ES_LineSize 사용 설명서

1. 용도

2. 사용 공식

3. 주요 화면


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1.  용도

배관 구경 선정 작업은 P&ID 작성 시 자주 하는 작업 중에 하나입니다.   발전소 성능에 직접적인 영향을 미치는 관계로 압력 강하 양이 정해지는 주증기 및 재열 증기 배관이나, 과도 과정 중의 유효 흡입 수두를 확인해야 하는 보일러 급수 펌프 흡입 배관과 같은 중요 배관들을 포함해, P&ID 작성 초기에 발전소에서 사용되는 모든 배관 구경은 유체의 유속에 의해 결정합니다.   그런 다음, 배관 Iso-metric 도면이 완성되어 배관의 실제 모습이 확정되면, 초기에 유속에 의해 선정된 배관 구경이 적정한지 각 배관 별로 해당 설계 지침에 따라 확인하며, 필요에 따라 배관 구경을 변경합니다.

ES_LineSize는 유체의 평균 유속으로 배관 구경을 선정하는 프로그램으로, P&ID 작성 초기에 유용하게 사용할 수 있는 프로그램입니다.

배관 구경 선정을 위해 사용하는 유체의 평균 유속은 문헌이나 회사에 따라 약간씩 다르나, 대부분 유사한 유속을 사용하며, 대부분의 경우 최대 및 최소 유속을 갖는 일정한 범위로 주어집니다.   일정한 범위로 주어지는 경우 일반적으로 최대 유속은 침식이나 소음, 진동을 방지하기 위한 최대 유속을 의미하며, 최소 유속은 일반적으로 경제성의 관점에서 선정됩니다.   일부 유체 경우에는 배관 내에서의 침전을 방지하기 위해 최소 유속을 규정하는 경우도 있습니다.

ES_LineSize는 사용자가 설계 유속을 제공하지 않는 경우 자동으로 내장된 함수에 따라 계산된 유속으로 배관 구경을 선정하며, 동 유속은 발전소 설계 시 일반적으로 사용되는 유속입니다.   

ES_LineSize에는 ASME B36.10 및 B36.19에 수록되어 있는 규격 배관 치수가 내장되어 있어, 계산된 배관 구경이나 두께가 규격 배관 구경 및 두께 이내인 경우에는 계산된 배관 구경 및 두께 가장 가까운 규격 배관을 선정하도록 되어 있으며, 계산된 배관 구경이나 두께가 규격 배관 범위를 벗어나는 경우에는 계산된 구경 및 두께를 표시하도록 되어 있습니다.  배관 두께는 ASME B31.1, Clause 104에 주어진 공식에 따라 계산합니다.

ES_LineSize에는 배관 선정 시 참고 할 수 있도록 100 단위 길이 배관이나 Gate Valve 1개의 압력 강하 양 등을 계산하여 표시하며, 가스나 압축 공기와 같은 경우에는 Normal(1기압, 0 oC)이나 Standard(1 기압, 15.6 oC)의 조건으로 설계 유량을 입력할 수 있습니다.

 

2. 사용 공식   (TOC)

2.1 연속 방정식

연속 방정식을 중요하지만 간단한 식이며, ES_LineSize에서는 다음 식을 사용합니다.

ID = Sqr(353.7 * MF * v / Vel)

ID = Sqr(353.7 * VF / Vel)

주)

ID

: 배관 내경, mm

 

MF

: 질량 유량, kg/hr

 

VF

: 체적 유량, m3/hr

 

v

: 유체 비체적, m3/kg

 

Vel

: 평균 유속, m/sec

 

2.2 배관 두께 계산

배관 두께 계산은 ASME B31.1, Clause 104.1.2의 배관 내경으로 계산하는 공식을 사용하며, 사용자가 입력한 추가 두께(Additional Thickness)도 고려하여 계산합니다.  그렇게 계산된 최소 두께에 제작자 허용 공차 및 곡관 계수를 다음 식에 따라 최소 공칭 두께를 계산합니다.

     t_sm = t_m / (1 - MfgTol / 100) * BendRadius

주)

t_sm

: 배관 선정에 사용되는 최소 공칭 두께

 

t_m

: ASME B31.1에 따라 계산된 최소 두께

 

MfgTol

: 제작 허용 공차, %

 

BendRadius

: ASME B31.1, Table 102.4.5에 따른 곡관 계수

 

2.3 압력 강하 계산

압력 강하 양은 Darcy 공식에 따라 계산되며, 밸브 및 곡관의 저항 계수(K) 값은 다음 값을 사용합니다.

