KR100559440B1

KR100559440B1 - 배관내 연료가스의 유량 측정장치 및 방법

Info

Publication number: KR100559440B1
Application number: KR1020040069819A
Authority: KR
Inventors: 강덕홍; 김영일; 김기홍
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2004-09-02
Filing date: 2004-09-02
Publication date: 2006-03-10
Also published as: KR20060021021A

Abstract

본 발명은 각종 연소설비에 공급되는 배관 내의 연료가스 유량을 측정하는 장치 및 방법에 관한 것으로,

배관(11)의 중심축으로부터 일정 거리의 외부에 설치된 열전도 부재(14); 상기 열전도 부재(14)의 외부와 내부의 일정 거리에 각각 설치된 제1발열체(15)와 제2발열체(16); 상기 열전도 부재(14) 및 제1, 제2발열체(15, 16) 주위를 감싸는 단열재(17); 상기 열전도 부재(14)의 외주면과 내주면에 설치된 제어용 열전대(18); 상기 제어용 열전대(18)의 온도구배가 0이 되도록 제2발열체(16)의 발열량을 제어하는 제어부(미도시); 및 측면의 단열재(17)가 설치된 배관(11) 외주면 양쪽에 설치되어 제1발열체(15)로부터의 공급열량에 의한 연료가스(12)의 온도 변화를 측정하는 측정용 열전대(19)로 구성됨을 특징으로 하여,

배관 내부의 연료가스의 유량을 정확히 측정함으로써 정밀한 유량 제어가 실시간으로 가능하게 되어 제품의 품질 향상 및 에너지 절감의 효과가 있게 된다.

제1발열체, 열전도 부재, 제2발열체, 제어용 열전대, 측정용 열전대

Description

배관내 연료가스의 유량 측정장치 및 방법{A measurement system and method of fuel gas flowrates in a duct}

도 1은 종래의 오리피스를 이용한 연료가스 유량 측정장치의 개략 단면도.

도 2는 부생가스를 연료로 사용하는 실제 연료 배관내 퇴적층 사진.

도 3은 본 발명에 따른 연료가스 유량 측정장치의 개략 단면도.

도 4는 본 발명에 따른 유량 측정에 필요한 보정인자를 구하기 위한 그래프.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

11 : 배관 12 : 연료가스

13 : 퇴적층 14 : 열전도 부재

15 : 제1발열체 16 : 제2발열체

17 : 단열재 18 : 제어용 열전대

19 : 측정용 열전대

본 발명은 각종 가열로, 단조로 등의 공업로에 사용하는 연료가스의 공급유량을 측정하기 위한 연료가스의 유량 측정장치 및 방법에 관한 것이다.

종래에는 가스 배관내 연료가스의 유량 측정을 위하여 오리피스를 이용하였으며, 오리피스를 이용한 유량 측정장치는 도 1의 개략 단면도에 도시된 바와 같이, 배관(1) 내부에 설치된 오리피스(4) 전후단부의 압력 P₁, P₂를 압력측정용 도압관(5)을 통하여 측정한 후 그 압력차를 이용하여 연료가스(2) 가스유량을 측정하는 방식을 취하였다.

그러나 배관(1)내 이물질 또는 연료가스(3) 중에 포함된 이성분 물질들에 의하여 배관(1) 내주면에 퇴적층(5)이 형성되어 도 2(부생가스를 연료로 사용하는 실제 배관내 퇴적층 사진)에 도시된 바와 같이, 압력측정용 도압관(4)이 막히는 경우, 실시간으로 공급되는 연료가스(2)의 유량 측정이 매우 어려운 실정이다..

