KR102253890B1 - 관내 액체 홀드업 측정장치 및 측정방법 - Google Patents

관내 액체 홀드업 측정장치 및 측정방법 Download PDF

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Abstract

관내 액체 홀드업 측정장치 및 측정방법에 관한 것으로, 배관 내부의 액체 홀드업을 측정하도록 미리 설정된 관측영역 양단부에 각각 설치되는 제1 및 제2 개폐밸브, 배관에서 배출되는 액체를 저장하는 저장탱크, 상기 저장탱크에 설치되고 배관에서 배출된 액체의 양을 측정하는 측정기 그리고 상기 제1 및 제2 개폐밸브를 동기화시켜 개폐 동작하도록 제어하고, 상기 측정기에서 측정된 액체의 부피를 이용해서 상기 관측영역의 액체 홀드업을 산출하는 제어부를 포함하는 구성을 마련하여, 배관의 일정 구간에서 평균 액체 홀드업을 측정할 수 있다는 효과가 얻어진다.

Description

관내 액체 홀드업 측정장치 및 측정방법{LIQUID HOLD UP METERING APPARATUS AND METHOD IN PIPE}
본 발명은 관내 액체 홀드업 측정장치 및 측정방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배관 내부의 긴 구간에서의 평균 액체 홀드업을 측정하는 관내 액체 홀드업 측정장치 및 측정방법에 관한 것이다.
일반적으로, 해양플랜트는 원유(Oil)나 천연가스(Natural Gas)의 채굴, 생산, 수송에 사용되는 각종 해양설비가 주류를 이룬다.
최근에는 육상 및 근해의 화석연료가 고갈됨에 따라 심해(subsea) 자원 확보를 위한 경쟁이 가속화되고 있다.
해양플랜트 산업에서 가장 고도의 기술력을 요구하는 분야가 심해에서 원유 및 가스 등을 처리, 생산하는 해저생산 처리시스템(Subsea Production and Processing System)이며, 이와 같은 이유 때문에 해저생산 처리시스템은 고부가 가치 산업으로 자리 매김하고 있다.
원유는 일반적으로 여러 가지 구성물의 혼합물이다. 물, C1, C2, C3 등의 탄소 화합물과 더불어 SO2, CO2와 같은 샤워 컴포넌트(Sour Component), C7 이상의 헤비(heavy Component) 등을 포함한다.
이러한 원유는 리저버(Reservoir)에서부터 탑사이드 퍼실리티(Topside Facility)로 이송되는 과정에서 온도, 압력 조건에 따라 다양한 상(phase)으로 존재하게 되는데, 이러한 특성을 가진 유동을 다상 유동(Multi-phase Flow)이라고 한다.
이중 대표적인 형태는 이상(Two-phase) 유동으로 액체(liquid)와 가스(gas)가 혼합된 형태로 흐르는 경우를 말한다.
또한, 이를 생산물을 수송하는 파이프(pipe)가 놓인 형태 및 위치에 따라, 유동은 다양한 형태로 흐르게 된다.
이상 유동은 단상 유동에 비해 훨씬 복잡한 가동을 보이며, 가스(gas)나 액체(liquid)의 하나의 유동과 달리, 서로 다른 밀도와 점성 차이로 인해 파이프 라인 내에서 같은 속도로 이동하지 않는다.
가스와 액체의 유동 형태는 유속, 밀도, 관로 직경 및 경사에 따라 기포류(Dispersed bubble flow), 환류(Annular flow), 슬러그류(slug flow), 성층류(stratified flow) 등으로 구분할 수 있다.
예를 들어, 하기의 특허문헌 1 및 특허문헌 2에는 다상 유동 유체의 상태를 모니터링하는 장치의 구성이 개시되어 있다.
특허문헌 1에는 다상 유동 유체가 유동하는 파이프관, 파이프관 내측에 일부가 삽입되며 광학 렌즈를 구비하는 라만 프로브 및 라만 프로브의 다른 일부와 연결되는 라만 피크 분석부를 포함하여 파이프 내에서 유동하는 다상 유동 유체의 성분 및 조성을 측정하는 임베디드(embedded) 측정 장치가 기재되어 있다.
특허문헌 2에는 유효 직경을 갖는 구멍들로 이루어진 적어도 한 쌍의 구멍들을 통해 관의 내부와 연통하는 초음파 유량계, 다수의 개구들을 구비하며 이 개구들 사이의 피치를 상기 구멍의 유효 직경과 함수 관계를 갖게 하고 관 내에 배치된 난류 조절기를 포함하여 관내의 유체 유량을 결정하는 장치가 기재되어 있다.
