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LNG 계량 및 안전

일반적으로 BOG는 LNG중에서 증발하기 쉬운 경질성분을 함유하게 되며 이 때문에 수송기간 중에 LNG가 어느 정도 중질화 하게 되는 것이다 그러나 재액화 설비가 있는 수송선에서는 중질화가 일어나지 않는다 또한 이를 방지하기 위하여 재액화 설비를 하는 곳도 있고 또한 중질 물을 분리하는 설비를 하는 곳도 있다. BOG량은 LNG의 수송기간에 비례하여 많아지고 이러한 LNG의 특수한 성상이 LNG계량의 특수성을 구성하는 요인은 아래와 같다. (1) 거래단위LPG 기타 액화 가스류에 대해서는 대기 중에서의 중량 기준 또는 진공 중에서의 질량기준이다. 그런데 LNG의 경우 상거래용의 수량단위는 제품이 갖는 발열량 총량(화학에너지 함량), ㎉, MMBTU 등이고 통관 신고수량을 중량단위로 하도록 의무화되어 있기 때문에 인도한 발열량 총량에서 통관용의 중량을 별도로 계산하고 있는 현실이다. (2) 거래수량 결정의 시기와 장소 LNG는 향해 중에 발생하는 BOG 등의 관계 때문에 현재는 인수지의 계량에 준한 CIF계약으로 거래되는 경우도 있다. 즉 LNG선에서 LNG가 하역되기 전후에 선박 상에서 수량을 확인하는 것이다. (3) 가스체적기준(Route) 체적의 측정과 가스 조성 분석치로부터 단위 체적당 발열량을 정산하는 과정에 오차가 생기기 쉽다.

일반적으로 BOG는 LNG중에서 증발하기 쉬운 경질성분을 함유하게 되며 이 때문에 수송기간 중에 LNG가 어느 정도 중질화 하게 되는 것이다 그러나 재액화 설비가 있는 수송선에서는 중질화가 일어나지 않는다 또한 이를 방지하기 위하여 재액화 설비를 하는 곳도 있고 또한 중질 물을 분리하는 설비를 하는 곳도 있다. BOG량은 LNG의 수송기간에 비례하여 많아지고 이러한 LNG의 특수한 성상이 LNG계량의 특수성을 구성하는 요인은 아래와 같다. (1) 동적측정 LPG 기타 액화 가스류에 대해서는 대기 중에서의 중량 기준 또는 진공 중에서의 질량기준이다. 그런데 LNG의 경우 상거래용의 수량단위는 제품이 갖는 발열량 총량(화학에너지 함량), ㎉, MMBTU 등이고 통관 신고수량을 중량단위로 하도록 의무화되어 있기 때문에 인도한 발열량 총량에서 통관용의 중량을 별도로 계산하고 있는 현실이다. (2) 정적측정 LNG는 향해 중에 발생하는 BOG 등의 관계 때문에 현재는 인수지의 계량에 준한 CIF계약으로 거래되는 경우도 있다. 즉 LNG선에서 LNG가 하역되기 전후에 선박 상에서 수량을 확인하는 것이다. (3) 가스체적기준(Route) 체적의 측정과 가스 조성 분석치로부터 단위 체적당 발열량을 정산하는 과정에 오차가 생기기 쉽다.

수입하는 LNG의 계량방법은 각각 판매자와 구매자간에 결정되어 있는데 일반적으로 LNG 적용에 대해서는 LNG선에서 하역된 량을 측정하고 LNG의 밀도에 관해서는 GPA규격으로 채택되고 있다. 상기 LNG밀도, 조성분석을 위하여 하역된 LNG를 대표할 수 있는 Sampling 방법으로서는 일반적으로 연속 기화 포집법이 사용된다. 3.1 액면계 정전 용량식 액면계를 정액면계, Float식 액면계를 부액면계로서 LNG Tanker에 설치되어 있다. 3.2 온도계 액 온도는 백금측정 온도 저항체를 부착하여 액온, 가스온도를 측정한다. 정밀도는 액 온도에서는 -150～-170℃ 범위에서 ±0.3℃, 가스 온도에서는 -200℃～50℃의 범위로 되어 있다. 3.3 압력계 각 탱크의 압력을 각각 측정하여 절대압력으로 표시하고 가스 및 Header의 압력을 각 탱크의 공통 압력으로 간주하여 gauge압으로 표시하며 별도로 설치한 대기압계로 보정하는 등 압력의 측정 한다. (1) 하역된 액용량의 산출Trim, List의 치에서 각 탱크의 보정치를 구하고 각 탱크의 액깊이를 보정한 후 Tank Table로부터 각 탱크의 액용량을 구한다. 구형탱크의 경우에는 Tank Table은 -160℃ 기준으로 작성되었기 때문에 필요에 따라 액온도 차이에 따른 액용량을 보정 하역전 및 하역후의 액 용량으로 산출하여 그 차로 하역된 LNG의 액 용량으로 한다. (2) 하역된 LNG의 BTU 수량 LNG는 향해 중에 발생하는 BOG 등의 관계 때문에 현재는 인수지의 계량에 준한 CIF계약으로 거래되는 경우도 있다. 즉 LNG선에서 LNG가 하역되기 전후에 선박 상에서 수량을 확인하는 것이다. Q = V x ρ x H m - Q vαρ 하역된 LNG의 중량은 다음 식으로 계산한다. W : 수입신고수량(metric ton)

