게시판 > 질답게시판 > Desuperheater 의 BFW operating pressure 관련

스테파노 Stefano

22-10-19 20:44

A1) 공장내에서 사용하는 Steam은 Steam 보일러에서 생산하거나 발열반응 공정장치의 후단의 Waste Heat Boiler에서 발생하는 것을 사용하는데 사용처마다 사용조건이 다를 때 압력을 낮추어 주기 위해 감압밸브(Pressure-reducing Valve 혹은 "Let-down Valve")를 사용하여 필요한 압력에 맞도록 맞추어 줍니다.

질문에서 <..압력을 낮추면 엔탈피가 증가하므로,..>라고 이해하고 있는데 이것은 정확한 목적이 아닙니다. 물론 스팀의 압력이 낮아지면 응축잠열이 늘어나기는 하지만 이를 위해 압력을 낮추는 것이 아닙니다. 주 목적은 공정운전조건에 맞추기 위함이 첫째 목적이고, 불필요하게 높은 압력의 Steam를 공급하게 되면 열교환기의 설계압력이 높아져 기기가격과 연결배관부품의 가격이올라갈 수 있기 때문에 이를 피하기 위해서 입니다.

한 공장에서 사용하는 공정용 스팀의 압력은 제각각 다를 수 있지만 실제로 사용처에 공급하는 스팀은 대체로 고압, 중압, 저압 정도의 3단계의 압력으로 나누어 공급합니다. 여기서 고압에서 중압이나 중압에서 저압으로 Let-down 하는 경우에만 Desuperheater를 사용하고 동일 Header에서 약간의 감압조절밸브를 거치거나 유량조절 밸브를 통해 공급하는 경우에는 Desuperheater를 두지 않습니다. 왜냐하면 압력차가 그리 크지 않는 경우에는 감압해도 과열도가 그리 크지 않기 때문입니다.

A2-1) Desuperheater에 공급하는 BFW (혹은 Condensate)의 운전압력은 감압후 Steam의 압력과 동일하지 않습니다. 반드시 Steam의 압력보다 더 높은 압력이 되어야 액이 공급될 수 있습니다. Desuperheat에 공급되는 Valve가 Orifice라고 가정해 보면 Orifice를 통해 공급되는 BFW 유량은 <Orifice 유량계수>, <Orifice 단면적>, 그리고<Orifice 전후 압력차>의 1/2승에 비례하기 때문입니다. 여기서 <<Orifice 전후 압력차>의 값이 0 이라면 액의 유량은 0이 되기 때문이지요.

과열스팀을 감압하거나 고압포화스팀을 감압하는 경우 감압 후 저압스팀은 저온에서도 과열상태가 되는데 이를 가열용 Steam으로 사용하면 <전열 온도차는 크지만> <실제로 스팀이 잘 응축되지 않아서> 전열이 잘 되지 않습니다. 이를 방지하기 위해 Desuperheated Steam을 사용하는데 이를 위해 Desuperheater가 사용됩니.

(잘 알려져 있듯이....온도가 더 높은데도 스팅이 잘 응축되지 않는 이유는 과열스팀의 경우 Gas 성질을 가지고 있어서 열전달 계수는 포화스팀을 사용할 때의 전열계수값의 약 1/50 ~1/100 밖에 되지 않기 때문이며 이로 인하여 전열면적이 크게 부족하게 되는 결과를 낳게 됩니다. )

A2-2) 질문 내용중 <..BFW의 Operating pressure 를 낮게 설정하면 엔탈피가 증가...>의 내용도 맞지 않는 내용입니다. 엔탈피의 정의식은

엔탈피( H) = 내부에너지(U) + 시스템압력(P)* 시스템부피(V) .....(2)로 나타낼 수 있는데

Desuperheater앞까지 공급되는 액상의 엔탈피(H)의 크기는 주로 온도에 의해 결정되는 (U)에 의해 대부분 정해지고 식의 우측 두번째 항에 해당하는 에너지는 압력차에 거의 좌우되지 않기 때문입니다. (실제로... 직접 액의 부피와 압력을 곱한 값을 에너지로 변환하여 값을 비료해 보세요)

Desuperheat에서는 물과 스팀의 물질수지가 유지되어야 하고, 또한 유체가 가지고 있는 엔탈피를 기준으로 열수지도 유지되여야 하기 때문에, 공급되는 고압스팀의 엔탈피와 BFW의 엔탈피, 그리고 혼합된 후 Desuperheate Steam의 엔탈피값으로 계산되기 때문에 이를 이용하여 필요로 하는 BFW의 양을 계산해 낼 수 있습니다.

