[공정] Winterizing(윈터라이징)의 정의 및 적용 기준

플랜트는 연중 연속 운전을 전제로 설계되는 산업시설이다. 따라서 계절 변화에 따른 외기온도의 영향 역시 설계 초기 단계에서 검토되어야 한다.

특히 동절기에는 외기온도 저하로 인해 배관(Piping), 장비(Equipment), 계측기기(Instrument) 내부의 유체가 동결하거나 점도가 증가하여 정상적인 운전이 어려워질 수 있다.

이러한 문제를 예방하기 위해 적용하는 설계 절차를 Winterizing이라고 한다.

Winterizing은 단순한 보온 작업이 아니라 설비의 기능 유지와 운전 신뢰성을 확보하기 위한 설계 항목이며, Basic Engineering 단계부터 적용 여부를 검토한다.

윈터라이징

 

1. Winterizing의 정의

Winterizing은 저온 환경에서 발생하는 동결(Freezing), 응고(Solidification), 점도 증가(Viscosity Increase) 등을 방지하기 위해 배관, 장비 및 계측설비에 적용하는 일련의 보호 설계를 의미한다.

주요 목적은 다음과 같다.

• 유체의 동결 및 응고 방지
• 설비 손상 방지
• 계측기기의 정상 기능 유지
• 공정 운전의 연속성 확보
• 동절기 안전사고 예방

특히 물(Water)은 동결 시 약 9% 정도 체적이 증가하므로 밀폐된 배관에서는 상당한 응력이 발생할 수 있다. 이러한 현상은 배관 파손이나 밸브 손상의 원인이 된다.

 

2. Winterizing와 Insulation의 차이

Winterizing과 Insulation은 동일한 의미로 사용되는 경우가 있으나, 설계에서는 명확하게 구분한다.

Winterizing은 동절기 운전을 위한 전체 보호 개념이며, Insulation은 이를 구현하기 위한 하나의 수단이다.

단열재는 열손실을 줄이는 역할만 수행한다. 내부에서 새로운 열을 공급하지는 않는다.

따라서 배관 내부 유체가 장시간 정체되어 있으면 충분한 두께의 단열재를 적용하더라도 결국 외기온도와 동일한 수준까지 냉각될 수 있다.

이러한 이유로 대부분의 Winterizing 설계에서는 다음 두 가지를 함께 적용한다.

• Heat Tracing : 필요한 열 공급
• Insulation : 공급된 열의 손실 최소화

즉, Tracing이 열원을 제공하고 Insulation이 열을 유지하는 역할을 수행한다.

3. Winterizing의 주요 적용 방법

① Electric Heat Tracing

배관 외부에 전기 히팅 케이블(Heating Cable)을 설치하여 필요한 열량을 지속적으로 공급하는 방식이다.

온도센서와 제어반을 이용하면 자동 온도 제어가 가능하며 최근 건설되는 플랜트에서 가장 널리 적용되는 방식이다.

 

주요 특징

• 시공이 비교적 용이
• 온도 제어 가능
• 유지관리 편리
• Steam 공급이 필요하지 않음

Electric Heat Tracing

 

② Steam Tracing

주 배관과 나란히 소구경 Steam Line을 설치하여 증기의 열을 이용하는 방식이다.

Steam Utility가 이미 구축된 플랜트에서는 경제성이 우수하지만, Steam 공급계통이 없는 시설에서는 적용이 제한된다.

주로 정유공장 및 석유화학 플랜트에서 많이 사용된다.

Steam Tracing

 

③ Steam Jacket

배관 또는 장비 외부를 Jacket 구조로 제작하여 내부에 Steam을 순환시키는 방식이다.

열전달 효율이 높아 고점도 유체나 응고 우려가 큰 유체에 적용된다.

대표적인 적용 유체는 다음과 같다.

• Sulfur
• Asphalt
• Wax
• Heavy Oil

Steam Jacket

 

④ Insulation

단열재를 이용하여 외부로의 열손실을 감소시키는 가장 기본적인 방법이다.

일반적으로 Mineral Wool, Glass Wool, Calcium Silicate 등이 사용된다.

단독 적용보다는 Heat Tracing과 병행하는 경우가 대부분이다.