1 방폭의 역사20C초 세계각지의 탄광에서 메탄가스로 인한 크고 작은 폭발사고로 많은 사람들이 희생됨에 따라 이에 대한 대책이 강구되었다. 영국에서는 1913년 Senghenydd 탄광에서 신호벨 전선의 스파크가 메탄가스를 점화시켜 일어난 사고로 413명이 희생됨에 따라 세계에서 가장 먼저 방폭에 관한 연구가 시작되었다. 이로 인해 1930년에는 탄광에서 사용되는 전기기기를, 1940년에는 일반사업장용 전기기기에 대한 성능인증을 국가에서 실시하였고, BASEEFA의 전신인 “Safety in Mines Research Establishment” 가 성능인증을 담당하던 기관이다. 그러나 방폭에 관련된 이론은 1965년 독일에서 방폭형 전기기기에 대한 세부규격이 발행되면서 정립되기 시작하였으며, 미국, 일본 등 선진국에서도 관련기준이 정비되기 시작했다. 1960년대 후반에서 1970년대 초반까지 국제 방폭규격에 대한 제정 작업이 활발히 추진되어 1970년대 중반에 방폭구조별 규격이 하나 둘씩 발간되기 시작되었다. 미국에도 이 무렵 관련 규격이 체계화 되어 발간되었으며, 유럽의 규격인 CENELEC기준은 1970년대 말에 완성되었다. 2. 용어의 정의 (1) 전기설비 전기기기와 전기배선이 필요한 기능을 행할 수 있도록 접속된 설비 전체를 말한다. (2) 방폭전기설비(Electrical installations of explosionproof) 폭발성분위기에서 사용이 적합하도록 기술적으로 조치한 전기설비, 관련배선, 전선관 및 피팅류를 말함. (3) 방폭형 전기기기 폭발성가스 또는 증기가 존재하는 장소에서 전기기기의 사용 중 발생하는 전기불꽃 및 뜨거운 표면에 의해 폭발성가스 및 증기가 폭발하는 것을 방지하는 구조로 설계/제작된 기기를 말한다. (4) 폭발성가스(Flammable gas) 가연성가스 및 가연성액체의 증기를 말한다. (5) 폭발성분위기(Flammable atmosphere(mixture)) 폭발성가스와 공기가 혼합되어 폭발한계 내에 있는 상태의 분위기를 말하며, 인화성혼합기 또는 위험분위기라고도 한다. (6) 폭발한계(Explosive limit) 점화원에 의하여 폭발을 일으킬 수 있는 폭발성 가스와 공기와의 혼합가스 농도범위의 한계치로서 그 하한치를 폭발하한계, 상한치를 폭발상한계라 하며, 연소범위(Flammable limit)라고도 한다. (7) 위험장소(Hazardous area(location)) 전기설비의 구조 및 사용 시 특별히 고려해야 할만큼의 폭발성분위기가 존재할 가능성이 있는 장소를 말하며 방폭지역이라고도 함. (8) 방폭구조(Type of protection, Construction) 전기설비의 보호를 위하여 취한 기술적 조치로서 기기의 종류 및 경제적 측면, 안전도 등을 고려하여 제품설계 시 고려한다. (9) 화염일주한계 또는 최대안전틈새(Joint clearance to arrest flame 또는 Maximum safe clearance) 폭발성분위기내에 방치된 표준용기의 접합면 틈새를 통하여 폭발화염이 내부에서 외부로 전파되는 것을 방지할 수 있는 틈새의 최대 간격치를 말하며, 폭발성가스의 종류에 따라 다르다. (10) 정상상태 (Normal operation conditions) 규격에 정해진 내에서 방폭전기설비가 사용되고 있는 상태 (11) 발화온도(Ignitible temperature) 폭발성가스와 공기와의 혼합가스의 온도를 높인 경우에 연소 또는 폭발을 일으키는 최저의 온도로서 폭발성가스의 종류에 따라 다르다.. (4) 자연발화온도 (Auto Ignition Temperature, AIT) 가연성가스와 공기와의 혼합가스가 자체적으로 가열되거나 가열된 부분에 의해 연소를 계속 유지할 수 있거나 발화되는데 필요한 최소의 온도를 말한다. 3. 방폭의 기본대책폭발성분위기 생성장소에서 전기설비로 인한 화재/폭발이 발생하려면 폭발성분위기와 점화원이 공존하여야 한다. 이 조건이 성립되지 않도록 하는 것이 방폭의 기본대책이다. 따라서, 전기설비로 인한 화재/폭발을 방지하기 위해서는 폭발성분위기가 생성되는 확률과 전기설비가 점화원이 되는 확률과의 곱을 0에 가까운 작은 값을 갖도록 하는 것이며, 이의 구체적인 조치로 먼저 폭발성분위기의 생성방지, 그 다음이 전기설비의 방폭화를 하는 것이다. (1) 폭발성분위기 생성방지 (가) 공기 중에 폭발성가스가 누설 및 방출되는 것을 방지하기 위해서는 위험물질의 사용을 억제하고 개방상태에서의 사용은 피한다. (나) 또한 배관의 이음부분, 펌프 등에서 누설을 방지할 수 있도록 하며 이상반응, 장치의 열화, 파손, 오동작 등에 따른 누설을 방지하여야 한다. (다) 공기 중에 누설 또는 방출된 폭발성가스가 체류하기 쉬운 장소는 옥외로 이설 또는 외벽이 개방된 건물에 설치하고, 환기가 불충분한 장소는 강제환기를 시켜야 한다. (2) 전기설비의 점화원 ① 전기설비가 폭발성 분위기에 대해 점화원으로 작용하는 경우로는 정상운전 중 항상 전기불꽃을 발생하는 직류전동기의 정류자, 권선형 전동기의 슬립링이 있다. ② 정상운전 중 전기불꽃을 발생하는 것으로는 개폐기류, 제어기기의 전기접점 등이 있다. ③ 보호회로 동작 중 전기불꽃을 발하여 점화원으로 작용하는 것은 기중차단기 개폐접점, 보호계전기 전기접점 등이 있다. ④ 정상상태에서 고온이 되는 것은 전열기, 저항기, 전동고온부 등이 있다. ⑤ 이상상태(고장, 파손)에서 전기불꽃 또는 고온을 발생할 우려가 있는 것으로 전동기 권선, 조명등 배선 등이 있다. (3) 전기기기의 방폭화 가스, 증기 등의 폭발성 분위기가 존재하고 있는 위험성이 있는 장소에 전기기기를 설치하더라도 이것이 점화원이 되어 폭발 등 사고가 발생하지 않도록 전기기기에 방폭성을 갖게 하기 위해서는 일반적으로 다음과 같은 방법이 있다. (가) 전기기기의 점화원이 되는 부분을 주위 폭발성가스와 격리하여 접촉하지 않도록 하는 방법(압력, 유입방폭구조)과 전기기기 내부에서 발생한 폭발이 전기기기 주위 폭발성가스에 파급되지 않도록 점화원을 실질적으로 격리하는 방법(내압방폭구조)이 있다. (나) 정상상태에서 점화원인 불꽃이나 고온부가 존재하는 전기기기에 대해서는 특히 안전도를 증가시키고, 고장의 발생을 어렵게 함으로써 종합적으로 고장을 일으킬 확률을 0에 가까운 값으로 할 수 있다. 이러한 방법에 의해 제작된 것이 안전증가 방폭구조이다. (다) 약전류 회로의 전기기기는 정상상태에서 뿐만 아니라 사고 시 발생하는 전기불꽃 또는 고온부가 폭발성가스에 점화할 위험성이 없다는 것을 시험 등 기타 방법에 의해 제작된 것으로 본질안전방폭구조의 전기기기가 있다. 【표7-1 방폭기기 보호 개념(KS 및 IEC 기준) 】 보호기술 보호방법 약어 비 고 격 리 유입 방폭구조(OIL IMMERSION) o 변압기, 스위치, 기어류 압력 방폭구조 (PRESSURIZATION) p 조정실, 판넬, 모터, 분석기 (ANALYSER)류 . 충전 방폭구조 (POWDER FILLING) q 계기류(INSTRUMENTATION) . 몰드 방폭구조 (MOULDING) m 계기류, CONTROL, GEAR류 . 기계적 설계기준 강화 안전증 방폭구조 (INCREASED SAFETY) e 모터, 등기구, FITTING, BOX류 NON-SPARKING NON-INCENTIVE n 모터, 등기구, 외함류 . 에너지 제한 본질안전 방폭구조 (INTRINSIC SAFETY) ia ib 계기류, CONTROL, GEAR류 ia(ZONE 0), ib(ZONE 1) 폭발봉쇄 내압 방폭구조 (FLAME PROOF) d 스위치기어, 모터, 펌프류 특 수 특수 방폭구조(SPECIAL) S GAS DETECTOR류 분진방폭 특수방진 구조방폭 (SPECIAL DUST IGNITION PROOF) SDP 전폐구조로 접합면 길이를 일정치 이상으로 하든가 접합면에 일정치 이상의 길이를 폐함으로 분진의 용기내 침입방지(폭연성분진/가연성분진/위험성장소에 사용) 보통방진 방폭구조 (DUST IGNITON PROOF) DP 전폐구조로 접합면 길이를 일정치 이상으로 하든가 접합면에 일정치 이상의 길이를 폐함으로 분진의 용기 내 침입이 어렵게 한 구조(가연성분진 위험장소에 사용) . 분진특수방진 방폭구조 (EXTRA DUST IGNITION PROOF) XDP SDP, DP이외의 구조로 분진방폭성능이 있는 것이 확인된 구조 . 4. 공인기관 【표7-2 방폭성능인정 공인기관 】 공인기관명 소속 국가 비 고(관련규격) BASEEFA, HSEM, SCS 영 국 EN 50014~20, BS 5501 PART 1~7 PTB/BVS 독 일 EN 50014~20, VDE, TGL INERIS, CERCHAR, LCIE 프 랑 스 EN 50014~20, NFC 23-514~23-520 LOM 스 페 인 EN 50014~20, NFC 23-514~23-520 CESI 이 태 리 EN 50014~20, CEI 31-1~31-9 INIEX(MAE) 벨 기 에 NBN C 23 Series DEMKO 덴 마 크 EN 50014~20 Series KEMA 네델란드 NEN-EN 50014~20 FEI 필 란 드 EN 50014~20, SFS4094~4100 NEMKO 노르웨이 EN 50014~20, NEN 110~116 FI OF MOL 아일랜드 EN 50014~20 ETVA, TUV 오스트리아 EN 50014~20, OVE-E65, OVE-E70 SP 스 웨 덴 SEN 2108 SERIES SEV, STI 스 위 스 EN 50014-20, SEV 1068-1074 PIWE 러 시 아 IEC 60079 Series, PUE V Ⅱ-3 광산과학연구소 중 국 . FM 미 국 미국의 FM으로만 적용(UL은 적용하지 않음) CSA 캐 나 다 . 산업안전연구소 일 본 IEC TEST 원칙이나 JIS 및 노동성 고시도 가능 KOSHA, KGS, KTL 한 국 노동부고시, IEC 60079 Series 5. 방폭성능인증을 받는 이유예전에는 성능검정이 세일즈의 도구로 주로 이용되었던 때가 있었다. 안전을 확신하기 위하여 본질안전에 대해 잘 모르는 구매자는 인증된 제품이 그렇지 않은 제품보다 더욱 구매하고 싶을 것이다. 지금은 대부분의 국가에서 성능검정이 법적 또는 법에 준하는 요건이다. 예를 들어 영국의 작업장의 안전에 관한 법령에는 고용주가 안전한 작업장을 제공하게 요구하고 있다. 또한 검사를 담당하는 공무원이 시설을 검사하면서 안전을 평가할 때, 위험지역에서 사용되는 전기기기의 검정여부는 법적 요구사항이 아니다. 그런데, 실제로 대부분의 구매자는 검정받은 제품을 원하는 데, 이는 비검정품을 사용할 때 근로자가 다치거나 사망하는 사고가 발생하면 안전의 입증책임이 전적으로 고용주에게 있기 때문이다. 이 경우 인정되는 규격으로 성능검정을 받으면 많은 책임이 덜어진다. 이와 비슷하게 1981년에 발간된 미국의 OSHA 전기규정에서는 위험지역에서 사용할 때 안전한 기기에 대해 나와있고, 고용주들이 안전하다고 정당성기록을 유지하는 기기의 사용을 허락하고 있지만, 대부분의 사업체에서는 안전에 대한 염려를 없애며, 책임을 줄이고자 검정된 시스템을 요구한다. 성능검정을 하는 또 하나의 실질적인 경제상의 정당성은 구매자로 하여금 그 시스템이 안전한가를 결정하는 데 소요되는 투자와 책임을 경감시키는 것이다.

