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제2장 : 스팀의 사용6. 스팀 유량계 선정을 위한 고려 사항, 설치 그리고 활용.
  • 한국에너지정보센터
  • 승인 2020.11.21 08:42
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6.1 밀도 보상

이상적인 조건에서 스팀 배관의 압력은 절대적으로 일정하게 유지되어야 한다. 그러나 불행히도 부하 변동, 마찰 압력 손실, 압력 변화에 영향을 주는 모든 공정 변수들 때문에 이와 같은 경우는 거의 없으며, 어떤 경우에는 압력 변화가 상당히 심하다.
정확하게 질량 유량(또는 에너지 량)을 측정하기 위해서 반드시 압력 및 온도 변화를 고려해야 한다.

스팀은 통상 질량 기준으로 비용을 계산하기 때문에(즉 톤 당 비용) 사용자에게는 질량 유량계가 더 유용하다. 유량 측정 지점에서 스팀 압력이 절대적으로 일정하게 유지되지 않으면 스팀의 밀도는 압력이 변동함에 따라 변한다. 따라서 소위 밀도 보상을 위하여 스팀 밀도를 결정할 필요가 있다. 온도 또는 압력을 측정하여 밀도를 계산하므로, 스팀의 온도와 압력과 함께 체적 유량을 측정한다. 스팀 밀도는 온도와 압력 조건으로부터 결정되며, 체적유량(Qv)에 밀도(ρ)를 곱하여 질량유량을 구한다.

Qm(kg/s) = ρ(kg/㎥) × Qv(㎥/s)
밀도 보상이 이루어지지 않으면 부정확한 질량 측정을 피할 수 없다. 예를 들어 온도가 1 ℃ 변화하면 측정 오차가 2 %가 되며, 압력이 2 % 변동하면 측정오차는 1 %가 된다.

 

6.2 스팀의 건도
스팀의 체적유량을 측정한 후 밀도를 보상하여 얻어진 질량유량은 불가피하게 발생되는 스팀 압력의 변동을 고려하고 있다. 그러나 이들 계산은 증기가 완전히 건조하다고 가정한다. 그러나 대부분의 경우 스팀은 완전히 건조하지 않으며, 이 방법으로 적용된 밀도보상은 오차가 발생되기 쉽다. 습증기의 밀도는 건조포화증기의 밀도보다 높으나, 이점을 고려하지 않으면 지시된 유량은 실제 값보다 적다. 즉, 유량계가 더 적은 값을 읽는다. 일부 유량계는 교정 장치를 가지고 있다. 교정된 건도가 실제 건도와 같다면 지시된 유량은 맞을 것이다.(압력 변화에 대한 밀도보상 역시 했다고 가정하면) 이것은 아래에 예를 들어 설명되어 있다.

정확한 증기유량 측정을 위하여 모든 포화증기를 측정하는 유량계 앞에는 기수분리기를 항상 설치하여야한다. 기수분리기가 설치되면, 건도는 향상되어 일정하게 되고 분명히 높은 건도 수치로 개선된다. 따라서 기수분리기가 설치된 경우 유량계 시운전시 건도는 0.98정도로 입력할 것을 추천한다.

 

6.3 과열 증기

과열증기는 실제 가스에 가깝고, 온도와 압력사이에 뚜렷한 관계가 존재하지 않는다. 따라서, 동일한 종열 증기 유량을 측정하는 경우 스팀 압력과 온도를 모두 동시에 측정하여 전송하여야 한다. 유량계의 계장에는 과열 증기 조건을 계산하고 올바른 값을 지시하기 위해 필요한 소프트웨어를 포함하고 있어야 한다.

6.4 유량계 설치
통계적으로 보면 유량계에서 발견되는 문제의 30 % 이상이 잘못된 설치에 의한 것이다. 아무리 설계가 잘되고 완벽하게 제작된 스팀 유량계라 하더라도 스팀 시스템의 설치와 배열 방법에 주의를 기울이지 않으면 문제점을 극복할 수 없다.
다음은 유량계 설치 방법에 대해 그림 1을 보면서 설명하면

1번 : 모든 배관이 적절하게 지지되고 정렬되었는지 확인한다. 이것은 가동 정지 기간 동안 응축수의 정체현상과 초기 가동 시 발생할 수 있는 문제점을 방지한다.

2번 : 유량계는 배관 구경이 아닌 용량을 기준으로 선정한다. 배관의 축소가 필요한 경우 편심 레듀서를 사용한다.

