천연가스 배관의 유동설계는 예상되는 모든 유체의 조건에서 배관의 설계수명 동안 적절한 흐름이 지속될 수 있는가를 결정하는 것이다. 장거리 자원이송망의 유동설계는 수송되는 유체의 물리적 특성, 유량, 온도와 압력, 배관의 길이와 고도, 배관이 횡단하는 지역의 환경 등 다양한 인자를 고려하여야 한다. 본 연구에서는 극한지 자원이송망 건설프로젝트의 운전 자료를 분석하였으며, 배관 내 가스흐름에 영향을 끼치는 가스의 물리적 특성 중 동점성률과 압축계수를 살펴보았다. 배관내경은 몇몇 유동방정식을 사용하여 계산하였으며, 배관두께는 안전계수와 배관재료를 고려하여 계산하였다. 배관 내 마찰과 가스온도 및 배관고도로 인한 압력강하는 AGA 유동방정식을 사용하여 계산하였다. 본 연구에서 수행한 유동설계 결과는 알래스카 배관 프로젝트 보고서와 비교하였다.
천연가스 배관의 유동설계는 예상되는 모든 유체의 조건에서 배관의 설계수명 동안 적절한 흐름이 지속될 수 있는가를 결정하는 것이다. 장거리 자원이송망의 유동설계는 수송되는 유체의 물리적 특성, 유량, 온도와 압력, 배관의 길이와 고도, 배관이 횡단하는 지역의 환경 등 다양한 인자를 고려하여야 한다. 본 연구에서는 극한지 자원이송망 건설프로젝트의 운전 자료를 분석하였으며, 배관 내 가스흐름에 영향을 끼치는 가스의 물리적 특성 중 동점성률과 압축계수를 살펴보았다. 배관내경은 몇몇 유동방정식을 사용하여 계산하였으며, 배관두께는 안전계수와 배관재료를 고려하여 계산하였다. 배관 내 마찰과 가스온도 및 배관고도로 인한 압력강하는 AGA 유동방정식을 사용하여 계산하였다. 본 연구에서 수행한 유동설계 결과는 알래스카 배관 프로젝트 보고서와 비교하였다.
Hydraulic analysis of the natural gas transmission pipeline is to determine whether adequate flow can be sustained throughout the design life of pipeline under all expected flow conditions. Many factors have to be considered in the hydraulic design of long-distance pipelines, including the nature, v...
Hydraulic analysis of the natural gas transmission pipeline is to determine whether adequate flow can be sustained throughout the design life of pipeline under all expected flow conditions. Many factors have to be considered in the hydraulic design of long-distance pipelines, including the nature, volume, temperature and pressure of fluid to be transported, the length and elevation of pipeline and the environment of terrain traversed. This study reviewed the available gas operation data provided by pipeline construction project in the arctic area and discussed the gas properties such as viscosity and compressibility factor that influence gas flow through a pipeline. Pipeline inside diameter was calculated using several flow equations and pipeline wall thickness was calculated from Barlow's equation applying a safety factor and including the yield strength of the pipe material. The AGA flow equation was used to calculate the pressure drop due to friction, gas temperature and pipeline elevation along the pipeline. The hydraulic design in this study was compared with the report of Alaska Pipeline Project.
Hydraulic analysis of the natural gas transmission pipeline is to determine whether adequate flow can be sustained throughout the design life of pipeline under all expected flow conditions. Many factors have to be considered in the hydraulic design of long-distance pipelines, including the nature, volume, temperature and pressure of fluid to be transported, the length and elevation of pipeline and the environment of terrain traversed. This study reviewed the available gas operation data provided by pipeline construction project in the arctic area and discussed the gas properties such as viscosity and compressibility factor that influence gas flow through a pipeline. Pipeline inside diameter was calculated using several flow equations and pipeline wall thickness was calculated from Barlow's equation applying a safety factor and including the yield strength of the pipe material. The AGA flow equation was used to calculate the pressure drop due to friction, gas temperature and pipeline elevation along the pipeline. The hydraulic design in this study was compared with the report of Alaska Pipeline Project.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 극한지 장거리 자원이송망 프로젝트를 분석하여, 천연가스 배관의 운전 특징을 살펴보고, 이에 대한 유동설계를 수행하였다.
APP의 유동해석 보고서에 알려져 있지 않는 천연가스의 물리적 특성은 압축계수와 동점성률이다. 따라서 본 연구에서는 배관 내 가스흐름에 영향을 끼치는 가스의 물리적 특성 중 동점성률과 압축계수에 대해 살펴보았다.