한편, 배관 내부 유동의 상태를 모니터링하기 위한 측정값 중에서 액체 홀드업(liquid holdup)은 매우 중요한 측정값이다.
상기 액체 홀드업은 배관의 전체 단면적 중에서 액체가 차지하는 면적을 말한다.
종래에는 배관 내부의 액체 홀드업을 측정하기 위해, 여러 가지 측정방법을 사용하였다.
즉, 종래에는 배관의 내외부에 전극을 설치하여 액체와 기체 사이의 유전율이나 저항의 차이를 측정하는 임피던스(impedance) 전극을 이용한 방법 및 액체와 기체 투과시 감마선(gamma ray)의 감쇄율 차이를 이용하는 방법 등이 사용되었다.
대한민국 특허 등록번호 제10-1298744호(2013년 8월 21일 공고) 대한민국 특허 등록번호 제10-1224215호(2013년 1월 21일 공고)
상기한 임피던스 전극을 이용하는 방법이나 감마선의 감쇄율 차이를 이용하는 경우, 연속적인 측정이 가능한 장점이 있으나, 측정 가능한 범위가 전극이나 감마선이 설치되는 제한된 지점으로 한정된다.
즉, 종래에는 한 지점에서만 액체 홀드업 측정이 가능함에 따라, 긴 구간에서의 평균적인 액체 홀드업을 측정하기에는 한계가 있었다.
또한, 종래기술은 센서를 사용하기 전에 매번 캘리브레이션을 수행해야 하며, 외부 전자기파에 의해 측정값이 왜곡됨에 따라, 정밀한 측정이 어려운 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 배관 내부의 긴 구간에서 평균 액체 홀드업을 측정할 수 있는 관내 액체 홀드업 측정장치 및 측정방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 관내 유체의 홀드업 측정 정밀도를 향상시킬 수 있는 관내 액체 홀드업 측정장치 및 측정방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 관내 액체 홀드업 측정장치는 배관 내부의 액체 홀드업을 측정하도록 미리 설정된 관측영역 양단부에 각각 설치되는 제1 및 제2 개폐밸브, 배관에서 배출되는 액체를 저장하는 저장탱크, 상기 저장탱크에 설치되고 배관에서 배출된 액체의 양을 측정하는 측정기 그리고 상기 제1 및 제2 개폐밸브를 동기화시켜 개폐 동작하도록 제어하고, 상기 측정기에서 측정된 액체의 부피를 이용해서 상기 관측영역의 액체 홀드업을 산출하는 제어부를 포함한다.
상기 제1 및 제2 개폐밸브는 각각 배관 내부의 액체 유동을 순간적으로 차단하도록 퀵 클로징 밸브로 마련되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 배관 내부의 잔류 액체를 제거하도록 배관의 일측 내부에 가압력을 제공하는 가압유닛과 배관 내부에 투입되고 상기 가압유닛에서 제공되는 가압력에 의해 배관의 배출측으로 이동하면서 잔류 액체를 배관 외부로 배출시키는 드레인 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
배관의 관측영역 양단에는 각각 상기 드레인 부재가 투입 및 배출되는 투입구와 배출구가 형성되고, 상기 투입구가 형성된 배관의 투입측에는 상기 가압유닛으로부터 가압력을 전달받는 가압라인이 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기 드레인 부재는 경금속 재질로 제조되고, 배관의 내경과 동일한 직경으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 관내 액체 홀드업 측정방법은 (a) 배관에서 액체 홀드업을 측정하도록 미리 설정된 관측영역의 양단에 설치된 제1 및 제2 개폐밸브를 폐쇄하는 단계, (b) 드레인 라인을 통해 배관에서 배출되는 액체를 저장탱크에 저장하고, 저장된 액체의 부피를 측정하는 단계 및 (c) 상기 (b)단계에서 측정된 액체의 부피를 이용해서 상기 관측영역의 액체 홀드업을 산출하는 단계를 포함한다.
상기 (a)단계에서 상기 제1 및 제2 개폐밸브는 각각 퀵 클로징 밸브로 마련되어 순간적으로 배관 내부의 액체 유동을 차단하는 것을 특징으로 한다.
상기 (b)단계는 배관 내부에 설치된 드레인 부재를 가압해서 배출측으로 이동시켜 배관에 남은 잔류액체를 완전히 제거하는 것을 특징으로 한다.
