[논문]극한지 천연가스 수송배관의 열유동적 특성

김호연; 김영표; 김우식

doi:10.7842/kigas.2015.19.5.104

극한지 천연가스 수송배관의 열유동적 특성
Thermo-Fluid Characteristics of Pipeline Transportation of Natural Gas at Artic & Northern Ice Environments 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.19 no.5, 2015년, pp.104 - 111

김호연 (한국가스공사 가스기술연구원) , 김영표 (한국가스공사 가스기술연구원) , 김우식 (한국가스공사 가스기술연구원)

초록
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극한지 천연가스 수송배관망의 기술개발은 동토지역의 특수성을 고려해야 하는 매우 흥미롭고 도전적인 분야로서 본 연구는 수송배관의 핵심기술을 파악하기 위하여 극한지 애로기술에 대한 문헌조사와 주요 영향인자를 파악하였다. 특히, 열유동 고려사항에 대한 문헌조사를 통하여 극한지 천연가스 수송배관망 유동확보기술을 개발하기 위한 이론적 접근 주제를 정할 수 있었고, 또한 이론 해석을 통한 기본적인 결과를 도출할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The technology development of pipeline transportation of natural gas at artic and northern ice environments should be considered with unique characteristics of permafrost territory as a very interesting and challenging area. This work is to investigate bottleneck techniques and major impact factors through a literature search to figure out the core technology of the transport pipeline. Especially, theoretical approach themes could be determined to develop the technology flow assurance for permafrost regions through documentary survey on the considerations of thermo-fluid. Also, basic results through theoretical approaches could be achieved.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

결론적으로 본 연구는 극한지 천연가스 수송배관망 설계기술 개발을 위한 문헌조사로 수행되었으며, 애로기술 및 유동확보를 위한 해석기술의 필요성을 확인하고 기본적인 해석틀을 확보하였다. 향후, 극한지 천연가스 수송배관망 설계를 위한 유동해석에 대한 고급기술을 개발할 것이다.
본 연구는 극한지 천연가스 수송배관망의 설계, 건설, 운영 시에 기술적으로 고려해야 될 애로기술들에 관한 문헌조사를 수행하고, 종합적으로 정리하고자 하며, 특히 극한지 천연가스 수송배관망의 열유동 분야에서 다루어야 하는 핵심기술들을 언급하고, 이론적 접근 결과에 대하여 기술하고자 한다.
영구동토층에서 나타나는 현상들을 소개하고, 그 영향인자에 대해 간단히 피력하고자 한다. Fig.

제안 방법

극한지 천연가스 수송배관의 기술적 고려사항은 문헌조사를 통하여 수행하였으며, 극한지 애로기술, 열유동 고려사항 등을 언급하였다. 또한, 수송배관의 압력 및 온도강하, 수송배관 주변의 열유동에 대한 해석적인 접근을 수행하였으며 기본적인 결과들을 도출할 수 있었다.
극한지 천연가스 수송배관망의 추진하고 있는 가상 프로젝트 모델은 Zyryanska에서 Aldan까지로 2,000 km 이상의 거리를 수송하는 것으로 잠정적으로 결정되었다. 따라서, 천연가스 수송 시 발생될 수 있는 배관의 압력강하를 확인해 보기 위하여 다음의가스유동모델식들을 [6] 이용하여 그 결과를 비교하고자 한다.
극한지 천연가스 수송배관의 기술적 고려사항은 문헌조사를 통하여 수행하였으며, 극한지 애로기술, 열유동 고려사항 등을 언급하였다. 또한, 수송배관의 압력 및 온도강하, 수송배관 주변의 열유동에 대한 해석적인 접근을 수행하였으며 기본적인 결과들을 도출할 수 있었다.

