가스 유량계의 연구

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산업 현장에는 가스 유량을 측정해야 하는 곳이 많으며, 대표적인 적용 분야로는 공기, 석탄가스, 천연가스, 염소가스, 산소, 플레임가스, 자동차 배기가스 등이 있습니다.연소 제어가 필요한 경우, 가스 유량 측정은 공기/연료 비율의 최적화된 제어에 매우 중요합니다. 연소에 필요한 공기의 양은 연소의 안정성과 효율성에 직접적인 영향을 미칩니다. 석유화학 분야의 수소화 크래킹 공정에서는 수소 가스의 유량을 측정하고 제어하는 것이 효율성을 향상시키는 데 매우 중요한 의미를 가집니다.우리나라 산업의 급속한 발전과 환경 보호 요구에 따른 신재생 에너지의 활성화로 인해, 가스 계량에 대한 중요성이 점점 더 높아지고 있습니다.하지만 현재 가스 유량 측정의 문제는 상당히 심각합니다.예를 들어, 대구경·대유량의 가스 유량계에는 많은 문제가 있습니다；온도, 압력, 성분 등의 파라미터가 크게 변하는 혼합 가스의 계량도 시급히 해결해야 할 중대한 과제입니다. 1.1 혼합기체의 특징 혼합기체는 산업 현장에서 흔히 사용되는 매체로, 천연가스, 가스, 토치 가스, 보일러 연도가스 등이 대표적인 혼합기체입니다.혼합 가스는 일반적으로 다음과 같은 특징을 가집니다: a. 오염이 심함.혼합 가스에는 일반적으로 석탄 타르, 먼지, 물과 같은 더러운 성분들이 포함되어 있습니다. 예를 들어, 가스에는 이러한 더러운 성분들이 함유되어 있죠；연기에는 비산회가 포함되어 있습니다. b. 성분 변화.혼합 기체의 성분들은 일정한 변화를 겪으며, 시간에 따라 변하는 특성을 보입니다.예를 들어, 가스에는 CO2, O2, H2, CO, CH4와 같은 다양한 성분들이 포함되어 있습니다. 생산 공정의 변화나 원료의 구성에 따라 가스의 성분도 달라집니다.또한, 토치 가스에는 탄화수소, 수소, 황화수소, 이산화탄소, 질소와 같은 성분들이 포함되어 있습니다. 정유 공장의 공정 변화나 밸브 누출과 같은 요인들도 토치 가스 내 각 가스의 상대적 비율을 변화시킬 수 있습니다. c. 온도와 압력의 변화.예를 들어, 횃불가스의 온도 변화 범위는 매우 넓어서, 영하 수십 도의 저온부터 300~400도의 고온까지 이릅니다.측정되는 혼합 기체의 온도와 압력 변화는 상당한 측정 오차를 유발합니다.따라서 혼합 기체의 질량 유량을 측정하는 것이 부피 유량을 측정하는 것보다 훨씬 합리적입니다. d. 흐름 변화 범위가 큼.천연가스, 가스, 토치가스 등의 혼합 가스들은 모두 매우 큰 유량 변동 범위를 가지고 있습니다.예를 들어, 정상적으로 가동되는 정유소의 토치 유량은 보통 낮은 편이며, 저유량 시의 일반적인 유속 범위는 0.01~15m/s입니다. 반면에 사고가 발생하면 짧은 시간 내에 토치 유속이 60m/s에 이를 수 있습니다. 천연가스나 석탄가스도 비슷한 문제가 있으며, 가스 사용이 많은 시기와 적은 시기의 가스 유량 차이는 20배 이상에 달할 수 있습니다. 1.2 가스 유량 측정 방법에 대한 논의 현재 사용되고 있는 대부분의 가스 유량 측정 방법들은 가스 유량을 측정할 때 다양한 정도로 한계가 있어, 가스 유량 측정 문제를 완벽하게 해결하기 어렵습니다.가스 유량 측정 방법은 구체적인 유량계를 통해 실현될 수 있다.다음은 일반적으로 사용되는 가스 유량계와 가스 유량 측정 시 발생하는 문제들에 대한 분석입니다. 1.2.1 와류식 유량계