상기 (c)단계는 측정된 액체의 부피를 상기 관측영역의 부피로 나누어 액체 홀드업을 산출하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 관내 액체 홀드업 측정장치 및 측정방법에 의하면, 액체 홀드업을 측정하고자 하는 관측영역 양단에 제1 및 제2 개폐밸브를 설치하고, 관측영역에서 배출된 액체의 부피를 측정해서 관측영역의 액체 홀드업을 정밀하게 측정할 수 있다는 효과가 얻어진다.
이와 같이, 본 발명에 의하면, 배관의 일정 구간에서 평균 액체 홀드업을 측정할 수 있다는 효과가 얻어진다.
그리고 본 발명에 의하면, 배관 내부의 액체를 배출해서 물리적인 방식으로 액체 홀드업을 측정함에 따라, 종래에 임피던스 전극을 이용하거나 감마선의 감쇄율 차이를 이용하는 경우에 매번 캘리브레이션을 수행해야 하고, 외부 전자기파에 의해 측정값이 왜곡되는 문제점을 해소할 수 있다는 효과가 얻어진다.
또한, 본 발명에 의하면, 관측영역 양단에 설치되는 제1 및 제2 개폐밸브를 각각 퀵 클로징 밸브로 마련함에 따라, 배관의 관측영역 양단을 순간적으로 개폐함으로써, 배관 내부의 액체 홀드업 측정값의 정밀도를 향상시킬 수 있다는 효과가 얻어진다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 관내 액체 홀드업 측정장치의 구성도,
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 관내 액체 홀드업 측정장치의 구성도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 관내 액체 홀드업 측정방법을 단계별로 설명하는 공정도.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 관내 액체 홀드업 측정장치 및 측정방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 관내 액체 홀드업 측정장치의 구성도이다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 관내 액체 홀드업 측정장치(10)는 도 1에 도시된 바와 같이, 배관(11) 내부의 액체 홀드업을 측정하도록 미리 설정된 관측영역 양단부에 각각 설치되는 제1 및 제2 개폐밸브(20,21), 배관(11)에서 배출되는 액체를 저장하는 저장탱크(22) 및 저장탱크(22)에 설치되고 배관에서 배출된 액체의 양을 측정하는 측정기(23)를 포함한다.
이와 함께, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 관내 액체 홀드업 측정장치(10)는 제1 및 제2 개폐밸브(20,21)를 동기화시켜 개폐 동작하도록 제어하고, 측정기(23)에서 측정된 액체의 부피를 이용해서 상기 관측영역의 액체 홀드업을 산출하는 제어부(30)를 더 포함할 수 있다.
배관(11)의 배출측에는 배관(11)에서 관측영역 내부의 액체를 배출하도록 드레인 라인(12)이 연결될 수 있다.
제1 및 제2 개폐밸브(20,21)는 각각 관측영역의 양단에 설치될 수 있다.
제1 및 제2 개폐밸브(20,21)는 개폐 동작시 배관(11) 내부 액체의 유동에 미치는 영향을 최소화하기 위해, 미리 설정된 시간, 예컨대 약 1초 이내에 신속하게 개폐 동작 가능한 퀵 클로징 밸브(quick closing valve)로 마련될 수 있다.
상기 퀵 클로징 밸브는 일반적으로 선박 등에 적용되어 화재와 같은 안전사고 발생시 자동으로 폐쇄 동작해서 유체의 이동을 차단하는 기능을 한다.
이와 같이, 본 발명은 관측영역 양단에 설치되는 제1 및 제2 개폐밸브를 각각 퀵 클로징 밸브로 마련함에 따라, 배관의 관측영역 양단을 순간적으로 개폐함으로써, 배관 내부의 액체 홀드업 측정값의 정밀도를 향상시킬 수 있다.
드레인 라인(12)의 선단은 저장탱크(22)에 연결되고, 저장탱크(22)의 내부에는 저장된 액체의 양을 측정하는 측정기(23)가 설치될 수 있다.
측정기(23)는 저장탱크(22) 내부에 저장된 액체의 양에 측정하는 레벨 게이지로 마련될 수 있다.
물론, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 다양한 방식으로 액체의 양을 측정하는 측정하도록 변경될 수 있다.
예를 들어, 측정기(23)는 저장탱크(22)에 저장된 액체의 수위에 따라 승강해서 수면을 표시하는 수면표시부재(도면 미도시)와 상기 수면표시부재와의 거리를 감지하는 감지센서(도면 미도시)를 포함하도록 변경될 수 있다.
