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기획특집 <특집: 증기 유량 계측의 최신 동향> 증기 관리용 와류식 유량계

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작성자 댓글 0건 조회 1,896회 작성일 22-11-08 11:15

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그림 1. 압전 소자 센서의 검출 원리 



서론

증기는 플랜트나 공장에서 적은 비용으로 에너지(열)를 운반하는 수단이며, 많은 양을 다양한 용도로 이용한다. 특히, 포화 증기는 압력에 의해 온도가 정해지기(반대의 경우도) 때문에 원하는 온도를 얻기 쉬우며 제어성이 뛰어난 유체라 할 수 있다. 그러나 비용은 저렴한 반면에 증기 관리적인 부분에서는 도시가스 등의 가스 연료에 비해 소홀하기 쉽다는 것이 현실이다. 오늘날의 산업계에서 에너지 절약은 최고의 명제이다. 증기(에너지)를 고려했을 때 증기 발생량, 사용량이나 누설량을 정확하게 파악하여 보일러 효율, 배관 방열 관리를 가능하게 해주며 지금까지 이상으로 에너지 절약 효과를 높일 수 있다.

당사에서는 증기를 계측하기 위한 유량계로서 카르만 와류를 이용하여 계측하는 와류식 유량계가 있다. 여기에서는 와류식 유량계의 계측 원리에 대한 설명과 함께 증기 계측용 와류식 유량계 제품 라인업과 특징에 관하여 설명한다.



와류식 유량계 소개

당사에서는 카르만 와류 발생을 물리적으로 감지하는 압전 소자 센서와 교번 차압에 의해 흐르는 유체를 온도 변화를 통해 감지하는 서미스터 센서를 사용한 유량계를 선보이고 있다. 이번에는 고온 내구성이 뛰어난 증기 계측에 적합한 압전 소자센서를 내장한 유량계를 소개한다.


(1) 와류식 유량계의 계측 원리

유체 안에 장애물을 두면 그 하류 쪽에 좌우로 번갈아 가면서 차압이 발생하고 그 차압에 유체가 흘러 들어가면 소용돌이가 발생한다. 이 소용돌이를 카르만 와류라고 하며 장애물은 와류 발생체나 비유선형 물체 등이라 불린다. 이 카르만 와류는 발생하는 주기가 유속에 비례한다고 알려져 있으며 소용돌이 발생 주기를 계측하여 유속을 얻을 수 있다. 유속에 유로 단면적을 곱하여 유량(부피 유량)을 구할 수 있다. 이번에 소개하는 유량계는 압전 소자 센서를 통해 카르만 와류의 발생 주기를 검출하여 유량을 알아내는 유량계이다. 압전 소자는 힘과 전압의 상호 변환이 가능한 세라믹의 일종이며, 소자에 응력이 가해지면 전압이 발생하고 전압이 가해지면 변형이 생기게 된다. 압전 소자 센서는 전자의 특성을 이용하여 카르만 와류 발생원이 되는 좌우 교대 차압(교번 차압)을 받아 전압 변화가 생기며 결과적으로 카르만 와류 주파수를 검출한다.(그림 1)


(2) EX 델타 Ⅱ 소개

당사의 와류식 유량계 중에서 압전 소자 센서를 탑재한 대표적인 유량계로 ‘EX 델타 Ⅱ’가 있다.(사진 1)


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사진 1. EX 델타 Ⅱ 



EX 델타 Ⅱ의 특징은 아래와 같으며, 증기 계측에 적합한 유량계라 할 수 있다.

1) 기계적 가동부가 없으며 구조가 단순

구조상 기계적인 가동부가 전혀 없으므로 장기적으로는 시간에 따른 변화가 없는 안정된 성능을 발휘할 수 있다.

2) 광범위한 레인지 어빌리티

증기의 경우 최고 유속 80m/s까지 계측할 수 있다. 일반적인 평균값으로 오리피스 유량계의 레인지 어빌리티가 1:4인데 비해 와류식 유량계는 1:20으로 계측 가능 범위 폭이 넓다.

3) 고온 측량

최고 460℃까지 측정할 수 있다.

