[논문]이중보온 열수송관에 대한 동결차수공법개발에 관한 연구

유병희; 안창구; 김우철; 신익호

doi:10.5855/energy.2017.26.3.105

이중보온 열수송관에 대한 동결차수공법개발에 관한 연구
The study of developing the freezing seal isolation method for the pre insulated heat transfer pipe 원문보기

에너지공학 = Journal of energy engineering, v.26 no.3, 2017년, pp.105 - 112

유병희 (텍사스주립대학교) , 안창구 (한국지역난방공사) , 김우철 (한국지역난방공사) , 신익호 (지이오에쓰)

초록
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우리는 원자력발전시스템에서부터 상수도까지 많은 배관시스템을 사용하고 있다. 그리고 이들 배관시스템의 적절한 운용을 위하여 배관시스템의 유지 및 보수 등을 수행하고 있다. 특히 한국지역난방공사와 같은 대형플랜트 배관시스템의 고장은 기업의 생산성과 이익에 직결된 문제일 뿐만 아니라 국민의 안전과 편익과 같은 매우 중요한 문제를 유발할 수 있기 때문에 빠른 대응과 안전한 수리가 가장 중요한 문제로 대두되고 있다. 본 연구에서는 한국지역난방공사 사용 중인 이중보온 열수송관(300A)의 유지보수를 위하여 액화질소를 이용한 배관 동결차수공법을 개발하였다. 본 연구에서는 전산해석기법을 채용하여 대상 열수송관과 전용 재킷에 대한 내부 유동 및 열전달 해석을 수행하여 최적의 시스템을 선정하고, 상세 모델을 설계, 제작하였다. 실험실 규모 시험장치를 개발하여 차수공법에 대한 자체시험을 수행하고, 한국지역난방공사 세종지사 Test bed에서 현장적용 성능평가 시험을 수행하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A lot of piping systems have been used from nuclear power systems to water supply systems. The maintenance of the piping systems is needed to ensure proper operation of the piping systems. Failure of the large pipe systems especially such as KDHC(Korea District Heating Corporation) can be a matter directly related to the enterprise productivity and profitability. It can also lead to very important issues in promoting public safety and convenience. Therefore a method of quick and safety repairs have been emerged as the most important problem. In this study, freezing seal isolation method using liquid nitrogen cryogenic refrigerant was developed for the maintenance of a pre insulated heat transport pipe of KDHC with a diameter of 300 mm. In this study, by employing computational analysis techniques we performed the flow and heat transfer analysis for the targeted pre insulated heat transfer pipe and freezing seal jacket(ice-Plug) and have selected for optimal system. The detailed design model based on the results of the computational analysis finally was produced. A laboratory-scale test apparatus were designed and the freezing seal isolation self-test carried out. Also the performance assessment tests in the test bed of KDHC were carried out for on-site application.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 열수송관에서 배관 및 밸브 등의 손상과 같은 유지보수의 상황이 발생되었을 때, 열 수송관의 임의 선정된 부위에서 내부 유체를 극저온 냉매(액화질소 등)로 안전하게 급속 냉각하여 배관을 차단함으로 임시적인 플러그 효과를 가질 수 있도록 배관 수리보수 시스템을 개발하고 성능시험까지 진행하는 것을 핵심목표로 한다. 상세 개발성능 목표는 Table 2에 나타내었다.
본 연구에서는 전산해석기법을 채용하여 전용 아이스플러그 Jacket에 대한 내부 유동 및 열전달 해석을 수행하여 최적의 시스템을 개발하였다. 전산해석기법은 현재 널리 사용 중인 상용 프로그램을 채용하여 유동해석 및 열전달 해석을 수행하였다.
본 연구에서는 한국지역난방공사 이중보온 열수송관(300A)를 이용하여 고온 배관에 대하여 극저온 냉매를 이용한 동결차수가 가능함을 확인하였다. 본 연구에서는 전산해석기법을 통하여 고온 배관에 대한 동결차수 메커니즘을 규명하고 해석모델 및 해석기법을 개발하였다. 개발된 해석기법을 통하여 한국지역난방공사 이중보온 열수송관(300A) 전용 아이스플러그를 개발하고 제작하였다.

