[논문]배관 유동의 주요 변수계산을 위한 소프트웨어 시스템의 개발

창재훈; 이건희; 정민영; 백흠경; 이창하; 오민

doi:10.9713/kcer.2019.57.5.628

배관 유동의 주요 변수계산을 위한 소프트웨어 시스템의 개발
Software Package for Pipe Hydraulics Calculation for Single and Two Phase Flow 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.57 no.5, 2019년, pp.628 - 636

창재훈 (한밭대학교 화학생명공학과) , 이건희 (한밭대학교 화학생명공학과) , 정민영 (한밭대학교 화학생명공학과) , 백흠경 (도프텍 주식회사) , 이창하 (연세대학교 화공생명공학과) , 오민 (한밭대학교 화학생명공학과)

초록
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다양한 산업 공정에서 배관은 각 단위공정 사이의 연결 매개체의 역할을 하며, 내부의 유동에 있어 필수적인 장치이다. 따라서 배관의 최적설계는 안전과 비용의 측면에서 매우 중요한 문제이며, 설계 시 필수적인 사항은 배관 내 압력강하 및 유속, 배관 지름 등을 결정하는 일이다. 본 연구에서는 배관 지름 및 유속이 정해졌을 때 발생하는 압력강하, 배관의 압력강하 및 유속이 정해졌을 때의 배관 지름, 배관 지름 및 압력강하가 정해졌을 때의 유속을 결정하는 소프트웨어를 개발하였다. 배관 내 유동을 단일 상 흐름, 균질 2 상 유동, 분리 2 상 유동으로 구분하였으며 이에 따라 적절한 계산 모델을 적용하였다. 파이프의 재질 및 상대 거칠기, 유체의 물성치, 마찰계수의 계산을 위한 시스템 라이브러리를 구축하여 사용자의 입력을 최소화하였다. 배관 재질에 따른 가격 라이브러리를 구축하여 단위 길이당 배관 투자 비용의 산출을 가능하도록 구성하였다. 이러한 모든 기능은 사용자 편의를 위한 그래픽 사용자 인터페이스를 이용한 통합 환경에서 구현할 수 있으며, C# 언어를 개발 언어로 사용하였다. 소프트웨어의 정확도를 문헌 자료와 실 수행 과제의 예제를 통하여 검증하였으며 단일 상의 경우 1% 미만, 2 상의 경우 최고 8.8% 정도의 차이를 보였으며, 이에 따라 개발된 소프트웨어가 실제 공정의 계산에 유용하게 쓰일 수 있음을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In various industrial processes, piping serves as a link between unit processes and is an essential installation for internal flow. Therefore, the optimum design of the piping system is very important in terms of safety and cost, which requires the estimation of the pressure drop, flow rate, pipe size, etc. in the piping system. In this study, we developed a software that determines pressure drop, flow rate, and pipe size when any two of these design variables are known. We categorized the flows into single phase, homogeneous two phase, and separated two phase flows, and applied suitable calculation models accordingly. We also constructed a system library for the calculation of the pipe material, relative roughness, fluid property, and friction coefficients to minimize user input. We further created a costing library according to the piping material for the calculation of the investment cost of the pipe per unit length. We implemented all these functions in an integrated environment using a graphical user interface for user convenience, and C # programming language. Finally, we verified the accuracy of the software using literature data and examples from an industrial process with obtained deviations of 1% and 8.8% for the single phase and two-phase models.

주제어

표/그림 (16)

표 Table 1. Required variables for hydraulic calculation
표 Table 3. Mathematical formulas for homogeneous two phase model
표 Table 4. Mathematical formulas for separated two phase model
표 Table 2. Mathematical formulas for single phase model
그림 Fig. 1. Calculation flow chart for single phase hydraulics.
그림 Fig. 2. Calculation flow chart for homogenous two phase hydraulics.
표 Table 5. Algorithms to calculate pressure drop, velocity and diameter for single phase
표 Table 6. Algorithms to calculate pressure drop, velocity and diameter for homogeneous two phase flow
그림 Fig. 3. Calculation flow chart for separated two phase hydraulics.
그림 Fig. 4. Software Structure for pipe hydraulic calculation for single and two phase flow.
표 Table 7. Algorithm to calculate pressure drop, flow rate and diameter for separated two phase flow
표 Table 8. Cost data for various material
그림 Fig. 5. Software Interface; (a) Main menu, (b) Pressure drop calculation for single phase flow, (c) Velocity calculation for homogeneous two phase flow, (d) Diameter calculation for separated two phase flow.
그림 Fig. 6. Simplified PFD for pipe hydraulic calculation from LPG process (single phase: 1-9, two phase: 10-16) [30].
표 Table 9. Calculation result of the examples for single and two phase flow
표 Table 10. LPG Process Diameter Calculation Results

