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제2장 : 스팀의 사용4. 스팀 유량 측정 시스템
  • 한국에너지정보센터
  • 승인 2020.09.07 21:40
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4.1 유량 측정의 필요성

스팀 유량 측정은 스팀을 보다 효율적으로 관리하기 위함이다. 스팀 유량계는 스팀을 사용하는 모든 설비에 대한 스팀 사용량과 비용에 관한 정보를 제공한다. 스팀 유량을 측정하는 중요 이점은 다음과 같다.

가) 설비의 효율
스팀 유량계는 스팀을 사용하는 설비가 가동 시작부터 가동 정지까지 가동 중의 전체 범위에 걸쳐 스팀 사용 실태를 제시 해 준다. 스팀 유량과 생산량과의 관계를 분석함으로써 최적의 운전 조건을 제시해 주어 설비의 효율을 극대화 할 수 있다.

나) 에너지 효율
스팀 유량계는 설비와 설비 간의 효율을 비교 분석하여 설비의 최적 효율을 찾아줄 수 있다.

다) 공정 제어

스팀 유량 측정 장치로부터 얻을 수 있는 출력 신호는 공정에 공급하는 스팀 량을 제어하는데 이용 할수 있으며, 이는 스팀이 정확한 온도 및 압력에 있는지 여부를 제시 해 준다. 또한 설비 가동 시 스팀 유량의 증감을 감시함으로써 스팀 유량 측정 시스템을 컨트롤 밸브와 연계하여 공정을 제어 할 수도 있다.

라) 원가 계산 및 관리
스팀 유량계는 설비가 공정에 사용하는 스팀 유량을 측정 할 수 있으므로 각 공정별 생산 원가 계산이 가능하며, 이를 통해 전체 공정의 원가 관리도 가능하다.

 

4.2 스팀 유량 측정의 원리
 

가) 유량의 정의
임의의 단면을 통하여 흐르는 유체의 부피 또는 질량의 시간에 대한 비율로 단위는 ㎥/hr,g k/hr 이다.

나) 체적 유량 Qv : (물, 가스 측정)
배관 내 단면적은 일정하므로 유체의 속도를 알면 체적유량을 계산할 수 있다.
(Q = V. A) 배관 내 단면적은 우리가 임의로 정할 수 있는 값으로, 우리가 알 수 있는 값이다.
다만 배관 내를 지나가는 유체의 속도는 우리가 알 수 없다.

우리가 유체의 속도를 알면 자연스럽게 배관을 지나는 유체의 체적 유량을 알 수 있다. 체적 유량을 계산하는 기본 공식은 배관 내 평균 속도(m/s) x 배관 단면적(㎡)로 단위는 ㎥/sec, ㎥/min, ㎥/hr로 표시 된다. 모든 유량계는 이 배관 내 유체의 속도를 측정하는 방법에 따라 분류되며 크게 차압식 유량계, 와류식 유량계, 면적식 유량계, 터빈식 유량계 등으로 구분 할 수 있으며, 보다 정확한 유량을 측정하기 위하여 각각의 유량계 특징을 상호 보완하여 유량을 측정하는 경우도 있다.

다) 질량 유량 Qm : 증기
우리는 특정 유체에 대해서는 체적 유량 값으로 만족 할 수 없는 경우가 있다.
이런 경우 질량 유량으로 표시 할 수 있는데 체적 유량 값을 질량 유량 값으로 변환하기 위해서는 배관 내 흐르는 유체의 밀도를 알면 된다.

이미 측정 된 체적 유량 값에 밀도 값을 곱하면 질량 유량 값이 된다. 체적유량(㎥/sec) x 밀도ρ(kg/㎥)는 질량 유량으로 단위는 kg/sec, kg/min, kg/hr 으로 표시 된다. 여기서 스팀의 밀도 값은 압력과 온도에 따라 변하기 때문에 고정 밀도 값을 가지고 질량 유량을 측정하면 밀도 값의 오차에 따른 질량 유량에도 오차가 발생 할 수 있다. 스팀 유량을 측정 할 경우 압력과 온도에 따라 밀도 값을 보상 해 주는 것을 자동 밀도 보상이라고 한다.

 

4.3 좋은 유량계의 조건

 

가) 정확도

정확도는 여러 교정 과정을 거쳐 얻어진 유량의 참 값과 비교하여 측정값이 얼마나 정확한 값을 지시하는 점에서 유량계의 성능을 나타내는 척도이다. 정확도를 나타내기 위하여 사용되는 두 가지 방법은 매우 다른 의미가 있고 그 의미를 정확하게 이해하므로 공정에 보다 좋은 유량계를 선정 할 수 있다.

1) 지시 정확도 (±% MV, ±%RD)
측 정오차를 실제 순간유량 값의 백분율로 표기한 것으로 만약 ±3% RD 기준 정확도를 갖고 있는 유량계에 대한 의미는 유량계에서 지시되는 유량 값이 참 유량 값에 대해 유량계 측정범위의 ±3%오차 범위 내에서 지시되는 오차 범위를 갖고 있는 유량계라는 것을 의미한다.

