정압기지내의 안전밸브 분출용량 관계식 검증을 위한 유동해석 (II) - 안전밸브 유동 해석 및 필요분출면적 - Numerical Analysis for Evaluation of Ejection Capacity Relationship of Safety Valves in Pressure Regulating Station (II) - Flow Analysis and Required Effective Discharge Area of Safety Valve -원문보기
안전밸브는 정압기지 내에 정압기의 파괴 또는 관 내 수분의 응축 등으로 인한 관내 압력의 비정상적인 증가를 자동적으로 완화시켜주는 메커니즘을 가지고 있는 밸브이다. 따라서 정압기지의 안전을 위해서 안전밸브의 유동 특성과 유동 형태를 살펴보는 것은 매우 중요하다. 본 논문은 안전밸브의 분출용량과 필요분출면적에 따른 유동 특성을 수치해석을 통해서 분석하였다. 본 결과를 국내 외 안전밸브 관련 규정인 미국의 API(America Petroleum Institute), 유럽 연합의 EN(European Standard), 프랑스의 NF(Norme Francise)를 이용하여 분석, 비교하였다. 또한 안전밸브의 최대 필요 분출 면적을 이용하여 국내 및 국외 규정을 각각 적용하였을 때의 안전밸브의 필요 설치 수량에 대한 고찰을 해보았다.
안전밸브는 정압기지 내에 정압기의 파괴 또는 관 내 수분의 응축 등으로 인한 관내 압력의 비정상적인 증가를 자동적으로 완화시켜주는 메커니즘을 가지고 있는 밸브이다. 따라서 정압기지의 안전을 위해서 안전밸브의 유동 특성과 유동 형태를 살펴보는 것은 매우 중요하다. 본 논문은 안전밸브의 분출용량과 필요분출면적에 따른 유동 특성을 수치해석을 통해서 분석하였다. 본 결과를 국내 외 안전밸브 관련 규정인 미국의 API(America Petroleum Institute), 유럽 연합의 EN(European Standard), 프랑스의 NF(Norme Francise)를 이용하여 분석, 비교하였다. 또한 안전밸브의 최대 필요 분출 면적을 이용하여 국내 및 국외 규정을 각각 적용하였을 때의 안전밸브의 필요 설치 수량에 대한 고찰을 해보았다.
A safety valve has a valve mechanism for the automatic release of gas from piping system when the pressure exceeds preset limit cause of a defect of a pressure regulator, condensation of water in a pipe. Therefore, for the safety of pressure regulating station, it is essential to study the flow regi...
A safety valve has a valve mechanism for the automatic release of gas from piping system when the pressure exceeds preset limit cause of a defect of a pressure regulator, condensation of water in a pipe. Therefore, for the safety of pressure regulating station, it is essential to study the flow regime and characteristics of safety valve. This article presents the numerical analysis on the flow analysis, the ejection capacity and required effective discharge area of the safety valve that is established in pressure regulating station. Then, the results are compared and analyzed with domestic and foreign regulations such as API(America Petroleum Institute), EN(European Standard), and NF(Norme Francise). Moreover, the installation number of safety valve is considered by using domestic and foreign regulations and maximum reguired effective discharge area of safety valve.
A safety valve has a valve mechanism for the automatic release of gas from piping system when the pressure exceeds preset limit cause of a defect of a pressure regulator, condensation of water in a pipe. Therefore, for the safety of pressure regulating station, it is essential to study the flow regime and characteristics of safety valve. This article presents the numerical analysis on the flow analysis, the ejection capacity and required effective discharge area of the safety valve that is established in pressure regulating station. Then, the results are compared and analyzed with domestic and foreign regulations such as API(America Petroleum Institute), EN(European Standard), and NF(Norme Francise). Moreover, the installation number of safety valve is considered by using domestic and foreign regulations and maximum reguired effective discharge area of safety valve.