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

LPG 공정은 단위공정 혹은 전체공정에 해당하는 수 많은 배관이 존재하며, 이에 따라 배관의 지름을 결정하는 것이 중요한 요소가 될 수 있다. 본 연구에서 배관 지름을 계산하기 위해 원료물질로부터 메탄회수 증류탑까지 존재하는 배관을 대상으로 개발된 소프트웨어를 적용 및 검증하였다. 계산된 결과는 실 공정의 배관 지름과 비교하였으며, Table 10에서 계산된 결과와 실제 결과를 비교하였다.
본 연구에서는 배관 내 유체의 유동으로 인한 압력강하, 유속, 배관 지름을 계산하며 배관 규격에 따른 비용을 확인할 수 있는 소프트웨어를 개발하였다. 소프트웨어는 Visual studio C# window form을 통해 사용자 인터페이스 및 내부 코딩을 설계하였으며 배관 유동 계산 및 비용 예측에 필요한 라이브러리를 구축해 계산과정의 편의를 제공하였다.
단상과 2 상 유동 배관에서 계산되는 주요 변수는 압력강하, 유속 및 배관 지름이 있다. 본장에서는 단상과 2 상의 압력강하, 유속 및 배관 지름의 계산을 위한 이론적 배경 및 알고리즘에 대하여 알아본다. 배관 내 유동 유동의 문제는 다음의 3가지 type으로 구분할 수 있다.

가설 설정

3. 동일한 유체가 등온과정으로 이동하므로 입구와 출구에서 같은 밀도를 유지한다.
5. 외부의 동력은 작용하지 않는다.
이러한 균질 유동 모델에서 운동량이 지배적일 때 배관 안의 기포가 균일하게 분산되는 경향이 있으며 이것은 빠른 유속에서 유체가 유동에 따라 더 많은 기포를 생성하도록 유도하는 특성이 있다[7]. 마찰 압력강하는 배관의 입구와 출구 사이의 일정한 마찰계수를 가정하여 계산된다. 이는 2 상 유동의 액체 및 증기상을 적절히 평균화한 특성을 가지고 계산되며 균질모델에서 액체와 기체상은 같은 속도로 움직인다는 가정을 포함하고 있다.
본 연구에서 단상 및 2 상에서 소프트웨어 개발을 위해 단상유동의 경우 비압축성 유체에 대한 베르누이 방정식을 활용한 이론적 설계를 하였으며[2,3] 배관에 대한 적절한 가정으로 식을 간편화 하였다. 2 상의 유동의 경우에는 널리 통용되는 계산 모델인 균질 유동 모델, 분리 유동 모델에 대한 수식을 활용하였다[22].
배관 내 유체 온도는 일정하며 단상, 균질 유동의 경우 이동간 추가적인 상변화가 수반되지 않는다. 한편 분리 유동의 경우는 이동간 추가적인 상변화가 수반됨을 가정한다.