 

㉮ 최대 유량이 흐르는 경우 : (오차 : ±3%로 ±30kg/h)
참 유량 (Mtaesr meter) : 1,000kg/h 유량계의 지시 유량 : 970~1,030kg/h

㉯ 적은 유량이 흐르는 경우 : (오차 : ±3%로 ±3kg/h)
참 유량 (Mtaesr meter) : 100kg/h
유량계의 지시 유량 : 97~103kg/h

2) 최대 유량 기준 정확도 (±%FSD)
유 량 측정 오차를 측정 범위의 최대값의 백분율로 표기한 것으로 ±3% FSD 기준 정확도를 갖고 있는 유량계에 대한 의미는 유량계에서 지시되는 유량 값이 참 유량 값에 대해 유량계의 최대 유량 값에 대해 ±3% 오차 범위내에서 지시되는 오차 범위를 갖고 있는 유량계라는 것을 의미 한다.

㉮ 최대 유량이 흐르는 경우 : (오차 : ±3%로 ±30kg/h)
참 유량(Mtaesr meter) : 1,000kg/h 유량계의 지시유량 : 970~1,030kg/h

㉯ 적은 유량이 흐르는 경우 : (오차 : ±30%로 ±30kg/h)
참 유량(Mtaesr meter) : 100kg/h 유량계의 지시유량 : 70~130kg/h

3) ±1%의 RD와 FSD의 정확도를 갖고 있는 유량계의 비교 해 보면 최대 유량이 유량계를 통과 할 경우 같은 오차를 가졌으면 유량계의 지시유량 값은 같으나 적은 유량이 통과 할 경우 FSD 기준 정확도를 갖는 유량계는 최대 유량 때의 오차율을 그대로 가져와 실제 오차율은 ±30%로 된다.

나) 정밀도
정밀도는 반복성과 재현성 이렇게 두 가지로 나눌 수 있는데 첫 번째 반복성은 한 사람이 한 장소에서 하나의 측정 장비와 똑같은 방법으로 짧은 시간 동안 반복적으로 측정하였을 때 각각의 측정값이 얼마나 일치한 정도는 나타내는 값입니다. 두 번째 재현성은 여러 사람이 서로 다른 장소에서 다른 측정장비를 사용해서 측정 하였을 경우 각각의 측정값이 얼마나 일치 하는 것을 나타내는 값입니다. 그림 2를 보면 정밀도에서의 반복성과 정확도를 관계를 비교 할 수 있다 .

다) 유량 측정비(Turndown, Turndown Ratio, effective range)
유량 측정비란 용어는 유량계가 정확도와 정밀도를 유지하면서 유량계가 측정할 수 있는 최대 유량과 최소 유량의 비를 나타내는 말입니다. 예를 들어 어느 유량계가 측정할 수 있는 최대 유량이 1000kg/hr 에서 최소 100kg/hr 이라면 이 유량계의 유량 측정비는 10:1입니다.
각각의 유량계는 유량계 종류 별로 유량 측정비를 갖고 있습니다.

전형적인 스팀 시스템에서 피크부하가 있은 후, 저 유량으로 떨어지는 등 하루가 끝날 때 까지 유량은 계속 변동한다. 모든 유랑 계는 예상되는 최대 유량을 기준으로 구경을 선정해야 하며 그림 3에서 예는 최대 유량 약 1,000 kg/h이다.

오리피스 유량계의 유량 측정비는 일반적으로 약 4:1로 인정되고 있으며, 최대 유량 1,000k g/hr을 기준으로 선정 되었을 때, 1000kg/hr를 4로 나눈 250kg/hr까지 오리피스 유량계의 정확도를 만족시킬 수 있다.

유량이 이보다 더 적거나 최대 유량 1,000kg/hr 보다 많아지면 유량계는 유량계 사양을 만족시킬수 없으며 매우 큰 오차가 누적되기 시작한다. 1,000kg/hr이상, 250 kg/hr이하로 기록된다 하더라도 그 유량은 부정확하다. (최악의 상태에서는 250 kg/hr이하로 스팀이 통과해도 0kg/hr으로 나타날 수 있다)

아래 그림 3에 나타난 것처럼 최악의 경우 누적 손실 유량이 약 1,700 k g/h으로 낮 동안 사용된 총 증기량의 약30 %나 된다. 스팀 사용량의 변동이 유량계 유량 측정비 안에 들어오는 경우 이러한 문제점은 사라지지만 많은 산업 공정에서 증기 사용량을 정확하게 측정하려고 하면, 발생 가능한 모든 유량 변화를 포함 할 수 있을 정도로 유량 측정비가 충분히 큰 유량계를 선정해야만 가능하다.

장기적인 측면에서 큰 유량 측정비의 중요성은 매우 분명해진다. 그러나 공정의 운전 특성이 스팀사용량 변동이 거의 없는 일정한 부하를 가질 경우는 큰 유량 측정비 필요성에 대해서는 보다 신축적으로 생각 할 필요가 있다.

정리 합니다
스팀 유량 측정은 스팀을 보다 효율적으로 관리하기 위함이다. 스팀 유량을 측정하면 설비
및 에너지 효율을 증가시킬 수 있으며, 공정을 제어하고 원가 계산 및 관리를 할 수 있는 장점
이 있다. 모든 유체의 실제 유량 값과 같은 정확한 유량 측정을 위해서는 유량 측정 장치의 정
확도, 정밀도 및 유량 측정비를 정확하게 알아야 하고, 그 용어의 뜻도 정확하게 이해하고 파
악해야 좋은 유량계를 선정 할 수 있다. 좋은 유량계의 선정은 가격 면에서 비싼 유량계가 반
드시 좋은 유량계가 아니라 내 공정에 접합한 유량계가 좋은 유량계임을 명심해야 한다.

한국에너지정보센터  kecenter@hanmail.net

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