열 유체, 전기, 스팀 히트 트레이싱...

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열 유체, 전기, 스팀 히트 트레이싱 시스템의상대적인 장단점

열 유체

전기

스팀

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목차

소개 ........................................................................................................................2

히트 트레이싱 방법 및 역사 ....................................................................2, 3

개요: 오늘날의 열 유체 시스템 ..................................................................3

개요: 오늘날의 전기 트레이싱 시스템 ....................................................4

개요: 오늘날의 스팀 트레이싱 시스템 .................................................5-7

개요: 무료 스팀 ..................................................................................................7

몇 가지 기본적인 비교 .................................................................... 8

열 유체 트레이싱 장점....................................................................................8

열 유체 트레이싱 단점 ...................................................................................8

전기 트레이싱 장점 ..........................................................................................9

전기 트레이싱 단점 ..........................................................................................9

스팀 트레이싱 장점 .....................................................................................9-10

스팀 트레이싱 단점 ...................................................................................10-11

트레이싱 시스템 분석: ............................................................................. 11-14

1. 적용 분야 ........................................................................................................11

2. 트레이싱 시스템 성능 ...................................................................................12

3. 트레이싱/파이프 시스템 에너지 성능 ........................................................12

• 보온 시스템 ................................................................................................12

• 트레이싱 온도 제어 ...................................................................................12

• 열원 .......................................................................................................12, 13

4. 트레이싱 시스템 설치 비용: ........................................................................13

• 배관 복잡성 ................................................................................................13

• 온도 유지/제어 ..........................................................................................13

• 구역 분류 ....................................................................................................13

요약 .........................................................................................................................14

주석 밀 참조 ...........................................................................................................14

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방열 유체, 전기, 스팀 히트 트레이싱 시스템의 상대적인 장단점

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소개플랜트 파이프와 기기에 사용할 히팅 시스템을 선택할 때 성능 요구 조건을 똑같이 만족한다면 히트 트레이싱 방법에 따른 비용이 중요한 선택 기준입니다. 그러나, 지금은 장기적인 에너지 효율성과 탄화수소 오염물질의 감소가 히트 트레이싱 시스템을 포함한 플랜트 기기를 구입할 때 가장 중요한 고려 사항이 될 수도 있습니다. 에너지 보존과 온실 가스(GHG) 배출 감소를 위해 전 세계가 노력하고 있습니다. 에너지 사용이 증가하면서 GHG 배출도 증가하고 있습니다. 현재 전 세계 대부분의 국가에서 에너지 및 GHG 배출 목표를 설정해 놓고 있습니다. 미국에서는 과도한 에너지 소비와 GHG 배출을 막기 위해 엄청난 노력을 한 덕분에 에너지국(DOE), 산업 기술 협회(OIT), 산업계가 파트너십을 맺었습니다. 이 파트너십은 3가지 목표를 달성하는 데 역점을 두고 있습니다. (1)원자재와 고갈될 수 있는 에너지의 사용을 줄이고, (2)노동과 자본 생산성을 높이고 (3) 폐기물과 오염물질의 감소하는 것입니다.1

거의 모든 나라에서 스팀을 사용하는 사람들이 에너지 낭비를 줄이기 위해 엄청난 노력을 하고 있습니다. 미국에서만 스팀 시스템의 에너지 효율성을 개선하여 2.8쿼드 (2,800조 Btu)의 에너지를 줄일 수 있다고 예측하고 있습니다.

스팀은 대부분의 플랜트에서 발전기를 돌려주는 터빈에 동력을 공급하며, 펌트나 기타 기기, 그리고 열교환기와 원자로의 프로세스 히트의 주 동력원입니다.

히트 트레이싱 시스템은 에너지 절감 프로그램을 도입할 때 우선적으로 고려되지 않는 경향이 있습니다. 그러나, 일반 정제 또는 화학 공장에 얼마나 많은 히트 트레이싱이 있는지 안다면, 에너지 소비와 탄화수소 오염원을 엄청나게 많이 줄일 수 있는 잠재력을 가지고 있다는 것에 동의할 것입니다.

트레이싱 시스템을 논의할 때 종종 "어떤 히트 트레이싱 시스템이 가장 경제적인가요, 스팀, 전기, 아니면 유체?"라는 질문을 받습니다. M.A. 루크(Luke) 및 2

C.C. 미즐레스(Miserles)는 이 문제에 대해 1977년 기사 '트레이싱 선택'을 통해 이렇게 말했으며, 오늘날에도 그의 말이 맞습니다.

"트레이싱 선택에는 영원한 정답은 없습니다. 업계 평균 또는 가정된 매개변수를 기준으로 권장된 트레이싱 제품을 구매하더라도 특별한

상황을 잘못 이해하는 경우가 많습니다. 과거의 분석에만 의존하면 최신 기술이나 바뀐 변수를 간과할 수도 있습니다. 현재 운영 및 보수 인력의 능력과 같은 판단 요소를 제외하면 결과는 끔찍할 수도 있습니다." 4

저자가 예측했듯이 1977년 이후 수많은 히트 트레이싱 기술들이 개발되었습니다.

히트 트레이싱 방법역사

1900년대 초기부터 스팀 트레이싱은 석유 및 화학 프로세스 산업에서 석유 분산물, 타르, 왁스 등의 물질이 파이프라인과 기기를 통과할 수 있도록 해주는 주요 수단이었습니다. 스팀 트레이싱보다 더 높은 온도의 경우에는 미네랄 오일과 함께 유체 트레이싱이 종종 사용되었습니다. 미네랄 오일은 최대 섭씨 316도(화씨 600도)에서도 사용할 수 있습니다. 이 온도에서 포화 스팀은 107.0barg(1,549psig)의 압력이 필요합니다. 5