제안 방법

· 유체의 물성 : 물, 공기, 가솔린, 등유 등의 유체 밀도, 점도, 표면장력에 대한 물성 라이브러리를 구축하였다.
3. 앞서 구한 마찰계수를 Moody Chart 의 레이놀즈 수 와 배관의 거칠기를 이용해 검증한다.
배관 내 흐름 계산에 관한 문제를 3 개의 유형으로 분류하고 각각에 대한 수학적 모델 및 계산 알고리즘을 제시하여 계산 방법의 정당성을 확인하였다. 또한 배관의 유동은 단상과 2 상 유동으로 분류되며 단상의 경우 베르누이 이론, 2 상의 경우 균질 유동, 분리 유동모델을 사용하였다.
배관 유동 주요변수 계산을 위한 소프트웨어는 Window platform을 바탕으로 개발되었으며 Visual studio C# 을 개발언어로 사용하였으며, GUI를 통하여 사용자의 편의성을 최대화할 수 있도록 개발하였다. 소프트웨어는 1) 입력 모듈(Input module), 2) 계산 모듈(Calculation module), 3) 배관 라이브러리 모듈(Pipe library module), 4) 출력 모듈(Output module) 로 구성되어 있으며 전체 소프트웨어의 구조는 Fig.
본 연구를 통하여 개발된 소프트웨어의 효용성과 정확도를 2 종류 예제를 통하여 검증하였다. 첫 번째 예제는 배관 유동 계산과 관련하여 문헌상에 보고된 내용이며, 두 번째 예제는 실제 수행된 프로젝트의 일부분을 발췌하여 사용하였다.
소프트웨어는 단상, 2 상 유동 계산의 주요 변수인 압력강하, 유속, 배관 지름을 각각 계산하도록 개발되었으며 여러 배관에 대한 데이터베이스를 확보하여, 배관 규격의 가격을 예측할 수 있는 시스템을 구축하였다. 사용자는 유체의 물성, 운전조건 등을 입력해 원하는 주요변수를 계산할 수 있으며, 이를 통한 세 가지 주요변수의 계산과정에서의 상관관계를 제시하였다.
본 연구에서는 배관 내 유체의 유동으로 인한 압력강하, 유속, 배관 지름을 계산하며 배관 규격에 따른 비용을 확인할 수 있는 소프트웨어를 개발하였다. 소프트웨어는 Visual studio C# window form을 통해 사용자 인터페이스 및 내부 코딩을 설계하였으며 배관 유동 계산 및 비용 예측에 필요한 라이브러리를 구축해 계산과정의 편의를 제공하였다.
2 상의 유동의 경우에는 널리 통용되는 계산 모델인 균질 유동 모델, 분리 유동 모델에 대한 수식을 활용하였다[22]. 소프트웨어는 단상, 2 상 유동 계산의 주요 변수인 압력강하, 유속, 배관 지름을 각각 계산하도록 개발되었으며 여러 배관에 대한 데이터베이스를 확보하여, 배관 규격의 가격을 예측할 수 있는 시스템을 구축하였다. 사용자는 유체의 물성, 운전조건 등을 입력해 원하는 주요변수를 계산할 수 있으며, 이를 통한 세 가지 주요변수의 계산과정에서의 상관관계를 제시하였다.
분리 유동 계산흐름은 Type2,3에서 단일상 알고리즘과 유사한 기법을 사용한다. 즉, 전체 압력에 대한 함수의 운동량압력강하와 마찰압력강하의 수식을 식 (34-35)와 같이 유속 및 배관 지름의 함수로 표현한 후 구하고자 하는 변수에 대한 방정식을 세운다. 이후의 과정은 수치해석기법을 적용한 방정식의 해석을 통해 주요변수를 계산하게 되는 알고리즘의 양상을 나타낸다.
본 연구를 통하여 개발된 소프트웨어의 효용성과 정확도를 2 종류 예제를 통하여 검증하였다. 첫 번째 예제는 배관 유동 계산과 관련하여 문헌상에 보고된 내용이며, 두 번째 예제는 실제 수행된 프로젝트의 일부분을 발췌하여 사용하였다.

대상 데이터

· 배관 비용 : 사용자는 배관 재질을 고른 후 규격 결정을 위해 스케줄번호, 공칭경을 선택해 배관 규격과 거리당 비용을 알 수 있다. 배관 비용에 대한 자료는 Hi-Tech Metal and Tubes[24], Global Technology and Engineering[25], W.W.그레인저[27] 등의 회사에서 사용하고 있는 거리당 비용에 대해 활용하였다[24-27].

데이터처리

본 연구에서 배관 지름을 계산하기 위해 원료물질로부터 메탄회수 증류탑까지 존재하는 배관을 대상으로 개발된 소프트웨어를 적용 및 검증하였다. 계산된 결과는 실 공정의 배관 지름과 비교하였으며, Table 10에서 계산된 결과와 실제 결과를 비교하였다. 비교를 통하여 단일 상은 0.

이론/모형

본 연구에서 단상 및 2 상에서 소프트웨어 개발을 위해 단상유동의 경우 비압축성 유체에 대한 베르누이 방정식을 활용한 이론적 설계를 하였으며[2,3] 배관에 대한 적절한 가정으로 식을 간편화 하였다. 2 상의 유동의 경우에는 널리 통용되는 계산 모델인 균질 유동 모델, 분리 유동 모델에 대한 수식을 활용하였다[22]. 소프트웨어는 단상, 2 상 유동 계산의 주요 변수인 압력강하, 유속, 배관 지름을 각각 계산하도록 개발되었으며 여러 배관에 대한 데이터베이스를 확보하여, 배관 규격의 가격을 예측할 수 있는 시스템을 구축하였다.
2. 마찰계수는 배관의 거칠기(Roughness) 및 레이놀즈 수의 함수인 Colebrook equation을 통해 구한다.
계산 중 필요한 자료는 Pipe library module에 수록된 정보를 받아 수행하게 되며, 내부 수식 알고리즘 계산을 위해 Newton’s Method를 사용하였다.
배관 내 흐름 계산에 관한 문제를 3 개의 유형으로 분류하고 각각에 대한 수학적 모델 및 계산 알고리즘을 제시하여 계산 방법의 정당성을 확인하였다. 또한 배관의 유동은 단상과 2 상 유동으로 분류되며 단상의 경우 베르누이 이론, 2 상의 경우 균질 유동, 분리 유동모델을 사용하였다. 특히 2 상의 경우 사용자는 입력자료가 충분하지 않을 때 균질 유동 모델을 사용할 수 있으며, 충분한 입력자료가 있을 때 분리 유동 모델을 사용하여 보유한 자료에 따라 용이한 계산을 하도록 설계하였다.
3에 나타냈으며, 이에 대한 알고리즘을 Table 7로 확인할 수 있다. 분리 유동의 마찰 압력강하를 예측하기 위해 경험적 방법을 토대로 제시된 모델 중 Friedel의 상관관계를 사용하였다. 분리 유동 계산흐름은 Type2,3에서 단일상 알고리즘과 유사한 기법을 사용한다.