대상 데이터

본 모델들을 사용하여 가상 프로젝트에 적용한다면, 그 압력강하는 89.39 MPa과 125.63 MPa 이다. 결과적으로 천연가스의 장거리 수송에서 승압관리소는 반드시 필요하다는 것을 알 수 있었다.
2는 해동침하현상으로 해빙에 의하여 발생된 동토의 체적감소를 보여 준다. 본 현상의 주요인자는 해동깊이 (thaw depth), 얼음함량 (ice content), 토양입자크기 (soil gradation) 이다. 동상 및 해동침하 현상은 지중식 매설배관에서 나타나는 현상으로 선로 제거 및 건설작업에 의한 표층 변화와 연간 평균운전온도가 0℃ 이상인 배관에서 발생된다.

이론/모형

극한지에서 매몰된 천연가스 수송배관망의 열유동 특성을 관찰하기 위하여 다공성 물질의 유동을 해석할 수 있는 BPM (Brinkman Penalization Method) [7] 를 사용하고자 한다. 무차원 압축성 유동의 2차원 BPM 지배방정식은 다음과 같다.

성능/효과

결과적으로 BPM을 이용한 압축성 유동해석은 지상부와 지중부의 유체의 상태량을 계산할 수 있으나, 토양이 가지고 있는 온도특성을 반영하지 못하는 단점이 나타났다. 따라서 토양의 온도 및 열전달특성을 반영할 수 있는 유체-토양 간섭모델 개발이 필요하다.
결과적으로 Panhandle A 및 B 모델들이 극한지 천연가스 수송배관에서의 압력강하를 예측하는 데 실용적인 것으로 판단된다.
63 MPa 이다. 결과적으로 천연가스의 장거리 수송에서 승압관리소는 반드시 필요하다는 것을 알 수 있었다.
극한지 천연가스 수송배관망의 추진하고 있는 가상 프로젝트 모델은 Zyryanska에서 Aldan까지로 2,000 km 이상의 거리를 수송하는 것으로 잠정적으로 결정되었다. 따라서, 천연가스 수송 시 발생될 수 있는 배관의 압력강하를 확인해 보기 위하여 다음의가스유동모델식들을 [6] 이용하여 그 결과를 비교하고자 한다.
극한지에서 오일수송과 가스수송은 애로기술의 차이점이 존재하며, 그것은 오일수송의 경우, 해동침하를 발생, 가스수송의 경우, 동상현상이 일어나는 차이점이 있었다. 또한, 유동확보 기술의 개발에 반드시 필요한 것은 배관 내 가스 온도저하 및 배관주변 토양의 온도변화 예측에 대한 해석기술이며, 특히, 배관 내 온도저하 시 발생될 수 있는 가스하이드레이트 생성 예측 기술개발이다.
이것은 압축성 유동에서 유체의 온도는 상태방정식으로만 결정이 되기 때문에 나타나는 한계이다. 따라서, 압축성 유동해석에 의한 다공성 물질 내에서 유체유동 해석방법은 토양의 열전도율을 반영하지 못하는 단점을 가지고 있는 것으로 나타났다. 향후 BPM 접근방법의 한계와 개선된 모델링 방법을 고안하는 것이 필요할 것으로 사료된다.
무차원 압축성 유동의 2차원 지배방정식은 CFL=0.27 정도에서 계산이 수행되었으며, 무차원 시간 100에서 계산을 종료하였다. Fig.
본 결과의 계산조건은 압력 20 MPa, 배관직경 40“, 가스 수송 속도 10 m/s 일 때 이다. 본 결과로부터 Basic 및 Weymouth 모델은 기본 압력강하 식에서 유도된 것으로 배관 내 압력강하를 과잉 계산하는 것으로 판단되며, AGA 모델은 거리에 따른 압력강하가 매우 선형적인 특성을 보여 주고있는 데, 이것은 매우 매끈한 배관에 잘 맞는 모델로 확인되었다. 이것은 AGA 모델에서 사용하는 전달계수 Ft를 살펴 보면 알 수 있는 데, 그 식은 다음과 같다.
7은 천연가스의 압력별 Joule-Thomson 계수를 보여 주고 있다. 본 결과로부터 가상 프로젝트모델에서 발생되는 총 온도강하는 완전단열 가정 하에 Panhandle A의 결과에서 312.87 K이며, Panhandle B의 경우 439.71 K이다. 따라서 극한지 천연가스 수송배관은 단열처리나 히터를 이용한 방법을 적용하는 것이 필요하다.

