KR101898862B1 - 이중 보온관의 보온재 마모상태 예측 시스템 - Google Patents

이중 보온관의 보온재 마모상태 예측 시스템 Download PDF

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KR101898862B1
KR101898862B1 KR1020170116313A KR20170116313A KR101898862B1 KR 101898862 B1 KR101898862 B1 KR 101898862B1 KR 1020170116313 A KR1020170116313 A KR 1020170116313A KR 20170116313 A KR20170116313 A KR 20170116313A KR 101898862 B1 KR101898862 B1 KR 101898862B1
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송석용
한승준
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에피텍(주)
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Abstract

본 발명은 이중 보온관(1)의 보온재(7) 마모상태를 예측하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다, 그러한 방법은, 내관(3) 및 외관(5)으로 이루어지는 2중 보온관(1)의 보온재(7) 마모를 예측하는 방법으로서, 광케이블(11) 혹은 센서에 의하여 내관(3)의 내면 온도(T1)를 측정하는 제 1단계(S100)와; 제 1단계(S100)에서 얻어진 T1을 수식에 의하여 보온재(7)의 내면 온도(T2)를 연산하는 제 2단계(S110)와; 제 2단계(S110)에서 얻어진 T2를 수식에 의하여 보온재(7)의 외면온도(T3)를 연산하는 제 3단계(S120)와; 제 3단계(S120)에서 얻어진 T3를 수식에 의하여 외관(5)의 외면온도(T4)를 연산하는 제 4단계(S140)와; 제 2단계(S110) 및 제 3단계(S120)에서 얻어진 T2 및 T3를 수식에 의하여 그 차이를 연산하고, 그 결과를 기준값과 비교함으로써 보온재(7)의 손상여부를 판단하는 제 5단계(S150)를 포함한다.

