KR101582297B1 - 기계식 증기 재압축기를 위한 과열증기 냉각장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 분사노즐로부터 분사되는 액적의 크기를 작게 하여 전열면적을 넓혀 그 냉각효율을 높이면서, 서징 현상에 의한 주변장치의 파손을 예방할 수 있으며, 동시에 바이패스 유체를 소정의 온도로 냉각할 때 이를 정밀하게 조절할 수 있도록 하는 과열증기 냉각장치에 관한 것으로, 과열증기가 통과하는 관로와, 이 관로에 냉각수를 공급하는 냉각수 공급수단과, 이 냉각수 공급수단에 연결되어 상기 관로 내로 냉각수를 분사하는 분사노즐과, 냉각수 공급수단과 분사노즐의 사이에 설치되어 냉각수의 유압을 조절하는 압력조절밸브와, 압력조절밸브를 제어하도록 연결된 제어수단과, 압력조절밸브와 분사노즐 사이에 설치되어 냉각의 유압을 측정하고 측정된 데이터를 상기 제어수단에 송신하는 제 1 압력 감지계와, 분사노즐의 분사방향 전방에 위치하여 분사 직후의 냉각수의 유압을 측정하고 측정된 데이터를 제어수단에 송신하도록 설치되는 제 2 압력 감지계와, 분사노즐의 분사방향 전방에 위치하여 냉각 후의 증기의 온도를 측정하고 측정된 데이터를 제어수단에 송신하는 온도 감지계를 포함하고, 제어수단은 상기 제 1 압력 감지계와 제 2 압력 감지계로부터 얻어진 냉각수의 분사전후의 차압, 및 상기 온도 감지계에서 측정된 증기의 온도 측정치에 의거하여, 관로를 통과하는 증기가 소정의 온도에 도달하도록 압력조절밸브를 제어하도록 구성된다.

Description

기계식 증기 재압축기를 위한 과열증기 냉각장치{COOLING APPARUTUS OF SUPERHEATED VAPOR FOR MECHANICAL VAPER RECOMPRESSOR}
본 발명은 기계식 증기 재압축기(Mechanical Vapor Recompressor, 이하에서는 'MVR'이라고 기재하기도 함)를 위한 과열증기 냉각장치에 관한 것으로, MVR을 통해 단열 압축된 과열증기의 온도제어를 가능하게 하는 냉각장치에 관한 것이다.
화학공업이나, 식품, 환경 등의 분야에서는 열원으로 물을 기화시키고, 수증기로서 배출하는 공정이 많다. 예를 들어, 건조, 증발, 증류, 농축 등의 조작이 널리 사용되는데, 이들 공정은 에너지 소비가 많다. 소비되는 에너지 중에서도 대부분의 에너지는 물의 기화에 소비되는 잠열에 의한다. 따라서, 배출증기를 회수하고 이를 재이용하는 것은 에너지 절약의 측면에서 매우 중요하다.
산업 현장에서 저압수증기(스팀)를 압축하여 재활용하는 시스템인 MVR에는 원심 압축기(centrifigal compressor)를 비롯하여 여러 형식의 기계적 압축기가 있다.
원심 압축기는 고속 회전하는 임펠러의 원심력에 의해 속도에너지를 압력에너지로 변화시켜 기체를 압축시켜주는 기계요소로서, 높은 압력을 내기 위해 고속회전으로 운동되어야 하기 때문에 이를 견딜 수 있는 구조로 만들어진다. 원심 압축기는 회전하는 기계요소와 정상적인 유체 유동 사이의 각운동량을 연속적으로 변화시키며, 연속적인 유동 때문에, 예컨대, 용적형 압축기(positive-displacement compressor)보다 더 큰 용량을 갖는다. 그런데, 원심 압축기는 압축과정에서 유체의 온도상승을 방지하고, 압축 효율을 높이기 위해 냉각을 고려해야 한다.
구체적으로, 원심 압축기의 일반적인 구조로 인해, 유체는 인듀서(inducer)를 통해 속도에너지가 생기면서 임펠러쪽으로 유입된다. 임펠러에 유입된 유체는 초기 유입 방향과 직각인 방향으로 선회하며, 디퓨져(diffuser)로 확산되어 나가는 동시에 회전체의 원심력을 받아 속도가 급격히 증가하게 된다. 유체는 디퓨져에서 유속이 줄어들고, 압력이 증가하게 된다. 이것은 회전체로 인한 운동에너지나 속도가 고정체인 디퓨져로 유입되면서 정압 에너지나 압력으로 전환되는 과정이다. 디퓨져를 통해 나온 유체는 스크롤 볼루트(scroll volute)에서 압력에너지로 에너지 전환을 끝낸다.