이에 따라, 제어부(30)는 측정기(23)에서 측정된 액체의 부피를 배관(11)에서 관측영역으로 설정된 부피로 나누어 관측영역의 액체 홀드업을 산출할 수 있다.
이를 위해, 제어부(30)는 제1 및 제2 개폐밸브(20,21)를 동기화시켜 동시에 폐쇄 동작하도록 제어신호를 발생한다.
이러한 제어부(30)는 마이크로 컨트롤러로 마련되거나, 연산유닛과 메모리, 입력장치 및 표시장치를 포함하는 컴퓨터 단말로 마련될 수 있다.
한편, 본 실시 예에서는 배관(11)의 배출측에 연결된 드레인 라인(12)을 통해 배관(11) 내부의 액체를 외부로 배출하는 것으로 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 관내 액체 홀드업 측정장치의 구성도이다.
배관(11) 내부의 액체는 드레인 라인(12)이 개방되더라도 모두 배출되지 않고 일부가 배관(11) 내부에 잔류하게 된다.
특히, 액체의 점도가 높을수록 배관(11) 내부의 잔류 액체의 양이 증가한다.
따라서, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 관내 액체 홀드업 측정장치(10)는 도 2에 도시된 바와 같이, 배관(11) 내부의 잔류 액체를 제거하기 위해 배관(11)의 일측에 가압력을 제공하는 가압유닛(40)과 가압유닛(40)에서 제공되는 가압력에 의해 배출측으로 이동하면서 잔류 액체를 배관(11) 외부로 배출시키는 드레인 부재(41)를 더 포함할 수 있다.
여기서, 배관(11)의 관측영역 양단에는 각각 드레인 부재(41)가 투입 및 배출되는 투입구(13)와 배출구(14)가 형성될 수 있다.
투입구(13)가 형성된 배관(11)의 투입측에는 가압유닛(40)으로부터 가압력을 전달받는 가압라인(17)이 연결될 수 있다.
투입구(13)와 배출구(14)에는 각각 평상시 유체의 누설을 방지하고, 액체 배출시 액체의 누출을 방지하도록, 투입구(13)와 배출구(14)를 개폐하는 제1 및 제2 개폐부재(15,16)가 설치될 수 있다.
가압유닛(40)은 드레인 부재(41)를 가압하도록 고압으로 압축된 공기를 공급하는 압축기(도면 미도시)와 에어건(도면 미도시)을 포함할 수 있다.
상기 압축기는 제어부(30)의 제어신호에 따라 구동되어 압축 공기를 상기 에어건으로 공급할 수 있다.
드레인 부재(41)는 배관(11) 내부의 잔류 액체를 완전하게 제거할 수 있도록, 배관(11)의 내경과 동일한 직경을 갖는 구 또는 원기둥 형상으로 형성될 수 있다.
여기서, 드레인 부재(41)는 가압유닛(40)에서 가압라인(17)을 통해 공급되는 공기에 의해 용이하게 이동할 수 있도록 알루미늄과 같은 경금속 재질의 재료로 제조될 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 배관 내부에 드레인 부재를 투입하고, 가압력을 이용해서 배출측으로 이동시킴으로써, 배관 내부의 잔류액체를 완전히 제거해서 관내 액체 홀드업 측정값의 정밀도를 향상시킬 수 있다.
다음, 도 3을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 관내 액체 홀드업 측정방법을 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 관내 액체 홀드업 측정방법을 단계별로 설명하는 공정도이다.
도 3의 S10단계에서 배관(11) 내부의 액체 홀드업을 측정하기 위해 미리 설정된 관측영역의 양단에 설치된 제1 및 제2 개폐밸브(20,21)가 폐쇄된다.
이때, 제어부(30)는 제1 및 제2 개폐밸브(20,21)를 동기화시켜 동시에 폐쇄동작하도록 제어신호를 발생하고, 제1 및 제2 개폐밸브(20,21)는 각각 퀵 클로징 밸브로 마련됨에 따라, 상기 제어신호를 수신함과 동시에 순간적으로 폐쇄 동작한다.
그러면, 배관(11) 내부의 액체는 드레인 라인(12)을 통해 배관(11) 외부로 배출되고, 배출된 액체는 저장 탱크(22)에 저장된다(S12).
이때, 도 2에 도시된 바와 같이, 배관(11) 내부에 드레인 부재(41)가 설치된 경우, 제어부(30)는 드레인 부재(41)에 가압력을 제공하도록 가압유닛(40)의 구동을 제어한다.