 

Gate valve

: 8 * fT

 

Globe valve

: 340 * fT

 

Elbow

: 30 * fT

 

Bend

: 20 * fT (short radius bend, r/d = 1)

 

 3. 주요 화면   (TOC)

3.1 주 화면

ES_LineSize의 주 화면은 4개의 창으로 구성되어 있습니다.   즉, 계통 및 배관 목록 창, 계통 입력 창, 배관 입력 창과 계산 결과 창입니다.   이들 창에 대한 설명은 다음과 같습니다.

3.2 계통 및 배관 목록 창

펼침 목록 콤보 박스인 계통 목록은 현재 열려 있는 파일에 들어 있는 계통의 목록을 보여줍니다.  계통을 추가하고자 하는 경우에는 [다음 추가]나 [추가] 단추를 눌러 새로운 계통을 추가할 수 있으며, 기존의 계통을 삭제하고자 하는 경우에는 [삭제] 단추를 누르면 됩니다.  계통의 명칭은 콤보 박스에서 직접 입력하거나 수정할 수 있습니다.

배관 목록 창은 계통 목록에 현재 나타난 계통의 모든 배관 목록이 배관의 주요 데이터와 함께 보여지며, 배관을 추가하거나 삭제하고자 하는 경우에는 바로 옆의 [다음 추가], [추가] 및 [삭제] 단추를 사용하여 추가하거나 삭제하면 됩니다.

3.3 계통 입력 창

계통 입력 창에서는 현재 계통의 설계 온도 및 압력 그리고 운전 조건을 입력하거나 수정하며, 아울러 설계 유속 선정을 위한 유체를 선정하고, 두께 선정을 위한 배관 재질을 선정합니다.

설계 압력과 설계 온도는 배관 두께 계산 시 사용하는 압력과 온도를 의미합니다.

운전 조건은 배관 구경과 압력 강하 양을 계산하기 위한 조건입니다.   [계산 설정] 메유에서 질량 유량을 유량 입력 조건으로 선정하는 경우에는 비체적이 반드시 입력되어야 하며, 체적 유량을 유량 입력 조건으로 선정한 경우에는 비체적을 입력하지 않아도 됩니다.   점도 값이 주어지지 않은 경우에는 압력 강하 양 계산을 수행하지 않습니다.

대부분의 발전소 사용 유체가 수록되어 있는 [유체] 펼침 목록 콤보 박스에서 해당 유체를 선정하거나 유사한 유체를 선정하면, 프로그램은 해당 유체의 내장 설계 유속을 사용해 배관 구경을 계산하며, 동시에 하단의 [운전 조건 증기표] 버튼 명칭을 해당 유체의 운전 조건 입력 표의 명칭으로 자동으로 바꿉니다.  즉, 증기나 물인 경우에는 [운전조건 증기표]로, 연료유인 경우에는 [운전조건 연료유 표]로, 가스나 압축 공기인 경우에는 [운전조건 가스 표]로 바뀝니다.   가스나 압축 공기를 유체로 선정한 경우에는 Normal(1기압, 0 oC)이나 Standard(1 기압, 15.6 oC)의 조건으로 설계 유량을 입력할 수 있습니다.

[배관 재질] 펼침 목록 콤보 박스에서는 배관 두께 계산을 위한 배관 재질을 선정합니다.  ES_LineSize는 ASME B31.1, Appendix A에 따라 입력된 재질 응력 값을 사용해 배관 두께 계산을 하며, 입력한 설계 온도가 선정된 배관 재질의 최대 사용 온도보다 큰 경우에는 경고 창을 띄웁니다.   선정된 배관 재질이 다음에 설명되는 [배관 입력] 창의 [최소 두께(Sch)]에서 선정한 [호칭 두께]와 같이 사용할 수 없는 경우에도 경고 창을 띄웁니다.