Insulation

 

⑤ Internal Heating Coil

탱크 내부에 Heating Coil을 설치하여 유체를 직접 가열하는 방식이다.

가열 매체는 다음과 같은 유틸리티가 사용된다.

• Steam
• Hot Water
• Thermal Oil
• 기타 Heat Transfer Fluid

대용량 저장탱크에서 가장 많이 적용된다.

 

Internal Heating Coil

⑥ Instrument Enclosure

현장 계측기를 외기와 차단된 Box 내부에 설치하고 내부에 Heater 또는 Tracing을 적용하는 방법이다.

압력계, 차압전송기, 유량계, Analyzer 등 정밀 계측장비 보호를 위해 적용된다.

Instrument Enclosure

 

 

4. 기타 Winterizing 기법

Winterizing은 Heat Tracing만으로 구성되지 않는다.

프로젝트의 운전조건에 따라 다음과 같은 방법을 함께 적용하기도 한다.

• Drain Valve 설치
• Low Point Drain 구성
• Minimum Flow Bypass
• Underground Piping
• Condensate Pot
• Gas Dryer
• Continuous Circulation
• Dead Leg 최소화

이러한 항목은 설계 단계에서 동시에 검토되어야 한다.

 

 

5. Winterizing 적용 대상 선정 기준

모든 설비에 Winterizing을 적용하는 것은 경제성이 낮으며 유지관리 비용 또한 증가한다.

따라서 대상 설비는 운전조건과 유체 특성을 고려하여 선정한다.

(1) 기후 조건

프로젝트 위치의 Design Minimum Ambient Temperature를 확인한다.

이 정보는 일반적으로 BEDD(Basic Engineering Design Data)에 제시된다.

(2) 유체 특성

다음과 같은 유체는 Winterizing 적용 여부를 우선 검토한다.

• Cooling Water
• Fire Water
• Process Water
• Sulfuric Acid
• Benzene
• Caustic Soda
• Heavy Oil
• Mineral Oil
• Wax
• Asphalt

동결뿐 아니라 점도 증가와 결정화(Crystallization) 가능성도 함께 검토해야 한다.

(3) 운전 조건

운전 중에는 문제가 없더라도 장시간 정지(Shutdown) 시 동결이 발생할 수 있다.

따라서 다음 조건을 함께 검토한다.

• Normal Operation
• Start-up
• Shutdown
• Standby
• Maintenance

(4) Licensor 및 사업주 요구사항

공정 Licensor 또는 사업주가 별도의 Winterizing Philosophy를 제시하는 경우 해당 기준을 우선 적용한다.

특히 LNG, Refinery, Petrochemical 프로젝트에서는 Licensor Requirement가 설계 기준이 되는 경우가 많다.

 

 

6. 설계 시 검토사항

Winterizing 설계는 단순히 Heat Tracing을 추가하는 작업이 아니다.

설계자는 최소 다음 항목을 함께 검토해야 한다.

• 설계 최저 외기온도
• 유체의 동결점 및 응고점
• 정상 운전 및 정지 조건
• 배관 정체 구간(Dead Leg)
• Utility 공급 가능 여부
• Tracing 방식 선정
• 단열재 종류 및 두께
• 유지관리 접근성
• 운전비와 초기 투자비의 경제성

이와 같은 검토 과정을 통해 불필요한 Tracing 적용을 줄이고, 필요한 설비에는 적절한 Winterizing을 적용할 수 있다.

 

마무리

Winterizing은 단순한 동절기 보온 작업이 아니라 플랜트의 연속 운전과 설비 신뢰성을 확보하기 위한 설계 항목이다.

설계 초기 단계에서는 프로젝트의 기후 조건, 유체 특성, 운전 조건 및 Licensor Requirement를 종합적으로 검토하여 적용 대상을 선정해야 한다. 또한 Heat Tracing, Insulation, Steam Jacket 등의 방법은 각각 적용 목적과 경제성이 다르므로 공정 특성에 맞는 방식을 선택하는 것이 중요하다.

실무에서는 Winterizing Philosophy, BEDD, P&ID, Line List 및 Utility Balance를 함께 검토하여 최종 설계 기준을 결정하는 것이 일반적이다.

 

[함께 읽으면 좋은 글]

[공정] P&ID 고정 기기(Stationary Equipment) Symbol