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제2장 : 스팀의 사용
  • 한국에너지정보센터
  • 승인 2020.10.13 21:14
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5. 스팀 유량계

 

5.1 스팀 유량계 선정
 

스팀 유량계에는 다음과 같은 여러 가지 종류의 유량계가 있다.
가) 오리피스 유량계
나) 볼텍스 유량계
다) 면적식(Variable area) 유량계
라) 스프링 작동 가변 면적식(Springo laded variable area) 유량계
마) 피토 튜브 유량계
바) 터빈 유량계
사) 바이패스 유량계
아) 마그네틱 유량계
차) 초음파 유량계

 

그림 1 측정 유체에 따른 유량계 선정

이들 유량계는 모두 각각 장단점을 갖고 있으며 때로는 그림 1에서와 같이 일부 특정 유량 측정에만 적합하다.  그림 2는 유량계 성능 별 선정의 예이다.

 

5.2 오리피스 유량계
오리피스 유량계는 차압식 유량계로 알려진 그룹중의 하나이며 이 그룹에는 벤츄리와 노즐 타입이 포함된다. 오리피스 유량계는 단순히 고리모양으로 구멍이 뚫려 있는 판 형태로 된 제한기로서, 배관 중에 설치된다. 간단하게 표현하면, 오리피스를 통과하는 유량은 오리피스 전후 차압의 제곱근에 비례한다.

오리피스 전후에 발생된 차압은 베르누이 방정식에 따라 체적유량을 계산하는데 사용된다.

장점
가) 간단하고 견고하다.
나) 비용이 저렴하다.
다) 교정이나 재교정이 불필요하다.

단점
가) 제곱근 관계 때문에 유량측정비가 4 : 1 또는 3 : 1 정도로 제한된다.
나) 수격 현상에 의하여 오리피스 판이 휘어질 수 있으며, 이물질로 막히기 쉽다.
다) 오리피스의 직각 엣지(Square Edge)는 특히 증기가 습할 경우 무뎌지기 쉬우며 이때 유출계수 Cd가 바뀌어 유량이 실제보다 적게 측정된다. 따라서 신뢰성과 정확도를 유지하기 위하여 오리피스 판을 정기적으로 점검하고 교체하여야 한다.
라) 올바른 설치를 위하여 1차측은 배관경의 20배, 2차측은 10배의 직관이 필요하며 그 사이에는 어떠한 밸브나 배관 부속 자재가 있어서는 안 된다.

 

5.3 볼텍스 유량계

이 유량계는 비유선형 또는 수직 저항체가 유체 흐름 속에 놓여 있을 때 규칙적인 와류가 저항체 뒤에서 발생되는 현상을 이용하고 있다. 발생된 와류를 감지하여 셀 수 있으며 지시할 수 있다. 유량 범위에 걸쳐 와류 발생 범위는 유량에 비례하며, 결국 속도를 측정하는 것이다.

장점
가) 비교적 넓은 유량측정비(12 : 1 ~ 20 : 1)
나) 동작부위가 없다.
다) 흐름에 대한 저항이 거의 없다.

단점
가) 저 유량에서는 펄스가 발생하지 않아 유량을 작게 지시하거나 심지어 0으로 읽을 수 있다.
나) 최대 유량은 스팀 시스템에서는 심각한 문제를 일으킬 수 있는 80 또는 100m/s의 유속일 때를 흔히 기준하고 있다
다) 진동에 의해 정확도에 오차가 발생할 수 있다.
라) 가스켓 돌출부, 용접 비드 등이 와류를 형성시켜 정확도를 떨어뜨릴 수 있기 때문에 올바른 설치가 매우 중요하다.

 

5.4 면적식 유량계
이 유량계는 수직관으로 상부는 면적이 넓고 하부는 좁아지는 경사진 튜브로 구성된다.
후로트는 그것에 작용하는 유체의 힘에 의해 수직 튜브 내 어떤 지점에서 정지된다. 후로트 전후 차압은 일정하며 이것은 후로트 주위의 통과면적과 후로트까지의 높이가 유량에 따라 변동
해야 한다는 것을 의미한다. 튜브는 고온, 고압에 사용할 수 있도록 금속재질로 제작할 수 있다 

 

장점
가) 보다 큰 유량측정비가 가능한 선형 출력
나) 간단하고 견고하다.

단점
가) 반드시 유체가 수직방향으로 올라가도록 튜브를 설치한다.
나) 보통 수준의 정확도
다) 측정할 수 있는 유량범위에 한계가 있다.

 

5.5 스프링 작동 가변 면적식 유량계
이 유량계를 설명하는데 반드시 기억해야 할 두 가지의 유량측정 기본원리가 있다.

가) 차압식 유량계(예, 오리피스 유량계)는 유량계를 통과하는 유량에 따라 변하는 차압을 만들어 내며 유량이 증가할수록 차압도 증가한다. 이 차압을 측정하면 유량계를 통과하는 유량을 계산할 수 있으며, 이때 통과면적(예, 오리피스 판의 구멍 크기)은 일정하다.
나) 가변 면적식 유량계에서는 반대 현상이 발생한다. 유량이 변함에 따라 후로트의 유효 무게(후로트 자체무게·부력)에 의하여 균형이 이루어지도록 통과면적이 변화되므로 차압이 일정하게 유지된다. 그러나 유량이 통과하는 면적은 증가하도록 되어 있다.

