산업 공정에서 정확한 유량 측정은 효율성 최적화, 안전 보장, 제품 품질 유지를 위해 매우 중요합니다. 이 분야의 두 가지 주요 주자는 와류 유량계와 고압 유량계로, 각각 유체 역학의 특정 과제를 해결하도록 설계되었습니다. 이 가이드에서는 작동 원리, 기능, 응용 분야, 그리고 현대 산업 운영에 기여하는 방식을 살펴봅니다.
와류 유량계란 무엇인가요?
와류 유량계는 **와류 방출**이라고 알려진 자연 유체 역학 현상을 활용하는 체적 유량 측정 장치입니다. 20세기 초 테오도어 폰 카르만(Theodor von Karman)에 의해 발견된 와류 방출은 유체가 비유선형 물체(블러프 바디라고 함)를 지나갈 때 발생합니다. 유체가 블러프 바디를 지나가면 양쪽에서 번갈아 분리되어 하류로 소용돌이(와류)가 발생합니다. 이러한 와류의 빈도는 유체의 속도에 정비례하며, 유량의 신뢰할 수 있는 지표가 됩니다.
와류 유량계 작동 방식
일반적인 와류 유량계는 세 가지 핵심 구성 요소로 구성됩니다.
- 블러프 바디**: 와류 방출을 유도하기 위해 유체 경로에 배치된 고정된 비유선형 구조(사각형, 직사각형 또는 사다리꼴 모양). 설계는 유량에 관계없이 일관된 와류 형성을 보장합니다.
- 와류 센서**: 방출되는 와류로 인해 발생하는 압력 진동을 감지합니다. 대부분의 최신 계량기는 압력 변동을 와류 주파수에 해당하는 전기 신호로 변환하는 압전 또는 정전 용량 센서를 사용합니다.
- 송신기 전자 장치**: 센서 신호를 처리하여 유량을 계산합니다. 고급 “스마트” 송신기에는 열팽창, 파이프 크기 불일치, 낮은 레이놀즈 수 효과와 같은 요소를 보정하여 정확도를 높이는 마이크로 프로세서가 포함되어 있습니다.
와류 주파수(f)와 유속(v) 간의 관계는 카르만 와류 거리 원리를 따릅니다. ( f = St times v / d ), 여기서 ( St )는 스트로할 수(블러프 바디의 상수)이고 ( d )는 블러프 바디 너비입니다. 이 공식은 계량기가 주파수를 측정 가능한 유량으로 변환할 수 있도록 합니다.
주요 기능 및 장점
와류 유량계는 다재다능함과 신뢰성으로 두각을 나타내며 다음과 같은 여러 가지 이점을 제공합니다.
- 가동 부품 없음**: 터빈 또는 용적식 계량기와 달리 회전 부품이 없어 마모, 유지 보수 필요성 및 고장 위험이 줄어듭니다.
- 광범위한 매체 호환성**: 316 스테인리스강 또는 Hastelloy와 같은 재료 덕분에 공격적이거나 고온 유체를 포함하여 증기, 가스 및 액체를 측정하는 데 적합합니다.
- 비용 효율성**: 단순한 설계로 초기 및 유지 보수 비용이 절감되어 직경 6인치 미만의 파이프에 대해 오리피스 계량기와 경쟁력이 있습니다.
- 스마트 기능**: 최신 “지능형” 와류 계량기에는 진단, 온도/압력 보정 및 디지털 출력(예: 이더넷)이 포함되어 Industry 4.0 통합을 지원합니다.
정확도는 일반적으로 레이놀즈 수가 30,000 이상일 때 속도의 ±0.5% ~ ±1%이며, 가스 및 증기의 경우 20:1까지의 가변성을 제공하여 안정적이고 고속 흐름에 이상적입니다.
응용 분야 및 제한 사항
와류 유량계는 발전, 화학 처리 및 에너지와 같은 산업에서 증기 흐름, 가스 파이프라인 및 저점도 액체를 모니터링하는 데 탁월합니다. 그러나 다음과 같은 제한 사항이 있습니다.
