고정장치(Stationary Equipment)의 개요와 주요 구성 요소

고정장치(Stationary Equipment)의 개요와 주요 구성 요소

 

 

 

 

1. 개요

  1) 고정장치(Stationary Equipment)는 회전기계(Rotating Equipment)와 대비되는 개념으로, 운전 유체를 유지, 반응,

    이송시키기 위해 만들어진 고정형 설비를 의미합니다.

  2) 일반적으로 산업 플랜트에서 사용되는 고정장치는 압력 용기(Pressure Vessel), 열교환기(Heat Exchanger),

      반응기(Reactor), 저장탱크(Storage Tank) 등이 있으며, 공정에서 중요한 역할을 수행합니다.

  3) 이러한 장치는 기계적 하중과 열적 스트레스에 견딜 수 있도록 설계되며, 신뢰성을 유지하기 위해 정기적인 점검과

    유지보수가 필수적입니다

 

 

2. 고정장치의 주요 구성 요소

고정장치는 기본적으로 Shell(쉘), Internal(내부 구조물), Nozzle(노즐), Support(지지 구조), Platform(플랫폼), Ladder(사다리) 등의 주요 요소로 구성됩니다. 각 요소는 고정장치의 기능을 수행하는 데 중요한 역할을 하며, 설계 및 운전 조건에 따라 다양한 형태로 제작됩니다

  1) Shell(쉘)
    - Shell은 고정장치의 외부 구조로, 내부 유체를 안전하게 보관하고 압력을 유지하는 역할을 합니다.

    - 일반적으로 원통형으로 제작되며, 두께와 재질은 내부 운전 조건(압력, 온도, 유체 특성 등)에 따라 결정됩니다.

    - 쉘의 설계에서는 기계적 강도뿐만 아니라 부식 저항성과 열팽창에 대한 고려가 필요합니다

  2) Internal(내부 구조물)
    - Internal은 고정장치 내부에서 특정 기능을 수행하는 부속 장치들을 의미합니다.

    - 예를 들어, 반응기 내부의 촉매 지지체, 열교환기의 전열 튜브(Tube Bundle), 증류탑의 트레이(Tray) 및

    패킹(Packing) 등이 Internal에 해당합니다.

    - Internal은 운전 조건에 따라 다양한 형태로 설계되며, 유지보수의 편의성과 성능 최적화를 위해

    지속적으로 개선되고 있습니다

  3) Nozzle(노즐)
    - Nozzle은 고정장치와 외부 배관 시스템을 연결하는 부분으로, 유체의 입출구 역할을 합니다.

    - 압력 용기나 열교환기에서 Nozzle의 크기와 위치는 유체의 흐름을 최적화하는 데 중요한 요소이며,

    스트레스 분석을 통해 적절한 보강이 필요합니다

  4) Support(지지 구조)
    - 고정장치는 자체 무게뿐만 아니라 내부 유체의 하중, 열팽창 등에 의해 구조적인 영향을 받습니다.

    - 따라서 이를 안정적으로 지지하기 위한 다양한 구조물이 필요합니다.

    - 일반적으로 Saddle(새들), Skirt(스커트), Leg(레그) 등의 지지 방식이 사용되며, 각 방식은 설비의 특성과

    설치 환경에 따라 선택됩니다

  5) Platform(플랫폼) & Ladder(사다리)
    - Platform과 Ladder는 작업자가 장비에 접근할 수 있도록 설계된 구조물입니다.

    - Platform은 유지보수 및 점검을 위한 공간을 제공하며, Ladder는 고지대 장비 접근을 용이하게 합니다.

    - 이러한 구조물은 안전성을 고려하여 설계되며, 난간과 미끄럼 방지 장치가 필수적으로 포함됩니다

 

 

3. 고정장치의 주요 유형

  1) 압력 용기(Pressure Vessel)
    - 압력 용기는 내부 유체를 특정 압력과 온도 조건에서 유지하기 위한 장치로, 화학 및 석유화학 플랜트에서 널리

    사용됩니다.

