KR20120139746A

KR20120139746A - 충진 레벨 측정 장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR20120139746A
Application number: KR20127024368A
Authority: KR
Inventors: 프랭크 디지오벡; 조아킴 조아난닝
Original assignee: 티센크루프 우데 게엠베하
Priority date: 2010-02-22
Filing date: 2011-02-17
Publication date: 2012-12-27
Also published as: EP2539788B1; DE102010008843A1; PL2539788T3; WO2011101139A3; US20130192680A1; JP5823415B2; ES2488827T3; WO2011101139A2; JP2013520641A; CN102822758B; CN102822758A; EP2539788A2

Abstract

용기 내 액체 공급 밸브를 이용한 액체-가스 혼합물의 충진 레벨을 제어하기 위한 측정 장치에 있어서, 튜브-형상의 수평 유압 장치들을 통하여 상기 용기의 내부 챔버와 유체-베어링 방식으로 연결되고 상기 용기의 외부 측벽에 설치되는 적어도 하나의 수직 유체 급수탑을 포함하되, 제1 하부 레벨 유압 장치는 상기 유체 급수탑 내에서의 충진 레벨이 상기 용기 내에서의 충진 레벨과 함께 변경되도록 상기 용기의 바닥에 근접하게 설치되고, 자유롭게 선택될 수 있는 상기 용기 내 충진 레벨에 대한 설정점이 초과될 때, 상기 유체 급수탑 내의 충진 레벨이 변경되도록 제2 유압 장치는 상기 용기 내 충진 레벨의 상기 설정점 상측에 제공되며, 상기 측정 장치는 디스플레이 및 상기 용기의 액체 공급 밸브와 제어가능하게 연결되는 제어 유닛을 장착하고, 상기 용기는 액체 및 가스를 위한 유입 및 유출 라인들을 포함하고, 상기 유체 급수탑은 상기 용기 내부로 수평으로 돌출되어, 상기 용기 내 상기 충진 레벨의 상기 설정점의 높이 또는 상기 설정점 아래에 설치되는 적어도 추가적인 튜브-형상의 제3 유압 장치를 구비하고, 그리고 상기 제1 하부 레벨 유압 장치는 제공된 다른 유압 장치들과 관련하여 역류를 조절하도록 설계된다.

Description

충진 레벨 측정 장치 및 그 방법{DEVICE AND METHOD FOR MEASURING THE FILLING LEVEL}

본 발명은 액체-가스 혼합물을 갖는 용기 내에서 레벨 제어로서 새로운 측정 장치 및 공정뿐만 아니라 그 적용에 관한 것이다. 본 발명은 또한 증기 드럼에도 사용될 수 있으며, 일반적으로 증발기뿐만 아니라 2상(two-phase) 혼합물용 분리기에 사용될 수 있는 것으로 생각할 수 있다.

종래 기술로부터, 레벨 게이지(level gauge)는 각 용기의 측부에 배치되고, 용기 내 유체 레벨을 관찰하기 위한 투시 유리를 장착한 급수탑으로서 실행되는 것으로 알려져 있다. 각 급수탑은 유체-전달 방식으로 용기의 내부 챔버와 연결되는 상부 및 하부 레벨 게이지 연결부를 구비한다. 하부 레벨 게이지 연결부는 용기의 바닥에 근접하게 설치되고, 상부 레벨 게이지 연결부는 유체 레벨을 위한 원하는 설정점보다 상당히 높게 위치된다.

측정은 "연통 파이프"의 원리에 의거하여 수행된다. 유체 급수탑 내의 액체 및 용기 내의 액체가 동일한 밀도(rho)를 갖는 한, 용기에 나타나듯이, 유체 급수탑은 동일한 레벨 상태를 보여준다. 순수 액체의 경우, 용기 내의 액체 및 측정 파이프 내의 액체가 동일한 밀도값을 갖는 이러한 기본적인 전제 조건은 양호한 정밀도로 만족되며, 설명된 측정 원리는 어떠한 어려움도 없이 적용될 수 있다.

그러나, 용기 내의 액체-가스 혼합물에 있어서, 밀도는 액체에 함유된 가스량에 의존한다. 이는, 2상 혼합물이 급수탑에서 분리되고 순수 액체가 상응하는 높은 밀도를 갖기 때문에, 2상 혼합물을 담고 있는 용기에 대한 레벨 측정에 관한 한, 상술한 요건들이 언제나 만족되는 것은 아니다는 것을 의미한다. 따라서, 이러한 측정과 관련된 불확실성은 어느 정도 존재한다. 용기 내 액체의 밀도가 유체 급수탑 내 밀도의 단지 절반인 작동 조건들이 실제로 존재한다. 증발기의 구비로, 상승하는 가스 기포의 양과 그에 따른 유효 밀도의 감소는 증발기 부하와 연관성이 있으며, 따라서, 2상 혼합물과 액체 사이의 비중에 일정한 편차가 존재하지 않는다. 이는 하부 레벨 게이지 연결부에 대한 유효 압력이 증발기 챔버 내 매질의 유효 밀도에 의존한다는 것을 의미한다. 그러나, 이러한 밀도는 외부로부터 직접적으로 판단될 수 없는 정도까지 증발하는 매질의 증기 기포 농도에 의해 감소된다.

