초음파 적산열량계의 내구년한 전후의 특성변화 연구 = Characteristics of Ultrasonic Heat Meters During the Operational Lifetime
저자
발행사항
천안 : 호서대학교 일반대학원, 2022
학위논문사항
학위논문(박사)-- 호서대학교 일반대학원 : 에너지기후환경융합기술학과 에너지·환경공학전공 2023. 8
발행연도
2022
작성언어
한국어
주제어
발행국(도시)
충청남도
형태사항
246 ; 26 cm
일반주기명
지도교수: 정진도
UCI식별코드
I804:44018-200000686398
소장기관
본 연구에서는 국내에서 처음으로 산업용 열에너지의 전송과 분배에 따라 그 사용량을 순간과 시간적산에 따라 계측하고 사용량에 대한 다양한 공정제어나 요금부과 및 해당 시스템의 관리 상태를 확인하는 용도로 열에너지를 측정하는 초음파식 적산열량계를 지역난방 열 계량 요금부과용으로 2015년부터 본격 사용하고 있다. 지역난방에 적용된 초음파식 적산열량계는 형식승인과 검정 그리고 2012년부터 2년간 현장 적용시험을 통한 안정도와 적용가능성을 확인하였다.
특히 현재의 적산열량계에 대한 기술기준과 시험기준이 오로지 상온에서만 수행되므로 실제 현장에서 수거한 제품의 구경별 성능실험을 통한 경년변화를 기본적으로 분석하는데 한계가 있다. 따라서 장기적인 고온 유체 순환 환경을 유지할 수 있는 시험장치와 유량기준 확립이 요구되어왔다.
본 연구에서는 이러한 특성을 조사하기 위하여 이에 따라 도입시 성능 수준과 법정 내구년한인 5년이 경과한 후 지속적으로 성능이 유지되는지에 대한 연구가 필요하였다.
본 연구는 초음파 열량계의 내구년한 동안의 성능을 포함한 특성변화를 조사하기 위하여 초음파 열량계 사용자 빈도가 가장 높은 구경 65 ㎜와 80 ㎜를 대상으로 이루어졌다.
초음파 열량계 시료들은 제작한 직후, 운영기간이 3년이 지난 후 그리고 5년이 경과한 것 제품들 각각 15세트씩을 활용하여 공인받은 시험장치를 이용하여 온도와 압력 그리고 유량변화에 따른 다양한 특성을 조사 하였다.
초음파 열량계의 특성을 이해하기 위하여 열량측정을 위해 필요한 다양한 요소들에 대한 이론과 동향을 기술하였다. 특히 초음파 유량측정에 관한 다양한 이론적 고찰을 통해 측정에 영향을 미치는 다양한 불확도 요소들이 있음을 선행조사로 확인 하였다. 이를 통해 초음파 유량부의 대표적인 불확도 요소인 전파시간 이외에도 적분방법, 유속분포, 매질인 유체의 온도와 압력에 따른 고유의 특성과 외부적인 설치효과인 오염, 잡음, 직관부 등 다양한 요소가 있음을 확인하였다.
열량계용 유량부의 사용 환경이 고온의 물이므로 직접적으로 접촉하며 초음파 신호를 발사와 수신을 매초마다 수회씩 5년이라는 수명동안 반복하는 초음파 진동자와 측정관에 대한 다양한 물리적 특성과 신호전달시 생기는 다양한 특성도 선행 문헌과 함께 조사하였다.
유체가 흐르는 측정 배관의 구조에 대한 이해를 위해 원형, 사각관에서 초음파 진동자 회선 배치 등 이러한 물리적 특성을 이해하기 위하여 전산수치해석을 이용하여 대표적인 층류와 난류장에서 유동흐름 특성도 함께 조사 비교하였다.
본 연구는 초음파 열량계용 유량부의 사용 생애주기 동안 발생할 수 있는 성능 및 특성변화를 조사하기 위하여 시료들은 제조 후 검정시험 기준을 통과한 양호한 시제품과 실제 현장에서 사용중 3년이 경과한 시료들 그리고 내구년한 5년이 지난 시료들을 각각 15세트씩 선별하여 시험하여 그 대표성을 확립하고자 하였다. 모든 실험은 공인된 시험장치와 방법 그리고 기준기를 이용하여 매 조건별 3회 측정하여 그 평균값을 결과로 얻었다.