    - ASME Boiler and Pressure Vessel Code(ASME BPVC)에 따라 설계 및 제작되며, 주요 구성 요소로는

    Shell, Head, Nozzle, Internal 등이 포함됩니다

  2) 열교환기(Heat Exchanger)
    - 열교환기는 서로 다른 온도의 유체 간 열을 교환하는 장치로, Shell & Tube Heat Exchanger, Plate Heat Exchanger,

      Air Cooled Heat Exchanger 등의 종류가 있습니다.

    - 효율적인 열전달을 위해 Internal 설계가 중요한 역할을 하며, fouling(오염물 축적) 방지를 위한 유지보수가 필요합니다

  3) 반응기(Reactor)
    - 반응기는 화학 반응을 유도하는 장치로, 촉매 반응기, 혼합 반응기, 연속 반응기 등 다양한 형태가 존재합니다.

    - 반응기의 성능을 결정하는 주요 요소는 Internal 구조(예: 촉매 베드, 교반기 등)이며, 공정 조건에 따라 맞춤 설계가

      이루어집니다

  4) 저장탱크(Storage Tank)
    - 저장탱크는 원유, 화학 제품, 가스를 저장하는 장치로, 대기압 조건에서 운전되는 대형 탱크와 고압용 탱크로

    구분됩니다.

    - 탱크 설계에서는 재질 선택, 방폭 설계, 부식 방지 대책 등이 중요합니다

  5) 타워 및 컬럼(Tower & Column)
    - 타워와 컬럼은 주로 증류, 흡수, 탈착 등의 공정을 수행하는 장치로, 석유화학 공정에서 중요한 역할을 합니다.

    - 내부 구조로는 트레이(Tray), 패킹(Packing) 등이 포함되며, 운전 조건에 따라 설계가 최적화됩니다

 

 

4. 고정장치의 요구 특성

  1) 누설 방지(Leak Prevention)
    - 고정장치는 유체가 새지 않도록 설계되어야 하며, 이를 위해 용접부 및 플랜지 연결부의 기밀성이 중요합니다.

    - 또한, 가스켓 및 실링 재료의 적절한 선택이 필수적입니다

  2) 내부식성 및 내화학성
    - 고정장치는 부식에 강해야 하며, 화학물질과 접촉하는 경우 적절한 내부 코팅 또는 라이닝 처리가 필요합니다.

    - 특히, 부식성과 강도를 동시에 고려해야 하는 경우 이중 구조 또는 특수 합금이 적용됩니다

  3) 기계적 안정성(강도 및 응력 분포)
    - 고정장치는 운전 중 압력과 온도 변화에 견딜 수 있도록 충분한 강도를 가져야 하며, 스트레스 분석을 통해

      응력 집중이 발생하지 않도록 설계됩니다

 

 

5. 과압보호장치(Overpressure Protection Device)

고정장치는 운전 중 과압이 발생할 가능성이 있으며, 이를 방지하기 위해 과압보호장치가 필수적으로 설치됩니다. 주요 과압보호장치는 다음과 같습니다

  1) Pressure Relief Valve(PRV)
    - PRV는 특정 압력 이상이 되면 자동으로 개방되어 내부 압력을 방출하는 장치입니다.

    - 일반적으로 스프링 로드 방식이 많이 사용되며, 압력 설정값을 초과할 경우 즉시 작동하여 장비를 보호합니다

  2) Rupture Disk(파열판)
    - Rupture Disk는 설정된 압력에 도달하면 물리적으로 파열되어 압력을 방출하는 일회용 장치입니다.

    - 응답 속도가 빠르며, PRV와 함께 병행하여 사용되기도 합니다

  3) Pilot-Operated Relief Valve
    - 파일럿 작동식 릴리프 밸브는 주 밸브를 개방하기 위한 보조 파일럿 밸브를 포함하는 장치로,

       보다 정밀한 압력 제어가 가능합니다

  4) Buckling Pin Relief Valve
    - 압력 증가 시 내부 핀이 좌굴(Buckling)하여 개방되는 방식으로, 신뢰성이 높고 반복 사용이 가능합니다

 

 

6. 결론
고정장치는 산업 플랜트에서 필수적인 설비로, 신뢰성과 안전성을 유지하기 위해 철저한 설계와 유지보수가 요구됩니다. 이를 통해 안정적인 공정 운영과 장기적인 설비 수명을 보장할 수 있습니다.