M1 + M2 = M3 ......................(2) <---물질수지; 1=고압(과열)스팀, 2=BFW, 3=저압스팀
h1*M1 + h2*M2 = h3*M3 .........(3) <---열수지(엔탈피 밸런스) h1=고압(과열)스팀 비엔탈피, h2=BFW 비엔탈피, h3=저압스팀 비엔탈피 *비엔탈피(Specific Enghalpy): 단위질량당 엔탈피

위의 두개의 수식에서 h1,h2,h3는 운전온도, 압력 조건이 정해져 있어서 알 수 있는 값, M1 또는 M3는 알고 있는 값, 따라서 미지수 2개에 방정식 2개이므로 M2값을 구해낼 수 있습니다.

위의 (2)식의 M3를 (3)식에 대입 ==> hi * M1 + h2*M2 = h3*(M1+M2) ==> (h3-h2) * M2 = (h1-h3) .....(4)

질문에서의 "공식 1"은 (4)식과 같습니다. 따라서 M2 = (h1-h3)/(h3-h2) ...................................................(5)

질문에서  <..압력을 낮추면 엔탈피가 증가하므로,..>라고 이해하고 있는데 이것은 정확한 목적이 아닙니다.   물론 스팀의 압력이 낮아지면  응축잠열이 늘어나기는 하지만  이를 위해 압력을 낮추는 것이 아닙니다.    주 목적은  공정운전조건에 맞추기 위함이 첫째 목적이고,  불필요하게 높은 압력의 Steam를 공급하게 되면 열교환기의 설계압력이 높아져 기기가격과 연결배관부품의 가격이올라갈 수 있기 때문에 이를 피하기 위해서 입니다.

한 공장에서 사용하는 공정용 스팀의 압력은 제각각 다를 수 있지만 실제로 사용처에 공급하는 스팀은 대체로 고압, 중압, 저압 정도의 3단계의 압력으로 나누어 공급합니다.   여기서 고압에서 중압이나 중압에서 저압으로 Let-down 하는 경우에만  Desuperheater를 사용하고 동일 Header에서 약간의 감압조절밸브를 거치거나 유량조절 밸브를 통해 공급하는 경우에는 Desuperheater를 두지 않습니다.  왜냐하면 압력차가 그리 크지 않는 경우에는 감압해도 과열도가 그리 크지 않기 때문입니다.

A2-1) Desuperheater에 공급하는 BFW (혹은 Condensate)의 운전압력은  감압후 Steam의 압력과 동일하지 않습니다.   반드시  Steam의 압력보다 더 높은 압력이 되어야  액이 공급될 수 있습니다.     Desuperheat에 공급되는 Valve가 Orifice라고 가정해 보면 Orifice를 통해 공급되는 BFW 유량은  <Orifice 유량계수>, <Orifice 단면적>, 그리고<Orifice 전후 압력차>의 1/2승에 비례하기 때문입니다.    여기서  <<Orifice 전후 압력차>의 값이   0 이라면   액의 유량은  0이 되기 때문이지요.

과열스팀을 감압하거나  고압포화스팀을 감압하는 경우  감압 후 저압스팀은 저온에서도 과열상태가 되는데 이를 가열용 Steam으로 사용하면 <전열 온도차는 크지만> <실제로 스팀이 잘 응축되지 않아서> 전열이 잘 되지 않습니다.   이를 방지하기 위해 Desuperheated Steam을 사용하는데  이를 위해 Desuperheater가 사용됩니.

(잘 알려져 있듯이....온도가 더 높은데도 스팅이 잘 응축되지 않는 이유는 과열스팀의 경우 Gas 성질을 가지고 있어서 열전달 계수는 포화스팀을 사용할 때의 전열계수값의  약 1/50 ~1/100 밖에 되지 않기 때문이며 이로 인하여 전열면적이 크게 부족하게 되는 결과를 낳게 됩니다. )

A2-2) 질문 내용중 <..BFW의 Operating pressure 를 낮게 설정하면 엔탈피가 증가...>의 내용도 맞지 않는 내용입니다.  엔탈피의 정의식은

엔탈피( H) = 내부에너지(U) + 시스템압력(P)* 시스템부피(V) .....(2)로 나타낼 수 있는데

Desuperheater앞까지 공급되는 액상의 엔탈피(H)의 크기는  주로 온도에 의해 결정되는 (U)에 의해 대부분 정해지고  식의 우측 두번째 항에 해당하는 에너지는 압력차에 거의 좌우되지 않기 때문입니다.     (실제로... 직접  액의 부피와 압력을 곱한 값을 에너지로 변환하여 값을 비료해 보세요)

Desuperheat에서는 물과 스팀의 물질수지가 유지되어야 하고, 또한  유체가 가지고 있는 엔탈피를 기준으로 열수지도 유지되여야 하기 때문에, 공급되는 고압스팀의 엔탈피와 BFW의 엔탈피, 그리고 혼합된 후 Desuperheate Steam의 엔탈피값으로 계산되기 때문에  이를 이용하여 필요로 하는 BFW의 양을  계산해 낼 수 있습니다.

