KR102588150B1 - 메탄 가스용의 매설 배관 시스템 - Google Patents

메탄 가스용의 매설 배관 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하수처리장의 소화조에서 생산되는 메탄 가스를 부취제를 첨가하지 않은 상태에서 수소추출 시스템으로 안전하게 이송하도록 하는 메탄 가스용의 매설 배관 시스템에 관한 것으로, 하수처리장의 소화조에서 생산되는 메탄 가스를 부취제를 첨가하지 않은 상태에서 수소 추출 시스템으로 이송하도록 지중에 매설되는 가스 배관; 내부에 수용공간을 가지며, 상기 가스 배관의 매설로를 따라 기준 구간별로 가스 배관이 수용되게 지중설치되어 공간 내부에서 가스 배관의 메탄 가스 누출 또는 가스 이송 상태를 점검하고 점검결과에 따라 공간 내부에서 가스 배관을 차단하는 적어도 하나 이상의 점검 박스; 및 상기 점검 박스들의 점검결과를 수신하여 구간별 배관 상태와 차단 여부를 표시하고 위험상황 발생시 위험경보를 포함하는 상황절차를 진행하는 모니터링 관제 센터; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

메탄 가스용의 매설 배관 시스템{PIPING SYSTEM OF METHANE GAS}
본 발명은 메탄 가스용의 매설 배관 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하수처리장의 소화조에서 생산되는 메탄 가스를 부취제를 첨가하지 않은 상태에서 수소추출 시스템으로 안전하게 이송하도록 하는 메탄 가스용의 매설 배관 시스템에 관한 것이다.
산업수준 및 경제 성장에 따라 하수처리장의 수와 처리용량이 증가하였고, 이에 따라 하수처리장에서 발생하는 하수 슬러지 발생량도 꾸준히 증가하였다. 과거에는 하수 슬러지를 해양 투기하여 처리하기도 했으나, 해양 환경오염을 방지하기 위해 이러한 해양투기는 금지되고 있다.
하수 처리 후 발생하는 폐잉여 슬러지는 고형물 함량(중량%, 건조)이 약 20 내지 40%로 건조시 발열량 3,000 내지 4,000 kcal/kg을 발현할 수 있는 에너지원이라 할 수 있다. 따라서, 고유가 시대를 맞이하여 에너지 재활용의 필요성 및 신에너지 자원의 개발이 절실해지고 있는 현재 슬러지 처리와 동시에 에너지원으로 활용할 수 있는 기술 개발이 필요하다. 그러나, 함수율 80% 정도의 하수 슬러지는 건조 과정에서 세포수(결합수)를 제거하는 데 있어서 고비용의 에너지가 소요되어 처리 및 재활용에 많은 제약이 있으며, 또한, 악취 발생 등의 환경 문제가 발생하고 있다.
한국의 경우에는, 약 600개의 하수처리시설에서 발생되는 하수 슬러지의 양이 년간 365만톤 이상이다. 또한, 한국환경공단에서는 2020년에 450만톤, 2025년에는 530만톤의 하수 슬러지가 발생할 것으로 추정하고 있다.
따라서, 하수 슬러지를 친환경적으로 대규모 처리하면서 동시에 에너지원으로 활용할 수 있는 기술 개발이 절실하게 요구되고 있다.
한편 하수처리시설의 혐기성 소화조에서 발생되는 메탄 가스 중 자체 소비량을 제외하고도 상당한 양의 메탄 가스가 생산되고 있다.
하지만 메탄 가스의 특성상 육상 이송이 여의치 않으며, 전용의 이송 배관을 지중에 설치할 경우 막대한 시설 비용이 소요될 뿐만 아니라 생산처에서는 배관에서의 가스 누출을 신속히 확인하기 위한 안전장치로 메탄 가스에 부취제를 첨가하는 시설과 공정이 필요 하고 또한 이송처에서는 메탄 가스를 즉시 활용하기 위해 다시 부취제를 제거하는 시설과 공정이 필요하기 때문에 역시 메탄 가스의 이송을 위한 이차 처리에 많은 비용이 소요되게 된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 그 목적은 하수처리장의 소화조에서 생산되는 메탄 가스를 부취제를 첨가하지 않은 상태에서 수소추출 시스템으로 안전하게 이송하도록 하는 메탄 가스용의 매설 배관 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명에 따르면, 하수처리장의 소화조에서 생산되는 메탄 가스를 부취제를 첨가하지 않은 상태에서 수소 추출 시스템으로 이송하도록 지중에 매설되는 가스 배관; 내부에 수용공간을 가지며, 상기 가스 배관의 매설로를 따라 기준 구간별로 가스 배관이 수용되게 지중설치되어 공간 내부에서 가스 배관의 메탄 가스 누출 또는 가스 이송 상태를 점검하고 점검결과에 따라 공간 내부에서 가스 배관을 차단하는 적어도 하나 이상의 점검 박스; 및 상기 점검 박스들의 점검결과를 수신하여 구간별 배관 상태와 차단 여부를 표시하고 위험상황 발생시 위험경보를 포함하는 상황절차를 진행하는 모니터링 관제 센터; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 메탄 가스용의 매설 배관 시스템을 제공한다.