따라서, 증발기의 구비로, 증발기 챔버 내 매질의 유효 밀도가 근본적으로 감소하는 정도는 액체 증발량, 즉, 증발기 부하에 의존한다. 이런 이유로, 비록 표시된 충진 레벨이 정상이라고 나타나지만, 증발기 챔버 내 충진 레벨이 액적(droplet) 분리기까지 상승하는 것이 가능하다.

모든 열 교환기 튜브들이 액체로 덮일 때, 증발기는 최적 충진 레벨에 도달되고, 증발기는 최대 용량으로 수행될 수 있다. 유체가 가스와 함께 용기를 나가는 위험이 존재하기 때문에, 높은 충진 레벨은 필수적이지도 바람직하지도 않다. 이는, 결과적으로, 다운스트림 기계들에 손상을 줄 수 있다.

일반적으로, 증발기의 예를 이용하여 본원에서 나타낸 이러한 문제는 증기 드럼과 같은 2상 혼합물을 담고 있는 다른 모든 용기들에서 또한 발생하는 것으로 알려져 있다. 이러한 경우에, 목적은 일반적으로 용기 중앙의 충진 레벨 근방에서의 설정점이 기상 및 액상으로의 분리가 가능한 한 완전하게 되는 것을 보장하도록 하는 데 있다.

대체로, 이러한 타입의 용기로부터 액체가 기상과 비말될 때, 염과 같은 불순물들이 그것과 함께 배출될 수 있기 때문에 바람직하지 않다. 이는 다운스트림 공장 부품들에 부식 및 침식을 야기할 수 있다. 암모니아 공장 내 냉동 공장의 경우와 같이, 바로 하측에 증발기를 구비한 공장들에서, 예를 들어, 이는 임펠러의 손상으로도 이어질 수 있다.

이로부터, 2상 혼합물이 발생할 때, 설명된 측정 원리는 적용에 있어서 제한이 뒤따른다. 이 경우, 로컬 광학 디스플레이 또는 전기 압력 센서를 이용한 원격 디스플레이의 채용 여부는 상관이 없다.

만일 설명된 측정 부정확에도 불구하고 측정 튜브 내의 표시에 의존하면, 액체-가스 혼합물을 담고 있는 용기의 충진 레벨을 제어하기 위한 이러한 타입의 제어 루프의 작동은 많은 경험 및 세심함을 요구한다. 용기 내의 충진 레벨을 모든 가능한 부하 조건들에 맞게 최적으로 조절하는 것은 불가능하다.

이는 용기의 구조 및 적용 또는 작동에 따라 최적 작동 레벨이 알려져 있지만, 이것을 어떻게 정확하게 측정할지는 여전히 해결되어야 할 과제로 남아있음을 의미한다.

따라서, 본 발명의 목적은, 용기 내 충진 레벨의 특정 설정점에서 용기 내 유체 레벨이 액체가 기상과 함께 용기로부터 배출되는 레벨로 상승하지 못하게 보장하는 것을 가능하게 하는, 측정 장치 및 이 측정 장치를 작동시키기 위한 공정뿐만 아니라 이 측정 장치를 위한 적용을 제공하는 데 있다.

이는 용기 내 액체 공급 밸브를 이용한 액체-가스 혼합물의 충진 레벨을 제어하기 위한 새로운 측정 장치에 의해 달성되고, 상기 장치는 튜브 형상의 수평 유압 장치들을 통하여 상기 용기의 내부 챔버와 유체-베어링 방식으로 연결되고 상기 용기의 외부 측벽에 설치되는 적어도 하나의 수직 유체 급수탑을 포함하되,

· 제1 하부 레벨 유압 장치는 상기 유체 급수탑 내에서의 충진 레벨이 상기 용기 내에서의 충진 레벨과 함께 변화되도록 상기 용기의 바닥에 근접하게 설치되고,

· 자유롭게 선택될 수 있는 상기 용기 내 충진 레벨에 대한 설정점이 초과될 때, 상기 유체 급수탑 내의 충진 레벨이 변경되도록 제2 유압 장치는 상기 용기 내 충진 레벨의 상기 설정점 상측에 제공되며,

· 상기 측정 장치는 디스플레이 및 상기 용기의 액체 공급 밸브와 제어가능하게 연결되는 제어 유닛을 장착하고,

· 상기 용기는 액체 및 가스를 위한 유입 및 유출 라인들을 포함하고,

· 상기 유체 급수탑은, 상기 용기 내부로 수평으로 돌출되어 상기 용기 내 상기 충진 레벨의 상기 설정점의 높이 또는 상기 설정점 아래에 설치되는 적어도 추가적인 튜브 형상의 제3 유압 장치를 구비하고, 그리고

· 상기 제1 하부 레벨 유압 장치는 제공된 다른 유압 장치들과 관련하여 역류를 조절하도록 설계된다.

