Winterization 이해

winterization은 운전이나 안전에 미칠수 있는 겨울철 외기 조건의 영향을 완화하도록 설계에 고려하는 activity이다. 이는 모든 생산 공정, 저장 설비, utilities 및 infra와 off site에 적용이 된다.

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공정상 겨울철 외기 조건에 노출될 경우 미치는 영향으로는 액체의 동결과 응집, 점도 증가,가스의 응축, 액체의 결정화, 두 액체상으로 층분리, 가스상에서 hydrate생성 등이 있다.

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이에 대한 설계나 운전상 고려할 점으로는 운전 측면의 기술, 단열, 가열, 난방 빌딩, 제설 작업 등이다. 즉, 제설 작업도 일종의 winterization으로서 눈으로 인한 피해를 없애기 위한 활동이다.

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운전측면의 기술

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이는 가열이나 단열을 적용하지 않고 운전상 기술이나 절차에 의존하는 방법들로서, 가장 경제적이고 효율적인 방법임에 따라 단열이나 가열 대신 제일 먼저 고려해 볼 수 있다.

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운전상 오류를 피하기 위해 설계단계에서는 start-up, shut down 그리고 다른 운전모드에서 일어날 수 있는 상황에 대해 고려한다. 운전상 기술로는 흐름이 중지되거나 낮은 유속 혹은 dead zone과 같이 액체가 정체되는 것을 피하기 위한 활동이다.

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이를 위한 방법들은 열교환기 CW side에 적절한 size의 bypass line 이용하여 repair동안에도 흐름이 유지되도록 하고, pump suction / discharge와 같이 후단 check valve 주변에 bypass를 두어 stand-by pump에 대해 일정 소량의 흐름이 유지되도록 한다. (warm-up or cool-down)

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아울러 적절한 배관 size를 선정하여 일정 속도 이상 유지하도록 하거나 slope을 고려할 수 있다. main line 가까이 drain vavle를 두고 shut down시 emptying하도록 한다. 이러한 activity에도 winterization이 충분하지 않다면 단열이나 tracing을 고려한다.

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단열 (Insulation)

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경우에 따라 가열없이 단열만으로도 충분한 winterization을 제공할 수 있다. 이는 tracing에 피해 투자비, 운전비, 유지관리비 등을 줄일 수 있다.

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이 방법은 주로 shut down이후나 낮은 유속에서 연속적으로 흐르는 배관보호를 위해 고려한다. 즉, system내 heat을 오랫동안 유지하여 운전원으로 하여금 필요한 조치를 할 수 있도록 한다. 예를 들어 plant를 재시작하거나 line을 drain하거나 heavy oil을 light oil로 flushing을 한다.

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단열 자체만으로는 배관내 동결이나 응집으로부터 정체된 흐름을 보호할 수 없다. 특히 소구경 배관은 volume에 대한 단면적 비가 커서 빨리 냉각될 수 있기 때문이다. 이 경우 동결을 방지하기 위한 적절한 배관 size를 고려한다.

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또 다른 단열방법으로 주변 hot piping과 cold piping을 함께 단열하는 것이며 hot piping은 항상 고온 상태를 유지해야 한다. winterization용의 단열은 고온 상태를 유지하기 위한 heat conservation용의 단열과는 다르다.

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가열 (Tracing or Heating)

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큰 열손실로 인해 응축이나 동결, 응집을 야기할 경우 적용하며, 방법으로는 tracing, jacketing, internal coil등에 의해 가열을 한다. 선호하는 방법은 전기 트레이싱이며, 스팀 트레이싱은 가급적 피한다. (project마다 다를 수 있으니 utilities비용이나 설치비용등을 사전 확인 필요)

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자켓이나 외부 파이프 혹은 코일을 통해 가열매체를 이용할 경우 부식방지제가 들어간 글리콜 용액을 선호하며 특히 경제적인 이유로 floor나 pump, vessel, 6"이상의 배관에 적용한다.

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계기의 tubing에 전기 트레이싱을 적용하며, 회전기계류 주변 바닥의 콘크리트 내부에는 embedded된 트레이싱을 적용하고 글리콜 액체를 이용한다. 아래의 경우 일반적으로 트레이싱을 요구한다.

