ES_BlowOut 사용 설명서 - Rev.1

1. 용도

2. 주요 화면

 

2.1 입력창

 

2.2 메뉴

 

2.3 영구 배관(Permanent Piping) Iso 창

 

2.4 가설 배관(Temporary Piping) Iso 창

 

2.5 RTF Text 출력 창


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1. 용도

ES_BlowOut은 증기 세정용 배관 계통 해석 프로그램으로, <설계 계산> 기능과 <현장 세정율 계산> 기능이 있습니다.   설계 계산은, 사용자가 입력한 증기 세정 질량 유량이 흐를 때의 영구 배관(Permanent Piping)및 가설 배관(Temporary Piping)의 증기 상태를 해석하여, 증기 세정 시의 운전 조건을 선정하는 기능이며, 현장 세정율 계산은 현장 자료를 입력해 세정 질량과 세정율(Cleaning Force Ratio)을 계산하는 기능입니다.

증기 세정에 대한 내용은 증기 세정용 가설 배관 선정 페이지에 기술되어 있으며, 증기의 단열 마찰 배관에서의 유동에 대한 내용은 증기의 압축성 유동 해석 페이지에 기술되어 있으므로, 본 페이지에서는 해석 방법에 대한 내용은 기술하지 않고 단지 ES_BlowOut의 사용법에 대한 내용만 기술합니다.

 

2. 주요 화면 (차례)

2.1 입력창

2.1.1 설계 계산 입력창

 

기본 입력 창은 위 그림의 <설계 계산> 입력창으로, <설계 계산>을 위해 입력해야 하는 조건은 정상 운전시의 영구 배관 입구 증기 조건과 질량 유량, 증기 세정 운전 증기 조건, 그리고 주변 압력, 영구 배관 Iso 파일, 가설 배관 Iso 파일 등입니다.

정상 운전 증기 조건은 [증기 표] 단추를 사용해 입력해야 하며, 주변 압력의 기본 값은 표준 대기압입니다.   

증기 세정 운전 증기 조건으로는 최대 압력과 총 엔탈피, 그리고 질량 유량을 입력해야 합니다.   

이전 버전의 프로그램에서는, 목표 세정율을 사용자가 입력하면 최대 압력과 총 엔탈피 값에 해당하는 증기의 비체적 값을 가지고 세정 증기 유량을 계산한 다음, 계산된 세정 증기 유량을 가지고 영구 배관과 가설 배관의 유동을 해석하여, 영구 배관 입구에서의 세정 증기 압력과 온도를 다시 계산하여 제시하였습니다.  이러한 계산 방법은, 총 엔탈피 값은 그대로 유지되지만, 계산된 영구 배관 입구 압력과 온도는 처음에 사용자가 입력한 압력과 온도와 달라지게 되고, 세정율도 목표 세정율과 달라지는 결과를 초래하여, 사용자가 입력한 증기 조건과 계산된 증기 조건의 차이가 무엇을 의미하는지에 대해 사용자로 하여금 의문을 가지게 하여 혼동을 주었습니다.  이러한 방법은 처음 입력한 값과 계산된 결과가 어느 정도 일치할 때까지 프로그램을 반복하여 Run 해야 하는 불편이 있었으며, 실제 증기 세정 설계 계산에서도 불필요한 작업이었습니다.

이러한 불필요한 반복 계산을 피하기 위하여, 최신 버전의 프로그램에서는 사용자가 목표 세정율 대신에 세정 증기 질량 유량을 직접 입력함으로써, 총 엔탈피를 만족하는 영구 배관 입구 증기 압력과 온도를 계산하도록 개정하였습니다.

다음과 같은 방법으로 증기 세정 운전 조건을 선정할 것을 추천합니다.

1) 보일러 제작자로부터 제공되는 성능 자료로부터, 증기 세정시의 영구 배관 입구 증기 압력과 온도를 예상하여, 해당 압력과 온도에서의 보일러 생산 증기 유량을 구해, 초기 증기 세정 운전 조건으로 입력합니다.

