지하 매설배관을 이용한 유체 수송 중 임의의 배관 위치에서 누설이 발생할 경우 육안 식별의 어려움으로 진동 센서 등을 이용하여 누설 위치를 탐지한다. 이러한 누설 위치 검출 시스템은 물과 같은 비 압축성 유체를 대상으로 센서 간의 신호 도달 시간차와 음파의 전파속도를 이용하여 검출하고 있다. 본 논문에서는 가스와 같은 압축성 유체의 누설 검출을 위한 시스템을 개발하고자 기존 검출 방법을 검토하고, 온도와 압력을 고려한 압축성 유체의 전파속도 식을 개선하고 압축 공기를 이용한 실험 장치를 구축하여 실험 수행을 통해 검증하였다. 검증 결과 매설배관 내 압축성 유체의 누설 위치 검출이 가능함을 확인하였으며, 가스 수송용 매설배관 내 누설 위치 검출 시스템 개발에 적용 가능함을 확인하였다.
지하 매설배관을 이용한 유체 수송 중 임의의 배관 위치에서 누설이 발생할 경우 육안 식별의 어려움으로 진동 센서 등을 이용하여 누설 위치를 탐지한다. 이러한 누설 위치 검출 시스템은 물과 같은 비 압축성 유체를 대상으로 센서 간의 신호 도달 시간차와 음파의 전파속도를 이용하여 검출하고 있다. 본 논문에서는 가스와 같은 압축성 유체의 누설 검출을 위한 시스템을 개발하고자 기존 검출 방법을 검토하고, 온도와 압력을 고려한 압축성 유체의 전파속도 식을 개선하고 압축 공기를 이용한 실험 장치를 구축하여 실험 수행을 통해 검증하였다. 검증 결과 매설배관 내 압축성 유체의 누설 위치 검출이 가능함을 확인하였으며, 가스 수송용 매설배관 내 누설 위치 검출 시스템 개발에 적용 가능함을 확인하였다.
When a leak occurs in the buried pipelines, The leak locations are able to detected by using the vibration sensors. These leak detection system, intended for incompressible fluid, such as water, are of using the wave propagation velocity and a signal arrival time delay between the sensors. In this p...
When a leak occurs in the buried pipelines, The leak locations are able to detected by using the vibration sensors. These leak detection system, intended for incompressible fluid, such as water, are of using the wave propagation velocity and a signal arrival time delay between the sensors. In this paper, to develop a leak location detection system for a compressible fluid such as gas, the conventional detection methods have been studied, improved, and verified through the experiment using the compressed air. It confirmed that it is possible to detect the leak location for compressible fluid in the buried pipelines and to be applicable to the development of a leak location detection system in buried pipelines for gas.
When a leak occurs in the buried pipelines, The leak locations are able to detected by using the vibration sensors. These leak detection system, intended for incompressible fluid, such as water, are of using the wave propagation velocity and a signal arrival time delay between the sensors. In this paper, to develop a leak location detection system for a compressible fluid such as gas, the conventional detection methods have been studied, improved, and verified through the experiment using the compressed air. It confirmed that it is possible to detect the leak location for compressible fluid in the buried pipelines and to be applicable to the development of a leak location detection system in buried pipelines for gas.
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문제 정의
따라서 매설 배관에서 누설 위치 검출을 위해 다음과 같이 진동 발생의 개념과 유체를 통한 전파속도에 대해 이론적으로 검토하고, 배관의 양단에서 측정된 진동 신호를 이용하여 도달 시간차를 구하는 신호분석 방법에 대해 검토해 보고자 한다.
따라서 본 논문에서는 배관 누설 위치 탐지를 위해 n=0 모드와 s=1의 축대칭 모드를 대상으로 분석 진행하고자 한다.