Description

이중 보온관의 보온재 마모상태 예측 시스템{A System on Prediction of Wear Condition of Double Insulating Tube Insulator Using Fiber Optical Cable}
본 발명은 이중 보온관의 보온재 마모상태 예측 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 온수 등을 공급하는 이중 보온관의 내부에 배치되는 보온재의 손상여부를 파악할 때, 보온관의 내관 온도만을 측정하고, 이 온도값을 수식에 입력한 후 다수의 수식을 통하여 순차적으로 연산함으로써 보온재의 손상 유무를 쉽게 파악할 수 있는 기술에 관한 것이다.
일반적으로 지역난방용 온수를 공급하기 위하여 지하에 보온관을 설치함으로써 발전소와 가정을 연결하게 된다.
그리고, 이러한 보온관은 도 1에 도시된 바와 같이, 통상적으로 2중 구조로 형성되는 바, 온수가 흐르는 내관(3)과, 내관(3)의 외부를 감싸는 외관(5)과, 내관(3)과 외관(5)의 사이에 배치되어 열의 손실을 방지하는 보온재(7)로 구성된다.
따라서, 발전소 등에서 전송된 온수를 이러한 2중 구조의 보온관(1)을 통하여 열 손실이 최소화된 상태에서 각 사용처로 공급될 수 있다.
그리고, 보온관(1)에는 광케이블이 나란하게 배치됨으로써 보온관(1)의 온도를 측정할 수 있고, 측정된 온도값은 DTS시스템 등에 전송됨으로써 현재 보온관(1)의 온도를 실시간으로 파악할 수 있다.
이러한 보온관(1)에 있어서, 내부에 배치된 보온재(7)는 시간이 경과함에 따라 마모가 발생되는 바, 마모가 된 보온재(7)는 교체하여야 한다. 그러나, 보온재(7)는 지중에 매설된 이중관의 내부에 배치되므로 보온재(7)의 마모상태를 직접 확인하기는 어렵다.
따라서, 간접적으로 보온재(7)의 마모상태를 확인하는 방안이 사용되는 바, 종래에는 내관(3)의 내부 온도(T1)와, 외관(5) 표면의 온도(T4)값을 측정한 후, 이 2개의 온도값을 관련 수식에 의하여 연산함으로써 보온재(7)의 내면 온도(T2)와, 외면온도(T3)값을 연산한다. 그리고, 이 2개의 온도값의 차이가 일정 범위 이내인지 여부를 판단하여 보온재(7)의 손상정도를 파악하는 방식이다.
즉, 보온재(7)는 손상될 수록 열을 차단하는 능력이 떨어지므로 보온재(7)의 내면 온도(T2)와, 외면온도(T3)값의 증가한 정도를 비교함으로써 보온재(7)의 손상여부를 판단할 수 있다.
그러나, 이러한 방식은 2개의 온도값(T1,T4)을 모두 측정하여야 하므로 번거로운 문제점이 있다.
(1) 실용신안등록출원 제 20-2009-5393호(명칭: 열도전성 수지를 외피로 사용한 광섬유 분포온도 측정용 센서용 광케이블) (2) 분포형 수분침투 감지를 위한 온도센서용 광케이블)(특허 10-1454871) (3) 스마트 기능을 보유한 지능형 히팅케이블 및 그 제조방법
따라서, 본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 이중 보온관의 내관 온도만을 측정하여도 보온재의 마모정도를 쉽게 파악할 수 있는 기술을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는,
내관(3) 및 외관(5)으로 이루어지는 2중 보온관(1)의 보온재(7) 마모를 예측하는 방법으로서,
광케이블(11) 혹은 센서에 의하여 내관(3)의 내면 온도(T1)를 측정하는 제 1단계(S100)와;
제 1단계(S100)에서 얻어진 T1을 온도 제어기(10)의 연산부(13)에 입력하여 수식에 의하여 보온재(7)의 내면 온도(T2)를 연산하는 제 2단계(S110)와;
제 2단계(S110)에서 얻어진 T2를 온도 제어기(10)의 연산부(13)에 입력하여 수식에 의하여 보온재(7)의 외면온도(T3)를 연산하는 제 3단계(S120)와;
제 3단계(S120)에서 얻어진 T3를 온도 제어기(10)의 연산부(13)에 입력하여 수식에 의하여 외관(5)의 외면온도(T4)를 연산하는 제 4단계(S140)와;
제 2단계(S110) 및 제 3단계(S120)에서 얻어진 T2 및 T3를 온도 제어기(10)의 판단부(15)에 입력하여 수식에 의하여 연산하여 평균 온도를 구하고, 그 결과를 기준값과 비교함으로써 보온재(7)의 손상여부를 판단하는 제 5단계(S150)를 포함하는 이중 보온관의 보온재 마모상태 예측 방법을 제공한다.
본 발명의 다른 실시예로서,
내관(3) 및 외관(5)으로 이루어지는 2중 보온관(1)과 온도 제어기(DTS)를 연결하여 보온재(7) 마모를 예측하는 시스템에 있어서,
내관(3)의 내면 온도(T1)를 실제로 측정하고 온도값이 온도 제어기로 전송되는 광케이블(11)과;
광케이블(11)을 통하여 전송된 T1을 수식에 의하여 보온재(7)의 내면 온도(T2)를 연산하고, T2를 수식에 의하여 보온재(7)의 외면온도(T3)를 연산하며, T3를 수식에 의하여 외관(5)의 외면온도(T4)를 연산하는 온도 제어기의 연산부(13)와;
연산부(13)에 의하여 얻어진 T2 및 T3를 수식에 의하여 그 차이를 연산하고, 그 결과를 기준값과 비교함으로써 보온재(7)의 손상여부를 판단하는 온도 제어기의 판단부(15)를 포함하는 이중 보온관(1)의 보온재 마모상태 예측 시스템을 제공한다.
상기한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 보온관의 보온재 마모상태 예측 시스템은 지하에 매설된 2중 보온관의 내부를 흐르는 온수의 온도만을 측정하여도 보온재의 마모도를 쉽게 파악할 수 있는 장점이 있다.
