플랜트 열팽창안전밸브 설계 및 설치 · 2017. 4. 21. · 플랜트...

플랜트 열팽창안전밸브 설계 및 설치 스터디

차 순 철 기술사

CEC 기술사사무소 차스텍이앤씨㈜ 135-860 서울특별시 강남구 도곡1동 954-19 서원빌딩 301호 Tel: 02-573-9795(대표), 010-5278-0815 Fax: 02-573-9725

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A Study on Engineering & Installation of TRV in a Plant

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CEC 기술사사무소 차스텍이앤씨㈜

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목 차

1. 도 입

2. 본 론

2.1 이론적 접근

2.2 외부열에 의한 배관계의 온도상승에 관한 고찰

2.2.1 태양열에 의한 온도 및 압력 상승

2.2.2 태양열 외의 열원에 의한 온도 및 압력 상승

2.3 열팽창안전밸브의 설계시 고려사항

2.4 열팽창안전밸브의 Engineering 관점에서의 압력배출시스템

3. 맺 음 말



3

오일∙가스플랜트

정유∙석유화학플랜트

저유시설

입출하시설에서의

장거리배관이송시설

화학플랜트 설계 배관시설 공정설비 - 검토

다른시설 공정설비 - 검증

설 계

부두

화학 플랜트

저장탱크

인접 플랜트

제품 이송배관

원자재 이송배관

액상배관의 연속운전

1. 도 입



4

1. 도 입

1) 장거리 배관 시설 경우, 정비 또는 특수경우에 일정시간대만 운전됨. 액상 원료∙ 생산품을 채운 채 일정시간 외부열원에 노출됨.

2) 배관 시설이 외부열원에 노출되어 일정시간 경과되면

배관시설내 액체는 태양열에 의한 열팽창됨. 액체팽창을 고려한 적정공정설비를 설계하지 않을 경우, 배관시설의 변형 및 파열 발생함. 화재, 인접시설의 파괴, 환경오염(특히 해양), 자원낭비와 재해발생 우려됨.

3) 액체팽창을 고려한 적정공정설비로서 설계시 고려하는 방법

열팽창안전밸브 설치 (근본적인 설계방법)

구간별로 차단된 배관계의 액체를 드레인하는 방법 (운전원의 부주의로 적절한 조치가 안 되면 대형사고 발생가능]

4) 연구 배경

▶ 배관시설에 운전, 증설 또는 보수를 위하여 필요한 지점마다 차단밸브를 설치할 경우

어떻게 열팽창이 이루어지며, 압력상승과의 상관관계가 어떠하며] 외부열원에 의한 배관계의 온도상승은 어떻게 이루어지는가

를 이론적으로 고찰하고, 설계에 대한 Rule of Thumb을 기술함.



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2. 본 론 2.1 이론적 접근

1) 폐쇄된 배관시설 내 액체 온도상승 시

액체의 부피팽창 >> 배관시설의 팽창 기하급수적인 압력증가

2) 액체부피와 온도, 압력과의 관계

A : 온도증가에 따른 등압부피팽창계수(Liquid Thermal Expansion Coefficient) B : 압력증가에 따른 등온압축상수(Liquid Isothermal Compressibilities)



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∵ 액체에서의 온도변화와 압력변화에 따른 부피변화는 극히 작음.[그림 1]

폐쇄된 배관계 내에서 온도 및 압력변화에 따른 액체의 부피변화도 무시될 수 있으므로 V2=V1임.

식(2.1.7)으로 액체의 온도변화에 따른 열팽창으로 인한 압력변화를 예측 가능 식(2.1.6)에서 온도변화에 따른 배관내의 압력변화가 없을 때 부피변화를 예측할 수 있으며, 이때 B(P2-P1)=0임.

V2-V1≒0이므로 식(2.1.8)은 다음과 같이 나타낼 수 있음.