그렇게 함에 있어서, "상기 용기 내 충진 레벨의 설정점의 높이에"라는 표현은 상기 용기 내부로 수평으로 돌출되며, 상기 튜브-형상의 유압 장치의 중심점에서 측정된 설정점에 직접적으로 상응하는 튜브-형상의 제3 유압 장치를 설치하는 것을 의미한다.

상기 설정점 아래에 이러한 제3 유압 장치를 설치하는 것은, 상기 용기 내에서 상기 설정점에 도달시, 상기 유체 급수탑 내 상기 유체 레벨이 표시되는 것 외에도, 해당값이 상기 유체 급수탑 내에 또한 표시될 수 있는 것을 보장한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 용기 내부로 수평으로 돌출되며, 상기 유압 장치의 직경의 중심점에서 측정되는 상기 튜브-형상의 제3 유압 장치는 상기 설정점에 대하여 1 내지 25%에서, 바람직하게는 1 내지 15%, 더욱 바람직하게는 상기 설정점 아래의 8 내 12%에 설치된다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 용기는 증발기이고, 상기 증발기 내 충진 레벨의 설정점은 상기 증발기에 포함된 가열 유닛을 완전히 덮음으로써 얻어진다. 따라서, 상기 증발기 내의 상기 가열 유닛은 적어도 하나의 열교환기 튜브를 포함한다. 상기 액체는, 예를 들어, 종래 기술로부터 알려진 임의의 냉각 액체일 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 상기 용기는 증기 드럼이며, 상기 증기 드럼 내 충진 레벨의 설정점은 중앙 충진 레벨에서 얻어지고, 상기 증기 드럼 내 중앙 유체 레벨의 편차는 0 내지 20%, 바람직하게는 0 내지 10%, 더욱 바람직하게는 0 내지 5%가 허용된다.

상기 제1 유압 장치의 상기 역류-조절 실시형태는 프로파일-제한 장치 및/또는 밸브 및/또는 역류 스로틀을 이용한 방법들 중 하나를 포함한다.

상기 튜브 형상의 유압 장치는 노즐 및 튜브 군으로부터 선택되는 것이 유리하다.

상기 디스플레이 및 제어 장치는 센서 및/또는 프로브를 구비하는 것이 바람직하다.

설명된 측정 장치를 이용하여 용기 내 액체-가스 혼합물의 충진 레벨을 제어하기 위한 해당 공정은 다음의 공정 단계들을 포함한다:

· 액체가 상기 용기 내로 공급되고, 상기 액체는 상기 용기의 바닥에 근접하게 설치되고, 제공된 다른 유압 장치들과 관련하여 상기 역류를 조절하도록 설계된 제1 유압 장치를 통하여 상기 용기의 외측에 고정된 상기 액체 급수탑 내로 흐르며,

· 충진 레벨이 상기 용기 내에서 더 상승하여 상응하는 레벨에 도달하면, 상기 액체는 상기 용기의 충진 레벨의 설정점의 높이에 또는 설정점 아래에 설치되는 적어도 하나의 추가적인 제3 유압 장치를 통하여 공급되고, 상기 유체 급수탑 내의 상기 액체는 실제 레벨까지 채워지며,

· 추가적인 액체가 상기 용기 내로 공급시, 상기 유체 급수탑 내 상기 액체의 레벨은 더 위로 채워지며,

· 상기 외부 유체 급수탑 내 상기 액체로부터 탈출하는 임의의 가스는 상기 용기 내 상기 충진 레벨의 상기 설정점 상측에 설치되는 제2 유압 장치를 통하여 공급되며,

· 상기 설정점에 도달시, 상기 용기 내 상기 액체 공급은 상기 용기의 상기 액체 역류 밸브를 닫도록 하는 신호를 제어 장치에 전송하는 상기 유체 급수탑 내의 디스플레이 장치에 의해 중지되고, 그리고

· 상기 설정점에 도달하지 못하는 경우에, 신호는 상기 디스플레이 및 제어 장치에 의해 전송되어서 상기 용기의 상기 액체 역류 밸브가 열리게 된다.

본 공정의 또 다른 실시예에서, 액체는 증발기인 상기 용기 내로 공급되고, 상기 액체는 가열 유닛을 통하여 증발기 내에서 가열되며 가스로서 상기 증발기로부터 배출된다.

본 발명의 또 다른 가능한 실시예에서, 가스 기포가 풍부한 액체는 증기 드럼인 상기 용기 내로 공급되고, 상기 액체는 상기 증기 드럼 내에서 상기 가스 기포로부터 분리되며, 가스 및 액체는 별도의 흐름으로 상기 증기 드럼으로부터 배출된다.