1. 규격체계 방폭관련규격은 위험장소의 구분에 관련된 기준, 방폭전기기기의 성능에 관한 기준, 방폭설비의 설치에 관한 기준으로 크게 분류할 수 있다. 이 규격은 기술적 배경과 법률적 이해관계가 서로 달라서 세계적으로 다른 형태를 가지고 있다. 현재에 와서는 IEC를 중심으로 국제방폭전기기기 상호인정을 위한 시험소인정기구를 설립하여 세계적으로 시험기준 및 시험능력을 통일하기 위한 작업을 추진 중에 있다. 【표7-3 방폭전기기기의 규격체계 】 사용지역 규 격 명 비고 국내 노동부고시 KS C IEC 60079-0, 1, 2, 5, 6, 7, 11 : 2001 s 국제규격 (IEC) IEC 60079-0 ~ 19 s 북미 NFPA ISA(Instrument Society of America) UL, FM CSA(Canadian Standard Association) s 유럽 CENELEC EN s 2. 방폭구조의 종류 (1) 내압(耐壓) 방폭구조(Flame Proof Enclosure :“d") 내압 방폭구조에서는 전기기에서 점화원(불꽃, Arcs 또는 과열)이 생길 염려가 있는 부분을 전폐구조인 용기에 넣어 만일 외부의 폭발성가스가 내부로 침입해서 폭발을 하더라도, 용기가 그 압력에 견디어 파손되지 않고 폭발한 고열의 가스가 용기의 접합부 틈을 통하여 외부로 새는 일이 있어도 그동안에 냉각되어 외부의 폭발성가스에 점화될 염려가 없도록 한 것이다. 가스의 종류에 의해서 폭발등급을 나누어서 용기의 구조, 특히 그 강도 및 접합면의 틈새에 대해서 규정하고 있다. 또 가스의 발화도에 따라서 용기의 최고온도를 한정하고 있다 【그림7-1 내압방폭구조 】 (2) 유입방폭구조(Oil Immersion: "0") 유입방폭구조는 전기기기의 불꽃 또는 아아크등이 발생해서 폭발성 가스에 점화할 염려가 있는 부분을 기름속에 넣고, 유면상의 폭발성가스에 인화될 염려가 없도록 한 것이다. 따라서 사용중에 항상 필요한 액위(LEVEL)를 유지해야 하고, 또 유면상에는 외부의 폭발성가스가 침입하고 있다고 생각해야 하므로 유면의 온도상승한도에 대해서 규정하고 있다. 【그림7-2 유입방폭구조(Oil Immersion: "0") 】 (3) 압력방폭구조(Pressurized Apparatus: "p")압력 방폭구조는 점화원이 될 염려가 있는 부분을 용기내에 넣고 신선한 공기 또는 불연성 가스 등의 보호기체를 용기의 내부에 주입함으로써 내부의 압력을 유지하여 폭발성 가스가 침입하지 않도록 한 구조이다. 이 구조는 운전중에 보호기체의 압력이 저하하는 경우에는 자동경보를 하거나, 운전을 정지하는 보호장치를 설치하도록 하고 있다. 【그림7-3 압력방폭구조(Pressurized Apparatus: "p")】 (4) 안전증 방폭구조 (Increased Safety: "e") 보통 운전시에는 점화원이 될 만한 전기불꽃의 발생부나 고온부가 존재하지 않는 전기기기에 대하여 범용기기보다도 구조적, 전기적으로 특히 안전도를 증가시켜 고장발생도를 극도로 줄인 구조이다. 범용기기에 비해 구조적으로 튼튼하고 내부 고장도 발생하기 어렵기 때문에 비교적 안전성이 높다. 그러므로 2종 장소에서는 전동기, 조명기구 등은 대부분이 이 구조의 것이 사용되지만 만일 고장이 생겨 불꽃이나 고온을 발생한 경우에는 방폭성이 보증되지 않기 때문에 주위조건이나 보수관리의 상황 등을 충분히 고려한 연후에 적부를 결정하는 것이 바람직하다. 안전증 방폭구조의 전동기, 변압기등을 사용하는 경우에는 과부하 보호장치 또는 과열 보호장치를 정비하여 충분히 보호할 필요가 있다. 【그림7-4 안전증 방폭구조 (Increased Safety: "e")】 (5) 본질 안전방폭구조 (Intrinsic Safety: "ia/ib") 정상시 및 사고시에 발생하는 전기불꽃의 에너지가 지극히 작고, 또 고온이 되지 않도록 회로설계가 되어 있어서 전기불꽃(Arc)이 발생하더라도 폭발성 가스에 점화되지 않고 본질적으로 안전하다는 것이 공인 기관에 의해서 확인된 구조이다. 전기회로 그 자체가 본질적으로 안전하며 특별히 기계적인 방호조치를 강구할 필요가 없기 때문에 전기기기의 용기도 일반적인 것과 같은 정도의 것이면 충분하며 중량이 가볍고 가격도 비교적 싸기 때문에 계측, 제어장치 등의 소용량 전기기기에서 널리 이용되고 있다. 이 구조는 다른 방폭구조와는 틀려서 기기와 그에 접속되는 외부배선을 포함하여 전기회로 전체로서 방폭성이 유지되는 성질의 것이므로, 다른 전기회로와 혼촉되지 않도록 하여야 하며 정전유도, 전자유도 등의 영향을 받지 않도록 외부배선에 대해서도 충분한 대책을 강구할 필요가 있다. 외관상으로는 일반 전기기기와 구별하기 어렵기 때문에 기기의 표시를 잘 확인하여 사용 장소나 접속 등을 잘못하는 일이 없도록 주의하여야 한다. 【그림7-5 본질 안전방폭구조 (Intrinsic Safety: "ia/ib")】 (6) 특수방폭구조(Special: "s") 특수방폭구조는 상기에 언급한 구조외의 구조로서, 폭발성가스에의 인화를 방지할 수 있음이 공인기관의 시험 등에 의해서 확인된 구조이다. 외국의 예로는 전기기기의 충전부 주위에 분말형 물질을 충전하여 보통 운전 시에 불꽃이 발생하여도 폭발성가스에 인화되지 않도록 한 모래충진 방폭구조 등이 있다.

일반적으로 가스공급 시스템은 기본적인 파이프 배관뿐만 아니라 압축기, 정압기 등의 각종 밸브, 이음새, 저장탱크 등의 다양한 구성요소로 구성되어 있다. 이러한 각각의 구성요소들은 실제 배관의 압력강하와 유량 등의 배관내부의 유동에 직접적인 영향을 미치며, 실제 배관유동이나 배관망의 해석을 위해서는 이러한 모든 요소를 동시에 고려하여야 한다. 그러나 이것은 매우 방대한 내용으로 본 교과과정에서 다루어지기에는 무리가 있으므로, 본 교재에서는 기본적인 배관유동에 내용을 한정하도록 한다. 또한, 가스 공급을 위한 실제 배관시스템에 있어서 가스의 유동은 계속적으로 일정한 상태를 유지하지 않고, 시간에 따라 계속 변화하는 비정상상태(unsteady state) 흐름이다. 이러한 비정상상태 해석은 수학적으로 매우 복잡하고 유동을 지배하는 관계식들의 해석이 매우 어려워서 이론적인 방법을 통해 직접 계산하기는 불가능하여, 대부분의 경우 전산해석이나 실험적 방법을 통하여 해결하는 것이 일반적이다. 그러나 실제 설비의 운영에 필요한 일반적이고, 기본적인 정보를 구하는데 있어서는, 가스 흐름을 정상상태로 가정하여 적용하는 이론식과 실험관계식들이 대부분의 경우에도 상당히 좋은 결과를 보이고, 실제로도 널리 쓰이고 있다. 따라서, 본 절에서는 이러한 배관내부 유동을 해석하기 위한 기본적인 이론을 소개하고, 정상상태 배관 유동을 지배하는 유량방정식을 소개하고자 한다. (1) 연속방정식(continuity equation) 질량보존의 법칙에 의하여, 배관을 흐르는 유체에 대하여 유체의 흐름이 1차원 정상상태일 때 배관내의 1지점을 흐르는 유체의 질량과 1지점으로부터 어느 거리에 있는 2지점을 흐르는 유체의 질량은 같다. 식으로 표현하면 (1)여기서 qm 은 질량유량, ρ는 유체의 밀도, A는 배관의 단면적, V는 유체의 속도를 나타내고 첨자 1, 2는 배관내의 서로 다른 두 지점을 나타낸다. (2) 베르누이방정식(Bernoulli equation) 정상상태 흐름에 있어서 단위 질량 기준의 에너지방정식으로 유도된 마찰손실을 포함하는 정상상태 베르누이 방정식은 다음과 같다. (2) 단, p = 압력, ρ = 밀도, v = 속도, g = 중력가속도, gc = 전환요소, z = 높이, lw = 마찰손실에너지 식 (2)의 왼쪽의 모든 항들은 압력의 단위를 갖고 있으며, 순서대로 압력항, 운동에너지 관련항, 고도차에 의한 위치에너지 관련항 및 손실에너지 관련항을 나타낸다. 이 식의 적분소 d는 배관유동과 같이, 선형에 근사한 경우에는 식 (3) 및 (4)과 같이 표현될 수 있다. (3) (4) 식 (4)에서 는 유동조건에 의존하는 마찰에 기인한 압력손실을 나타낸다.

앞 절에서 유도한 식(4)를 고도차이가 없는 수평 배관의 정상상태 흐름에 적용하면, 고도차이에 의한 위치에너지 항이 무시되어 다음의 식(5)이 얻어진다. 또는 (5) 식 (5)는 마찰항이 포함된 베르누이방정식이고, 이 식으로부터 배관에 있어서 일반적인 유량방정식이 유도된다. 이 식(5)를 인위적인 차압장치가 없는 배관에서 비교적 거리가 멀리 떨어진 두 지점에 대하여 적용하면, 정상상태에서 두 지점의 유속차이를 무시할 수 있으므로, 아래의 식(6)과 같이 정리할 수 있다. (6) 여기서, 마찰에 의한 거리차이가 dL 인 두 지점 사이의 손실압력은 Fanning eqn.으로 잘 알려진 다음의 식(7)와 같다. (7) 여기서, f‘ = fanning 마찰계수 D = 배관 내부 직경 마찰계수는 일종의 비례상수로 유속(정확하게는 레이놀즈 수(Re))과 상대거칠기(ε/D)의 함수로 표현되며, 실험결과로부터 만들어진 식이나 Moody Chart 를 통하여 구할 수 있다. 위 식(7)의 Fanning 마찰계수 대신에 실제적으로 널리 쓰이는 4f‘의 값을 갖는 Moody 마찰계수 f(Darcy-friction factor)를 사용하여 식(7)을 식(6)에 대입하면 다음 식(8)과 같다. (8) 여기서, 완전기체로 가정하고 식(9)의 이상기체 상태방정식을 대입하여 정리하면, (9) 일반화하기 위하여 표준조건 관계 를 적용하면, 또는 (10) 여기서, q sc = 표준조건에서의 기체 체적유량 Z = 압축계수 M = 가스의 분자량 R = 기체상수 또는 (11) 가스온도(T)는 등온유동(isothermal flow)일 경우에는 상수이며, 그렇지 않은 경우에는 산술평균온도 또는 로그평균온도(log-mean temperature)를 사용한다. 가스압축계수 Z에 대하여 온도와 압력에 무관한 평균압축계수(Zav)로 대체하여 위 식(11)을 적분하면 다음 식(12)와 같다. 또는 (12) 이를 정리하고 아래의 적당한 상수값들을 대입하고, 단위를 맞추기 위한 환산계수를 적용하면 식(13)으로 표현되는 배관의 일반 유량계산식 을 얻을 수 있다. (13) 여기서, qsc = 표준조건에서의 가스체적유량 Psc = 표준조건에서의 압력 Tsc = 표준조건에서의 온도 P1, P2 = 상, 하류측 압력 D = 배관 내경 G = 가스 비중 ( = M / M air ) [ M air = 공기 분자량 = 28.97 ] T = 가스 유동 온도 Zav = 평균가스압축계수 f = 무디마찰계수 L = 배관길이 C = 유량계산식 계수로 사용 단위에 따라 다른 값을 갖는다. ( 미터법에서는 보통 0.23944 ) 여기서 유량방정식 계수 C 는 몇 가지 단위환산 계수에 의해 결정되는 값으로, 이를 결정하는데 사용된 단위에 대하여 명확하게 정의되어 있어야 한다. 아래 【표 7-4】에 몇 가지 일반적인 단위조합에 대한 C값을 나타내었다. 【표 7-4】단위에 따른 유량계산식 계수 C값 사용 단위 C 값 압력 온도 직경 길이 체적유량 패닝마찰계수 사용시 무디마찰계수 사용시 psia °R in. miles ft cf/day cf/hr cf/day cf/hr 38.77 1.590 2.817 117.4 77.54 3.180 5.634 234.8 kPa °K m cm m ㎥ /day ㎥ /hr ㎥ /hr 574.7 ×10 3 239.4 ×10 2 0.23944 114.9 ×10 478.8 ×10 0.4788 in. wc °R in. ft miles cf/day cf/hr cf/day cf/hr 101.7 4.238 1.400 0.0583 -

