초저온 공장은 액화천연가스, 액화산소, 액화질소와 같은 매우 낮은 온도에서 가스를 생산하거나 처리하는데 매우 중요한 역할을 하며, 이 설비들의 중심에 cold box가 있다.
저온 유지외에 설비로부터 leak가 발생될 경우 폭발성 분위기를 피하도록 지속적으로 질소를 이용하여 퍼지를 해야 하며 이를 위해 nitrogen purge system으로 Purge inlet nozzle, cold box내 Purge Line, roof의 Breather Valve와 Emergency Hatch, Sampling nozzles, Pressure Gauge가 설치되며 이외 accessories로 Anchor Bolt Set, Platform and Ladder, Drain / Vent Lines, Instrument Lines, Instruments (Thermocouple, Valve, Orifice, etc)가 설치된다.
cold box는 가스 액화와 분리를 위해 필요한 brazed aluminum 열교환기나 증류탑 혹은 이와 관련된 초저온 설비들을 보관하는 CS casing enclosure이며, 외기 조건으로부터 열유입을 최소화하여 공정의 저온을 유지하고 초저온 공정의 성능을 최적으로 유지하는데 핵심적 역할을 한다. 따라서 단열 성능도 우수해야 하며 구조적 설계가 필요하고 내부 설비들을 보호하도록 과압 방지장치도 필요하다.
단열은 주로 perlite를 이용하며 cold box 내부는 건조 질소를 이용하여 가압 및 퍼지를 하여 외부 공기가 유입되지 않도록 한다. cold box 내부 설비들의 compact 설치로 cold box의 크기를 줄이고 쉽게 설치가 가능해야 하며 운전시 모니터링이나 유지관리가 용이하도록 access측면이나 maintenance에 적합하도록 설계되어야 한다.
cold box가 주로 적용되는 공정은 아래와 같다.
- Air separation
- Natural Gas Liquefaction
- Methane Production
- Ethylene Production (NCC)
- Ethylene Recovery Unit
- BOG Condenser
- LNG Cold Utilization
- Industrial Gas Production (production of argon, krypton, and xenon through air separation processes)
cold box의 key function으로는 아래와 같다.
- Thermal Insulation: 외부로부터 열유입을 최소화하도록 perlite와 같은 고효율 단열재를 적용하여 공정에서 요구되는 초저온을 최소의 에너지 비용으로 유지할 수 있다.
- Separation and Liquefaction: cold box내부 가스는 초저온에서 열교환을 통한 상변환이나 분리와 같은 공정이 진행된다.
- Safety Containment: 초저온 공정의 안전을 고려하여 압력 유지 및 leak에 대한 위험을 줄이도록 leak gas를 sweeping하도록 퍼지를 수행한다.
cold box는 직육면체이거나 silo처럼 원기둥 모양일 수 있다. steel panel로 만들어지는 cold box wall은 frame위로 용접이 되며 cold box wall과 설비들 사이에는 단열재들로 채워진다. cold box frame과 foundation은 cold box 내부 모든 설비, 배관, valve, 계기 및 실제 운전시 유체의 무게 등을 고려하여 설계되어야 한다. 이외에도 자연적 외부 조건인 wind loading이나 earthquake에 대해서도 code에서 규정하는 기준을 만족하도록 고려되어야 한다.
cold box내에서 사용되는 단열재는 perlite, fine powder, glass wool과 유사하지만 밀도가 더 높은 slag wool 등이 있다. 특히 access가 굳이 필요가 없는 곳은 perlite를 사용하고, access가 필요한 곳은 쉽게 제거가 용이한 slag wool을 적용하며 주로 터빈, 펌프, valve box에 사용한다.
운전중 cold box내부로는 접근이 불가하여 모든 운전용 밸브나 계기들은 cold box외부로 extention되어야 하며 access를 위해 platform이나 stair 혹은 ladder가 필요하다.