바람직한 적용은 상기 측정 장치가 상기 충진 레벨을 제어하기 위한 2상 혼합물을 담고 있는 냉증발기에서 충진 레벨을 제어하기 위해 사용된다는 것임을 알 수 있다. 본 적용은 특히 암모니아 공장에 유리하다. 또한, 온증발기에 사용될 수도 있다.

또 다른 가능한 적용은 물/증기 혼합물이 분리되는 증기 드럼에서 충진 레벨을 제어하기 위해 상기 측정 장치를 사용하는 것이다.

다음의 도면들은 본 발명의 다른 설계 변형들을 더욱 상세하게 설명하도록 이용된다:
도 1은 용기의 횡단면으로서, 액체-가스 혼합물의 충진 레벨을 제어하기 위한 종래 기술에 따른 측정 장치를 개략적으로 보여준다.
도 2는 용기의 횡단면으로서, 액체-가스 혼합물의 충진 레벨을 제어하기 위한 본 발명에 따른 측정 장치를 개략적으로 보여준다.
도 3은 본 발명에 따른 장치를 사용시 액체 레벨에서 예측되는 측정 오차를 나타낸다.
도 4는 쉘 및 튜브 냉증발기의 횡단면을 이용하여 액체-가스 혼합물의 충진 레벨을 위한 본 발명에 따른 측정 장치를 개략적으로 보여준다.
도 5는 증기 드럼의 횡단면을 이용하여 물-증기 혼합물의 충진 레벨을 위한 본 발명에 따른 측정 장치를 개략적으로 보여준다.

도 1은 종래 기술에 따른 측정 장치(4)로의 연결을 제어하는 제어가능한 액체 공급 밸브(3)를 장착한 공급 라인(2)을 갖는 용기(1)를 보여준다. 액체가 용기(1) 내에 있다면, 이 액체는 용기의 바닥에 근접하게 설치된 종래 기술에 따른 측정 장치(4)의 제1 하부 레벨 게이지 연결부(5)로 흐른다. 용기(1) 내에서의 충진 레벨이 상승함에 따라, 종래 기술에 따른 측정 장치(4)의 유체 급수탑(7) 내의 액체 컬럼(6) 또한 상승한다. 유체 급수탑(7) 내의 액체 컬럼(6)은 액체의 정지값(8)까지 상승한다.

액체가 가스 기포를 함유하면, 유체 급수탑(7)에 표시된 액체 레벨(6)은 나중에 용기 내부에 있는 매질의 유효 밀도에 의존하는, 제1 하부 레벨 게이지 연결부(5)에 대한 유효 정압(9)의 결과 생기는 오차를 갖는다. 이 밀도는 용기 내 액체의 가스 기포 농도에 의해 감소된다. 종래 기술에 따른 측정 장치에서, 가스와 액체는 외부 유체 급수탑(7) 내에서 분리되고, 가스는 용기(1) 내 설정점(10) 상측에 제공된 제2 상부 레벨 게이지 연결부(13)를 통하여 배출되며, 액체 컬럼(6)은 상응하는 높은 밀도를 갖는 액체만을 포함한다. 하부 레벨 게이지 연결부(5) 내에 압력 평형이 존재하기 때문에, 액체 컬럼(6)의 높이는 원칙적으로 용기 내부에서 보다 낮다.

이런 이유로, 용기 내부의 액체 높이의 실제값(11)은 유체 급수탑 내의 액체 컬럼(6)보다 이미 더 높아지는 것이 가능하다. 만일 y_d가 용기 내 액체의 평균 증기 함량이면, 종래의 측정 장치의 상대 오차에 대한 식 F_h = (h_b - h_m)/h_b = 1 - h_b/h_m = y_d가 하부 레벨 게이지 연결부(5) 내 정수압(hydrostatic pressure)의 평형으로부터 유도될 수 있다. 오차는 근본적으로 액체의 용적 가스 함량에 의존하며, 전체 측정 범위에 걸쳐 대체로 일정하다. 식에서, h_b는 용기 내 액체 레벨의 실제 레벨(8)을 나타내며, h_m은 도 1에 따라 측정된 값(6)을 나타낸다.

이런 이유로, 측정 장치(4)를 통하여 용기 내측의 2상 혼합물을 위한 원하는 설정점(10)을 유지하는 것과 액체가 가스 배출 노즐(2)을 통하여 용기(1)로부터 배출되는 것을 방지하는 것은 매우 어렵다.

용기(1) 내 실제 액체 레벨의 식별이 늦으면, 액체가 기상(gas phase)이 되어 결국 가스 배출 노즐(12)을 통하여 용기(1)로부터 배출될 수 있기 때문에 매우 불리하다.