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문제 정의
각각의 수식에 적용한 필요 분출량은 수치해석, 고압가스안전관리기준통합고시, EN code, 그리고 Reflux 819 catalog의 수식을 이용한 결과 중 최대값을 사용하였다. 그 이유는 안전도의 측면에서 위험도가 큰 경우에 대해서 비교해보기 위해서이다. 아래의 Fig.
본 연구에서는 천연가스 정압기지 내의 정압기와 안전밸브의 유동해석을 통하여 현재 사용하고 있는 국내 규정의 적합성을 판단하고, 아울러 미국의 API, 유럽연합의 EN code, 그리고 프랑스의 NF와 같은 선진 규정과의 비교, 분석을 하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구의 주된 목표는 한국 가스공사 정압기지 내에 설치되어 있는 안전밸브의 방출 성능 설계를 검증하고 설치 기준 마련을 위한 데이터 확보 및 전산유체 해석을 이용한 안전밸브 분출용량 관계식 검증, 그리고 다양한 운전조건에 따른 설치기준 데이터 및 가시화 결과 구축이다. 이를 위해서 본 연구에서는 앞선 본 연구 논문(I)편의 정압기를 통과하는 유동의 분석 및 질량유량의 계산결과를 이용하여, 국내·외의 안전밸브 분출 용량 및 분출면적에 대한 관계식을 비교, 분석하고, 적절한 안전밸브 설치 수량을 제시하고자 한다.
이를 위해서 본 연구에서는 앞선 본 연구 논문(I)편의 정압기를 통과하는 유동의 분석 및 질량유량의 계산결과를 이용하여, 국내·외의 안전밸브 분출 용량 및 분출면적에 대한 관계식을 비교, 분석하고, 적절한 안전밸브 설치 수량을 제시하고자 한다.
제안 방법
1) 정압기지 내 설치되어 있는 Dresser®의 1900 series 안전밸브의 유동 특성을 알아보았다.
2) 정압기의 분출 유량 및 안전밸브의 필요분출면적을 국내·외 여러 규정과 비교 및 분석하였다.
Dresser®에서 제공하는 1900 series 안전밸브의 단면 정보[13]를 기초로 본 연구에서는 PTC®의 Pro-engineering을 이용하여 3차원 CAD 모델링을 수행하였다[14].
국내 규정인 도시가스안전관리통합고시[9]와 국외 API 520[11] 및 프랑스의 NF E 29-414[12]를 이용하여 필요 단면적을 예측해 보았다. 각각의 수식에 적용한 필요 분출량은 수치해석, 고압가스안전관리기준통합고시, EN code, 그리고 Reflux 819 catalog의 수식을 이용한 결과 중 최대값을 사용하였다.
본 연구에서는 수치해석결과, 다양한 국내 고법/도법 관계식, 그리고 유럽 EN 규정에 나와 있는 분출 유량식을 이용하여 정압기의 분출 유량을 정압기의 출구 압력에 따라 상호 비교해 보았다. 그 결과가 아래의 Fig.
안전밸브를 통과하여 대기로 방출되는 고압가스의 해석을 위하여 출구 압력은 대기압으로 고정하고 입구 조건을 정압기의 유출 압력과 동일하게 변화하여 해석을 수행하였다. 본 해석에는 상용 열·유체 해석 프로그램인 ANSYS®의 Fluent V6.
0을 사용하였으며[15], 수렴성 및 해석시간의 효율성 향상을 위해 육면체 격자(hexahedral mesh)를 구성하였다. 안전밸브의 격자 모습이 Fig. 2에 나타나 있으며, 안전밸브의 통과한 고압가스가 출구를 통해 대기로 방출되는 현상을 모사하기 위하여 대기부분을 포함하여 해석을 수행하였다. 전체 격자의 개수는 약 45만개이다.
안전밸브의 격자 생성에는 상용 격자 프로그램인 ANSYS®의 ICEM-CFD V10.0을 사용하였으며[15], 수렴성 및 해석시간의 효율성 향상을 위해 육면체 격자(hexahedral mesh)를 구성하였다.