이처럼 유체는 임펠러를 거쳐 디퓨저를 통해 나가는 동안에 압력 변화를 나타내는데, 유체의 압력(정압 + 동압)을 구성하는 요소 중 정압은 임펠러의 원심력에 의해 증가한다. 또한 유체는 디퓨져에서 와류를 일으키게 되어 유체의 속도는 감소한다. 그리고는 유체가 디퓨져와 리턴 밴드를 통과하면서 유체의 속도가 줄고, 동압은 거의 대부분 정압으로 전환된다.
유체는 임펠러 내를 매우 짧은 시간 동안에 통과하기 때문에 그간에 유체와 그 주위의 임펠러 벽면 사이에서 일어나는 열의 출입은 대단히 적다. 일반적으로 임펠러에서 받은 압축일에 비해 열의 출입은 무시된다. 또한, 유동저항에 의한 손실도 없는 것으로 가정하면 임펠러에 의해 유체에 가해진 압축일은 단열 압축과정이라고 간주할 수 있다.
그러나 실제로는 유체에 유동 저항이 발생하기 때문에 유체가 받은 에너지 중 일부가 저항에 사용된다. 이 손실 에너지는 열로 바뀌지만 단열상태로 가정하면 이 열은 유체에 주어져 온도가 상승하고, 그 결과 유체의 내부 에너지는 증가하여 비체적이 증대하므로 유체의 압력을 높이게 된다.
여기서, 서징(surging) 현상은 원심 압축기에서 가압유체를 압축하는 과정에서 일어나는 현상으로서, 압력의 변동으로 진동, 소음 등이 발생하여 장기간 지속되면 로터나 블레이드 베어링 등의 기계요소나 장치 등의 파손을 초래할 수 있다.
일반적으로 서징 현상은 ① 흡입 유량이 부족한 경우, ② 흡인 측압(suction side pressure)가 증가한 경우, ③ 배출 유량이 밸브 등에 의해 제한되는 경우, 그리고, ④ 제어 시스템에 의해 속도가 급격하게 올라간 경우에 발생하는데, 서징 현상의 발생시에는 무부하 상태로 만들어야 하며, 이때 BOV(blow off valve)나 바이패스(bypass) 밸브를 개방하여, 흡입 유량을 증가시키는 조치를 취한다. 또한 원심 압축기의 운전 중에 서징 현상의 발생을 방지하기 위해서는 IGV(inlet guide vane)의 속도를 적절히 조절해야 한다.
한편, 원심 압축기의 유량이 계속 증가하면 어느 지점에 이르러 더 이상 압력을 생성하지 못하는 초킹(chocking) 현상이 발생하기도 하며, 이때의 압축비는 유량 및 속도와 무관하게 떨어진다. 앞서 설명한 서징 현상에 대응하기 위해 원심압축기의 최소 유량이 정해지며, 반대로 초킹 현상에 대응하기 위해 원심압축기의 최대 유량이 결정된다.
상술한 서징 현상을 방지하기 위해, BOV나 바이패스 밸브를 이용하는 방법이 있는데, 운전 중에 필요한 유량이 서징 한계점 이하로 된 경우, 토출측의 밸브에서 여분의 유량을 흡입측으로 되돌려 순환시키는 방법이다. 이 경우 주목할 점은 상술한 단열압축과정을 통한 압축열 때문에, 고온이 된 유체를 그대로 흡입측으로 되돌려 보내면, 흡입기체의 온도가 상승하고, 비체적이 상승함으로써, 많은 일량을 필요로 하게 된다. 이러한 경우 기계적으로 좋지 않은 영향이 원심 압축기에 미치게 되므로, 기계적인 단열압축된 유체, 예컨대 포화증기는 30~50℃의 과포화 온도를 얻어, 이를 바이패스할 경우 적정 온도로 사전 냉각을 위한 장치가 필요하다. 그러나, 종래의 냉각 장치는 냉각시 온도제어가 정밀하지 못하여 결과적으로 서징 현상의 방지에 있어서의 효과는 한정적이었다.