따라서 본 논문에서는 지하 매설 배관 내에 가스와 같은 압축성 유체 누설 위치를 탐지할 수 있는 누설 검출 시스템을 개발하고자 압축 공기를 이용한 매설배관 실험 장치를 구축하고 이론적 방법을 적용한 배관 내 압축성 유체의 전파속도와 상호상관분석 등의 신호처리 알고리즘을 이용한 도달 시간차 측정을 통해 누설 위치를 추정하고 결과에 대한 고찰을 통해 가스와 같은 압축성 유체 누설 검출의 적용 가능성을 알아보고자 한다.
본 논문에서는 가스와 같은 기체 상태의 압축성 유체의 누설 위치 탐지에 적용할 수 있는 시스템을 개발할 수 있도록 유체의 밀도를 이상기체 상태방정식으로부터 다음 식과 같이 압력과 온도의 함수로 나타내었다.
본 논문에서는 식 (7)을 압축성 유체의 누설 위치 탐지를 위한 전파속도 식의 적용 가능성을 검토해보기 위해서 다음과 같이 비압축성 유체인 물과 압축성 유체인 공기를 비교 대상으로 정하고, 그 특성을 비교하였다.
압축성 유체 수송을 위한 매설 배관에서 누설 발생 시 누설되는 위치를 탐지할 수 있는 분석 시스템을 개발하고자 그 타당성을 검증하기 위해서 실험 장치를 구성하고 측정 시스템과 누설 위치를 추정할 수 있는 신호 처리 알고리즘을 적용해 보았다.
제안 방법
가스와 같은 압축성 유체 수송을 위한 매설배관의 누설 위치 탐지 기술 검증을 위해서 실험 장치를 구축하였다. Fig.
가스와 같은 압축성 유체의 수송을 위한 매설 배관에서 누설 위치 탐지 가능성을 확인하고, 누설 탐지 시스템을 개발하기 위해 실험이 용이한, 압축성 유체인 압축 공기를 사용하여 실험을 수행하였다.
매설 배관은 대부분 실외에 설치되며, 밸브 연결부위와 같이 노출되는 양단의 거리가 수백 미터에 이를 수 있기 때문에 무선 전송 시스템의 개발이 유용하다. 따라서 본 논문에서는 무선 시스템을 적용해 보고자 상용 무선 시스템과 유선 시스템 두 개 시스템으로 데이터를 측정할 수 있도록 구성하였다.
따라서 압축성 유체 수송용 매설 배관에서 누설 위치 검출 시스템 개발 시 본 연구 내용의 전파속도 식 (7)과 Fig. 6의 신호처리 알고리즘의 절차를 적용하여 제품 개발에 활용하고자 한다.
따라서 이러한 섭동성분을 최소화하기 위해서 식 (12)의 변환된 위상 신호 결과를 선형 피팅(linear fitting) 처리하였으며, 이 결과를 적용하여 상호상관 함수에서 도달 시간차를 구하기 위해서 선형 피팅 (fitting) 처리한 위상 신호를 사용하여 식 (13)과 같이 복소수 형태의 상호 스펙트럼 함수로 변환하였다.
10의 (b)는 위상 신호의 선형 커브 피팅 전의 상호상관 값이며, 그 값에 따라 가속도 신호의 도달 시간차를 나타낸다. 또한 상호상관의 분포 값 중 최댓값이 상호상관성이 가장 높으므로 누설에 의해 발생한 진동 신호의 도달 시간차로 분석하였다.
또한 센서 측정 위치를 중심으로 임피던스 차에 의한 반사파가 발생하거나 주기적으로 반복되는 기계 소음 등의 주변 환경에 의한 잡음 성분을 최소화하기 위해서 상호 스펙트럼(Cross spectrum)의 위상 정보를 이용한 방법을 적용하였다[12].
매설된 배관 구간의 총 길이는 40m이며, 누설 시 배관 내 유체의 압력을 유지하기 위해서 압력 탱크를 두었다. 또한, 전체 배관 중에서 매설된 구간에 누설을 발생시키기 위해 배관 표면에 볼밸브를 설치하였으며, 볼밸브는 25A 규격으로 누설을 재현하기 위해 볼밸브를 50% 개방하여 대기에 노출되도록 하였다. 설치된 센서와 누설 발생을 위한 밸브 간격은 각각 6m로 센서 사이의 거리는 18m이다.