이로 인하여 각종 연소설비에 공급되는 연료가스의 유량에 대한 실시간 측정치에 대한 오차로 인하여 해당 연소설비의 유량제어와 이를 통한 분위기 온도의 제어는 거의 불가능한 실정이다. 따라서 이에 대한 적절한 연료가스, 특히 생산공정내 부생가스를 연료로 사용할 경우 정확한 유량측정을 위한 장치가 요구되었다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 종래의 도압관을 사용하여 압력차로부터 연료가스의 유량을 측정하는 것이 아니라 배관 외부에 발열체를 설치하여 배관 내의 연료가스에 대한 공급열량과 이로 인한 온도변화로부터 연료가스의 유량을 실시간으로 정확히 측정할 수 있는 배관 내 연료가스의 유량 측정장치 및 방법을 제공함을 그 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 배관 내 연료가스의 유량 측정장치는, 연소설비에 공급되는 배관 내 연료가스의 유량을 측정하는 장치에 있어서, 배관(11)의 중심축으로부터 일정 거리의 외부에 설치된 열전도 부재(14); 상기 열전도 부재(14)의 외부와 내부의 일정 거리에 각각 설치된 제1발열체(15)와 제2발열체(16); 상기 열전도 부재(14) 및 제1, 제2발열체(15, 16) 주위를 감싸는 단열재(17); 상기 열전도 부재(14)의 외주면과 내주면에 설치된 제어용 열전대(18); 상기 제어용 열전대(18)의 온도구배가 0이 되도록 제2발열체(16)의 발열량을 제어하는 제어부(미도시); 및 측면의 단열재(17)가 설치된 배관(11) 외주면 양쪽에 설치되어 제1발열체(15)로부터의 공급열량에 의한 연료가스(12)의 온도 변화를 측정하는 측정용 열전대(19)로 구성된다.

또한, 본 발명의 배관 내 연료가스의 유량 측정방법은, 상기 발명에 의한 장치를 이용하여, 제1발열체(15)로부터 연료가스(12)로의 공급열량과, 제어용 열전대(18)의 온도구배가 0이 되도록 제2발열체(16)의 공급열량을 제어한 상태에서 측정용 열전대(19)로부터 연료가스(12)의 온도 변화를 구한 다음 이로부터 연료가스의 유량을 구하는 것을 특징으로 한다.

이하에서는 도 3의 본 발명에 따른 유량 측정장치의 개략적인 단면도를 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명은 크게 배관(11)의 외부에서 배부로 연료가스로 열량을 공급하는 발 열시스템과, 공급 열량에 따른 온도 변화량을 측정하는 온도측정시스템이 결합되어 구성되며, 이들 시스템은 배관(11) 소정 위치 외주면을 감싸도록 원주 방향으로 설치된다.

구체적으로 살펴보면, 배관(11)의 외주면으로부터 먼 곳부터 제1발열체(15), 열전도 부재(14), 제2발열체(16)가 배관(11)의 중심축으로부터 일정 거리에 배치된다. 이때 발열시스템은 연료가스(12)로의 열공급 즉, 반경 방향으로의 열전달 모드를 설정하기 위하여 제1발열체(15)와 제2발열체(16) 사이에 열전도도가 큰 재질의 SUS(Steel Use Stainless)와 같은 열전도 부재(14)가 설치되고, 이들 주위에는 단열 성능이 우수한 단열재(17)가 설치된다.

그리고 온도측정시스템으로서 사용되는 열전대는, 상기 열전도 부재(14)의 외주면과 내주면에 설치되는 제어용 열전대(18)와 배관(11)의 외주면상에 설치된 단열재(17) 내주에 배관(11)의 외주면에 접촉한 상태로 설치되는 측정용 열전대(19)로 구성된다.

이하에서는 위과 같이 구성된 본 발명에 따라 연료가스의 유량을 측정하는 방법을 설명하기로 한다.

먼저 상기 제1발열체(15)는 연료가스(12)에 소정 열량을 공급하기 위하여 발열하게 되는데, 이때의 열량은 연료가스(12)에 공급되는 과정에서 일부는 손실되게 됨에 따라 제1발열체(15)의 발열량과 연료가스(12)의 흡열량은 동일하지는 않게 된다. 이와 같이 손실되는 열량을 보상하기 위하여 제어용 열전대(18)에 의하여 실시간으로 측정되는 온도차가 없도록 즉, 반경 반향의 온도구배가 0이 되도록 제2발열 체(16)의 발열량을 제어부(미도시)에서 제어하게 된다. 이로부터 제1발열체(15)로부터 일정한 열량(Q_in)이 배관(11) 내부의 연료가스(12)로 공급된다.