제안 방법

본 연구에서는 전산해석기법을 통하여 고온 배관에 대한 동결차수 메커니즘을 규명하고 해석모델 및 해석기법을 개발하였다. 개발된 해석기법을 통하여 한국지역난방공사 이중보온 열수송관(300A) 전용 아이스플러그를 개발하고 제작하였다. 개발된 아이스 플러그를 이용하여 시험실 규모 실증시험과 현장 적용성능 실증시험을 수행하고 동결차수에 성공하였다.
먼저 Jacket의 성능규명에 앞서 열수송관 내부 유체에 대한 온도강하에 대하여 검토하였으며 Fig. 1 에고온 열수송관 온도강하에 대하여 나타내었다.
열수송관(300A) 동결차수공법에 대한 적용성능 실증 시험과 현장 적용성능 실증 시험을 수행하여 성능을 검증하였으며, 열수송관 동결차수된 아이스플러그에 대한 내수압력시험을 수행하여 내압력 성능을 함께 평가하였다.
열수송관(300A)에 대한 동결차수공법 적용성능 검증과 아이스플러깅 메커니즘 분석을 위하여 실험실 규모의 전용 Test chamber를 제작하였다. 본 연구에 사용된 시험장치는 한국지역난방에서 사용 중인 이중 보온 열수송관(300A)을 사용하였으며, 고온수 인입측 4,500mm와 토출측 4,500mm 그리고 시험구간 2,500mm로 Fig.
열수송관(300A)에 형성된 아이스플러그의 한 쪽은 대기에 오픈하고 다른 쪽에 내압력 시험을 수행하였다. 가압속도는 분당 3kgf/cm²로 증가하였으며, 최고압력 33kgf/cm²에서 10분 지속하여 내압력 성능이 유지됨을 확인하였다.
본 연구에서는 전산해석기법을 채용하여 전용 아이스플러그 Jacket에 대한 내부 유동 및 열전달 해석을 수행하여 최적의 시스템을 개발하였다. 전산해석기법은 현재 널리 사용 중인 상용 프로그램을 채용하여 유동해석 및 열전달 해석을 수행하였다.

대상 데이터

열수송관(300A)에 대한 동결차수공법 적용성능 검증과 아이스플러깅 메커니즘 분석을 위하여 실험실 규모의 전용 Test chamber를 제작하였다. 본 연구에 사용된 시험장치는 한국지역난방에서 사용 중인 이중 보온 열수송관(300A)을 사용하였으며, 고온수 인입측 4,500mm와 토출측 4,500mm 그리고 시험구간 2,500mm로 Fig. 3과 같이 구성되어 있다.
4와 같다. 액화 질소공급부는 실제 현장에서 사용이 가능하도록 산업체에서 많이 사용되고 있는 LGC Tank(175L)를 사용하였다.
현장적용성능 실증시험은 한국지역난방공사 세종지사 열수송관(300A0를 사용하였으며, 배관 내부 유체온도는 85℃이고 배관 내부 압력은 10kgf/cm²에서 시험을 수행하였고, 시험전경은 Fig. 6와 같다. 현장적용성능 실증시험에서 배관 동결차수 완료시간은 최초액화질소 주입시간으로부터 10시간 23분 (623분)이 소요되었다.