2) 여유를 고려해 최대 압력을 큰 값으로 변경합니다.   예상 압력의 2배에 해당하는 압력이면 적정할 것입니다.  ES_BlowOut은 해석 과정에서, 총 엔탈피 값은 유지하면서, 최대 압력과 주변 압력 사이에서 유동 조건을 만족하는 상태를 찾습니다.  최대 압력과 주변 압력 사이에서 유동 조건을 만족하는 상태를 찾지 못하면, ES_BlowOut은 오류 경보와 함께 해석을 중지합니다.  그러므로, 최대 압력은 여유있게 선정하는 것이 좋습니다.

3) ES_BlowOut을 Run합니다.

4) 계산된 영구 배관 입구 증기 압력 및 온도, 그리고 증기 유량 값이 보일러 업체에서 제공한 성능 자료와 일치하는지 확인합니다.  일치하면 계산이 완료된 것이며, 일치하지 않으면, 예상되는 증기 조건과 유량 수정하여 다시 Run 합니다.

 

* 중간에 세정 증기 유량이 변경되는 경우

현재 올려진 ES_BlowOut은 하나의 유량에 대해서만 해석할 수 있습니다.  하지만, 실제 증기 세정 과정 설계 시에는 하나의 세정 해석에서 배관 계통의 중간 지점에서 유량이 변경되는 경우가 있습니다.  이러한 경우에는 각 유량 별로 분리하여 ES_BlowOut으로 해석할 수 있습니다.

예를 들어, Steam Turbine의 Main Stop Valve가 2개인 경우, Main Stop Valve 전후에서 영구 배관과 가설 배관이 2개의 배관으로 분리되고, 각 배관의 유량은 처음 유량의 50%가 됩니다.   이러한 경우는, ES_BlowOut을 다음과 같이 3번 Run하여 해석할 수 있습니다.

1 단계 : Stop Valve 하류측 Common 가설 배관 시작점부터 가설 배관 끝까지 100% 유량으로 해석합니다.   이때 영구 배관으로 길이가 0 이면서, 배관 구경 및 두께는 동일한 Dummy Pipe Iso 파일을 사용합니다.  이렇게 하면, 해석된 영구 배관의 입출구 조건과 가설 배관 입구 조건이 동일해 집니다.

2 단계 : Stop Valve 전후의 분지 배관을 ES_BlowOut의 가설 배관으로 입력하고, 50%의 유량으로 해석합니다.  그리고, 주변 압력(지점 5)은, 1단계에서 계산된 영구 배관 입구 압력을 입력합니다.  ES_BlowOut의 영구 배관으로는 1단계와 같이 동일한 구경의 Dummy Pipe Iso 파일을 사용합니다.

3 단계 : 보일러 출구로부터 Stop Valve 까지의 영구 배관을 ES_BlowOut의 가설 배관으로 입력하고 100%의 유량으로 해석합니다.  그리고 주변 압력은 2 단계 영구 배관의 입구 압력으로 입력하고, 영구 배관으로는 위에서와 같이 Dummy Pipe Iso 파일을 사용합니다.

 

영구 배관 및 가설 배관 Iso-metric 입력은, ES_PipeIso를 이용해 입력해야 하며, ES_PipeIso의 사용법은 해당 사용 설명서를 참조 바랍니다.    [열기] 단추는 기존의 Iso 파일을 열 때 사용하고, [편집창 열기] 단추는 열린 Iso 파일을 편집하거나 혹은 새로운 Iso 파일을 작성할 때 사용합니다.   [편집창 열기] 단추로 편집창을 연 후에, 기존 Iso 파일을 열 수도 있습니다.

[열기] 단추로 기존의 Iso 파일을 열면, Iso 파일의 단위를 프로그램의 단위로 변환해 계산하지만, 기존 Iso 파일 자체의 단위는 변환되지 않습니다.  [편집창 열기] 단추로 Iso 파일을 여는 경우에는 Iso 파일의 단위를 프로그램의 단위로 변환하여 표시하며, 이 때 Iso 파일을 저장하면 기존 Iso 파일의 수치와 단위는 변환된 수치와 단위로 저장됩니다.

