ES_SVVent 사용 설명서

1. 용도

2. 주요 화면

 

2.1 입력창

 

2.2 메뉴

 

2.3 토출 곡관(Discharge Elbow) Iso 창

 

2.4 배기 배관 Iso 창

 

2.5 RTF Text 출력 창


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1. 용도

ES_SVVent는 안전변(Safety Valve)의 토출 곡관(Discharge Elbow) 및 배기 배관(Vent Stack) 해석 프로그램으로, 적정한 배기 배관 구경을 선정하고 배관 설계를 위한 반동력(Reaction Force)을 계산하기 위한 프로그램입니다.

안전변 배기 배관 선정에 대한 내용은 안전변 배기 배관 선정 페이지에 기술되어 있으며, 습포화 증기의 단열 마찰 배관에서의 유동에 대한 내용은 증기의 압축성 유동 해석 페이지에 기술되어 있으므로, 본 페이지에서는 해석 방법에 대한 내용은 기술하지 않고 단지 ES_SVVent의 사용법에 대한 내용만 기술합니다.

 

2. 주요 화면 (차례)

2.1 입력창

 

위에 보여진 입력창은 개방형(Open Type) 배기 배관에 대한 입력창으로, 토출 곡관 및 배기 배관의 Iso 파일과, 안전변 설정 압력(Safety Valve Set Pressure), 운전 증기 온도(Operating Steam Temperature), 안전변 정격 용량(Safety Valve Rating), 정지 배압(Superimposed Back Pressure)과 같은 안전변 설계 자료를 입력해야 합니다.  폐쇄형(Closed Type) 배기 배관의 경우에는 토출 곡관을 별도로 분리하여 입력할 필요가 없으므로, 배기 배관 Iso 파일만 입력하면 되며, 메뉴 [설정]-[계산]에서 배기 배관 형식으로 [폐쇄형]을 선택하면 토출 곡관 Iso 파일 입력창은 자동으로 표시되지 않습니다.

건포화 증기 안전변의 배기 배관을 해석하고자 하는 경우에는, [안전변 설계 자료] 입력창에서 [건포화 증기] 확인 칸을 선택하면, [운전 증기 온도] 입력 칸이 사용 불가로 바뀌면서, 입력한 압력에서의 건포화 증기로 해석됩니다.

폐쇄형 배기 배관의 경우에는 정지 배압을 사용자 임의의 값으로 입력할 수 있지만, 개방형 배기 배관의 경우에는 정지 배압이 자동으로 표준 대기압으로 설정되며, 사용자가 임의로 수정할 수 없습니다.

토출 곡관 및 배기 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.

위 입력창 그림에 나타난 입력 값들은, 참고 문헌 1의 6.0 절 SAMPLE DESIGNS에 대한 값들입니다.   아래에 소개되는 프로그램 결과 값을 보면 ES_SVVent 프로그램의 신뢰성과 유용성을 확인할 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]은 다음과 같은, 계산을 위한 설정 값들을 변경할 수 있는 기능을 제공합니다.

배기 배관 형식

개방형

토출 곡관과 배기 배관이 분리되어 있는 형식으로, 토출 곡관과 배기 배관의 Iso 파일을 별도로 입력해야 하며, 토출 곡관과 배기 배관 사이에 증기 누출(Blow-back)이 발생하는지 확인합니다.

개방형이 기본 설정 값(Default)입니다.

 

폐쇄형

토출 곡관과 배기 배관이 분리되어 있지 않으므로, 배기 배관에 대한 Iso 파일만 입력하도록 되어 있으며, 토출 곡관과 배기 배관이 확대 단관(Increaser)로 연결되어 있는 경우에는 배기 배관 Iso 파일에서 배관 구경을 달리 입력함으로써 자동으로 확대 단관이 생성되도록 하여 해석하면 됩니다.  페쇄형 배기 배관에 대해서는, 안전변 초기 개방시 발생하는 수격 현상에 의한 최대 예상 반동력(Reaction Force)을 계산하여 출력합니다.