와류식 유량계는 1970년대에 개발된 새로운 형태의 유량계입니다. 현재는 일반적으로 사용되는 유량계 중 하나가 되었습니다.가스, 액체, 증기의 유량을 측정하는 데 널리 사용됩니다.와류식 유량계는 빠르게 발전해 왔으며, 특히 신호 검출 방법과 신호 처리 측면에서 그러합니다. 와류식 유량계를 사용하면 설치가 용이하고 압력 손실이 적다는 등의 장점이 있습니다；적용 가능한 유체의 종류는 매우 다양하여, 액체, 기체, 증기 등 모두 측정할 수 있습니다；정확도가 높음；측정 범위가 넓어, 10:1~20:1까지 가능합니다；일정한 레이놀즈 수 범위 내에서는 출력 신호가 유체의 물성(밀도, 점도)이나 성분에 영향을 받지 않으며, 즉 계기 계수는 소용돌이 발생체와 파이프의 형상 및 크기에만 관련이 있습니다；하나의 전형적인 매질에서만 보정하면 다양한 매질에 적용할 수 있습니다.하지만 와류식 유량계도 실제 사용 시 몇 가지 단점이 있습니다. 와류식 유량계는 낮은 레이놀즈 수를 가진 유체의 측정에는 적합하지 않습니다；체내 소용돌이 분리의 안정성은 유속 분포의 왜곡 및 회전 흐름과 관련이 있으므로, 상류 측에 있는 다양한 형태의 저항 요소들을 고려하여 충분히 긴 직관 구간을 설치하거나 정류기를 부착해야 한다；력감지식 검출법을 사용하는 소용돌이형 유량계는 파이프라인의 기계적 진동에 민감하여, 강한 진동이 있는 환경에서는 사용하기에 적합하지 않습니다； 터빈 유량계에 비해 계수가 낮고 해상도가 떨어집니다. 와류식 유량계를 가스 측정에 사용할 때, 가압 장비로 인한 파이프라인의 진동, 파이프라인 내 가스의 충격력, 그리고 가스의 무작위적인 압력 변동 등이 모두 유량 측정에 영향을 미칩니다.또한, 실제 적용 시에는 가스의 유속을 5m/s 이상으로 유지하기가 어렵기 때문에, 와류식 유량계는 저유속 상태에서 오차가 매우 크게 나타납니다. 1.2.2 차압식 유량계 차압식 유량계는 파이프라인 내에 설치된 제한 소자로 인해 발생하는 차압, 알려진 유체의 특성, 제한 소자의 형태, 그리고 파이프라인의 기하학적 크기와 같은 요소들을 이용하여 유량을 계산합니다.그 사용량은 유량 계측기 중에서 1위를 차지합니다.최근 들어 다양한 신형 유량계들이 보급되면서 차압식 유량계의 시장 점유율은 점차 감소하고 있지만, 현재도 여전히 가장 중요한 유형의 유량계로 남아 있습니다.차압식 유량계는 가스 유량 측정 분야에서 널리 사용되고 있으며, 현재 석탄가스 및 천연가스 계량에 사용되는 주요 유량계 유형입니다.최근의 조사에 따르면, 천연가스 유량 측정 장비 중에서 국제적으로는 표준 오리피스가 약 55%를 차지하며, 국내에서는 약 80%를 차지하는 것으로 나타났습니다.차압식 유량계는 1차 장치와 2차 장치로 구성됩니다.차압식 유량계는 일반적으로 제한부의 형태에 따라 분류되며, 예로는 구멍판 유량계, 문치리관 유량계, 균속관 유량계 등이 있습니다.차압식 유량계의 제한부품(특수 표준형 제한부품)은 비교적 보편적이며, 국제표준화기구의 인정을 받고 있습니다.