KR20000053105A - 6불화 황이 함유된 균일 가스 혼합물의 제조 - Google Patents

6불화 황이 함유된 균일 가스 혼합물의 제조 Download PDF

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Abstract

SF6과 밀도가 적어도 4g/l 더 낮은 다른 가스로부터 균일 압축 가스 혼합물을 적어도 다음과 같은 구성요소를 갖는 혼합 스테이션을 사용하여 제조할 수 있다 : 서로 따로 분리된 가스를 예비 혼합하는 예비혼합기(premixer), 이것에 연결된 정적 믹서(static mixer) 및/또는 완충 탱크(buffer tank), 완충 탱크 또는 정적 믹서에 연결된 콤프레서, 완충 탱크가 설치되어 있는 경우에는 콤프레서로부터의 배출라인과 완충 탱크에 연결된 리턴 라인(return line). 예를들면 전류전도성 지하 케이블(current-conductive underground cable)의 절연 가스(insulating gas)로 사용하는 SF6와 N2의 가스 혼합물을 상기한 방법으로 매우 빠른 속도로 제조할 수 있다. 유량계(mass flowmeter)의 사용으로 매우 정확하고 확실한 제조를 할 수 있다. 또 다른 개시내용은 이 방법을 보충하는 이동용 혼합 스테이션(mobile mixing station)에 관한 것이다.

Description

6불화 황이 함유된 균일 가스 혼합물의 제조{PREPARATION OF HOMOGENEOUS GAS MIXTURES WITH SF6}
본 발명은 SF6이 함유된 균일 압축 가스 혼합물(homogeneous compressed gas mixture)의 제조 방법, 특히 이동용 혼합 스테이션(mobile mixing station)을 사용할 수 있는 제조 방법에 관한 것이다.
원칙적으로 서로 따로 분리되어 있는 가스는 용기에 넣고 확산에 의해서 균일한 가스 혼합물이 될 때까지 장시간 동안 충분히 기다려서 균일한 가스 혼합물을 얻을 수 있다. 그러나 이 방법에 따른 공정은 아주 장시간을 요구하기 때문에 기술적으로 사용할 수 없다. 물론 가스 유체를 정적 믹서(static mixer) 및/또는 공동 라인에 흘려도 가스가 혼합되는 것을 관찰할 수 있다. 그러나 이 방법에 따라서 밀도 차이가 큰 가스를 혼합할 때, 특히 예를 들면 SF6이 함유된 가스일 때는 얻어진 혼합물이 항상 균일한 것이라고는 할 수 없다. 이러한 가스 혼합물은 SF6(6 불화 황)과 N2(질소)의 혼합물이다. 15℃의 온도와 1 bar의 압력(본 발명에서는 정상 조건으로 취급)에서 SF6은 밀도가 6.18 g/l이고 질소 가스는 1.170g/l이다. 이러한 가스 혼합물은 예를들면 전류전도성 지하 케이블(current-conductive underground cable)의 절연 가스(insulating gas)로 사용한다. 이 방법에 따른 문제점은 (대량으로 필요한) 가스 혼합물을 수요 현장에서 제조하여야 한다는 것이다. 공장에서 미리 제조한 가스 혼합물을 사용하고자 할 때는 운송비를 가능한 한 절약하기 위하여 고압 가스 실린더(high-pressure gas cylinder)에 넣어서 운반하여야 한다. 그러나 이 방법은 SF6이 응축되고 분리될 수 있기 때문에 사용할 수 없다.
본 발명은 SF6과 밀도차이가 큰 다른 가스를 사용하여 균일 압축 가스 혼합물을 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한 본 발명의 과제는 혼합 스테이션(mixing station), 특히 이동용 혼합 스테이션을 이용할 수 있는 방법을 제공하는 것이다. 또한 본 발명은 오염과 기상의 영향에 무관한 혼합 스테이션을 제공한다. 상기의 문제점들은 본 발명에 따른 방법과 혼합 스테이션을 사용하여 해소할 수 있다.