 

 

 

안전변 노즐 토출 계수

토출 계수(건포화 증기 제외)

ES_SVVent 프로그램에는 배기 배관 해석 기능 외에, 안전변 노즐 면적 계산 기능이 있습니다.  노즐의 이론 단면적은 ENGSoft Inc.에서 개발한 ES_StmNzl 프로그램을 사용하여 계산하며, 실제 단면적은 이론 단면적을 토출 계수(Discharge Coefficient)로 나누어 계산합니다.   ES_StmNzl 프로그램에 설명되어 있듯이, 1500 psig 이상의 고압 건포화 증기 안전변은 팽창 후의 증기 상태가 습포화 증기인 관계로, 과열 증기 안전변의 해석 결과와 많은 차이를 나타내므로, 별도의 토출 계수를 입력할 수 있도록 하였습니다.   기본 설정 값은 각각 0.98 과 0.94 입니다.

한편, 배기 배관 해석을 위한 배출 증기 압력은 안전변 설정 압력을 그대로 사용하였으나, 안전변 노즐 면적을 계산하기 위한 배출 증기 압력은 관련 문헌에 따라, 초과 압력(Over-pressure 혹은 Accumulation)을 더한 압력을 사용합니다.

 

고압 건포화 증기 토출 계수

 

 

 

안전변 초과 압력(Over-pressure 혹은 Accumulation)

안전변 설정 압력에 대한 비율 (%)

안전변이 완전 개방되었을 때의 초과 압력으로, 설정 압력에 대한 퍼센트 비율을 입력합니다.  기본 설정 값은 3% 입니다.

 

 

 

배기 배관 설계 질량 유량

안전변 정격 용량에 대한 비율 (%)

배기 배관에 흐를 수 있는 최대 질량 유량을 계산하기 위한 계수로, 그렇게 계산된 최대 유량이 토출 곡관 및 배기 배관 해석을 위한 유량으로 사용됩니다.   기본 설정 값은 117% 입니다.

 

 

 

설계 압력 설정 비율

개방형 토출 곡관 및 배기 배관 (%)

토출 곡관 및 배기 배관의 설정 압력은 각 배관의 입구 압력을 기준으로 선정하는데, 개방형과 폐쇄형의 설정 값이 일반적으로 다르므로, 별도로 입력할 수 있도록 하였습니다.   개방형의 경우 각 배관 입구 압력을 그대로 설계 압력으로 사용하기도 하나, 본 프로그램에서는 기본 값으로 110%를 사용합니다.  폐쇄형의 기본 값은 200%입니다.

 

폐쇄형 배기 배관 (%)

 

 

 

폐쇄형 배기 배관 수격 현상 입력 자료

안전변 개방 시간, sec

기본 값은 0.05 sec. 입니다.

 

공기에 대한 배기 배관 음속 비율 (%)

폐쇄형 배기 배관의 수격 현상은, 안전변 개방 이전에 배기 배관에 차 있던 유체의 음속을 기준으로 계산됩니다.   일반적으로 표준 대기 상태의 공기가 채워져 있으나, 이러한 표준 대기 상태의 공기가 아닌 경우를 위하여, 표준 대기 공기 음속에 대한 비율을 입력하도록 하였습니다.  기본 값은 100% 입니다.

 

 

 

동적 부하 계수 (Dynamic Load Factor)

 

정상류 과정에서의 유속과 압력으로 계산되는 반동력은 이론적인 반동력이며, 실제의 경우에는 유체의 맥동 현상에 의해 이론 반동력보다 큰 반동력이 걸릴 수 있습니다.   이러한 실제 반동력을 계산하기 위한 계수가 동적 부하 계수이며, 동적 부하 계수는 유체 역학적으로 계산되기 보다는 안전변과 인접한 배관의 구조에 의해 결정됩니다.   그러므로, 일반적으로 배관 설계를 위한 입력 자료로, 정상류 상태의 반동력만 제공하고, 동적 부하 계수는 배관 설계 과정에서 결정하도록 하기도 하나, 본 프로그램에서는 정상류 상태의 반동력에 동적 부하 계수(DLF)를 곱한 반동력을 출력하도록 프로그램 되어 있습니다.   기본 값은 2입니다.

