열식 가스 질량 유량계 —— 바이오가스 유량 측정을 위한 최적의 선택

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슬러지 가스의 회수 및 활용은 국가와 국민에게 이로우며 환경을 보호하는 유익한 시스템 공학입니다.각국은 인력과 물력을 투입하여 메탄가스 회수 활용 기술을 적극적으로 발전시키고 있습니다.이 메탄가스 발전 기술은 국제적으로도 상당히 선진적인 기술로, 이를 **완벽하게 숙달한 곳은 극소수에 불과합니다.기업이 관심을 갖는 것은 경제적 효과와 사회적 효과이며, 1m3의 가스가 과연 몇 도의 전기를 생산할 수 있는지에 주목합니다전통적인 여러 유량계는 biogas 측정에 사용될 경우 실제로 그 효과가 그다지 좋지 않은 것으로 나타났습니다.열식 가스 질량 유량계 기술의 성숙과 우수한 실용성 덕분에, 점점 더 많은 바이오가스 발전 기업이나 바이오가스 회수 기업들이 열식 가스 질량 유량계를 도입하고 있습니다.열식의 성공적인 활용으로, 업계를 오랫동안 괴롭혀온 메탄가스 측정 문제가 해결되었습니다.이제 열식 가스 질량 유량계의 특징, 원리, 사용 방법 및 다른 유형의 유량계와의 성능을 비교해 보겠습니다. 와류식 유량계(가스) ▲ 와류식 유량계의 특징: 움직이는 부품이 없으며, 측정 정확도가 높고 압력 손실이 적습니다. 또한, 측정 센서가 측정 대상인 유체와 접촉하지 않으며, 출력되는 신호는 유체의 온도, 압력, 밀도, 성분, 점도와 같은 파라미터들과는 무관합니다. 　　▲ 와류식 유량계 원리: 이는 유체역학의 카만 와류 원리를 적용하여 유체의 유량을 측정하는 장치입니다.와류 발생체(원통, 삼각뿔 등의 비유선형 대칭체)를 파이프에 수직으로 삽입하면, 유체가 파이프 내를 흐를 때 와류 발생체 뒤쪽의 좌우 양쪽에서 번갈아 가며 와류가 생성되어 와류 열이 형성된다.이 두 개의 소용돌이는 서로 평행한 형태를 이루며, 좌우로 번갈아 나타나고 회전 방향은 반대입니다.소용돌이의 주파수 f(Hz)는 유체의 평균 유속 v(m/s)와 소용돌이가 발생하는 부분의 너비(m)와 다음과 같은 관계가 있습니다: f=St*v/d (St는 스트라우하르 상수로, 소용돌이가 발생하는 부분의 너비 d와 유체의 레이놀즈 수와 관련이 있습니다.) ▲ 와류식 유량계는 사용이 비교적 간단하며 설치도 용이합니다. 이 유량계에는 삽입형과 파이프형이 있습니다.설치할 때는 유체의 흐름 방향이 유량계가 가리키는 방향과 일치해야 한다는 점에 주의해야 합니다. 　　▲ 와류형 유량계의 단점: 측정 범위가 열식 가스 유량계에 비해 낮음(대부분 10:1에 불과함); 진동의 영향을 많이 받음; 파이프의 크기와 가격은 정비례함; 정확한 측정을 위해서는 온도와 압력 보정이 필요함; 저용량 구간에서는 반응이 둔하고 불안정하여 거의 측정이 불가능함. 초음파 유량계(가스) ▲초음파 유량계의 특징: 압력 손실이 없음; 설치가 간단함; 유체의 온도, 압력, 점도와 같은 물성과는 무관함; 움직이는 부품이 없음; 오염되거나 부식된 가스나 다성분 가스도 측정할 수 있음. 　　▲초음파 유량계 원리: 파이프 내에서 순류 및 역류 방향의 초음파 전파 시간을 측정한 다음, 계산을 통해 유체의 유속을 구합니다.유체의 유량은 매질의 유속, 관의 직경, 그리고 레이놀즈 수를 이용해 유체의 동역학적 특성을 보정한 후에 구할 수 있다. 　　구체적으로 말하면, 파이프 내에 “Z”자형으로 초음파 센서 한 쌍을 설치하며, 두 센서 사이의 거리 L이 초음파가 전파되는 거리가 됩니다.두 센서 사이를 초음파가 순류로 전파되는 데 걸리는 시간과 역류로 전파되는 데 걸리는 시간은 각각 다음과 같이 표시됩니다:
Ts = L/(C + Vcosθ); Tn = L/(C – Vcosθ)
여기서 C는 정지된 공기 속에서의 음파의 속도로, 이 값은 기체의 성질에 따라 달라집니다. 단위는 m/s입니다.V는 기체 매질의 유속으로, 단위는 m/s입니다.θ는 음파의 이동 경로와 파이프 축선 사이의 각도입니다. 　　▲초음파 유량계의 사용도 비교적 편리합니다.파이프 표면에 “Z”자 형태로 설치할 때는, 센서가 부착될 부분을 잘 다듬어 매끄럽게 만든 뒤 버터를 발라주어야 합니다. 그런 다음 고정 장치를 사용하여 센서를 파이프에 단단히 고정시키면 됩니다. 　　▲초음파 유량계의 단점: 측정 범위가 열식 가스 유량계에 비해 약간 좁으며, 유지보수가 상대적으로 까다롭습니다.가스의 정밀도가 높을수록 가격이 비싸며, 측정 시 온도와 압력 보정이 필요하고 장비 구성도 복잡합니다. 로터 유량계(가스) ▲로터 유량계의 특징: 현장에서 직접 수치를 확인할 수 있으며, 전원이 필요하지 않음. 가격도 비교적 저렴함. 재질에 따라 두 종류가 있는데, 일반적으로 사용되는 것은 유리관으로 만들어진 로터 유량계와 금속관으로 만들어진 유량계입니다.현장 표시와 원격 표시 모두 가능하며, 인터페이스는 HART, 표준 전류 신호, PROFIBUS 등이 있습니다. 　　▲로터 유량계의 원리: 로터 유량계도 속도식 유량계의 일종입니다.이것은 두 부분으로 구성되어 있습니다. 하나는 위가 크고 아래가 작은 원뿔형 튜브이며, 다른 하나는 그 원뿔형 튜브 안에 위치한 로터(부유자라고도 함)입니다.회전자와 원뿔형 튜브 벽 사이의 공간(제한 면적)을 통해 유체가 흐를 때 발생하는 압력 차 ΔP를 이용하여 회전자의 무게를 균형 있게 유지한다.작동할 때, 측정 대상인 유체는 원뿔형 튜브의 하단에서 들어와 상단에서 나갑니다.유체가 로터에 가하는 위쪽으로의 힘의 크기 F는 항상 로터의 무게 G와 같습니다. 즉,
F = △P * A; G = V * (ρt – ρf)g
F = G이므로, △P * A = V * (ρt – ρf)g가 됩니다.
따라서, △P = V * (ρt – ρf)g / A (1)가 됩니다.
여기서, V는 로터의 부피이며, A는 로터의 최대 단면적입니다. g는 해당 지역의 중력 가속도입니다. ρt와 ρf는 각각 로터의 재질과 측정되는 유체의 밀도입니다. △P는 로터를 기준으로 위아래에 있는 유체의 압력 차이입니다.식 (1)에서 알 수 있듯이, 전체 작동 과정 동안 압력 차는 일정하게 유지된다.유량이 증가하면 당연히 저항 면적을 통과하는 유속도 증가하므로, 압력차 ΔP를 일정하게 유지하기 위해서는 저항 면적을 넓혀 유속을 낮춰야 한다.따라서 로터의 균형 위치의 높이를 통해 유량의 크기를 알 수 있습니다.식 (2)를 사용하여 표현할 수 있습니다.