3번 : 유량계 몸체에 표시된 화살표와 흐름방향이 일치하는지 주의 깊게 확인한다.

4번 : 역류에 의한 손상을 피하기 위하여 유량 전송 장치 2차 측에 체크 밸브를 설치하는 것이 좋다.

5번(없음) : 감압밸브의 2차 측에 유량계를 설치하지 않는다. 이 경우 측정이 부 정확해지고 손상을 일으킬 수 있다.

6번(없음) : 5번과 같은 이유로 부분적으로 개방하는 스톱 밸브의 2차 측에 유량계를 설치하지 않는다.

7번(없음) : 컨트롤 밸브의 2차 측은 급속한 유량 변화로 결국 유량계에 손상을 줄 수 있으므로 유량계를
설치하지 않도록 한다.

8번 : 증기와 함께 운반되는 수분을 제거하기 위하여 유량계 1차 측에 항상 기수 분리기를 설치한다. 정확한 유량 측정을 위해 건조 증기가 요구되며, 또한 어느 정도 워터해머 충격에 의한 손상을 방지해 준다.

9번 : 기수분리기는 후로트 트랩 세트를 이용하여 응축수를 배출한다.

10번 : 100메쉬 스텐레스강 재질의 스크린이 내장된 배관 구경과 동일 사이즈의 스트레나를 이물질이나 스케일이 유량 전송 장치(transducer)에 도달하는 것을 방지하기 위해 설치할 수 있다. 특히 스트레나는 이물질이나 부식이 있는 오래되었거나 지저분한 시스템에 설치하는 것이 좋다.
11번 : 가스켓이 배관 내부로 돌출되지 않도록 한다.
12번 : 벨로즈형 스톱 밸브를 유량계 1차 측에 설치할 수 있다.

13번 : 유량계의 1차 및 2차 측에는 깨끗하고, 방해물이 설치되어 있지 않는 권장된 직관 길이가 주어져야한다. 아래 그림의 X+Y는‘유량계 직관거리(Flowmeter run)’로 알려져 있다. 유량계의 1, 2차 측에 깨끗하고, 방해물이 없는 충분한 직관 길이를 두는 것이 가장 중요하다. 이것은 곡관, 일부 개방된 밸브 등에 의해 발생될 수 있는 유체의 와류 발생 위험을 방지한다.

6.5 유량계 활용

스팀 유량계를 다른 에너지 절감 장비나 계획과 같은 방법으로 평가할 수 없다.
스팀 유량계는 생산 설비나 건물의 효과적 운전에 필수적인 스팀 사용량과 비용에 관한 정보를 제공한다.스팀 유량을 측정하는 주요 이점은 다음과 같다.

가) 설비 효율 향상
스팀 유량계는 기계가 멈출 때 그리고 설비가 용량대로 부하가 걸렸을 때, 운전 상황이 만족스러울 때 공정 효율을 지시한다. 또한 시간이 경과하면서 설비의 성능저하 등을 알려주어 설비 청소 또는 교체 시기 등을 결정할 수 있게 한다.

또한 피크부하 시간을 알 수 있고 증기를 많이 사용하는 공정 또는 증기사용 설비를 알 수 있다. 따라서 경제적인 증기사용과 보일러의 피크부하를 완화시키기 위하여 생산 방법을 변경하도록 할 수 있다.
 

나) 에너지 효율
스팀 유량계는 에너지절감 계획의 결과를 감시하고 설비와 설비간의 효율을 비교하는데 사용할 수 있다.
 

다) 공정제어
스팀 유량계는 올바른 증기량이 공정에 공급되고 있는지, 증기가 적정한 온도 및 압력에 있는지를 지시할수 있다. 또한 기동 시 유량증가 속도를 제어하여 예열을 서서히 하는 장치로서도 좋은 효과를 낼 수 있다.

라) 원가 계산 및 관리
스팀 유량계는 스팀 사용량을 측정하며 그에 따라 전체적으로 종합하거나 주요 스팀 사용 설비별로 스팀비용을 알 수 있다. 스팀은 생산 공정의 여러 단계에서 원자재로서 사용이 되므로 각 제품 생산 라인의 실제비용으로 계산될 수 있다.

유량계 선정 체크 리스트(Check List)
증기유량계 선정에 도움이 되도록 다음 내용을 실었는데 이는 유용한 체크리스트를 제공하고 제기될 필요가 있는 질문을 위한 힌트를 제공하고 있다.

이러한 평가가 일단 끝나면 최종 선정을 하기 전에 다음 장의 단계를 따른다.

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