난방/급탕 열교환기의 온도 헌팅(Hunting)과 진단 방법
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난방/급탕 열교환기의 온도 헌팅(Hunting)과 진단 방법
최근 들어 열병합발전과 지역난방이 확대 보급되면서 아파트와 같은 연중 온수를 필요로 하는 곳에서 설비비와 유지비, 기계실 체적 등을 고려하여 지역난방방식을 채택하고 있다.
지역난방에서는 고온의 열매체를 운송, 공급하여 주고, 각각의 단지에서는 열교환기와 순환펌프 시스템만 설치하여 중온수와 난방/급탕관수를 열교환을 하여 각 세대에 공급을 하게 한다.
열교환시스템의 계통은 아래의 그림과 같다.
여기서는 아래와 같은 형태로 구성된 지역난방지역에서 중온수를 사용하는 아파트 급탕 열교환시스템을 중심으로 장비 운영 중에 자주 발생되는 온도 헌팅 현상에 대하여 발생 원인과 그 진단방법을 설명한다.
◈ 시스템 계통
- 급탕 열교환기 시스템 -
- 난방 열교환기 시스템 -
※ 계통도 범례
1. G : 공급온도 온도계
2. T1 : 공급온도 센서
3. T2 : 환수온도 센서
4. AI : 시스템으로의 아날로그 입력신호
5. DPV : 난방계통의 차압밸브
◈ 시스템 하자 발생 개요
지역난방에서 공급하는 중온수의 온도는 지역에 따라 다르지만 일반적으로 90~120℃ 정도이다.
120℃ 중온수는 1Kg/cm2의 압력을 가진 스팀의 온도와 같아 열량이 높기 때문에 정상적인 시스템의 운영이
안 될 때에는 순간적으로 시스템 온도의 이상상승이 있을 수 있다.
그렇기 때문에 중온수 열교환시스템은 온도제어에 있어서 하자가 발생하기 쉽고 온도제어가 까다롭다.
제어시스템의 일반적인 이상은 공급온도값의 헌팅(Hunting) 현상과 중온수 공급압력의 갑작스런 변동으로
인한 전동밸브(Actuator)의 소손이다.
난방은 열교환기 2차측에 세대로 공급되는 배관(순환펌프, 차압밸브)이 구성되어 있고
각각의 세대에는 온도조절밸브가 설치되어 있다.
난방에서는 이렇게 설치된 온도조절밸브나 차압밸브의 이상으로 인하여 하자가 접수되는 경우가 대부분이다.
급탕은 열교환 용량이 큰 판형 열교환기를 사용하여 순간순간 필요한 온수를 짧은 시간 안에 가열할 수 있으며 가열된 온수가 세대로 공급되고, 세대에서 사용하고 남은 온수가 환수관을 통하여 열교환기로 환수되며,
세대에서 사용하고 부족한 물량은 보충수관을 통해 열교환기의 입구측에서 보충되는 형태를 취한다.
배관의 관경은 환수관은 세대에서 사용하고 남은 양이 환수되기 때문에 환수관의 관경은 공급관보다
훨씬 작고 보충수관의 관경은 공급관의 관경과 거의 동일하다.
급탕에서는 이와 같이 환수관의 작은 관경과 보충수관의 큰 관경 때문에 항상 온도값은 일정범위 이내에서
헌팅을 하게 되지만 순환이 안 되는 상황에서는 그 폭이 훨씬 커진다.
◈ 공급온도 헌팅의 원인과 조치방법
시스템 공급온도의 헌팅(Hunting)이란 공급 온도값이 설정값에서 안정적이지를 못하고 계속적으로 상하
변동되는 것을 말한다.
이러한 헌팅의 원인에는 여러 가지가 있지만 그 중에서 대표적인 것은 제어시스템에 적절한 PID 제어변수
설정값이 잘못되어 발생하는 시스템적인 원인과 센서, 전동밸브, 밸브와 같은 자재의 부적절한 선정이나 설
비 시공 또는 유속의 급격한 변동 등에 의한 하자와 같은 설비적인 문제로 나눌 수 있다.