초음파 유량부 성능특성 연구를 위하여 유체로 물을 이용하는 상온 및 고온과 고압의 유동률을 조절하는 시험장치인 교정장치로 유동률 0.1∼2,000 ㎥/h까지 온도조절은 5∼150 ℃까지 조절하면서 수압은 최대 20 bar까지 변화 시키면서 실시하였다. 본 시스템의 유동률 합성 불확도는 ±0.24% 수준으로서(신뢰수준 95 % 수준) 기준기 방식이며, 시험배관은 직경 25 ㎜에서부터 250 ㎜까지 다열의 시험배관으로 구성하고 설치 환경에 대한 직관부 및 장애물에 대한 종류를 통해 다양한 설치환경에서 성능 평가를 실시하였다.
본 연구에서는 오래된 도시와 최근 10년 이내 운영이 개시된 지역난방수 시료의 성분분석을 실시한 결과 시료 성분에 가장 많이 함유된 물질은 철 성분을 육안 및 성분분석을 통해 운전기간이 오래될수록 철 성분 함유량이 많은 것을 확인하였다.
제작된 시료의 검정결과는 승인 편차 범위는 ±2 % 이내 수준이었다. 제작된 시료의 영점값의 변동은 배관 내부에 물을 담아 정지 상태에서 영점(Δt)의 변화를 기록하여 영점값의 변동을 80시간 이상 조사한 결과 최대 온도 5.4 ℃ 변화에서도 평균값을 기준으로는 0.1 ㎱ 이하로 상당히 안정된 분해능과 안정성을 확인하였다.
3차원 측정기를 이용하여 5∼125 ℃까지 유체의 온도가 증가시 팽창에 따라 측정관의 단면과 길이가 스테인리스 선팽창계수와 유사하게 외관이 변화하는 것을 확인하였다.
컴퓨터 해석 상용프로그램인 ANSYS 18.1 Fluent를 사용하여 유동해석을 통해 유량부 축소 단면부가 유동변화에 따라 영향을 받지만 층류 조건에서(유속 0.01 ㎧) 곡관부 등 장애에 따라 증가하지만 안정되게 나타나고, 정류 및 유속증가 효과를 함께 내었다. 측정하는 부분의 단면에서의 원형관과 사각관의 차이가 뚜렷하게 나타나지 않지만 중심부를 지나간 뒤의 1D, 2D 부근에서는 사각관과 원형관의 유속분포도가 크게 차이나는 것을 확인할 수 있었다. 난류 유동(유속 1 ㎧)에서의 결과는 층류와 마찬가지로 상류측 전관부가 짧아질수록 유속의 중심점이 아래로 편중되는 현상이 나타나 상부에 와류가 크게 발생하였다.
초음파 유량부 온도 및 압력변화에 대한 성능 연구에서 조합형과 일체형 초음파 유량부 시료 DN150 ㎜를 각각 이용하여 5 ℃에서부터 45 ℃까지 유체온도를 변화시키면서 유속범위를 0.1 ㎧에서 3 ㎧까지 유동률을 조절하면서 성능시험을 실시하였고, 조합형과 일체형 모두 온도변화시와 압력변화시에 성능변화는 검정기준 이내이고 안정도 면에서 압력변화시가 약 1/2 정도로 반복성이 낮게 나타났다.
초음파 유량부의 왜란 유동 연구를 위하여 유량부를 ISO-4064에 따라 제작하였고, 단일 곡관부와 유사한 장애물에서 직관부 변화에 따라 기본적으로 3D에서 가장 큰 오차 변화를 나타내었다. 난방사업자들의 권장길이인 5D에서 비교적 안정적인 성능을 나타내었다.
이중곡관부 유사 유동장에서 오히려 직관부가 가장 긴 12D(상류측)에서의 오차 변화가 가장 크게 나타났다. 이는 회전류 발달에 따라 3D 처럼 초기 입구단에서는 회전류의 크기가 작게 진입하였다가 점차적으로 직관이 늘어남에 따라 회전성분이 커지는 유동으로 CFD 분석 결과와 유사하게 나타나는 것을 확인하였다. 복합 왜란시 유속이 빠르게 증가함에 따라 오차 변화가 커지는데 이는 차단과 회전 등 복합적인 장애로 유속증가에 따라 그 주기와 크기가 서로 다른 복합적 형태의 유동 교란을 발생함으로써 다양한 오차 유발 요소가 존재하는 것으로 보인다. 즉, 장애물에 따른 유동 시험결과 값은 모두 구경별 검정지점인 , , 에서 2등급 오차 범위 이내로 나타났다.
