보통 운전온도가 10도 이하 (spec마다 상이함)이면 cold insulation을 적용한다. 이는 단열재의 열전도도 및 두께에 의존하여 heat gain의 차이가 있으며, 운전온도가 매우 낮을 경우 단열재 두께는 훨씬 두꺼워지고 이에 따라 배관이 차지하는 spacing은 더 커져 pipe rack 공간을 상당히 차지하게 된다. 하지만 이에 반해 heat leak를 획기적으로 줄일 수 있는 방법에 대해 소개하고자 한다.
Vacuum insulated pipe (VIP) 혹은 Vacuum Jacketed Pipe (VJP)는 저온물질이 열유입없이 안전하게 이송할 수 있도록 고려된 효율적인 배관이다. 기존의 conventional cold insulated pipe에 비해 heat leakage가 0.035~0.05배 밖에 되지 않아 cold energy를 save할 수 있다.
Vacuum insulated pipe는 inner pipe, outer pipe 그리고 그 사이에 vacuum space가 있어서 외부로부터 열전달을 최소화할 수 있다. 장점으로는 열유입에 따른 액화가스의 증발 issue를 없앨수 있으며 gas leak가 최소화되어 안전도를 높일 수 있다.
VIP는 주로 액화질소, 액화 CO2, 액화산소, 액화알곤, LNG, 액화수소, 액화헬륨 등 초저온 액체를 안전하게 이송하는데 사용하며 재질은 SS이고 process pipe, jacket, vacuum connection, separator, compensator 그리고 multilayer로 구성된다.
pipe section은 일반적으로 12m 길이, 직경은 1"~10"이상이 가능하며 design code는 EN13480과 ASME B31.3이며 악세서리로서 vacuum purger, vacuum-insulated phase separator 그리고 gas trap을 포함할 수 있다. 진공 단열 제품은 배관외에도 호스, 밸브 그리고 상분리 용기에도 적용할 수 있다.
VIP는 크게 rigid type과 flexible type이 있으며 rigid type은 설치가 용이하며 2개의 rigid pipe를 bayonet fitting을 이용하여 assembled되어 heat loss issue를 피할 수 있으며, flexible 혹은 bendable type은 2개의 convoluted pipe를 bayonet connector를 이용하여 설치된다. 이러한 유형의 type은 일반적으로 조립 지점까지의 운송 및 생산 측면에서 더 경제적이다.
Rigid Vacuum Jacketed Pipe
이 제품은 2개의 SS pipe로 구성되며 inner pipe인 process pipe는 초저온 액체를 이송하며 outer pipe는 진공단열을 support한다. ininer pipe는 radiation shield material로 감싸져 있고 진공을 오랫동안 유지할 수 있다.
VIP를 통해 heat leak와 boil off를 줄여 운전비용을 낮출 수 있으며 비교적 무게가 가볍고 heat mass가 작아 초기 start-up시 cool down 시간과 maintenance시의 warm-up time을 줄일 수 있다. 열효율이 높은 bayonet joint를 통해 동결이나 응축이 없도록 하여 운전 trouble을 방지할 수 있다. modular spool 설계를 통해 설치가 용이하며 10년 이상 보증을 하여 신뢰도와 성능을 유지할 수 있다.
flexibility를 유지하거나 혹은 열팽창이나 팽창루프등을 제공하도록 integrated flex section이 포함될 수도 있다. 열복사의 차폐로 인한 열손실이 최소화된 2중구조의 배관으로서 대기 조건에서 수분에 의한 응축현상이 발생하지 아니하며 반도체, 식품, 의료, 철강, 화학, 우주 항공산업등을 비롯한 모든 분야의 액화가스 이송용 배관으로 널리 사용될 수 있다.
진공도가 높을수록 분자들의 거동이 거의 0이 되어 표면 사이의 열이 전달되는 것을 방지하는 super insulation을 적용하고 있다.
VIP는 단열 자체에 focus를 두지만 VJP는 배관 시스템의 시공에 focus를 둔다. 자켓은 SS로서 부식을 방지하고 구조적으로 안정적이며 내부 배관과의 용접에 적합하다. 다만 VJP도 진공을 이용하고 대류, 전도, 복사 열전달을 최소화하도록 설계되어 있어서 결국 VIP와 VJP는 동일하며 단열과 자켓 중 어떤 부분을 강조하느냐의 차이일뿐이며 공식적으로는 VIP라는 용어를 더 많이 사용하고 있다.