일반 유량계산식 (13)에서 마찰계수는 의 꼴로 나타나며, 이것을 이송계수(transmission factor) 라고 한다. 특정한 가스와 배관구간, 운전상태 하에서 가스유량은 이송계수에 비례하는 값을 갖는다. 이송계수도 마찰계수와 마찬가지로 레이놀즈수와 표면거칠기의 함수로 표현되며, 각각의 경우에 대한 관계식을 간략히 정리하면 다음과 같다. (1) Hagen-Poiseuille 관계식 (층류에 대한 이송계수) (14) (2) Prandtle의 난류 모델 (부분난류 : 매끈한 관의 흐름 법칙) (15) (완전난류 : 거친 관의 흐름 법칙) (16) 위의 두 가지 형태의 난류 모델은 실험에 의해 결정된 실험 상수를 근거로 하고 있다. 따라서 배관내 유량 거동의 근사적인 묘사일 뿐 정확한 값을 나타내는 것은 아니다. 현재 실제적으로 배관의 유량계산식으로 많이 사용되고 있는 몇 가지 유량계산식과 여기에 사용된 이송계수를 다음 【표 7-5】일반적으로 사용되는 유량계산식과 이송계수 에 나열하였다. 구분 유량계산식 a) 이송계수 ( ) 완전난류 IGT Distribution Muller eqn. Panhandle eqn b). Spitzglass(고압) c) Spitzglass(저압) c) Weymouth eqn. a) 여기 식들의 단위는 모두 다음과 같다. ㅇ= in. , L = ft, P = psia, hw = in. wc, q = Mcg/hr μ = lbm / ft sec, T = °R b) 상수 2,450에는 μ=7.0 ×10 -6 이 포한된 값임 c) 상수 3.415 및 3.550에는 다음이 포함되어 있음 P sc = 14.7 psia, T sc = 520 °R, T = 522.6°R

앞에서 소개된 유량방정식들의 계수들은 압력범위에 따라, 다소 다른 특성을 보인다. 다음은 일반적으로 많이 쓰이는 고압과 중압, 저압에서의 유량방정식이다. (1) 저압 유량방정식 여기서, Q : 가스유량(㎥ /h), D : 배관구경(cm), L : 배관연장(m), S : 가스비중(공기 1), H : 시점압력 P 1 과 말단압력 P 2 의 차(mmH 2 O), K : 유량계수 일반적으로 유량계수는 폴의 계수 0.707과 미국과 영국에서 사용되는 0.837 / √(1+4.35/D) 가 많이 사용된다. 배관말단의 소요압력은 출구의 최저허용압력에 공급관, 내관 및 가스메터를 통과할 때의 압력강하분을 고려 일반적으로 공급관에서 가스관까지의 압력손실을 20~25 mmH2O 정도로 설계한다. 단, 장래의 수요를 고려하는 경우에는 도달압력에 여류를 갖게 할 필요가 있다. (2)고,중압 유량방정식 여기서, Q : 가스유량(㎥ /h), D : 배관구경(cm), L : 배관연장(m), S : 가스비중(공기 1), P 1 , P 2 : 각각 시점과 종점에서의 절대압력(kg/cm 2 ), K : 유량계수 일반적으로 유량계수는 Cox의 계수 52.31과 Weymouth의 계수 37.67D^(1/6) 이 많이 사용된다. 고, 중압배관의 말단 소요압력은 공급하는 정압기의 설정 최대 2차압에 정압기 작동에 필요한 압력강하분을 더한 압력이상이다.

한국가스공사 생산기지의 경우, 배관을 통하여 NG나 LNG가 운반되고 있고, 배관 중간에 여러 장치들이 설치되어 있다. 따라서 배관에서의 진동원은 각 장치에서 발생하는 부분과 배관내 유체에서 발생하는 부분으로 나눌 수 있으며 대략적으로 다음과 같이 분류해 볼 수 있다. 정상 가동상태에서 배관계에 영향을 주는 진동은 주로 배관내의 유체유동에 의한 것으로 펌프나 팬 같은 유체기기의 운전특성에 의한 경우와 배관계의 기하학적 특성과 운전상태에 의한 유체의 와류현상(vortex shedding), 유동난류(flow turbulence), 배관내의 마찰에 의한 압력강하로 인한 압력맥동(pressure pulsation), 유량조절 밸브작동이나 orifice plate의 설치로 생성되는 공동(cavitation) 등으로 인한 정상상태 진동(steady-state vibration)이다. 이러한 정상상태의 진동은 반복되는 응력으로 주로 응력이 집중된 배관 접합부위(분기관 용접부위, elbows, tees, 밸브용접부위, reducers, 나사 연결부(thread connections) 등과 같은 기하학적 불연속적 부위)에 국부적인 피로파괴를 일으키며 결과적으로 정상운전과 안전성에 저해되는 요인이 된다. 반면에 과도진동(transient vibration)은 설비의 시운전(start-up)시나 불시정지(shut-down)시, 밸브의 급작스런 작동(quick closing or opening)이나 펌프의 급한 정지시에 발생하는 급격한 압력변화에 의한 수격현상(water hammer)으로 인한 진동과 압축된 유체의 압력감소로 인한 순간증발(flashing)이나 이상류(two-phase flow)에 의한 진동으로 아주 짧은 시간에 일어나며 엄청난 크기의 힘을 주요 기기나 배관 지지대 또는 구조물에 가하게 되어 종종 큰 재산피해를 입힌다. 배관계의 진동발생은 진동원인이 존재할 때만 발생하지만 진동원인의 동적특성이 배관계의 동적특성과 유사할 때의 배관의 진동은 진동주파수의 함수에 따라 크게 증폭하게 된다. 배관의 진동을 이해하기 위해서는 우선 배관계의 진동특성을 알아야 한다. 여러 모드의 형상(mood shape)과 그 모드의 주파수(natural frequency)를 구한 후 진동원인의 가진주파수를 알아내면 어느 특정모드에 어느 특정방향으로 배관계가 진동하는가를 알 수 있다. 그러나 실제 모든 배관계의 진동은 일반적으로 진동원인이 복합적으로 발생하며 가진주파수도 광대역으로 걸쳐 있을 뿐만 아니라 여러 진동모드의 중첩현상을 보여준다. 이런 경우에는 정상 가동중인 배관계의 진동을 측정하여 배관진동의 심각성을 판단할 수 있다. 배관계에 진동을 일으키는 원인들을 간단히 정리하면 다음과 같다. (1) 정상상태 진동 - 펌프에 의한 압력맥동(Pump-Induced Pressure Pulsation) - 난류유동(Turbulence Flow) - 유체공동(Flow Cavitation) - 와류(Vortex Shedding) (2) 과도상태 진동 - 수격현상(Water Hammer or Steam Hammer) 위에서 살펴 본 바와 같이 배관에서 발생하는 진동은 크게 배관의 구조적 또는 기계적 진동원과 유체로 인한 진동으로 크게 나눌 수 있다. 이 때 진동이 배관의 안전성에 미치는 영향을 평가하는 방법은, 배관에 발생하는 응력을 판단하고 이에 따른 재료의 피로곡선을 통하여 판단한다. 만약 배관의 지지부가 특별한 경우가 아니다면 배관에서의 진동을 주파수와 변위값으로 분석하여 API 618에 따른 기준값으로 판단하면 된다. 그러나 배관진동을 판단하는데 있어서 어려운 문제가 Cavitation에 의한 배관 내부의 침식문제이다. 특히 고압배관 내에서의 Cavitation은 사례가 드물기 때문에 판단하기가 쉽지 않다.