대상 데이터
본 연구에 적용될 정압기지는 한국가스공사 표준형 정압기지이며, 본 연구논문(I)편에 언급을 하였으며, 여기에서는 전체 정압기지에서 정압기를 통과한 부분부터 안전밸브를 통하여 대기로 배출되는 부분을 연구한다. 아래의 Fig.
본 연구에서 사용한 안전밸브는 Dresser®의 1900 series이다.
이론/모형
본 해석에는 상용 열·유체 해석 프로그램인 ANSYS®의 Fluent V6.3을 이용하였다[16].
성능/효과
3) 안전밸브의 필요분출면적의 비교 결과 국내 및 국외의 여러 규정간의 많은 차이가 있음을 알 수 있었고, 이는 각 나라별 고려되는 사항 및 설치 환경의 특성에 따라서 안전밸브의 설치 수량의 선택도 다양함을 알 수 있었다.
위의 결과에서 알 수 있듯이 국내의 규정은 미국의 API 규정에 비해서 안전밸브의 분출면적이 평균적으로 100~200 cm2 정도 작게 예측하는 것을 알 수 있다. 국내의 규정을 사용하여 안전밸브를 설치한다면 국외의 규정을 사용하는 것에 비하여 안전밸브의 수량을 적게 설치될 것이며, 이는 국내의 규정은 누출되는 가스의 양을 최소화 하여 주위 환경에 미치는 여파를 최소화하기 위한 목적으로 제정되었음을 알 수 있으며, 프랑스의 NF 규정의 경우에는 안전밸브의 수량이 보다 많게 설치될 것이며, 이는 NF 규정이 시스템의 보호 측면에서는 우수하나 과다 설계로 인한 설치 공간 및 설비비용 증가를 불러올 가능성이 크며, 외부로 누출되는 가스의 양이 증가함으로 환경에의 영향이 클 것으로 생각된다.
전체적인 경향은 서로 유사하지만 분출 유량의 정량적인 수치는 규정 별 차이가 많이 나는 것을 알 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
안전밸브는 어떤 역할을 하는가?
도시가스 정압기지의 시설 안전장치로서 설치되어 있는 안전밸브(safety relief valve)는 설비 내 가스압력이 비정상적으로 상승하여 설정된 압력 값을 초과하게 되면 밸브가 작동되면서 가스를 방출시키는 역할을 한다. 즉, 안전밸브는 정압기의 2차 압력이 정압기의 고장이나 온도 팽창, 기압의 변화 등으로 승압된 경우에 대기 중으로 가스를 방출하여 승압을 방지하는 데 사용된다.
안전밸브의 사용처는?
도시가스 정압기지의 시설 안전장치로서 설치되어 있는 안전밸브(safety relief valve)는 설비 내 가스압력이 비정상적으로 상승하여 설정된 압력 값을 초과하게 되면 밸브가 작동되면서 가스를 방출시키는 역할을 한다. 즉, 안전밸브는 정압기의 2차 압력이 정압기의 고장이나 온도 팽창, 기압의 변화 등으로 승압된 경우에 대기 중으로 가스를 방출하여 승압을 방지하는 데 사용된다. 따라서 정압기 및 안전밸브의 정확한 특성과 기존 설계 기준들을 명확히 검증하는 것은 시설 안전에 있어서 필수적이다[1-5].
천연가스 정압기지 내의 정압기과 안전밸브의 유동해석을 통한 실험의 결과는?
1) 정압기지 내 설치되어 있는 Dresser®의 1900 series 안전밸브의 유동 특성을 알아보았다.
2) 정압기의 분출 유량 및 안전밸브의 필요분출면적을 국내·외 여러 규정과 비교 및 분석하였다.
3) 안전밸브의 필요분출면적의 비교 결과 국내 및 국외의 여러 규정간의 많은 차이가 있음을 알 수 있었고, 이는 각 나라별 고려되는 사항 및 설치 환경의 특성에 따라서 안전밸브의 설치 수량의 선택도 다양함을 알 수 있었다.
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