본 발명에 따른 서로 따로 분리되어 있는 가스, 즉 SF6가스와 정상 조건에서 밀도가 SF6보다 적어도 4g/l 더 낮은 다른 가스로부터 균일 압축 가스 혼합물을 제조하는 방법에 있어서, 서로 따로 분리된 가스를 예비 혼합하여 불균일 가스 혼합물을 형성하고, 불균일 가스 혼합물을 정적 믹서(static mixer) 및/또는 완충 탱크(buffer tank)에 통과시키고, 완충 탱크와 정적 믹서에서 나온 가스 혼합물을 콤프레서에 유입하여서, 콤프레서로부터 거의 균일 압축 가스 혼합물이 얻어지도록 하며, 완충 탱크가 설치되어 있는 경우에는 콤프레서로부터 나온 균일 압축 가스 혼합물의 일부가 리턴 라인(return line)을 거쳐서 완충 탱크에 리턴(return)되도록 한다.
본 발명에 따른 방법은 사용 현장에서 균일 혼합 가스 혼합물을 제조하는 것을 가능하게 한다. 그러므로 공장에서 균일하게 혼합한 가스 혼합물을 공급할 필요가 없다는 장점이 있다. 또 다른 장점으로는 대량(예, 시간당 200Nm3이상)의 혼합 가스를 제조할 수 있다는 것이다. 이 방법에서 혼합물 제조량은 사용하는 라인의 단면 크기에 따라서 달라진다. 제조한 균일 가스 혼합물의 일괄 판매가 가능하다.
정적 믹서와 완충 탱크를 사용하게되면 가스가 이것을 통하여 공급될 수 있다는 장점이 있다.
실시예에 있어서 완충 탱크를 사용하여 본 방법을 실시하고 리턴 라인에 컨트롤 밸브(control valve)를 설치한다. 이 컨트롤 밸브를 사용하여 가스 혼합물 중의 일부 리턴 유량을 원하는 값으로 설정하게 된다. 이 실시예에서는 콤프레서를 가스 충전상태에서 운전할 수 있으므로, 추가적으로 혼합을 더욱 향상시킬 수 있다는 장점이 있다. 컨트롤 밸브는 콤프레서로부터 배출된 압축 가스 중의 일정량을 리턴시키는 값을 설정할 수 있게 한다.
가스를 충전하고자 하는 지하 케이블이나 고압 실린더가 충전 한계에 도달되는 것을 기록하고 콤프레서 작동을 중단하도록 하는 안전장치를 설치한다. 이것은 설정된 압력 이상에서는 개방되는데, 이것은 콤프레서의 작동을 중단시키는 고압 릴리프 밸브(high-pressure relief valve)를 칭한다. 고압 라인은 완충 탱크와 연결시킬 수 있다. 이러한 방법에 의해서 배출된 가스는 순환 회로 내에 머물러 있게 된다.
본 발명에 따른 방법은 최소한 4.5g/l 이상의 높은 밀도 차이를 나타내는 가스들의 혼합물을 제조하는데 사용할 수 있다. 특히 이 방법은 SF6과 N2가스를 함유하거나, 이러한 가스로 구성된 균일 가스 혼합물의 제조에 적합하다. 이러한 가스 혼합물은 전류전도성 지하 케이블의 절연 가스로 사용된다.
콤프레서는 가스 혼합물을 원하는 압력으로 공급되도록 조절한다. 상기에서 언급한 지하 케이블용 절연 가스로 사용하는 SF6과 N2로 이루어진 가스 혼합물을 1∼13bar의 압력으로 유지할 수 있는 장점이 있다. 특히 압력은 7∼13bar의 범위에 놓인다.
오일 프리(oil-free)작동 콤프레서, 특히 다이아프램형 콤프레서(diaphragm compressor) 및 피스톤형 콤프레서(piston compressor)를 사용하면 많은 장점이 있다.