유체공동과 순간증발은 광대역의 압력맥동을 일으키며, 따라서 광대역의 배관계에 진동을 일으킨다. 유체공동은 그림 1에서 보듯이 유체흐름을 구속하는 유량조절 밸브(control valve)나 단일 구멍의 유량조절판(flow orifice)의 후단 배관에서 과도한 압력강하로 인하여 발생한다. 유체의 구속은 유속을 증가시키는 반면 압력강하를 일으킨다. 유체의 정압력이 그 유체의 증기압보다 적을 경우 유체공동이 발생하며 포화압력보다 적을 경우에는 유체증발이 발생한다. 유체공동이나 유체증발이 심하게 되면 배관과 기기에 피팅(pitting), 침식(erosion)과 마모(wear)를 일으키며 하단부 배관에 과도한 진동과 귀에 거슬리는 소음을 동반하게 된다. 유체공동이나 유체증발로 인한 배관진동을 해결할 목적으로 배관지지물을 추가하는 것은 진동 영향부위가 넓어 많은 지지물이 필요하고, 설사 과다한 지지물 추가로 진동이 감소하더라도 배관내벽의 침식과 마모 그리고 소음은 해결할 수 없기 때문에 비효율적이다. 그러나 압력강하로 인한 어느 정도의 유체공동이나 유체증발은 그리 큰 문제가 되지 않기 때문에 배관 내의 압력을 감당할 정도로 변화시켜 공동이나 증발로 인한 영향을 줄일 수 있다. 예를 들면 밸브로 인한 유체공동은 밸브 후단에 오리피스를 설치하여 줄이거나 유체공동이 일어나지 않도록 밸브에서 압력강하가 증기압 이하로 감소되지 않도록 설계한 유체공동 방지밸브(anti-cavitation valve)를 사용하는 방법이다. 또한 일련의 오리피스를 설치하여 점차적으로 압력강하를 시켜 유체공동을 감소시키는 방법도 쓰여지며 배관크기를 크게 하여 유속을 줄임으로써 유체공동에 대한 영향을 감소시키기도 한다. 【그림7-6 제어밸브의 유체공동】 유체공동이나 유체증발은 주로 과도한 유량 조절밸브의 조정으로 발생한다. 특히 유체공동은 유체압력이 유체의 증기압에 도달할 때 기포(vapor pocket)가 생기고 밸브후단 배관에서 기포들이 깨질 때 심한 소음과 진동이 발생하는 것을 말한다. 심한 유체공동의 경우에는 배관벽면에서 기포가 깨질 때 국부적인 hydrodynamic loading으로 인하여 벽 안쪽에 곰보(pitting)형상의 파손을 일으킨다. 유체공통은 그 심각 정도에 따라 다음의 네 개의 범주로 분류된다. (1) 초기공동(incipient cavitation) 유체공동의 시작을 뜻하며 간헐적인 깨지는 파열음(popping) 소리가 특징적이며 이 단계의 공동현상으로는 배관계에 진동이나 손상이 없다. (2) 주의공동(critical cavitation) 베이컨 튀기는 소리가 지속적으로 나는 특징을 가지며 진동은 별로 크지 않아 문제가 되지 않으며 소음도 그리 귀에 거슬리지 않지만 오랜 시간 지속될 경우 심각하지 않은 손상을 주기도 한다. 그러나 배관 내벽의 손상은 그 정도가 적다 하더라도 빠른 유체흐름으로 침식(erosion)이 가속되어 wall thinning현상으로 발전될 수 있다. (3) 초기손상공동(incipient damage cavitation) 피팅(pitting)현상으로 파손의 시작단계이며 배관계의 진동과 귀에 거슬리는 소음을 동반하며 pitting으로 인한 손상은 그리 크지 않다. (4) 질식공동(choking cavitation) 극심한 소음과 진동이 특징적이며 유체공동의 최대강도의 단계를 말한다. 유동저항체(flow restriction)의 상단부의 추가적인 압력증가는 유동이 완전 질식상태인 초공동(super cavitation) 상태가 되며 증기압은 하단부 배관에서 상당한 거리상에 발생하고 증기포켓(vapor pocket)이나 공동(cavities)은 멀리 떨어진 곳에서 깨져 극심한 소음, 진동과 손상을 주게 된다.

진동하는 배관이 심각한 상태인지 아닌지를 결정하기 위하여 진동허용기준을 결정하여야 한다. 진동기준으로는 배관응력과 피로한계 및 배관처짐과 배관지지물의 반력 등을 들 수 있는데 어느 변수가 지배적인가에 따라 허용진동의 크기가 다르게 된다. 예를 들어 피로파괴가 일어나지 않을 정동의 진동은 배관응력 관점에서는 허용되나 고속펌프와 같은 민감한 기기는 수명 전에 파괴될 수 있다는 것을 충분히 고려하여야 한다. (1) 정상상태 진동 배관의 정상상태 진동은 배관의 피로수명에 대한 영향으로 평가되어진다. 정상상태의 진동을 허용하기 위해서는 계산된 응력이 설비의 수명동안 파괴가 일어나지 않도록 허용응력을 피로곡선으로부터 얻는 것이 바람직하다. (2) 과도진동 배관계의 과도진동은 주로 배관의 처짐과 반력을 근거로 평가된다. 과도현상에는 진동으로 인한 반복응력의 횟수가 적기 때문에 재질의 피로현상은 크게 문제가 되지 않는다. 오히려 과도진동에 의한 배관계의 큰 움직임은 배관의 응력을 크게 증가시킬 뿐만 아니라 배관 지지대를 손상시키기도 한다. 작은 분기관의 파손이나 연결된 기기에 과도한 하중이 작용하지만 가장 빈번히 일어나는 것은 과도한 배관계의 움직임으로 인한 배관 지지물의 손상이다. 따라서 과도진동에 대한 대책은 주로 배관계의 움직임을 조절하여 배관 지지대와 기기로 하여금 진동에 의한 반력을 감당하게 하는 것이다. 정상상태 진동과는 달리 배관재질의 내구한계의 적용을 받지 않으며 일반 배관코드의 허용응력의 적용을 받는다. 대부분의 과도진동은 설계단계에서 예측하여 가진 함수를 구하고 이것으로 배관응력 해석을 수행하여 응력, 처짐과 지지물의 반력을 구한다. 시운전 및 가동 전 검사 시 과도진동의 허용기준은 실제응력을 기준으로 한 최소 설계 여유치를 처짐에 고려하여 측정지점의 측정 시 허용 변위로 하고 배관지지물에는 최소 설계 여유치를 지지물 하중에 고려하여 측정 시 허용 하중으로 하게 된다. 그림 7-7에 나타낸 진동과 주파수의 관계는 배관계 진동문제의 가혹한 정도를 평가하기 위해 사용되고 있으며 ASME/ANSI OM PART3, API Standard 618(Reciprocating Compressors for General Refinery Services) 등의 코드에 적용되고 있다 【그림7-7 배관의 진동 기준치 】

1. 차압식 유량계 (1) 측정원리 비압축성 유체가 관내를 난류하지 않고 마찰도 없고 외부와도 에너지의 교환이 없는 것으로 하고 중력만이 외력으로서 일한다고 하면 관내의 임의점에서 베르누이 정리가 성립한다. (2) 특징 차압방식은 구조가 간단하며 가동부(可動部)가 거의 없으므로 견고하고 내구성(耐久性)이 크며 고온, 고압, 과부하에 견디고 압력손실도 적다. 구조가 간단하므로 상사법칙(相似法則)의 적용이 되고 임의의 유체에서 교정한 값을 Reynolds number의 보정에 의해 他의 유체에도 사용할 수있다. 사용법이 적정하면 정도(精度)도 좋다. 이와 같은 특성 때문에 공업용으로 대단히 많이 사용되고 있다. 2. 면적식 유량계 (1) 측정원리 수직으로 설치된 taper관의 사이를 측정유체가 밑에서 위로 흐르면 taper관내에 설치된 float는 유량의 변화에 따라 상하로 이동된다. 이 float 움직임을 검출하여 유량을 구한다. (2) 특징 - 차압식 유량계에 비해 적은 유량, 고점도의 유량측정이 가능하다. - 유량눈금은 원리적으로 균등눈금으로 되고 유효측정 범위를 최대 눈금의 10-100%로 취할 수 있다. - 원리적으로 밀도 변화의 영향을 받기 때문에 설계기준 밀도 ρ가 사용조건과 다르고 ρ'로 된 경우의 유량 Q'는 계기에서 읽은 Q에 다음의 보정 계수를 곱할 필요가 있다. 3. 전자식 유량계 (1) 측정원리 자속밀도 B의 자계중에 내벽을 절연물로 덮어씌운 반지름 d인 측정관을 관축방향이 자계와 직교하도록 자계와 흐름의 방향에 각각 직각이 되도록 관벽에 설치된 1대의 서로 마주 본 전극간에 전압이 발생한다. (2) 특징 -유체의 온도, 압력, 밀도, 점도의 영향을 받지 않고 넓은 측정범위에 걸쳐서 체적유량에 비례한 출력신호가 얻어진다. -검출기는 흐름을 막는 것이나 가동부가 없으므로 적절한 lining재질을 선정하면 slurry나 부식성 액체의 측정이 용이하다. - 압력손실은 없고 다른 유량계에 비해서 상류측 직관부도 짧아서 좋다. - 정/역 양방향의 유량이 측정되며 응답의 지연도 없다. - 기체, 기름등 유전성이 없는 유체의 측정은 할 수 없다. 4. 초음파 유량계 (1) 측정원리 관로의 외부에서 유체의 흐름에 초음파를 방사하고 유속에 따라 변화를 받은 투과파나 반사파를 관외에서 받아들여 유량을 구하는 것이다. 측정원리로부터 크게 구별해서 실용화되어 있는 대표적인 두가지 방식이 있다. ①전반 시간차 방식 : 초음파가 유체내를 통과하는 속도는 유체의 평균유속과 일정한 관계가 있다. 이 통과 시간을 측정한 다음 유속과 관지름에 의해 유량을 구한다. ②도플러 방식 : 진동원과 관측점의 상대운동에 의해 음, 광 등의 주파수가 변화한다고 하는 도플러 효과를 이용하여 초음파에 의해 유량을 측정한다. (2) 특징 - 관로의 외벽에 검출기를 부착하는 방식으로 이미 설치된 배관로를 가공할것도 없이 또 흐름을 멈출것도 없이 유량측정이 가능하다. - 검출기는 유체와 비접촉이므로 부식이나 부착물 등의 걱정이 없다. 또 흐름을 방해 하는 것이 없으므로 압력손실이 없다. - 유속분포의 혼란이 측정 정도에 영향이 된다. 그 때문에 검출기 부착부에는 상류측, 하류측에 소정의 직관장이 필요하다 5. 터빈 유량계 (1) 측정원리 원통상의 유로속에 로터(회전날개)를 설치, 이것에 유체가 흐르면 통과하는 유체의 속도에 비례한 회전속도로 로터가 회전한다. 이 로터의 회전속도를 검출하여 유량을 구하는 방식이다. (2) 특징 - 일반적으로 공업계측용에는 회전부의 기계적 마찰이나 유체저항력이 적은 축류식의 높은 정밀도를 가진 터빈 유량계가 사용된다. - 청정에서 유체저항이 적은 저점도 액체에 가장 적합하다. - 로터의 응답이 빠르고 유량에 비례한 고분해능의 펄스신호가 얻어진다. - 유량계의 상류측에 정류장치를 사용한 20D (D: 관로의 호칭지름) 이상인 수평인 직관부를 설치, 게다가 이물질의 혼입에 의한 로터의 파손을 방지하기 위해서 직관부 입구의 직전에 여과기를 설치할 필요가 있다. 6. 용적식 유량계 (1) 측정원리 회전자와 피스톤 등의 가동부와 그것을 둘러싼 케이스 사이에 형성되는 일정 용적의 공간부를 되 모양으로 그안에 유체를 가득 채워 그것을 연속적으로 유출구로 내보내는 구조로, 계량 회수로부터 용적유량을 측정한다. (2) 특징 - 원리적으로 적산형 유량계이다. 특히 고점성 액체에 있어서 고점도이며 거래용이나 표준 유량계로서도 사용된다. - 유량계의 설계부의 관로에 직관부를 필요로 하지 않는다. - 유로에 가동부가 있으므로 회전자와 케이스간에 고체가 위에 끼지 않도록 유량계 입구에는 반드시 여과기를 설치할 필요가 있다. 이로 인해 압력손실이 비교적크다. 7. 소용돌이 유량계 (1) 측정원리 유체의 흐름에 수직으로 주상물체 (소용돌이 발생체)를 눌러 끼우면 그 물체의 양쪽에서 서로 역회전의 소용돌이가 서로 교대로 발생하고 하류에 Karman 와열이 형성된다. 이 소용돌이의 주파수는 어느 레이놀즈수의 범위에 있어서 유속에 비례하는 특성을 가지고 있기 때문에 소용돌이 주파수를 검출하는 것으로부터 유량을 측정할 수있다. (2) 특징 - 출력신호는 유량에 정비례하고 펄스 출력이 얻어진다. - 출력신호는 체적유량을 지시하고 온도,압력,유체의종류에 영향을 받지 않는다. - 적용 레이놀즈수의 범위가 넓고 정밀도가 좋다. - 흐름의 압력손실은 비교적 적으나 유속 분포의 영향을 받으므로 상류측에는 관로상황에 따라 15D - 40D 이상, 하류측에는 5D의 직관장이 필요하다.