모든 데이터 측정 시스템 구성은 상용 제품을 기본 모듈로 하여 구성하였으며, 향후 전용 제품을 개발하기 위해서 기능 수행 목표로 시스템을 구성하여 데이터를 측정할 수 있도록 하였다.
본 논문에서는 가스와 같은 압축성 유체를 수송하는 매설 배관 내에서 누설 위치 검출 시스템 개발을 위한 검증을 위해 다음과 같이 실험 장치와 측정 시스템 구성하고, 실험 결과를 비교 분석 하였다.
따라서 이러한 변동 성분을 최소화할 경우 주 누설원의 위상 신호를 얻을 수 있다. 본 논문에서는 이러한 특성을 이용하고자 언랩핑(Unwrapping)된 위상 신호를 선형 커브 피팅(Linear curve fitting) 처리한 후 다시 상호상관 값을 구하였다. Fig.
실험을 위해 Fig. 7과 같이 매설된 배관 중 2군데의 누설 위치에서 강제 누설을 발생시키고, 배관 양단에서 진동을 측정하여 상호상관분석을 통해 누설 위치를 추정하는 방식으로 실험을 수행하였다.
압축성 유체의 음파 전파속도를 구하기 위해서 유체의 전파속도 식 (5)에 압력과 온도를 고려하여 식 (7)과 같이 적용하였으며, 누설 위치 추정에 이론적인 전파속도 값을 실험을 통해 검증하였다.
4는 압축성 유체인 공기에 대해 온도와 압력에 따른 음파의 전파속도를 나타낸 결과 그래프이다. 온도 변화는 지하에 매설된 배관의 특성상 최저 0℃와 40℃ 두 개의 값을 기준으로 정하여 계산하였고, 압력의 경우 1기압에서 40기압까지를 기준으로 하여 계산하였다. 압력의 경우 도시가스를 기준으로 저압, 중압, 고압 및 상업용, 비상업용 전체를 기준 하여 최젓값과 최댓값을 정하여 계산하였다.
대상 데이터
Fig. 8은 측정 시스템에 대한 기본 개략도이며, 지하에 매설된 배관의 노출 부위에 진동을 측정할 수 있도록 ICP 유형의 공진주파수가 18kHz 대역인 B&K 4507 가속도계를 사용하였고, 무선 시스템의 경우 ICP 앰프와 A/D Board가 내장된 NI-9234 DAQ모델을 사용하였으며, 최대 샘플링 속도는 51.2kS/s이고, Anti-aliasing 필터가 내장된 제품이다.
2kS/s이고, Anti-aliasing 필터가 내장된 제품이다. 또한 디지털로 변환된 측정 신호를 분석 PC에 전송할 수 있도록 무선 전송 모듈인 NI-9191을 사용하여 데이터를 취득하였다. 데이터 취득 소프트웨어는 C# 언어를 이용하여 구현하였다.
매설된 배관 구간의 총 길이는 40m이며, 누설 시 배관 내 유체의 압력을 유지하기 위해서 압력 탱크를 두었다. 또한, 전체 배관 중에서 매설된 구간에 누설을 발생시키기 위해 배관 표면에 볼밸브를 설치하였으며, 볼밸브는 25A 규격으로 누설을 재현하기 위해 볼밸브를 50% 개방하여 대기에 노출되도록 하였다.
유선 시스템의 경우는 B&K Pulse 제품을 사용하여 데이터를 취득하였다.
데이터처리
0기압 값을 고려하여 식 (7)을 이용하여 전파속도를 계산하였고, 이 값을 적용 하여 누설 위치를 추정한 결과이다. 측정 데이터는 16384Sa/sec로 측정하였고, 총 20회 평균하여 구하였다. 결과를 보면 추정 오차가 발생하나 압축성 유체의 경우도 누설 위치 추정이 가능함을 알 수 있다.