따라서, 보온관의 마모된 상태를 미리 파악하여 각종 누수사고를 예측할 수 있고, 또한 이중보온관의 물성치, 부식 또는 시설물 피로 양상으로 인한 보온관의 기능저하 및 수명감소 등에 기인할 수 있는 사고 및 재난을 예방할 수 있다.
도 1은 일반적인 2중 보온관의 구조를 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 2중 보온관에 있어서 온도를 측정하는 영역을 개략적으로 표시한 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 2중 보온관이 지중에 매설된 상태를 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명과 종래기술에서 측정된 T3 온도값의 차이를 보여주는 그래프이다.
도 5는 본 발명과 종래기술간의 T2 및 T3간의 차이를 보여주는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 2중 보온관의 보온재 마모 예측 방법을 순서대로 보여주는 순서도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 2중 보온관의 보온재 마모 예측 시스템의 구조를 개략적으로 보여주는 도면이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 보온관의 보온재 마모상태 예측 시스템을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도1 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 보온재 마모상태 예측 시스템은 2중 보온관(1)의 내관(3)의 내부온도(T1)를 측정한 후, 이 온도값을 이용하여 나머지 T2,T3,T4를 산출함으로써 보온재(7)의 손상정도를 파악할 수 있다.
아울러, 2중 보온관(1)의 각 부분의 온도는 아래와 같이 표시한다.
즉, 내관(3)의 내면온도는 T1, 보온재(7)의 내면 온도는 T2, 보온재(7)의 외면 온도는 T3, 외관(5)의 외면온도는 T4로 표시한다.
보다 상세하게 설명하면, 먼저 2중 보온관(1)의 내관(3) 온도인 T1을 측정한다. 이때, 온도는 다양한 방법에 의하여 측정할 수 있는 바, 예를 들면, 보온관(1)과 나란하게 배치된 광케이블(11)을 통하여 온도를 측정하거나, 혹은 보온관(1)에 일정 간격으로 설치된 온도 센서를 통하여 측정할 수 있다.
이때, 광케이블(11)은 외관(5)의 표면에 배치되는 것이 바람직하며, 설계변경에 따라 다른 부분에도 배치가능하다.
이와 같이 T1을 구한 후, 보온재(7)의 내면 온도인 T2를 구하는 바, 아래 수식에 의하여 연산할 수 있다.
Figure 112017088266574-pat00001
(L: 보온관 길이, λS: 강관의 열전도율, DS1:내관의 내경, DS2:보온재 내경, Φ: 물성치값)
이때,
Figure 112017088266574-pat00002
로 정의될 수 있다.
그리고, 상기 수식을 간략화하기 위하여 아래와 같이 k, l로 치환할 수 있다.
Figure 112017088266574-pat00003
이때,
Figure 112017088266574-pat00004
로 정의된다.
상기의 수식에 의하여 T2를 구한 후, 보온재(7)의 외면온도인 T3를 아래의 과정에 의하여 연산한다.
Figure 112017088266574-pat00005
(λi: 보온재의 열전도율, DC3: 보온재의 외경)
이때, 상기 수식을 간략화하기 위하여 k, m으로 치환한다.
즉,
Figure 112017088266574-pat00006
이때,
Figure 112017088266574-pat00007
로 정의된다.
또한, λi는 아래의 수식에 의하여 연산될 수 있다.
Figure 112017088266574-pat00008
그리고, 상기 수식은 아래와 같이 변환가능하다.
Figure 112017088266574-pat00009
상기의 수식에 의하여 T3를 구한 후, 외관(5)의 외면온도인 T4를 아래의 과정에 의하여 연산한다.
Figure 112017088266574-pat00010
이때, 상기 수식을 간략화하기 위하여 k, n으로 치환한다.
Figure 112017088266574-pat00011
이때,
Figure 112017088266574-pat00012
로 정의된다.
상기한 바와 같이, T1값만을 실제로 측정하여 구하고, 나머지 T2,T3,T4는 수식을 통하여 연산할 수 있다.
그리고, 보온재(7)의 내면 온도 T2와 외면 온도 T3간의 평균 온도차이를 연산하고, 연산된 값과 기준값을 비교하여 보온재(7)의 손상 상태를 파악할 수 있다.
이때, T2 및 T3간의 평균온도 Tm은 아래 수식에 의하여 연산될 수 있다.
Figure 112017088266574-pat00013
한편, T2 및 T3값을 이용하여 보온재(7)의 마모상태를 파악할 때, 본 발명과 같이 T1만을 실제로 측정하고, 나머지 T2,T3,T4는 수식을 통하여 연산한 후 T2 및 T3 차이를 비교하는 경우 오차가 발생할 수 있는 바, 실제로 어느 정도의 오차가 발생하는지를 검증할 필요가 있는 바, 종래의 방법과 비교함으로써 오차를 검증하였다.