① 제어변수 설정값이 잘못된 경우
시스템에서 온도를 제어하고자 할 때 제어에 관계되는 변수에는 다음과 같은 것들이 있다.
먼저 제어대상인 온도센서값(PV)이다.
이것은 현장에 센서를 설치하여 시스템에 받아들이는 아날로그 입력값이다.
둘째 제어대상인 온도의 목표값이다.
이것은 시스템에 "설정값"으로 표현되며 원하는 설정값을 입력한다.
셋째 설정값을 기준으로 하여 출력값을 제어하고자 하는 PV값의 변화폭인 비례대(P값).
넷째 출력값 제어를 할 때 PV값과 설정값을 비교하여 편차를 얼마나 자주 보정하여
출력값을 변동시킬 것인가를 정하는 적분상수(I값) 등이 있다.
비례대(P값)란 설정값을 기준으로 밸브출력이 0%에서 100%까지 발생될 때에
이에 해당하는 온도값의 폭을 비례대(Proportional Band)라 한다.
즉 밸브를 제어하고자 하는 온도범위를 말한다.
예를 들어서 설정온도를 60℃로 설정하고 비례대를 10℃로 설정했다면
급탕온도조절밸브는 55℃에서 100%가 열리고 온도가 65℃를 넘어서면 0%로 닫히게 된다.
여기서 55℃와 65℃의 범위, 즉 밸브 제어온도범위를 비례대라 한다.
일반적으로 SV, HV, CV 등의 경우에 비례대를 크게 하면 큰 편차가 생기게 되고
온도가 설정값에 가까워 졌을 때에도 밸브가 50%정도 개방되어 있는 관계로 열원의 낭비가 발생된다.
때문에 SV, HV, CV, DAMPER 등은 출력값의 변화에 대해 PV값의 변화량이 작을 경우
(예. 공조기에서 환기온도를 제어할 경우)에는 비례대를 작게하고,
출력값의 변화에 대해 PV값의 변화량이 큰 경우(예. 공조기에서 급기온도, 난방/급탕에서 공급온도를 제어하고자 할 때)에는 비례대를 적당히 크게 하는 것이 좋다.
그러나 인버터의 경우에는 비례대를 작게 하면 PV값의 작은 변화에도 인버터 출력의 변동이 심하여 모터의
수명에 큰 영향을 미칠 수 있기 때문에 인버터의 비례대는 가능한 크게 할 필요가 있다.
P값이 너무 작을 때는 작은 온도범위에서 밸브의 출력변화가 크기 때문에 시스템이 안정화되기 전에
주기적으로 헌팅이 발생한다.
따라서 난방이나 급탕에서 공급온도를 제어하고자 할 때에는 P값은 적당히 큰값을 취하여 그 값을 서서히
낮춰가며 온도값이 안정적인 값을 설정하여야 한다.
I값은 적분동작(Integral Action)을 하는 제어요소이다.
여기서 말하는 적분동작이란 비례속도동작 또는 리셋동작이라고도 하며, 비례제어만으로 제거되지 않는
잔류편차를 없애기 위해 비례제어를 보완하는 동작이다.
적분동작에서 적분동작만으로 비례동작과 같은 크기의 조작량을 얻기까지의 시간을 적분시간
(MPR : Minutes Per Repeat)이라고 하며,
적분시간의 역수를 리세트율(RPM:Number of Repeats Per Minutes)이라 한다.
Dynanet시스템에서 사용하는 I값(적분상수)의 수치는 작으면 작을수록 공급온도값의 작은 변화에도 빠른 출력변화를 보이므로 난방이나 급탕 가동 초기에 설정값을 빨리 찾아갈 수는 있으나, 설정값을 초과하는 오버슈트(Overshoot)나 헌팅현상이 발생될 수 있다.
