cryogenic service blowdown (Depressurizing)

아래 sketch는 blowdown valve 및 후단에 RO를 설치하여 blowdown valve를 open시 과도한 유량이 흐르지 않으면서 적절한 시간내에 depressurizing을 하도록 구성되어 있다. 이는 고압에서의 용기 파열로 인한 2차 재해를 방지하기 위해 고려하였으며, EDV (Emergency Depressurizing Valve) concept은 API 521에 근거를 두고 있다.

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BDV valve와 RO사이에는 최소 600mm를 이격하도록 note처리가 되어 있는데 그 이유는 RO후단에서는 압력이 급격히 떨어져 JT (Joule-Thompson) 효과로 인해 특히 light component에 대해 auto chilling에 의해 영하의 온도로 떨어질 수 있기 때문이다.

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즉, RO를 통해 온도가 급격히 떨어지고 이 차가운 열이 upsteam으로 열전도에 의해 전달이 되면서 blowdown valve가 RO에 가까이 위치하게 되면 차가운 열이 valve까지 전달되어 body주변의 수분에 의해 stem에 icing등 moisture에 의한 sticking될 수 있어서 valve작동에 어려움이 따르게 된다. 그래서 rule of thumb에 의해 valve와 RO 사이의 간격을 최소 600mm이상 이격하여 배관의 solar에 의해 가열된 열원에 의해 차가운 열이 valve까지 전달되지 않도록 일종의 buffering 역할을 하여 valve body에서 온도가 sub zero로 되지 않도록 하기 위함이다.

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아울러 이 과정에서 중요한 개념이 MDMT이며 이는 재질 선정과도 관련이 크다. 즉, 온도가 떨어짐으로서 재질의 brittle fracture가 발생될 수 있으며 이러한 온도강하가 valve까지 미치지 않도록 충분히 이격을 하여 brittle fracture로 인한 damage를 방지할 수 있다.

Automatic depressurization valve arrangement

 

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RO를 통해 pressure drop이 발생하고 이로 인해 JT (Joule Thomson) effect에 의해 온도가 급격히 떨어질 수 있다. 온도 강하는 metal을 따라 upstream으로 열전달이 되어 BDV의 body온도가 0도 이하로 떨어질 수 있으며 이 경우 대기중 수분이 valve 및 stem부위에 달라붙어 icing을 형성할 수 있다.

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이 경우 depressurizing을 완료후 valve를 닫을 수 없는 상황이 벌어질 수 있다. 이는 다른 BDV나 PSV로부터의 back flow때문에 depressurizing되었던 해당 vessel이 re-pressurizing될 수도 있다.

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따라서 RO로부터 BDV사이 구간을 최소 600mm이격하여 JT에 따라 발생된 차가운 온도가 전도에 의해 upstream BDV로 전달되는 과정에서 600mm구간은 solar의 영향으로 BDV가 0도 이하로 내려가지 않도록 기능을 할 수 있다. 즉, 더 light HC일수록 이 구간은 길어질 수 있다.

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Heat Transfer Modeling

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RO후단의 차가운 가스는 유속이 빨라 열전달계수가 커서 RO후단의 pipe wall온도는 거의 가스온도에 근접하게 된다. 가스는 RO후단 방향으로 흐르지만 pipe wall의 차가운 온도는 RO 전단을 향해 열전도에 의해 열전달이 되며 이 과정에서 주변 대기 온도나 배관 내부 유체로부터의 heat gain에 의해 상쇄되어 결국 BDV에 가스의 차가운 온도가 미치지 못하고 0도 이상을 유지하게 된다.

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RO전단의 가스 역시 유속이 빨라 배관을 통해 대류 열전달이 일어나 후단으로부터 전달되어 오는 배관을 통한 차가운 온도 profile의 진행을 방해하게 된다.

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아래 그림은 heat transfer modeling의 결과로 DBV edge온도는 0도로 setting하고 RO (Tb)온도가 각각 -105도일 때와 -46도일때의 piping spool의 요구되는 거리이다. (t는 유체의 온도임.)

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예를 들어 heat trasnfer coefficient값 (m)이 2로 일정할 때 유체온도가 5도일 때 RO후단이 -46도 (C3기준)인 경우 이격 거리는 약 1150mm가 필요하지만, RO후단 온도가 -105도 (C2기준)일 때에는 이격거리가 거의 1600mm 필요한 결과를 보여준다. 그리고 RO후단 온도가 동일한 경우 (동일조성) RO전단의 유체 온도가 높을수록 더 짧은 이격거리를 보여주고 있다.

Tb @ -46C

Tb @ -105C

 

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Case Study

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전단은 600#이며 초기 온도는 50도이고 20" 배관의 RO를 통해 depressurized될 경우 pressure vessel과 후단 flare line의 설계온도는 각각 -25도, -100도로 계산이 되었다. 아울러 RO로부터 역방향으로의 열전달로 인해 -29도가 되는 지점까지의 거리를 case별로 계산하였다.

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재질별 허용 설계온도는 아래와 같다. 이에 따라 위에서 고려한 온도 기준으로 spec break을 결정할 수 있다.

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CS : -29°C < design temperature

LTCS : -46°C < design temperature < -29°C

SS : -105°C < design temperature < -46°C

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DV spec break arrangement

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결론

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위 계산상으로 RO에서 온도 강하에 의한 -100도가 upstream에서의 온도를 0도까지 배관의 온도를 올리는데 600mm 이격이면 충분하다. 이는 저온이 upstream으로 전달되는 area가 내부와 외부로부터의 heat gain area보다 작기 때문이지만 coefficient가 5이하일 경우에는 detail 계산이 필요할 수도 있다.

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비슷한 상황이 저온의 유체가 흘러나오는 PSV후단이 SS일 때 이 배관이 LTCS배관과 tie-in할 경우 LTCS배관은 SS로 upgrade한 후 tie-in을 해야 하는데 spec break point와 tie-in되는 구간의 거리도 유사하게 접근할 수 있다.

location of material/piping break

 

600mm 이격을 적용해도 depressurizing이후 압력용기의 압력이 계속 감소하게 되면 BDV의 온도도 결국 0도 이하가 되어 icing이 일어날 수 있어서 BDV에서 온도가 0도 이상을 유지하도록 depressurizing압력을 specify하거나, 좀더 보수적으로 BDV에 anti-condensation coating과 heat tracing을 적용할 수도 있다.

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아울러 BDV의 closing을 위한 actuator sizing도 depressurizing이전과 이후의 전후단 압력을 예상하여 결정해야 valve 작동하는데 문제가 없다. depressurizing이후 압력용기가 차가운 온도상태에서 re-pressurizing되었을 경우 stress로 인한 brittle fracture현상이 일어나지 않도록 mechanical design에 고려해야 한다.

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