fired heater용 snuffing steam 이해

 

fired heater는 fuel gas를 연소후 그 복사열을 이용하여 process유체를 가열하는데 이용된다. 따라서 coil을 통해 process 유체가 고온의 복사열에 노출됨에 따라 coil의 leak시 대형 사고로 이어질 수 있는 critical facility임에 따라 여러 가지 안전설비들이 요구된다. 그 중에서 fire box 내부에서 화재가 발생시 이를 진압할 수 있는 snuffing steam에 대해 알아보고자 한다.

 

Fired Heater(가열로)에서 Snuffing Steam(질식용 스팀)은 화재 진압 및 폭발 방지를 위해 주입되는 필수적인 안전 설비이다.

 

snuffing steam은 가열로 내부 튜브(Tube)가 파손되어 고압의 유체(연료/공정유체)가 분출되며 발생한 내부 화재를 신속하게 끄기 위해 사용되며 아울러 스타트업(Start-up) 시 로내부에 잔류할 수 있는 가연성 가스를 Purging하여 점화 시 폭발 위험을 제거할 수 있다. 또한 연소실 내부로 유입되는 공기를 치환하여 불이 붙는 데 필요한 산소 농도를 낮춤으로서 화재를 진압하게 된다.

 

불활성 기체인 스팀을 로내부에 대량으로 주입하면 산소가 치환되어 (질식(Smothering)효과) 연소 반응이 멈추게 되며, 스팀이 주변의 열을 흡수하여 연소실 내부 flame 온도를 낮춤으로써 재발화를 억제하고 연소공정을 멈추게 한다. 아울러 내부의 복사열을 제거하며, fuel이 공기와 접촉되는 것을 방지하거나 공기의 유입을 제한하는 기능도 있다.

 

화재 시 가열로 근처로 접근하기 어려우므로, 보통 가열로에서 약 15m 이상 떨어진 안전한 거리에 설치된 valve를 통해 수동 또는 원격으로 조작하며 스팀의 주입위치로는 연소실(Firebox) 하단, 대류부(Convection Section), 헤더 박스(Header Box) 등 화재 발생 가능성이 높은 구역에 노즐이 배치되어 있고, 스팀배관에는 condensate가 존재해서는 안되므로 steam trap을 통해 배출되거나 스팀 배관의 low point에 작은 hole을 설치하여 평상시 밸브 후단에서 fire box로 연결된 스팀배관에는 condensate가 존재하지 않도록 관리하는 게 중요하다. (혹은 optional로서 필요시 간헐적으로 조작하기 위해 spring opening auto-drain valves를 설치할 수도 있음.) 뜨거운 가열로 내부에 물이 급격히 유입되면 체적 팽창으로 인한 물리적 손상(Thermal Shock)을 유발할 수 있기 때문이며, 아울러 expanding vapor에 의해 화염이 fire box 밖으로 나가 매우 위험한 상황이 될 수 있다.

 

주의사항으로는 튜브 파손 시 즉시 스팀을 주입하기보다는 먼저 연료를 차단하고 시스템을 감압한 뒤 주입하는 것이 안전 절차상 중요하며, 과도한 스팀 주입은 가열로 내부의 내화재(Refractory)에 손상을 줄 수 있으므로 설계된 유량에 맞춰 사용해야 한다.

fire box내 coil의 rupture가 일어나게 되면, fired heater와 연결된 시스템의 depressurizing을 진행하고 fuel gas를 차단하며 stack damper는 close해서는 안된다. 아울러 fired heater로 공급되는 compressor나 pump도 모두 shut down하고 이후, fired heater 전후단에서 질소를 공급하여 파열된 coil을 통해 퍼지를 함으로서 air가 coil을 통해 process쪽으로 역류하여 폭발성 분위기를 만들지 못하도록 한다. 이러한 상황이후 스팀을 주입하여 추가적인 냉각을 통해 재발화 등에 대한 위험을 차단한다.

tube leak로 인해 heater의 fire를 control할 수 없거나 온도가 너무 많이 오를 경우 snuffing steam을 사용할 수 있다. 그리고 start-up이나 shut down시 fire box 내부를 퍼지하는데에도 shuffing steam을 이용한다. snuffing용으로 스팀이외에도 CO2나 N2와 같은 inert gas를 사용할 수 있지만 이미 fired heater주변에 steam이 available하다면 다른 inert보다는 스팀을 이용하는 것이 효율적이다.

 

snuffing steam이외에도 fired heater로부터 다른 unit로 화재가 확대되지 않도록 steam curtain을 고려할 수도 있다. 스팀이 분사되므로서 fired heater와 다른 unit를 isolation하여 더 이상 화염이 전파되지 않도록 한다.

 

아울러 heater로부터 멀리 떨어진 곳에 firefighting water monitor nozzle들이 설치되어 화재시 소방수를 이용하여 화재를 진압할 수도 있다.

 

API560 1st ed.에서는 연소공간의 부피 ft3당 steam 2lb/h를 purge steam으로 공급하도록 되어 있었지만, 그 이후 각 firebox에 최소 2군데 purge connection이 필요하며, 15분 이내 firebox volume의 최소 3배를 퍼지하도록 설계해야 하는 것으로 update되었다. purge steam connection은 snuffing steam도 함께 사용이 가능하다고 언급하고 있으며, purge steam은 start-up과정에서 BMS에 의해 sequence와 연동이 되기도 하며 force draft fan이 설치되어 있다면 steam 대신 air를 이용하여 퍼지를 할 수 있다.

 

snuffing steam 주입과정에서 tube나 refractory에 손상을 주거나 impingement를 야기할 수 있어서 이를 피하기 위해 steam 주입 point 위치를 고려해야 한다.

 

화재가 진압될 때까지 fire box내에 스팀을 공급해서는 안된다. 그렇지 않으면 튜브 파열의 emergency case로 인해 flame이 fire box 밖으로 push out될 수 있다.

 

 

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