I값이 크면 클수록 공급온도값의 변화에 따른 순간적인 출력의 변화가 작아지기 때문에 난방이나 급탕 초기 기동시에 설정값을 찾아가는 데에 많은 시간이 소요된다.
최적의 I값은 오버슈트를 발생시키지 않는 한도 내에서 가능한 작게 설정하는 것이 적당하다.
I값을 작게 하여도 공급온도값에 오버슈트나 헌팅이 있을 때에는 비례대를 적절히 크게 함으로써 보정이 가능하다.
I값이 너무 작으면 설정온도와 제어온도와의 작은 편차에도 큰 출력 변화를 보이기 때문에 헌팅이 발생할 수도 있고, 또 너무 크면 온도편차에 대한 시스템의 응답이 과도하게 늦어져서 시스템의 출력에 대해서 그 반응시간이 빠른 시스템에서는 부하에 대한 대응속도가 늦어서 사용할 수가 없다.
② 제어값의 변화에 대한 시스템의 응답속도가 늦을 경우
온도센서가 배관을 흐르는 물의 온도변화를 감지하는 속도가 늦으면 제어시스템에
헌팅(Hunting)이 발생한다.
감지속도에 영향을 주는 것은 센서 소자의 특성, 센서와 웰 사이의 중공부분이 커서 전열에 시간이 걸릴 때,
배관에 설치된 웰의 삽입깊이, 열교환기와 센서 설치위치의 이격거리 등이다.
첫째, 센서 소자의 온도변화에 대한 감응속도가 늦은 경우에는 급탕공급온도와 같이 순간순간 변화하는
유체의 온도를 감지하지 못하므로 온도감지가 늦어져 출력이 늦게 발생하는 관계로 배관의 온도는 헌팅하게 된다.
둘째, 배관에 삽입된 웰과 센서의 감지부분 사이에 중공부분이 커서 전열이 늦어지는 경우가 있다.
금속과는 달리 공기는 전열이 나쁘기 때문에 웰과 센서의 사이에 이격거리가 크면 공기층의 영향으로 감지속도가 늦어진다.
이때에는 감응속도가 양호한 센서로 교체하거나, 웰 내부에 전열특성이 좋은 매개체를 삽입하는 등의 방법이 있다.
셋째, 배관에 설치된 웰의 삽입깊이가 얕아서 관내부의 물의 온도를 정확히 감지하지 못하는 경우이다.
설비 시공상의 하자로서 웰 설치용 소켓 길이를 짧게 수정하여 보정한다.
넷째, 열교환기와 센서의 설치위치의 거리가 멀 때에는 열교환기에서 가열된 물이 센서 설치위치까지 도달하는 데 걸리는 시간 때문에 센서는 물의 온도를 늦게 감지하게 된다.
이런 상황에서 유체의 유동속도가 늦은 경우에는 온도값의 헌팅폭은 더욱 커진다.
가장 적절한 센서의 설치위치는 열교환기의 출구에서 1~2M 이내의 직관부에 설치하는 것이 가장 바람직하다.
③ 설비 시공상의 문제로 인하여 물의 흐름이 원활하지 못 한 경우
난방이나 급탕배관계에서 관수의 흐름이 원활하지 못하면 열교환기와 센서를 지나치는 물의 시간적 지연으로 인해 온도는 헌팅하게 된다.
즉 물의 흐름이 원활하지 못한 열교환기에서 열교환기의 급탕 공급온도 설정값이 50℃인 상태에서 환수온도가
45℃, 공급온도센서의 값이 50℃였다고 가정하자.
이 상태에서 급탕 사용량이 순간적으로 변하여 일정시점에서 관내에 차가운 보충수가 잠깐 동안 공급된다.
관내에 보충된 차가운 보충수로 인해 관수의 온도는 25℃까지 저하하였다.
