천연가스와 같은 기체유동의 계량에 있어서, 유동헌팅현상은 대부분의 오리피스 유량계에서 관찰되나 유동헌팅의 크기는 각 계량 시스템에 따라 다르다. 이러한 차이가 발생하는 원인과 이것이 과연 유동의 불안정성이나 계량오차와 실제로 연관되는지에 대한 검토를 위해, 선행연구에서 유동헌팅이 발생하는 근본적인 원인과 헌팅을 지배하는 관련인자에 대한 배관망해석 연구를 시행하였다. 이에 연계하여, 본 연구에서는 실제 유동의 불안정성과 헌팅률 간의 상관관계를 규명하고자 전산유체역학적 해석방법을 도입하여 오리피스 유량계를 대상으로 입구 압력변동의 크기, 발생 시간 및 유량에 따른 영향을 검토하고자 하였다. 결과적으로, 압력헌팅이 오리피스 전후방 차압비의 함수임을 증명하였고 3차원CFD 해석을 통하여 유동헌팅에 영향을 주는 주요인자를 분석하고 상관관계를 규명하였다.
천연가스와 같은 기체유동의 계량에 있어서, 유동헌팅현상은 대부분의 오리피스 유량계에서 관찰되나 유동헌팅의 크기는 각 계량 시스템에 따라 다르다. 이러한 차이가 발생하는 원인과 이것이 과연 유동의 불안정성이나 계량오차와 실제로 연관되는지에 대한 검토를 위해, 선행연구에서 유동헌팅이 발생하는 근본적인 원인과 헌팅을 지배하는 관련인자에 대한 배관망해석 연구를 시행하였다. 이에 연계하여, 본 연구에서는 실제 유동의 불안정성과 헌팅률 간의 상관관계를 규명하고자 전산유체역학적 해석방법을 도입하여 오리피스 유량계를 대상으로 입구 압력변동의 크기, 발생 시간 및 유량에 따른 영향을 검토하고자 하였다. 결과적으로, 압력헌팅이 오리피스 전후방 차압비의 함수임을 증명하였고 3차원 CFD 해석을 통하여 유동헌팅에 영향을 주는 주요인자를 분석하고 상관관계를 규명하였다.
During the measurement of the flow rate of gases such as natural gas, flow hunting is observed in most orifice meters but the intensity of flow hunting at each metering system shows different characteristics. In order to investigate why such a difference occurs and whether the difference actually in...
During the measurement of the flow rate of gases such as natural gas, flow hunting is observed in most orifice meters but the intensity of flow hunting at each metering system shows different characteristics. In order to investigate why such a difference occurs and whether the difference actually influences metering error, pipeline network analysis on the main factors and characteristics of flow hunting was carried out in a previous study. Following this, in this study, computational fluid dynamics (CFD) analysis was carried out to clarify the relation between flow instability and flow hunting and determine the factors influencing the orifice meter depending on the intensity of upward pressure fluctuation, time interval, and flow rate. Finally, we showed that the pressure hunting rate is a function of the ratio of the pressure difference before and after an orifice meter. On the basis of CFD analysis results, we also presented some major factors and relations influencing flow hunting.
During the measurement of the flow rate of gases such as natural gas, flow hunting is observed in most orifice meters but the intensity of flow hunting at each metering system shows different characteristics. In order to investigate why such a difference occurs and whether the difference actually influences metering error, pipeline network analysis on the main factors and characteristics of flow hunting was carried out in a previous study. Following this, in this study, computational fluid dynamics (CFD) analysis was carried out to clarify the relation between flow instability and flow hunting and determine the factors influencing the orifice meter depending on the intensity of upward pressure fluctuation, time interval, and flow rate. Finally, we showed that the pressure hunting rate is a function of the ratio of the pressure difference before and after an orifice meter. On the basis of CFD analysis results, we also presented some major factors and relations influencing flow hunting.
