KR101225119B1 - 유량 계측 장치 및 이를 이용한 유량 계측 방법 - Google Patents

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Abstract

유량 계측 장치가 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 계측대상가스가 유입되는 주 유입관, 주 유입관으로 유입되는 계측대상가스 중 일 성분의 농도를 측정하는 유입 농도 측정기, 미리 설정된 유량으로 보조가스가 유입되는 보조 유입관, 계측대상가스와 보조가스가 혼합된 혼합가스가 배출되는 배출관, 및 혼합가스 중 일 성분의 농도를 측정하는 배출 농도 측정기를 포함하는 유량 계측 장치가 제공된다.

Description

유량 계측 장치 및 이를 이용한 유량 계측 방법{APPARATUS FOR MEASURING FLUX AND METHOD FOR MEASURING FLUX USING THE SAME}
본 발명은 유량 계측 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 가스의 유량을 계측하기 위한 유량 계측 장치 및 이를 이용한 계측 방법에 관한 것이다.
제철 공정에서는 고로 가스(BFG, blast furnace gas), 코크스로 가스(COG, coke oven gas), 전로 가스(LDG, linz donawitz gas) 등과 같은 부생가스가 발생될 수 있다.
이러한 고로 가스, 코크스로 가스 및 전로 가스는, 각각 750kcal/Nm3, 4200kcal/Nm3, 2000kcal/Nm3 정도의 발열량을 보유하고 있어, 이들 부생가스는 제철 공정의 에너지원으로 다양하게 재이용될 수 있다.
이러한 부생가스는 비교적 불규칙한 유량으로 발생되며, 따라서 순간적으로 증가되는 유량만큼의 부생가스는 플레어 스택(flare stack)에서 연소된 후 연소가스의 형태로 대기 중으로 방산될 수 있다.
본 실시예들은, 부생가스 등과 같은 계측대상가스의 유량을 보다 정밀하게 측정할 수 있는 유량 계측 장치 및 이를 이용한 유량 계측 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 계측대상가스가 유입되는 주 유입관, 주 유입관으로 유입되는 계측대상가스 중 일 성분의 농도를 측정하는 유입 농도 측정기, 미리 설정된 유량으로 보조가스가 유입되는 보조 유입관, 계측대상가스와 보조가스가 혼합된 혼합가스가 배출되는 배출관, 및 혼합가스 중 일 성분의 농도를 측정하는 배출 농도 측정기를 포함하는 유량 계측 장치가 제공된다.
유량 계측 장치는, 유입 농도 측정기에 의해 측정된 일 성분의 농도, 배출 농도 측정기에 의해 측정된 일 성분의 농도 및 보조가스의 유량을 이용하여, 주 유입관으로 유입되는 계측대상가스의 유량을 산출하는 연산기를 더 포함할 수 있다.
주 유입관 및 배출관에서 일 성분의 유량은 동일하며, 연산기는 하기 식 1에 의해 주 유입관으로 유입되는 계측대상가스의 유량을 산출할 수 있다.
[식 1] Q1 = (C3 · Q2) / (C1 - C3)
(Q1: 주 유입관으로 유입되는 계측대상가스의 유량
Q2: 보조 유입관으로 유입되는 보조가스의 유량
C1: 유입 농도 측정기에 의해 측정된 일 성분의 농도
C3: 배출 농도 측정기에 의해 측정된 일 성분의 농도)
유량은 체적유량을 나타내며, 농도는 계측대상가스 또는 혼합가스의 단위 부피당 일 성분의 질량을 나타낼 수 있다.
보조가스는 계측대상가스의 일 성분과 상이한 성분으로 이루어질 수 있다.
유량 계측 장치는, 계측대상가스와 보조가스의 혼합을 촉진하기 위한 혼합팬을 더 포함할 수 있다.
유입 농도 측정기는 가스 크로마토그래피(gas chromatography) 장치일 수 있다.
배출 농도 측정기는 혼합가스 중 일 성분의 농도만을 측정 가능하다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 주 유입관으로 유입되는 계측대상가스 중 일 성분의 농도를 측정하는 유입 농도 측정기에 의해 측정된 일 성분의 농도, 보조 유입관을 통해 미리 설정된 유량으로 유입되는 보조가스의 유량, 및 계측대상가스와 보조가스가 혼합되어 배출관을 통해 배출되는 혼합가스 중 일 성분의 농도를 측정하는 배출 농도 측정기에 의해 측정된 일 성분의 농도를 입력 받는 단계, 및 유입 농도 측정기에 의해 측정된 일 성분의 농도, 배출 농도 측정기에 의해 측정된 일 성분의 농도 및 보조가스의 유량을 이용하여, 주 유입관으로 유입되는 계측대상가스의 유량을 산출하는 단계를 포함하는 유량 계측 방법이 제공된다.