성능/효과

열수송관(300A)에 형성된 아이스플러그의 한 쪽은 대기에 오픈하고 다른 쪽에 내압력 시험을 수행하였다. 가압속도는 분당 3kgf/cm²로 증가하였으며, 최고압력 33kgf/cm²에서 10분 지속하여 내압력 성능이 유지됨을 확인하였다.
개발된 아이스 플러그를 이용하여 시험실 규모 실증시험과 현장 적용성능 실증시험을 수행하고 동결차수에 성공하였다. 개발된 동결 차수용 아이스플러그는 최고압력 33kgf/cm²까지 내압력 성능이 있음을 확인하였다. 본 과제를 통하여 개발된 동결차수시공 시스템을 사용하여 한국지역난방공사 이중보온 열수송관(300A) 에 대하여 배관차수를 시행할 경우 현재 널리 사용 중인 Hot-Tap시공비용 대비 배관차수시공원가를 40% 절감할 수 있게 되었다.
개발된 해석기법을 통하여 한국지역난방공사 이중보온 열수송관(300A) 전용 아이스플러그를 개발하고 제작하였다. 개발된 아이스 플러그를 이용하여 시험실 규모 실증시험과 현장 적용성능 실증시험을 수행하고 동결차수에 성공하였다. 개발된 동결 차수용 아이스플러그는 최고압력 33kgf/cm²까지 내압력 성능이 있음을 확인하였다.
개발된 동결 차수용 아이스플러그는 최고압력 33kgf/cm²까지 내압력 성능이 있음을 확인하였다. 본 과제를 통하여 개발된 동결차수시공 시스템을 사용하여 한국지역난방공사 이중보온 열수송관(300A) 에 대하여 배관차수를 시행할 경우 현재 널리 사용 중인 Hot-Tap시공비용 대비 배관차수시공원가를 40% 절감할 수 있게 되었다. 이와같이 한국지역난방공사 이중보온 열수송관(300A)에 동결배관차수공법을 적용할 경우 경제적으로 보다 저렴하고 친환경적이며, 사용상 보다 안전하고 편리하게 배관차수 시공이 가능하게 되었다.
본 연구에서는 한국지역난방공사 이중보온 열수송관(300A)를 이용하여 고온 배관에 대하여 극저온 냉매를 이용한 동결차수가 가능함을 확인하였다. 본 연구에서는 전산해석기법을 통하여 고온 배관에 대한 동결차수 메커니즘을 규명하고 해석모델 및 해석기법을 개발하였다.
현장적용성능 실증시험에서 배관 동결차수 완료시간은 최초액화질소 주입시간으로부터 10시간 23분 (623분)이 소요되었다. 사용된 액화질소 소요량은 4,710L로 실험실 규모 실증시험과 비교하여 41% 많이 소요되었다. 이는 실제 현장의 열수송관(300A) 내부 유체 온도와 압력이 높아서 동결차수에 필요한 액화질소량이 더 많이 소요되는 것으로 판단된다.
액화질소의 안전한 공급과 유량조절을 위하여 솔레노이드밸브와 제어기를 사용하여 유량을 제어하였고, 사용된 액화질소 소요량은 3,340L로 전산해석기법을 통하여 계산된 액화질소 소요량 과 유사함을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 연구에서 배관 동결차수공법은 무엇을 의미하는가?	본 연구의 배관 동결차수공법은 극저온 냉매를 이용하여 관내의 유체를 급속 냉각 결빙시켜 배관 내 부유체의 흐름을 차단시키는 것을 의미하는데 열수송관에 대한 본 기술의 적용 가능성과 안전에 대한 신뢰성이 확보된다면 많은 배관 설비들로 이루어진 한국지역난방공사와 같은 곳에서 배관의 누설에 따른 위험성이나 계통의 정지로 인한 경제적인 손실을 최소화할 수 있어 안전성이나 경제성이 보장되는 좋은 방법이라고 할 수 있다. 열수송관 계통과 밸브류의 파손 및 누기 등의 문제가 발생한 경우, 신속하게 열수송관 내에 플러그를 형성하여 배관계통 일부 구간을 차단하여 수리 및 보전함으로써 열수송 배관계의 완전한 정지나 드레인 및 리필링을 위한 공기제거 등의 공정이 전혀 필요 없으며, 특히 시공 후 배관에 어떠한 물리적 손상(천공)이 없이 배관을 차단하고 보수할 수 있는 최신 기술이다.
	배관 동결 차단공법은 무엇인가?	이러한 경우 통상적으로 관내의 유체를 모두 배출하여 배관의 압력을 해제한 후 배관수리 작업을 수행하게 되는데, 특히 원자력 발전소나 화학 공장 등에서는 계통 내의 유체가 방사능 등의 유독성을 띄거나 매우 값비싼 물질일 경우가 많아, 경제적 손실과 환경적으로 심각한 문제가 발생하게 된다. 따라서 관내의 유체를 급속으로 냉각하여 얼린 상태에서 배관의 관 막음을 수행할 수 있도록 하는 배관 동결 차단공법이 가장 효율적이고 경제적인 방법으로 이용될 수 있어 이러한 기술적, 방법적 활용에 대한 요구가 대두되고 있다.
	배관 동결차수공법을 사용할 때, 열수송관 계통과 밸브류의 파손 및 누기 등의 문제가 발생한 경우 어떤 장점이 있는가?	본 연구의 배관 동결차수공법은 극저온 냉매를 이용하여 관내의 유체를 급속 냉각 결빙시켜 배관 내 부유체의 흐름을 차단시키는 것을 의미하는데 열수송관에 대한 본 기술의 적용 가능성과 안전에 대한 신뢰성이 확보된다면 많은 배관 설비들로 이루어진 한국지역난방공사와 같은 곳에서 배관의 누설에 따른 위험성이나 계통의 정지로 인한 경제적인 손실을 최소화할 수 있어 안전성이나 경제성이 보장되는 좋은 방법이라고 할 수 있다. 열수송관 계통과 밸브류의 파손 및 누기 등의 문제가 발생한 경우, 신속하게 열수송관 내에 플러그를 형성하여 배관계통 일부 구간을 차단하여 수리 및 보전함으로써 열수송 배관계의 완전한 정지나 드레인 및 리필링을 위한 공기제거 등의 공정이 전혀 필요 없으며, 특히 시공 후 배관에 어떠한 물리적 손상(천공)이 없이 배관을 차단하고 보수할 수 있는 최신 기술이다.

참고문헌 (4)

Jeong, G. H., et al., 2002, Numerical Analysis of Phase Change and Natural Convection Phenomena During Pipe Freezing Process, ASME, Pressure Vessels and Piping Conference, pp. 1-5
Park, Y. D,. et al., 2002, Integrity evaluation of ice plugged pipes applied on short jacket, KNS, Vol. 34, No. 2, pp. 105-116
Pak, B. D., et al., 2001, The experimental study for liquid freezing phenomena in a pipe during ice plugging, KSME, Vol. 25, No. 3, pp. 366-372
Wigley, D. A., 1984, Basic mechanism of plug formation during cryogenic pipe freezing, Proceedings of the tenth international cryogenic engineering conference, pp. 503-506

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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