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문제 정의
이에 본 연구에서는, 선행연구에서 검토된 배 관계통 영향의 검토에 부가하여, 실제 유동의 불안정성(변동량)과 헌팅률간의 상관관계를 규명하고자 전산유체역학(CFD) 해석방법을 도입하여 오 리피스 유량계를 대상으로 3차원 CFD 해석모델을 구축하여, 입구 압력변동의 크기, 발생 시간및 유량에 따른 영향을 검토하고자 하였다. 궁극적으로 이러한 방법들을 통하여, 유동 헌팅의 근본적인 원인과 영향인자를 규명하고, 천연가스 배관계통에서 계량오차를 유발하는 유동 불안정성과의 유동 헌팅률의 관련성과 관련 표지자로서의 적절성을 검토하고자 시도하였다.
본 연구에서는 이러한 관계식 검토 결과를 전산유체역학적 해석방법을 통하여 검증하고 검토된 각 인자의 영향을 확인하고자 오리피스 유량계를 통과하는 유동에 대하여 3차원 CFD 해석방법을 도입하여 해석적 검토를 진행하였다. 또한, 관계식에서 오리피스 전후방 압력의 시간변화량은 실제 기준시간과 경과시간의 간격에 따라 변화될 수 있으며, 이러한 시간간격의 영향에 대한 검토도 아울러 수행하고자 하였다.
본 연구에서는 유동 헌팅의 근본적인 원인과 영향인자를 규명하고, 천연가스 배관계통에서 계량오차를 유발하는 유동 불안정성과의 유동 헌팅 률의 관련성 및 관련 표지자로서의 적절성을 검토하고자 오리피스 유량계를 대상으로 3차원 CFD 해석을 수행하였다. 이를 통하여 다음의 결론을 도출하였다.
본 연구에서는 이러한 관계식 검토 결과를 전산유체역학적 해석방법을 통하여 검증하고 검토된 각 인자의 영향을 확인하고자 오리피스 유량계를 통과하는 유동에 대하여 3차원 CFD 해석방법을 도입하여 해석적 검토를 진행하였다. 또한, 관계식에서 오리피스 전후방 압력의 시간변화량은 실제 기준시간과 경과시간의 간격에 따라 변화될 수 있으며, 이러한 시간간격의 영향에 대한 검토도 아울러 수행하고자 하였다.
본 장에서는 오리피스 유량계를 통과하는 유동을 해석하여 오리피스를 통과하는 유동의 특성을 검토하고, 산출된 유동 정보를 이용하여 유량 헌팅과 관계된 각 유동상태량을 산출하여 유동 특성과 헌팅과의 관계를 규명하고자 하였다.
이때, 오리피스 전후방 압력의 시간 변화량은 실제 기준시간과 경과시간간의 시간간격에 따라 δPb - δPa의 값이 변화될 수 있음을 보여주는 결과를 제시하는 것이다.
이에 본 연구에서는, 선행연구에서 검토된 배 관계통 영향의 검토에 부가하여, 실제 유동의 불안정성(변동량)과 헌팅률간의 상관관계를 규명하고자 전산유체역학(CFD) 해석방법을 도입하여 오 리피스 유량계를 대상으로 3차원 CFD 해석모델을 구축하여, 입구 압력변동의 크기, 발생 시간및 유량에 따른 영향을 검토하고자 하였다. 궁극적으로 이러한 방법들을 통하여, 유동 헌팅의 근본적인 원인과 영향인자를 규명하고, 천연가스 배관계통에서 계량오차를 유발하는 유동 불안정성과의 유동 헌팅률의 관련성과 관련 표지자로서의 적절성을 검토하고자 시도하였다.
제안 방법
본 연구에서 구성된 3차원 오리피스 유량계 CFD 해석모델은 입구 압력변동 크기, 발생 시간 영향 및 유량에 따른 영향을 검토하기 위하여 다음의 세 가지 경우로 구분하여, 해석을 수행하였다. 단, 모든 경우에 입구 압력변동은 각각 1, 2, 4 kPa 세 가지를 공통적으로 적용하였다.
본 연구에서 구성된 3차원 오리피스 유량계 CFD 해석모델은 입구 압력변동 크기, 발생 시간 영향 및 유량에 따른 영향을 검토하기 위하여 다음의 세 가지 경우로 구분하여, 해석을 수행하였다. 단, 모든 경우에 입구 압력변동은 각각 1, 2, 4 kPa 세 가지를 공통적으로 적용하였다.