차압식 유량계는 유량 측정의 대명사로 불릴 만큼 가장 많이 사용되고 있으며, 풍부한 관련 규격, 응용 자료 및 실험자료로 인하여 적용 범위가 매우 넓고 구조가 간단하여 신뢰성 및 내구성이 우수한 오래된 역사의 유량계이다. 차압식 유량계의 사용은 점점 더 확대되어 왔으나 새로운 기술을 도입한 전자 유량계, 와류 유량계, 초음파 유량계 등의 발전과 부정확한 차압계의 영향으로 일시적인 감소 추세에 있었다. 그러나 정확하고 적당한 가격의 차압계가 개발됨에 따라 차압식 유량계의 사용은 다시 확대되어 현재는 유량계 시장에서 차압식 유량계가 차지하는 비율이 제일 높다. 1. 장점 (1). 구조가 간단하며 이동 또는 회전하는 부분이 없어 마모가 적고, 신뢰성이 높으며, 내구성이 높다. (2) 역사가 매우 오래된 유량계로 유량 측정 특성 및 실험 데이터가 충분하여 규격서의 제작 사양 및 설계 조건 등을 잘 따르면 별도의 교정 없이도 수 % 이내의 유량 측정 정확도를 얻을 수 있다. (3) 가격이 다른 종류의 유량계에 비하여 저렴한 편이다. 특히 대구경인 경우 더욱 유리하다. (4) 거의 모든 종류의 유체 유량 측정에 적용할 수 있다. (5) 보수유지가 간편하다 2. 단점 (1) 유량에 대한 교정을 하여주면 높은 정확도를 얻을 수 있으나, 교정을 하지 않으면 2 % 이내의 정확도를 얻기 힘들다. (2) 출력 신호가 유량의 제곱에 비례하기 때문에 층류 유량계 및 원추형 차압식 유량계를 제외하고는 유량 측정 범위가 약 3:1 정도로 제한된다. 즉 rangeability가 낮다. (3) 유출계수 및 유량 측정 정확도는 배관의 형태, 유체의 유동 상태에 따라 큰 영향을 받는다. (4) 기계 부분의 마모 및 노후화로 인하여 유량 측정 정확도가 큰 영향을 받을 소지가 있으며, 이에 대한 영향이 정량화 되 어 있지 않다. (5) 일부 유량계의 경우, 특히 오리피스 유량계의 경우 압력손실이 크며, 이로 인한 동력 소모가 높다. (6) 대부분의 경우 요구되는 직관부 길이가 매우 길다.

o 오리피스 판 (orifice plate) o 벤튜리관 (venturi tube) o 유동 노즐 (flow nozzle) o segmental wedge 소자 o 원추형 차압식 유량계 o 피토튜브 (pitot tube) o 평균피토튜브 (averaging pitot tube) o 엘보우 미터 (elbow meter)

o 질량 보존의 법칙 o 베르누이 (Bernoulli) 방정식 질량 보존의 법칙 : 베르누이 방정식 : 차압식 유량계는 액체 및 기체에 모두 다 사용할 수 있는 유량계이다. 따라서 측정 원리도 액체 및 기체의 두 가지 경우로 나누어서 고려하여야 한다. 1. 유체가 액체인 경우 액체는 비압축성 유체로 분류하며 비압축성 유체라는 것은 밀도의 변화가 크지 않아 이의 변화가 유량 측정에 미치는 영향을 무시할 수 있다는 것을 의미한다. 즉 이다. 따라서 위의 질량 보존의 법칙 및 베르누이 방정식은 아래와 같이 표현할 수 있다. 질량 보존의 법칙 : 베르누이 방정식 : 부피 유량은 유속에 단면적을 곱하면 구할 수 있다. 위의 식에서 (P1 - P2)는 단면 A1과 A2 사이의 압력차이(차압)를 가리키며, 는 velocity of approach factor로 불리는 계수로 보통 E로 표기 특히 오리피스 판 차압식 유량계에서 (A2/A1)2은 조임비(beta ratio, β=d/D)로 표현하면 (d/D)4이 된다. 그러나 실제 차압식 유량계에서 측정되는 부피 유량은 유체의 마찰, 수축부의 불일치 등 이상적인 가정 조건들과 차이가 있기 때문에 실제 유량을 구하기 위해서는 교정 작업을 통하여 얻어지는 유출계수 (discharge coefficient, Cd)라는 개념을 도입하여야 한다. 유출계수는 아래와 같이 정의된다. 따라서 식을 다시 쓰면 아래와 같이 된다. 또한 질량 유량은 아래와 같다. 2. 유체가 기체인 경우 기체는 압축성 유체로 분류하며 압축성 유체라는 것은 밀도의 변화가 크기 때문에 이의 변화가 유량 측정에 미치는 영향을 무시할 수 없다는 것을 의미한다. 즉 이다. 그리고 단면 A1과 A2 사이의 변화가 단열 (adiabatic)이고 가역 (reversible) 과정이라고 가정하면 아래와 같은 관계가 성립한다. (10) 여기서 v는 비부피(m3/kg)이다. 위의 식과 베르누이 방정식, 이상 기체 방정식 및 엔탈피(enthalpy, h)의 정의를 이용하면 아래의 식을 얻을 수 있다. (11) 이상 기체인 경우 아래의 식이 성립한다. (12) 식 (12)와 을 이용하면 아래의 관계식을 얻을 수 있다. (13) 여기서 r은 상하류측의 압력비(P2/P1)이다. 질량 보존의 법칙으로부터 아래의 식을 구할 수 있다. (14) 식 (14)를 식 (13)에 대입하여 V2에 대하여 풀면 아래 식을 얻을 수 있다. (15) 를 이용 부피유량을 구하면 아래와 같다. (16) 기체의 경우도 액체와 마찬가지로 유출계수를 적용시켜야 한다. 따라서 식 (16)을 다시 쓰면 아래와 같이 된다. (17) 여기서 Y는 팽창계수로 아래와 같이 정의된다. (18)

유체 속을 전달하는 초음파의 음속이 유속의 값만큼 변화하는 것을 이용 한 유량계이고, 보통 10 kHz에서 1 MHz 정도의 초음파를 이용한다. 1. 측정원리 【그림7-9 초음파 유량계 측정원리】 V M = 평균 유속 A, B: 송수신기 2. 발달사 (1) 제1차 세계대전 말에 프랑스의 물리학자 P.랑 주뱅이 잠수함을 탐지하는 데 초음파를 사용하려 한 것이 처음이었고, 그 후 어군탐지기나 탐상기(探傷器), 의료용 진단장치 등 여러 곳에서 이용(초음파 기술) (2) 1970년대 파나메트릭사가 처음으로 산업계에서 사용하기 시작함 (처음에는 천연가스 측정용이었으나 나중에는 소각가스 측정용으로 용도 변경 되었음) (3) 현재는 다니엘사와 인스트로메트사(Stork Brabant의 ultrasonic division) 의 천연가스용 초음파 유량계 시장을 석권하고 있으며, 최근에 FMC Kongsberg사(Fluenta in Norway)가 초음파 유량계 시장에 뛰어들어 유 럽과 북미에서 활동 중. 3. 규격서 (1) 1995년 유럽에서 학술논문 발간 (2) 1998년 AGA Report No.9 발간 (Measurement of Gas by Multipath Ultrasonic Meters) (3) 1998년 ISO/TR 12765 발간 (Measurement of fluid flow in closed conduits Methods using transit-time ultrasonic flowmeters) (4) 1999년 Woodside Energy Ltd사가 OFFSHORE ENGINEERING STANDARDS 발간(교습용)
1. 자기 진단 가능 가. 각 경로마다 측정되는 음속값 사이에 차이가 생길 경우. 1) 다른 크기의 음속이 측정되는 경로에 문제가 있는 것 2) 해당 수발신기에 문제가 있는 것 나. 평균 음속값이 해당 조성, 온도, 압력에서 별도로 계산되어진 음속과 차 이가 있을 경우. 1) 전체 시스템중 어딘가에 문제가 생긴 것 2. 편리한 유지관리 3. 유량 측정 원리상 부유물 부착의 영향을 받지 않음 가. 부유물이 부착되 감지되는 신호의 세기는 틀려지나 시간 차이 경우 변 화가 없음 나. 오염물 부착정도 인지 가능 4. 큰 유량측정비 가. 관직경이 작을수록 작아짐 나. 750mm인 경우 제작사에 따라 200:1이상
1. 직관부 길이 요구 조건 (1) 제작사에 따라 10 D에서 20 D정도의 직관부 길이 권고 (2) 초음파 유량계 규격서 AGA Report No 9 : ISO 9951을 참조하도록 함 2. 유체의 소음 (1) 유체 소음의 대역이나 진폭에 따라 민감 (2) 경우에 따라 소음 감쇄 배관 구조 필요 【그림7-10 소음 감쇄 배관 구조】 3. 설치방식 (1) Clamp-on Type(습식) 가. 설치가 건식에 비하여 용이 나. 단기간의 간이 측정 다. 정확도 및 정밀도는 건식에 비하여 다소 열등 (2) Spoolpiece Type(건식) (3) Hot-tap Type 4. 빔의 형태에 따른 분류 (1) Single path (2) Dual path (3) Multiple path 5. 최대허용오차 【그림7-11 최대허용오차】 6. 교정 (1) 질소 사용 (2) 제품 완성 후 각종 시험이 완료되었을 때 공장에서 시행 (3) 각 경로에서 측정되는 값끼리의 비교 1) 유체가 정지해 있기 때문에 모든 음속은 일치해야 정상 2) Q-Sonic 5S 모델은 5개의 음속값과 10개의 시간값 3) Senior-Sonic 모델은 4개의 음속값과 8개의 시간값 (4) 각 경로에서 측정되는 값들의 평균 확인 1) 충진된 질소의 해당압력과 온도에서 음속값 계산 2) 이 계산 값과 측정된 음속의 평균값이 일치해야 정상 7. Wet Calibration (1) 일반적으로 말하는 교정을 의미 (2) 고객이 원하는 사양에 맞춰 현장교정 (3) 국외 교정 경우: 300 mm이상일 때 1200 ~ 2000만원정도 (운송비 및 포장비제외) 8. 장점 (1) 압력손실이 없음 (2) 구동부위가 없음 (3) 적은 유지비용 (4) 큰 사이즈까지 쉽게 다룰 수 있음 9. 단점 (1) 노이즈에 민감 (2) 고가