주 유입관 및 배출관에서 일 성분의 유량은 동일하며, 계측대상가스의 유량을 산출하는 단계는, 하기 식 1에 의해 수행될 수 있다.
[식 1] Q1 = (C3 · Q2) / (C1 - C3)
(Q1: 주 유입관으로 유입되는 계측대상가스의 유량
Q2: 보조 유입관으로 유입되는 보조가스의 유량
C1: 유입 농도 측정기에 의해 측정된 일 성분의 농도
C3: 배출 농도 측정기에 의해 측정된 일 성분의 농도)
유량은 체적유량을 나타내며, 농도는 계측대상가스 또는 혼합가스의 단위 부피당 일 성분의 질량을 나타낼 수 있다.
보조가스는 계측대상가스의 일 성분과 상이한 성분으로 이루어질 수 있다.
본 실시예들에 따르면, 부생가스 등과 같은 계측대상가스의 유량을 보다 정밀하게 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유량 계측 장치를 나타낸 개략도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유량 계측 장치의 혼합팬을 나타낸 사시도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유량 계측 방법을 나타낸 순서도.
본 발명에 따른 유량 계측 장치 및 이를 이용한 유량 계측 방법의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유량 계측 장치(100)를 나타낸 개략도이다.
본 실시예에 따르면, 도 1에 도시된 바와 같이, 연소가스의 형태로 부생가스를 방산하기 위한 플레어 스택의 상류에 설치되어, 이러한 부생가스 등과 같은 계측대상가스(10)의 유량을 계측하는 장치로서, 주 유입관(110), 보조 유입관(120), 배출관(130), 유입 농도 측정기(140), 배출 농도 측정기(150), 혼합팬(170), 및 연산기(160)를 포함하는 유량 계측 장치(100)가 제시된다.
이와 같은 본 실시예에 따르면, 유량이 결정되어 있는 보조가스(20)를 추가로 유입시키면서 주 유입관(110) 및 배출관(130)에서 계측대상가스(10) 일 성분의 농도를 각각 측정하고, 이러한 계측대상가스(10) 일 성분의 유량이 주 유입관(110)으로부터 배출관(130)까지 일정하게 유지되는 원리에 따라 이들을 연산할 수 있다. 이에 따라 연소가스의 형태로 방산되는 부생가스 등과 같은 계측대상가스(10)의 유량을 저렴한 비용으로 오리피스 유량계 등에 비해 정밀하게 측정할 수 있다.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여, 본 실시예에 따른 유량 계측 장치(100)의 각 구성에 대하여 보다 구체적으로 검토하도록 한다.
주 유입관(110)은 계측대상가스(10)의 이송 라인으로부터 플레어 스택을 향해 분기된 라인과 연결될 수 있다. 이에 따라 도 1에 도시된 바와 같이 주 유입관(110)에는 방산될 부생가스 등과 같은 계측대상가스(10)가 유입될 수 있다.
유입 농도 측정기(140)는 도 1에 도시된 바와 같이 주 유입관(110)에 설치되어 주 유입관(110)으로 유입되는 계측대상가스(10) 중 일 성분의 농도를 측정할 수 있다. 보다 구체적으로 계측대상가스(10)의 종류에 따라 측정 대상 성분의 종류가 달라질 수 있다. 계측대상가스(10)가 고로 가스와 전로 가스인 경우 예를 들어 주성분인 일산화탄소(CO)의 농도가 측정되고, 코크스로 가스인 경우 예를 들어 주성분인 메탄(CH4)의 농도가 측정될 수 있다.
이러한 유입 농도 측정기(140)로는 가스 크로마토그래피 장치가 이용될 수 있다. 이와 같이 유입 농도 측정기(140)로 가스 크로마토그래피 장치를 이용함으로써 상술한 계측대상가스(10)의 일 성분 이외에도 모든 성분에 대한 농도가 정확하게 측정될 수 있으며, 그 측정값은 계측대상가스(10)의 발열량 산출 등에 효과적으로 활용될 수 있다.
보조 유입관(120)은 별도의 보조 탱크 등과 연결될 수 있다. 이에 따라 보조 유입관(120)에는 도 1에 도시된 바와 같이 보조 탱크로부터 보조가스(20)가 유입될 수 있다. 그리고 보조가스(20)는 미리 설정된 유량만큼 일정하게 보조 유입관(120)을 통해 공급될 수 있다.