이를 위하여 가상의 8″ 계량 배관을 구성하고 4″보어(Bore)를 갖는 오리피스 유량계를 모사하고자 3차원의 CFD 전산해석모델을 구성하였다.
이론/모형
(5,6) 여기서, 오리피스 전후방 압력 탭핑(Pressure Tapping)의 위치는 ISO-5167-1을 준용하여, 전후방 D-D/2 탭을 적용하였다. 즉, 기호 ‘a'는 오리피스 전단면 (Upstream Face)에서 전방 8"(1D)로 하였고 기호 ‘b', 즉 후방 압력 태핑의 위치는 후방 4"(0.
2는 해석을 위해 구성한 오리피스 판과 계량 배관의 3차원 격자계이다. 해석은 상용 CFD 소프트웨어인 Gambit과 Fluent를 사용하였다. (9)
성능/효과
(1) 오리피스를 통과하는 유동의 불안정성(압력 헌팅)은 차압비의 함수이며, 오리피스 전후방 압력의 시간변화율에 비례하고 기준차압에 반비례 하는 관계를 가짐을 CFD 해석을 통해 검증하고, 압력헌팅은 유동 불안정성(변동성)과 계량오차의 추정을 위한 간접지표로 적절함을 확인하였다.
(2) 전방의 동일한 크기의 압력변동에 대하여서도, 압력의 변동 시간이 다를 경우, 그 영향은 전후방 각 지점의 압력변화율 차이로 나타나며 결과적으로 압력 헌팅률은 전후방 압력의 시간변화 량의 차에 비례함을 다시 확인하였다.
(3) 차압 변화량은 기준유량과는 무관하나 압력 헌팅률은 기준유량에 반비례관계를 가짐을 확인 하였다. 따라서 압력 헌팅률은 기준유량에 대한 상대적인 척도로써 활용될 수는 있으나, 유량범위의 차이가 있는 경우 객관적인 유동 불안정성을 평가하기에는 한계가 있음을 확인하였다.
(4) 시간간격의 증가는 차압변화량의 증가로 연계되고 결과적으로 압력헌팅의 증가로 귀결되므로, 압력헌팅은 동일한 제원의 시스템에서 동일한 시간 간격을 기준으로 헌팅을 비교, 평가하는 것이 필수적임을 확인하였다.
Fig. 6(a)와 (b), 입구 압력변화의 시간이 각각 1초와 0.2초로 다른 두 경우인 Case ①과 ②를 비교하면, 입구 압력변화 시간 차이에 따라, 차압 변화량의 양상도 크게 달라지고 있음을 알 수 있다. 이는 짧은 시간에 어떤 물리량의 변화가 발생되는 경우, 시간에 반비례하여 상대적으로 훨씬 큰 전후방의 압력차이, 즉 전방과 후방 각 지점에서의 큰 압력의 시간변화(δPb - δPa )가 발생 하는 것을 확인할 수 있는 결과이다.
6(b)에서의 차압변화량의 증가가 식 (2)의 계산을 통해서 압력 헌팅률의 증가로 직접 연계된 결과로, 앞 절에서, 압력의 변동 시간이 다를 경우, 그 영향은 전후방 각 지점 압력의 시간변화량의 차이로 나타난 것이다. 결과적으로 압력 헌팅률은 전후방 압력의 시간변화량의 차에 비례 함을 다시 확인하였다.
결과적으로 압력헌팅, 오리피스를 통과하는 유동의 불안정성은 근본적으로 차압비의 함수이고, 오리피스 전후방 압력의 시간변화율에 비례하고 기준차압에 반비례하는 관계를 가짐을 확인한 바 있다.
(3) 차압 변화량은 기준유량과는 무관하나 압력 헌팅률은 기준유량에 반비례관계를 가짐을 확인 하였다. 따라서 압력 헌팅률은 기준유량에 대한 상대적인 척도로써 활용될 수는 있으나, 유량범위의 차이가 있는 경우 객관적인 유동 불안정성을 평가하기에는 한계가 있음을 확인하였다.
즉, 시간간격의 증가는 차압변화량의 증가로 연계되고 결과적으로 압력헌팅의 증가로 귀결된다. 따라서 압력 헌팅의 산정에 있어서, 동일한 제원의 시스템에서 동일한 시간 간격을 기준으로 헌팅을 비교, 평가하는 것이 필수적임을 확인할 수 있는 결과이다. 또한 이러한 조건이 충분히 만족되지 않을 경우 헌팅률의 평가는 오류를 포함할 수 있음을 보여주는 것이다.