바람직하게는, 상기 가스 배관은 폴리에틸렌 재질로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 가스 배관은 지표에서 700 내지 900 mm의 지중에 설치되는 수평 자세의 보호판 하부에서 모래 주머니의 상에 안치된 상태로 매설되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 가스 배관은 2계열 배관으로 지중에 나란하게 함께 매설되며, 2계열 배관의 각 배관에 대해 가스 이송 유량을 체크하고 그 유량 차이를 통해 가스 누출 상황을 감지하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 가스 배관은 2계열 배관으로 지중에 나란하게 함께 매설되며, 상기 점검 박스 중 어느 하나에서 2계열 배관 중 어느 한 배관에서 메탄 가스 누출 또는 가스 이송 상태에 문제를 감지하면 문제가 발생된 배관의 메탄 가스 이송을 중지하고 문제가 발생되지 않은 배관만으로 메탄 가스를 이송시키도록 제어되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 점검 박스는 콘크리트 재질로 만들어져 내부에 수용공간을 가지는 사각형의 구조물이며, 내부 수용공간에서 수평 일측으로 인입 가스 배관이 설치되고 수평 타측으로 인출 가스 배관이 설치되며, 상기 인입 가스 배관과 인출 가스 배관의 사이에 개재되는 차단기; 상기 점검 박스 내 수용공간에서 인입 가스 배관과 인출 가스 배관의 인근에 각각 설치되어 메탄 가스 농도를 측정하는 가스 감지기; 상기 인입 가스 배관 내에 설치되어 이송 가스의 이송 상태값들을 측정하는 상태 감지기; 및 상기 가스 감지기의 메탄 가스 농도값을 수신하여 기준치 이상이거나 상기 상태 감지기의 이송 상태값들을 수신하여 기준 범위를 벗어나면 상기 차단기를 잠금 상태로 제어하는 제어기; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 상태 감지기는, 가스 배관을 통해 이송되는 메탄 가스의 온도값을 측정하는 온도 센서; 가스 배관을 통해 이송되는 메탄 가스의 유량값을 측정하는 유량 센서; 및 가스 배관을 통해 이송되는 메탄 가스의 압력값을 측정하는 압력 센서; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 점검 박스가 매설된 지상 위치에는 지중 점검 박스의 제어기와 연결되는 표지기가 설치되며, 상기 표지기는 점검 박스 내 가스 감지기에서 측정된 메탄 가스 농도나 가스 배관 내 상태 감지기에서 측정된 메탄 가스의 온도값, 유량값 및 압력값 중 적어도 하나의 값을 외부에 표시하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 점검 박스는 상기 가스 배관의 매설로를 따라 200 내지 600 m의 구간마다 지중설치되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 가스 배관의 매설로를 따라 기준 구간별로 가스 배관 영역까지 수직상으로 관통형성되어 메탄 가스 누출을 감지할 수 있는 검지기를 진입시키도록 마련되는 검지소; 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 검지소는 지표에서 700 내지 900 mm의 지중에 설치되는 수평 자세의 보호판 하부에 매설되는 가스 배관에서 누출되는 메탄 가스를 감지할 수 있도록, 지표의 검지공에서 상기 보호판의 검지홀까지 연장되는 중공 형상의 검지봉; 지표 상으로 노출되며 상기 검지공을 개폐하는 검지캡; 및 상기 검지공을 통해 삽입되어 보호판 하부에서 가스 배관의 메탄 가스 누출을 감지하는 검지기; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 검지소는 상기 가스 배관의 매설로를 따라 20 내지 60 m의 구간마다 설치되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 모니터링 관제 센터는 각 점검 박스의 제어기와 연동되는 모니터링 단말이 운영되며, 상기 관제 단말은, 각 점검 박스의 위치별로 점검 박스 내 가스 감지기에서 측정된 메탄 가스 농도, 가스 배관 내 상태 감지기에서 측정된 메탄 가스의 온도값, 유량값 및 압력값, 가스 감지기의 메탄 가스 감지 여부, 상태 감지기의 이송 가스의 이송 상태, 차단기의 차단 여부를 메인 화면에 표시하거나, 각 점검 박스의 메탄 가스 검출 시 또는 각 점검 박스의 이송 가스 이송 상태 이상 시에 위험경보를 화면표시 및 음향출력하거나, 각 점검 박스의 차단기를 개별적으로 제어할 수 있는 관리 화면을 표시하거나, 각 점검 박스의 제어기로부터 주기적으로 전달되어 저장되는 메탄 가스 농도, 메탄 가스의 온도값, 유량값 및 압력값, 가스 감지기의 메탄 가스 감지 여부, 상태 감지기의 이송 가스의 이송 상태, 차단기의 차단 기록을 시간별로 조회하여 표시하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 하수처리장의 소화조에서 생산되는 메탄 가스를 부취제를 첨가하지 않은 상태에서 수소추출 시스템으로 안전하게 이송할 수 있게 되는 효과를 가지고 있다.
특히 기준 구간별로 가스 배관이 수용되게 지중설치되는 복수의 점검 박스를 통해 구간별로 가스 누출 및 가스 상태를 실시간 체크해 차단할 수 있어 가스 누출 상황에 대한 신속하고 안전한 상황 대응이 가능하게 되는 효과도 가지고 있다.
또한 기준 구간별로 가스 배관 영역까지 체크할 수 있는 검지소를 통해 주기적이고 비상시적으로 가스 누출을 체크함으로써 능동적인 누출 예방이 가능하게 되는 효과도 가지고 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 메탄 가스용의 매설 배관 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 메탄 가스용의 매설 배관 시스템의 설치예를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 메탄 가스용의 매설 배관 시스템의 설치예에서 가스 배관의 설치예를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 점검 박스를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 검지소를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 표지기를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 메탄 가스용의 매설 배관 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 하수처리장의 혐기성 소화조에서는 메탄 가스를 생산하게 된다.