2차 세계 대전 후 대공황 시대에 태동한 사회 계층의 수요를 충족시키기 위해 수많은 신제품들이 쏟아졌기 때문에 석유 및 화학 산업은 성장을 하였습니다. 이러한 신제품의 원자재는 섭씨 66도 (화씨 150도 ) 이하에서 보관해야 했으며 최종 제품의 품질을 확보할 수 있도록 온도 변화가 적은 곳에 보관하였습니다. 당시의 "순수한" 스팀 트레이싱 방법은 이러한 요건을 충족시키지 못했습니다. 열전달 컴파운드는 1950년대 초에 개발되었으며, 스팀 트레이서의 열전달률을 감소시키는 것이 아닌 높여주기 위해 만들어졌습니다. 주변 환경도 자주 바뀌어서 순수 스팀 트레이싱 시스템으로 만족스러운 제어를 할 수는 없었습니다. 스팀 압력/온도가 실질적으로 가장 낮은 수준으로 설정된 후 순수 트레이서에서 공급하는 열의 양을 줄이기 위해 다양한 방법이 시도되었습니다. 이중 하나는 순수 트레이서를 파이프라인 위에 매달아서 스페이서 블록으로 에어 갭을 유지하는 것이었습니다. 이 시스템은 문제가 있었습니다. 조립하는 동안 블록을 고정하기 어려웠기 때문에 설치하는 데 시간이 많이 걸렸습니다. 트레이서 튜브의 자연적인 팽창과 수축으로 인해 자주 이탈하였습니다. 이 시스템은 예측할 수 없는 열전달률, 핫 스팟, 높은 설치 비용으로 어려움을 겪었습니다.

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이 시대에는 플래트 엔지어들이 가능하면 유체 트레이싱 방법(글라이콜 및 핫 오일)을 선호했습니다. 이것은 부정확한 피팅이나 잦은 누출이 문제가 되기도 했지만 원하는 온도를 유지하기 위해 유체 흐름을 제어하기 쉽기 때문이었습니다. 전기저항 히팅도 20세기 초에 개발되었는데, 일부는 파이프라인 히팅에 사용되었습니다. 그러나 고전압에서 매우 높은 피복 온도로 인해 전소가 되는 문제 때문에 극히 일부에서만 사용되었습니다. 피팅과 연결도 취약한 부분이었습니다. 1950년대에 본격적으로 자동 온도 제어에 사용할 수 있는, 내구성이 강한 전기 트레이싱 방법을 강구하기 시작하였습니다. 이러한 노력으로 인해 상당히 많은 발전을 이루었으며, 1960년대에 전기 트레이싱은 히팅 프로세스 프랜트 배관과 장비 분야에서 스팀과 유체 트레이싱 방법을 위협하는 수준에 이르게 되었습니다.

개요: 오늘날의 열 유체 시스템오늘날 열전달 유체를 이용한 트레이서의 제어 방법은 과거 그 어느 때보다 복잡합니다. 그림 1은 "퍼지 로직 "으로 정확성을 높인 마이크로프로세서 컨트롤러(Sterling, Inc. www.sterlco.com)입니다. 수많은 열전달 유체를 고/저온에서 사용할 수 있습니다. 이동식 또는 고정식 유체 히팅 또는 냉각 유닛도 있습니다. 히팅 애플리케이션의 경우 전기, 스팀, 연료 히터를 사용하여 열전달 유체의 온도를 놓이고 있습니다. 히터의 종류와 제어 방법에 따라 열

유체 유닛에 마이크로프로세서 기반의 제어가 탑재되어 안전하고 정확하게 작동할 수 있습니다. 오늘날의 누출방지 튜빙 커넥터는 비싸고 때로는 위험한 유체의 손실을 막아줍니다. 이러한 유체는 반강절 튜빙을 열전달 유체와 함께 트레이싱하는 가장 이상적인 수단으로 만들어 줍니다. 튜브 피팅은 압력 등급이 필요 시 ANSI B31.1 계산법과 일치하는 곳에 수동이나 자동으로 용접을 할 수도 있습니다. 튜빙은 밸브와 펌프에 맞게 구부러지거나 헤어핀 모양으로 쉽게 변형할 수 있습니다. 열전달 컴파운드가 장착된 트레이서는 냉각 애플리케이션에서도 온도를 파이프라인을 따라 균등하게 분배합니다. 또한, 열전달 계수가 대폭 개선되었기 때문에 따뜻한 애플리케이션에서 낮은 유체 온도(순수 트레이싱과는 대조적으로)를 사용할 수 있습니다. 그림 2는 일반적인 스팀 히티드 액체 트레이싱 시스템입니다.

그림 2 확장 탱크

온도 제어 알람 패널

전기 투입 히팅온도 센서

전원

트레이서로 가는 핫

유체

그림 1

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개요: 전기 트레이싱 시스템현대적인 전기 트레이싱 시스템은 과거의 전기 저항식 히트 트레이싱 시스템과는 대조적으로 고장율이 매우 낮습니다. 이것은 기술의 발전과 업계 표준 요건을 충족하기 때문입니다. 마이크로프로세서 기반의 제어는 매우 근접한 허용오차 범위내에서 파이프 온도를 유지할 수 있습니다. 최신 고온 중합체와 프로세싱 방법 덕분에 유연한 자기 제어형 및 출력제한형 히팅 케이블이 새롭게 개발되었습니다. 이런 유연한 히터는 정확히 섭씨 149도(화씨 300도) 범위에서 파이프라인의 온도를 유지하는 데 사용할 수 있습니다. 과거에는 스팀, 열 유체, 구리 피복 미네랄 인슐레이션 히팅 케이블을 이 온도에서 사용하였습니다. 고온 금속 합금이 개발되어 오늘날의 반가연성 미네랄 인슐레이션 전기 히팅 케이블의 유지 온도를 최대 섭씨 500도 (화씨 932도), 노출 온도를 최대 섭씨 593도(화씨 1,100도)까지 높일 수 있게 되었습니다. 그림 3과 4는 일반적인 전기 히트 트레이싱 시스템과 마이트로프로세서 기반 컨트롤러입니다.