차압 유량계의 표준 제한부품에 대한 실험적 연구는 국제적인 수준에서 이루어지며, 다른 유형의 유량계는 이와 같은 깊이와 폭에 도달하기 어렵다.표준형 차압 유량계는 실제 유체를 이용한 교정 없이도 바로 사용할 수 있는 유일한 유량계입니다.차압 유량계도 사용 시 몇 가지 한계가 있습니다. 측정의 반복성과 정확도는 중하위 수준이며, 더욱 향상시키기 어렵습니다；측정 범위가 비교적 좁아, 일반적으로 3:1~4:1에 불과합니다；흐름량의 변동이 큰 환경에서는 사용할 수 없으며, 일부 문헌에서는 차압 유량계의 측정 범위를 확대하는 방법도 제시되고 있습니다. 현장 설치에 있어서는 상당한 요구사항이 있습니다；압력 유도관은 누출, 막힘, 결빙 및 신호 왜곡과 같은 고장이 발생하기 쉽습니다；압력 손실이 큼. 차압 유량계는 가스, 천연가스, 연도가스와 같이 오염된 혼합 기체에는 적합하지 않습니다. 그 주된 이유는 다음과 같습니다: a. 가스와 천연가스의 사용량은 피크와 저점이 있어 유량의 변동 폭이 크지만, 차압 유량계의 측정 범위는 그다지 넓지 않아 사용 시 상당한 오차가 발생합니다.실제 적용에서는 차압 유량계의 측정 범위를 넓히기 위해 본관에 분관을 병렬로 연결하는 방식이 일반적으로 사용되지만, 이 경우 계측 시스템이 복잡해지고 투자 비용도 높아지며 유지보수량도 증가합니다.b. 가스, 천연가스, 연도가스와 같은 혼합 가스에는 불순물이 많이 포함되어 있어, 압력 유도관이 막히거나 저항 요소의 특성이 변하는 문제가 자주 발생합니다.이를 위해 일부 회사들은 청소가 용이한 세척 가능한 유량계를 개발하여, 계기의 정상적인 작동과 측정 정확도를 유지하기 위해 정기적으로 또는 비정기적으로 청소를 실시하지만, 실제 사용 시에도 오염으로 인해 발생하는 다양한 문제들을 해결하기는 여전히 어렵습니다.c. 압력 손실이 크어 가스의 파이프라인 전송에 부적합합니다.또한, 차압식 유량계는 산소 유체나 저압 환경에는 사용할 수 없습니다. 1.2.3. 로터 유량계 로터 유량계는 부유식 유량계라고도 하며, 변형 면적식 유량계의 일종입니다.로터 유량계는 구조가 간단하며, 차압식 유량계에 이어 두 번째로 많이 사용됩니다. 소량의 유량을 측정하는 데 있어서 매우 중요한 역할을 합니다.단일 로터 유량계는 사용하는 관의 직경이 작고 설치에 제약이 많다는 단점이 있습니다. 로터 유량계는 측정 정밀도가 낮아 실제 가스를 이용한 교정이 필요하며, 정밀도 요구 수준이 높지 않은 경우(2.5등급 미만)에만 사용할 수 있습니다.한편, 가스나 천연가스와 같은 기체들은 무역 결제와 관련된 문제에 자주 직면하므로 일정한 측정 정밀도를 유지해야 합니다. 또한 혼합 기체의 성분 변화는 유량계의 출력 신호에 영향을 미치기 때문에, 로터식 유량계는 혼합 기체나 대구경이며 높은 정밀도가 요구되는 경우에는 적합하지 않습니다. 1.2.4 터빈 유량계 터빈 유량계는 센서와 변환 표시 장치로 구성됩니다. 센서는 여러 개의 블레이드가 달린 로터를 사용하여 유체의 평균 유속을 측정함으로써 유량을 계산해냅니다.로터의 유속은 자기감응식, 광전식 등의 방법으로 측정할 수 있으며, 후단 장치를 통해 표시되고 전송되어 기록됩니다.터빈 유량계는 석유, 유기 액체, 무기 액체, 액화가스, 천연가스, 가스 및 저온 유체와 같은 측정 대상에 널리 사용됩니다.