01초 후)의 차압 변화량을 도시한 것이다. 모든 경우의 결과 그래프에서, 입구에서의 압력변동의 크기에 따라 차압의 변화량도 비례하여 증가하고 있음을 알 수 있다.
그림에서 보듯이 시간간격(Δt)을 10배 크게 한 경우에 헌팅률이 급격히 증가하고 있음을 볼 수 있다. 즉, 동일한 기준차압과 차압의 변화율에도 불구하고, 단지 차압을 측정하는 시간간격의 증가에 따라 헌팅률이 급격히 증가하는 것으로 평가되고 있음을 보여주고 있다.
(a) 와 (b)에서 유동은 예측된 바와 같이 오리피스의 보어 영역을 통과하면서, 단면 축소에 따른 급격한 가속이 발생되었다가 이후 유동 영역의 확장에 따라 구배가 점차 줄어들어 가고 있음을 보여 주고 있다. 특히, 보어홀을 통과한 후방에서 유속의 증가와 압력의 감소 및 주위로 강한 대칭의와류군, 즉 Vena-Contracta의 형성이 적절히 해상 되고 있음을 확인할 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
천연가스 수송과 같은 고속 고압 기체의 계량에서 어려운 것?
천연가스 수송과 같은 고속 고압 기체의 계량은 계량의 정확도 유지가 쉽지 않다. 특히 수요량의 급격한 변화와 유량계 주변 배관시스템 내 유체기계의 작동에 따른 불안정성에 직접적인 영향을 받을 가능성이 높다.
유동 헌팅률은 무엇으로써 활용되는가?
5% 범위 이내로 유지하는 노력이 요구되고 있다. 여기서, 유동 헌팅률은 유동의 불안정성을 계량하는 표지자로써 사용되고 있으며, 이를 통하여 계량오차의 경향을 간접적으로 추정하거나, 가늠하는데 사용하고 있다. (1,2) 실제로 유동헌팅현상은 대부분의 오 리피스 유량계에서 관찰되나 유동헌팅의 강도는각 계량 시스템에 따라 다르다.
천연가스 수송과 같은 고속 고압 기체의 계량은 무엇에 직접적인 영향 받는가?
천연가스 수송과 같은 고속 고압 기체의 계량은 계량의 정확도 유지가 쉽지 않다. 특히 수요량의 급격한 변화와 유량계 주변 배관시스템 내 유체기계의 작동에 따른 불안정성에 직접적인 영향을 받을 가능성이 높다. 실제로 현장에서는 이러한 천연가스 계량과 관련하여, 유동의 불안정성(변동성)은 유동헌팅(Hunting, 난조)현상으로 나타나며, 직·간접적으로 계량오차를 유발하는 것으로 알려져 있어, 유동 헌팅률을 0.
참고문헌 (9)
Ahn, S. H. and Her, J. H., 1999, An Experimental Study of the Accuracy Comparison by the Installation Condition, KOGAS R&D Report
Ahn, S. H. and Her, J. H., 1999, An Field Study on the Accuracy Comparison of the Meter, KOGAS R&D Report
Ahn, S. H., Chung, J. T., Shin, C. H. and Dong, J. H, 2005, "The Effect of Metering Error Due to the Flow Fluctuation," KFMA, Vol. 9, No. 3, pp. 73-79.
Ahn, S. H. and Her, J. H., 2006, "An Introduction about the Flow Hunting on the Field Operation Problems of Natural Gas Meters," KOGAS R&D Report
Shin C. H., Ahn S. H., Chung J. T., Her J. Y. and Kim W. S., 2005, "The Numerical Analysis about the Flow-Hunting Characteristics of the Orifice Meter," Proceedings of the KSME 2005 Fall Annual Meeting, pp. 247-252.
Shin, C. H., 2011, "A Pipeline Network Analysis on the Source and the Relation with Pipe Diameter of the Flow Hunting in a Orifice Meter," KIGAS, Vol. 15, No. 1, pp. 54-59.
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