그림 4

그림 3

전기 트레이싱 시스템용 마이크로프로세스 기반의 모니터링 및 제어 유닛 – 제어 밴드를 1도 단위로 증가하도록 프로그램 가능

1 전기 히트 트레이싱 케이블2 전원 연결 피팅3 회로 종단 끝4 열 절연 및 내후장벽5 브랜치 회로 보호 장치6 제어 장치7 안전 주의 라벨

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개요: 오늘날의 스팀 트레이싱 시스템오늘날에는 다양한 스팀 트레이싱 방법이 있습니다. 안전성뿐만 아니라 저온과 중온 제어를 위해 다양한 열전달률을 제공하는 독립된 스팀 트레이서가 새롭게 개발되었습니다. 저압 스팀을 사용할 수 있는 곳에 이 트레이서를 사용하여 가성소다, 산, 워터라인(water line) 등의 물질에 가열할 수도 있습니다. 이전에는 부식, 기화, "사양을 벗어난" 제품을 초례할 수 있는 과도한 열 때문에 순수 스팀 트레이싱을 사용할 수 없었습니다. 독립 트레이서는 감압 밸브보다는 고압 스팀을 사용할 수 있는 곳에 온도 조절장치로 사용할 수도 있습니다. 고온의 경우, 파이프라인에 최대한 많이 접촉할 수 있도록 트레이서 위에 설치되고 스틸 "스트랩온" 재킷으로 덮여있는 현대식 "전도" 트레이싱 시스템에서 스팀을 열전달 매체로 사용할 수도

있습니다. 하나의 전도 트레이서는 3~6개의 순수 트레이서만큼 열을 공급하며, 가열 기능도 있습니다. 그림 5는 일반적인 스팀 트레이싱 시스템입니다. 대부분의 스팀 트레이싱은 그림 6처럼 스팀 감압 밸브 이외에는 다른 제어 방법이 없는 "런 프리(run free)" 시스템에 사용됩니다. 그러나 몇 가지 제어 방법이 있습니다. 그림 7과 8은 파이프라인 제어 및 외기 온도 감지 제어용 접속 방법을 보여줍니다. 그림 9는 밸런스를 맞춘 압력 트랩이 응축물을 다시 모아두는 제어 방식을 보여주고, 그림 10은 열전달률을 트레이서에서 파이프로 낮우어서 트레이싱된 파이프라인 용기의 온도를 낮추는 데 사용되는 독립 스팀 트레이서를 기존의 순수 트레이서와 비교한 것입니다.

그림 5일반적인 스팀 트레이싱 시스템스트레이너

절연 밸브

스트림 헤더

수직 스팀

매니폴드

스팀 트랩

절연처리된 스팀 공급 튜빙

스팀 트레이서

응축 헤더 체크 밸브

스팀 트래핑 스테이션

수직 응축물 회수

매니폴드

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그림 6스팀 감압 밸브(PRV) 스테이션

그림 7자기 작동 파이프라인 감지 제어를 갖춘 트레이싱

자기 작동 컨트롤러

수분 분리기

트레이싱 시스템 방향의 스팀 헤더

압력 제어 밸브

트랩 스테이션

제공: Spirax/Sarco


파이프 감지

그림 8자기 작동 외기 온도 감지 제어를 갖춘 트레이싱


외기 온도 감지 제어

외기 온도 감지 제어

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개요: 무료 스팀스팀 트레이싱 회로는 폐기물 히트 보일러에서 만들어진 뜨거운 응축 스팀의 플래시 스팀을 종종 사용할 수 있습니다. 이런 곳에서 나온 에너지를 종종 "무료 스팀"이라고 합니다. 그러나 이 스팀을 제어하고 이송하려면 플래시 용기(그림 11), 폐기물 히트 재생 장비, 다양한 액세서리가 필요합니다. 기기와 유지보수 서비스는 무료가 아닙니다. 그러나 스팀을 만드는 데 연료가 추가로 들지 않기 때문에 저비용 에너지 소스이며 조종 "무료 스팀"이라고 불립니다.

그림 9응축물을 다시 모아두는 제어


밸런스를 맞춘 압축

트랩

그림 10온도 제어용 독립 스팀 트레이서

SafeTrace® 독립 트레이서

사용자쪽으로 가는 플래시 스팀

응축물 및 플래시

스팀 입구

플래시 탱크

스팀 트랩

스트레이너응축물


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몇 가지 기본적인 비교다음은 여러 적용 분야에서 각 시스템의 장단점을 설명한 것입니다.

열 유체 트레이싱 장점 • 오늘날 여러 가지 열 유체가 히팅 및 냉각용으로

사용됩니다. 물은 쉽게 구할 수 있고 안전하며 열전달 특성이 좋기 때문에 저온 히팅부터 중온 히팅까지 종종 사용됩니다. 아로마틱스(AROMATICS)는 화 씨 320°~400°(화 씨 608°~752°)에, 실리콘 기반 유체는 거의 섭시 400°(화씨 750°)와 프로세스 냉각용으로 사용됩니다. 탄화수소 또는 미네랄 오일은 수년 동안 사용되었으며, 일반적으로 최대 섭씨 321°(화씨 610°)의 작동 온도를 가지고 있습니다.6

• 열 유체 트레이싱은 근접 온도 제어가 필요한 애플리케이션에 좋습니다. 일반적으로 열전달 컴파운드는 히팅 또는 냉각용으로 권장되는데, 이것은 이 물질이 열 전달 계수가 높고, 유체 트레이서와 히팅 또는 냉 각 되 는 프 로 세 스 라 인 사 이 에 양 극 접합부를 가지고 있기 때문입니다. 향상된 열전달률과 양극 접합부는 파이프라인 전체에 걸쳐 온도를 일정하게 분배합니다.

• 열 유체 트레이싱 시스템은 위험 구역에서 사용할 수 있도록 설계할 수 있습니다.

• 대부분의 열 유체는 외부 온도가 섭씨 -29° (화씨 -20°) 이하에서 정지되었을 때 스팀 트레이싱 시스템의 응축물보다 트레이서의 결빙이나 폭발 또는 장비의 취급에 민감하게 반응하지 않습니다.

• "이상적인" 열 유체는 다음과 같은 특성을 가지고 있습니다. 6

° 열 안정성: 반복적인 히팅 및 냉각 사이클이 있은 후 화학적 조성에 큰 변화가 없어야 합니다.