해외에서는 액화석유가스, 정제유, 경질원유 등의 운송 및 집산소에서, 그리고 대형 원유 수송 파이프라인의 시작점과 종료점에서는 거래 결제를 위해 터빈 유량계가 대량으로 사용되고 있습니다.유럽과 미국에서 터빈 유량계는 홀 플레이트 유량계에 이어 두 번째로 많이 사용되는 천연가스 계측 장비입니다.터빈 유량계는 다음과 같은 특징을 가지고 있습니다: 정밀도가 높아, 일반적으로 0.5%~0.2%에 달합니다；측정 범위는 일반적이며, 최대 유량과 최소 유량의 비율은 보통 6:1~10:1입니다；반복성이 우수함；압력 손실이 적음；디지털 신호 출력；설치 및 수리가 용이합니다.터빈 유량계의 한계는 교정 특성을 장기간 유지할 수 없으며, 정기적인 보정이 필요하다는 점에 있습니다；일반적으로 고점도 매체의 유량 측정에는 적합하지 않음；유체물성(밀도, 점도)은 유량 특성에 큰 영향을 미친다；유속 분포와 왜곡은 유량에 큰 영향을 미친다；측정 대상 매체의 청결도에 높은 요구사항이 있습니다. 보시다시피, 터빈 유량계는 정밀도는 높지만 측정 범위가 일반적이며, 오염과 마모에 취약하고, 대구경 터빈 유량계의 제조 비용도 상당히 높습니다.따라서 이는 소형 및 중형 직경(DN300 미만)의 깨끗한 가스 유량 측정 분야에서 중요한 역할을 하지만, 석탄가스나 천연가스와 같은 오염된 가스의 경우에는 적합하지 않습니다. 1.2.5. 초음파 유량계 초음파 유량계는 유체가 흐를 때 초음파 파동에 미치는 영향을 측정함으로써 유체의 부피 유량을 알아내는 계측기입니다.압력 손실이 없으며, 최근에 빠르게 발전해온 유량계 중 하나입니다. 대구경 유량 측정에서 뛰어난 장점을 가지고 있습니다. 밀폐된 파이프라인에서 사용되는 초음파 유량계는 측정 원리에 따라 전파 시간법, 도플러 효과법, 빔 오프셋법, 상관법, 노이즈법으로 나눌 수 있습니다. 초음파 유량계의 활용은 1990년대에 시작되었습니다. 높은 측정 정확도, 넓은 측정 범위, 압력 손실이 없음, 움직이는 부품이 없다는 등의 뛰어난 장점들 덕분에 사용자들에게 인기를 얻었으며, 가스의 유량 측정에도 사용되고 있습니다. 현재까지 미국, 네덜란드, 영국 등 12개국의 기관에서 초음파 유량계를 거래 결제용 법정 계량 기기로 승인했습니다.하지만 중대구경에만 적용되며 가격이 비쌉니다.현재 국내에는 소수의 사용자들이 수입된 초음파 유량계를 사용하여 유량을 측정하고 있습니다. 1.2.6. 가스 피스톤 유량계
가스 피스톤 유량계는 용적식 유량계의 일종으로, 측정 정확도와 신뢰성이 뛰어납니다. 설치할 때 앞뒤에 직선형 파이프 구간이 필요하지 않으며, 측정 범위도 매우 넓어 10:1에 달합니다. 하지만 구조상의 이유로, 가스 윈드쉘 유량계를 설치할 때 하우징은 파이프라인의 다양한 응력을 견딜 수 없으며, 또한 유체가 매우 깨끗해야 합니다(그렇지 않으면 회전 부품이 쉽게 막힙니다).따라서, 혼합 기체의 유량 측정에 그를 적용하는 데에는 일정한 제약이 있습니다.또한, 대구경 플로우미터는 크기가 매우 커서, 대구경 파이프라인에서는 거의 사용되지 않습니다. 현장에서는 주로 소구경 가스의 유량 측정에 사용됩니다.습식 유량계, 로터리 유량계와 같은 다른 일부 용적식 유량계들도 설치상의 제약으로 인해 혼합 기체에는 사용하기 어렵습니다. 1.2.7. 열식 가스 질량 유량계