한국공개특허 제 10-2011-0018769 호(공개일자; 20011년 2월 24일)
도 1은 종래의 기계식 증기 재압축기를 위한 과열증기 냉각장치를 나타내는 도면이다. 종래의 장치는 냉각수를 분사하는 분사노즐(4')과 분사유량을 제어하는 유량조절밸브(5')로 구성되어 있는데, 분사유량을 제어하는 유량조절밸브(5')는 냉각수 공급라인(3')을 통해 냉각수가 분사된 후 냉각된 스팀의 온도를 감지하여 개폐도가 제어되도록 구성되어있다.
그러나, 분사노즐(4')의 유량은 분사 전후의 차압에 의하여 유량이 결정되는 고유성능으로 설계되기 때문에 유량조절의 기능은 그 의미가 없고, 또한 일반 공정에서 사용되는 유량조절밸브(5')의 설계특성상 분사 전후에 있어서 적은 차압이 요구되고 있어, 유량조절밸브(5')의 조절과 연관되어 온도 감지계(6')가 구비되어 있지만, 냉각수의 분사유량에 의해 온도를 제어하고자 하는 목적에 유량조절밸브(5')는 부합되지 않는다.
또한, 분사노즐(4')로부터의 분사 후 액적크기를 작게 하여 전열면적을 넓혀 냉각효율을 높이면서, 분사노즐(4')의 분사방향 후방에서 고속 회전하는 MVR(1')의 임펠러와 충돌을 피할 수 있도록 분사노즐(4') 전후의 차압을 높일 수 있는 장치의 설계가 용이하지 않다.
따라서, 본 발명은, 분사노즐로부터 분사되는 액적의 크기를 작게 하여 전열면적을 넓혀 그 냉각효율을 높이면서, 서징 현상에 의한 주변장치의 파손을 예방할 수 있으며, 동시에 바이패스 유체를 소정의 온도로 냉각할 때 이를 정밀하게 조절할 수 있도록 하는 과열증기 냉각시스템을 제공하는 것을 그 과제로 한다.
상술한 과제를 해결하기 위해 안출된 본 발명은, 기계식 증기 재압축기에 의해 단열 압축된 과열증기를 냉각하는 장치로서, 상기 과열증기가 통과하는 관로와, 상기 관로에 냉각수를 공급하는 냉각수 공급수단과, 상기 냉각수 공급수단에 연결되어 상기 관로 내로 냉각수를 분사하는 분사노즐과, 상기 냉각수 공급수단과 상기 분사노즐의 사이에 설치되어 냉각수의 유압을 조절하는 압력조절밸브와, 상기 압력조절밸브를 제어하도록 연결된 제어수단과, 상기 압력조절밸브와 상기 분사노즐 사이에 설치되어 냉각의 유압을 측정하고 측정된 데이터를 상기 제어수단에 송신하는 제 1 압력 감지계와, 상기 분사노즐의 분사방향 전방에 위치하여 분사 직후의 냉각수의 유압을 측정하고 측정된 데이터를 상기 제어수단에 송신하도록 설치되는 제 2 압력 감지계와, 상기 분사노즐의 분사방향 전방에 위치하여 냉각 후의 증기의 온도를 측정하고 측정된 데이터를 상기 제어수단에 송신하는 온도 감지계를 포함하고, 상기 제어수단은 상기 제 1 압력 감지계와 제 2 압력 감지계로부터 얻어진 냉각수의 분사전후의 차압, 및 상기 온도 감지계에서 측정된 증기의 온도 측정치에 의거하여, 상기 관로를 통과하는 증기가 소정의 온도에 도달하도록 상기 압력조절밸브를 제어하도록 한다.
또한, 본 발명은, 상기 분사노즐의 분사방향 전방에 제 2 기계식 증기 재압축기가 추가되어 분사된 냉각수가 상기 제 2 기계식 증기 재압축기의 임펠러의 전단력에 의해 미세화되게 하고, 상기 온도 감지계는 상기 제 2 기계식 증기 재압축기로부터 배출되는 단열 압축된 과열증기의 온도를 측정하도록 배치된다.
본 발명에 의하면, 기계식 증기 재압축기를 위한 과열증기 냉각장치에 있어서, 종래의 냉각수의 유량조절밸브를 압력조절밸브로 대처하고, 냉각수의 압력조절밸브의 개폐도가, 분사노즐 전후에서 각각 측정되는 압력값으로부터 산출된 차압과 분사된 냉각수로 냉각된 후의 증기의 온도 측정치를 기초로 제어명령을 생성하는 제어수단에 의해 조절되도록 함으로써, 단열 압축된 과열증기가 소정의 온도범위내로 조절되어 냉각되도록 하여, 예컨대, 기계식 증기 재압축기에서의 서징 현상 등을 예방할 수 있어, 기계요소의 내구성 및 수명이 향상되는 탁월한 효과가 있다.