° 근본적으로 안전: 일반적인 작동 조건에서 심각한 화재 또는 폭발 위험성이 없어야 합니다. 선택하기 전에 발화점, 연소점 등과 같은 속성을 확인해야 합니다. 대부분의 열 유체는 제한된 양만 누출되어 폭발이나 발화가될 가능성이 낮기 때문에 이보다 높은

온도에서 사용할 수 있습니다. 열 유체는 누출 시 연무에 의한 폭발 가능성이 있기 때문에 대기 비등점 이상에서 사용해서는 안 됩니다.

° 화학적으로 안전: 실수에 의한 누출이 인명 피해를 입혀서는 안 됩니다.

° 외기 온도에서 낮은 점도: 점도가 높은 유체는 저온에서의 시스템 시동을 어렵게 만듭니다.

° 작동 온도에서 낮은 증기압: 증기압이 낮으면 펌프의 캐비테이션을 예방하기 위해 시스템 전체에 압력을 가할 필요가 없습니다.

° 뛰어난 물리적 속성: 열전달 계수는 특정 열(CP ), 밀도(ρ), 열 전도성(k)에는 비례하고, 점도( µ)에는 반비례합니다.

열 유체 트레이싱 단점 • 열 유체는 일반적으로 열 용량이 낮은데,

특 히 스 팀 트 레 이 싱 과 비 교 하 면 더 욱 그렇습니다. 스팀 트레이싱 시스템과 비슷한 수준으로 열을 전달하려면 파이프라인에 다수의 유체 트레이서를 설치해야 합니다.

• 열 유체 트레이싱 시스템은 다수의 트레이싱 회로가 필요합니다. 유체 처리 유닛은 유체의 확장을 도와주는 확장 탱크, 펌프용 유효 흡인두, 열 유체를 흐르게 하는 회전 펌프, 적정 온도로 유체를 가열하고 다시 트레이서에서 되돌아 왔을 때 재가열하는 히터, 적정 열 유체와 프로세스 파이프 온도를 유지하는 흐름/온도 제어 방법으로 구성되어 있습니다.

• 열 유체 트레이싱 시스템의 흐름 제약으로 인해 스팀이나 전기 트레이싱 시스템에 비해 트레이싱 회로 길이에 제한이 있습니다.

• 누출되었을 시 환경에 미치는 영향은 모든 유체 트레이싱 시스템에서 확인해야 합니다. 고온에서 탄화수소 기반 유체는 시스템에서 누출되었을 시 휘발성 물질로 변합니다.

• 일부 유체는 매우 비싸기 때문에 초기 유체 비용 및 교체 비용도 고려해야 합니다.

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전기 트레이싱 장점 • 대부분의 산업 시설물에는 전기가 있습니다.

• 종류와 방법이 다양하기 때문에 프로세스 파이프와 관련 기기의 온도를 광범위하게 유지하는 데 사용됩니다. 전기 열출력은 극저온 동파 방지부터 섭씨 500C도(화씨 932)까지의 고온 프로세스 유지 온도까지 히터 선택과 전원 등의 설계 변경을 통해 조절할 수 있습니다.

• 다양한 히팅 케이블이나 표피 효과 히트 트레이싱 시스템을 사용하여 25킬로미터(15마일) 범위의 짧은 파이프나 긴 파이프라인을 가열할 수 있습니다.

• 전기 트레이싱은 열출력이 매우 낮기 때문에 비금속 및 라인 배관 및 프로세스 기기에 권장합니다.

• 전기 트레이싱은 좁은 온도 범위에서 관리해야 하는, 온도에 민감한 제품에도 권장합니다. 사양에 따라 프로세스 온도를 유지하고 에너지를 보존하기 위해 정확하게 온도를 유지할 수 있는 온도 조절 장치도 쉽게 장착할 수 있습니다.

• 전기 트레이싱은 유체를 사용하지 않기 때문에 누출되거나 정기적인 점검이 필요한 피팅 또는 트랩이 없습니다. 따라서 설치가 간단하고 운영비 유지비가 저렴합니다.

• 오랜 세월에 걸쳐 전기 트레이싱은 프로세스 파이프와 기기 히팅용으로 안전하다는 것이 증명되었습니다. 업격한 산업 표준과 공 인 기 관 의 시 험 을 통 해 그 성 능 을 입증받았습니다.

전기 트레이싱 단점 • 전기 히트 트레이싱은 온도 유지용으로

사용할 경우 긴급 정지나 프랜트 턴어라운드 후 가열 시간이 너무 오래 걸리기도 합니다.

• 앞에서도 언급했지만 전기 트레이싱은 위험 구역에서 안전하게 사용할 수 있고 음성도 녹음할 수 있습니다. 그러나 인화 물질이 트레이서 주변에 있을 경우 화재나 폭발로 이어지는 불꽃이 발생할 가능성이 있습니다.

• 트레이싱용 전기는 발열 프로세스에서 나오는 "플래시" 스팀을 스팀 트레이싱에서 사용할 경우 스팀보다 Btu 당 가격이 훨씬 비쌉니다. 플랜트에 열병합 발전 설비가

있다면 전기와 스팀간에 비용 차이가 여전히 존재하겠지만 많이 줄일 수는 있습니다.

스팀 트레이싱 장점 • 스팀 트레이싱은 스팀이 응축("플래시"

스팀") 또는 발열 프로세스의 부산물로 나오는 플랜트에서 종종 사용됩니다. 이 경우 전기는 스팀보다 훨씬 비쌉니다. 이러한 곳에서 나오는 스팀을 종종(정식용어는 아 니 지 만 ) " 무 료 스 팀 " 이 라 고 합 니 다 . 앞에서도 언급했지만 추가 연료는 들지 않지만 약간의 처리 비용이 발생합니다.