성능/효과

1. 배관 내 유체 온도는 일정하며 단상, 균질 유동의 경우 이동간 추가적인 상변화가 수반되지 않는다. 한편 분리 유동의 경우는 이동간 추가적인 상변화가 수반됨을 가정한다.
2. 배관 지름은 일정하며 정상상태를 유지한다. 따라서 입구와 출구에서 등속을 유지한다.
4. 입구와 출구는 다른 높이 가질 수 있으며, 유체의 유동은 중력의 영향을 받는다.
계산된 결과는 실 공정의 배관 지름과 비교하였으며, Table 10에서 계산된 결과와 실제 결과를 비교하였다. 비교를 통하여 단일 상은 0.75% 2 상은 8.88%의 오차를 보임을 알 수 있었다. 단일 상에 비해 2 상의 경우 더 큰 오차를 보이는 것은 실제 공정의 건설 시 온도 변화 등에 의한 상 변화 및 기타 안전요소(safety factor)를 고려하여 약간의 여유(margin)를 두는 것이 일반적인 관행이며, 이러한 요소가 오차의 주요 원인으로 사료된다.
소프트웨어의 검증을 위해 문헌상의 예제 및 수행된 프로젝트의 LPG 대상공정의 단일상 및 2 상 유동계산을 수행하였으며, 문헌상 예제의 경우 0.1~3.8%, 수행된 프로젝트는 단상의 경우 0.75% 2 상의 경우 8.8%의 오차율을 확인하여 소프트웨어의 정당성을 입증하였다.
특히 2 상의 경우 사용자는 입력자료가 충분하지 않을 때 균질 유동 모델을 사용할 수 있으며, 충분한 입력자료가 있을 때 분리 유동 모델을 사용하여 보유한 자료에 따라 용이한 계산을 하도록 설계하였다. 이를 통해 사용자는 유동 양식에 대해 판단된 상태 혹은 이에 대한 가정을 통하여 각 조건에 맞는 적절한 모델을 사용하였을 때 높은 정확성의 결과값을 얻을 수 있다.

후속연구

개발된 소프트웨어는 사용자의 입력을 통하여 단상 및 2 상에 대한 압력강하, 유속 및 배관 지름에 대한 계산을 손쉽고 정확하게 할 수 있어 화학, 가스, 정유 산업 등 다양한 산업 분야에 적용이 가능하며 공정 설계, 보수 및 개선에 유용하게 사용될 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	산업 공정에서 배관의 역할은?	다양한 산업 공정에서 배관은 각 단위공정 사이의 연결 매개체의 역할을 하며, 내부의 유동에 있어 필수적인 장치이다. 따라서 배관의 최적설계는 안전과 비용의 측면에서 매우 중요한 문제이며, 설계 시 필수적인 사항은 배관 내 압력강하 및 유속, 배관 지름 등을 결정하는 일이다.
	LPG 공정이란?	LPG 공정은 원료로부터 메탄, 에탄, 프로판, 부탄을 증류탑으로부터 회수하는 공정이다. LPG공정의 원료는 주로 가스분리기를 통해 생성된 가스에서 질소, 산소, 이산화탄소, 황화수소 등 불순물이 탈수 및 수은 제거층을 거쳐 처리된 응축 및 산성수 등을 포함한 가스가 원료로 사용된다.
	마찰 압력강하에서 배관의 입구와 출구 사이의 일정한 마찰계수를 가정할 때 포함되어 있는 것은?	마찰 압력강하는 배관의 입구와출구 사이의 일정한 마찰계수를 가정하여 계산된다. 이는 2 상 유동의 액체 및 증기상을 적절히 평균화한 특성을 가지고 계산되며 균질모델에서 액체와 기체상은 같은 속도로 움직인다는 가정을 포함하고있다.

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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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