열식 가스 질량 유량계는 열교환 원리를 이용하여 가스의 유량을 측정하는 장치입니다. 즉, 흐르는 가스와 열원 사이의 열교환 관계를 활용하여 유량을 측정하는 것입니다.1960년대에 미국이 우주항공 산업을 위해 처음으로 열식 가스 유량계를 개발했으며, 이후 반도체 산업에서 크게 발전했습니다.열식 가스 질량 유량계는 다음과 같은 특징을 가지고 있습니다: 매우 낮은 유속의 미세한 유량도 측정할 수 있습니다；움직이는 부품이 없어 신뢰성이 높음；압력 손실이 매우 작아 거의 무시할 수 있습니다；압력이나 온도 보정 없이 질량 유량을 직접 측정；전기 신호 출력, 출력 값 큼；정격 비율이 매우 높음 (1000:1)；가격은 관의 직경과 큰 관련이 없으며, 설치가 용이합니다；재현성이 뛰어남. 현재, 열식 가스 질량 유량계는 천연가스 유량 측정, 석탄가스 유량 측정, 공기 유량 측정, 토치 가스 유량 측정, 수소 가스 유량 측정, 산소 가스 유량 측정, 자동차 산업(자동차 배기가스 측정), CEMS, 의료 분야(산소 및 약품 유량 측정), 에너지 산업(연소용 공기 공급), 난방 및 환기 시스템, 공공시설(염소가스, 오존 등 가스의 유량 측정) 등 다양한 산업 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 1.3. 기체의 질량 유량 측정 앞서 유량 측정 장치에 대해 살펴본 바와 같이, 대부분의 유량계는 부피 유량을 측정합니다.산업 계측에서는 매체의 온도, 압력, 성분이 지속적으로 변화하기 때문에, 부피 유량 측정 결과에 상당한 오차가 발생하여 측정의 의미가 사라집니다.이러한 응용 분야에서는 유체의 부피 유량을 측정하는 것보다 질량 유량을 측정하는 것이 훨씬 더 실용적인 가치가 있습니다.이러한 경우에는 산업 생산에서의 비율 조절 및 품질 관리, 물질과 에너지의 균형 유지, 그리고 무역 결제 등이 포함됩니다.20년이 넘는 기간 동안의 연구와 실제 적용을 통해, 사람들은 실제 사용에 유용한 질량 유량계를 개발해냈습니다.일반적으로 사용되는 질량 유량 측정 방법에는 간접법과 직접법이 있습니다. 1.3.1. 간접식 질량 유량 측정법
간접식 질량 유량 측정법은 산업 분야에서 비교적 일찍부터 사용된 질량 유량 측정 방법입니다.측정 정확도에 대한 요구가 높지 않고, 온도와 압력의 변동 범위가 작으며, 매체의 온도와 밀도가 선형적인 관계에 있는 경우에는 간접식 질량 유량 측정 방법이 자주 사용됩니다.하지만 온도, 압력, 밀도 간의 관계가 복잡한 매질의 경우에는 자동적이고 정확한 보상을 실현하기가 어렵습니다.동시에, 이러한 측정 방법은 여러 중간 파라미터의 측정을 도입함으로써 측정 단계가 많아지게 되고, 그로 인해 질량 유량 측정의 정확도를 보장하고 향상시키기가 어려워집니다. 1.3.2. 직접식 질량 유량 측정법