이와 같이 보조 유입관(120)을 이용하여 미리 설정된 유량으로 보조가스(20)가 유입됨에 따라, 주 유입관(110)으로 유입되는 전체 유량(계측대상가스(10)의 유량)과 배출관(130)을 통해 배출되는 전체 유량(혼합가스(30)의 유량)은 서로 상이하게 된다. 그러나 계측대상가스(10) 중 일 성분에 해당되는 유량은 일정하게 유지될 수 있으므로, 이러한 원리를 이용하여, 방산되는 부생가스 등과 같은 계측대상가스(10)의 유량 산출이 가능하게 된다.
이와 같이 본 실시예의 경우, 계측대상가스(10) 중 일 성분에 해당되는 유량이 일정하게 유지되는 원리를 이용한 것으로서, 보조가스(20)에 의해 계측대상가스(10)의 일 성분과 동일한 성분이 추가적으로 유입되지 않도록, 보조가스(20)는 계측대상가스(10)의 일 성분과 상이한 성분, 예를 들어, 질소(N2), 산소(O2) 등으로 이루어질 수 있다.
배출관(130)은 도 1에 도시된 바와 같이 일단이 주 유입관(110) 및 보조 유입관(120)과 연결되고 타단이 플레어 스택으로 연결될 수 있다. 이러한 배출관(130)을 통해 도 1에 도시된 바와 같이 계측대상가스(10)와 보조가스(20)가 혼합된 혼합가스(30)가 배출될 수 있다.
배출관(130)의 상류 측에는 도 1에 도시된 바와 같이 혼합팬(170)이 설치될 수 있다. 이에 따라, 배출관(130) 측으로 유입되는 주 유입관(110)의 계측대상가스(10)와 보조 유입관(120)의 보조가스(20)는 이러한 혼합팬(170)에 의해 보다 효과적으로 혼합될 수 있다.
배출 농도 측정기(150)는 도 1에 도시된 바와 같이 배출관(130)에 설치될 수 있으며, 혼합가스(30) 중 일 성분의 농도를 측정할 수 있다. 이러한 배출 농도 측정기(150)로는 혼합가스(30) 중 계측대상가스(10)의 일 성분 농도만을 측정 가능한 장치가 이용될 수 있다. 따라서, 계측대상가스(10)가 고로 가스와 전로 가스인 경우 예를 들어 주성분인 일산화탄소(CO)의 농도만이 측정되고, 코크스로 가스인 예를 들어 주성분인 메탄(CH4)의 농도만이 측정될 수 있다.
이와 같이 측정 대상 성분의 농도만이 측정 가능한 장치를 배출 농도 측정기(150)로 이용함으로써, 보다 저비용으로 정밀한 유량 계측 장치(100)의 구현이 가능하게 된다.
연산기(160)는, 유입 농도 측정기(140)에 의해 측정된 계측대상가스(10) 일 성분의 농도, 배출 농도 측정기(150)에 의해 측정된 계측대상가스(10) 일 성분의 농도 및 보조가스(20)의 유량을 이용하여, 주 유입관(110)으로 유입되는 계측대상가스(10)의 유량을 산출할 수 있다.
즉, 연산기(160)는, 계측대상가스(10)의 일 성분에 해당되는 유량이 주 유입관(110)으로부터 배출관(130)까지 일정하게 유지되는 원리에 따라, 방산되는 부생가스 등과 같은 계측대상가스(10)의 유량을 산출하는 구성이다. 이러한 연산기(160)는 다음과 같은 식 1에 의해 유량 산출을 수행할 수 있다.
[식 1]
Q1 = (C3 · Q2) / (C1 - C3)
(여기서, Q1은 주 유입관(110)으로 유입되는 계측대상가스(10)의 유량, Q2는 보조 유입관(120)으로 유입되는 보조가스(20)의 유량, C1은 유입 농도 측정기(140)에 의해 측정된 계측대상가스(10) 일 성분의 농도, C3은 배출 농도 측정기(150)에 의해 측정된 계측대상가스(10) 일 성분의 농도임)
이와 같은 식 1은, 주 유입관(110)으로 유입되는 계측대상가스(10)의 유량과 보조 유입관(120)으로 보조가스(20)의 유량의 합이 배출관(130)을 통해 배출되는 혼합가스(30)의 유량과 동일하다는 점, 및 주 유입관(110)으로부터 유입되는 계측대상가스(10) 중 그 일 성분에 해당되는 유량과 배출관(130)을 통해 배출되는 혼합가스(30) 중 계측대상가스(10)의 일 성분에 해당되는 유량이 동일하다는 점으로부터 도출된 것이다. 이들은 다음과 같은 식 2 및 식 3으로 각각 표현될 수 있다.