특정 조성을 가지는 가스 혼합물의 압축 가스 유량은 특히 질량 유량계(mass flowmeter)를 사용하여서 조절한다. 이것은 밀도 차이가 큰 가스의 유량을 온도가 변하여도(일별 또는 년간별 온도 변화의 영향) 정확하게 조절할 수 있다는 장점이 있다. 특히 본 발명에 따른 방법은 3∼50부피%, 특히 3∼20부피%를 차지하는 SF6과 그 나머지가 N2인 균일 압축 가스 혼합물의 제조에 아주 적합하다. 특히 측정 시료에서 SF6에 대한 요구 함량은 이상적인 혼합물에 비하여 최대 ±0.7부피%의 편차를 나타낸다. 경우에 따라서는 리턴 라인을 거쳐서 완충 탱크로 리턴되는 혼합 가스의 량을 높인다. 분석에는 가스 크로마토그래피를 사용한다.
본 발명에 따른 방법의 실시예는 SF6과 N2함유 또는 이것으로부터 이루어진 가스 혼합물을 제조하고, 이것을 전류전도성 지하케이블의 절연 가스로 이용하기 위하여 흘려주는 것이다.
본 발명의 또 다른 측면인 장치는 SF6과 아주 가벼운 가스를 함유한 가스 혼합물의 제조용으로 필요한 본 발명에 따른 방법을 실시하기 위한 혼합 스테이션이다. 이 혼합 스테이션은 최소 2개의 혼합 가스 압축용 공급 라인(input line), 예비혼합 가스 통과용 가스 라인, 예비 혼합 가스 통과용 라인에 가스 라인이 연결된 정적 믹서 및/또는 완충 탱크, 그리고 완충 탱크와 정적 믹서 및 콤프레서와 연결된 가스 라인, 완충 탱크 및 정적 믹서로부터 나오는 가스 혼합물을 압축 및 균일하게 하는 콤프레서, 콤프레서로부터 균일 압축 가스 혼합물을 배출하기 위한 배출 라인(output line), 완충 탱크가 있는 경우에는 콤프레서로부터의 배출라인과 완충 탱크에 연결된 리턴 라인, 리턴 라인에 있는 컨트롤 밸브 등의 부품으로 구성되어 있다. 가스를 혼합하기 위한 가스의 공급 라인은 가스 통과용 라인 쪽의 가스 라인과 T형 관(T piece)으로 연결할 수 있다. 특히, 혼합 스테이션의 일 실시예는 완충 탱크와 리턴 라인에 컨트롤 밸브를 설치한 것을 특징으로 한다.
도 1은 혼합 스테이션의 개략도를 도시한 것이다. 이것은 공급 라인 2개(1, 2), 가스 유량 조절용 밸브 2개(3, 4), 예비 혼합 가스 통과용 가스 라인(5), 완충 탱크(6), 콤프레서(7), 완충 탱크(6)와 콤프레서(7) 사이의 가스 라인(8), 배출 라인(9), 완충 탱크와 콤프레서 사이의 리턴 라인(10), 리턴 라인에 있는 컨트롤 밸브(11), 균일 가스 혼합물의 배출량 컨트롤 밸브(12)로 구성되어 있다.
혼합 스테이션은 1개 또는 다수의 마노미터(manometer), 감압기(pressure reducer), 유량계(flowmeter), 고압 릴리프 밸브(high-pressure relief valve), 콤프레서용 자동 차단기(automatic disconnecter), 시료 배출용 딜리버리 스테이션(delivery station) 또는 균일 가스 혼합용 딜리버리 스테이션과 같은 부품을 더 설치할 수 있다. 특히, 장치에는 질량 유량계(mass flowmeter)를 설치하여 가스량을 조절할 수 있는 장점이 있다. 이 장치는 가스 밀도차가 높아도 온도(일별 및 년간별) 차이에 관계없이 정확한 결과를 얻을 수 있다.