- **점도 민감도**: 와류 선명도가 감소하여 30 센티푸아즈 이상의 유체(예: 중유)에서는 성능이 저하됩니다.
- **저유량 문제**: 레이놀즈 수가 10,000 미만이면 정확도가 크게 떨어지고 계량기가 오류를 방지하기 위해 출력을 “차단”할 수 있습니다.
- **오염 위험**: 슬러리 또는 코팅 유체는 블러프 바디의 모양을 변경하여 보정(K-factor)을 변경할 수 있습니다.
이러한 단점에도 불구하고 내구성과 낮은 유지 보수로 인해 산업 유량 측정의 필수 요소가 되었습니다.
고압 유량계: 설계 및 기능
고압 유량계는 종종 1,000psi를 초과하고 15,000psi 이상에 도달하는 극한 압력에서 작동하는 시스템에서 유체 흐름을 측정하도록 설계된 특수 장치입니다. 이러한 환경은 오일 및 가스 시추, 해양 플랫폼, 화학 반응기 및 고압 유압 시스템에서 흔히 발생하며, 표준 계량기는 누출, 재료 피로 또는 구조적 손상으로 인해 고장날 수 있습니다.
중요한 설계 고려 사항
고압 유량계는 다음을 통해 견고성과 안전성을 우선시합니다.
- **내압성 재료**: 하우징 및 구성 요소는 변형 없이 극한 압력을 견딜 수 있도록 고강도 합금(예: Inconel, Monel) 또는 강화 스테인리스강을 사용합니다.
- **밀봉 기술**: 고급 개스킷, 용접 조인트 또는 금속 간 밀봉은 누출을 방지하여 압력 스파이크에서도 유체 격리를 보장합니다.
- **센서 보호**: 내부 센서는 직접적인 고압 충격으로부터 보호되며, 종종 다이어프램 또는 모세관 시스템을 사용하여 간접적으로 압력을 전달합니다.
와류 유량계는 단순하고 견고한 설계(가동 부품 없음)로 누출 지점을 최소화하므로 고압 응용 분야에 자주 적용됩니다. 예를 들어, E+H Proline Prowirl F 200과 같은 모델은 고압 증기 및 가스 흐름을 처리할 수 있으며, 내장된 압력 보정을 통해 까다로운 조건에서도 정확성을 보장합니다.
고압 유량계의 응용 분야
고압 유량계는 유체가 강한 압력 하에서 운송되거나 처리되는 산업에서 필수적입니다.
- **석유 및 가스**: 고압 파이프라인, 웰헤드 초크 및 유압 파쇄 작업에서 원유 흐름을 측정합니다.
- **화학 처리**: 반응기 또는 초임계 유체 추출 시스템에서 고압 반응을 모니터링합니다.
- **발전**: 터빈 시스템 또는 보일러 급수관에서 고압 증기 흐름을 추적합니다.
- **항공 우주 및 방위**: 항공기 또는 미사일 추진 라인에서 유압 시스템을 테스트합니다.
이러한 환경에서 신뢰성은 가장 중요합니다. 사소한 부정확성이나 고장조차도 안전 위험, 생산 중단 또는 환경 위험으로 이어질 수 있습니다.
고압 환경의 와류 계량기
와류 유량계는 가혹한 조건과의 호환성으로 인해 고압 응용 분야에 점점 더 많이 선택되고 있습니다. 이러한 맥락에서 장점은 다음과 같습니다.
- 구조적 무결성**: 블러프 바디 및 센서 어셈블리의 견고한 설계는 압력으로 인한 응력에 저항하여 보정 안정성을 유지합니다.
- 낮은 압력 손실**: 오리피스 플레이트에 비해 와류 계량기는 최소한의 압력 강하(약 두 개의 속도 헤드)를 유발하여 고압 시스템에서 에너지 낭비를 줄입니다.
