열교환기 Design margin 을 두는 이유

수많은 기자재들의 조합으로 이루어진 플랜트를 유지보수하는 과정에서 다양한 문제점에 직면하게 됩니다. 설비를 최상의 상태로 유지하고 전체 공정의 효율을 올리기 위해서는 기존 설비의 운영상 발생한 문제점에 대한 빠른 대처가 필요하다 할 수 있습니다. 열교환기의 Trouble 은 제어시스템이 없다면 문제점을 발견하기 어려운 기자재 중에 하나입니다. 예를 들어 열교환기 전/후단에 설치되어 있는 온도 계측 장치를 통해서 얻은 값이 정상운전 시에 요구하는 온도 값에 만족하지 못한다면 설비에 대한 문제점으로 인식할 수 있는 부분이죠. 이러한 상시 점검을 제외하더라도 열교환기에 대해서 정기적으로 점검 및 유지보수를 실시 하게 됩니다.

<열교환기 출처 - 위키미디어>

 

 

열교환기의 구조는 매우 단순하지만, Heat balance 를 유지하기 위한 과학적인 원리가 요소요소에 배치되어 있습니다. 프로젝트 엔지니어링 단계에서 열교환기 공급업체로 선정된 회사에서는 초기 단계에서 Design Data 를 바탕으로 열정산을 진행하게 됩니다. HTRI 프로그램이나 수계산을 통해서 진행되는데 이때 Tube 에 대한 Margin 을 고려해서 Design 합니다. 예를 들면 Design 값에 적정 튜브 수량이 100 개라면 실제로는 120 개 정도의 Tube 를 배열하게 되는 것이지요. 산술적으로는 120%정도의 Margin 이 고려 된 셈입니다. 왜 Design margin 을 고려하는 것일까요? 이 질문은 현장에서 발생하는 열교환기의 가장 고질적인 문제점과 직결되어 있습니다. 열교환기가 현장에서 발생하는 문제점들을 나열해 보겠습니다. (여기에는 Engineeirng 단계에서 Design 에 대한 실수는 배제되어 있으며 물리적으로 발생하는 문제점들만 나열되어 있습니다)

• Tube Leak
• Gasket Leak
• Tube Plugged
• Tube Fouling 

열교환기의 현장에서 발생하는 주요 문제점 3가지를 두 단어로 압축하면 "누수와 막힘" 입니다. Tube leak 라는 얘기는 말 그대로 Tube side를 구성하는 많은 Tube 중 일 부분에 유체의 Leak 가 있다는 말입니다. Tube 의 두께는 열정산시에 BWG라는 정해진 규격을 통해서 결정되게 되는데 그 두 께가 일반 배관처럼 두껍지가 않습니다. 이는 열전달의 효율성과 관련성이 있기 때문이기도 합니다만 Leak 라고 표현했지만, 현업에서는 이를 Pin hole 이라고 호칭합니다. 원인은 Design 시에 유속이나 유체의 성분에 따른 Tube 의 재질이나 두께의 옳지 않은 선정에 의한 것도 있지만 장시간 사용할 경우 유속에 의해 내부 표면의 유속에 의해 두께가 얇아지게 되고 Leak 의 원인이 되기도 합니다. 따라서 열교환기를 설계할 때는 항상 유량과 유속을 고려해야 합니다. 이러한 이유 때문에 Spec.상에 Tube 의 두께(몇t이상)를 지정하는 경우가 많습니다.

Gasket Leak 의 경우는 조립상태가 불량하거나 부식성 유체에 의해 Leak 가 발생하는 것으로 드물게 발생하는 원인중에 하나 입니다.

Tube 막힘은 한번 경험해 봤습니다. 열교환기와 같이 많은 양의 냉각수를 필요로 하는 설비들은 주로 바닷물을 사용하게 됩니다. 깨끗한 바닷물도 있지만 그렇지 않은 바닷물도 있지요. 물론 전단에서 Filter를 통해서 열교환기로 물을 흘리지만, 필터링이 되지 않은 상태로 시운전 과정 등에서 유입된 조개 껍데기, 물고기, 진흙 등으로 인해서 튜브 부위가 꽉 막히게 되는 것이지요. 이 경우는 열교환기를 분해해서 정비하면 끝나는 부분이지만 원인을 모를 경우 담당 엔지니어로서는 긴장하게 만드는 요소중에 하나입니다.




Tube Fouling 은 말 그대로 오염에 의해서 Tube 의 효율이 떨어진 상태를 말합니다. HTRI 에서는 사용 유체에 대한 Fouling 계수를 기술하고 있는데 Fouling 이 높은 유체를 사용할 수록 Design margin 을 보다 크게 설정해야 합니다. Fouling 에 의한 열교환기 성능 저하는 초기 단계에서는 발견할 수 없지만 장시간 운전 후에 발생하는 문제 입니다.

열교환기는 HTRI 를 통해서 정해진 규격에 따라 설계를 하고 제조하기 때문에 큰 말썽을 피우지 않는 장치이지만 앞서 설명한 4가지 문제점은 사전에 예측하거나 방지하고 제어한다는 것이 어려운 부분입니다. 따라서 EPC에서 근무하는 엔지니어라면 Vendor data (heat exchanger data sheet) 부분에 Design margin 이나 Fouling factor 가 고려 되어 있는지를 한번쯤은 살펴 봐야 할 것이며 (Fouling factor를 고려하지 않는 경우도 있습니다) 열교환기를 설계 제조하는 회사의 경우는 적정치의 Design margin & Fouling factor 가 고려되어 있는지 다시금 살펴 보는 것이 중요하다 할 수 있습니다.

Inside Insight 였습니다.