다단계 증기압 시스템을 이용한 에너지 절약

 화공산업분야에서 증기는 가장 보편적이고도 중요한 유틸리티이다. 증기는 다양한 목적으로 쓰여지는데, 그 중 공정상의 가열이 필요한 곳에서 주로 쓰이게 된다. 증기는 높은 열전달 계수를 갖고 있어 종종 가열공정에서 오일을 대신하여 이용되며, 이는  좀 더 작은 열교환기를 사용할 수 있게 해준다. 이 외에도 증기는 건조 및 농축하는데에도 쓰이고, 원유 분해나 reforming에서도 이용되며, 펌프나 증기터빈을 이용하는 압축기등에서도 이용된다.

 하지만, 증기도 초기설치비용와 운영비가 높다는 단점을 갖고 있다. 급수 처리 시설과 탈염, 탈기 시설 그리고 보일러와 고압파이핑 등은 상대적으로 그 설치비용이 고정적인 반면, 운영비용은 증기절약 프로젝트를 통해 감소시킬 수 있다. 최근 에너지 비용이 지속적으로 증가함에 따라 점점 이런 절약 프로젝트들은 인기를 끌고 있다.

 이 글은 증기절약 프로젝트에서 흔히 범하는 실수와 이를 피하는 방법에 대해서 논할 것이다. 또한 화공산업에서 일반적으로 사용하는 증기터빈의 종류에 대해서도 기술하고, 각각의 용도에 적당한 터빈을 선택하는 가이드를 제공할 것이다.

-다양한 공정 조건을 위한 다단계 증기압

 대형 화공플랜트은 보통 한개 (또는 몇 개, 이유는 뒤에 논한다.) 의 보일러를 설치하여 공정 상 필요한 최대 압력의 증기를 생산하고, 플랜트 내의 다른 공정으로 각각 필요한 압력에 맞추어 분배된다.

표 1. 각 단계별 증기의 상세
	압력 (barg)	공정 온도	기타 용도
Super-High Pressure(SHP)	120-130	280-320 C	대형 증기 터빈 동력원
High Pressure(HP)	40-42	210-240 C	소형/중형 증기 터빈 동력원
Medium Pressure(MP)	9-20	140-200 C	증기 제트 배출기 (Steam jet ejectors)
Low Pressure(LP)	2-4	90-140 C	Steam Stripping*  Equipment purging**

*Steam Stripping은 액상의 혼합물에 Steam을 주입하여 특정성분 (주로 저비점 성분)을 Steam과 함께 증발해 나오도록 하는 공정을 말합니다
**Equipment purging은 장치내부에 남아있는 오염물질등을 불어내어 제거하는 작업을 말합니다.


이런한 접근 방법은 각 압력에 해당하는 여러 보일러를 설치하는 것보다 적은 비용이 든다.

 원유정제시설에서 이러한 다단계 증기 시스템을 찾아볼 수 있으며, 흔히 세단계의 증기압을 갖는데, 고압은 40-42 barg, 중압은 9-10 barg, 저압은 3-4 barg 이다. 올레핀 플랜트의 경우는 6단계의 증기를 이용하며, 초고압은 125 barg, 고압은 42 barg, 중압은 19 barg나 13 barg, 저압은 4 barg 나 2 barg 이다.

 대형 화공 플랜트와 정제시설은 보일러를 한개 이상 설치하는 데 이는 고장, 점검이나 보수로 인한 셧다운이 발생하였을 때를 대비하기 위함이다. 보일러 한개의 최대 용량을 초과하는 조건일 때에도 여러개의 보일러를 설치하게 된다.

 다단계 증기압 시스템의 핵심은 연료 연소동안 열이 방출되어 물로 고압 증기를 생산하는 보일러이다. 그리고 그 증기는 분배시설로 넘어가 개별 공정조건에 맞추어 압력을 감소시킨다.(let down)
 증기압은 두가지 방법으로 감소시킬수 있는데, 터빈을 사용하는 것이 효율적이고, 압력강하 밸브(렛다운 밸브)를 이용하는 것이 비효율적이다.

 터빈에 들어가기 전에 증기 온도에 해당는 포화수의 끓는점보다 살짝 높은 온도로 증기를 과열시킨다. 터빈 동력원으로 쓰이는 증기는 보통 과열증기를 사용하는데, 이는  포화증기보다 더 건조상태로 만들어 터빈날개를 부식시키지 않도록 하며, 또한 더욱 효율적이다. 과열증기는 또한 분배과정 및 압력강하 밸브에 들어가기 전까지 기체상태를 유지할 수 있도록 해준다. 이는 압력강하밸브에 증기와 응축수가 동시에 들어가게 되면 밸브 시트의 부식을 일으키며, 혼합상이 일으킬 수 있는 여러 조정 문제를 야기하는 것을 방지한다.
 증기는 압력강하밸브를 통과하면서 온도가 떨어짐에도 불구 하고 압력이 떨어져서 좀더 건조(좀더 포화)하게 된다.

 가열 공정에서는 포화증기가 선호되는데 이는 응축열전달계수가 높고 잠열을 빠르게 전달하기 때문이다. 이와같이, 터빈 배출구나 밸브 출구에 과열저감기(desuperheater)를 설치하여 출구쪽 증기압과 일치시키는 것이 보통이다. 과열저감기는 증기에 물을 미세한 입자로 분사하여 과열증기가 물 입자에 열을 전달하도록 하여 증기의 온도를 떨어뜨리게 한다.

-증기 절약 프로젝트의 흔히 저지르는 실수

많은 증기 절약 프로젝트는 개별 기기나 증기시스템 요소의 효율을 개선시키는 데에만 초점을 맞추고, 다단계 증기 시스템을 전체적으로 고려하지 않는다. 즉, 플랜트의 연료와 증기 밸런스를 고려하지 않는다는 말이다.

 전체의 연료 밸런스는 무시한다. 증기절약 프로젝트의 진짜 목적은 증기 그 자체를 줄이는 것이 아니라 증기를 만드는데 필요한 연료량을 줄이는 것이다. 많은 대형 플랜트에서는 연료를 자체적으로 생산한다.