공냉식 열교환기 고장 시 소요분출량 산정

공냉식 열교환기의 전원 상실(Loss of Power) 또는 기계적 고장(Fan Failure)으로 인해 냉각 능력이 상실되는 경우, 응축되지 못한 증기가 시스템 내부 압력을 상승시켜 과압을 유발하여 이에 대한 소요분출량 산정이 필요하다.

 

 

 

공냉식 열교환기 고장 시 소요분출량 산정

공냉식 열교환기 고장 시나리오

공냉식 열교환기(Air Cooled Heat Exchanger, 이하 ACHE)의 고장은 주로 팬(Fan)의 정지나 루버(Louver)의 오작동 등으로 인해 발생하며, 이는 냉각 능력 상실(Loss of Cooling) 시나리오에 해당한다.

ACHE의 전원 상실(Loss of Power) 또는 기계적 고장(Fan Failure)으로 인해 냉각 능력이 상실되는 경우, 응축되지 못한 증기가 시스템 내부 압력을 상승시켜 과압을 유발합니다. 이 시나리오는 API 521의 "냉각 상실(Loss of Cooling)" 범주에 해당합니다.

이때 안전밸브가 배출해야 할 소요분출량(W)은 정상 운전 시 응축되던 증기량을 기준으로 산정한다.

• 완전 고장(Total Failure): 모든 팬이 정지한 경우를 가정하며, 자연 대류에 의한 일부 냉각 효과는 보수적인 설계를 위해 보통 무시하거나 아주 낮은 비율(예: 10~20%)만 인정한다.
• 부분 고장(Partial Failure): 여러 개의 팬 중 일부만 정지한 경우, 정지된 팬이 담당하던 용량만큼을 배출량으로 잡는다.

 

 

소요분출량(W) 산정 기준식

가장 보수적이고 일반적인 계산 방식은 정상 운전 시의 유입 유량과 냉각 효율의 상관관계를 이용하는 것이다.

공식 1: 유입량 및 효율 기준 (질량 유량)

W = Wᵢₙ ⋅ (1 - Φ)

• W: 소요 분출 질량 유량 (kg/hr)
• Wᵢₙ: 열교환기로 유입되는 정상 운전 시의 증기 질량 유량 (kg/hr)
• Φ: 고장 시 잔류 냉각 효율 (0 ≤ Φ ≤ 1)

       - 전면 고장(Total Failure): Φ = 0 (자연 대류 무시 시)

       - 부분 고장(Partial Failure): 가동 중인 팬 수 / 전체 팬 수

 

공식 2: 열에너지 수지 기준 (열량)

W = (Qₙₒᵣₘₐₗ - Q_fₐᵢₗᵤᵣₑ) / L

• Qₙₒᵣₘₐₗ: 정상 운전 시 응축을 위해 제거되는 열량 (kcal/hr)
• Q_fₐᵢₗᵤᵣₑ: 팬 정지 후 자연 대류 등에 의해 제거되는 잔류 열량 (kcal/hr)
• L: 안전밸브 분출 압력(Relieving Pressure)에서의 증발 잠열 (kcal/kg)

 

 

공냉식 열교환기 고장 시 계산 사례 (Case Study)

다음 사례는 공냉식 열교환기 전면 고장 시 예시이다.

[상황(고장 조건)]: 전원 공급 중단으로 인한 모든 팬(Total Fan Failure) 정지 (Φ = 0 가정)

 

[Step 1] 설비 데이터 수집

대상 기기: 증류탑 상부 응축기 (Condenser, E-101)

유입 증기(Wᵢₙ): 30,000 kg/hr (질소 및 경질 탄화수소 혼합물)

설정 압력(Set Pressure): 10 kg/cm2g

분출 압력에서의 잠열(L): 150 kcal/kg

정상 제거 열량(Qₙₒᵣₘₐₗ): 4,500,000 kcal/hr

 

[Step 2] 소요분출량(W) 산출

자연 대류 효과를 배제한 보수적 접근 시:W = 30,000 kg/hr ⋅ (1 - 0) = 30,000 kg/hr

 

[Step 3] 안전밸브 면적(A) 계산 (API 520 적용)

위에서 구한 W = 30,000 kg/hr를 다음 식을 사용한다.

A = W / (C ⋅ K_d ⋅ P₁ ⋅ K_b ⋅ K_c) ⋅ sqrt(T₁ ⋅ Z / M)

 

 

엔지니어링 추가 고려 사항

• 자연 대류(Natural Convection): API 521에 따르면 공냉식 열교환기는 팬이 멈춰도 공기의 온도 차에 의해 약 15~30%의 냉각 능력을 유지할 수 있다고 명시되어 있다. 하지만 국내 법규(KOSHA GUIDE)나 보수적인 현장 기준에서는 이를 0으로 간주하여 안전 마진을 확보하는 것이 일반적이다.
• 분출 압력의 잠열(L): 반드시 정상 압력이 아닌 P₁ (설정 압력 + 과압) 조건에서의 물성치를 적용해야 한다. 압력이 높을수록 잠열이 낮아져 소요분출량이 커지기 때문이다.
• 루버(Louver) 상태: 루버가 자동으로 닫히는 타입(Fail-Close)이라면 자연 대류 효과는 완전히 무시되어야 한다. 또한 팬은 돌아가더라도 루버가 닫힌 채 고장 난다면 이 또한 냉각 중단 시나리오에 포함하여 계산해야 한다.
• 상태 변화 확인: 유입되는 유체가 단일 성분이 아닌 혼합물인 경우, 온도 상승에 따라 성분비가 변할 수 있으므로 분출 시점의 물성치(잠열, 분자량 등)를 정확히 확인해야 한다.