ES_PipeIso 창에서 Pipe Iso 파일을 편집한 후에는 반드시 파일 저장을 해야만, 변경된 배관 정보가 본 프로그램 계산에 반영됩니다.

2.1.2 현장 세정율 계산 입력창

<현장 세정율 계산> 기능은 [설정]-[계산] 메뉴에서 [현장 세정율 계산] 기능 버튼을 눌러 선택할 수 있으며, 그 입력창은 위의 그림과 같습니다.

현장에서 실제로 증기 세정을 하는 경우 여러 가지 이유로 증기 유량을 측정하기가 어려우므로, 영구 배관 입구 압력과 온도 그리고 가설 배관 출구 압력을 측정해 세정 증기 유량과 세정율을 계산합니다.  본 프로그램의 <현장 세정율 계산> 기능은 증기 세정용 가설 배관 선정 페이지에 기술되어 있는 방법을 그대로 구현한 것입니다.  단지, 측정한 영구 배관 입구 압력과 온도는 일부 엔탈피가 유속으로 변환되어 있는 압력과 온도이므로, 비록 그 영향은 미미하지만, 총 엔탈피를 고려한 계산을 하기 위하여, 측정된 영구 배관 입구 압력과 온도에서의 엔탈피를 총 엔탈피로 가정하여 1차 계산을 한 다음, 계산된 유속을 보정한 총 엔탈피로 다시 2차 계산을 하도록 되어 있다는 점만 다릅니다.  영구 배관 입구 배관 내경을 입력하는 이유는, 이러한 총 엔탈피 보정을 위한 유속 계산을 하기 위한 것입니다.

위에 설명된 <설계 계산>과는 달리, 증기 세정시의 영구 배관 입구 조건은 측정된 하나의 조건이므로, 사용자가 임의로 입력할 수 없고, [증기 표] 단추를 이용해 입력해야 합니다.

<현장 세정율 계산>에서 입력하는 [주변 압력]은 실제 계산에서는 사용되지 않으며, 단지 증기 세정시의 유동이 질식 유동인지 확인하기 위하여, 입력한 가설 배관 출구 압력이 주변 압력보다 큰지 확인하기 위해서만 사용됩니다.

<설계 계산>으로 계산된 결과를 <현장 세정율 계산>으로 다시 계산하면, 동일한 결과를 구할 수 있습니다.

 

2.2 메뉴 (차례)

[파일} 메뉴에는 [새파일], [파일 열기], [파일 저장], [새이름 저장], [종료] 기능과 함께, 이전에 열렸던 파일 4개가 표시됩니다

[실행] 메뉴에는 [시작] 기능만 있으며, Function Key [F5]를 단축키로 사용합니다.

[설정] 메뉴에는 [제목], [단위], [계산], [RTF Text 출력], [그래프 출력]의 기능이 있습니다.  

[설정]-[제목]에서는 [제목 1]과 [제목 2]의 2개의 제목을 입력할 수 있으며, 입력된 제목은 RTF Text 출력 및 그래프 출력에 나타납니다.

[설정]-[단위]는 계산의 단위를 설정합니다.

[설정]-[계산]에는 <설계 계산>과 <현장 세정율 계산> 가운데 하나를 선택할 수 있는 [계산 형식] 선택 기능과, 세정 증기 질량 유량을 계산하기 위한 목표 세정율 입력창, 계산된 가설 배관 입구 압력으로부터 가설 배관의 설계 압력을 선정하기 위한 [가설 배관 설계 압력 설정 비율(%)] 입력창, 계산된 출구 반동력에 적용할 [동적 부하 계수(DLF)] 입력창 등이 있습니다.   [설정]-[RTF Text 출력]에는 Text 출력의 상세 계산 내역을 보여주는지 여부를 선택하는, [영구 배관 계산 상세 내역 보여주기]와 [가설 배관 계산 상세 내역 보여주기] 선택 키가 있습니다.