온도에 따른 부피 변화의 식

• 상수 A, B: Perry Handbook[2] Table 3-147, 3-175 참조

• Data book on Hydrocarbon[6]은 압력별로 부피팽창 표현



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3) 액체 부피팽창계수 > 배관자체 부피팽창계수

외부로부터 열전달시 폐쇄배관 내 압력상승

4) 액체팽창압력 > 배관계 설계압력

배관계 파열

플랜지, 밸브가스킷, 밸브실링 등 손상

해양오염, 화재 등 재난초래

5) 방지책

설계단계에서 철저한 위험성 평가

(HAZOP, PHR, CA, QRA 등)을 수행하여

공정설비 확인해야 함.

6) 설계시 유의사항

열팽창안전밸브의 크기도 중요하나

배압(Back-pressure)에 관한 주의 요망



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2. 본 론 2.2 외부열에 의한 배관계의 온도 상승에 관한 고찰

2.2.1 태양열에 의한 온도 및 압력 상승

1) 태양복사에너지

지역에 따라 차이가 있고 대기중의 오염물질 유무와 농도 차이에 영향 받음.

일반적으로 678 ~ 813 kcal/m3∙hr임.

※ 지하매설배관시설과 보온한 배관은 태양열 온도상승의 영향이 작으므로 고려치 않음.

노출면적 : 태양열에 영향받는 면적, 태양과 직각으로 만나는 직사각형의 면적(원통형일

경우)

방사율(Emissivity): 물질에 따라 다르며, 배관계는 통상 1.0으로 봄.

2) 맑은 날씨에 배관계 최고대기온도 도달할 때까지는 외부 열손실 없고 열축적만 발생함.

열축적은 태양복사에너지와 열전도의 함수로 표현됨.

대류는 고려하지 않음.



3) 태양열에 의한 배관계의 도달할 수 있는 최고 온도

배관계가 최고 대기온도에 도달하는 시간

배관계가 최고대기온도에 도달한 이후,

태양열에 의한 최고온도에 도달하는 경우 배관계가 태양복사에너지를 받고 동시에

배관계 자체는 대류와 복사에 의해 대기로 열을 방출.

따라서 배관계 열손실은

배관계 최고온도상승한계

태양복사에너지의 배관계 열유입(Heat gain) = 열손실(Heat loss)일 때 최대 상승

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2.2.1 태양열에 의한 온도 및 압력상승



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4) 배관계 열손실에 관한 대류와 복사식

5) 태양열에 의한 배관계의 열유입과 열손실이 같아질 때, 배관계가 최고온도에 도달.

6) 식 (2.2.1), 식 (2.2.4), 식 (2.2.6), 식 (2.2.7) 및 식 (2.2.8)을 정리

ΔT= 시행오차법에 의해 산출



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7) 배관계의 온도가 대기온도와 같아진 이후,

태양열에 의한 열유입도 일어나지만, 배관계 자체에 의한 대기로의 복사와 대류에

의해 열손실 현상이 발생.

8) 따라서 배관계의 온도상승 한계는 열유입과 열손실이 같아지는 온도.

즉. 열축적(Heat Accumulation)이 발생하지 않는 점까지 도달함.

9) 매 시간마다 배관계의 온도상승은 식 (2.2.13)에 의해 Δti 를 산출하여

식 (2.2.10)과 같아질 때까지 시간의 합을 산출하면

배관계가 대기온도까지 상승하여 최고의 온도까지 도달하는 시간을 알 수 있음.



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10) 전체 시간의 합은 식 (2.2.3)과 식 (2.2.13)을

이용하여 식 (2.2.10)을 만족할 때까지 걸리

는 시간의 합임.

11) ΔT = T2 - T1이므로 식 (2.1.7)에 의해 온도

의 변화에 따른 압력상승을 산출할 수 있음.