4) 뛰어난 보수성

센서는 스테인리스 용기로 덮여 있으며 검출 소자와 유체가 접촉하지 않는 구조이자 가동부가 없는 구조이기 때문에 마모 등에 의한 시간적 변화가 없어 유지 관리를 할 필요가 거의 없다. 또한, 센서는 카트리지식으로 구경이나 유체의 종류에 상관없이 공통이라는 점이 특징 중 하나이며, 보전용으로서의 센서를 관리하는 경우에는 재고가 적다는 장점도 있다.

5) 고정밀도

나타내는 양의 ±1%로 정밀도 높은 유량계이다.

6) 비교적 적은 압력 손실

관리용 유량계를 설치했을 때 압력 손실에 의해 에너지 손실이 발생해버리면 의미가 없어진다. 따라서 관리용 유량계는 최대한 압력 손실이 적은 유량계를 선정해야 한다. 와류식 유량계는 오리피스 유량계에 비해 압력 손실이 적기 때문에 에너지 절약에 적합한 유량계라 할 수 있다.

7) 배관 공사, 저렴한 유지 관리비

오리피스 유량계는 유량계 설치와 함께 압력계, 차압계의 설치 및 도압관 공사가 필요하기 때문에 설치할 때 이니셜 비용이 필요하다. 또한, 배관 접속부가 늘어나기 때문에 증기 누설에 대한 대책 등 보전적인 면에서도 운영 비용이 늘어난다. 이에 비해 와류식 유량계는 상하류 배관에 연결하기만 하면 되므로 전부피으로 봤을 때 비용적인 장점이 크다.


(3) EX 델타 Ⅱ 라인업

EX 델타 Ⅱ는 전항에서 소개한 표준적인 유량계와 함께 당사의 특징적인 와류식 유량계를 체계화하였다.

1) 교체 가능한 센서

표준적인 EX 델타 Ⅱ는 센서가 내압부의 일부를 구성하기 때문에 증기를 멈출 수 없는 라인에서는 센서의 점검이나 교환이 불가능하다. 또한, 라인을 한번 정지시키면 재가동을 위해서는 큰 에너지를 소비하게 된다. 당사에서는 이러한 케이스를 상정하여 진동관(내압부)과 센서(검출 소자)를 분리할 수 있는 교체 가능 센서가 라인업 되어 있다.(사진 2) 이에 따라 물체의 흐름을 멈추지 않고 센서를 보수할 수 있게 된다.(그림 2)



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사진 2. EX 델타 Ⅱ 교체 가능 센서 


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그림 2. 교체 가능 센서 구조 


2) 전지식

전원을 확보하기 어려운 곳에서 EX 델타 Ⅱ를 사용할 수 있도록 외부 전원 없이 내장 전지만으로 사용할 수 있는 현장 모니터 전용기 모델이다. 표시기에서는 적산값이나 순시 유량이 표시되며 스위치로 전환할 수 있다. 또한, 표시기는 방폭 구조이기 때문에 플랜트 등의 방폭 환경에서도 사용이 가능하다.


3) 삽입형

와류식 유량계는 측정 원리상 대구경으로도 설계할 수 있지만, 실제로 제작하게 되면 구경이 커질수록 가격이 비싸진다. 그러나 에너지 절약 관리용으로 설치하는 경우에는 설비 투자를 크게 하고 싶지 않기 마련이다. 이 때문에 당사에서는 저렴하게 대구경에 적용하기 위해 삽입형을 라인업하였다.(사진 3) 이것은 프로브라고 불리는 구경 50㎜ 정도의 와류식 유량계를 대구경 배관에 삽입함으로써 부분 유속을 계측하고 배관 단면적, 삽입 위치 등에 따른 보정을 통해 배관 전체를 흐르는 유량을 얻는 것이다. 특히 핫탭 방식은 유체의 흐름을 멈추지 않고 센서를 점검 및 교환할 수 있기 때문에 메인터넌스성이 뛰어나다고 할 수 있다.


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사진 3. EX 델타 Ⅱ 삽입형 


..(후략) 


蒲谷 啓行 / 오발

본 기사는 2022년 11월호에 게재되었습니다. 

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

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