[식 2]
Q3 = Q1 + Q2
(여기서, Q3은 배출관(130)을 통해 배출되는 혼합가스(30)의 유량)
[식 3]
C3 · Q3 = C1 · Q1
이러한 식 3의 좌변은 주 유입관(110)으로부터 유입되는 계측대상가스(10) 중 그 일 성분에 해당되는 유량이고, 우변은 배출관(130)을 통해 배출되는 혼합가스(30) 중 계측대상가스(10)의 일 성분에 해당되는 유량이다. 이 경우, 식 2를 이용하여 식 3의 Q3을 소거함으로써, 주 유입관(110)으로 유입되는 계측대상가스(10)의 유량을 산출할 수 있게 된다.
이 경우, 유량은 체적유량을 나타내며, 농도는 계측대상가스(10) 또는 혼합가스(30)의 단위 부피당 계측대상가스(10)의 일 성분의 질량을 나타낼 수 있다. 즉, 식 3은 주 유입관(110)으로부터 유입되는 계측대상가스(10) 중 그 일 성분의 질량유량(좌변)과, 배출관(130)을 통해 배출되는 혼합가스(30) 중 계측대상가스(10) 일 성분의 질량유량(우변)이 동일함을 표현한 것이다.
이와 같이 유량이 체적유량이고, 농도가 계측대상가스(10) 또는 혼합가스(30)의 단위 부피당 계측대상가스(10)의 일 성분의 질량인 경우에는, 계측대상가스(10)와 보조가스(20)가 동일한 온도 및 압력 조건에서 동일한 밀도를 갖는다는 가정 하에서, 식 1 내지 식 3을 이용함으로써, 방산되는 부생가스 등과 같은 계측대상가스(10)의 유량이 산출될 수 있을 것이다.
다음으로 도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 유량 계측 방법에 대하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유량 계측 방법을 나타낸 순서도이다.
본 실시예에 따르면, 도 3에 도시된 바와 같이, 전술한 실시예를 통해 제시된 유량 계측 장치(100)를 이용한 유량 계측 방법으로서, 주 유입관(110) 및 배출관(130)에서 계측대상가스(10) 일 성분의 농도와, 미리 설정된 값인 보조가스(20)의 유량을 입력 받는 단계(S110), 및 이들 입력값을 이용하여 주 유입관(110)으로 유입되는 계측대상가스(10)의 유량을 산출하는 단계(S120)를 포함하는 유량 계측 방법이 제시된다.
이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 실시예에 따른 계측대상가스(10) 유량 계측 방법을 설명한다.
먼저, 연산기(160)가 유입 농도 측정기(140)에 의해 측정된 계측대상가스(10) 일 성분의 농도, 배출 농도 측정기(150)에 의해 측정된 계측대상가스(10) 일 성분의 농도 및 보조가스(20)의 유량을 입력 받는다(S110).
상술한 바와 같이, 유입 농도 측정기(140)를 통해 주 유입관(110)을 통과하는 계측대상가스(10) 일 성분의 농도가 측정되고, 배출 농도 측정기(150)를 통해 배출관(130)을 통과하는 혼합가스(30)의 계측대상가스(10) 일 성분의 농도가 측정될 수 있다. 보조가스(20)의 유량은 미리 설정되어 있으므로, 연산기(160)는 이들 값들을 각각 입력 받을 수 있다.
다음으로, 계측대상가스(10) 일 성분의 유량이 일정하게 유지되는 원리에 따라, 연산기(160)가 주 유입관(110)으로 유입되는 계측대상가스(10)의 유량을 산출한다(S120).
즉, 이는, 유입 농도 측정기(140)에 의해 측정된 계측대상가스(10) 일 성분의 농도, 배출 농도 측정기(150)에 의해 측정된 계측대상가스(10) 일 성분의 농도 및 보조가스(20)의 유량을 이용하여, 연산기(160)가 방산되는 부생가스 등의 계측대상가스(10)의 유량을 산출하는 과정이다. 이러한 과정은 상술한 바와 같이 일 성분의 유량이 주 유입관(110) 및 배출관(130)에서 동일하다는 점을 이용하여 수행될 수 있다.