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2.2.2 태양열 외의 열원에 의한 온도 및 압력상승

1) 열팽창안전밸브(TRV) 설치

초저온 액체가 흐르는 관에 보냉(Cold Insulation)이 되어 있을 경우,

보냉의 결함 등의 요인에 의해 외부열의 침입이 예상, 반드시 TRV 설치함[4].

2) 열팽창안전밸브의 설계가 고려되어야 하는 시스템

스팀트레이싱(Steam Tracing) 된 배관계

주변의 고온장치에 노출되어 있는 배관계

열교환기 내부의 튜브의 파손으로 인해 냉각유체가 흐르는 배관계

전기트레이싱(Electrical Tracing)된 배관계 (배관계 온도가 설정온도까지 상승함)

3) 각 경우 별로 온도 및 압력상승은 앞에서 고찰한 방법을 이용하면 모두 계산 가능.



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2. 본 론 2.3 열팽창안전밸브의 설계시 고려사항

1) 부지경계(Battery Limit) 내의 열팽창안전밸브 크기 ¾"×1" 충분(Ref.: API 521).

2) 장거리 라인일 경우[1].

22″～ 24″배관 외경, 20 마일까지의 길이 : 1″× 1½″밸브 하나로 충분.

24″～ 30″배관 외경, 20 마일까지의 길이 : 1½″× 2″밸브 하나로 충분.

30″이상 배관 외경, 20 마일까지의 길이 : 2″× 3″밸브 하나로 충분.

3) 열팽창안전밸브의 개방으로 인한 잦은 문제점 발생함.

문제 발생 위치: 발생 배관 외경이 크지 않고 길이도 짧은 배관

문제 발생 이유: 설정압력(Setting Pressure)이 잘못되었거나 배압(Back Pressure)으로

인한 문제로 판단됨.

4) 배압은 열팽창안전밸브의 배출 배관의 시스템 구성을 어떻게 하느냐에 좌우됨.

5) 배압 크기에 따라 열팽창안전밸브의 타입 및 크기가 달라질 수 있으므로 선정 시 유의를 요함.



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2. 본 론 2.4 열팽창안전밸브의 Engineering 관점에서의 압력배출시스템

1) 열팽창안전밸브의 선정이 잘못된 경우

결과 : 배관압력이 급격히 상승, 열팽창안전밸브의 잦은 개폐 발생

▶ 시스템 압력의 불안정 발생 ▶ 배관시설의 진동 및 파손 야기

원인 : 열팽창안전밸브의 크기 부족, 배출 배관계의 설계 오류로 인한

배압의 상승이 액체를 충분히 방출하지 못함에 있음.

2) 열팽창안전밸브 설계 시 확인해야 하는 사항

배압이 있을 경우 밸브 타입 및 크기 선정에 신중해야 함.

배압분율을 낮추기 위해 설정압을 높일 경우 배관의 설계압력을 높여야 함을

간과해서는 안됨.

열팽창안전밸브의 배출 배관시스템을 분리 설치하여 배압을 낮추어 주는 것

이 가장 이상적인 방법임.



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3) 사례 : 탱크로부터 부두에 접안해 있는 배에 유류를 로딩(Loading)하는 하역시설

설계시 고려사항

▶ 각 TRV Type (Conventional, Balanced, Pilot)

▶ 설정 압력(Set pressure)을 고려하여 설계(용량 계산) 및 설치

각 TRV의 배압분율 및 Type 선정

TRV-2와 TRV-3는 적정 타입의 밸브가 없음.

▶ 정상적 작동이 어려워 사고의 위험을 초래함.

▶ 정상적 작동을 위해서 설정압을 높여 배압분율이 50%이하가 되어야 함.

▶ 배압분율을 낮추기 위한 설정압을 높일 경우 배관 시스템의 설계압력을 높여야 함.