즉, 종래에는 T1 및 T2의 2개 온도값을 실제로 측정하고, 나머지 T3, T4는 수식을 통하여 연산한 후 T2 및 T3 차이를 비교하였는 바, 본 발명과 같이 T1 1개 온도값만 측정하는 경우에 비교하여 정확도가 높을 것으로 예측되므로, 본 발명과 종래 방법에 의한 결과값을 서로 비교함으로써 본 발명의 오차를 상대적으로 검증할 수 있다.
먼저, 본 발명과 같이 T1 1개 온도값만을 측정한 경우 온도값은 아래의 표와 같이 산출되었다.
T1 T4 FT1 FT2 FT3 FT4
120 x 120 119.9989 118.2883 118.1497
100 x 100 99.9989 98.2883 98.1497
80 x 80 79.9989 78.2883 78.1497
60 x 60 59.9989 58.2883 58.1497
40 x 40 39.9989 38.2883 38.1497
상기 표 1에 있어서, T1의 120,100,80,60,40은 내관(3)의 내면에서의 온도값인 ℃를 의미하며, FT2는 보온재(7)의 내면 온도, FT3는 보온재(7)의 외면 온도, FT4는 외관(5)의 외면온도를 의미한다.
그리고, FT2,FT3,FT4를 연산하는 수식에 있어서, λC는 0.38(W/mK), λi는 0.023(W/mK), λS는 65.6(W/mK), Ds1은 893.8mm, Ds2는 914.4mm, Dc3은 989.6mm, Dc4는 1,100m, L은 1m, D는 1,100m, As(공급관과 회수간의 간격)는 1m로 입력하였다.
그리고, 종래와 같이 T1 및 T4를 실제로 측정하고, 나머지 T2 및 T3는 연산하는 경우 온도값은 아래와 같이 산출되었다.
T1 T4 ET1 ET2 ET3 ET4
120 118.1497 120 119.9998 118.2883 118.1497
100 98.1497 100 99.9998 98.2883 98.1497
80 78.1497 80 79.9998 78.2883 78.1497
60 58.1497 60 59.9998 58.2883 58.1497
40 38.1497 40 39.9998 38.2883 38.1497
상기한 표 1 및 2에서 알 수 있듯이, 온도값은 ℃로서 오차가 거의 없는 것으로 나타났다.
즉, 본 발명과 같이 T1만을 실제로 측정하고, 나머지 T2,T3,T4는 수식을 통하여 연산한 후 T2 및 T3 차이를 비교하는 경우와, 종래와 같이 T1 및 T4를 실제로 측정하고, 나머지는 연산에 의하여 구한 경우를 비교하면, 오차가 거의 발생하지 않았음을 알 수 있다.
그리고, 도 4에는 이러한 관계를 그래프로 나타낸 바, 특히 T3값을 비교하였다.
비교결과, 본 발명과 종래 기술간의 오차가 거의 발생하지 않은 것으로 나타났다.
아울러, 도 5에는 본 발명에 의하여 산출된 T2 및 T3간의 차이와, 종래 기술에 의하여 산출된 T2 및 T3간의 차이를 그래프로 비교하였다.
비교결과, T2 및 T3간의 온도차이에 있어서도 오차가 건의 발생하지 않은 것으로 나타났다.
한편, 상기한 보온재(7)의 마모 예측 방법은 아래와 같은 구조의 예측 시스템에 의하여 진행될 수 있다.
즉, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 2중 보온관의 보온재 마모 예측 시스템은 내관(3) 및 외관(5)으로 이루어지는 2중 보온관(1)과, 광케이블(11)과, 온도 제어기(10;DTS)를 연결함으로써 온도값에 의하여 보온재(7)의 마모를 예측할 수 있다.
보다 상세하게 설명하면, 이러한 보온재 마모 시스템은,
내관(3)의 내면 온도(T1)를 실제로 측정하고 온도값이 온도 제어기로 전송되는 광케이블(11)과;
광케이블(11)을 통하여 전송된 T1을 수식에 의하여 보온재(7)의 내면 온도(T2)를 연산하고, T2를 수식에 의하여 보온재(7)의 외면온도(T3)를 연산하며, T3를 수식에 의하여 외관(5)의 외면온도(T4)를 연산하는 온도 제어기(10)의 연산부(13)와;
연산부(13)에 의하여 얻어진 T2 및 T3를 수식에 의하여 그 차이를 연산하고, 그 결과를 기준값과 비교함으로써 보온재(7)의 손상여부를 판단하는 온도 제어기의 판단부(15)를 포함한다.
상기 연산부(13)는 광케이블(11)에 의하여 전송된 2중 보온관(1)의 내관(3) 온도값을 수신한 후, 수식에 의하여 연산함으로써 T2,T3,T4값을 연산하게 된다.
즉, 이러한 연산부(13)는 데이터를 전산적으로 처리할 수 있는 컴퓨터 하드웨어를 의미하며, 입력 데이터를 연산하여 그 결과를 출력하는 중앙처리장치(CPU) 혹은 마이크로 프로세서(Micro Procesor) 등을 포함한다.
따라서, 연산부(13)는 T1값이 입력되면, 상기한 바와 같은 수식들에 의하여 T2,T3,T4값을 각각 연산하게 된다.
그리고, 판단부(15)는 이와 같이 얻어진 T1,T2,T3,T4값중 T2 및 T3간의 차이를 연산하고, 그 차이가 미리 설정된 기준값과 비교함으로써 보온재(7)의 손상 여부를 파악할 수 있다.
예를 들면, T2 및 T3의 차이값이 기준값보다 크다면 이는 온도가 기준값보다 상승하였다는 것을 의미하므로 보온재(7)가 손상됨을 나타낸다.
반대로, T2 및 T3의 차이값이 기준값보다 작다면 이는 온도가 기준값보다 하강하였다는 것을 의미하므로 보온재(7)가 손상되지 않았음을 나타낸다.
이와 같이, 2중 보온관(1)의 보온재 마모 예측 시스템에 의하여 보온재(7)의 손상여부를 쉽게 파악할 수 있음으로 각종 누수사고를 예측할 수 있고, 또한 이중보온관(1)의 물성치, 부식 또는 시설물 피로 양상으로 인한 보온관(1)의 기능저하 및 수명감소 등에 기인할 수 있는 사고 및 재난을 예방할 수 있다.