[설정]-[그래프 출력]은 그래프 출력의 각종 설정 값을 결정하는 창을 보여줍니다.

 

2.3 영구 배관(Permanent Piping) Iso 창 (차례)

영구 배관 Iso 창의 그림은 ES_SVVent 사용 설명서의 토출 곡관 Iso 창 그림과 동일하므로, 동 설명서를 참조 바랍니다.

[영구 배관 Iso] 창은, 계산 결과가 없는 경우에는 Iso 그림만을, 그리고 계산 결과가 있는 경우에는 Iso 그림과 함께 입구 및 출구 압력을 표시합니다.

영구 배관의 압축성 유동은 ENGSotf Inc.에서 개발한 증기의 압축성 유동 해석 방법에 따라 작성된 ES_StmPipe 프로그램과 동일한 방법으로 해석합니다.

압축성 유동의 경우 비체적이 큰 관계로 위치 수두에 따른 압력 변화의 영향이 무시할 정도로 작아서, 비 압축성 유체의 해석 방법과 달리 각각의 배관에 대하여 별도로 해석할 필요가 없으며, 동일한 구경의 배관은 하나의 단위 배관으로 해석할 수 있습니다.   본 프로그램에서도 입력된 Iso 파일을 분석하여 동일 구경 배관의 마찰 저항 계수(Resistance Coefficient, K)를 모두 더해 하나의 배관으로 해석하며, 배관 구경이 달라져서 축소/확대 단관(Reducer/Increaser)이 존재하는 경우에만 분리하여 별도의 배관으로 해석합니다.

프로그램 계산 진행시 화면에 진행 상태를 보여주는 막대 창이 나타나는데, 이들 막대 창의 진행 과정을 보면 하류측 배관으로부터 상류측 배관으로 계산이 진행되는 것을 알 수 있습니다.  이는, 질식 유동(Choked Flow) 여부를 판단하고, 배관 출구 조건을 선정한 다음 차례로 상류측 배관을 계산하기 때문입니다.

[영구 배관 Iso] 창은 프린터 출력이 가능합니다.

2.4 가설 배관(Temporary Piping) Iso 창 (차례)

가설 배관 Iso 창의 그림은 ES_SVVent 사용 설명서의 배기 배관 Iso 창 그림과 동일하므로, 동 설명서를 참조 바랍니다.

[가설 배관 Iso] 창은, 계산 결과가 없는 경우에는 Iso 그림만을, 그리고 계산 결과가 있는 경우에는 Iso 그림과 함께 입구 및 출구 압력을 표시합니다.

가설 배관도 영구 배관과 동일하게, ENGSotf Inc.에서 개발한 증기의 압축성 유동 해석 방법에 따라 작성된 ES_StmPipe 프로그램과 동일한 방법으로 해석합니다.

참고 문헌 1에는 가설 배관의 구경이 영구 배관의 구경보다 커서는 안된다고 되어 있으나, 본 프로그램은 가설 배관의 구경이 영구 배관의 구경보다 큰 경우, 영구 배관 출구에서의 임계 압력을 확인해 운동량 방정식에 의해 계산되는 영구 배관 출구 압력이 임계 압력보다 낮아지는 경우에는 영구 배관 출구 압력으로 임계 압력을 취하도록 되어 있어, 가설 배관의 구경이 영구 배관의 구경보다 큰 경우에도 문제 없이 올바른 결과를 출력합니다.

[배기 배관 Iso] 창은 프린터 출력이 가능합니다.

2.5 RTF Text 출력 창 (차례)

RTF Text 출력 창 그림은 ES_SVVent 사용 설명서의 RTF Text 출력 창 그림과 동일하므로, 동 설명서를 참조 바랍니다.

[RTF Text 출력] 창은 계산 결과를 자세히 나타내며, 아울러 인쇄할 수 있습니다.