TRV No. 배압 (bar) 설정압 (bar) △P (bar)

TRV-1 1.5 8.5 7

TRV-2 8.5 11.6 3.1

TRV-3 11.6 12.4 0.8

TRV No. 배압 분율 적합도

TRV-1 설정압의 17.6% (=1.5/8.5) Balanced

TRV-2 설정압의 73% (=8.5/11.6] -

TRV-3 설정압의 94% (=11.6/12.4] -

TRV 타입 TRV 타입에 따른 배압 허용치(%)

Conventional 10

Balanced 25

Pilot 50


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4) 이상적인 방법 [그림 5]

열팽창안전밸브의 배출배관시스템을 분리설치하여 배압을 낮춤.

밸브크기, 설정압력, 배관시스템 설계압력 및 타입선정이 용이하게 됨.

5) 어느 경우이건 직렬식으로 열팽창안전밸브의 배출배관을 연결하는 것은 바람직하지 못함.

6) 특히 Hydrocarbon Processing (May 1982) 중 Effective Pressure Relief of Offsite

Piping에 관한 내용에서 (page 214) 1. Blow to Upstream Case는 열팽창안전밸브의 배압

에 의한 특성을 고려하지 않고 기술한 내용이므로 설계 시에 주의를 요함[3].



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2. 본 론 2.5 열팽창안전밸브의 설치시의 예외사항

1) 열팽창안전밸브(Thermal Relief Valve) 설치 시의 예외사항

: 배관계에서 열팽창안전밸브의 설치를 고려하지 않아도 되는 경우는 하기와 같음.

부지경계(Battery Limit) 내의 배관에 차단밸브가 설치되어 있으나, 기기에 Pressure

Relieving 설비가 부착되어 있는 경우.

Rundown 탱크 시설에서 배관길이가 120 m를 초과하지 않는 경우.

배관집합관(Manifold)에서 밸브 사이의 거리가 80 m 이하이며, 150 lb solid wedge

gate valve일 경우.

외부로부터 열출입이 없는 지하배관.

항상 65℃ 이상의 고온액체가 흐를 경우.

가스배관 혹은 Two Phase 배관.



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3. 맺 음 말

1) 이론적 고찰 배관계 열팽창, 압력상승과의 상관관계 외부 열원에 의한 배관계 온도 상승 상관관계

2) 중점적 고찰

열팽창안전밸브의 설계시 고려사항 1) 열팽창안전밸브(TRV)의 Engineering 관점에서 압력배출시스템 2) 열팽창안전밸브(TRV)의 설치 시의 예외 사항

3) 설계시 주의 사항

배관의 외경 크지 않고, 길이 짧은 경우 잦은 TRV의 개방으로 문제 발생 : 설정 압력 및 배압(Back-pressure) 재확인. : TRV의 배출 배관 시스템 구성, 배압의 크기에 따른 TRV의 타입 및 크기 선정에 유의 요망. 배압분율을 낮추기 위해 설정압력을 높일 경우, : 배관 설계 압력을 높여야 함을 설계 시 환기 필요. : 이상적인 방법은 TRV의 배출 배관 시스템을 분리 설치하여 배압을 낮추어 설계.



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Nomenclature



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참고문헌

[1] Chemical Engineering, "Safer Relief Valve Sizing", Chemical Engineering, 1989.

[2] John H. Perry, "Perry's Chemical Engineers Handbook", 6th Ed., 1984.

[3] "Effective Pressure Relief of Offsite Piping", Hydrocarbon Processing, 1982.

[4] Chemical Engineering, "Are Liquid Thermal Relief Valves Needed?", Chemical Engineering, 1984.

[5] American Petroleum Institute, "Liquid Expansion", API-RP-521, Appendix C.

[6] J. B. Maxwell, "Data Book on Hydrocarbons", pp 143-147.

[7] Wayne C. Edmister, Byung Ik Lee, "Applied Hydrocarbon, Thermodynamics", Vol.1, 2nd Ed., 1984.

[8] J. M. Smith, "Chemical Engineering Thermodynamics".

[9] "Relieving Thermal Expansion of Liquids Engineering in Piping", Aramco Engineering Standards,

AES-L-19.



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