본 연구 수행으로 극한지 장거리 자원이송망 유동설계에 사용가능한 기술을 확보하였다.
본 연구에서는 APP 전체 프로젝트 중 Prudhoe Bay에서 알래스카와 캐나다 국경 Yukon border까지의 Alaska Main Line을 대상으로 유동해석을 수행한 다음 TransCanada가 수행한 유동설계와 비교하여 본 연구에서 수행한 극한지 자원이송망 유동해석의 적정성을 검증하고자 하였다. Table 1의 설계기본지침, Fig.
가설 설정
6 ℃로 낮아졌다. 각 승압기지 사이의 가스온도는 자세히 알려져 있지 않기 때문에 본 연구에서 배관 유동해석 시 가스온도는 승압기지 사이를 직선적으로 증가하거나 감소하는 것으로 고려하였다. 따라서 GTP에서 첫 번째 승압기지 구간에 대해서 유동해석을 수행할 때 가스온도는 산술 평균인 -7.
3 km 지점에서 728 m 이다. 각 승압기지 사이의 배관고도는 자세히 알려져 있지 않기 때문에 본 연구에서 배관 유동해석시 배관고도는 승압기지 사이를 직선적으로 증가하거나 감소하는 것으로 가정하였다.
4에 나타내었다. 배관고도는 배관길이에 따라 직선적으로 증가하거나 감소하는 것으로 가정하였다. 배관고도가 변화하지 않는 경우와 비교하여 배관고도가 낮아지는 경우 압력강하가 감소하였으며, 배관고도가 높아지는 경우 압력강하가 증가함을 알 수 있다.
622인 경우에 대하여 배관고도에 따른 압력변화를 평가하였다. 배관길이가 0 km 인 지점의 배관고도는 0 m로 고정하고, 배관길이가 175 km인 지점의 배관고도가 -1,000 ~ 1,000 m로 변화한다고 가정한 다음 배관길이에 따른 압력변화를 평가하여 Fig. 4에 나타내었다. 배관고도는 배관길이에 따라 직선적으로 증가하거나 감소하는 것으로 가정하였다.
제안 방법
APP는 유동설계에 대하여 자세한 보고서를 발표하였고, 극한지 장거리 자원이송망 건설 프로젝트 중 대용량 가스 수송과 장거리 대구경 배관 사용 등 본 연구와 부합하기 때문에 미국 규격을 기준으로 건설된 APP를 유동설계에 대한 설계기본지침으로 사용하고자 한다. APP 기술보고서를 토대로 본 연구의 유동해석에 사용할 설계기본지침과 천연가스 성분을 Table 1과 2에 나타내었다.
극한지 자원이송망 설계에서 중요한 인자인 유동해석을 수행하였으며, TransCanada의 APP 기술보고서와 비교분석하여 본 연구의 타당성을 검증하였다.
이러한 가스온도 변화는 배관 내 유체의 압력변화에 영향을 미친다. 따라서 Table 1의 설계기본지침을 사용하고 상대밀도가 0.622 일 때 배관고도를 0 m로 고정하고 평균 가스온도가 -20 ~ 20 ℃로 변화시켜 배관거리에 따른 압력변화를 평가하였다. Fig.
배관고도는 배관 내 유체의 압력 변화에 영향을 미친다. 따라서 Table 1의 설계기본지침을 사용하고 상대밀도가 0.622인 경우에 대하여 배관고도에 따른 압력변화를 평가하였다. 배관길이가 0 km 인 지점의 배관고도는 0 m로 고정하고, 배관길이가 175 km인 지점의 배관고도가 -1,000 ~ 1,000 m로 변화한다고 가정한 다음 배관길이에 따른 압력변화를 평가하여 Fig.
극한지 장거리 자원이송망 설계에 대한 러시아 자료는 확보하는 데 다소 어려움이 있지만 미국 및 캐나다 자료는 다수 공개되어 있다. 따라서 극한지 장거리 천연가스 배관 건설 프로젝트 중 미국 규격을 기준으로 건설된 Alaska Pipeline Project(APP)와 캐나다 규격을 기준으로 건설된 Mackenzie Gas Project(MGP)의 운전 특징을 살펴보았다[4-8].