성능/효과
측정 데이터는 16384Sa/sec로 측정하였고, 총 20회 평균하여 구하였다. 결과를 보면 추정 오차가 발생하나 압축성 유체의 경우도 누설 위치 추정이 가능함을 알 수 있다. 또한 언랩핑(Unwrapping)된 위상 신호의 변동 성분을 최소화한 경우 추정 오차가 감소되는 것을 알 수 있는데, 이것은 잡음 성분이 최소화되어 추정 신뢰도가 향상되는 것을 알 수 있다.
또한 상호스펙트럼의 위상 신호를 이용하여 잡음성분을 감소시킨 결과 오차를 최소화할 수 있었으며, 이러한 분석 알고리즘을 적용한 결과 유의미한 누설 위치 추정이 가능함을 확인하였다.
결과를 보면 추정 오차가 발생하나 압축성 유체의 경우도 누설 위치 추정이 가능함을 알 수 있다. 또한 언랩핑(Unwrapping)된 위상 신호의 변동 성분을 최소화한 경우 추정 오차가 감소되는 것을 알 수 있는데, 이것은 잡음 성분이 최소화되어 추정 신뢰도가 향상되는 것을 알 수 있다.
후속연구
향후 매설배관 내 압력과 온도 조건에 따른 실험을 추가 분석하고, 다중 누설 조건과 지관 등의 분기 조건에 따른 누설 탐지 연구를 지속하여 제품 개발에 적용하고자 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
지하매설배관의 정확한 누설 위치의 검출이 필요한 이유는 무엇인가?
국내 원자력발전소와 같은 대규모 에너지 생산 시설이나 석유 및 가스와 같은 에너지 플랜트 시설 등에서 물이나 기름 등의 비압축성 유체와 가스 등의 압축성 유체의 수송을 위해 지하에 매설된 배관망을 이용한 수송 시설을 유지하고 있다. 이러한 지하에 매설된 배관의 일부 구간에서 노후나 부식 또는 인위적인 파손 등으로 인해 누설이 발생할 경우 지하 매설로 인한 배관 상의 누설은 육안 식별이 쉽지 않기 때문에 신속하고 경제적인 유지 보수를 위해서 정확한 누설 위치의 검출이 필요하게 된다. 이러한 지하 매설배관의 누설 검출을 위해서 기존에 많은 연구가 진행되었으며[1-13], 관련 상용 장비 개발도 이루어져왔다.
진동 발생의 개념과 유체를 통한 전파속도 개념이 누설 위치 검출이 필요한 이유는 무엇인가?
누설 위치 검출(leak location detection)의 이론적 개념은 매설된 배관의 임의의 위치에서 누설이 발생할 경우 배관 내 유체 진동 모드(mode)와 배관 진동모드가 연성(coupled) 되면서 누설 위치 양단을 향해 배관을 매개로 이동 전파하는 신호를 두 개 이상의 진동 측정 센서를 이용하여 진동을 측정 한 후 각 센서에 도달한 신호의 시간 차이를 분석하고 음파의 전파속도를 적용하여 위치를 추정하는 것이다.
지하 매설 배관의 누설 위치 검출은 어떤 방법으로 이루어지고 있는가?
지하 매설 배관의 누설 위치 검출은 배관 양단에 가속도 센서와 같은 음향신호 측정 센서를 이용하여 동시에 신호를 취득한 후 상호상관을 분석하여 두 개 신호의 시간 차이를 계산하고 음파의 속도를 적용하여 두 지점 간의 상대 위치를 추정하는 방법이 주로 사용되고 있고[3,8-13], 이러한 방법을 이용한 상용 제품들 개발되고 있으며, 누설 위치의 정확도 향상과 효율적인 현장 적용, 상시 온라인 감시를 위한 시스템 개발을 위해 지속적으로 개발을 진행하고 있다.
참고문헌 (13)
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