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• KO drum에서 user까지의 fuel gas 배관
• lube oil과 seal oil 배관
• 계기 lead tubing
• 물이나 동결되기 쉬운 배관의 dead leg와 drain, pump min flow line, CW bypass line, C/V bypass line
• 물이 존재시의 level 계기
• online & inline instrument
• 응축이나 고형화로 인해 PSV작동에 영향을 줄 경우 PSV in/out line
• compressor inlet line

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전기 트레이싱은 substation에 있는 controller에 의해 온도를 유지한다.

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Pavement heating

shelter 아래에 설치된 펌프나 컴프레서의 경우 access를 고려하여 floor heating을 적용한다. 아울러 control building의 문을 용이하게 열고 닫을 수 있도록 pavement heating을 고려한다. 이 때의 열매체는 고농도 글리콜 용액이며 다른 process 설비들을 위한 가열매체와는 독립적으로 운전된다.

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Heated building

온도가 조절되고 있는 건물내에 설치할 경우 그 내부의 모든 설비는 winterization을 적용한 것으로 볼 수 있다. 또 다른 목적으로 운전이나 유지관리하는데 겨울철 외기 조건에 노출되지 않는다. 주로 analyzer, power supply & control, 물이 포함된 utility system이 포함된다. flammable이나 toxic을 handling하는 설비나 배관이 있을 경우 적절한 환기설비를 고려한다.

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제설 작업

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access 확보

equipment layout이나 elevation을 결정할 때 강설량 하중을 고려하고 service area가 snow depth보다 위로 나오도록 설계한다. 즉, 배관이나 sleeper 높이는 snow depth이상으로 한다. 건물의 바닥은 주변 땅높이 보다 150mm 이상 높게 고려하고, 비상문 바닥 높이도 건물밖 눈높이 이상으로 하거나 문 주변 heated pavement를 적용한다. 공정지역으로부터 제설작업후 모아진 눈은 오염이 되었으므로 녹은 후의 물은 폐수처리장으로 보낸다. 제설작업은 운전이나 안전측면에서 critical equipment나 계기, valve에 대해 먼저 진행한다.

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Equipment별 winterization방법 선정

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compressor

모든 compressor와 고압 소방펌프는 heated building내에 설치되며, 빌딩용 물은 UG로 이송된다. capacity가 작은 compressor는 case by case로 고려하고 만약에 건물밖에 설치될 경우 적어도 아래 기준으로 winterization을 적용한다. 눈으로부터 보호를 위해 shelter를 적용하고 compressor 주변에는 heated floor로 설계하고, lube oil이나 seal oil tank 및 배관은 tracing을 적용한다. 아울러 compressor inlet 배관과 KO drum, buffer vessel, CW line, oil filter, suction filter도 tracing을 고려한다.

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pump

건물밖에 설치될 경우 적어도 아래 기준으로 winterization을 적용한다. 눈으로부터 보호를 위해 shelter를 적용하고, pump주변에는 heated floor로 설계하고, lube oil이나 seal oil tank 및 배관은 tracing을 적용한다. CW bypass나 check valve bypass (pour point가 min ambient온도 이상일 경우)도 고려한다.

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capacity가 큰 펌프의 경우 트레이싱을 적용하고 운전용과 spare pump의 전기는 서로 다른 circuit에서 공급해야 maintenance시 운전되는 펌프에 영향을 주지 않는다. 동결온도가 높은 액체 펌프는 미동결 유체를 이용하여 sealing unit에 flushing을 수행한다. 사용하지 않는 펌프는 모두 emptying하며 다만 간헐적으로 사용되는 펌프는 draining을 하지 않고 대신 casing tracing을 적용한다. pump 냉각은 글리콜 용액으로 한다.

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local panel

local panel의 경우 shelter 및 panel내부를 가열한다.

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drum과 vessel

운전온도가 50도 이상인 물 혹은 물이 혼합된 HC의 경우 내부 자체 heat이 충분하여 물과 접촉하는 nozzle, valve, drain 배관만 단열을 하고, 50도 이하일 경우 tracing되어야 한다. vessel은 HLL 또는 interface level까지 위 기준에 따라 단열 혹은 tracing을 적용한다. boot와 간헐적인 drain line도 전기 tracing을 적용한다. condensate flash drum, blow down drum, desuperheater도 tracing하고, fuel gas KO drum, flare drum 그리고 응축이 가능한 가스배관의 low point도 tracing을 적용한다.

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열교환기

winterization이 요구되는 물질이 있는 경우 drain을 고려하고 (열교환기들은 대부분 heat conservation을 적용), CW cooler의 경우 bypass line은 tracing한다.