이 하수처리장과 먼 거리에 위치한 수소추출 시스템은 메탄 가스를 이용한 개질 반응을 통해 수소를 생산하게 된다.
상기 하수처리장과 수소추출 시스템의 사이에는 하수처리장의 혐기성 소화조에서 생산된 메탄 가스를 부취제의 첨가 없이 성상 그대로 이송하기 위한 가스 배관(100)이 지중으로 설치된다.
본 발명의 실시예에 따른 메탄 가스용의 매설 배관 시스템은, 생산되는 메탄 가스를 부취제를 첨가하지 않은 상태에서 수소 추출 시스템으로 이송하도록 지중에 매설되는 가스 배관(100)과, 내부에 수용공간을 가지며 상기 가스 배관(100)의 매설로를 따라 기준 구간별로 가스 배관(100)이 수용되게 지중설치되어 공간 내부에서 가스 배관(100)의 메탄 가스 누출 또는 가스 이송 상태를 점검하고 점검결과에 따라 공간 내부에서 가스 배관(100)을 차단하는 적어도 하나 이상의 점검 박스(200)와, 상기 점검 박스(200)들의 점검결과를 수신하여 구간별 배관 상태와 차단 여부를 표시하고 위험상황 발생시 위험경보를 포함하는 상황절차를 진행하는 모니터링 관제 센터(400); 를 포함하여 구성될 수 있으며, 이들에 더해, 상기 가스 배관(100)의 매설로를 따라 기준 구간별로 가스 배관 영역까지 수직상으로 관통형성되어 메탄 가스 누출을 감지할 수 있는 검지기(330)를 진입시키도록 마련되는 검지소(300)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 목적은 수소추출 시스템에서 안정적으로 수소를 생산하기 위한 원료로 하수처리장의 소화조에서 발생된 바이오 메탄 가스를 수소추출 시스템까지 안정적으로 이송 공급하는 시스템을 구축하는데 있다.
기존 가스 배관을 통해 도시 가스를 공급하는 과정에서 가스의 누출을 신속하게 파악하고 대응하기 위하여 부취제(황화수소)를 도시 가스에 첨가하지만, 이는 별도의 부취제 첨가 공정 및 시설 그리고 부취제 제거 공정 및 시설이 필요하기 때문에 시설이 비대해지는 단점을 가진다. 본 발명에 따른 시스템에서는 부취제를 첨가하거나 다시 제거하는 공정이 제거되면서도 안정적으로 동작해 결국 시스템 자체적으로 부취제의 기능을 구현하게 된다.
또한 하수처리장의 소화조에서 생산된 바이오 메탄 가스를 수소추출 시스템까지 지중 가스 배관(100)을 통해 안정적으로 이송하고 감시함으로써 수소추출 시스템의 지속적인 수소 생산이 가능하게 될 것이다.
일 예로, 대한민국 충주시 충주 하수처리장에서 수소추출시스템까지 지중 가스 배관(100)을 포함한 메탄 가스용의 매설 배관 시스템이 구축될 예가 도 2에 도시되어 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 메탄 가스용의 매설 배관 시스템의 설치예를 나타내는 도면이다.
상기 메탄 가스용의 매설 배관 시스템의 구축예는 충북 충주시 하방천변길 274부터 충북 충주시 벌터4길 13까지의 약 1,350m에 이르는 노선으로, 충주 수질환경사업소의 하수처리장으로부터 충주 바이오 그린 수소충전소까지의 배관이 구축된다. 상기 충주 수질환경사업소의 하수처리장의 시설용량은 1,600㎥/일 이며 2계열 배관으로 상시 및 비상 공급체계를 구축하게 된다.
충주 하수처리장에서 발생되는 슬러지 1㎥당 발생되는 바이오 가스량은 최대 13.75㎥ 이하로 조사되었으며, 추후 하수도 기본계획 등을 검토하여 증가되는 폐수 및 슬러지 발생양을 고려하여 바이오가스 발생량을 재검토한 결과 최대 가스 발생량은 13.75㎥/㎥를 기준으로 여유율을 고려하여 산정하였다.
아래 표 1은 충주 하수처리장의 년도별 바이오 가스 발생량을 산정한 자료이다.
충주 하수처리장의 혐기성소화조에서 발생되는 메탄가스 중 자체 소비량을 제외하고 고질화 설비를 통해 순도 98%이상의 메탄가스 1600㎥/일 을 이송 가스량으로 결정하였다.
이 같은 상황에서 이송에 쓰일 가스 배관(100)은 다음과 같은 요건을 갖춰야 한다.
충주 하수처리장에서 생산된 바이오가스를 충분히 안정적으로 이송 가능해야 하며, 바이오 가스의 성상과 물리화학적 특성을 고려한 유지관리가 용이해야 하며, 배관의 흐름에 대한 실시간 모니터링과 원격제어가 가능해야 한다.
가스 배관(100)의 설계 조건은 다음의 표 2와 같이 정리될 수 있다.
바이오 메탄 가스를 이송하기 위해 지하에 매설되는 가스 배관(100)의 재질은 아래 표 3과 같이 폴리에틸렌 배관(KS M 3514 가스용 폴리에틸렌관)을 사용하도록 규정하고 있으므로 구축예에서도 폴리에틸렌 배관을 적용하였다.
가스 배관(100)의 구경의 경우, 배관의 내경이 26mm PE 배관 이상의 용량이면 충분할 것으로 판단되나, 기존 소규모 주거지역의 도시가스 매설시 대부분 공칭외경이 PE 63A를 적용하여 시공하였기 때문에 시공경험 및 시공의 안정성을 고려하여 본 구축예에서도 KS규격 기준 공칭외경 63A PE 배관을 적용하였다.