이때 연료가스의 온도 변화량(ΔT)은 측정용 열전대(19)에 의하여 실시간으로 측정되며, 이를 이용하여 연료가스(12)의 전열량을 구할 수 있게 된다. 이 전열량은 시스템이 초기 설치, 작동 후 정상상태에 도달 후부터는 전술한 제1발열체(15)로부터 공급된 열(Q_in)과 거의 같으며 하기의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.

(여기서,

는 연료가스의 질량유량, C_P는 연료가스의 비열이며 이는 연료가스의 온도에 따라 이미 주어지게 된다.)

위 수학식 1을 보정항(C)을 포함한 형태로 나타내어 연료가스의 질량유량으로 정리하여 나타내면 하기의 수학식 2와 같이 표현할 수 있다.

이때, 비열(C_P)은 측정 구간 양단에 설치된 측정용 열전대(19)의 온도평균에 해당하는 연료가스의 비열을 나타낸다. 한편, 보정인자(C)는 도 4의 그래프와 같이, 측정용 열전대(19)의 온도편차를 4~5℃로 유지되도록 발열시스템을 제어한 후 공급열량 (Q_in)에 따른 연료가스의 질량유량(

)의 변화를 측정하면 선형적 관계를 나타내는데 이때 질량유량(

) 변화에 대한 Q_in/C_P의 변화량을 나타내는 그래프의 기울기를 의미하므로 사전에 이를 구할 수 있게 된다.

이로부터 제1발열체(15)로부터의 공급열량(Q_in)과 연료가스(12)의 온도변화량(ΔT)를 측정하면 연료가스(12)의 질량유량(

) 변화를 알 수 있게 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 형태에 관해 설명하였으나, 이는 단지 예시적인 것이며 본 발명의 기술적 사상의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 배관 내 연료가스의 유량 측정장치 및 방법을 사용하면, 각종 연소설비에 공급되는 연료가스 특히, 부생가스의 유량을 배관내 퇴적층의 있더라도 정확히 측정할 수 있으므로, 이로부터 연소시스템을 채용한 가열설비에 있어 피가열물의 온도를 제어를 보다 정밀하게 수행할 수 있게 되어 결국 제품의 품질을 향상시킬 수 있음은 물론 적절한 양의 연료가스를 사용하게 됨에 따른 비용 절감의 효과가 있게 된다.

Claims

연소설비에 공급되는 배관 내 연료가스의 유량을 측정하는 장치에 있어서,

배관(11)의 중심축으로부터 일정 거리의 외부에 설치된 열전도 부재(14); 상기 열전도 부재(14)의 외부와 내부의 일정 거리에 각각 설치된 제1발열체(15)와 제2발열체(16); 상기 열전도 부재(14) 및 제1, 제2발열체(15, 16) 주위를 감싸는 단열재(17); 상기 열전도 부재(14)의 외주면과 내주면에 설치된 제어용 열전대(18); 상기 제어용 열전대(18)의 온도구배가 0이 되도록 제2발열체(16)의 발열량을 제어하는 제어부(미도시); 및 측면의 단열재(17)가 설치된 배관(11) 외주면 양쪽에 설치되어 제1발열체(15)로부터의 공급열량에 의한 연료가스(12)의 온도 변화를 측정하는 측정용 열전대(19)로 구성됨을 특징으로 하는 배관내 연료가스의 유량 측정장치.
제1항의 장치를 이용하여, 제1발열체(15)로부터 연료가스(12)로의 공급열량(Q_in)과, 제어용 열전대(18)의 온도구배가 0이 되도록 제2발열체(16)의 공급열량을 제어한 상태에서 측정용 열전대(19)로부터 연료가스(12)의 온도 변화(ΔT)를 구한 다음 하기의 식으로부터 연료가스의 유량(
)을 구하는 것을 특징으로 하는 배관내 연료가스의 유량 측정방법.

(여기서, C_P는 측정용 열전대(19)의 온도평균에 해당하는 연료가스의 비열, C는 측정용 열전대(19)의 온도편차가 일정하게 유지되도록 발열시스템을 제어한 후
의 증가에 따른 Q_in/C_P의 변화량를 나타내는 그래프의 기울기 값으로부터 알 수 있는 보정인자로서 사전에 이를 구할 수 있음)