유지관리 비용이 낮고 conventional insulated pipe에 비해 직경이 작아 pipe rack에서 차지하는 공간을 줄일 수 있으며 배관 사이에는 multi layer superinsulation과 getting material이 있으며 진공이 유지된다.
Vacuum Insulated Pipe (VIP)
conventional foam insulation에 비해 thermal leakage 방지가 약 50배 이상 효과적이며 수명이 길고 routing을 위한 공간을 최소화하고 cool down loss도 최소화한다.
VIP는 내부와 외부 배관 사이의 공기를 제거하여 진공을 유지하면서 대류 및 전도의 열전달을 최소화시키며 아울러 복사에 의한 열전달도 줄이기 위해 multi layer insulation을 이용한다. 추가적으로 잔여 가스 분자를 흡수하고 진공을 유지할 수 있도록 getter material이 적용될 수도 있다.
VIP의 장점으로는 heat leak를 최소화함으로서 초저온 액체의 온도를 유지하여 boil off의 가능성을 낮추며 이에 따라 에너지 saving을 할 수 있다. 그리고 액체 상태 유지 및 증발을 방지하여 이송간 혹은 저장간의 safety issue를 없앨 수 있으며 비록 초기 투자비는 높지만 운전비와 비교해보면 전체적인 비용면에서 경제성이 있고 foam insulated piping에 비해 수명도 길다.
결국 두 배관 사이에 multi layer insulation을 통해 복사열전달을 방지하고 또 내부에 진공을 유지하므로서 대류 및 전도 열전달을 위한 media를 제거할 수 있다.
General arrangement of VIP spool – Indicative only
conventional insulated pipe는 단열재의 열전도도와 두께에 의존하여 열전달을 줄이는 것이었지만 VIP는 진공 유지 및 multi layer superinsulation을 적용하여 열전달 메카니즘을 최소화하였다.
conventional insulated pipe는 시간이 지남에 따라 단열재 내부로 수분의 유입 및 단열재 손상으로 단열 성능이 저하된다. 예를 들어 190mm thick PIR or 350mm PUR의 경우 초기 LNG로의 heat flux가 28W/m2이었지만 5~10년을 운전하고 나면 40~50W/m2으로 단열성능이 감소된다. 반면 VIP는 약 3W/m2으로서 거의 10배 이상의 성능이 있다. 다른 사고로 인해 진공이 손상되지 않는다면 시간이 지나도 단열 성능은 유지할 수 있으며, 최근의 제작 기술로 약 40년 이상 진공을 유지할 수 있다고 한다.
이러한 VIP 적용으로 BOG생성을 크게 줄여 BOG system capacity도 줄일 수 있어서 그 시너지 효과는 매우 크다고 볼 수 있다.
conventional PIR/PUR pipeline의 경우 초저온에서 운전동안 core pipe내의 열 수축 (3mm per meter)을 흡수하기 위해 매 100~120m 마다 expansion loop가 놓인다. 즉, expansion loop사이마다 배관은 300~360mm 수축한다.
하지만 VIP의 경우 구조적 장점이 많아 expansion loop를 크게 줄이며 내부에 expansion joint가 있는 경우 외부 배관에 expansion loop가 필요하지 않게 된다. 태양 복사열이나 외기 온도변화로 인한 VIP 배관의 thermal movement는 거의 무시할 만하며 (배관 길이당 약 0.04%정도) 허용 응력 범위내에 있다.
내부에 expansion joint가 없는 경우에는 jacket pipe에 bellows를 설치하여 열로 인한 움직임을 흡수할 수 있다. 그럼에도 conventional insulated piping에서 요구한 120m가 아닌 360m마다 expansion loop를 설치한다.
여러 장점중의 하나가 secondary confinement이다. 즉, core pipe leak가 발생하면 LNG가 jacket pipe내에 존재하게 되어 내부 pipe leak로 인해 대기로 spill되어 위험한 상황으로 전개되지 못하게 할 수 있다.
배관 사이에는 수분이나 산소가 존재하지 않아 부식의 가능성이 없어 유지관리비용도 크게 줄일 수 있으며 VIP spool은 현장으로 delivery되기 전 제작 과정에서 100% 테스트를 하며 capital spare는 요구되지 않는다.
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