M1 + M2 = M3    ......................(2)    <---물질수지;   1=고압(과열)스팀, 2=BFW, 3=저압스팀
h1*M1 + h2*M2 = h3*M3 .........(3)    <---열수지(엔탈피 밸런스)    h1=고압(과열)스팀 비엔탈피,  h2=BFW 비엔탈피, h3=저압스팀 비엔탈피     *비엔탈피(Specific Enghalpy): 단위질량당 엔탈피

위의 두개의 수식에서  h1,h2,h3는 운전온도, 압력 조건이 정해져 있어서 알 수 있는 값,   M1 또는 M3는  알고 있는 값,  따라서 미지수 2개에 방정식 2개이므로  M2값을 구해낼 수 있습니다.

위의 (2)식의 M3를 (3)식에 대입  ==>  hi * M1 + h2*M2 = h3*(M1+M2)   ==> (h3-h2) * M2 = (h1-h3)   .....(4)

질문에서의 "공식 1"은  (4)식과 같습니다.  따라서   M2 = (h1-h3)/(h3-h2)  ...................................................(5)

chan rndcks

22-10-21 13:27

스테파노님 답변 진심으로 감사드립니다.

Desuperheater inlet 에서의 BFW operating pressure 가 steam 의 operating pressure 보다 크다는 건데, 관련해서 추가 질문이 있습니다...

Q1. 왜 BFW의 operating pressure 가 Steam 의 operating pressure보다 큰 가요? 어차피 섞이는 개념이면 steam 의 압력이 높아도 문제가 없을꺼 같은데라는 생각이 듭니다.

Q2. 만약 Steam line에 있는 Pressure control valve 와 BFW line 에 있는 Temperature control valve hydrualic을 하게 될 경우 Desuperheater inlet 에서의 두 유체 간 operating pressure 차이를 어느정도로 설정하는게 적절한 Design인가요?

Stefano

22-10-21 14:21

A1) 바람빠진 Tyre의 내부 압력이 25 psig 인데 이를 30 psig로 높이려면 공기펌프의 압력이 25 psig이하라면 공기 주입이 되지 않지요. 적어도 30psig보다 높아야 압력을 높일 수 있지요. 유체의 흐름은 고압측에서 저압측으로만 흐를 수 있기 때문입니다. (압력이 동일한 중력장 하에서는 중력장이 작용하는 방향과 반대방향의 높이가 높은곳에서 낮은 곳으로 흐름.)

감압 후 Steam의 압력보다 높은 압력의 BFW 압력이 필요한데 압력차가 같으면 투입이 안되고 압력차가 작으면 주입은 되겠으나 Orifice 구경에 따라 투입속도가 달라지겠지요. 압력차가 거의 없으면..... 무한대의 시간이 소요되므로 쓸모가 없습니다.

A2) Steam의 Control Valve는 후단의 압력보다 높은 상태에서 저압측 Header 공급압력으로 감압하면 되며 BFW의 압력 영향과는전연 관련이 없습니다. 마찬가지로 BFW 공급유량조절밸브(저압 Steam 온도조절밸브) 전단 BFW의 압력은 고압 과열스팀의 공급 압력과는 전연 관련이 없습니다.

BFW의 압력이 저압스팀 압력보다 높으면 됩니다. BFW 유량조절을 위해 필요한 조절밸브 전후 압력차는 대략 0.7 bar~1bar 정도의 압력 이상이면 조절이 잘 됩니다. 너무 압력차가 날 필요는 없고 너무 낮으면 설치해야할 밸브 크기가 커집니다.

chan rndcks

22-10-21 16:34

스테파노님 빠른 답변 진심으로 감사드립니다.

A1 답변 및 A2 답변 내용은 다 이해가 됩니다. 특히 A2 같은 경우 프로젝트 Specification에서 종종 확인할 수 있듯 Control valve pressure drop 의 Minimum 값을 0.7 bar 정도로 제한을 두기도 하죠...

제가 처음 질문드린 이유는 FEED 社 가 제공한 data sheet를 봤을 때 desuperheater inlet 에서 water와 steam의 operating pressure가 동일하게 작성되어 있기 때문입니다.
또한, bafcon(engineering 기업으로 추측됩니다.) 사이트 내에 설명되어 있기로는 water와 steam의 operating pressure 가 동일해야 된다고 합니다 (댓글이라 이미지 첨부가 안되어 URL 남기며, URL 내 "Venturi desuperheater" 부분입니다.)

