<특집: 증기 유량 계측의 최신 동향> 클램프온식 초음파유량계를 이용한 습증기 유량의 계측 > 전체기사

전체기사
Monthly Magazine of Automatic Control Instrumentation

기획특집 <특집: 증기 유량 계측의 최신 동향> 클램프온식 초음파유량계를 이용한 습증기 유량의 계측

페이지 정보

작성자 댓글 0건 조회 1,834회 작성일 22-11-08 13:21

본문

그림 1. 시험 루프 개략도 



서론

공장의 열 수요 대부분은 증기를 통해 공급된다. 보일러를 통해 생성된 증기는 공장 내 배관을 통해 사용하는 곳까지 공급된다. 이때 증기를 사용하는 장소에서 유량계가 설치되어 있는 것과 상관없이 실제 증기 사용량을 파악하기 어려운 경우가 있다. 공급 배관에서 열을 방출해서 증기 유량이 줄어드는 경우도 생각할 수 있기 때문에 보일러에서는 과잉된 증기가 생성되고 공급되는 경우가 많다. 이 때문에 에너지 가시화 관점에서 기설 배관 내 증기 유량을 계측할 것이 요구된다.


설치되어 있는 배관에서 증기 유량을 계측하는 방법으로 클램프온 초음파 유량계가 주목을 받고 있다. 하지만 초음파를 이용하여 증기 흐름을 계측하면 액체에 비해 증기 내에서의 초음파 감쇠가 크다는 점, 배관과 증기의 음향 임피던스 차이가 크고 배관에서 증기로의 초음파 투과율이 감소한다는 점 때문에 수신되는 초음파의 신호 강도가 낮아지고 그와 더불어 투과 신호의 검출을 방해하는 배관 안을 전파하는 초음파(가이드파)가 증가한다. 


또한, 배관에서의 방출을 위해 증기가 습증기가 되는 조건에서는 액체 방울이나 액막을 동반하는 이상(二相)류가 된다. 이러한 유동 변화에 기인하여 유량 계측 결과가 영향을 받는다고 알려져 있다. 이에 저자들은 클램프온 방식 초음파 유량계를 이용한 습증기 유량 계측을 목적으로 하여 신호 노이즈비가 낮은 조건에서의 계측을 실현하는 표준편차법의 개발(1), 초음파 센서의 최적 입사 각도 검토(2), 다양한 습한 조건에서의 증기 유량 계측에 대한 오차 요인 평가(3)를 실시해왔다. 이들 연구에 관하여 아래와 같이 소개한다.


실험 장치 및 방법

<그림 1>의 증기 시험 루프(4)를 이용하여 초음파의 투과 계측을 실험하였다. 시험부에는 수평으로 설치된 SGP 65A 배관(탄소강 배관, 외경 76.3㎜, 내경 67.9㎜)을 사용하였다. 초음파 센서는 지그를 이용하여 배관 외부에 상류측, 하류측 센서를 각각 마주보는 위치에 수평으로 설치하였다. 센서 주위의 배관 바깥쪽에 댐핑재를 설치하여 가이드파를 감소시켰다. 보일러에서 생성된 포화 증기는 과열기에 의해 과열 증기가 되고 열교환기를 통해 습도를 조정하여 시험부에 흘러들어간다. 시험부 출구에는 응축기가 설치되어 있으며 모든 증기를 응축시켜 코리올리 유량계를 통해 질량 유량을 계측하였다. 습증기의 단면 평균 속도(참조 속도) Vref는 균질류 모델을 가정하여 습도를 통해 증기 밀도를 산출하고 질량 유량에 기반하여 산출하였다. 배관 내 압력 P=0.21-0.80MPa의 각 조건으로 두어 과열 증기 및 습증기 조건에서 실험하였다. 습도 β는 22%의 범위에서 설정하였다. 이용한 계측 시스템은 시판되는 초음파 펄스 수신기, A/D 보드 및 PC로 구성된다. 상류에서 하류, 하류에서 상류로 초음파 펄스를 교대로 송신하고 각 조건에서 수신된 초음파 투과 파형을 1,000파형씩 얻었다. 전파 시간차 및 유량 산출의 경우에는 저장된 파형을 바탕으로 후처리를 통해 산출하였다.



측정 결과

(1) 수신 웨이브 형상

<그림 2>는 압력 P=0.70MPa, 단면 평균 유속 Vref=19.2m/s, 습도 β=2.0% 및 P=0.21MPa, 습도 β=3.6% 및 Vref=30.8m/s 조건에서 취득한 평균 파형 및 표준편차 파형이다. 초음파의 송신 시각에서 기산하여 약 170~180㎲에서 기체상 내부를 전파하여 수신된 목적 신호를 확인할 수 있다. P=0.70MPa 조건에서는 투과 신호 진폭이 크고 목적 신호의 동정 및 전파 시간차 산출이 용이하다. 그러나 P=0.21MPa 조건에서는 증기류 내 초음파의 감쇠가 커지기 때문에 수신된 투과 신호가 작아졌음을 알 수 있다. 이때 연속 수신 파형을 통해 계산한 파형의 표준편차에 주목해야 한다. 표준편차의 파형에서 목적 신호에 상당하는 부분에서는 압력 조건에 상관없이 2MHz 변동을 가지는 볼록형 파형을 이루고 있음을 알 수 있다. 표준편차 파형은 순간적인 수신 데이터 변화를 나타낸다. 난류 내부를 전파하는 초음파 펄스의 전파 시간은 난류에 의한 속도 변동에 따라 약간 변한다. 1MHz, 파수 3에서 송신한 초음파 펄스의 전파 시간이 변하면서 2MHz 주파수를 갖는 파형이 생성되었다. P=0.21MPa 조건에서는 평균 파형에서의 신호 노이즈비(S/N)가 불량하고 목적 신호에서 전파 시간차(Δt)를 산출하기가 어렵다. 한편, 파형의 표준편차에서는 이러한 S/N비가 나쁜 조건에서도 목적 신호를 명확하게 확인할 수 있다. 따라서 P=0.21MPa에서는 표준편차 파형에서 상호 상관법을 통해 투과 신호의 Δt를 산출하였다(1). P=0.33MPa 이상의 조건에서는 초음파의 투과 신호 강도가 증가하여 S/N이 충분했기 때문에 평균 파형에서 Δt를 산출하였다.