한편, 폐쇄형 배기 배관에서 초기 수격 현상에 의해 발생하는 반동력은 과도 과정(Transient Condition)에 의한 반동력으로 정상류 과정에서의 반동력이 아니므로, 동적 부하 계수를 고려할 필요가 없으며, 출력되는 값들도 동적 계수를 고려하지 않은 값들입니다.

[설정]-[RTF Text 출력]에는 Text 출력의 상세 계산 내역을 보여주는지 여부를 선택하는, [토출 곡관 계산 상세 내역 보여주기]와 [배기 배관 계산 상세 내역 보여주기] 선택 키가 있습니다.

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

 

2.3 토출 곡관(Discharge Elbow) Iso 창 (차례)

[토출 곡관 Iso] 창은, 계산 결과가 없는 경우에는 Iso 그림만을 표시하고, 계산 결과가 있는 경우에는 Iso 그림과 함께 입구 및 출구 압력을 표시합니다.  위의 그림은 본 Web Page에 적합하도록 창 크기를 임의로 조정한 후 출력한 그림이기 때문에 상단의 제목이나 하단의 파일 이름이 겹쳐 보이고, 입,출구 압력이 모두 보이지 않으나, 원래 프로그램은 화면 전체 크기로 확대되므로 이러한 문제가 발생하지 않습니다.

페쇄형 배기 배관의 경우에는 토출 곡관을 별도로 입력하지 않으므로, 토출 곡관 Iso 창은 뜨지 않습니다.

개방형 배기 배관의 토출 곡관은 비록 그 길이가 짧지만, 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.   ES_SVVent 에서도 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.

ES_SVVent 에서는 안전변 노즐을 ES_StmNzl 프로그램과 동일한 방법으로 해석하여, 안전변 노즐 이론 단면적과 임계 압력을 계산하고, 계산된 노즐 이론 단면적을 토출 계수로 나누어 노즐 단면적을 계산합니다

안전변의 노즐은 배압이 임계 압력 이하라는 조건하에서 선정하므로, 운전 배압(Built-up Back Pressure)이 임계 압력을 초과하는 경우에는 안전변이 정격 용량을 내지 못합니다.  ES_SVVent에서는 개방형 배기 배관에서, 계산된 토출 곡관의 운전 배압이 안전변 노즐의 임계 압력을 초과하는 경우에는 <<< 운전 배압 과다 >> 라는 [문제점 발견] 창을 띄우고, 아울러 [RTF Text 출력] 창에도 강조 글자로 동일한 내용을 표시합니다.

한편, 안전변의 운전 배압이 초과 압력(Over-pressure 혹은 Accumulation)을 초과하는 경우에 주름관(Bellow) 형식 안전변을 사용하지 않으면 정격 용량에 영향을 줄 수 있으므로, 안전변 제작자와 협의할 것을 권고하는 <<< 운전 배압 초과 >>> 라는 [문제점 발견] 창을 띄우고, 아울러 [RTF Text 출력] 창에도 강조 글자로 동일한 내용을 표시합니다.

[토출 곡관 Iso] 창은 프린터 출력이 가능합니다.

 

2.4 배기 배관 Iso 창 (차례)

[배기 배관 Iso] 창은, 계산 결과가 없는 경우에는 Iso 그림만을, 그리고 계산 결과가 있는 경우에는 Iso 그림과 함께 입구 및 출구 압력을 표시합니다.  위의 그림은 본 Web Page에 적합하도록 창 크기를 임의로 조정한 후 출력한 그림이기 때문에 상단의 제목이나 하단의 파일 이름이 겹쳐 보이고, 입,출구 압력이 모두 보이지 않으나, 원래 프로그램은 화면 전체 크기로 확대되므로 이러한 문제가 발생하지 않습니다.