3.3 배관 입력 창

배관 입력 창에서는 각각의 배관 고유 설계 조건을 입력하거나 수정합니다.  배관 입력 자료는 배관 명칭, 설계 유량, 설계 유속 그리고 최소 공칭 두께(Min. Sch.)로 구성되어 있습니다.

설계 유량은 질량 유량이나 체적 유량으로 입력할 수 있으며, 이러한 선택은 [계산 설정] 메뉴에서 합니다.   [계통 입력] 창에서 선택한 유체가 가스이거나 압축 공기인 경우에는 Normal 조건이나 Standard 조건의 체적 유량으로 설계 유량을 입력할 수도 있습니다.   설계 유량으로 체적 유량을 입력하고 [계통 입력] 창에서 비체적 값이 주어진 경우에, 프로그램이 질량 유량을 계산하여 자동으로 표시하며, 역으로 질량 유량이 설계 유량이 주어진 경우에는 체적 유량을 자동으로 계산하여 표시합니다.   Normal이나 Standard 조건의 체적 유량이 주어진 경우에는 질량 유량과 함께 실제 체적 유량도 계산하여 표시합니다.  물론, 이 경우의 배관 구경은 실제 유량과 설계 유속으로 선정됩니다.

사용자가 설계 유속 값을 입력하지 않거나 혹은 0을 입력하면, 프로그램이 자동으로 설계 유속을 설정해 배관 구경을 계산합니다.   사용자가 설계 유속을 입력하면, 프로그램은 사용자가 입력한 설계 유속으로 배관 구경을 계산하며, 선정된 배관의 구경을 조정하고자 하는 경우에는 설계 유속을 변경하는 방법을 사용하면 됩니다.

[Min. Sch] 펼침 목록 콤보 박스에서, 구경 선정시 적용할 최소 호칭 두께를 입력합니다.  ES_LineSize는 ASME B36.10에 따라 작성된 Welded and Seamless Wrought Steel Pipe 데이터와 B36.19에 따라 작성된 Stainless Steel Pipe 데이터가 내장되어 있으며, 계산된 배관 내경과 [Min. Sch.]에서 설정된 최소 호칭 두께를 만족하는 최소 구경의 배관을 선정합니다.  

ASME B36.10을 살펴보면 호칭 두께(Wall Thickness Designation)가 주어진 배관과 주어지지 않은 배관이 존재하며, 호칭 두께는 STD, XS, XXS와 같은 무게 호칭 두께와 Schedule No. 호칭 두께가 존재합니다.  그리고 52 inch NPS 이상의 배관은 모두 호칭 두께가 없으며, 단지 배관 두께로서만 규정되어 있습니다.   ES_LineSize의 내장 배관 데이터는 호칭 두께를 갖는 배관들로만 구성되어 있으며, 호칭 두께가 없는 배관은 데이터에서 제외시켰습니다.   그리고 [Min. Sch.]에서 설정된 최소 호칭 두께에 의해 52 inch NPS 이상의 배관도 선정될 수 있도록, 52 inch NPS 이상의 배관에 대하여 다음과 같이 임의로 호칭 두께를 부여하였습니다.  즉, 0.375 inch 두께의 배관을 STD로, 0.5 inch 두께의 배관을 XS로, 1 inch 두께의 배관을 XXS로 호칭 두께를 부여하였습니다.   그러므로, 선정된 배관이 52 inch NPS 이상의 배관인 경우 계산 결과에 표시된 호칭 두께는 실제 코드에 따른 호칭 두께가 아님을 유의하여야 합니다.

