압력은 200psig(14barg)이하의 탈기기 압력이나 복수기의 진공상태의 압력상태로 떨어진다. 따라서 재순환 배관시스템이 운전하게 되면 밸브 포트에서의 베나콘트렉타(Vena Contracta)까지는 압력이 떨어지면서 유속은 급격히 증속된다.

이후 베나콘트렉타를 통과한 유체는 다시금 압력이 회복되면서 유속 또한 감소된다. 일련의 이러한 과정은 그림 2를 참조한다. 이 과정 중에서 가장 큰 영향을 미치는 것은 유체의 온도이다. 만약 유체의 흐름에 있어서 유체압력의 저하 정도가, 그 온도에서의 유체의 포화증기압(Vapor Pressure)보다도 더 떨어질 경우 밸브에는 여러 가지 문제가 생기게 된다. 그림 3에서와 같이 유체압력의 저하에 따른 문제점을 설명하면 다음과 같다.

- 그림 3-1 정상 운전
밸브를 동한 유체 흐름에 있어서, 밸브에서 생기는 최저 압력저하 지점이 유체의 포화증기압보다 높은 곳에 있다.

-그림3-2, 후라싱(Flashing)
밸브에서 생기는 최저 압력 저하 지점이 유체의 포화 증기압보다 낮게 형성되어 운전되는 상태. 액체와 증기상태의 이상유동(Two Phase Flow)일 때, 증기가 주로 체적을 증대시키고, 따라서 출구의 유속은 빨라진다.

-그림3-3, 케비테이션(Cavitation)
일단 유체의 포화증기압 이하로 떨어졌다가, 다시금 유체의 포화증기압 이상으로 압력이 회복된다. 이러한 케비테이션 과정 중, 밸브 트림은 매우 강한 충격압력파(10,000psia)가 발생하고, 따라서 진동, 소음의 문제와 더불어 밸브의 내부부품(트림,Trim)을 손상시킨다. 붙임 A의 밸브이해를 위한 밸브 유체역학 기초를 참조한다.

   
  [ 출처 : www.pipingjournal.com ]