[배기 배관 Iso] 창은 개방형 및 폐쇄형 배기 배관 모두에 대하여 뜨며, 폐쇄형인 경우에는 [배기 배관 Iso] 창만 뜹니다.

배기 배관도 토출 곡관과 동일하게, ENGSotf Inc.에서 개발한 증기의 압축성 유동 해석 방법에 따라 작성된 ES_StmPipe 프로그램과 동일한 방법으로 해석합니다.

개방형 배기 배관인 경우에는, 토출 곡관과 배기 배관 사이에 모멘텀 힘을 점검하여 속도에 의한 모멘텀 힘이 주변 대기압을 포함하는 압력에 의한 힘 보다 큰 경우에는 증기 누출(Blow-back)이 발생한다는 [문제점 발견] 창을 띄우고, 아울러 [RTF Text 출력] 창에도 강조 글자로 동일한 내용을 표시합니다.

폐쇄형 배기 배관의 경우 토출 곡관이 존재하지 않으므로, <<< 운전 배압 초과 >>> 와 <<< 운전 배압 과다 >>> [문제점 발견] 창을 이곳 [배기 배관 Iso] 창에 뜹니다.

[배기 배관 Iso] 창은 프린터 출력이 가능합니다.

 

2.5 RTF Text 출력 창 (차례)

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

표시되는 내용은 <1. 안전변 설계 입력 자료>, <2. 기타 설계 입력 자료>, <3. 안전변 배출 조건>, <4. 안전변 노즐>, <5. 토출 곡관>, <6. 배기 배관> 등입니다.

<1. 안전변 설계 입력 자료>에는 입력창의 자료가 출력되며, <2. 기타 설계 입력 자료>에는 [설정]-[계산]의 자료가 출력됩니다.

<3. 안전변 배출 조건>에는 토출 곡관과 배기 배관의 해석에 적용할 안전변 배출 증기 조건이 출력되며, <4. 안전변 노즐>에는 계산된 노즐 단면적과 임계 압력이 출력됩니다.

<5. 토출 곡관>에는 토출 곡관의 해석 결과가 상세히 나타나며, 개방형 배기 배관의 [문제점 발생] 창이 표시됩니다.

<6. 배기 배관>에는 배기 배관의 해석 결과가 상세히 나타나며, 개방형 배기 배관의 증기 누츨(Blow-back) 문제점 발생 창과 폐쇄형 배기 배관의 운전 배압 초과 및 과다 [문제점 발생] 창이 표시됩니다.

아래 표는, 참고 문헌 1의 6.0 절 SAMPLE DESIGNS에 대한 ES_SVVent의 계산 결과와 참고 문헌 1의 계산 결과를 비교한 표로, 토출 곡관의 경우에는 약간의 오차가 있으나 배기 배관의 경우에는 거의 동일한 결과를 얻을 수 있습니다.  참고 문헌 1의 경우 다른 문헌들과는 달리 증기 상태별로 별도의 계수를 적용하는 등, 증기의 압축성 유동을 보다 정확하게 해석할 수 있는 실험식을 사용하는 관계로, 그 결과 값이 ES_SVVent의 결과 값에 근접하는 것으로 판단됩니다.

항목

참고 문헌 1

ES_SVVent

토출 곡관

입구 압력(P1a), psia

194

182

 

출구 압력(P1), psia

118

121

 

출구 유속(V1), ft/sec

2116

2044

 

출구 반동력(F1), lbf

12801

12683

 

 

 

 

배기 배관

입구 압력(P2), psia

77.4

77

 

출구 압력(P3), psia

51.4

51

 

입구 유속(V2), ft/sec

1507

1490

 

출구 유속(V3), ft/sec

2116

2098

 

입구 반동력(F2), lbf

12645

12537

 

출구 반동력(F3), lbf

11861

11755

 

 

 

 

증기 누출(Blow-back)

모멘텀 힘, lbf

2201

2001

 

압력차 힘, lbf

2030

1855

 참고 문헌 :  

1. ASME B31.1-1992, Appendix II Nonmandatory Rules for The Design of Safety Valve Installations


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