본 발명에 따른 측정 장치(15)를 구비한 용기(1)를 보여주는 도 2에서, 액체가 내부에서 흐를 때, 액체는 또한 측정 장치(15)의 제1 하부 레벨 게이지 연결부(5)를 통하여 유체 급수탑(7) 내로 흐른다. 그렇게 함으로서, 유체 급수탑 내의 액체 컬럼은 액체의 정지값(8)까지 상승한다. 이는 도 1로부터 액체 컬럼(6)과 동일한 값에 해당한다.

액체가 가스 기포를 함유하면, 유체 급수탑(7) 내에 표시된 액체 레벨은 본 발명에 따른 측정 장치(15)에도 불구하고, 도 1의 설명에서 제시된 오차와 동일한 오차를 갖는다. 용기(1) 내 액체 레벨이 심지어 더 상승한다면, 액체는 용기(1)의 충진 레벨 설정점(10) 아래에 설치된 추가적인 게이지 연결부(14)를 통하여 공급된다. 따라서, 유체 급수탑(7) 내에서 도 1로부터 액체 컬럼(6)은 실제 레벨까지 채워진다. 유체 급수탑(7)의 맨 아래 부분에서의 정압(static pressure)(9)이 용기의 바닥에서의 정압보다 높기 때문에, 구동력이 유체 급수탑(7)에서 바로 발생한다. 이는 용기(1) 내 충진 레벨이 동일한 높이일 때, 순수 액체가 유체 급수탑(7)에 존재하는 동안 2상 혼합물이 효력을 발휘한다는 사실에 기인한다. 이는 유체 급수탑(7)에서 시작될 루프 흐름을 발생시키며, 유체 급수탑(7) 내 액체는 제1 하부 레벨 게이지 연결부(5)를 통하여 용기(1)로 되돌아 간다. 본 발명에 따른 측정 장치(15)의 경우, 액체가 추가적인 게이지 연결부를 통하여 진행하는 것 보다 더 빨리 유체 급수탑으로부터 벗어날 수 없도록 이러한 역류는 역류 밸브 조절(16)을 통하여 제지된다. 이런 이유로, 이 작동점에서의 측정은 매우 정확하며, 설정점(10)에 거의 상응한다. 이러한 측정 오차는 도 3에 관한 아래의 설명에서 다룬다.

그러나, 이러한 작동점을 위한 설정점에 아직 완전히 도달하지 않았기 때문에, 공급 밸브(3)는 열린 채로 있고, 유체 급수탑(7) 내의 액체 컬럼(17)은 지속적으로 상승한다. 유체 급수탑(7) 내의 액체로부터 탈출하는 가스는 용기(1) 내 설정점(10) 상측에 제공된 제2 상부 레벨 게이지 연결부(13)를 통하여 유체 급수탑(7)을 나간다. 설정값에 도달시, 액체는 센서를 통하여 제어가능한 액체 공급 밸브(3)로 전송된 신호에 의해 용기(1) 내부로의 공급이 중지되고, 액체 공급 밸브(3)는 닫힌다.

용기(1) 내의 액체가 계속 상승하면, 액체는 상부 레벨 게이지 연결부(13)를 통하여 유체 급수탑(7)으로 흐르고, 여기서 유체 급수탑(7) 내의 액체 컬럼(17)은 더 채워지고, 초과값이 표시된다. 초과값에 도달시, 새로운 신호가 센서를 통해 제어가능한 액체 공급 밸브(3)로 전송되며, 여기서 액체 공급 밸브(3)는 닫히고, 결과적으로 액체가 더 이상 용기(1) 내부로 유입되지 않는다.

설정점(10)을 초과할 때만, 액체 공급 밸브(3)가 다시 열리도록 하여 액체가 용기(1) 내부로 다시 흐르도록 하는 새로운 신호가 액체 공급 밸브(3)로 전송된다.

본 발명에 따른 장치에서 예측되는 측정 오차는 도 3을 이용하여 아래에서 상세히 설명된다. 만일, 도 2에 도시된 바와 같이, 용기 내 액체의 용적 증기 함량이 y_d로, 용기 내의 액체 레벨이 h_b로, 새로운 측정 장치의 액체 레벨이 h_m으로, 제3 공급 밸브(14)의 높이가 H로, 게다가, 하부 레벨 게이지 연결부의 유량 계수가 K_vs,_D1으로, 그리고 공급 밸브(14)의 유량 계수가 K_vs,_D2로 확인되면,

H_m < H의 경우,

용기 내 실제 액체 레벨(h_b) 및 표시된 측정값(h_m) 사이의 상관관계는

h_b = h_m ^*[1 + H/h_m ^*(1 - y_d)^2*(K_VS _, _D2/K_VS _, _D1)²]/[(1 - y_d) + (1 - y_d)^2* (K_VS,D2/K_VS,D1)²]로,