공기가 cold box내부로 유입시 배관이나 설비 외부에서 수분이나 산소가 freezing이 되어 배관의 free movement를 방해하여 심각한 piping stress 및 weight load를 야기할 수 있다. 따라서 모든 opening의 sealing을 철저히 하여 외부 공기나 수분이 들어오지 못하도록 고려해야 한다.
cold box내에는 크게 4종류의 배관이 있으며 이들은 공정배관, PSV배관, vent/drain/purge배관 그리고 instrument배관이다. 공정배관은 설비가 연결용으로 사용하며 1"에서 36"까지 다양하게 사용할 수 있다. PSV배관은 설비와 cold box외부에 설치되는 PSV를 연결하는 배관으로 주로 초저온 유체를 다루므로 질소나 산소일 경우 cold box top으로 routing하여 안전한 장소에 배출하고 HC종류는 dry flare로 배출해야 한다.
drain이나 vent, purge 배관 등은 cold box내부 설비로부터 대기로 안전하게 drain이나 vent, purge를 하기 위한 배관으로, 외부의 utility air나 질소를 공급하기 위한 용도이기도 하다.
instrument piping은 cold box내부 설비나 배관으로부터 운전상태를 모니터링하기 위해 계기가 설치되는데, 이 계기는 감지 및 maintenance가 용이하도록 cold box외부에 설치되므로 이를 연결하기 위한 배관 (impulse line or tubing)이 필요하다. 이들 배관은 가늘기 때문에 열팽창이나 하중 및 support여부 등을 고려하여 적절한 강도가 유지되도록 검토되어야 한다.
cold box safety valve line에는 warm gas seal이 고려되어 cold box로부터 나오는 PSV inlet은 최소 750mm vertical구간에 적용하여 외부에 설치된 PSV가 cold조건에서 운전되지 않고 외기 상태에서 유지되도록 한다.
초저온 배관은 주로 stainless steel, copper alloy, aluminum을 사용하며 저온에서 연성 (Ductile)을 유지하지만 CS은 -29도 이하에서는 brittle하여 부러질 수 있어서 사용해서는 안된다.
간과하기 쉬한 point가 바로 flexibility이다 cold box내 60m tower가 설치될 경우 초저온에 노출되면 약 230mm가 수축된다고 한다. 따라서 여기에 연결되는 배관도 수축이 될 수 있어서 stress analysis를 통해 spring assisted support나 anchoring, sliding movement 등이 고려되어야 한다.
cold box 내부 배관은 access가 거의 불가하므로 leak방지를 위해 모든 joint는 용접이 되어야 하며 불가피하게 flange연결이 필요할 경우 이들은 slag wool로 채워진 별도의 internal box에 위치하여 cold box로부터 perlite를 제거하지 않고 access가 가능할 수 있다.
valve가 cold box내에 위치할 경우 bax wall을 통해 stem이 extended되고 globe valve는 6~8인치에 사용되며, 그 이상은 butterfly valve를 사용한다.
cold box 설계는 복잡하여 여러 사항들에 대해 검토를 해야 한다. 먼저 설비들의 재질로서 초저온 및 고압에 견디도록 설계하되 주로 stainless steel, aluminum, specialized alloy를 사용한다. 최적의 단열 성능을 유지하도록 multi layer insulation이나 vacuum insulation을 적용할 수 있다. 특히 cold box 내부 설비들의 배치시 heat이 accumulation될 수 있는 dead spot은 최소화해야 한다. 안전측면에서 cold box 내부 압력 모니터링 및 과압으로부터 설비를 보호하기 위해 ESD와 PSV를 고려한다.
cold box를 적용하므로서 얻을 수 있는 가장 큰 장점은 당연히 에너지 효율화이다. 즉, 초저온을 유지하기 위해 필요한 에너지를 크게 줄일 수 있으며 아울러 초저온 설비들을 compact하게 배치하고 cold box내에 frame과 module 설계를 적용하여 공사기간을 단축할 수 있다.
Example of Complete Package Design
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