Claims (7)

  1. 내관(3) 및 외관(5)으로 이루어지는 2중 보온관(1)의 보온재(7) 마모를 예측하는 방법으로서,
    광케이블(11) 혹은 센서에 의하여 내관(3)의 내면 온도(T1)를 측정하는 제 1단계(S100)와;
    제 1단계(S100)에서 얻어진 T1을 온도 제어기(10)의 연산부(13)에 입력하여 수식에 의하여 보온재(7)의 내면 온도(T2)를 연산하는 제 2단계(S110)와;
    제 2단계(S110)에서 얻어진 T2를 온도 제어기(10)의 연산부(13)에 입력하여 수식에 의하여 보온재(7)의 외면온도(T3)를 연산하는 제 3단계(S120)와;
    제 3단계(S120)에서 얻어진 T3를 온도 제어기(10)의 연산부(13)에 입력하여 수식에 의하여 외관(5)의 외면온도(T4)를 연산하는 제 4단계(S140)와;
    제 2단계(S110) 및 제 3단계(S120)에서 얻어진 T2 및 T3를 온도 제어기(10)의 판단부(15)에 입력하여 수식에 의하여 연산하여 평균 온도를 구하고, 그 결과를 기준값과 비교함으로써 보온재(7)의 손상여부를 판단하는 제 5단계(S150)를 포함하는 이중 보온관의 보온재 마모상태 예측 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    제 2단계(S110)에서는 아래 수식에 의하여 T2를 구하는 것을 특징으로 하는 이중 보온관의 보온재 마모상태 예측 방법.
    Figure 112017088266574-pat00014