• 스팀은 스팀 트레이싱과 저온 배관 또는 기기간의 온도 차이가 많이 날때 열전도률이 가장 높기 때문에 가열이 필요한 경우에 매우 적합합니다. 가열 중 스팀은 저온 배관(또는 기기)와 스팀 트레이서 간의 높은 온도차에 의해 빠르게 응결되어 다량의 잠열 에너지를 방출하게 됩니다. 프로세스 기기가 예열되면서 온도 차이가 감소하게 되므로 평형 상태가 될 때까지 스팀 응결 속도도 그에 따라 감소하게 됩니다. 다량의 스팀 잠열은 플랜트 턴어라운드 또는 긴급 정지 후 재가동하는 데 아주 좋은 수단이 됩니다. 황, 아스팔트, 기타 중질 탄화수소를 이송하는 탱 크 터 미 널 에 간 헐 적 으 로 사 용 되 는 파이프라인은 시스템이 평형 상태가 되면 스팀을 이용하여 빠르게 가열하고 온도를 유지합니다. 평형 상태에서 스팀 트레이싱 시 스 템 에 서 공 급 된 열 은 트 레 이 서 와 파이프를 덮고 있는 열 절연 물질을 통해 대기로 빼앗긴 열과 같게 됩니다.

• 스팀 트레이싱은 근본적으로 안전하며, 전 기 트 레 이 싱 회 로 의 사 용 이 안 전 을 이유로 엄격히 제한(또는 금지)된 디비젼 1 (영역 0) 위험 구역에 사용할 수도 있습니다. 1991년 1월에 재판된 API Publication 2216에는 다음과 같이 나와 있습니다. "실수로 대기중으로 누출된 탄화수소에 의해 화재가 발생하여 피해를 입을 수도 있습니다. 종종, 탄화수소 증기가 방출되는 곳의 표면이 뜨거워져 화재가 발생할 수도 있습니다. 그러나, 뜨거운 표면은 책에서 언급한 온도 및 일반적인 탄화수소 발화 온도 이상에서도 발화가 되지 않을 수도 있습니다. 경험 상, 대기 중에서 뜨거운 표면에 의한 발화는 표면

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온도가 최소 발화 온도보다 높은 섭씨 200° (화씨 360°)가 아니라면 무시해도 됩니다. 일반적으로 트레이싱 목적으로 공급된 스팀은 대부분의 탄화수소에서 이 온도를 초과하지 않습니다. 또한, 오늘날 대부분의 스팀 공급 라인은 열 손실을 줄이고 인명 피해를 최소로 하기 위해 열 절연체의 표면 온도를 섭씨 60°(화씨 140°) 이하로 유지하고 있습니다.

• 스팀 트레이싱 회로의 온도는 다음으로 제어할 수 있습니다.

° 스팀 압력과 온도를 조절하는 감압 밸브

° 아민, 가성소다, 수지, 물, 폐수 등과 같은 물질을 이송하는 라인의 온도를 낮추고 에너지를 보존하기 위해 전도성이 낮은 독립 트레이서 또는 순수 스팀 트레이서에서 열 출력을 제한하는 데 필 요 한 감 압 밸 브 없 이 파 이 프 라 인 온도를 10.3barg~17.2barg(150psig~250psig) 스팀으로 유지하는 독립 트레이서.

° 대기 온도 또는 프로세스 파이프 온도에 반응하는 센서가 부착된 자기 작동 제어 밸브

° 응 축 물 온 도 에 반 응 하 고 응 축 물 이 배출되기 전에 트레이서 내에서 영하로 냉각되도록 하는 고정 온도 재활용 스팀 트랩 또는 밸런스를 맞춘 압력 트랩

° 온 도 조 절 기 로 제 어 되 는 솔 레 노 이 드 밸브. 끄고 켤 수 있음 온도조절기는 구동용으로만 작동하며, 끄고 켤 수 있기 때문에 시동 중 트레이서 회로에 충분한 열을 전달

• 스팀 트레이싱에서 나온 응축물은 "깨끗한 응축물"이기 때문에 재가열하여 보일러에서 사용할 수 있도록 재순환할 수 있습니다. 그러나, 열교환기와 재킷 장비에서 나온 응축물은 프로세스 유체와의 교차 오염으로 인해 깨끗하지 않습니다.

• 스팀은 간단하고 신뢰할 수 있습니다. 에너지를 지속적으로 공급하고 스스로 이동합니다. 스팀은 트레이서에서 포화수로 응축되며, 압축 스팀으로 항상 차있던 공간을 사용할 수 있도록 해줍니다. 이런 반복 프로세스를 통해 스팀은 시스템이 작동되는 내내 흘러가게 됩니다.

스팀 트레이싱 단점 •일반적으로 스팀 트레이싱은 최신 독립형

트 레 이 서 를 일 부 에 서 사 용 하 더 라 도 비금속이나 라인 배관 그리고 용기에는 권장하지 않습니다.

• 스팀 트레이서에는 누출 가능성이 있는 피팅을 해야합니다. 그러나 정확한 압축 피팅 덕분에 설치만 잘 하면 누출을 예방할 수 있습니다.

• 역버켓 트랩 또는 열역학형 트랩의 사이클은 제대로 기능을 발휘하려면 일정량의 스팀이 필요합니다. 마지막 남은 응축물이 존재한 상태에서 스팀이 공급될 때 밸브가 조금이라도 늦게 닫히면 스팀 손실이 자동 온도 조절 트랩에서 발생합니다. 임펄스 트랩은 파일럿 오리피스(pilot orifice)를 통해 소량의 스팀이 계속해서 새어 나갑니다. 또한, 각 트랩에는 복사 손실도 발생합니다. 스팀 트랩 공급업체는 트랩의 시간 당 스팀 손실을 kg(lbs)로 표기해야 합니다. 어떤 업체에서는 작동 중 스팀 트랩의 최대 스팀 손실은 0.90kg(2lbs)이며,7 소형 스팀 트레이서 트립의 경우 시간 당 스팀 손실은 0.22kg~0.45 kg(0.5lb~1.0lb)라고 명시하고 있습니다.

• 스팀 트레이서에 열을 전달하는 스팀 헤더와 응축물의 회수 라인은 열 절연체로 덮더라도 일정량의 스팀 에너지를 잃게 됩니다. 스팀 공급과 응축물 회수 매니폴더에서도 일정량의 스팀 에너지가 손실됩니다. 그러나, 에너지 손실은 열 스팀 라인과 기기에 대한 열절연 애플리케이션으로 최소화할 수 있습니다.