최소한의 상류측 직관부인 3D인 조건에서도 승인범위 이내에서도 오차를 유지하는 것으로 나타났다. 현장여건에서는 단일 장애물만 존재하는 것이 아니므로 3D로 설치조건을 줄이는 것은 성급한 결론으로 여겨지며 추가적으로 온도와 압력 및 다양한 유동조건에 대한 상사실험 결과와 제품의 성능을 안정적으로 향상 시키는 등 추가 연구가 필요하다.
3년 및 5년 경과시 온도변화에 따른 유량부 성능변화 연구를 위하여 초음파 열량계 유량부 구경 65 ㎜와 80 ㎜에 대하여 3년 경과 시료를 각각 상온에서 성능평가를 수행하여 사용오차 이내의 오차를 모두 유지하며 사용년도 증가시와 유량이 작을수록 오차의 분포도가 증가하는 것으로 나타났다.
본 연구 실험을 통해 내구년한과 사용 환경에 따라 뚜렷한 특성변화가 확인되었고 성능은 시간에 따라 증가함을 확인하였고, 온도변화보다는 압력변화가 오차의 반복성에 영향을 주는 것을 확인하였다. 그러나 전체적으로 사용오차 이내에 유지되는 것으로 나타났다.
본 연구 결과에 따르면 내구년한이 지난 제품중에서 동작에 문제가 없는 경우 특성변화를 반영하여 재교정, 청소 및 가장 측정에 영향을 많이 미치는 요소인 초음파진동자 등을 교체하여 충분하게 안정된 허용오차 이내 성능을 유지하는 것이 가능함을 확인하였다.
다만 이는 추가적으로 사용연한 7년 10년 이상 등 조건에 따라 추가로 발생할 수 있는 변화요소들에 대하여서는 현장에서 사용한 시료를 확보하는게 사실상 어려우므로 현장과 유사한 상사성을 확보할 수 있는 조건과 환경을 만들어 가혹 환경에서 체계적인 신뢰성 평가와 시험을 통해 열량계의 신뢰성을 추가로 확인하는 연구가 필요하다.
결론적으로 초음파 열량계의 유량부의 온도와 압력 그리고 유량변화에 따라 내구년한과 설치장소의 유체의 순도와 오염정도가 변하는 다양한 설치 환경을 고려하여 이에 대한 영향을 최소화하고 안정되게 유지하기 위하여 필요한 특성은 물의 사용 환경에 따른 점성도이며 이는 기본적으로 온도의 함수이지만 난방수 오염에서 철분 성분의 함유량에 따라 영향을 받으므로 현장 사용 조건에서 사용 유체의 동점성r계수를 구할 수 있는 방법의 연구와 이에 따라 유량부의 레이놀즈수를 기준으로한 보정방법과 활용이 필요함을 확인할 수 있었다. 이에 대한 추가적인 연구와 실험이 필요하다.
In this study, for the first time in Korea, the amount of industrial heat energy is measured according to the energy rate and totalized according to the transmission and distribution of industrial heat energy, and the amount of heat energy is measured for the purpose of controlling various processes for the amount used, charges, and checking the management status of the system. The totalized heat meter has been in full use since 2015 for billing for district heat metering.
In order to study the performance characteristics according to the durability of the flow part of the ultrasonic heat meter used for energy measurement such as district heating, a circulation flow facility using water was constructed, and static and dynamic performance tests were conducted by DN65, 80, 150 ㎜ while changing the temperature, pressure, and flow rate. The following results were obtained.
The zero point stability test results of the heat meter samples are as follows.
When the water temperature inside the flow tube was changed by 5.4 ℃ for 80 hours, the ultrasonic propagation time difference ranged from a minimum of 0.089 ns to a maximum of 1.36 ns, and the average value was less than 0.1 ns stability, which is the minimum flow velocity resolution flow velocity ±0.002 ㎧ at an DN65 mm flow sensor.
The performance test results for samples with DN65 mm, DN80 mm and 150 mm are all heat meter classe 2 and have a flow rate ratio of 100 times are as follows.