<설계 계산>에서 표시되는 내용은, 1. 정상 운전 증기 조건>, <2. 증기 세정 운전 증기 초기 값>, <3. 기타 설계 입력 자료>, <4. 세정 증기 유량>, <5. 세정율>, <6. 증기 세정 운전 증기 조건>, <7. 영구 배관>, <8. 가설 배관> 등입니다.

<현장 세정율 계산>에서 표시되는 내용은, <1. 정상 운전 증기 조건>, <2. 증기 세정시 운전 증기 조건>, <3. 기타 입력 조건>, <4. 가설 배관 출구 조건 계산 결과> <5. 계산된 세정 증기 유량>, <6. 세정율> 등입니다.

참고 문헌 1의 예제 계산에 대한 ES_BlowOut의 계산 결과와 참고 문헌 1의 계산 결과 값을 비교하면 다음 표와 같습니다.

항목

참고 문헌 1

ES_BlowOut

<설계 계산 결과 비교>

VWO 유량, lb/hr at 2520 psig, 1000 oF

2,079,066

총 엔탈피, Btu/lb

1200

 

영구 배관

입구 압력, psia

550

593.3

(12" ND, 200 ft L)

입구 온도, oF

477

485.0

 

출구 압력, psia

483

539.1

 

출구 유속, ft/sec

428

400.5

 

 

 

 

가설 배관

입구 압력, psia

483

507.4

(10' ND, 200 ft L)

출구 압력, psia

166.6

194.5

 

증기 세정 유량, lb/hr

1,273,662

1,316,561

증기 세정율

1.04

1.025

 

< ES_BlowOut의 현장 세정율 계산 결과>

영구 배관 입구 세정 증기 압력, psia

 

550

영구 배관 입구 세정 증기 온도, oF

 

477

영구 배관 입구 배관 내경, inch

 

11.938

 

 

 

가설 배관 출구 압력, psia

 

166.6

가설 배관 출구 배관 내경, inch

 

10.02

 

 

 

증기 세정 유량, lb/hr

 

1,136,882

증기 세정율

 

0.833

ES_BlowOut의 <설계 계산> 결과는 목표 세정율을 1로 놓고, 프로그램을 3번 실행해서 얻은 결과입니다.  즉, 처음에 최고 압력을 750 psia로 놓고 실행한 후, 그 계산 결과의 영구 배관 입구 압력을 다시 최고 압력으로 놓고 돌리는 작업을 2번 더 실행한 결과입니다.  물론, 총 엔탈피 값은 1200 Btu/lb로 일정하게 유지하였습니다.  아울러, 참고 문헌 1의 계산 결과를 ES_BlowOut의 <현장 세정율 계산>으로 검증한 결과도 함께 표시하였습니다.

그 차이가 작지는 않지만, 개략적으로 볼 때 참고 문헌 1의 계산 결과와 ES_BlowOut의 계산 결과는 어느 정도 일치한다고 할 수 있습니다.   

참고 문헌 1의 질량 유량 계산 방법은, 가설 배관 출구 압력이 30 psia 일 때의 유량을 기준으로, 출구 압력과 유량이 선형 비례한다는 가정하에서 계산을 합니다.  이상 기체의 노즐 유동식을 보면, 입구 온도가 일정하고 노즐에 질식 유동이 형성되는 경우, 노즐의 단위 면적당 질량 유량은 입구 압력에 선형 비례한다는 것을 알 수 있으며, 참고 문헌 1에서는 이 관계를 응용한 것입니다.   하지만, 증기는 이상기체와 다르며, 입구 온도도 일정할 수 없으므로, 질량 유량이 입구 압력에 정확히 선형 비례하지는 않습니다.  이러한 이유로 참고 문헌 1의 질량 유량이 올바르지 않은 것입니다.

아울러, 단열 배관의 압축성 유동 해석 방법으로 이상 기체의 Fanno Line 방정식을 사용한 점도 참고 문헌 1의  계산 결과과 정확하지 않은 원인이 됩니다.

참고 문헌 :  (차례)

1. Cleaning of Main Steam Piping and Provisions for Hydrostatic Testing of Reheaters (GEK - 27065D)", General Electric Co.


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