발전소에서는 스팀 트랩이 자주 사용됩니다. 이번에는 발전소에 적용되는 스팀 트랩의 종류 및 드레인 양을 계산하는 방법에 대해 알아보도록 하겠습니다.
스팀 트랩의 역할과 중요성
산업용 설비나 공장에서 증기를 사용하는 경우, 증기의 응축으로 인해 발생하는 응축수(드레인)를 적절히 제거하지 않으면 시스템의 효율이 크게 저하됩니다. 이를 해결하기 위해 사용하는 장치가 바로 스팀 트랩입니다. 스팀 트랩은 응축수를 자동으로 배출하여 워터해머를 방지하고, 에너지 손실을 줄이며, 설비의 안정성과 효율을 유지하는 데 핵심적인 역할을 합니다.
스팀 트랩은 다음 세 가지 기능을 갖추고 있습니다.
첫째, 응축수를 신속하게 배출하여 배관 내 충격을 방지합니다.
둘째, 증기의 손실 없이 응축수만 배출함으로써 에너지를 절약합니다.
셋째, 증기의 열전달 효율을 방해하는 불응축성 가스를 제거합니다.
스팀 트랩의 종류와 작동 원리
스팀 트랩은 작동 원리에 따라 크게 세 가지로 분류됩니다: 기계식, 온도 조절식, 열역학식입니다.
1. 기계식 (메카니컬 타입)
기계식 스팀 트랩은 증기와 응축수의 비중 차를 이용하여 작동합니다. 주요 종류로는 버켓식과 플로트식이 있습니다. 이 트랩은 연속적으로 많은 양의 드레인을 배출하는 데 유리하며, 가열탱크나 대형 열교환기에 적합합니다. 그러나 진동에 취약하고 내부 플로트의 고장 가능성이 존재합니다.
2. 온도 조절식 (서모스태틱 타입)
이 방식은 응축수의 온도 차이를 감지하여 작동합니다. 바이메탈식과 벨로우즈식이 대표적인 형태입니다. 증기 온도와 응축수 온도의 차이가 작을 경우에는 작동이 지연될 수 있어, 급격한 부하 변동이 있는 설비에는 적합하지 않습니다. 반면, 증기 누출이 거의 없고 에너지 절약 측면에서는 매우 효율적입니다.
3. 열역학식 (서모 다이나믹 타입)
열역학식은 구조가 단순하고 크기가 작아 설치가 용이하며, 고온 고압 증기에도 사용할 수 있습니다. 디스크식과 오리피스식이 대표적입니다. 디스크식은 가볍고 유지관리비용이 적지만 증기 손실이 발생할 수 있고, 오리피스식은 증기 손실이 없으며 내구성이 뛰어납니다.
디스크식 스팀 트랩의 작동 원리
디스크식 스팀 트랩은 응축수가 유입되면 디스크가 열리고, 증기가 들어오면 유속의 변화와 압력 상승에 따라 디스크가 닫히는 방식으로 작동합니다. 작동 메커니즘은 간단하지만, 외기 영향에 민감하여 보온 시공이 필요할 수 있습니다.
주의할 점으로는 공기 혼입 시 트랩이 열리지 않는 현상, 스타트업 시 드레인이 쌓여 디스크가 작동하지 않는 드레인 로킹 현상 등이 있습니다. 이를 예방하기 위해 트랩 전단에 별도의 배출라인을 설치하는 것이 좋습니다.
고정오리피스식 스팀 트랩 (O-TRAP)
O-TRAP은 기존의 밸브를 사용하지 않고, 설계된 구경의 오리피스를 통해 일정량의 응축수를 배출하는 방식입니다. 구조가 단순하고 내부에 움직이는 부품이 없어 고장이 적으며, 최소한의 증기 손실로 응축수를 안정적으로 배출합니다. 특히 높은 내구성과 긴 수명(15년 이상)을 가지며, 워터해머 발생도 억제합니다.
기존 트랩과 비교하면, 드레인 배출에 별도의 증기를 동반하지 않고, 유지보수가 거의 필요하지 않아 운용비용 절감 효과가 큽니다. 다만, 사용 환경의 조건(압력, 드레인량 등)에 맞춘 정확한 사양 설정이 필요합니다.
스팀 트랩의 설치 조건과 대상 장비
| 버켓식 | 과열증기 사용 불가, 연속 배출 가능 | 수평 설치 필요, 진동에 취약 | 열교환기, 증기 수송 파이프 |
| 플로트식 | 소음 적고 연속 배출 가능 | 방향 자유, 보온 필요 없음 | 온도 낮은 스팀트레이스 |
| 바이메탈식 | 증기 누출 적음 | 부하 변동에 취약 | 소형 장비, 보온 필요 없음 |
| 디스크식 | 구조 간단, 증기 동반 손실 큼 | 보온 필요, 드레인 록킹 주의 | 스팀 메인배관, 트레이스 |
| O-TRAP | 단순 구조, 증기 손실 없음 | 정확한 사양 필요 | 관말, 열교환기, 주배관 |
스팀 트랩의 드레인 발생량 계산 방법
스타트업(기기 가열 시)의 드레인 발생량
초기 가열 시, 기기나 배관을 증기 온도까지 끌어올리는 데 필요한 열량이 증기로부터 응축수 형태로 방출됩니다.
드레인량(kg) = 기기중량(kg) × 비열(kcal/kg·℃) × (증기온도 - 외기온도) ÷ 증기잠열(kcal/kg)
운전 중의 방열에 의한 드레인 발생량
가동 중에는 배관을 통한 외기 방열에 따라 상시적으로 드레인이 발생합니다.
드레인량(kg/hr) = Q (kcal/hr) ÷ 증기잠열(kcal/kg) Q = (증기온도 - 외기온도) ÷ 열저항 R
R = 1 ÷ (2π) × [1/λ × Ln(내경) + 2 ÷ (외경 × α)]
일반적으로 스타트업 시 발생되는 드레인의 양이 훨씬 크므로, 일반적으로 스팀 트랩의 사이징은 스타트업 기준으로 (배관 워밍 조건) 주로 산정됩니다. 스팁 트랩 용량은 계산된 드레인 양의 2~3배를 적용하는 것이 일반적입니다.
스팀 트랩의 선택은 단순히 제품 사양만 보고 이루어지는 것이 아니라, 실제 응축수 발생량 계산과 운영 조건을 기반으로 해야 합니다. 스팀 트랩의 구조와 원리를 정확히 이해하고, 필요한 배출량을 정밀하게 계산한 후 설비 조건에 맞춰 적절한 트랩을 선택하는 것이 중요합니다.