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2001년 5월호 알파와 오메가

2. 유체의 압력 강하와 이에 따른 밸브에서의 유 체역학적 특징

보일러 급수펌프의 재순환배관 시스템의 구성에 있어서는 일반적으로 두가지 방법이 사용된다. 하나는 비례제어식이나 ON-OFF식의 미니멈 흘로우 밸브를 이용하는 방법이고, 다른 하나는 밸브와 함께 적절하게 선정된 압력 강화용 오리피스(Restriction Orifice)를 함께 사용하는 것이다.

오리피스를 함께 쓰는 경우에는 ON-OFF 미니멈 흘로우 밸브에 케비테이션이 생기지 않을 정도로 압력 강하를 시키고, 나머지 시스템에서 요구하는 압력저하는 오리피스를 통하여 이루는 것이다. 그러나 이 경우, 오리피스가 있는 배관시스템에 급격한 후압력(Back Pressure)를 제공해야 하므로 밸브는 신속한 동작으로 개폐가 이뤄져야 한다.

오리피스를 재택하고 있는 미니멈 흘로우 밸브 시스템은 소형의 보일러 급수 시스템에 매우 경제적이고 효과적인 재순환 배관 시스템으로 권장된다. 그러나 규모가 큰 보일러 급수 펌프의 미니멈 흘로우 밸브 시스템에는 이러한 방법 보다는 전체 급수 시스템과 연동되는 비례제어식의 미니멈 흘로우 밸브 시스템으로 구성하여야 한다. 이에 대하여 구체적보면 다음과 같다.

이 미니멈 흘로우 밸브 시스템에는 급수량에 비례하여 재순환수의 유량이 비례 제어로 조절되고 급수량이 감소함에 따라 재순환수의 유량은 증가된다. 따라서 급수 펌프의 건전한 운전에 맞는 유량만큼 이 미니멈 흘로우 밸브가 흐르도록 해주기 때문에 상당한 에너지를 절감할수 있으며 ON-OFF식의 이 미니멈 흘로우 밸브와 같이 밸브가 급격히 열림에 따른 시스템의 불안전성을 제거할 수 있는 좋은 시스템이다.

그러나 이 비례제어식의 미니멈 흘로우 밸브 시스템은 상당한 기간동안 낮은 개도로 운전하게 되면 역시 많은 문제점, 특히 케비테이션에 의한 밸브 손상이 생길 수 있다. 예을 들어 500Mwe 급의 발전소에서 정상적인 운전시 미니멈 흘로우 밸브는 완전히 닫혀 있지만, 전력 소비량이 적은 밤 시간대에는 50Mwe급으로 운전할 수 있는데, 이 경우 미니멈 흘로우 밸브는 낮은 개도로 계속 운전해야 되므로, 밸브 시트표면에 지속적인 케비테이션이나, 와이어 드로우잉(Wire Drawing), 또는 높은 유속에 의한 시트 마모가 발생한다.

이러한 문제를 예방하기 위해서는 10% ~ 20% 미만의 밸브 개도에서는 밸브가 급속히 닫힐 수 있도록 하고, 닫힌 후에는 완전한 무누설의 시팅구조는 물론 가능한 모든 방법을 동원하여 시트를 보호하는 구조이어야 한다.

제어방법으로는 비례제어 스킴(Sheme)에 따라 리미트 스윗치, 솔레노이드를 이용한 프로그래밍으로 컴퓨터 제어도 가능하다.

3. 급수펌프 재순환 배관 시스템의 구성

보일러 급수펌프의 재순환배관의 구성형식은 복수기로 직접 방출하는 방식과 탈기기 또는 탈기기 저장탱크로의 방출방식 두 가지가 있다.

(1) 복수기로 직접 방출복수기로 재순환수를 직접 방출하는 경우, 복수기의 압력이 대기압 이하의 약한 진공 상태이기 때문에 미니멈 홀로우 밸브에서는 필연적인 후라싱이 발생한다. 따라서 후라싱의 정도를 저감하는 방법으로 복수기에 연결되는 재순환배관 계통에 레스트릭션 오리피스나, 디퓨저 플레이트(Diffuser Plate), 또는 스파져(Sparger)를 배관 후단에 설치하여 후라싱 강도를 낮춰야 한다.

만약 ON-OFF식 미니멈 홀로우 밸브를 사용한 경우에는 밸브의 개폐를 신속히 함으로써 후라싱에 의한 문제 강도를 낮출 수 있지만 근본적인 대책은 아니다. 아울러 압력강하 장치를 사용하여 밸브 후단의 후압력을 높였다 하더라도, 밸브의 운전은 상당히 좁은 범위에서 운전하게 됨으로 모든 운전조건하의 유량에 능동적으로 대응할 수가 없다.

디퓨져나 스파져는 가능한한 복수기 자체 또는 복수기와 아주 근접한 곳에 설치해야 한다. 왜냐하면 어차피 발생할 수 밖에 없는 후라싱을 상대적으로 대용량인 복수기 내부의 공간 속이나 디퓨저 플레이트로 감당하게 하는 것이다. 정도의 차이는 크지만 급수가열기의 히터 드레인 시스템의 제어밸브의 경우에도 이와 유사하다.

(2) 탈기기로 방출탈기기로의 방출은 탈기기의 운전압력이 대략 50∼200psig(3.5∼14 barg)임으로 보일러 급수 시스템으로 보아 포화증기압보다 높아 후라싱은 발생하지 않아 별도의 압력강하장치는 일반적으로 설치하지 않는다.