• 스 팀 트 랩 이 고 장 나 면 스 팀 트 레 이 스 라인에서 스팀 에너지가 손실될 수 있습니다. "스팀 트랩이 3~10퍼센트 정도 꾸준히 고장이 난다면 회수 라인에 실제(live) 스팀이 들어갈 수 있다"라고 주장하는 사람도 있습니다. 8 또 다른 사람은 "정기적으로 보수를 하는 시스템에서 스팀이 누출되는 트랩은 전체 트랩에서 5퍼센트 미만이 되어야 한다"라고 말합니다.9

스팀 트레이서에 사용되는 가장 일반적인 스팀 트랩의 오리피스는 3.0mm 또는 1/8인치입니다. 트레이서의 고장난 트랩으로 인한 스팀 손실은 아래 표1과 표2에 나와 있습니다. 아래의 '참고' 하단에 나와 있듯이 보수를 잘 하면 스팀 트랩의 에너지 손실을 최소로 줄일 수 있습니다.

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표 1

스팀 트랩 누출에 의한 에너지 손실 킬로그램/시간

트랩 오리피스 직경

mm

스팀 압력 바 게이지

3.5 7.0 10.0

2.0 5.0 8.8 12.0

3.0 12.5 22.2 30.5

5.0 31.0 55.1 75.4

표 2

스팀 트랩 누출에 의한 에너지 손실 파운드/시간

트랩 오리피스 직경

인치

스팀 압력 바 게이지

50 100 150

5/64 10.6 18.9 27.1

1/8 27.2 48.3 69.3

3/16 61.3 108.6 156.0

대규모 트랩 제조업체 중 한 곳은 고장난 트랩은 평균적으로 매년 40만 파운드(약 18만 킬로그램)의 스팀을 손실한다고 예측하고 있습니다.2 표1에서 7.0Barg X 3.0mm 오리피스를 선택하고 매년 8,400 시간에서 2주의 턴어라운드 시간을 가진다면, 트랩 당 손실되는 스팀은 22.2 x 8400 = 186,480 kg/년(186,480 x 2.2 = 410,256lb/년)이 됩니다.

표 2에서 100-psig X 1/8인치 오리피스를 선택하면 스팀 손실은 매년 48.3 x 8400 = 405,720lb/년이 됩니다. 따라서, 트랩 제조업체에서 주장하는 내용이 맞습니다.

스팀 트랩 모니터링 시스템은 대부분의 대형 트랩 제조업체에서 생산하며, 정확히 설치하여 사용한다면 고장난 트랩으로 인한 스팀 손실을 줄일 수 있습니다. 정기적으로 모니터링을 한다면 누출이나 응축물 역류와 같은 고장을 확인할 수 있습니다.

트레이싱 시스템 분석트레이싱 시스템을 완벽히 분석하려면 다음 사항을 모두 고려해야 합니다.

• 적용 분야 • 트레이싱 시스템의 성능 • 트레이싱/파이프 시스템의 에너지 성능 • 트레이싱 시스템의 설치 비용

1. 적용 분야

평가 시작 단계에서 필요한 정보는 다음과 같습니다.

• 플랜트/위치 • 기후 데이터: ° 최소 대기 온도 ° 최대 대기 온도 ° 연평균 대기 상태

• 프로세스, 유틸리트, 가열할 물질 ° 속성 ° 사양 ° 프로세싱 시간 ° 가열 요구사항 ° 프로세스 유체의 이동 경로

• 제품 온도 제어 및 모니터링 요구사항 • 에너지: 위치, 종류, 양, 품질, 비용 ° 구역 분류 ° 전기 에너지 비용 ° 전압 ° 스팀 에너지 비용 ° 스팀 압력 ° 히터 유닛 패키지가 포함된 열전달 유체

비용

• 배관: 재질, 길이, 크기, 등급 ° P & ID 17

° 배관 수축 ° 배관 라인 목록 등

• 절연체: 종류, 두께, 내후장벽 • 인력: 필요한 비용 및 보수 시간 • 트레이싱 시스템의 대안

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2. 트레이싱 시스템 성능

무엇보다도 중요한 것은 트레이싱 방법이 트레이싱하는 프로세스 배관과 장비의 기능 요구사항을 충족해야 한다는 점입니다. 트레이싱 시스템은 해당 온도로 배관 시스템을 가열 및 유지해야 합니다. 가열 시간 요구사항은 첫 시동뿐만 아니라 턴어라운드 또는 비상 정지 후의 시동까지도 고려하여 시스템에 적용해야 합니다. 파이프, 제품, 히터, 절연 최대 온도 제한치는 정상 및 비정상 상황 모두 초과해서는 안 됩니다. 온도 제어 시스템이 필요한 경우 정확히 제어할 수 있어야 합니다. 온도 경보 시스템도 안전 및 제작 요구사항을 충족해야 합니다. 운영 중 히팅 시스템의 모니터링이 필요할 수도 있습니다. 시스템을 정상적으로 작동하려면 이러한 모든 요소를 고려해야 합니다.

3. 트레이싱/파이프 시스템 성능

트레이싱 시스템의 에너지 소비 특성은 주로 다음 시스템과 관련되어 있습니다.

• 절연 시스템 • 트레이싱 시스템 온도 제어 종류 •열원 종류

절연 시스템

대부분의 경우(온도 유지) 히트 트레이싱 시스템은 열 절연체를 통해 손실되는 열만 대신하도록 설계합니다. 에너지 소비는 절연체의 에너지 손실 특성과 직접적으로 관련이 있으며, 절연체 종류 및 두께와 함수 관계에 있습니다. 절연체 종류를 신중히 선택하면 열 손실을 줄이고 최적화할 수 있지만 절연체 종류가 최소 온도, 방수, 인장, 압축 강도, 가연성 등의 성능 요구사항을 충족해야 한다는 점도 고려해야 합니다. 그런 다음 절연체의 두께를 고려해야 합니다. 가장 이상적인 절연체 두께는 해당 절연체 두께별로 다음 비용을 산정하여 도출합니다.