- 스마트 보상**: 고급 모델은 압력 및 온도 변동에 대해 실시간으로 조정하며, 밀도가 압력에 따라 변하는 고압 가스 및 증기에 매우 중요합니다.
예를 들어, 다변수 와류 계량기인 E+H Proline Prowirl F 200은 와류 주파수 데이터를 내장된 압력 및 온도 센서와 결합하여 고압 과열 증기에 대해 ±1.5%의 정확도를 제공하여 별도의 송신기가 필요하지 않습니다.
올바른 계량기 선택: 와류 대 고압 전문가
와류 유량계와 전용 고압 유량계 중에서 선택할 때는 다음을 고려하십시오.
- 압력 요구 사항**: 1,000psi 이상의 시스템의 경우 인증된 내압성을 갖춘 고압 정격 계량기를 우선시합니다.
- 유체 유형**: 와류 계량기는 깨끗하고 저점도 유체 및 증기에 적합하며, 고압 용적식 계량기는 점성 또는 연마성 유체에 적합할 수 있습니다.
- 정확도 요구 사항**: 밀도 변화가 유량 계산에 영향을 미치는 고압 가스/증기의 경우 압력/온도 보정이 있는 스마트 와류 계량기가 이상적입니다.
결론
와류 유량계와 고압 유량계는 산업 유량 측정에서 중요한 역할을 합니다. 와류 계량기는 와류 방출 기술을 통해 광범위한 유체에 대한 신뢰성과 비용 효율성을 제공하는 반면, 고압 계량기는 극한 압력 환경에서 안전과 정확성을 보장합니다. 원리, 기능 및 응용 분야를 이해함으로써 엔지니어는 다양한 산업 환경에서 프로세스를 최적화하고, 비용을 절감하며, 규정을 준수하기 위한 올바른 도구를 선택할 수 있습니다.
발전소의 증기 또는 파이프라인의 고압 오일을 모니터링하든, 이러한 계량기는 유체 역학을 실행 가능한 데이터로 전환하여 현대 산업의 효율성과 혁신을 주도하는 데 필수적입니다.
장점
쉬운 에너지 관리 – 증기 및 가스용 통합 온도 및 압력 측정
신뢰할 수 있고 안전한 측정 기술 – 국제 와류 표준 ISO 12764 준수
Re 10 000까지 동일한 정확도 – 가장 선형적인 와류 계량기 본체
장기적인 안정성 – 견고한 드리프트 없는 정전 용량 센서
편리한 장치 배선 – 별도의 연결 구획, 다양한 이더넷 옵션
안전한 작동 – 장치를 열 필요 없음
통합 검증 – Heartbeat Technology
| 개요 사양 | 체적 유량(액체): ±0.75 % |
| 체적 유량(선택 사항): ±0.65 % | |
| 체적 유량(증기, 가스): ±1.00 % | |
| 질량 유량(포화 증기): ±1.7% (온도 보상); ±1.5% (온도/압력 보상) | |
| 질량 유량(과열 증기, 가스): ±1.5 (온도/압력 보상); ±1.7% (온도 보상 + 외부 압력 보상) | |
| 질량 유량(액체): ±0.85% | |
| 측정 범위 | 액체: 0.2 ~ 2100 m³/h (0.15 ~ 1520 ft³/min) |
| 매체에 따라: 1 bar a, 20 °C (14.5 psi a, 68° F)의 물 | |
| 증기, 가스: 1.5 ~ 28000 m³/h (0.9 ~ 16600 ft³/min) | |
| 매체에 따라: 180 °C, 10 bar a (356 °F, 145 psi a)의 증기; 25 °C, 4.4 bar a (77 °F, 63.8 psi a)의 공기 | |
| PN 100, Class 600, 20K | |
| 최대 공정 압력 | PN 100, Class 600, 20K |
| 습윤 재료 | 측정 튜브: 1.4408 (CF3M); CX2MW는 Alloy C22, 2.4602와 유사 |