그리고 실제값 및 측정된 값(6) 사이의 상대 오차는

F_u = (h_b - h_m)/h_b = 1 - h_m/h_b

F_u = 1 - [(1 - y_d) + (1 - y_d)^2*(K_VS _, _D2/K_VS _, _D1)²]/[1 + H/h_m ^*(1 - y_d)^2* (K_VS,D2/K_VS,D1)²]로,

더욱이,

h_m > H의 경우,

용기 내 실제 액체 레벨(h_b)과 표시된 측정값(h_m) 사이의 상관관계는

h_b = h_m ^*[y_d ^*H/h_m + (1 - y_d) + (1 - y_d)^2*(K_VS _, _D2/K_VS _, _D1)²]/[(1 - y_d) +

(1 - y_d)^2*(K_VS _, _D2/K_VS _, _D1)²]로,

그리고 실제값 및 측정된 값 사이의 상대 오차는

F_o = [(1 - y_d) + (1 - y_d)^2*(K_VS _, _D2/K_VS _, _D1)²]/[y_d ^*H/h_m + (1 - y_d) +

(1 - y_d)^2*(K_VS _, _D2/K_VS _, _D1)²]

로 나타낼 수 있다.

도 3은 새로운 측정 장치에서 잔류 오차가 하부 레벨 게이지 연결부(5) 유동 특성(K_VS _, _D1)뿐만 아니라 추가적인 제3 게이지 연결부(14)의 유동 특성(K_VS _, _D2)의 선택에 어떻게 의존하는 지를 보여주며, 그리고 적절한 상관관계(K_VS _, _D2/K_VS _, _D1)가 선택되었을 때, 심지어 액체 내 높은 레벨의 증기 함량(y_d)에 대해 매우 작은 정도의 잔류 오차를 보여준다. 이런 연유로, 도 3a는 h_m < H 범위의 오차를 보여주며, 도 3b는 h_m ≥ H 범위의 오차를 보여준다.

도 4는, 예를 들어, 암모니아 공장에서 사용되는 것과 같이, 냉증발기(23)를 이용한 본 발명에 따른 측정 장치의 적용을 보여준다. 절차적으로 가능하다면, 빈 냉증발기(23)로 또한 시작될 수 있다. 액체 냉매(21, 22)가 제1 하부 레벨 게이지 연결부(5)로 유입되자마자 아래의 도 2에서 설명된 바와 같이, 측정 장치는 작업을 시작한다. 이 적용에 있어서, 열교환기 튜브(18)를 냉매(21, 22)로 완전히 덮음으로써 설정점(10)은 얻어진다. 냉증발기에 포함된 열교환기 튜브(18)로 인해, 냉증발기(23) 내에 존재하는 액체 냉매(21, 22)는 증발하여 액체 내에 상승하는 가스 기포들을 형성하고, 그 결과 2상 혼합물이 생긴다. 이러한 가스 기포는 가스 배출 밸브(12)를 통하여 냉증발기(23)를 나온다. 이러한 가스 냉매는 파이프라인(19)을 통하여 증발기(20) 내부로 공급되고, 그 덕분에 가스 냉매가 다시 액화되고 냉증발기(23)로 다시 공급되며, 그것에 의해 냉매 순환로를 닫는다. 외부 냉매는 파이프라인(22)을 통하여 맨 꼭대기까지 올라갈 수 있다. 본 적용에 있어서 바람직하게는, 암모니아가 냉매로서 사용된다.

냉증발기(23)의 작동을 최대 부하로부터 경(light)-부하까지 변경시킬 때, 냉증발기(23)가 경-부하 작동 상태인 경우, 액체가 더 적게 증발하기 때문에 액체 내 가스 기포는 더 적어진다. 따라서, 2상 혼합물의 용적은 이러한 양만큼 감소된다. 이러한 결과 냉증발기(23) 내의 충진 레벨이 급격하게 하락한다. 도 2에서 설명된 제어 과정이 이제 시작되며, 충진 레벨의 설정점(10)이 다시 최적 레벨로 된다.

만일 냉증발기(23)가 경-부하 작동으로부터 최대-부하 작동으로 역 부하 변경되면, 냉증발기(23)는, 만일 자발적인 변경이라면, 오버플로우될 수 있는 위험이 존재한다. 이러한 이유는, 상술한 바와 같이, 액체 냉매가 낮은 레벨의 가스 기포 생성 결과로서 재조정되는 경-부하 작동을 위해 냉증발기(23) 내 충진 레벨이 최적점에 위치된다는 사실에 있다. 냉증발기(23)가 최대 부하 작동으로 갑작스럽게 가게 됨으로 인해 가스 기포 농도가 자발적으로 증가한다면, 냉증발기(23) 내 충진 레벨의 용적 또한 증가한다. 이는 부하 변화의 증감율이 냉증발기(23)의 챔버 용적을 초과하지 않을 수 있다는 것을 의미한다. 만일 이러한 요구가 만족된다면, 최적 충진 레벨, 즉, 설정점(10)에 다시 도달하여 측정 장치가 도 2에서 설명된 바와 같이 규칙적인 작동을 재개할 때까지 제어가능한 공급 밸브(3)가 닫힌 상태로 유지되는 동안, 너무 높은 충진 레벨은 증발에 의하여 감소될 것이다.