가스 배관(100)의 매설은 다음과 같이 이루어졌다.
바이오 메탄 가스 내에 부취제가 첨가되어 있지 않기 때문에 가스 누출 모니터링이 가능하도록 배관 내를 흐르는 바이오 메탄 가스의 물리적인 상태가 실시간으로 모니터링 되도록 해야 하며, 배관 내 가스 누출이 발생시 긴급히 차단 및 유지관리가 용이하도록 점검 박스(200)를 200 내지 600m 보다 정확하게는 500m 이내 1개소를 설치하고, 누출 발생시 해당 구간에 대해 점검 박스(200) 내 차단기(240)가 작동하여 가스 누출을 최소화함으로서 보다 능동적이고 안전한 이송시스템을 구축하도록 한다.
상기 가스 배관(100)은 2계열 배관으로 상시 및 비상 공급체계를 구축하게 된다.
상기 가스 배관(100)은 하수 처리장의 가스 고질화 설비의 부근에 있는 정압기 및 유량계까지 그리고 수소 추출 시스템의 부근에 있는 정압기 및 유량께부터는 노출 배관으로서 단일 배관이 설치될 수 있다. 노출 배관 구간에서는 누출시 대기 중으로 바이오 메탄 가스가 확산되어 폭발 및 화재의 위험이 매우 낮기 때문이다.
그리고 가스 배관(100)이 매설되는 구간에서는 바이오 메탄 가스가 대기 중으로 확산되기 어렵기 때문에 매립 배관으로서 2계열 배관이 설치될 수 있다. 모니터링을 통해 누출이 확인될 경우 누출이 발생한 배관의 밸브는 차단하고 다른 여분의 배관(Stand-by PiPe)을 통해 바이오 메탄 가스가 이송되도록 한다.
가스 배관(100) 내를 흐르는 바이오 메탄 가스는 각 점검 박스(200)에서 유량, 압력, 온도 및 누출감시 센서에 의해 모니터링되어 각 지점별 센서의 수신값에 차이가 발생시 누출 발생으로 판단하고, 여분의 배관(Stand-by PiPe)으로 공급되도록 하며, 추가적으로 점검 박스(200) 외의 구간은 검지소(300)를 설치하여 누출 여부를 주기적으로 수동 관리하도록 한다.
또한 점검 박스(200) 외에 가스 배관(100)의 누출 감시는 20 내지 60m 보다 정확하게는 50m당 1개의 검지소(300)를 설치하여 검지기(330)를 통해 누출예방이 가능한 구조로 시설을 계획하였다.
따라서 메탄 가스용의 매설 배관 시스템의 구축예는 충북 충주시 하방천변길 274부터 충북 충주시 벌터4길 13까지의 약 1,350m에 이르는 노선에 점검 박스(200)를 3개소 설치하였으며, 50m당 1개의 검지소(300)도 설치하였다.
이 같은 구조에서 하수처리장의 혐기성 소화조에서 생산된 메탄 가스를 부취제의 첨가 없이 성상 그대로 이송하는 매립 가스 배관(100)은 2계열 배관으로 설치되어 가스 누출 상황에 보다 확실히 대처할 수 있게 된다.
여기에서 2계열 배관이란 부취제가 첨가되지 않은 동일한 메탄 가스를 이송하는 두 개의 배관이며, 이 두 개의 배관은 나란하게 함께 매설된다.
2계열 배관에 대해 두 배관 중 어느 하나로만 메탄 가스가 이송되도록 제어한 후 후술하는 점검 박스(200)의 유량 센서(222)를 통해 가스 이송 유량을 체크하고, 다른 하나의 배관에 대해서도 마찬가지의 방식으로 가스 이송 유량을 체크할 수 있다. 이를 통해 두 배관의 가스 이송 유량에 기준 이상의 차이가 있으면, 이를 곧 가스 누출 상황으로 판단할 수 있게 된다.
또한 2계열 배관에서는 점검 박스(200) 중 어느 하나에서 2계열 배관 중 어느 한 배관에서 메탄 가스 누출 또는 가스 이송 상태에 문제가 발생했을 때, 이 상황을 보고받은 모니터링 관제 센서(400)에서는 문제가 발생된 배관의 메탄 가스 이송을 중지하고 문제가 발생되지 않은 배관만으로 메탄 가스를 이송시키도록 이송 제어할 수 있다. 이 같은 이송 제어에는 점검 박스(200)의 가스 배관(100) 차단 기능이 활용될 수 있다.
따라서 2계열 배관 중 어느 한 배관에서 문제가 발생하더라도 다른 한 배관을 통해 중단 없이 메탄 가스의 공급이 가능하게 될 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 메탄 가스용의 매설 배관 시스템의 설치예에서 가스 배관(100)의 설치예를 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 가스 배관(100)의 매설은 폭 800mm의 구멍을 깊이 1,400mm로 파서 이루어지게 된다. 가장 하층에는 모래 주머니가 적치되고, 이 모래 주머니 위에 가스 배관(100)이 약 1,200mm의 깊이에 안치되게 된다. 그리고 이 가스 배관(100)의 위치에서 약 300mm 위, 바람직하게는 지표에서 700 내지 900 mm의 지중에는 지중에서 수평 자세를 갖는 판상의 보호판(110)이 설치되어 하부의 가스 배관(100)을 상부 지중압력으로부터 보호하게 된다.