Q = k * h * (2△P/ρf)^(1/2) (2)
여기서, k는 계측기의 상수이며, h는 로터가 떠오르는 높이입니다.식(1)을 대입하면 다음과 같은 결과가 됩니다:
Q = k*h*√[2/(2gV(ρt-ρf)/(ρf*A))]
▲ 로터 유량계는 사용이 비교적 간편합니다. 설치할 때는 해당 볼트를 단단히 조이기만 하면 됩니다. 다만, 유체의 흐름 방향이 반드시 수직 상방을 향해야 한다는 점에 주의해야 합니다. 　　▲로터 유량계의 단점: 계측 범위 비가 10:1로 작음; 압력 손실이 상대적으로 큼; 오물에 의해 쉽게 막힘; 설치 및 유지보수가 상대적으로 복잡함; 진동의 영향을 많이 받음; 온도, 압력 보상 등이 필요함; 관경 크기와 가격은 정비례하며, 일반적으로 DN200 이하임. 열식 가스 질량 유량계 ▲열식 질량 유량계의 특징: 측정 범위 비율이 1000:1에 달할 정도로 넓음; 저유량 영역에서도 높은 감도를 보임; 온도나 압력의 영향을 받지 않고 가스의 질량을 직접 측정할 수 있음; 압력 손실이 거의 없음; 대구경이라도 소량의 가스를 매우 정확하게 측정할 수 있음; 가격은 파이프의 크기에 따라 크게 달라지지 않음; 정밀도는 1%에 이를 수 있음; 온도 범위는 -40℃~400℃까지 넓음; 먼지나 입자상 물질에 민감하지 않음. 　　▲열식 질량 유량계의 원리: 이것은 열 확산 원리에 기반한 유량계입니다.쉽게 말해, 유체 속에 있는 열원의 경우, 유체가 그 열원을 지나갈 때 열원 자체의 열량이 줄어듭니다. 유체의 질량 유량이 클수록 열원이 잃는 열량도 커집니다.이렇게 하면 이상적인 상황에서 유체의 유량과 열원이 잃는 열량은 같아야 합니다.따라서 열량의 크기를 알면, 유체의 유량을 구할 수 있습니다. 　　구체적으로 열식 가스 질량 유량계(이하 열식 유량계)를 구현하는 것은 다음과 같습니다. 즉, 열식 유량계의 프로브에는 두 개의 센서가 있으며, 그 중 하나는 유체의 온도를 측정하는 기준점 역할을 합니다. 나머지 하나는 열원으로서 작용합니다.앞서 설명한 내용에 따라, 다음과 같은 식 (3)을 얻을 수 있습니다.
P/△T = A + B * (Q)^m (3)
여기서, P는 전자 모듈이 가열원으로서 제공하는 동력입니다. △T는 가열원과 기준점 사이의 온도 차이입니다. A, B는 유체 자체의 성질과 관련된 상수입니다. m은 유체 자체의 성질과 관련된 지수 계수입니다. Q는 유체의 질량 유량입니다.식 (3)을 통해 알 수 있듯이, 유량을 측정하는 방법은 두 가지가 있습니다. P를 일정하게 유지하는 방법이 바로 일정동력법이고, △T를 일정하게 유지하는 방법이 바로 일정온도차법입니다.보통 우리는 온도차법을 사용하여 측정합니다. 온도차법의 특징은 작은 범위에서도 매우 민감하며, 반응 속도도 빠르다는 것입니다. 현재 시중에 유통되는 제품들도 모두 이 방법을 사용하고 있습니다. 　　▲열식 질량 유량계는 사용과 설치가 비교적 간편하며, 삽입형과 파이프형 두 가지 형태가 있습니다.삽입형이든 파이프형이든, 유지보수와 조작이 매우 간단합니다. 설치할 때는 유체의 흐름 방향이 열식 유량계가 가리키는 방향과 일치해야 합니다. 　　▲열식 질량 유량계의 단점: 점도가 높은 환경에 설치하기에 적합하지 않음; 수분 함량이 40% 이상인 곳에 설치하기에 적합하지 않음. 다양한 산업 분야에서의 수많은 실제 적용 사례를 살펴보면, 열식 가스 질량 유량계는 가스 측정 분야에서 그 우위가 특히 두드러집니다. 특히 압력이 낮고 가스 성분이 복잡한 경우에 그렇습니다.열식 가스 질량 유량계는 다른 유량계에 비해 압력 손실이 적고, 측정 범위가 넓으며, 저유량 구간에서도 민감하다는 장점이 있어 에너지 절약에 더욱 유리합니다.그 성공적인 적용은 향후 바이오가스 유량 측정을 위한 정밀한 계측 장비를 제공해 주었습니다.