• 설치 및 보수 비용까지 포함된 절연 시스템의 연간 비용

• 손실된 에너지의 연간 비용

최적의 절연체 두께는 이 모든 비용이 가장 적은 두께입니다.

3E Plus®를 이용한 연간 절연 및 에너지 비용

절연체 두께는 www.pipeinsulat ion.org에서 무료로 다운로드 받을 수 있는 절연 두께 컴퓨터 프로그램 3E Plus를 이용하여 산출할 수 있습니다. 이 프로그램은 설비 매니저, 에너지 및 환경 매니저, 산업 프로세스 엔지니어를 위해 개발되었습니다.

3E Plus 프로그램:

•절연 및 비절연 배관과 장비의 열 성능을 계산합니다.

•Btu손실을 실제 금액으로 보여줍니다. • 온실 가스 배출 및 감소를 계산합니다. • 몇 가지 DOE 프로그램에서 도구로 사용됩니다.

3E Plus는 연료를 절약하고 플랜트의 배출을 줄이고 프로세서 효율성을 개선하는 데 필요한 절연의 양을 손쉽게 결정하도록 도와 줍니다. 이 정보는 2002년 12월에 INSULATION OUTLOOK MAGAZINE(www.insulat ion.org )에서 발췌한 내용입니다.

트레이싱 온도 제어

배관 시스템에 흐르는 물질이 없을 경우 트레이싱 시스템을 켜고 끄는 역할을 하는 파이프 온도 감지 컨트롤러는 파이프 온도를 유지하는 데 필요한 만큼의 에너지만 트레이서에서 공급하도록 하여 에너지 소비를 줄입니다. 컨트롤러에서 설정한 온도 이상에서 파이프에 물질이 흐를 경우 파이프 감지 컨트롤러는 트레이싱의 전원을 끄고 에너지 소비를 최소로 합니다. 파이프 온도가 아닌 대기 온도를 감지하는 트레이싱 컨트롤러는 대기 온도가 컨트롤러에서 설정한 온도보다 낮을 경우 트레이싱에 지속적으로 전원을 공급하기 때문에 에너지 소비가 많습니다. 따라서 트레이싱에서 에너지를 더 많이 소비합니다. 스팀 트레이싱 시스템에 사용할 수 있는 제어 방법이 있지만 사용자들의 무관심으로 인해 폭넓게 사용되지는 않습니다.

열원

• 병렬 및 직렬 저항 전기 트레이서의 에너지 소비는 케이블의 Joulian (I2R) 히팅으로 국한되어 있습니다. 대부분의 플랜트에는 한전을 통해 구입하거나 플랜트에서 자체 생산한(열병합 발전) 전기 트레이싱용 전기가 있습니다.

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• 스팀 트레이서는 일정하게 온도를 유지해주는 열원입니다. 에너지 소비는 스팀 온도와 파이프 온도 차이에 비례합니다. 제어를 하지 않으면 프로세서 유체 온도가 프로세스 파이프를 통과하는 균형 온도보다 낮을 경우 스팀 트레이서의 에너지 소비는 증가합니다.

• 열 유체 트레이싱 시스템은 유체 처리 유닛 비용으로 인해 다수의 트레이싱 회로가 필요합니다. 유체 처리 유닛은 1) 유체의 확장을 도와주는 확장 탱크, 펌프용 유효 흡인두, 2) 뜨거운 유체를 흐르게 하는 회전 펌프, 3) 적정 온도로 유체를 가열하고 다시 트레이서에서 되돌아 왔을 때 재가열하는 히터로 구성되어 있습니다. 프로세서 온도 제어는 여러 사람이 사용하는 흐름 제어 밸브 또는 한 사람이 사용하는 히터를 제어하는 프로세서 온도 제어 센서를 통해 이루어집니다. 열 유체 히터는 연료, 스팀, 전기 저항 히터에 의해 가열이 됩니다. 총 설치 비용, 에너지 비용, 원하는 작동 패턴을 고려하여 시스템의 히터를 선택해야 합니다.6

4. 트레이싱 설치 비용

스팀, 유체, 전기 트레이싱의 설치 비용은 다음과 같은 관련이 있습니다.

• 배관 복잡성 • 온도 유지/제어 모니터링 • 구역 분류

배관 복잡성

일반적으로 전기 트레이싱 케이블은 튜빙보다 더 유연하기 때문에 밸브, 펌트, 필터, 엘보우, 플랜지 등과 같은 사각형 물체에 빠르게 설치할 수 있습니다. 그러나, 복잡할 수록 전기 회로와 컨트롤러 숫자가 늘어나기 때문에 비컨트롤 스팀 트레이서에 비해 전기 트레이싱 비용이 증가합니다.

온도 유지/제어 모니터링

온도 제어/모니터링 감지 파이프를 설치하는 것은 기계식 온/오프 온도 조절 장치만큼 쉽거나 마이크로프로세서 기반 제어 패키지만큼 복잡합니다. 스팀 트레이싱의 경우 제어 및 모니터링 장치를 사용할 수 있지만 실제로는 거의 사용하지 않습니다. 스팀, 전기, 열 유체 트레이싱 시스템의 상대적인 가격은 각 시스템에 적용된 제어/모니터링의 정도에 따라 다릅니다. 스팀 트레이싱의 효율성은 고장난

스팀 트랩의 에너지 손실을 최소화하는 것과 깊은 관련이 있습니다.

위에서 언급한 제어 시스템을 사용하면 전기 트레이싱 회로는 동파 방지 목적으로는 간단한 사전설정 제어장치를, 동파 방지 및 온도 유지 목적으로는 조절이 가능한 온도 조절 장치를 통해 파이프의 온도를 섭씨 5°(화씨 40°)로 유지할 수 있습니다. 단일, 이중, 여러 회로용 마이크로프로세스 기반 온도 제어 및 모니터링 유닛은 섭씨 500°(화씨 932°)까지 온도를 제어할 수 있습니다.