또한 가스 배관(100)의 관리를 위해 설치되는 점검 박스(200)의 형상은 1,200 × 1200 × 1200 (W×L×H mm) 구조의 정사각형 구조이며, 100 mm 두께의 콘크리트로 제작되었다.
상기 점검 박스(200)는 내부에 수용공간을 가지며, 상기 가스 배관(100)의 매설로를 따라 기준 구간별로 가스 배관(100)이 수용되게 지중설치되어 공간 내부에서 가스 배관의 메탄 가스 누출 또는 가스 이송 상태를 점검하고 점검결과에 따라 공간 내부에서 가스 배관(100)을 차단하게 된다.
상기 점검 박스(200)의 내부에는 배관 누출을 감지하고 배관 내 유체의 물리적인 상태를 모니터링할 수 있는 각종 센서와 해당 배관을 차단하기 위한 제어기가 설치된다.
도 4의 (a)와 (b)를 참조해 보다 구체적으로 설명하면, 상기 점검 박스(200)는 콘크리트 재질로 만들어져 내부에 수용공간을 가지는 사각형의 구조물이며, 내부 수용공간에서 수평 일측으로 인입 가스 배관(100)이 2계열로 설치되고 수평 타측으로 인출 가스 배관(100)이 역시 2계열로 설치된다.
이때 상기 인입 가스 배관(100)과 인출 가스 배관(100)의 사이에는 차단기(240)가 개재된다.
상기 차단기(240)는 밸브로 구성되며, PE 재질의 가스 배관(100)과 점검 박스(200) 내부 금속관 또는 센서가 이종 재질로 연결되는 연결 부위에서 가스 누출이 발생시 밸브가 자동으로 닫히도록 한다.
아울러 상기 차단기(240)는 배관 내 유체의 물리적인 상태를 모니터링하는 상태 감지기(220)의 모니터링을 통해 처음 공급유량과 끝지점의 유량값에 차이가 발생하거나 상시 모니터링 값보다 현저히 낮은 값이 측정될 때에는 외부 모니터링 관리자의 조작에 의해 수동으로 차단될 수 있다.
상기 차단기(240)는 내압방폭(Ex d IIC T6)과 방수(IP67) 기능을 갖춰 위험지역 및 방수가 필요한 지역에서도 사용이 가능하고, 점검 박스(200) 내 제어기(230)의 차단 신호나 외부 모니터링 관제 센터(400)를 통해 제어기(230)로 전달되는 차단 신호에 의해 차단될 수 있으며, 현재 개폐 상태를 일정 주기로 제어기(230)로 전달하게 된다.
그리고 상기 점검 박스(200) 내 수용공간에서 인입 가스 배관(100)과 인출 가스 배관(100)의 인근에는 메탄 가스 농도를 측정하는 가스 감지기(210)가 각각 설치된다.
PE 재질의 가스 배관(100) 특성상 전기 융착 방법으로 시공을 하기 때문에 가스의 누출이 발생할 가능성은 희박하지만, 이종 재질의 접합(PE 재질의 가스 배관(100)과 점검 박스(200) 내부 금속관)이 발생하는 지점에서는 가스 누출이 발생할 가능성이 있으므로 점검 박스(200) 내에 2 개의 가스 감지기(210)를 설치하여 가스 감지기(210)가 감지시 차단기(240)가 즉시 폐쇄(Close) 상태로 전환되도록 동작을 제어하게 된다.
상기 가스 감지기(210)는 점검 박스(200) 내에서 가스 배관(100) 인입측의 상부 내벽에 1 개 그리고 가스 배관(100)의 인출측의 상부 내벽에 1개를 마주하게 설치할 수 있다.
이 같은 가스 감지기(210)는 LNG, H2, C2H2, C2H2, i-C4H10, HC 등의 가스를 측정할 수 있으며, 대기확산식, 접촉연소식, 반도체식으로 가스를 측정해 4~20mA(DC)의 측정신호를 제어기(230)로 전달하게 된다.
그리고 상기 인입 가스 배관(100) 내에는 이송 가스의 이송 상태값들을 측정하는 상태 감지기(220)가 설치된다.
그리고 상기 가스 감지기(210)의 메탄 가스 농도값을 수신하여 기준치 이상이거나 상기 상태 감지기(220)의 이송 상태값들을 수신하여 기준 범위를 벗어나면 상기 차단기(240)를 잠금 상태로 제어하는 제어기(230)가 설치된다. 이 같은 제어기(230)는 상기 점검 박스(200) 내에 설치될 수 있으며, 관리의 용이성을 위해 지상의 표지기(250)에 설치될 수도 있다.
여기에서 상기 상태 감지기(220)는, 가스 배관(100)을 통해 이송되는 메탄 가스의 온도값을 측정하는 온도 센서(221)와, 가스 배관(100)을 통해 이송되는 메탄 가스의 유량값을 측정하는 유량 센서(222) 그리고 가스 배관(100)을 통해 이송되는 메탄 가스의 압력값을 측정하는 압력 센서(223)를 포함한다.
상기 상태 감지기(220)는 차단기(240) 전단의 인입 가스 배관(100)에 설치되어 배관 내 유체의 물리적인 상태를 모니터링하게 된다.
상기 온도 센서(221)는 내압방폭(Ex d IIC T6)과 방수(IP67) 기능을 갖춰 위험지역 및 방수가 필요한 지역에서도 사용이 가능하고, 정밀도가 높은 온도 감지소자 PT100을 사용했으며, 아날로그 출력, RELAY 출력, RS485 출력이 가능하므로 여러가지 컨트롤러와 조합하여 사용이 가능하다. 상기 온도 센서(221)는 -50~600℃ 범위의 온도를 측정해 4~20mA(DC)의 측정신호를 제어기(230)로 전달하게 된다.