ES_LineSize는 내장 배관 데이터에서 배관 선정시, 무게 호칭 두께와 Schedule No. 호칭 두께를 별개의 배관으로 가정하여 독립적으로 선정합니다.   예를 들어 사용자가 [Min. Sch.]로 Schedule No. 40을 선정한 경우 프로그램은 무게 호칭 두께 배관 선정 대상에서 제외하여, 비록 STD 호칭 두께의 배관이 주어진 조건을 만족시킨다고 하여도 선정하지 않는 것입니다.   그러므로 필요한 경우에는, [Min. Sch.]에 무게 호칭 두께와 Schedule No. 호칭 두께를 번갈아 입력해 보아, 적정한 배관을 선정할 필요가 있습니다.   한편, 이러한 이유 때문에 52 inch NPS 이상의 배관을 선정하려면 STD와 같은 무게 호칭 두께를 [Min. Sch.] 선정해야 합니다.

배관 구경 선정 계산을 하려면 [계산] 단추를 눌러야 합니다.   그리고 계산 결과를 현재 배관에 반영하려면 [목록 입력] 단추를 눌러야 합니다.   현재 배관이란 [배관 목록] 창에서 하늘색을 띄고 있는 배관입니다.  계산 결과를 새로운 배관으로 입력하려면, [목록 입력] 단추를 누르기 전에 [배관 목록] 창 오른쪽의 [다음 추가]나 [추가] 단추를 눌러 새로운 배관을 생성시킨 다음 [목록 입력] 단추를 눌러야 합니다.

 3.4 계산 결과 창

      

[선정 배관] 창에는 선정된 배관 데이터를 보여주며, 계산된 배관 치수가 내장 배관 데이터 범위를 벗어나는 경우에는 공칭경(ND) 값으로는 0 이 되돌려 지며 다른 값들은 계산 결과 값 그대로 보여줍니다.   실제 유속은 선정된 배관에서의 실제 유속을 나타내며, 선정된 배관이 내장 데이터 범위를 벗어나는 경우에는 실제 유속과 설계 유속 값은 같습니다.   [최소 두께]는 [추가 두께]를 포함하여 ASME B31.1, Clause 104.1.2의 내경(ID) 기준 배관 두께 계산 공식에 따라 계산된 두께이며, [최소공칭두께]는 본 사용 설명서 2.2 절의 공식에 의해 [제작허용공차]와 [곡관 곡경](Bend Radius)를 고려하여 계산된 두께입니다.   선정된 배관의 [공칭두께] 값은 항상 [최소공칭두께] 값보다 크거나 같습니다.

[압력 강하] 창에는 선정된 배관에서의 Reynolds 값과 마찰 계수(f), 완전 와류 마찰 계수(fT)가 표시되며, 아울러 100 단위 길이 배관 및 Gate Valve, Glove Valve, Standard Elbow, Short-radius Bend의 압력 강하량이 표시됩니다.

3.5 계산 설정 창

메뉴의 [계산 설정] 창에서는 (설계) 입력 유량의 종류, 가스나 압축 공기인 경우의 체적 유량 조건, 두께 산정 기준 값을 설정하거나 입력할 수 있습니다.

3.6 운전 조건을 위한 유체 성질 입력 창

운전 조건은 사용자가 [계통 입력] 창에서 직접 입력하는 방법 외에, [계통 입력] 창 하부의 해당 유체 운전 조건 표를 이용해 입력할 수도 있습니다.   연료유나 가스, 압축 공기가 아닌 경우는 유체가 모두 증기나 물이므로 단추 명칭이 [운전조건 증기표]로 바뀌며, 연료유인 경우에는 [운전조건 연료유표]로, 가스나 압축 공기인 경우에는 [운전조건 가스표]로 단추 명칭이 바뀝니다.   단추를 누르면 해당 유체의 내장 함수를 이용해 용이하게 운전 조건에서의 유체 성질을 입력할 수 있습니다.  각각의 표는 다음과 같습니다.

3.6.1 증기 혹은 물

3.6.2 연료유 표

3.6.3 가스 표

 

3.7 Text 출력 창

[Text 출력] 창은 현재의 배관 목록을 Text 형식으로 보여주며, 인쇄할 수 있습니다.

 

참고 문헌 :   (TOC)

1. Crane Technical Paper No. 410, Flow of Fluids, Crane Co., 1977

2. ASME B33.1, B36.10 and B36.19

(끝)


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