    (L: 보온관 길이, λS: 강관의 열전도율, DS1:내관의 내경, DS2:보온재 내경, Φ: 물성치값)
    Figure 112017088266574-pat00015
    로 정의.
  3. 제 1항에 있어서,
    제 3단계(S120)에서는 아래 수식에 의하여 T3를 구하는 것을 특징으로 하는 이중 보온관의 보온재 마모상태 예측 방법.
    Figure 112017088266574-pat00016

    (λi: 보온재의 열전도율, DC3: 보온재의 외경)
    Figure 112017088266574-pat00017
  4. 제 1항에 있어서,
    제 4단계(S140)에서는 아래 수식에 의하여 T4를 구하는 것을 특징으로 하는 이중 보온관(1)의 보온재(7) 마모상태 예측방법.
    Figure 112017088266574-pat00018

    (DC4: 외관의 외경)
  5. 제 1항에 있어서,
    제 5단계(S150)에서는 아래 수식에 의하여 Tm을 구하는 것을 특징으로 하는 이중 보온관의 보온재 마모상태 예측 방법.
    Figure 112017088266574-pat00019
  6. 내관(3) 및 외관(5)으로 이루어지는 2중 보온관(1)과 온도 제어기(DTS)를 연결하여 보온재(7) 마모를 예측하는 시스템에 있어서,
    내관(3)의 내면 온도(T1)를 실제로 측정하고 온도값이 온도 제어기로 전송되는 광케이블(11)과;
    광케이블(11)을 통하여 전송된 T1을 수식에 의하여 보온재(7)의 내면 온도(T2)를 연산하고, T2를 수식에 의하여 보온재(7)의 외면온도(T3)를 연산하며, T3를 수식에 의하여 외관(5)의 외면온도(T4)를 연산하는 온도 제어기의 연산부(13)와;
    연산부(13)에 의하여 얻어진 T2 및 T3를 수식에 의하여 평균 온도를 연산하고, 그 결과를 기준값과 비교함으로써 보온재(7)의 손상여부를 판단하는 온도 제어기의 판단부(15)를 포함하는 이중 보온관의 보온재 마모상태 예측 시스템.
  7. 제 6항에 있어서,
    연산부(13)는 아래 수식에 의하여 T2, T3, T4를 연산하는 것을 특징으로 하는 이중 보온관(1)의 보온재(7) 마모상태 예측 시스템.
    Figure 112017088266574-pat00020

    (L: 보온관 길이, λS: 강관의 열전도율, DS1:내관의 내경, DS2:보온재 내경, Φ: 물성치값)
    Figure 112017088266574-pat00021
    로 정의.
    Figure 112017088266574-pat00022

    (λi: 보온재의 열전도율, DC3: 보온재의 외경)
    Figure 112017088266574-pat00023

    Figure 112017088266574-pat00024

    (DC4: 외관의 외경)

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