상기 유량 센서(222)는 기체를 유체로 사용하는 프로세스에서 유량 측정을 위해 특별히 설계된 열식 질량 유량계를 적용했다. 상기 온도 센서(221)는 내압방폭(Ex d IIC T6)과 방수(IP67) 기능을 갖춰 폭발 위험성이 존재하는 현장에서 적용 가능하며, 두 개의 온도센서로 상호 보존하여 질량 유량을 측정하므로 정밀도가 높다. 상기 온도 센서(221)는 아세틸렌을 제외한 대부분의 가스를 측정할 수 있으며, 가스의 질량 유량 또는 부피 유량을 측정해 4~20mA(DC)의 측정신호를 제어기(230)로 전달하게 된다.
상기 압력 센서(223)는 내압방폭(Ex d IIC T6)과 방수(IP67) 기능을 갖춰 위험지역 및 방수가 필요한 지역에서도 사용이 가능하고, 아날로그 출력, RELEY 출력, RS485 출력이 가능하므로 여러가지 컨트롤러와 조함하여 사용이 가능하며, 일반 화학공장 등 범용적으로 적용실적이 많아 신뢰성이 높다. 상기 압력 센서(223)는 0~5kPa부터 70MPa까지의 게이지압을 측정해 4~20mA(DC)의 측정신호를 제어기(230)로 전달하게 된다.
또한 상기 점검 박스(200)가 매설된 지상 위치에는 도 1에 도시된 바와 같이 지중 점검 박스(200)의 제어기(230)와 연결되는 표지기(250)가 설치되며, 상기 표지기(250)는 도 6에 도시된 바와 같이 점검 박스(200) 내 가스 감지기(210)에서 측정된 메탄 가스 농도나 가스 배관(100) 내 상태 감지기(220)에서 측정된 메탄 가스의 온도값, 유량값 및 압력값 중 적어도 하나의 값을 외부에 표시하게 된다.
또한 상기 점검 박스(200)에는 내부에 고이는 물을 배출할 수 있는 배수구(201)가 형성될 수 있다.
한편 점검 박스(200) 내부에서 메탄 가스가 누출되었을 때 점검 박스(200) 내에 설치된 가스 감지기(210)가 이를 감지하고 그 신호에 따라 자동적으로 차단기(240)가 작동하여 유체흐름을 차단하게 된다.
여기에서 PE 재질의 가스 배관(100)과 점검 박스(200) 내부 금속관과의 접합 방법은 다음과 같다.
PE 재질의 가스 배관(100)은 수분, 먼지 등의 이물질을 제거한 후 접합한다.
PE 재질의 가스 배관(100)은 접합 전 접합부를 접합전용 스크레퍼 등을 사용하여 다듬질한다.
점검 박스(200) 내부 금속관과의 접합은 T/F(Transition Fitting)를 사용한다.
공칭외경이 상이할 경우의 접합은 관 이음매(Fitting)를 사용하여 접합한다.
PE 재질의 가스 배관(100)의 접합은 열 융착이나 전기 융착으로 실시하고 모든 융착은 융착기를 사용하여 실시한다.
특히 본 발명에서는 전기 융착 방식으로 시공한다. 전기 융착 방식은 열 융착으로 시공하는 것보다 상대적으로 작업속도가 빠르고, 규격품을 사용하기 때문에 제품 내부의 열선폭이 없어 기밀성이 우수하고, 이음관과 규격이 일치하여 작업이 용이하다. 또한 융착기기가 작고, 가볍워 맞대기 융착보다 협소한 공간에서도 작업이 용이하다. 전기 융착의 작업순서는 융착부의 표면 불순물을 제거, 삽입부위 표시, 융착부의 표면 스크래핑, 불순물 제거 및 융착기 단자 연결, 융착기 가동 및 냉각 대기, 출력선 제거의 순서로 작업을 진행한다.
한편, 상술한 점검 박스(200)의 자동적 관리 방안과 더불어 수동적 관리 방안이 병행되어 실시될 수 있다.
상기 점검 박스(200)는 상기 가스 배관(100)의 매설로를 따라 200 내지 600 m의 구간마다 지중설치된다. 이 점검 박스(200)의 설치와 병행해, 상기 가스 배관(100)의 매설로를 따라 기준 구간별로 가스 배관 영역까지 수직상으로 관통형성되어 메탄 가스 누출을 감지할 수 있는 검지기(330)를 진입시키도록 마련되는 검지소(300)들을 더 설치하여 수동적 관리 방안이 실현될 수 있도록 한다.
도 5를 참조하면, 상기 검지소(300)는 상기 가스 배관(100)의 매설로를 따라 20 내지 60 m의 구간마다 설치된다.
상기 검지소(300)는 지표에서 700 내지 900 mm의 지중에 설치되는 수평 자세의 보호판(110) 하부에 매설되는 가스 배관(100)에서 누출되는 메탄 가스를 감지할 수 있도록 구비된다.
상기 검지소(300)는 지표의 검지공(310)에서 상기 보호판(110)의 검지홀(111)까지 연장되는 중공 형상의 검지봉(320)과, 지표 상으로 노출되며 상기 검지공(310)을 개폐하는 검지캡(311)과, 그리고 상기 검지공(310)을 통해 삽입되어 보호판(110) 하부에서 가스 배관(100)의 메탄 가스 누출을 감지하는 검지기(330) 를 포함하여 구성될 수 있다.