스테파노님을 의심하는 것은 절대 아닙니다. 단, 해당 사이트에 설명되어 있는것과 FEED 社 의도에 대해 스테파노님의 고견을 알고 싶습니다.. 감사합니다!!

URL : https://www.bafcon.com.tr/desuperheater-vana

Stefano

22-10-21 23:27

AA1) <.. desuperheater inlet 에서 water와 steam의 operating pressure가 동일....> 그럴 필요가 전연 없습니다. 그런조건이 있다는 것 자체가 대단히 부자연 스러운 일입니다. 다만.. Steam과 BFW가 역류될 가망성이 있는 경우에 대비해서 Check Valve를 달아두는 것이 필요합니다. .

AA2) <...water와 steam의 operating pressure 가 동일해야...> 이 조건은 감압 및 Desuperheating 후의 상황을 언급하지 않고서야 이루어 질 수 없는 조건입니다.

AA3) 링크 소개한 곳에 잠깐 들러 보았는데... 대충 무슨말을 하려는지는 짐작할 수 있겠으나 별로 중요하지 않은 이야기를 아주 서툴은 영어로 장황하게 설명하고 있고 또 실제 대단위 공장에서 사용하지 않는 방법들이 묘사되어 있습니다.

김앙꼬 kimangkko

22-10-25 12:37

Q1) 공급되는 곳, 소요처에서 필요한 압력에 맞추어 공급하는 것입니다.
- 동일한 압력으로 공급해도 되지만, 과한 압력은 공급처의 설계압력도 상승이 뒤 따를 수 있습니다.
- 간혹, 적절한 온도가 필요할 수도 있습니다.

" <..압력을 낮추면 엔탈피가 증가하므로,..>" 이 문장은 틀렸습니다.
에너지 보존 법칙에 의해 압력이 감소하면 온도도 같이 감소하게 됩니다.
예를 들어 10bara 250'C 증기를 A보일러 > B소요처로 공급한다고 하겠습니다.
이 때 Enthalpy는 2943 kJ/kg 입니다.
필요한 소요처로 공급하기 위해서 Pressure control valve로 압력을 6 bara까지 내린다고 합시다.
Control valve를 지나면서 압력이 감소(이는 손실로 인해 엔탈피도 떨어져야 하지만) 개념이해를 위해 동일한 에너지= 엔탈피 Enthalpy를 유지한다고 하겠습니다.

https://kpatvt.github.io/steamycalc/index.html
위 사이트에서 6 bar, 2943 kJ/kg을 입력하고 10 > 6bar가 되면서 온도가 어떻게 되는지 보겠습니다.
243'C로 온도가 떨어질 것입니다. 7'C 가량 감소 했습니다.

* 동일한 온도일 때, 압력이 낮으면 내부에너지로 인해 Enthalpy가 증가하는 것이 맞습니다. 하지만 동일한 스팀이 압력이 감소하면서는 외부 에너지 유입이 없는 조건에서 엔탈피는 증가할 수 없습니다. 따라서 압력이 감소하면 같이 온도도 감소하는 것이 맞습니다.

스테파노 Stefano

22-10-26 00:38

원래의 질문에서
<..압력을 낮추면 엔탈피가 증가하므로,..> 이 말은 틀린것 맞지요. 그러나 질문자가 이 말의 본 뜻을 미루어 추측하면 "스팀압력이 낮아지면 <스팀의 응축잠열>이 늘어난다"는 것을 그리 잘못 표현했을 뿐이었습니다. "엔탈피" 대신 "응축엔탈피"(혹은 응축잠열)"이라고 적었어야 맞는 표현이었지요. 따라서 원래의 질문의 주제(본 뜻)는...

"왜 Steam의 압력을 낮추어주고 왜 Desuperheating 하여 사용하고 있는가? " 였습니다. 이에대한 답변은 아래 세가지로 요약하면 됩니다 .

1) 압력을 낮추어 불필요하게 설계압력을 높게 잡지 않도록 하기 위하여 감압하는 것이다.
2) 과열증기는 응축이 잘되지 않아 가열용으로 사용할 수 없기 때문에 Desuperheating 해 주는 것이다.
(포화증기도 감압하면 과열증기가 되는데 이 경우에도 과열도가 심하면 Desuperheating이 필요하다.)
3) 압력이 낮아지면 가열용으로 사용되는 응축잠열값은 늘어난다. 그러나 이것이 스팀의 압력을 낮추는 주목적이 아니다.