혼합 스테이션은 이동용으로도 설치할 수 있다. 이것은 상기한 혼합 스테이션을 비롯하여 혼합 스테이션 설치용 차대(undercarriage)로 구성되어 있다. 예를 들면 차대로는 화물차 또는 화물차 트레일러(trailer)를 사용할 수 있다. 이것은 혼합 스테이션을 절연 지하 케이블 쪽으로 계속해서 이동할 수 있다는 장점이 있다.
또한 혼합 스테이션에는 1개 또는 다수의 비혼합 가스의 고압 실린더를 마운팅시킬 수 있는 최소 1개의 마운팅 서포터(mounting support), 균일 압축 가스 혼합물을 충전하기 위한 고압 실린더 연결용 커넥터(connector), 고압 실린더용 홀더(holder)를 더 설치할 수 있다.
또한 외부의 영향으로부터 보호하기 위한 유닛을 설치할 수 있다. 오염 및 기후 변화의 영향을 받지 않도록 포장 구조물을 설치할 수 있다.
본 발명에 따른 방법을 도 2를 참조하여 더욱 상세하게 설명한다.
SF6(sulfur hexa-fluoride)과 질소(N2)는 SF6탱크(ST) 및 질소 탱크(NT)로 부터 증발기(V), 마노미터(M)와 감압기(D)를 거쳐서 가스 혼합기(G)로 흐른다. 마노미터와 감압기 사이의 압력은 9∼15bar이다. 가스 혼합기에서 두 가지 가스는 질량 유량계와 스로틀 밸브(throttle valve)를 거쳐서 통과 라인(5)으로 흐른다. 마노미터(M)와 정적 믹서(static mixer, F) 사이의 압력차는 최소한 3bar이다. 예비 혼합 가스는 정적 믹서(F)를 거쳐서 완충 탱크(6)로 흐르고 완충 탱크로부터 라인(8)을 거쳐서 콤프레서(7)에 공급된다. 라인(9)을 거쳐서 콤프레서에서 채취된 가스의 일부는 라인(10)과 컨트롤 밸브(11)를 거쳐서 완충 탱크로 다시 리턴된다. 라인(9)의 압력은 13bar까지 도달하게 된다(즉, 절대 압력 14bar). 가스 시료는 시료 채취부(13, 13＇, 13＂)를 통하여 분석용으로 채취할 수 있다. 라인(9)에서의 유량은 5∼250Nm3/h이다. 균일 가스 혼합물은 라인(9)을 통하여 가스 실린더(도면에는 도시하지 않음)에 충전하게 된다. 컨트롤 밸브(11)는 원하는 혼합정도에 도달하도록 조절된다. 즉, 리턴되는 부피가 클수록 더 이상적인 혼합이 이루어지나. 압축 가스 혼합물의 배출량도 또한 적어진다. 압축 가스는 컷오프 밸브(cutoff valve, 14)를 거쳐서 충전하려는 대상(예; 전기 케이블 또는 고압 실린더)에 공급된다.
SF6탱크와 질소 탱크에서 나오는 유량은 SF6:N2의 부피비가 정확하게 5:95가 되도록 조정한다. 시료 채취부(13)로부터 채취한 시료는 분석 결과 6.7부피%의 SF6과 93.3부피%의 N2를 나타낸다. 이것은 아직도 혼합이 완전히 이루어지지 않았다는 것을 의미한다. 가스 완충 탱크 바로 뒤와 가스 실린더에서 채취한 시료는 각각 5부피%의 SF6과 95부피%의 N2를 나타내는데 이것은 최적의 혼합이 이루어졌다는 것을 의미한다.
SF6:N2의 부피 비율이 15:85로 조절되도록 반복한다. 가스 믹서 바로 뒤에서 채취한 시료는 16.7부피%의 SF6과 83.3부피%의 N2로 나타난다. 완충 탱크 뒤에서 채취한 시료는 15.7부피%의 SF6, 그리고 가스 실린더에서는 15.8부피%의 SF6을 나타낸다. 이상적인 값인 15부피%에 대해 편차가 생기는 것은 가스 믹서가 한계 범위에서 작동하기 때문에, 이로 인하여 SF6:N2의 부피 비율이 조절비율인 15:85로 설정되었음에도 불구하고 실제로는 약 15.7:84.3의 부피비율에서 이상적인 혼합이 이루어 졌기 때문이다.