매설되는 가스 배관(100)의 융착 과정에서 센서 감지가 어려울 정도의 미세한 가스 누출이 발생하여 바이오 메탄 가스가 토양으로 누출될 수 있다. 이때 약 50m 간격으로 검지소(300)를 설치하고 검지캡(311)을 열어서 검지기(300)를 검지봉(320)에 삽입하여 보호판(110) 하부에서 메탄 가스의 누출 여부를 판단할 수 있게 된다.
이를 위해 상기 보호판(110)에 직경 5mm의 검지홀(111)을 뚫게 되며, 이 검지홀(111)과 검지공(310)을 잇는 검지봉(320)을 설치하게 된다. 여기에서 검지봉(320)이 육안으로 확인될 수 있도록 검지공(310)에는 육안 확인이 용이한 검지캡(311)이 노출되게 된다.
한편, 하수처리장과 먼 거리에 위치한 수소추출 시스템에는 관제 단말(410)이 설치되는 모니터링 관제 센터(400)가 운영된다. 상기 관제 단말(410)은 각 점검 박스(200)들의 제어기(230)들과 통신하여 데이터를 수집해 표시하고 해당 제어기(230)로 작업자의 제어 명령을 전달하게 된다.
상기 관제 단말(410)은 전용 어플리케이션을 통해 각 점검 박스(200)를 관리할 수 있다.
상기 전용 어플리케이션은 각 점검 박스(200)의 위치별로 점검 박스(200) 내 가스 감지기(210)에서 측정된 메탄 가스 농도, 가스 배관(100) 내 상태 감지기(220)에서 측정된 메탄 가스의 온도값, 유량값 및 압력값, 가스 감지기(210)의 메탄 가스 감지 여부, 상태 감지기(220)의 이송 가스의 이송 상태, 차단기(240)의 차단 여부를 메인 화면에 표시하게 된다.
또한 상기 전용 어플리케이션은 각 점검 박스(200)의 메탄 가스 검출 시 또는 각 점검 박스(200)의 이송 가스 이송 상태 이상 시에 위험경보를 화면표시 및 음향출력하게 된다.
또한 상기 전용 어플리케이션은 각 점검 박스(200)의 차단기(240)를 개별적으로 제어할 수 있는 관리 화면을 표시한다.
또한 상기 전용 어플리케이션은 각 점검 박스(200)의 제어기(230)로부터 주기적으로 전달되어 저장되는 메탄 가스 농도, 메탄 가스의 온도값, 유량값 및 압력값, 가스 감지기(210)의 메탄 가스 감지 여부, 상태 감지기(220)의 이송 가스의 이송 상태, 차단기(240)의 차단 기록을 시간별로 조회하여 표시하게 된다.
이상과 같이 도면과 명세서에서 최적 실시 예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100 : 가스 배관 110 : 보호판
111 : 검지홀 200 : 점검 박스
210 : 가스 감지기 220 : 상태 감지기
221 : 온도 센서 222 : 유량 센서
223 : 압력 센서 230 : 제어기
240 : 차단기 250 : 표지기
300 : 검지소 310 : 검지공
311 : 검지캡 320 : 검지봉
330 : 검지기 400 : 모니터링 관제 센터
410 : 관제 단말

Claims (13)

  1. 하수처리장의 소화조에서 생산되는 메탄 가스를 부취제를 첨가하지 않은 상태에서 수소 추출 시스템으로 이송하도록 지중에 매설되는 가스 배관;
    내부에 수용공간을 가지며, 상기 가스 배관의 매설로를 따라 기준 구간별로 가스 배관이 수용되게 지중설치되어 공간 내부에서 가스 배관의 메탄 가스 누출 또는 가스 이송 상태를 점검하고 점검결과에 따라 공간 내부에서 가스 배관을 차단하는 적어도 하나 이상의 점검 박스; 및
    상기 점검 박스들의 점검결과를 수신하여 구간별 배관 상태와 차단 여부를 표시하고 위험상황 발생시 위험경보를 포함하는 상황절차를 진행하는 모니터링 관제 센터; 를 포함하며,
    지중에 매설되는 상기 가스 배관의 매설은 폭 800mm의 구멍을 깊이 1,400mm로 파서 이루어지게 되며 가장 하층에는 모래 주머니가 적치되고 이 모래 주머니 위에 가스 배관이 안치되며, 가스 배관이 지표에서 700 내지 900 mm의 지중에 설치되는 수평 자세의 보호판 하부에서 모래 주머니의 상에 안치된 상태로 매설되며,
    상기 점검 박스는 상기 가스 배관의 매설로를 따라 200 내지 600 m의 구간마다 지중설치되며,
    상기 점검 박스는 100 mm 두께의 콘크리트 재질로 만들어져 내부에 수용공간을 가지는 사각형의 구조물로 하부에 배수구가 형성되며, 내부 수용공간에서 수평 일측으로 인입 가스 배관이 설치되고 수평 타측으로 인출 가스 배관이 설치되며,
    상기 인입 가스 배관과 인출 가스 배관의 사이에 개재되는 차단기;
    상기 점검 박스 내 수용공간에서 인입 가스 배관의 상부 내벽과 인출 가스 배관의 상부 내벽에 마주하게 각각 설치되어 메탄 가스 농도를 측정하는 가스 감지기;
    상기 차단기 전단의 인입 가스 배관 내에 설치되어 이송 가스의 이송 상태값들을 측정하는 상태 감지기; 및
    상기 가스 감지기의 메탄 가스 농도값을 수신하여 기준치 이상이거나 상기 상태 감지기의 이송 상태값들을 수신하여 기준 범위를 벗어나면 상기 차단기를 잠금 상태로 제어하는 제어기; 를 포함하며,
    상기 상태 감지기는,
    가스 배관을 통해 이송되는 메탄 가스의 온도값을 측정하는 온도 센서;
    가스 배관을 통해 이송되는 메탄 가스의 유량값을 측정하는 유량 센서; 및