대상 데이터
APP는 알래스카 Prudhoe Bay에서 생산된 천연가스를 알래스카, 캐나다 및 미국 본토까지 천연가스를 공급하기 위한 것이다. 배관길이는 알래스카 부분이 1,200 km 이고 캐나다 부분이 1,537 km로 총 길이는 2,737 km 이다. 이 프로젝트의 주관회사는 TransCanada와 Exxon Mobile로 2009년 기준으로 예상되는 건설비용은 320~410 억불이다.
데이터처리
85 ℃를 사용하였다. 각 승압기지 사이의 가스온도는 산술 평균의 가스온도를 사용하여 유동해석을 수행하였다. APP에서 천연가스 배관의 1월중 평균 가스온도는 Table 1에 나타낸 바와 같이 -5.
이론/모형
APP에서 배관내경은 AGA 유동방정식으로 계산되었다. 배관외경을 결정하기 위해서는 배관두께를 우선적으로 계산하여야 한다.
본 연구에서 압축계수는 California Natural Gas Association 방법을 사용하였고, 동점성률은 Gas Viscosity Calculator 방법을 사용하였다[11]. Fig.
성능/효과
(1) CW, MCW와 AGA 유동방정식으로 계산한 배관내경은 유사한 값을 보여주었으며, 가스의 상대밀도가 0.622에서 0.652로 변화한 경우에도 배관내경은 크게 변화하지 않는 것으로 나타났다.
(2) 유동방정식들로 계산된 배관내경 값과 배관두께 계산식을 사용하여 계산한 배관두께를 고려할 때 가장 적절한 배관은 외경 1,219mm와 두께 27.0 mm로 결정되었다.
(3) 배관고도가 높아지는 경우에 압력강하가 크게 나타났으며, 특히 배관거리에 따른 압력강하를 작게하기 위해서는 가스온도를 낮게 유지하는 것이 유리한 것으로 나타났다.
(4) 배관고도, 가스온도 및 승압기지 위치 등을 고려하여 극한지 장거리 자원이송망 유동해석을 수행한 결과 본 연구에서 평가한 압력변화는 APP 기술보고서에 제시한 결과와 잘 일치하는 것으로 나타났다.
(5) 가스속도는 압력에 반비례하는 것으로 나타났으며, 특정 위치에서 가스속도는 4.9 ~ 6.1 m/s로, 최대허용가스속도 10.4 ~ 11.6 m/s에 미치지 못하는 것으로 나타났다.
Anchorage 지역의 월간 평균 대기온도는 -12~10℃이고, Fairbanks 지역은 -29~10 ℃ 이다. 1998년부터 2001년 까지 지표면으로부터 0.65 m 깊이에서 토양의 온도를 측정한 결과를 보면, 알래스카 북부에 위치는 Toolik Lake 지역의 토양온도는 -13~0 ℃로 연간 영하의 온도로 유지되고, 알래스카 중북부에 위치한 Coldfoot 지역의 토양온도는 -7~1 ℃로 연중 거의 대부분의 기간 동안 영하로 유지된다.
1에서 압축계수는 가스 상대밀도, 압력 및 온도에 의존함을 알 수 있다. 가스 상대밀도가 감소하고, 가스 압력이 감소하고, 가스 온도가 증가할 때 압축계수는 증가하는 것으로 나타났다. Fig.
2에서 가스의 동점성률은 가스의 상대밀도와 온도에 의존함을 알 수 있다. 가스 상대밀도가 감소할수록, 가스온도가 증가할수록 가스의 동점성률이 증가하는 것으로 나타났다. 동점성률은 유체 흐름에 대한 저항을 나타내기 때문에 가스의 상대밀도가 증가함에 따라, 가스 온도가 증가함에 따라 배관 내에 흐르는 가스 유동의 양은 감소할 것이다.
Table 1의 설계기본지침 및 Table 2의 천연가스 조성을 사용하여 배관 내경을 계산하였으며 그 결과를 Table 3에 나타내었다. 마찰계수를 사용하는 CW, MCW와 AGA 유동방정식으로 계산한 배관내경은 유사한 값을 보여주고 있으며 가스의 상대 밀도가 0.622에서 0.652로 변화한 경우에도 배관의 내경은 크게 변화하지 않는 것으로 나타났다.