1. 작동 및 측정원리 (1) 터바인 유량계는 둥근 허브의 주위에 위치한 헬리컬 블레이드의 회전에 의하여 유량을 측정하는 장치로써 체적을 측정하는 유량계이다. (2) 유량계로 들어오는 가스가 환형통로를 통과하면서 속도가 증가되고 경 사진 회전자의 날개를 통과하면서 회전자에 힘을 주게 되어 회전력을 높일 수 있도록 설계되어 있다. (3) 회전자의 회전수와 유속이 비례하도록 설계되었고 관의 단면적이 일정 하므로, 단면적과 유속을 곱한 유량과 회전수가 비례한다. 따라서 회전 수를 계산하면 터빈유량계를 통하여 흘러간 유량을 알 수 있다. 【그림7-12 터빈 유량계의 개략도】 2. 구조 (1) 몸체(Body)가. 몸체 및 압력을 받는 모든 부분은 그 해당조건에 적합하도록 설계되어 야 하고 재질로 제작되어야 한다. (2) 측정기구(Measuring Mechanism) 가. 회전자(Rotor), 회전자축(Rotor shafting), 베어링, 유량 통과 지역과 그 외 필요한 지지물로 구성된다. 나. 충분한 크기의 펄스신호를 나타내기 위하여 회전자 날개(Rotor blade)는 자기를 띤 강(Magnetic steels)으로 만들어져 있다. 다. 베어링 재질이 상당히 개발되었다고 하지만 항상 터빈 날개를 지지해야 하며 유체가 흐르면서 가하게 되는 힘에 대한 마모 또한 무시할 수 없는 것이므로 마모에 오래 견디고 부식성 기체에도 적응 할 수 있는 재질이 【그림7-13 터빈 유량계의 내부 개략도 및 주요 부분 명칭】 1 : 유동안정기 (Flow conditioner), 2 : 흐름 통로 (Flow channel) 3 : 로터 날개 (Rotor blade), 4 : 흐름 링 (Flow ring) 5 : 기어 뭉치 (Gear bundle), 6 : 마그네티 커플링 (Magnetic coupling) 7 : 카운터(Counter) (3) 출력 및 판독장치(Output and Readout Device) 가. 터빈 유량계는 기계식 구동장치와 전기식 펄스 출력 장치가 있어야 함 나. 기계식 출력장치는 몸체 밖으로 회전자의 회전수(비보정 부피)를 전달 하기 위하여 필요한 축, 기어, 기타 구동부품으로 구성되어야 함. 【그림7-14 터빈 유량계 모형】   3. 터바인 유량계 역사 (1) 1901년 전후로 사용을 시작하였으나 범용되지 않음. (2) 1940년경에 독일 PTB (Physikalish- Technische Bundesanstalt)에 의하여 처음으로 거래용 유량계로 승인을 받았으나 기초 단계에 불과하였고 액 체 측정용으로만 사용함. (3) 1950년대 초에 들어서서 가스 측정용으로 개발되고 사용되기 시작함. (4) 1971년 6월 EEC(European Economic Community)에서 발간한 Directive 71/318/EEC는 거래용 유량계로써만 사용하였고, 터빈 유량계에 대한 최 초의 규격서의 형태를 갖춤. (5) 1974년 2월 OIML(Organization for Legal Metrology)에서 터빈 유량계에 대한 권고서 (Recommendation No.32)를 발간. (6) 1976년 API에서 Manual of petroleum measurement standards를 발간. (7) 1977년 ANSI(America National Standards Institute /ISA(Instrument Society of America)에서 ANSI/ISA-RP 31.1을 발간. (8) 1980년 10월 AGA(America Gas Association)에서 터빈 유량계에 대한 권 고서( AGA No. 7 : " Measurement of Fuel Gas by Turbine Meters" ) 를 발간하였으며 1984년 11월 1차 개정판을 발간. (9) 1 993년 ISO(International Organization for Standardization)에서 국제 표 준 규격서 ISO 9951("Measurement of gas flow in closed conduits- Turbine meters")을 발간함으로 써 최초 국제 표준규격서가 등장하였다. (10) 1996년 4월 AGA(America Gas Association)에서 터빈 유량계에 대한 권 고서(AGA No. 7 : " Measurement of Fuel Gas by Turbine Meters")에 대한 2차 개정판(AGA No. 7 : " Measurement of Gas by Turbine Meters")을 발간. (11) 2002년 Technical Committee CEN/TC 237에서 유럽 표준 규격서 EN 12261을 발간.