후속연구

따라서, 압축성 유동해석에 의한 다공성 물질 내에서 유체유동 해석방법은 토양의 열전도율을 반영하지 못하는 단점을 가지고 있는 것으로 나타났다. 향후 BPM 접근방법의 한계와 개선된 모델링 방법을 고안하는 것이 필요할 것으로 사료된다. Fig.
결론적으로 본 연구는 극한지 천연가스 수송배관망 설계기술 개발을 위한 문헌조사로 수행되었으며, 애로기술 및 유동확보를 위한 해석기술의 필요성을 확인하고 기본적인 해석틀을 확보하였다. 향후, 극한지 천연가스 수송배관망 설계를 위한 유동해석에 대한 고급기술을 개발할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	극한지 천연가스 수송배관망 설계에 민감한 기술적 사안이 존재하는 이유는 무엇인가?	극한지 천연가스 수송배관망 설계는 동토지역의 특수성을 반영해야 하기 때문에 민감한 기술적 사안들이 존재한다. Degeer & Nessim은 [1] 극한지 지상 및 해저 배관 설계 시 직면하는 도전적인 문제들을 기술하고 있다.
	극한지에서 오일수송과 가스수송의 애로기술의 차이점은 무엇인가?	극한지에서 오일수송과 가스수송은 애로기술의 차이점이 존재하며, 그것은 오일수송의 경우, 해동침하를 발생, 가스수송의 경우, 동상현상이 일어나는 차이점이 있었다. 또한, 유동확보 기술의 개발에 반드시 필요한 것은 배관 내 가스 온도저하 및 배관주변 토양의 온도변화 예측에 대한 해석기술이며, 특히, 배관 내 온도저하 시 발생될 수 있는 가스하이드레이트 생성 예측 기술개발이다.
	영구동토층에 영향을 주는 인자들에는 무엇이 있는가?	◦ 대기온도 (air temperature) ◦ 적설높이 (snow depth) ◦ 초목 (vegetation) ◦ 토양형 (soil type) ◦ 수역 근접성 (proximity to waterbodies)

참고문헌 (9)

DeGeer, D. and Nessim, M., "Artic Pipeline Design Considerations", Proceedings of the ASME 27th International Conference on Offshore Mechanics and Artic Engineering, OMAE2008, June 15-20, Estoril, Portugal, OMAE2008-57802, (2008)
http://pipelinesinternational.com/news/overcoming _the_challenges_of_artic_pipelines/8037
Mackenzie Gathering System, Application to the National Energy Board for Approval of the Mackenzie Gathering System, Volume 2: Engineering Design ed., August 2004, MGRA2-2, (2004)
Ryden and Erik, B., "Energy Flow to Artic Tundra Surface and Experiences of Induced Disturbances", XX Polar Symposium, Lublin, 429-438, (1993)
Williams, P. J., Pipelines and Permafrost, Physical Geography and Development in the Circumpolar North, Longmans, London, 98, (1979)
Petroskills, Gas Conditioning and Processing, Volume 1: The Basic Principles, (2015)
Liu, Q. and Vasilyev, O.V., "A Brinkman Penalization Method for Compressible Flows in Complex Geometries", JCP, 227, 946-966, (2007).

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Lele, S.A., "Compact Finite Difference Schemes with Spectral-like Resolution", JCP, 103, 16-42, (1992).

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Gaitonde, D.V. and Visbal, M.R., "Pade-type higher-order boundary filters for the navier-stokes equations", AIAA, 38(11), 2103-2112, (2000).

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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