Claims (15)

  1. 서로 각각 따로 분리된 가스로부터 SF6과 N2가 함유된 균일 압축 가스 혼합물을 제조하는 방법에 있어서,
    서로 따로 분리된 가스를 예비 혼합하여 불균일 가스 혼합물을 형성하고, 불균일 가스 혼합물을 정적 믹서와 완충 탱크에 통과시키고, 완충 탱크와 정적 믹서에서 나온 가스 혼합물을 콤프레서에 유입하여서, 콤프레서로부터 균일 압축 가스 혼합물이 얻어지도록 하며, 여기에서 콤프레서로부터 나온 균일 압축 가스 혼합물의 일부가 리턴 라인을 거쳐서 완충 탱크에 리턴되도록 하여, 3∼50부피%, 특히 3∼20부피%를 차지하는 SF6과 그 나머지가 N2인 균일 압축 가스 혼합물을 제조하고, 특히 측정 시료에서 SF6에 대한 요구 함량이 이상적인 혼합물에 비해 최대 ±0.7부피%의 편차를 나타내는 것을 특징으로 하는 균일 압축 가스 혼합물의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 콤프레서에서 나온 가스 혼합물이 13 바까지의 압력으로 유지될 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 오일 프리 작동 콤프레서를 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 피스톤형 콤프레서 또는 다이아프램형 콤프레서를 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 리턴 라인을 통과하는 가스 혼합물의 압축 가스를 원하는 유량이 되도록 조절하는 컨트롤 밸브가 리턴 라인에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 있어서, SF6과 N2로 구성된 가스 혼합물을 제조하고, 이것을 전류전도성 지하 케이블의 절연 가스로 이용하기 위하여 흘려주는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 혼합하려는 가스 유량을 질량 유량계를 사용하여 조절하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 이동용 혼합 스테이션을 사용하여 실시하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 혼합용 가스를 공급하기 위한 최소 2개의 공급 라인, 예비 혼합 가스 통과용 가스 라인, 예비 혼합 가스 통과용 라인에 가스 라인으로 연결되어 있는 정적 믹서 또는 완충 탱크, 그리고 완충 탱크와 정적 믹서 및 콤프레서와 연결된 가스 라인, 완충 탱크 및 정적 믹서로부터 나오는 가스 혼합물을 압축하고 균일하게 하는 콤프레서, 콤프레서로부터 균일 압축 가스 혼합물을 배출하기 위한 배출 라인, 완충 탱크가 있는 경우에는 콤프레서로부터 나온 배출 라인과 완충 탱크에 연결된 리턴 라인, 리턴 라인에 있는 컨트롤 밸브로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는, 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항의 방법을 실시하기 위한 혼합 스테이션.
  10. 제 9 항에 있어서, 1개 또는 다수의 비혼합 가스의 고압 실린더를 마운팅 시키기 위한 최소 1개의 마운팅 서포터, 균일 압축 가스 혼합물을 충전하기 위한 고압 실린더 연결용 커넥터, 고압 실린더용 홀더가 더 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 혼합 스테이션.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서, 1개 또는 다수의 마노미터, 감압기, 유량계, 딜리버리 스테이션 또는 시료 채취용 딜리버리 스테이션이 그룹으로 이루어진 장치가 최소한 1개 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 혼합 스테이션.
  12. 제 11 항에 있어서, 유량계로서 질량 유량계가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 혼합 스테이션.
  13. a) 제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 혼합 스테이션,
    b) 혼합 스테이션을 장착하는 차대가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 이동용 혼합 스테이션.
  14. 제 13 항에 있어서, 차대로 화물차를 사용하는 것을 특징으로 하는 이동용 혼합 스테이션.
  15. 제 9 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 오염 및 기후와 같은 외부의 영향을 차단하기 위한 유닛이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 혼합 스테이션.
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