또한 미니멈 흘로우 밸브는 터어빈 아랫쪽의 주급수펌프의 근처에 설치되고, 탈기기는 상당히 높은 위치의 먼거리에 설치되어 있음으로 배관계통의 유체저항으로 인한 후압력도 상당하기 때문에 실질적으로 추가의 압력강하장치는 큰 효과가 없다. 따라서 이 경우에는 케비테이션이 주요 문제점으로 대두된다.붙임 B는 현재 우리나라의 500MWe급 화력발전소의 미니멈 흘로우 밸브(CCI-DRAG Trim & CVI-HUSH Trim)의 사양서 및 크기선정 데이터들이다.

(3)비교경제성으로 비교할 때, 복수기로 직접 방출하는 것이 관련 배관계통의 짧고, 구성이 용이하여 경제성이 있는 것으로 판단된다.

그러나 상대적으로 탈기기로의 방출은 압력강하장치 등이 없으며, 가혹한 후라싱 조건을 피할 수 있으며, 탈기기 위치보다 낮은 위치에 있음으로 토출 배관측에 항상 물이 채워져 있어 즉각적으로 운전에 투입될 수 있어 시스템 운전 측면에서 보다 안정적인 운전을 도모할 수 있다.

4. 미니멈 흘로우 밸브의 조건

보일러 급수 펌프 재순환배관 시스템에서 밸브가 1800psi(126bar)이상의 차압을 갖고 운전하는 경우 다음과 같은 문제점이 예측된다. 따라서 미니멈 흘로우 밸브는 이들 문제에 견딜 수 있도록 설계, 제작되고 운전되어야 한다.

(1)압력저하에 따른 케비테이션, 후라싱 발생에 대하여, 이들 현상에 충분히 견딜 수 있는 밸브 구조를 가져야 한다.

(2)배관시스템의 운전에는 항상 불순물들이 개재될 수 밖에 없으며, 불순물이 개재 된다는 전제하에 밸브가 건전하게 운전할 수 있는 방안을 강구하여야 한다. 불순물들이 밸브 내부인 트림 부품 속에 개재되면, 프러그와 케이지의 미소 간격내에서 경도가 약한 부품 속으로 침투하여 칼로 긁은 듯한 흠집을 내기도 하며 심각한 경우 밸브 스템의 조절작용(Stroking)을 방해하거나 고장나게 한다.

또한 이들 불순물 중의 작은 것 하나라도 시트부위에 걸리면, 이 흠집 난 곳을 통하여 와이어 드로우잉을 만들고, 이 와이어 드로우잉을 통하여 심각한 케비테이션으로 진행하게 된다.

(3)미니멈 흘로우 밸브의 운전 중에 시트에서의 미세한 누설로 인한 와이어 드로우잉의 발생과 이로 인하여 발생되는 트림 손상에 대비하여 정상 운전 시에는 미니멈 흘로우 밸브의 시트 누설이 허용되어서는 안 된다. 또한 정상 운전 시에 보일러로 급수 되어야 할 에너지가 탈기기로 바이패스 한다면, 시스템 운전 효율상에도 큰 문제인 것이다.

특히 초임계압 발전소(Super Critical Unit)의 경우, 피크 출력과 재순환배관의 흐름(누설로 인한)은 직접적인 연관이 되므로 자연적인 출력 효율의 감소가 발생한다. 예로써, 500MWe급의 발전소에서 80,000pph(36.240kg/hour, 약 초당 10리터)의 누설이 있다고 하면, 밸브의 트림에서는 와이어 드로우잉을 진전시키면서 아울러 약 4Mwe 정도의 출력(약 0.8%)이 누설로 인하여 도둑을 맡고 있는 것이다.

(4)미니멈 흘로우 밸브의 수명기간 중 항상 무누설의 시팅 구조를 가져야 한다. 일반적인 밸브는 운전 초기에는 거의 완벽한 시팅 구조를 갖고 있다가도 몇번의 보수 점검으로 인하여 정확한 시팅 구조를 유지하기 어렵기 때문에 결국 시트에서의 누설 문제가 발생되는 것이다.

이러한 문제는 결국 재순환배관의 운전 효율에 문제점으로 계속 작용하는 것이다. 따라서 밸브의 수명 기간 중 어떠한 보수 점검을 하더라도 항상 무누설의 시팅 구조를 갖는 밸브를 선정하는 것이 절대 바람직 하다.

5. 케비테이션 방지

보일러 급수 펌프의 재순환배관 시스템과 같이 운전 조건상 밸브에서의 압력제어량이 케비테이션을 피할 수 없는 현상이라면, 시스템의 건전한 운전을 도모하고 제어의 정확도를 계속 유지하기 위해서는 밸브 내부에서 케비테이션이 발생하지 않도록 특수하게 설계된 엔티-케비테이션 트림(Anti-Cavitation)을 사용하여야 한다.

이러한 트림으로는 크게 분류하여 다단 압력 제어 방식(Pressure Staging Trim Design)과 압력 프로화일식(Pressure Profile Con-cept, 그림 4)감압방법과 속도 프로화일식(Velocity Control Profile Concept, 그림 5)이 있다. 다단 압력 제어방식으로는 COPES-VULCAN의 CASCADE 트림(그림 6), MASONEILAN사의 XMAS TREE(그림 7)등이 대표적이고, 압력 프로화일식으로는 COPES-VULCAN사의 HUSH 트림(그림 8), YARWAY사의 TURBO CASCADE 트림(그림 9), FISHER사의 WHISPER Ⅲ(그림 10), CAVITROL Ⅲ(그림 11)& Ⅳ, MASONEILAN社의 VRT(79000, 그림 12)& 78,000시리즈 트림(그림 13), VALTEK社의 MEGASTREAM트림(그림 14), INTROL社의 HF 트림(그림 15)등이 있다. <계속>

   
  [ 출처 : www.pipingjournal.com ]