이는 상술한 바와 같이 식 2, 식 3로 표현되어 최종적으로 식 1의 형태로 도출될 수 있다. 이러한 식 1 내지 식 3에 대해서는 전술한 실시예를 통해 이미 설명한 바 있으므로, 이들에 대한 보다 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
10: 계측대상가스
20: 보조가스
30: 혼합가스
100: 유량 계측 장치
110: 주 유입관
120: 보조 유입관
130: 배출관
140: 유입 농도 측정기
150: 배출 농도 측정기
160: 연산기
170: 혼합팬

Claims (12)

  1. 계측대상가스가 유입되는 주 유입관;
    상기 주 유입관으로 유입되는 상기 계측대상가스 중 일 성분의 농도를 측정하는 유입 농도 측정기;
    미리 설정된 유량으로 보조가스가 유입되는 보조 유입관;
    상기 계측대상가스와 상기 보조가스가 혼합된 혼합가스가 배출되는 배출관;
    상기 혼합가스 중 상기 일 성분의 농도를 측정하는 배출 농도 측정기; 및
    상기 유입 농도 측정기에 의해 측정된 상기 일 성분의 농도, 상기 배출 농도 측정기에 의해 측정된 상기 일 성분의 농도 및 상기 보조가스의 유량을 이용하여, 상기 주 유입관으로 유입되는 상기 계측대상가스의 유량을 산출하는 연산기를 포함하는 유량 계측 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 주 유입관 및 상기 배출관에서 상기 일 성분의 유량은 동일하며,
    상기 연산기는 하기 식 1에 의해 상기 주 유입관으로 유입되는 상기 계측대상가스의 유량을 산출하는 것을 특징으로 하는 유량 계측 장치.
    [식 1] Q1 = (C3 · Q2) / (C1 - C3)
    (Q1: 상기 주 유입관으로 유입되는 상기 계측대상가스의 유량
    Q2: 상기 보조 유입관으로 유입되는 상기 보조가스의 유량
    C1: 상기 유입 농도 측정기에 의해 측정된 상기 일 성분의 농도
    C3: 상기 배출 농도 측정기에 의해 측정된 상기 일 성분의 농도)
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유량은 체적유량을 나타내며,
    상기 농도는 상기 계측대상가스 또는 상기 혼합가스의 단위 부피당 상기 일 성분의 질량을 나타내는 것을 특징으로 하는 유량 계측 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 보조가스는 상기 계측대상가스의 일 성분과 상이한 성분으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유량 계측 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 계측대상가스와 상기 보조가스의 혼합을 촉진하기 위한 혼합팬을 더 포함하는 유량 계측 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 유입 농도 측정기는 가스 크로마토그래피(gas chromatography) 장치인 것을 특징으로 하는 유량 계측 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 배출 농도 측정기는 상기 혼합가스 중 상기 일 성분의 농도만을 측정 가능한 것을 특징으로 하는 유량 계측 장치.
  9. 주 유입관으로 유입되는 계측대상가스 중 일 성분의 농도를 측정하는 유입 농도 측정기에 의해 측정된 상기 일 성분의 농도, 보조 유입관을 통해 미리 설정된 유량으로 유입되는 보조가스의 유량, 및 상기 계측대상가스와 상기 보조가스가 혼합되어 배출관을 통해 배출되는 혼합가스 중 상기 일 성분의 농도를 측정하는 배출 농도 측정기에 의해 측정된 상기 일 성분의 농도를 입력 받는 단계; 및
    상기 유입 농도 측정기에 의해 측정된 상기 일 성분의 농도, 상기 배출 농도 측정기에 의해 측정된 상기 일 성분의 농도 및 상기 보조가스의 유량을 이용하여, 상기 주 유입관으로 유입되는 상기 계측대상가스의 유량을 산출하는 단계를 포함하는 유량 계측 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 주 유입관 및 상기 배출관에서 상기 일 성분의 유량은 동일하며,
    상기 계측대상가스의 유량을 산출하는 단계는, 하기 식 1에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 유량 계측 방법.
    [식 1] Q1 = (C3 · Q2) / (C1 - C3)
    (Q1: 상기 주 유입관으로 유입되는 상기 계측대상가스의 유량
    Q2: 상기 보조 유입관으로 유입되는 상기 보조가스의 유량
    C1: 상기 유입 농도 측정기에 의해 측정된 상기 일 성분의 농도
    C3: 상기 배출 농도 측정기에 의해 측정된 상기 일 성분의 농도)
  11. 제9항에 있어서,
    상기 유량은 체적유량을 나타내며,
    상기 농도는 상기 계측대상가스 또는 상기 혼합가스의 단위 부피당 상기 일 성분의 질량을 나타내는 것을 특징으로 하는 유량 계측 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 보조가스는 상기 계측대상가스의 일 성분과 상이한 성분으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유량 계측 방법.
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