First, the result value of the entire sample has a type approval and initial verification error of ±2 % even at low flow rate() of 0.1 and flow rate, and maximum permissible errors in service is doubled, so the use period is 3 years and all samples after 5 years satisfied the initial verification error. However, samples exceeding the initial verification error occurred at a DN80 mm and a flow rate of and 0.1
Second, it was confirmed that the dispersity of the use error increased as the service life increased, and the dispersity increased at a low flow rate(qi) according to the flow rate.
Third, in two types of samples with diameters of 65 mm and 80 mm at flow rates of 0.1 and , the degree of dispersion increased with the increase in the use period and the diameter, and the stability tended to increase with the increase in flow rate.
The test results for the effect on heating water contamination are as follows.
First, by district heating use site, the most contained substance in the components of the heating water sample at the old site and the site where about 10 years have elapsed recently was iron, which was confirmed through visual and component analysis. A lot was confirmed at 38 % and 59.77 %, and it was confirmed that the corrosiveness increased as the temperature increased in the literature review.
Second, when comparing the contamination level of the recovered heat meter samples with the eyes, it was confirmed that the 5-year over(21.9 %) was more severe than the 3-year over(18.8 %). However, since the selection of the sample was an omission regardless of the before study and analysis is required for the exact level of correlation.
Third, as a result of comparing the ultrasonic reception signal according to the contamination of the recovered sample, the intensity of the recovered sample was 37 % compared to the initial sample, 26 % after cleaning the vibrator, and 97 % after cleaning the reflective surface.
ANSYS 18.1 Fluent, a commercial program for computer fluid analysis, was used to analyze the effect of the reduced cross-section of the flow part according to the flow change through flow analysis. The results are as follows.
First, although the asymmetry increases according to obstacles such as bends, it is a stable state in which the central flow rate maintains one, and the rectification effect and the flow rate increase effect appear together.
Second, although there is no clear difference between the circular and square sections of the flow velocity measurement, it was confirmed that the flow velocity distribution greatly differs in the vicinity of 1D and 2D downstream after passing through the center.
Third, in the results of turbulent flow (flow velocity 1 m/s), as in laminar flow, as the upstream straight pipe becomes shorter, the center point of the flow velocity is biased downward. A large vortex occurred at the top side.
The performance test results according to temperature and pressure changes for the ultrasonic heat meter combined type and compact type DN150 mm samples were as follows.
First, when the temperature of the fluid is changed(5∼45) ℃, the initial verification error when the temperature increases in the flow rate up to the flow rate (0.1∼3) ㎧ remains stable within the initial verification error range in case of temperature and pressure change in all cases of compact type and combined type.
Second, it was confirmed that the temperature change in the sample had a degree of dispersion twice as large as the pressure change.
The effect of disturbance of OLML R 49-2 on the ultrasonic heat meter is as follows.
First, at the combined disturbance and end of a 90° single bend, the error was large in 3D and stabilized from 5D downstream.
Second, the error was the largest in the longest 12D for the downstream end effect of the 90° double bend of disturbance. This was judged to be due to the swirl flow effect, and it was confirmed that it appeared similar to the CFD analysis result.
Third, in the case of the effect of complex disturbance, the error increases when the flow velocity increases and the straight pipe run increases.
According to the durability of the ultrasonic hat meter(up to 5 years), the results of the performance test of 3 and 5-years over samples for DN65 mm and DN80 mm are as follows.
First, all of the performance within the maximum permissible errors in service was maintained in all samples.
Second, as a result of comparing the error average and error distribution values for the initial verification error by year in all samples with a DN65 mm and DN80 mm, the spread of deviation is larger at low flow rate, and the error is linear in the sample after 5-years than in 3-years over appeared to increase further.
Third, it was confirmed that the deviation change amount increased as the diameter increased, and the error dispersion increased according to the years of use, and the error average value increased.
In conclusion, considering various installation conditions in which the durability and purity of the fluid at the installation site and the degree of contamination change according to the temperature and pressure of the flow rate part of the ultrasonic heat meter and the flow rate change, the characteristics necessary to minimize the effect on this and maintain it stably are kinematic viscosity according to the use environment of water, which is basically a function of temperature, but it is affected by the content of iron in heating water contamination. It was confirmed that the correction method and utilization based on the Reynolds number are necessary. Further research and experiments are needed for this.
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