도 1은 종래의 기계식 증기 재압축기를 위한 과열증기 냉각장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명이 바람직하게 적용된 제 1 실시 형태의 기계식 증기 재압축기를 위한 과열증기 냉각장치를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명이 바람직하게 적용된 제 2 실시 형태의 기계식 증기 재압축기를 위한 과열증기 냉각장치를 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명이 바람직하게 적용된 실시 형태에 대해 첨부도면을 참조로 상세히 설명한다.
본 발명은 분사노즐의 유량이 분사전후에 있어서의 차압에 의해 결정되며, 분사전후의 차압을 크게 하면 분사노즐을 통과하는 유체가 미세화되는데, 본 출원인이 적용한 바로는 2~3 bar의 차압으로 냉각수의 액적 직경이 충분히 작아져서 관로의 폭방향 양단에 골고루 도달되며, 이로써 과열증기의 온도조절이 효과적임을 알게 되었다.
통상, 분사노즐 제조업체는 분사전후의 차압에 따른 분사유량을 산출할 수 있는 계산식을 제공하고 있으며, 아래는 그 일례이다.
Vo = Vd x (Po/Pd)0.4 -----식(1) (단, Pd는 분사노즐의 설계 차압(bar)이고, Vd는 분사노즐의 설계 차압(Pd)에서의 유량(㎥/min)이며, Po는 분사노즐의 운전 차압(bar)이고, Vo는 분사노즐의 운전 차압(Po)에서의 유량(㎥/min)이다.)
도 2는 본 발명이 바람직하게 적용된 제 1 실시 형태의 기계식 증기 재압축기를 위한 과열증기 냉각장치를 나타내는 도면이다. 제 1 실시 형태에서는 단일의 MVR(1)인 경우로서, 도 1에는 냉각장치의 각 구성요소간의 결합관계가 개략적으로 도시되어 있다.
제 1 실시 형태에서는 분사노즐(4)의 분사방향 전방의 증기의 온도를 정밀 제어하기 위하여 온도감지계(6)에서 감지된 온도를 목표로 하는 온도로 제어함에 있어서 분사노즐(4)의 유량을 증감시키게 된다. 상기 분사노즐(4)의 유량은 분사노즐(4)의 분사전후에 있어서의 차압을 증감시킴에 의해 유량이 제어되는데, 냉각수 공급라인(3)상에 압력조절밸브(10)를 설치하여 유체의 유압을 조절가능하게 한다.
이어서, 상기 냉각수 공급라인(3)의 끝단에 위치하는 분사노즐(4)과 상기 압력조절밸브(10) 사이에 제 1 압력 감지계(11)를 설치하고, 또한 상기 분사노즐(4)의 노즐 끝단 부근에 제 2 압력 감지계(12)가 설치된다. 상기 제 1 압력 감지계(11)와 제 2 압력 감지계(12)는, 디바이스넷 통신환경에서 제어수단인 PLC(programming logic controller, 15)에 각각 연결되어, 상기 PLC(15)에서 차압이 산출된다. 상기 PLC(15)에서는 상기 식 (1)을 이용하여, 분사노즐(4)의 기본 사양으로 제공되는 설계차압(Pd) 및, 이 설계차압(Pd)에서의 유량과, 실제 운전상태에서의 상기 제 1 압력 감지계(11)와 제 2 압력 감지계(12) 간의 운전차압(Po)으로부터 실제 냉각수가 분사되는 유량(Vo)이 산출된다. 이렇게 산출된 유량은 상기 PLC(15)에 기록되어, 분사노즐(4)에 의해 냉각된 증기의 온도를 측정하는 온도 감지계(6)를 참조하여 냉각수의 유량이 조절된다. 상기 식 (1)에서 본 바와 같이, 운전차압(Po)에서의 유량(Vo)은 운전차압(Po)과 비례관계에 있으므로, PLC(15)가 분사되는 유량(Vo)을 조절할 때는 압력조절밸브(10)를 통해 운전차압(Po)을 증감시킴에 의해 조절하게 된다.
본 실시 형태를 통해 얻을 수 있는 이점은 액적 직경을 작게 하고자 할 때 식 (1)로부터 알 수 있는 바와 같이, 운전차압(Po)을 약간만, 예컨대 2~3 bar로 하면 액적의 미세화가 간단히 실현될 수 있어, 과열증기의 냉각에 있어서 매우 효율적이다. 이러한 수단이 없었던 종래에서는 장치 후단에 스팀중에 비산하는 큰 직경의 액적을 분리하기 위한 녹아웃드럼(knock-out drum)을 항상 설치해야 했는데, 본 실시 형태에 의하면 이러한 추가적인 설비가 생략될 수 있어 매우 경제적이다.