도 5는 증기 드럼(26)을 이용한 본 발명에 따른 측정 장치의 적용을 보여준다. 아울러, 물-증기 혼합물(24)이 공급 파이프라인(2)을 통해 증기 드럼(26)으로 공급된다. 물-증기 혼합물(24)이 제1 하부 레벨 게이지 연결부(5)로 유입되자마자, 도 2에서 설명된 것처럼, 측정 장치는 그의 작업을 시작한다. 본 적용에서, 당업자가 알고 있듯이, 설정점(10)은 증기 드럼을 위한 충진 레벨이 대략 중앙일 때 얻어진다. 증기 드럼(26)에서, 액체는 상승 증기 기포(27)로부터 분리되며, 증기(25)는 가스 배출 밸브를 통하여 배출된다. 방출된 액체(29)는 액체 배출 밸브(28)를 통하여 증기 드럼(26)으로부터 배출된다.

본 발명으로부터 유발되는 장점들은 다음과 같다:

- 많은 비용없이 얻어질 수 있고,

- 최적 충진 레벨이 항상 용기 내에서 얻어지며,

- 최적 충진 레벨이 증발기 내의 부하가 변경되는 경우에도 또한 보장되며,

- 측정 장치의 추가적인 제3 유압 장치의 용기 내 충진 레벨이 일단 얻어졌다면, 액체 측정 유리 내에서 광학 디스플레이의 오차는 매우 사소한 오차로서 지장을 받을 뿐이다.

1 용기
2 공급 라인
3 제어가능한 액체 공급 밸브
4 종래 기술에 따른 측정 장치
5 제1 하부 레벨 게이지 연결부
6 액체 컬럼
7 액체 급수탑
8 정지값
9 정압
10 설정점
11 실제값
12 가스 배출 노즐
13 제2 상부 레벨 게이지 연결부
14 추가적인 게이지 연결부
15 본 발명에 따른 측정 장치
16 역류 조절
17 액체 컬럼
18 열교환기 튜브
19 파이프라인
20 증발기
21 액체 냉매
22 액체 냉매
23 냉증발기
24 물-증기 혼합물
25 증기
26 증기 드럼
27 상승 증기 기포
28 액체 배출 노즐
29 증기가 제거된 액체