열 유체 트레이싱 시스템은 저온 또는 고온 애플리케이션에서 매우 가깝게 온도를 유지할 수 있으며 제어 밸브 및/또는 마이크로프로세서 기반 제어 시스템으로 제어할 수도 있습니다. 특정 열 유체는 스팀 트레이싱에서 일반적으로 적용되는 온도 범위를 넘어선 섭씨 260°~400° (화씨 500°~750°)에서도 사용할 수 있습니다. 전기 트레이싱(합금 825 미네랄 인슐레이션 히터)은 열 유치 히팅 유닛의 비용 때문에 이 온도에서 개별 배관 회로에 더 유리할 수도 있습니다.

일 반적 으 로 스팀 트 레이 싱 은 3 b a r g~2 1 barg(50~300psig) 스팀을 사용하는 곳에서 높은 열 전달률을 보입니다. 그러나 새로운 독립형 트레이서는 파이프라인 온도를 섭씨 5°(화씨40°)~섭씨 93°(화씨 200°)로 유지해 줍니다. 이러한 트레이서는 가성 소다, 수지, 아민 등 소프트 히트가 필요한 곳에 많이 사용됩니다. 제어 방법에는 외기 온도 감지, 파이프 감지, 응축물 제어 트랩, 독립형 트레이서가 포함되어 있습니다. 그러나, 온도 차이를 엄격하게 관리하는 곳에서는 전기 트레이싱이나 열 유체 트레이싱 방법이 일반적으로 가장 좋습니다. 높은 열을 전달하는 곳에서는 유체 트레이싱과 전기 트레이싱을 반복해서 설치해야 할 수도 있습니다. 따라서, 높은 열부하와 빠른 가열이 필요한 곳에서는 스팀 트레이싱이 더 저렴합니다.

구역 분류

위험 구역에서는 폭주 온도 규정을 준수하기 위해 풋 와트(watt per foot) 출력을 제한할 수도 있습니다. 이로 인해 또 다시 히터 케이블을 반복해서 설치하게 되고 비용이 증가하게 됩니다. 스팀 등과 같이 일정하게 온도를 유지하는 히터는 이전에서 언급한 것처럼 이러한 폭주 온도 규정에 해당되지 않습니다. 따라서 트레이서를 반복해서 설치하지 않아도 되기 때문에 설치 비용이 줄어듭니다.

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요약모든 경우에 가장 적합한 단 하나의 히트 트레이싱 방법은 없습니다. 요구사항에 가장 적합한 히트 트레이싱 방법을 선택하는 것이 중요합니다.

사실, 여기에서 설명한 방법 중 플랜트의 경제적 상황에 맞는 방법이 하나, 둘, 아니면 세 가지 모두 해당될 수도 있습니다. 스팀은 이 유닛에 가장 적합하고, 전기나 유체는 저 유닛에 적합할 수도 있습니다. 일반적으로 대부분의 대형 정유 및 화학 설비에서는 스팀과 전기 트레이싱을 플랜트 전체에 사용하고 있습니다. 섬유 산업에서는 종종 스팀과 열 유체 히팅 시스템을 고온에서 사용합니다.

히트 트레이싱은 스팀 소스가 없는 사용자가 쉽게 선택할 수 있습니다. 히트 트레이싱 전용 스팀 보일러에 투자하는 것은 다시 생각해 봐야 합니다. 다른 한편으로는, 다른 목적으로 스팀을 사용할 경우 재활용하거나 버려질 수 있는 여분의 스팀이 있을 수도 있습니다. 이 경우, 스팀 트레이싱이나 액체 트레이싱용 스팀 유체 히터를 사용하는 것이 이득이 될 수 있습니다.

외부 히 트 트레이싱 시 스템을 생 산하 는 Thermon(www.thermon.com)은 지난 50년 동안 스팀, 전기, 유체 트레이싱을 설계하고, 생산하고, 설치한 풍부한 경험을 가지고 있습니다. 현장 경험과 회사의 시험 설비에서 획득한 외부 열전달 지식은 하나로 모아서 종합 컴퓨터 분석 패키지인 AESOP(Advanced Electric and Steam Optimization Program)로 재탄생하였습니다. 이제 가장 적합한 트레이싱 시스템을 설비의 복잡성과는 무관하게 합리적으로 선택할 수 있게 되었습니다.

주석 및 참고 도서

1. Arlene Anderson, “Industries of the Future-Reducing Greenhouse Emissions,” EM Magazine, March 1999, pp. 13.

2. Ted Jones, “Gathering Steam,” Insulation Outlook, March 1998.

3. Knox Pitzer, and Roy Barth, “Steam Tracing for En-ergy Conservation.” Chemical Engineering Exposition and Conference, June 7-8, 2000.

4. M. A. Luke and C. C. Miserles, “How Steam and Tracing Compare in Plant Operation,” Oil and gas Journal, November 7, 1977, pp. 64-73.

5. Thomas K. McCranie, “Heating Oils and Other Fluids in Cement Plants,” Presented at the 1972 IEEE Cement Industry Technical Conference.

6. Jim Oetinger, “Using Thermal Fluids For Indirect Heating,” Process Heating Magazine, October 1997.

7. Ted Boynton, and Bob Dewhirst, “Energy Conser-vation Thru Trap Surveys and Preventive Maintenance Programs,” Armstrong International.

8. Mackay, Bruce, P.E., “Designing a Cost-Effective Condensate-Return System.” Chemical Processing, May 1997.

9. “Insulation Outlook Magazine.” April 2002. Pub-lished with this footnote: “Adapted from an Energy TIPS fact sheet that was originally published by the Industrial Energy Extension Service of Georgia Tech.”

10. Custom Marketing Report for Thermon Manufac-turing Company, Saunders Management Associates, September 1994.

11. Roy E. Barth and Arthur McDonald, “An Energy and Cost Evaluation Of Electric & Steam Tracing For Refineries, Inc Oiltown, USA.” 1994. 참고: 이 도서의 상당부분이 "트레이싱 시스템 분석에"에 인용되었습니다.

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