또한, 제 1 실시 형태가 실제 MVR 시스템에 적용될 때는 자동화 운전이 보편화됨에 따라 분사노즐(4)의 분사방향 전방에는 제 2 압력감지계(12)에 해당하는 압력감지계 및 온도감지계(6)가 기본적으로 설치되어 있기 때문에, 추가적으로 설치하는 것은 상기 제 1 압력감지계(11) 및 압력조절밸브(10)만 설치하면 간단히 구현되므로, 설치비용도 절약할 수 있다.
도 3은 본 발명이 바람직하게 적용된 제 2 실시 형태의 기계식 증기 재압축기를 위한 과열증기 냉각장치를 나타내는 것으로 다단팬형(Multiple Fan type) MVR의 경우이다.
제 2 실시 형태에서는 제 2 기계식 증기 재압축기(13)가 추가되되, 제 2 압력 감지계(12)와 온도 감지계(6) 사이에 위치하게 하고, 또한 분사노즐(4)의 위치를, 분사노즐(4)로부터 분사되는 냉각수의 액적이 제 2 기계식 증기 재압축기(13)의 흡입구로 유입되도록 하는 위치로 배치하는데, 이처럼 분사노즐(4)로부터 분사된 냉각수의 액적은, 제 2 기계식 증기 재압축기(13)에 유입되어 임펠러의 강력한 전단력에 의해 신속하게 미세화되는 동시에, 제 2 기계식 증기 재압축기(13) 내부의 넓은 열전달면을 통해, 짧은 시간에, 그리고 짧은 분사거리로 액적이 활발하게 증발되어서 제 2 기계식 증기 재압축기(13)로부터 배출됨에 의해, 증기와의 접촉면적이 극대화되어 증기의 냉각효과가 매우 탁월하다.
1,1': 기계식 증기 재압축기
2,2': 관로
3,3': 냉각수 공급라인
4,4': 분사노즐
5': 유량조절밸브
6,6': 온도 감지계
10: 압력조절밸브
11: 제 1 압력 감지계
12: 제 2 압력 감지계
15: PLC

Claims (2)

  1. 기계식 증기 재압축기에 의해 단열 압축된 과열증기를 냉각하는 장치로서, 상기 과열증기가 통과하는 관로와, 상기 관로에 냉각수를 공급하는 냉각수 공급수단과, 상기 냉각수 공급수단에 연결되어 상기 관로 내로 냉각수를 분사하는 분사노즐과, 상기 냉각수 공급수단과 상기 분사노즐의 사이에 설치되어 냉각수의 유압을 조절하는 압력조절밸브와, 상기 압력조절밸브를 제어하도록 연결된 제어수단과, 상기 압력조절밸브와 상기 분사노즐 사이에 설치되어 냉각의 유압을 측정하고 측정된 데이터를 상기 제어수단에 송신하는 제 1 압력 감지계와, 상기 분사노즐의 분사방향 전방에 위치하여 분사 직후의 냉각수의 유압을 측정하고 측정된 데이터를 상기 제어수단에 송신하도록 설치되는 제 2 압력 감지계와, 상기 분사노즐의 분사방향 전방에 위치하여 냉각 후의 증기의 온도를 측정하고 측정된 데이터를 상기 제어수단에 송신하는 온도 감지계를 포함하고, 상기 제어수단은 상기 제 1 압력 감지계와 제 2 압력 감지계로부터 얻어진 냉각수의 분사전후의 차압, 및 상기 온도 감지계에서 측정된 증기의 온도 측정치에 의거하여, 상기 관로를 통과하는 증기가 소정의 온도에 도달하도록 상기 압력조절밸브를 제어하는 것을 특징으로 하는 기계식 증기 재압축기를 위한 과열증기 냉각장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 분사노즐의 분사방향 전방에 제 2 기계식 증기 재압축기가 추가되어 분사된 냉각수가 상기 제 2 기계식 증기 재압축기의 임펠러의 전단력에 의해 미세화되게 하고, 상기 온도 감지계는 상기 제 2 기계식 증기 재압축기로부터 배출되는 단열 압축된 과열증기의 온도를 측정하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 기계식 증기 재압축기를 위한 과열증기 냉각장치.
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