Claims

용기 내 액체 공급 밸브를 이용한 액체-가스 혼합물의 충진 레벨을 제어하기 위한 측정 장치로서, 튜브-형상의 수평 유압 장치들을 통하여 용기의 내부 챔버와 유체-베어링 방식으로 연결되고 상기 용기의 외부 측벽에 설치되는 적어도 하나의 수직 유체 급수탑을 포함하되,
제1 하부 레벨 유압 장치는 상기 유체 급수탑 내에서의 충진 레벨이 상기 용기 내에서의 충진 레벨과 함께 변화되도록 상기 용기의 바닥에 근접하게 설치되고,
자유롭게 선택될 수 있는 상기 용기 내 충진 레벨에 대한 설정점이 초과될 때, 상기 유체 급수탑 내의 충진 레벨이 변경되도록 제2 유압 장치는 상기 용기 내 충진 레벨의 상기 설정점 상측에 제공되며,
상기 측정 장치는 디스플레이 및 상기 용기의 액체 공급 밸브와 제어가능하게 연결되는 제어 유닛을 장착하고, 그리고
상기 용기는 액체 및 가스를 위한 유입 및 유출 라인들을 포함하는 것인 측정 장치에 있어서,
상기 유체 급수탑은 상기 용기 내부로 수평으로 돌출되어 상기 용기 내 상기 충진 레벨의 상기 설정점의 높이 또는 상기 설정점 아래에 설치되는 적어도 추가적인 튜브-형상의 제3 유압 장치를 구비하고, 그리고
상기 제1 하부 레벨 유압 장치는 제공된 다른 유압 장치들과 관련하여 역류를 조절하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 충진 레벨을 제어하기 위한 측정 장치.
제1항에 있어서,
상기 용기는 증발기이며, 상기 증발기 내 충진 레벨의 상기 설정점은 상기 증발기에 포함된 가열 유닛을 완전히 덮음으로써 얻어지는 것을 특징으로 하는 충진 레벨을 제어하기 위한 측정 장치.
제2항에 있어서,
상기 증발기 내 상기 가열 유닛은 적어도 하나의 열교환기 튜브를 포함하는 것을 특징으로 하는 충진 레벨을 제어하기 위한 측정 장치.
제1항에 있어서,
상기 용기는 증기 드럼이며, 상기 증기 드럼 내 상기 충진 레벨의 상기 설정점은 중앙 충진 레벨로 주어지고, 상기 증기 드럼 내 상기 중심 유체 레벨의 편차는 0 내지 20%, 바람직하게는 0 내지 10%, 더욱 바람직하게는 0 내지 5%가 허용되는 것을 특징으로 하는 충진 레벨을 제어하기 위한 측정 장치.
상기 청구항들 중 한 항에 있어서,
상기 용기 내부로 수평으로 돌출되며, 상기 유압 장치의 직경의 중심점에서 측정되는 상기 튜브-형상의 제3 유압 장치는 상기 설정점에 대하여 1 내지 25%에서, 바람직하게는 1 내지 15%, 더욱 바람직하게는 상기 설정점 아래의 8 내 12%에 설치되는 것을 특징으로 하는 충진 레벨을 제어하기 위한 측정 장치.
상기 청구항들 중 한 항에 있어서,
상기 제1 유압 장치의 상기 역류-조절 실시형태는 프로파일-제한 장치 및/또는 밸브 및/또는 역류 조절 방법들 중 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 충진 레벨을 제어하기 위한 측정 장치.
상기 청구항들 중 한 항에 있어서,
상기 튜브-형상의 유압 장치는 노즐 및 튜브 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 충진 레벨을 제어하기 위한 측정 장치.
상기 청구항들 중 한 항에 있어서,
상기 디스플레이 및 제어 장치는 센서 및/또는 프로브를 구비하는 것을 특징으로 하는 충진 레벨을 제어하기 위한 측정 장치.
상기 청구항들 중 한 항에 따른 용기 내 액체-가스 혼합물의 충진 레벨을 제어하기 위한 공정에 있어서,
액체가 상기 용기 내부로 공급되고, 상기 액체는 상기 용기의 바닥에 근접하게 설치되고, 제공된 다른 유압 장치들과 관련하여, 상기 역류를 조절하도록 설계된 제1 유압 장치를 통하여 상기 용기의 외측에 고정된 상기 액체 급수탑 내부로 흐르며,
상기 충전 레벨이 상기 용기 내에서 더 상승시, 상기 액체는 상기 용기의 상기 충진 레벨의 상기 설정점의 높이에 또는 상기 설정점 아래에 설치되는 적어도 하나의 추가적인 제3 유압 장치를 통하여 공급되고, 상기 유체 급수탑 내의 상기 액체는 실제 레벨까지 채워지며,
추가적인 액체가 상기 용기 내부로 공급시, 상기 유체 급수탑 내 상기 액체의 레벨은 더 위로 채워지며,
상기 유체 급수탑 내 상기 액체로부터 탈출하는 임의의 가스는 상기 용기 내 상기 충진 레벨의 상기 설정점 상측에 설치되는 제2 유압 장치를 통하여 공급되며,
상기 설정점에 도달시, 상기 용기 내 상기 액체 공급은 상기 용기의 상기 액체 역류 밸브를 닫도록 하는 신호를 전송하는 상기 유체 급수탑 내의 디스플레이 및 제어 장치에 의해 중지되고, 그리고
상기 설정점에 도달하지 못하는 경우에, 신호는 상기 디스플레이 및 제어 장치에 의해 전송되어서 상기 용기의 상기 액체 역류 밸브가 열리게 되는 용기 내 액체-가스 혼합물의 충진 레벨을 제어하기 위한 공정.
제9항에 있어서,
액체는 증발기인 상기 용기 내부로 공급되고, 상기 액체는 가열 유닛을 통하여 증발기 내에서 가열되며 가스로서 상기 증발기로부터 배출되는 것을 특징으로 하는 충진 레벨을 제어하기 위한 공정.
제9항에 있어서,
가스 기포가 풍부한 액체는 증기 드럼인 상기 용기 내로 공급되고, 상기 액체는 상기 증기 드럼 내에서 상기 가스 기포로부터 분리되며, 가스 및 액체는 별도의 흐름으로 상기 증기 드럼으로부터 배출되는 것을 특징으로 하는 충진 레벨을 제어하기 위한 공정.
상기 청구항들 중 한 항에 있어서,
상기 충진 레벨을 제어하기 위한 측정 장치는 2상 혼합물을 담고 있는 냉증발기에서 사용되는 것임을 특징으로 하는 충진 레벨을 제어하기 위한 공정.
상기 청구항들 중 한 항에 있어서,
상기 충진 레벨을 제어하기 위한 상기 측정 장치는 암모니아 공장 내 냉증발기에 사용되는 것을 특징으로 하는 충진 레벨을 제어하기 위한 공정.
제1항 내지 제8항에 있어서,
상기 충진 레벨을 제어하기 위한 상기 측정 장치는 물/증기 혼합물이 분리되는 증기 드럼에 사용되는 것을 특징으로 하는 충진 레벨을 제어하기 위한 공정.