목적 신호보다 앞선 시각에 큰 진폭을 가지는 파형이 계측되었다. 송신된 초음파 중 일부가 배관 내부로 전파되어 반대쪽 센서에 의해 수신된 가이드파이다.(그림 3) 증기류 계측에서는 배관과 증기의 임피던스 차이가 크기 때문에 송신된 초음파 대부분이 가이드파가 되며 목적 신호 검출에서 노이즈가 된다. SGP 65A 배관에서는 송신된 초음파를 마주하는 센서에서 직접 수신하는 Z법(전파 경로 1)으로 계측할 수 있었다. 그러나 배관 직경이 작고 목적 신호가 가이드파 영역에 발생해버리는 경우에는 배관 내벽에서 여러 번 반사한 파형(전파 경로 2 이상)에서의 계측이 적합한 조건도 존재한다.


가이드파 영역의 표준편차 파형에 주목한다. 가이드파는 배관 안을 전파한 파형이기 때문에 일반적인 유체 계측에서는 시간적인 변동이 발생하지 않고 표준편차의 값이 0이 된다. 실제로는 계측기 안팎에 생기는 노이즈에 기인한 일정한 값이 된다. 그러나 습증기 조건에서는 가이드파 영역의 표준편차가 계측 조건에 따라 바뀌고 <그림 2>와 같은 파형에서도 파형 시각에 의해 값이 반드시 0이 되지는 않음을 알 수 있다. 습도가 더욱 더 높은 조건에서는 이 파형의 변화가 현저하게 발생한다. 이 시간적인 파형 변화는 배안 내벽을 통해 전달된 초음파 중 일부가 액막으로 투과하고 더 나아가 기액 계면에서 반사한 것이 다시 배관 안으로 전파되어 수신측 센서에 의해 수신된 것이다. 이 때문에 기액 계면의 시간적 변동이 가이드파 영역에서의 시간 변화로 계측되었다. 즉, 가이드파의 표준편차 파형에서 배관 내 유동 상태를 어느 정도 예측할 수 있다.


af2b437fa394d3238f43d7b8833ed4e0_1667881323_9043.jpg
그림 2. 상류에서 하류, 하류에서 상류로 전파하여 수신된 신호의 평균 파형과 파형의 표준편차 


af2b437fa394d3238f43d7b8833ed4e0_1667881339_8377.jpg
그림 3. 배관 단면에서의 초음파 전파 모식도   



(2) 변환 계수(K값)의 결정

전파 시간차 Δt에서 초음파의 전파 경로에 있는 선 평균 속도 VL을 구한다. 이 VL에서 유량 Q 또는 단면 평균 속도 V를 구하려면 <수식 1>을 이용한다.


af2b437fa394d3238f43d7b8833ed4e0_1667881368_6091.jpg ...(1)


여기서 K는 변환 계수이며 속도 분포에 의존한다.


습증기를 대상으로 한 유량 계측에서는 K값의 결정이 중요하다. 특히 습증기 조건에서는 음속이 습도에 의해 변할 가능성이 있지만, 정확한 음속을 얻기는 어렵다. 그래서 이번 연구에서는 음속을 이미 알고 있는 과열 증기에서 Δt를 계측하고 Δt에서 구한 VL과 Vref의 비를 통해 K를 구하였다. <그림 4>는 과열 증기 조건에서 실시했을 때의 결과이다. 각 조건에서 약간의 차이가 있다. 이것은 쐐기재 음속의 습도 의존성을 고려하지 않았다는 점, 속도 분포가 약간 변하는 등의 영향이 생겼다는 점도 생각할 수 있지만, 이 연구에서는 이들의 평균값이 K=1.055였다. 따라서 K값의 결정에 따른 불확도에 기인하여 증기류 계측에서도 ±2% 정도의 오차가 생길 것으로 생각된다.


af2b437fa394d3238f43d7b8833ed4e0_1667881399_0923.jpg
그림 4. 과열 증기류 계측에 의한 변환 계수 K의 결정
 



..(후략) 


村川 英樹 杉本 勝美 / 고베 대학

井樋 雅行 平 博寿 梅沢 修一 / 도쿄전력홀딩스

본 기사는 2022년 11월호에 게재되었습니다. 

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

본 기사는 월간지[計側技術] (일본일본공업출판주식회사 발행)로부터 번역·전재한 것입니다.

전체 기사를 보기 원하시는 분께서는 아래 메일 주소로 문의 주시기 바랍니. 

autocontrol5@autocontrol5.co.kr / 031-873-5686

제어계측사     대표자  이윤성     사업자등록번호  107-19-58315     TEL  031-873-5686     FAX  031-873-5685
ADD  경기도 의정부시 신흥로258번길 25 해태프라자 1501호      E-mail  autocontrol5@autocontrol5.co.kr
Copyrights ⓒ 2020 제어계측사 All rights reserved.