    가스 배관을 통해 이송되는 메탄 가스의 압력값을 측정하는 압력 센서; 를 포함하며,
    메탄 가스의 누출 발생을 감지하기 위해,
    상기 가스 배관은 하수처리장의 소화조에서 정압기 및 유량계 구간까지는 노출 배관으로서 단일 배관이 설치되고 이후 구간에는 2계열 배관으로 지중에 나란하게 함께 매설되며, 수소 추출 시스템의 정압기 및 유량계부터 수소 추출 시스템까지는 노출 배관으로서 단일 배관이 설치되며,
    상기 2계열 배관은 부취제가 첨가되지 않은 동일한 메탄 가스를 이송하는 두 개의 독립 배관으로서 나란하게 함께 매설되며,
    상기 2계열 배관 내를 흐르는 메탄 가스를 각 점검 박스의 유량 센서, 압력 센서 및 온도 센서의 수신값을 모니터링 관제 센터에서 모니터링하여 각 점검 박스 지점별 센서의 수신값에 차이가 발생하거나 상시 모니터링 값보다 낮은 수신값이 측정되면 누출 발생으로 판단하며,
    메탄 가스의 누출 발생 감지시,
    2계열 배관에 대해 두 배관 중 어느 하나로만 메탄 가스가 이송되도록 제어한 후 상기 점검 박스의 유량 센서를 통해 해당 배관의 가스 이송 유량을 체크하고, 또한 다른 하나의 배관으로만 메탄 가스가 이송되도록 제어한 후 상기 점검 박스의 유량 센서를 통해 해당 배관의 가스 이송 유량을 체크하며,
    상기 모니터링 관제 센터의 각 배관에 대한 가스 이송 유량의 체크 결과, 두 배관의 가스 이송 유량에 기준 이상의 차이가 있으면 가스 누출 상황으로 판단하며,
    상기 모니터링 관제 센터가 상기 점검 박스 중 어느 하나에서 2계열 배관 중 어느 한 배관에서 가스 누출 상황을 감지하면 해당 점검 박스의 제어기를 통해 가스 누출 상황이 감지된 배관의 차단기를 작동시켜 가스 누출이 일어난 배관의 메탄 가스 이송을 중지하고 가스 누출이 일어나지 않은 배관만으로 중단 없이 메탄 가스를 이송시키도록 제어되는 것을 특징으로 하는 메탄 가스용의 매설 배관 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 점검 박스가 매설된 지상 위치에는 지중 점검 박스의 제어기와 연결되는 표지기가 설치되며,
    상기 표지기는 점검 박스 내 가스 감지기에서 측정된 메탄 가스 농도나 가스 배관 내 상태 감지기에서 측정된 메탄 가스의 온도값, 유량값 및 압력값 중 적어도 하나의 값을 외부에 표시하는 것을 특징으로 하는 메탄 가스용의 매설 배관 시스템.
  9. 삭제
  10. 제 1항 및 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 배관의 매설로를 따라 기준 구간별로 가스 배관 영역까지 수직상으로 관통형성되어 메탄 가스 누출을 감지할 수 있는 검지기를 진입시키도록 마련되는 검지소; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 메탄 가스용의 매설 배관 시스템.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 검지소는 지표에서 700 내지 900 mm의 지중에 설치되는 수평 자세의 보호판 하부에 매설되는 가스 배관에서 누출되는 메탄 가스를 감지할 수 있도록,
    지표의 검지공에서 상기 보호판의 검지홀까지 연장되는 중공 형상의 검지봉;
    지표 상으로 노출되며 상기 검지공을 개폐하는 검지캡; 및
    상기 검지공을 통해 삽입되어 보호판 하부에서 가스 배관의 메탄 가스 누출을 감지하는 검지기; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 메탄 가스용의 매설 배관 시스템.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 검지소는 상기 가스 배관의 매설로를 따라 20 내지 60 m의 구간마다 설치되는 것을 특징으로 하는 메탄 가스용의 매설 배관 시스템.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 모니터링 관제 센터는 각 점검 박스의 제어기와 연동되는 관제 단말이 운영되며,
    상기 관제 단말은,
    각 점검 박스의 위치별로 점검 박스 내 가스 감지기에서 측정된 메탄 가스 농도, 가스 배관 내 상태 감지기에서 측정된 메탄 가스의 온도값, 유량값 및 압력값, 가스 감지기의 메탄 가스 감지 여부, 상태 감지기의 이송 가스의 이송 상태, 차단기의 차단 여부를 메인 화면에 표시하거나,
    각 점검 박스의 메탄 가스 검출 시 또는 각 점검 박스의 이송 가스 이송 상태 이상 시에 위험경보를 화면표시 및 음향출력하거나,
    각 점검 박스의 차단기를 개별적으로 제어할 수 있는 관리 화면을 표시하거나,
    각 점검 박스의 제어기로부터 주기적으로 전달되어 저장되는 메탄 가스 농도, 메탄 가스의 온도값, 유량값 및 압력값, 가스 감지기의 메탄 가스 감지 여부, 상태 감지기의 이송 가스의 이송 상태, 차단기의 차단 기록을 시간별로 조회하여 표시하는 것을 특징으로 하는 메탄 가스용의 매설 배관 시스템.
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