스프링 작동 가변 면적식 유량계의 원리는 실제로 이들 두 가지 원리를 조합한 것이다.

장점
가) 견고하다.
나) 높은 정확도와 큰 유량 측정비를 갖는다.
다) 점도 변화에 덜 민감하다.

단점
가) 매우 습하고 이물질이 많은 증기조건에서 매우 오랫동안 사용하면 마모될 우려가 있다는 것이다.
스트레나 및 기수분리기를 이용한 적절한 설치기술로 이를 극복할 수 있다.

5.6 피토 튜브 유량계
대구경 증기주관에 큰 구경의 증기유량계를 설치하는 비용은 매우 높아질 수 있다 .
대구경 배관에서 배관 내 유속을 측정할 수 있는 곳에 삽입 형 유량계를 설치함으로써 이러한 비용을 절감할 수 있다. 이 유량계는 관의 개방된 곳을 통해 삽입되도록 설계되었으며, 일반적으로 글랜드 어셈블리를 통하여 설치된다. 삽입 형 유량계는 한 가지 구경으로 다양한 구경의 배관에 설치할 수 있어 비용면에서의 확실한 장점이 되고 있다. 그러나 유체 속도 분포의 어느 지점에 이러한 측정 장치를 설치하느냐는 매우 중요하다.

 

장점
가) 넓은 유량측정비에 걸쳐 정확도 유지

단점
가) 마모나 로터(회전날개) 표면이 오염되면 재 교정을 실시하여야 한다. 그러나 큰 단점은 로터 베어링이 로터가 고속으로 회전할 수 있도록 하여야 하며 꽤 높은 온도에서 작동되어야 한다는 것이다. 따라서 로터 베어링의 수명은 유량계 신뢰성에 대한 주요 제한 요소이다.
나) 소용돌이 효과에 영향을 받기 쉽다 .

 

5.7 터빈 유량계
터빈 유량계는 회전이 자유롭도록 베어링과 지지대가 있는 회전축에 부착된 여러 개의 회전날개 또는 프로펠러로 이루어져 있다. 유체는 유속에 비례하는 속도로 로터를 구동시킨다. 각 회전날개의 끝이 검출장치를 통과하면 각 펄스는 일정한 체적유량을 나타낸다. 펄스를 체적유량으로 변환하기 위하여 별도의 계기가필요하다.

장점
가) 유체의 저항이 거의 없다.
나) 대형 사이즈로 갈수록 저렴하다.
다) 간단한 타입으로 다른 구경의 배관에도 사용할 수 있다.

단점
가) 유량 측정비가 약 4 :1로 제한되며, 증기가 습하면 일부 모델은 수평으로 설치할 수 있지만 하부
구멍들이 쉽게 막힐 수 있다.
나) 소용돌이 흐름에 민감하며 설치와 정비에 세심한 주의가 필요하다.
다) 차압이 낮으면 측정 불확도가 증가하며, 증기의 경우에 특히 그렇다.

 

5.8 바이패스 유량계
바이패스 유량계는 흔히 로터리 션트 유량계라고 불린다. 이 장치는 기본적으로 오리피스판이며 작은 터빈을 통하여 병렬흐름을 제공하는 바이패스 관이 설치되어 있다. 이 유량계는 오리피스 판에 의해 충분한 저항이 걸리도록 하여 바이패스를 통해 흐르는 유량과 비례하여 오리피스내로 유량이 흐르도록 설계되었다.

따라서 터빈의 회전 속도는 주관의 오리피스 판을 통과하는 유량과 비례한다. 터빈은 기어에 의하여 기계적 계수기(counter)에 연결되어 적산 유량을 지시한다.

 

장점
가) 적산유량을 지시하는 간단한 장치로 상대적으로 비용이 저렴하다 .

단점
가) 정확도는 보통 수준이나 밀도보상이 불가능하다.
나) 유량계가 특정한 배관 압력에 대해서만 교정되므로, 증기 압력 변화 시 부정확한 값이 지시된다.
다) 순간 유량을 지시하기가 어렵다.

 

5.9 Magnetic(전자식) 유량계

도체가 자계 내에서 운동할 때 그 도체 내 자속 방향, 운동 방향의 양 방향에 직각 방향으로 기전력이 발생하고 그 크기는 자속 밀도와 속도에 비례한다. ⇒ Q ∝E

장점
가) 가동부가 없고 압력 손실이 없다.
나) 불순물이 포함 된 유량 측정 가능.
다) 권장 유속 1 ~ 5m/sec

단점
가) 기체, 기름 등의 전기 전도도가 낮은 유체 측정 불가능하다.

5.10 Ultrasonic(초음파) 유량계
400 kHz-2 MHz의 초음파를 유체 내에 발생시켜 전파시간차 △t를 측정하여 유체의 속도를 측정

 

장점
가) 가동부가 없고 압력 손실이 없다.
나) 설치 및 유지 보수가 간단하다.
다) 권장 유속 12m/sec

단점
가) 기체 등의 유체 측정이 어렵다.

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