일정시간 후에 물의 흐름이 센서를 지나치면서 센서는 배관의 차가운 온도를 감지하여 밸브를 100% 개방하게 된다. 그러나 급탕 사용 순간 이후에 관수온도가 지속적으로 45℃를 가리킨다면 낮은 온도값으로 인해 100%까지 개방되었던 밸브를 통과한 중온수는 45℃의 환수된 물을 가열하여 순식간에 온도를 80℃이상까지 급격히 상승시킨다.
그러나 물의 흐름이 원활하지 못하기 때문에 가열된 물이 센서까지 도달하는 데에는 상당한 시간이 소요되며 그 때까지 급탕온도는 지속적으로 상승한다.
일정시간이 지난 후에 센서가 도달한 물의 온도를 감지하고 밸브를 닫게 되지만 그 속도 또한 늦고 관내의
온도는 이미 과도하게 상승된 다음이다.
이렇게 닫힌 밸브는 다시 급탕을 사용하여 물이 공급되어서 열교환기 내의 온도가 저하하여도 차가워진 물이 센서까지 도달하는 데에는 시간이 걸리기 때문에 그 때까지는 밸브가 열리지 않게 되고 그 동안의 관수의 온도는 보충수의 온도까지 극한으로 저하한다.
이렇게 흐름이 원활하지 못해서 발생하는 시간적 지연에 의한 온도 헌팅은
흐름이 원활해지기 전까지는 계속 반복된다.
▶ 흐름이 원활하지 못한 원인 :
배관이 루프(Loop)를 이루고 있는 곳에 공기가 체류하여 물이 흐르지 못할 때, 배관의 관로에 설치된
중간 차단밸브가 닫혀 있을 때, 배관 애의 이물질로 인하여 여과기(Strainer)가 막혀 있을 때, 순
환펌프의 고장, 회전방향이 바뀐 경우, 높은 보충수 압력으로 인하여
급탕 순환펌프의 출구측 역지변(Check Valve)이 열리지 않을 때와 같은 것을 들 수 있다.
▶ 흐름이 원활하지 못한 지를 점검하는 방법 :
열교환기의 출구측 온도계의 온도를 확인하고 센서의 온도를 확인한 다음 가열밸브를 수동으로 개방한다.
중온수가 공급되어 열교환기의 출구측 온도계의 눈금이 일정이상까지 상승하면 밸브를 닫고 최
고온도를 기록한다.
잠시 후에 온도센서가 온도계가 지시했던 최고온도를 나타낼 때까지의 시간을 기록한다.
그리고 열교환기와 센서 설치위치까지의 거리를 측정하여 그 값으로 측정된 지연시간을 나눠주면
물의 흐름 속도를 알 수 있다.
④ 난방 열교환시스템에서 차압변의 기능 이상의 경우
차압밸브는 공급. 환수 헷더의 압력차를 검출하여 차압밸브의 개도를 조정함으로써 공조기 등 부하 측의
부하감소에 따른 공급헷더의 압력상승을 환수헷더로 바이패스 시켜 펌프, 배관 등의 압력상승에 따른
위해를 방지하고
부하측에 일정한 압력을 공급함으로써 밸브 개도에 따른 유량변화특성을 일정하게 유지시킨다.
위의 그림에서와 같이 난방열교환시스템에서 열교환기 2차측 난방배관에 설치된 차압변의 역할이 불량할 때
또는 닫혀 있을 때에도 난방관수의 흐름이 안 되기 때문에 온도가 헌팅하게 된다.
난방은 열교환기에서 공급한 난방관수가 세대로 공급되고 세대에서는 각각의 용도에 따라서 온도조절밸브가 설치되어 있어서 온도가 상승하게 되면 각각의 분기관의 조절밸브를 닫게 되어 있다.
세대에서 온도가 상승하여 조절밸브가 닫히게 되면 난방 공급관의 전체적인 압력이 상승하고 이로 인하여
난방 공급/환수관의 압력차가 발생한다.
이렇게 발생된 차압을 차압밸브가 개방되어 항상 일정한 차압을 유지시켜야 하지만, 차압밸브가 정상적인
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