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air cooler

겨울철 특히 process 유량이 적을 경우 skin 온도가 낮아 공정온도가 매우 낮을 수 있어서 물이나 물을 포함한 유체일 경우 동결의 가능성이 있다. 아울러 C1~C4의 가스들은 물에 포화될 경우 위와 같은 상황에서 hydrate가 생성되어 tube나 계기 lead line을 막을 수 있다. 이에 대한 winterization방법으로는 air flow control, VSD motor, concurrent flow, cooling air 가열을 위한 heating coil, air recirculation (API661 appendix G) 등이 있다.

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cooling tower

물이 차가운 공기와 contact되어 ice가 생성될 수 있다. cooling tower element내 ice 생성 방지나 혹은 얼음 생성시 이를 녹일 수 있는 heahting system을 고려한다.

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tank

최소 대기온도보다 낮은 동결온도의 light HC은 별도로 winterization이 필요없지만 heat conservation용으로 insulation을 적용할 수는 있다. 만약 HC이 free water를 포함한다면 freezing가능성을 고려해야 하며, 적어도 물과 접촉하는 tank bottom과 drain valve등은 tracing을 적용해야 한다. 오일탱크의 경우 winterization을 적용하되 적어도 물이 존재할 수 있는 tank bottom, water drainage, conservation vent, PSV등은 tracing적용한다. 탱크 내부에 코일을 적용시 내부 유체와의 적합성을 감안하여 재질을 선정한다. flame arrestor의 경우 동결 가능성이 있다면 전기 트레이싱을 고려한다.

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fire hydrant나 monitor는 dry barrel type이고 pit내에 설치되며 valve는 동결심도 아래에 설치하고 extended stem을 이용하여 운전한다. valve seat위의 barrel section은 automated drain이 있어서 valve가 닫힐 경우 barrel내 유체는 주변 흙속으로 draining하게 된다. fire hydrant나 monitor가 사용되지 않을 때에는 AG 배관은 비워지게 되어 동결의 가능성이 없다. 다만 사용하고 난 후 hydrant purging은 가능해야 하며 특히 겨울철 이러한 절차는 검토되어야 한다.

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Piping

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eye wash / safety shower tracing

정체된 main header 구간은 전기 트레이싱되고, branch pipe의 트레이싱은 비상발전 전기이다. 개별 safety shower는 겨울철 사용시 문제가 되어서는 안되므로 drain은 적절한 disposal system으로 연결되어 주변 surface에 ice가 생성되지 않도록 해야 한다.

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그럼에도 불구하고 safety shower에 freezing시 대비하여 header에 isolation valve를 설치하여 주변으로 flooding이 일어나지 않도록 한다. 아울러 alarm을 두어 safety shower를 사용시 해당 운전원을 빨리 조치할 수 있으며 특히 겨울철 젖은 옷으로 인한 과냉 상태를 피해야 하며 이를 위해 heated shower cabin을 고려한다.

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LP steam

만약 LP steam으로 valve seat나 펌프 베어링 예열을 위해 사용한다면, 겨울철 condensate를 disposal하고 steam line blocking인 경우 condensate배출을 위해 bypass가 있는 trap을 고려한다.

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fire water

동파 방지를 위해 dry pipe를 고려하고, 그렇지 않을 경우 물이 채워진 배관이 동결심도 이상에 설치시 emergency power의 전기 트레이싱을 적용한다. 하지만 최대 온도는 45도 이하로 유지하고 동결심도 깊이 이하에 valve pit를 고려한다.

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relief valve in/out tracing

in/out 배관은 dead-end이므로 유체에 따라 tracing을 고려한다. 후단 배관의 트레이싱은 emergency power일 필요는 없다.

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sampling line 및 계기설치 방법

analyzer inlet line은 필요하면 트레이싱 적용하고 압력이나 유량계의 pulse line도 필요시 트레이싱한다. 계기는 특히 추운 날씨에 민감하여 이 조건에서도 작동에 영향이 없도록 설계되어야 한다. 계기의 winterization을 위해 아래 사항을 고려한다. 추운 날씨로 인해 계기 선정에 제한이 있거나 공정 유체를 보호해야 할 경우 heated cabinet을 고려할 수 있으며 capillary line에 tracing을 적용하지 않기 위해 capillary에 채울 적합한 물질을 선정해야 한다. pulse line과 계기의 가열을 위해 트레이싱과 함께 thermowell이나 thermobox를 사용한다. 아울러 차가운 유체로부터 압력 계기를 보호하기 위해 chemical seal을 고려할 수 있다.

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