그러면, 드레인 부재(41)는 가압유닛(40)에서 제공되는 가압력, 예컨대 고압 공기에 의해 배출측으로 이동하면서 배관(11) 내부의 잔류 액체를 완전히 제거할 수 있다.
S14단계에서 측정기(23)는 저장탱크(22) 내부에 저장된 액체의 양, 즉 액체의 부피를 측정하고, 측정기(23)에서 출력된 측정신호는 제어부(30)로 전달된다.
제어부(30)는 S14단계에서 측정된 액체의 부피를 미리 설정된 배관(11)의 관측영역의 부피로 나누어 관측영역의 액체 홀드 업을 산출한다(S16).
상기한 바와 같은 과정을 통하여, 본 발명은 액체 홀드업을 측정하고자 하는 관측영역 양단에 제1 및 제2 개폐밸브를 설치하고, 관측영역에서 배출된 액체의 부피를 측정해서 관측영역의 액체 홀드업을 정밀하게 측정할 수 있다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
본 발명은 액체 홀드업을 측정하고자 하는 관측영역 양단에 제1 및 제2 개폐밸브를 설치하고, 관측영역에서 배출된 액체의 부피를 측정해서 관측영역의 액체 홀드업을 정밀하게 측정하는 기술에 적용된다.
10: 관내 액체 홀드업 측정장치
11: 배관 12: 드레인 라인
13: 투입구 14: 배출구
15,16: 제1 및 제2 개폐부재 17: 가압라인
20,21: 제1,제2 개폐밸브 22: 저장탱크
23: 측정기 30: 제어부
40: 가압유닛 41: 드레인 부재

Claims (9)

  1. 배관 내부의 액체 홀드업을 측정하도록 미리 설정된 관측영역 양단부에 각각 설치되는 제1 및 제2 개폐밸브,
    배관에서 배출되는 액체를 저장하는 저장탱크,
    상기 저장탱크에 설치되고 배관에서 배출된 액체의 양을 측정하는 측정기,
    상기 제1 및 제2 개폐밸브를 동기화시켜 개폐 동작하도록 제어하고, 상기 측정기에서 측정된 액체의 부피를 이용해서 상기 관측영역의 액체 홀드업을 산출하는 제어부,
    배관 내부의 잔류 액체를 제거하도록 배관의 일측 내부에 가압력을 제공하는 가압유닛 및
    배관 내부에 투입되고 상기 가압유닛에서 제공되는 가압력에 의해 배관의 배출측으로 이동하면서 잔류 액체를 배관 외부로 배출시키는 드레인 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 관내 액체 홀드업 측정장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 개폐밸브는 각각 배관 내부의 액체 유동을 순간적으로 차단하도록 퀵 클로징 밸브로 마련되는 것을 특징으로 하는 관내 액체 홀드업 측정장치.
  3. 삭제
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    배관의 관측영역 양단에는 각각 상기 드레인 부재가 투입 및 배출되는 투입구와 배출구가 형성되고,
    상기 투입구가 형성된 배관의 투입측에는 상기 가압유닛으로부터 가압력을 전달받는 가압라인이 연결되는 것을 특징으로 하는 관내 액체 홀드업 측정장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 드레인 부재는 경금속 재질로 제조되고, 배관의 내경과 동일한 직경으로 형성되는 것을 특징으로 하는 관내 액체 홀드업 측정장치.
  6. (a) 배관에서 액체 홀드업을 측정하도록 미리 설정된 관측영역의 양단에 설치된 제1 및 제2 개폐밸브를 폐쇄하는 단계,
    (b) 드레인 라인을 통해 배관에서 배출되는 액체를 저장탱크에 저장하고, 저장된 액체의 부피를 측정하는 단계 및
    (c) 상기 (b)단계에서 측정된 액체의 부피를 이용해서 상기 관측영역의 액체 홀드업을 산출하는 단계를 포함하고,
    상기 (b)단계는 배관 내부에 설치된 드레인 부재를 가압해서 배출측으로 이동시켜 배관에 남은 잔류액체를 완전히 제거하는 것을 특징으로 하는 관내 액체 홀드업 측정방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 (a)단계에서 상기 제1 및 제2 개폐밸브는 각각 퀵 클로징 밸브로 마련되어 순간적으로 배관 내부의 액체 유동을 차단하는 것을 특징으로 하는 관내 액체 홀드업 측정방법.
  8. 삭제
  9. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 (c)단계는 측정된 액체의 부피를 상기 관측영역의 부피로 나누어 액체 홀드업을 산출하는 것을 특징으로 하는 관내 액체 홀드업 측정방법.
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