직접식 질량 유량 측정법은 오늘날까지 발전해오면서 다양한 형태의 질량 유량계가 만들어졌습니다.그중 일부 질량 유량계는 부피 유량계를 기반으로 개선된 것입니다.예를 들어, 공정판과 정량 펌프를 조합한 차압식 질량 유량계, 두 개의 터빈을 조합한 이중 터빈식 질량 유량계 등이 있습니다.이러한 유량계들은 구조상의 이유로 널리 사용되기 어렵습니다.현재 실제 응용 분야에서 액상 또는 액상이 주를 이루는 혼합 유체의 질량 유량을 직접 측정할 때는 주로 코리올리 질량 유량계가 사용되며, 기체의 질량 유량을 직접 측정할 때는 대부분 열식 기체 질량 유량계가 사용됩니다.현재 코리올리 질량 유량계는 실제 응용 과정에서 몇 가지 문제와 한계가 있으며, 주로 단상 유체를 측정하는 데 사용되고, 특히 단상 액체의 측정에 적합합니다.밀도가 높은 기체의 유량 측정에 적용할 수 있다는 연구 결과도 있지만, 이러한 연구 성과들은 아직 실용화 단계에 이르지 못했습니다. 열식 가스 질량 유량계는 “핫와이어 풍속계”에서 유래했습니다.열식 측정 기술의 장점이 인식되면서, 열식 가스 유량계는 빠르게 발전하였습니다.열식 가스 유량계는 에너지 균형형과 대류형 두 가지로 나뉩니다.에너지 균형형 열식 유량계는 열 분산형 유량계 또는 열량 측정형 유량계라고도 하며, 대류형 유량계는 열 소실(냉각) 효과에 기반한 킨의 법칙을 이용하므로 침투형 또는 삽입형 유량계라고도 합니다.에너지 균형형 열식 유량계는 소량 측정 시에 많이 사용되며, 대량 측정 시에는 일반적으로 대류형 열식 가스 유량계가 사용됩니다.대류형 열식 유량계는 에너지 일정형(일정 유량)과 온도 일정형(일정 온도)의 두 가지로 나뉩니다.온도가 일정한 열식 가스 유량계의 반응 속도는 에너지가 일정한 경우보다 빠르며, 현재 열식 가스 유량계의 주요 발전 방향입니다.전통적인 열식 가스 질량 유량계는 측정 대상 가스가 단일 성분이거나 고정된 조성을 가져야 하며, 공정 조건에 대한 요구도 상당히 까다롭습니다.하지만 미국의 SIERRA와 같은 세계적인 전문 열식 가스 유량계 제조업체들은 이 분야에서 선도적인 기술을 보유하고 있습니다. 이러한 장비들은 공정 조건이 복잡하거나 다양한 성분이 혼합된 가스를 측정하는 데 매우 효과적입니다.또한 제품의 수명은 최대 10년에 달하며 성능도 잘 유지됩니다. 1.4. 혼합 기체 유량 측정 방법의 타당성 분석 앞서의 분석을 통해, 초음파 유량계와 열식 기체 유량계가 혼합 기체의 유량 측정에 적합하다는 것을 알 수 있습니다. 하지만 초음파 유량계는 가격이 비싸서 대규모로 보급되고 사용되기는 어렵습니다.열식 가스 유량계는 가격이 합리적이고 사용이 간편하며, 혼합 가스를 측정할 때 일정한 장점이 있으므로 열식 가스 유량계에 대한 연구는 밝은 전망을 가지고 있습니다. 열식 가스 유량계 프로브와 가스의 접촉면은 다양한 금속이나 합금으로 구성되어 있어 내식성과 고온 저항성이 뛰어나며, 표면의 오염도 쉽게 제거할 수 있습니다.일반적으로 볼밸브가 장착된 삽입식으로 설계되어, 가스 공급을 중단하지 않고도 프로브의 삽입, 회수 및 세척 작업 등을 온라인 상에서 수행할 수 있습니다.이렇게 하면 혼합 가스의 오염으로 인한 영향을 없앨 수 있습니다.열식 가스 유량계는 가스의 질량 유량을 직접 측정하므로, 가스의 온도나 압력 변화의 영향을 상당 부분 제거할 수 있습니다.열식 가스 유량계는 유체 저항이 극히 작아 압력 손실이 거의 없습니다.열식 유량계는 측정 범위가 매우 넓어, 혼합 가스의 유량 변화가 큰 특성에 매우 적합합니다.