1. 계산식 (1) 체적계산 유동조건에서 P f *V f = Z f *N*R*T f 기준조건에서 P b *V b = Z b *N*R*T b V b = V f *(P f /P b )*(T b /T f )*(Z b /Z f ) P 절대압 , V 부피, Z 압축계수 N 가스의 몰수, T 절대온도, R 기체상수 첨자 f 유동조건, b 기준조건 (2) 유량계산 유동조건에서 Q f = V f /t Q f =유동조건에서 유량 V f = 유동조건에서 체적 = 총펄스수 * 1/K t = 측정시간 K = K 인자/㎥ 기준조건에서 Q b = V b /t = Q f *(P f /P b )*(T b /T f )*(Z b /Z f ) 2. 특성 터바인 유량계는 설계자의 수만큼 다양하게 제작될 수 있고, 또한 같은 제작사라 하더라도 크기별로 그 특성이 모두 다르다 (1) 선형성± x % of the average sensitivity 로 표시하며 선형범위 내에서 평균 sensitivity로부터 최대 허용오차로 나타낸다. 그림 3은 ISO 9951과 네덜란드의 Gasunie에서 제시하는 최대허용 오차를 나타내고 있다. (2) 유량범위 최대유량과 최소유량의 비로 결정되어 지는데 Scott에 의하면 유량계의 크기가 작은 경우에는 정확도 ±1%이내에서 7:1의 측정비를 가 지며 유량계의크기가 커지면 정확도 ±1%이내에서 20:1의 측정비를 갖는 것으로 되어있다. Gasunie 자료에 의하면 저압시 유량비는 20:1이고 ,고압시는 40:1에서 50:1까지 도달한 것으로 보고 되어있다. (3) 선형범위 ' _____ to _____ meter3 per second '로 표시하는데 선형성을 유지하는 범위 내에서 출력신호가 유량(일정한 K factor)에 비례하는 유 량범위를 나타낸다. (4) 민감도각 유량계의 특성값이며 Sensitivity는 Cycle per meter3로 표현 되고 평균 K factor를 적용한다. (5) 밀도의 영향 현재 터빈 유량계의 오차곡선에서 밀도의 영향은 0.5% 이 내로 잘 유지되며, 터빈 유량계 성능에 대한 다음과 같이 3가지의 주요 영향을 가지고 있다. 가. Rangcability : 밀도가 증가할수록 터빈 유량계의 유량비도 증가한다. 나. Pressure Drop : 밀도가 증가할수록 터빈 유량계의 압력손실도 증가한다. 다. Meter Accuracy : 밀도 변화는 터빈 유량계의 정확도에 영향을 주며 터빈 유량계의 설계에 의해 좌우된다. (6) 압력손실최대유량에서 터빈 유량계를 통과시 압력손실을 말하며 ' ______ differential pascals at ______ meter3 per second '로 표시한다. 압력손실의 원인은 Rotor를 구동하는데 필요한 일과 내부통로를 통과시 마찰에 의한 손실이고 다음과 같이 표시되며 압력손실은 0.2 ~ 1 bar 정도이다. ΔP f ∝ ρ f (Q f ) 2 , f는 유동상태일 때의 물성치 압력 손실 측정은 유량계의 전. 후단부의 1D에서 이루어지는데, 왜곡된 흐름현상이 압력측정에 어떠한 영향을 주지 않는 지점이어야 한다. (7) 자기장의 영향만약 전기배선이 충분히 차폐되지 않았다면 유량계 주위 의 자기장이나 전송 케이블은 가신호를 발생하기도 한다. (8) Reynolds number 효과터빈 유량계의 교정이나 운전시 그 성능은 유량 이나 밀도에 의존하기 보다 Reynolds number에 의존함. 즉 rotor system (예를 들어 rotor blade나 blade tips에서의 유체항력)에서의 유체지연 Torque는 rotor의 이상적인 회전속도를 벗어나게 하는데, 이것을 "유체항 력효과(Fluid Drag Effect)"라고도 함. 이 Reynolds number는 많은 경우에 있어서 유량계의 성능(Quality)을 평가하는 수단이 된다. (9) 비유체저항의 효과비유체 지연 Torque (예, 베어링의 마찰, 기계 및 전 기적 검출장치의 지연)가 rotor speed의 감속(rotor slip)을 가져오는데, 이 rotor slip의 양은 유량과 가스의 밀도에 좌우되므로 "Density Effect "라고 한다. (10) 반복성 및 재현성동일한 유동 조건 하에서 Test했을 때 정해진 출력 이나 성능을 낼 수 있는 유량계의 특성을 말하는데 크게 2가지로, 연속적 으로 동일한 실험을 실시할 때의 반복성과, 보다 오랜 시간에 걸쳐서(일, 월, 년별로) 실시할 때의 반복성을 나타내는데 후자는 재현성으로 표현한다. (11) 맥동의 영향천천히 발생되는 맥동은 터빈 유량계에 커다란 영향을 주 지 않지만, 맥동이 빠른 것은 터빈 유량계를 빨리 계량하도록 하여 계량오 차를 유발하는데, 이것은 터빈 유량계가 천천히 변하는 유량에 잘 응답하 기 때문이다. 맥동 발생원인이 되는 설비 사이에 Pulsation Dampener(맥동 완충장치)를 설치하므로 써 맥동에 대한 영향을 줄일 수 있다. (12) 배관 벽면의 거칠기배관벽면의 거칠기는 배관의 부식에 따라 증가하고, Paraffin류의 퇴적으로 감소하는데 상류측 벽면 거칠기가 매우 중요한 변 수인 오리피스 유량계와는 달리, 터빈 유량계에는 커다란 작용을 하지 않 음. 즉, 터빈 유량계 내로 유입되는 유동 구배는 물론 일정해야 하지만 그 구배가 평평하거나 다소 돌출 되어도 큰 문제가 되지 않는다. (13) 주위 조건주위온도나 측정 가스온도의 변화에 따른 터빈 유량계의 성 능에 대한 체계적인 실험은 되어 있지 않지만 그 영향은 작은 것으로 알 려져 있다. (14) 가스의 오염상태터빈 유량계는 기계적으로 회전하는 부분이 있기 때 문에 가스 내에 이물질이나 액체가 있으면 유량계의 성능에 큰 영향을 끼 칠 뿐만 아니라, 심한 경우 유량계의 파손을 가져오므로, 가스의 청결을 유지할 수 없는 곳에서 유량계를 사용 시, 배관에서 손쉽게 분리하고 유량 계 손상을 쉽게 검사할 수 있는 오리피스 유량계가 아직까지 더 선호된다. (15) 수분의 영향수분은 기계장치 등의 오동작을 유발시키는 가장 빈번한 이유 중의 하나이며, 전기관련 부품들은 방수이어야 한다. (16) 스월효과스월(Swirl)은 유동 속도 백터와 파이프 중심축이 이루는 각도를 말하며 허용한도를 2°이하로 규정하고 있다(ISO 5167). Swirl 발생시 주어진 유량에서 회전자의 속도는 다른 양상을 띠게 되는데 Swirl이 rotor의 회전방향일 경우 Rotor speed를 증가시키지만 반대방향일 경우 감소시킨다. 따라서 고정도의 유량측정을 위해서는 Straightener를 설치하여 무시할 정도의 수준으로 Swirl를 감소시켜야 한다. 【그림7-13 다양한 형태의 유동안정기】 (17) 속도의 분포효과회전자 입구에서 축대칭하고 균일한 속도분포를 얻을 수 있도록 하여야 하며 불균일한 속도분포는 균일한 속도분포보다 큰 Rotor speed를 유발한다. (18) 과부하정격압력 및 온도범위 내에서 유량계의 오차곡선에 아무런 영향 을 주지 않으면서 최소 30분 동안 최대유량 20%이상을 운전하여도 유량계 에 아무런 영향이 없어야 한다. (19) 과범위 보호압력증가, 벤트, 퍼지시 급격한 기체속도는 갑작스런 과속 회전을 유발하여 유량계에 심각한 손상을 일으킬 수 있으므로 운전시 천 천히 밸브조작을 하여야 한다. 또한 고압 사용 시 상류측에 작은 BYPASS 용 라인을 설치하여 유량계가 운전압력에서 운영될 수 있도록 해야 한다. 과속회전으로부터 유량계를 보호하기 위하여 critical flow orifice나 sonic venturi nozzle등을 설치 할 수 있다. (18) 과부하정격압력 및 온도범위 내에서 유량계의 오차곡선에 아무런 영향 을 주지 않으면서 최소 30분 동안 최대유량 20%이상을 운전하여도 유량계 에 아무런 영향이 없어야 한다. 【표7-6 Blowdown Valve Sizing】 METER RUN VALVE SIZE 2“ 1/4“ 3“ 1/2“ 4“ 1/2“ 6“ 1“ 8“ 1“ “12“ 1“

터바인 유량계는 일반적으로 수평설치하고, 속도측정 기구이므로 유량계로 유입되는 속도분포가 균일하고 유량의 급속한 분출이나 소용돌이가 없도록 배관 형상을 만들어야한다. 따라서 유량계 상류측 배관형이 하류측보다 더욱 더 많은 영향을 끼치는데 하류측에 특이한 유동교란이 있을 경우 충분한 직관부 길이가 필요하며 심한 경우 하유측 유동 안정기가 필요할 수도 있다. 유량계 제작사는 아주 안정된 조건하에서 나타나는 최대 허용오차의 1/3이하의 추가오차를 갖도록 하는 설치조건을 명시해야 하다고 ISO 9951은 기술하고 있다. 만약 Throttling Device를 불가피하게 설치해야 할 경우 각각의 설치유형에 필요한 상류측 직관부 길이에다 8D, 하류측으로 2D를 추가 설치해야 한다. 이러한 Throttling Device를 유량계에 가깝게 설치하면 정확도 감소와 베어링의 수명을 단축시키는 결과를 가져온다 1. 유동안정기유량계의 전단에 설치된 유동안정기는 스월을 제거하는데 효과적이다. 설 치시 압력강하나 내구성도 검토해야 한다. Tube bundle형의 Straightener를 나타내었는데 a의 길이는 D의 1/4를 초 과해서는 안 되고 A면적은 구성된 배관면적의 1/16을 초과해서는 안 된다. 또한 길이 L은 최대 내부직경 a의 적어도 10배 이상이 되어야 한다. 2. 스트레이너 또는 필터Pipe내의 이물질은 터빈 유량계에 심각한 손상을 입힐 수 있으므로 가스 흐름상에 이물질이 존재시 Strainer 또는 필터를 설치해야 하나, 흐름 형상 에 지장을 주어서는 안 된다. Strainers or Filters 선정시 최대 유량에서 최소의 압력손실이 있는 크기로 선정해야 하며, 흐름에 지장을 주지 않도 록 Strainers or Filters 전반에 걸친 차압을 monitoring 해야 된다. 3. 온도측정 유량계 상류측의 교란을 최소화하기 위해 온도계의 설치 위치는 유량계 후단이 바람직하다. 즉 유량계 후단의 5D 이내에 밸브나 유량 Restrictor 앞에 설치해야 한다. Thermometer well은 배관이나 Well 접속 물로부터 열전달을 받지 않도록 설치해야 함. 4. 밀도측정 밀도계를 사용할 경우, 회전자의 가장 근접한 부분의 가스를 측정하는 것 이 바람직하며, 유량계로 들어오는 유동을 교란시키거나 미계량 By-pass 가 생기지 않도록 주의해야 한다. 퍼지 시키는 밀도계를 사용시 계량되지 않는 기체의 양을 고려해야 한다. 5. 압력측정 및 탭핑 터바인 wheel에서의 압력측정이 이루어져야 하고, 유량계 부분에서 압력강 하를 측정하거나 그 외 다른 목적을 위하여 추가적으로 압력측정 탭핑을 설치할 수 있으며, 탭핑 크기는 최소 3 mm에서 최대 12 mm의 bore 직경 을 가져야 하고 그 외의 사항은 ISO 5167-1의 규격을 따른다. 6. Bypass 가스공급을 차단하지 않으면서 유량계를 보수하거나 교정을 하고자 By-pass를 설치한다. 7. 부수적인 설치조건 가. 유량계 입구와 출구부분에서 배관연결시 동심원의 정렬 (Concentric alignment)이 이루어져야 한다. 나. 유량계 접속부에서 가스킷의 관내 돌출을 금지한다. 다. 액체 축적물이 쌓이는 것 방지한다. 라. 유량계 내부가 손상을 입지 않도록 유량계와 가까운 곳에 용접을 금지 한다. 마. 플랜지의 내부직경은 배관의 내부직경과 같아야 하고 유량계의 입.출 구 배관의 용접시 배관의 내부 직경과 같도록 가공되어야 한다. 8. 배관의 Stress에 의한 Strain을 줄일 수 있도록 설치한다.

【그림7-16 SPIN TIME TEST】   터빈 유량계의 정확도는 적절한 유지보수와 주기적이고 적당한 검사를 통해서만 얻을 수 있다. 검사주기는 가스의 상태와 유량계의 사양에 따라 결정되고 불결한 가스는 깨끗한 가스보다 더 주의가 요구된다. 1. 교정설비교정설비는 교정시 온도, 질량, 길이, 시간의 표준설비부터 소급성이 있어야 하고, 교정시 가능한 운전조건과 같은 상태에서 교정을 받아야 한다. 교정이 끝난 후 다음과 같은 기록이 있어야 한다. 가. Qmin. 0.1, 0.25, 0.4, 0.7 of Qmax, Qmax에서 오차 나. 교정 설비 이름과 위치 다. 교정방법 라. 불확도 추산 내용 마. 테스트 가스의 특성 및 조건 바. 유량계의 위치 2. 장/단점 (1)장점 가. 유량계 조작이 간단하다. 나. 대유량 측정용일 경우 가격이 경제적이다. 다. 협소한 공간에서 타 유량계에 비해 계량오차가 적다. (2)단점 가. 베어링 영향이 크다. 나. 유량계 전단 배관 내의 가스 유동 형상에 민감하다. 다. 설치 후 정상 작동 유무의 시험이 곤란하다. 라. INDEX부분이 기후 등에 영향을 받기 쉽다. 마. 작은 이물질일 경우에도 쉽게 유량계의 작동이 정지된다(필터설치필요)