배관고도가 변화하지 않는 경우와 비교하여 배관고도가 낮아지는 경우 압력강하가 감소하였으며, 배관고도가 높아지는 경우 압력강하가 증가함을 알 수 있다. 배관길이 175 km에서 두 지점의 배관고도가 0 m로 동일할 때 3.2 MPa의 압력강하가 발생하지만, 배관고도가 1,000 m 낮아졌을 때 0.7 MPa, 배관고도가 1,000 m 높아졌을 때 5.3 MPa 압력강하가 발생하는 것으로 나타났다. 즉, 일정 배관길이에서 동일한 고도에 있는 배관의 압력강하와 비교하여 배관고도가 높아지면 압력강하가 크게 발생하고, 배관고도가 낮아지면 압력강하가 작게 발생하는 것으로 나타났다.
상대밀도가 큰 경우 압력강하가 약간 크게 나타났다. 배관길이가 짧을 때는 상대밀도 차이에 의한 압력강하는 크지 않지만, 배관길이가 증가함에 따라 상대밀도의 차이에 의한 압력강하는 증가하는 것으로 나타났다.
Table 4는 각 승압기지 인입압력에 대하여 본 연구에서 계산한 값과 APP 기술보고서에 제시한 값을 비교한 것이다. 본 연구에서 평가한 배관거리에 따른 압력변화는 APP 보고서의 결과와 잘 일치하는 것으로 나타났다.
APP와 MGP의 경우 영구동토층의 충격을 최소화하기위해 승압기지에서 송출되는 가스는 -1 ℃로 일정하게 하여 항상 가스온도가 영하의 온도로 유지함을 알 수 있다. 즉 영구동토층에 건설되는 장거리 가스배관의 가스온도는 항상 -1℃ 이하가 되도록 설계하는 것으로 나타났다.
3 MPa 압력강하가 발생하는 것으로 나타났다. 즉, 일정 배관길이에서 동일한 고도에 있는 배관의 압력강하와 비교하여 배관고도가 높아지면 압력강하가 크게 발생하고, 배관고도가 낮아지면 압력강하가 작게 발생하는 것으로 나타났다.
가스의 속도는 압력에 반비례함을 알 수 있다. 특정 위치에서 가스속도는 4.9 ~ 6.1 m/s로, 최대허용가스속도 10.4 ~ 11.6 m/s에 미치지 못하는 것으로 나타났다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
천연가스 배관의 유동설계는 무엇을 결정하는가?
천연가스 배관의 유동설계는 예상되는 모든 유체의 조건에서 배관의 설계수명 동안 적절한 흐름이 지속될 수 있는가를 결정하는 것이다. 장거리 자원이송망의 유동설계는 수송되는 유체의 물리적 특성, 유량, 온도와 압력, 배관의 길이와 고도, 배관이 횡단하는 지역의 환경 등 다양한 인자를 고려하여야 한다.
극한지 장거리 자원이송망을 설계하기 위해서는 극한지 장거리 자원이송망 건설 자료를 수집 및 분석하여 요소기술 및 특징을 파악하는 것이 무엇보다 중요한 이유는?
영구동토지역은 2년 이상 토양의 온도가 0 oC 이하로 유지되는 지역으로 크게 연속, 불연속, 간헐적 및 독립 영구동토지역으로 분류된다. 극한지 장거리 자원이송망은 계절에 따라 영구동토층에서 해빙과 동결이 발생하므로 다른 기후조건을 가진 지역에 건설된 배관과는 다른 설계를 수행해야 한다. 극한지 장거리 자원이송망에 대한 연구결과가 많지 않은 상태이며 이에 대한 관련 규격 정립도 미흡한 상태이다. 따라서 극한지 장거리 자원이송망을 설계하기 위해서는 극한지 장거리 자원이송망 건설 자료를 수집 및 분석하여 요소기술 및 특징을 파악하는 것이 무엇보다 중요하다.
장거리 자원이송망의 유동설계에서 교려해야 하는 인자는?
천연가스 배관의 유동설계는 예상되는 모든 유체의 조건에서 배관의 설계수명 동안 적절한 흐름이 지속될 수 있는가를 결정하는 것이다. 장거리 자원이송망의 유동설계는 수송되는 유체의 물리적 특성, 유량, 온도와 압력, 배관의 길이와 고도, 배관이 횡단하는 지역의 환경 등 다양한 인자를 고려하여야 한다. 본 연구에서는 극한지 자원이송망 건설프로젝트의 운전 자료를 분석하였으며, 배관 내 가스흐름에 영향을 끼치는 가스의 물리적 특성 중 동점성률과 압축계수를 살펴보았다.
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