계장기술(PROCON)

기획특집 초음파 유량계의 최신 기술 및 시장 동향

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작성자 최고관리자 댓글 0건 조회 148회 작성일 21-01-13 15:31

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1. 서 론

정밀기기는 상·하수도 용수에 주로 적용되며, 수질 사고와 누수 파손의 이슈로 정밀 유량 측정에 대한 수요가 증가하는 추세이다. 정밀 유량 측정기를 제조하는 방법에는 초음파, 전자기 및 코리올리스식이 있으며,  제조 방법에 따라 현장 유지보수 한계의 문제점을 함께 파악하고 개선 방안을 찾는다.

최근 수질 사고 등의 환경 규제와 에너지 효율화로 인해 수요가 꾸준한 성장세를 유지하고 있다. 특히 정밀 유량 측정 장치는 기초가 되는 기기로서, 누수 파손 사고 감지나 수질 사고 등과 같은 정밀 진단 장치에서 야간 최소 유량 측정 기준 등의 특수 기능을 활용하는 초음파 구역 계량계 등 시장을 확장하고 있다.

국내를 기준으로 최근의 초음파 유량계 관련 주요 기술의 동향과, 시장의 규모와 특징을 대내외적인 공개된 자료들을 중심으로 산업용 적산열량계용 유량부 시장도 함께 살펴보고자 한다.

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2. 초음파 유량계 기술 동향

먼저 초음파 유량 측정 기술은 전파시간 측정[Transit time difference, dt(㎱)]으로 초음파 유량계에서는 자동 영점, 유속 측정, 신호 안정화 처리 방법 및 유량 적산 개량을 통한 정밀 유량 측정할 수 있는 유량계 제조 기술에 관한 것들이 주류를 이루고 있다.

새로운 기술을 적용하여 정밀 유량 측정기를 제조하면, 유량 측정 기기의 안정도가 유지되고, 유동 흐름 상태에서 안정적으로 측정할 수 있는 이점이 있어 경쟁력에서 우위를 차지할 수 있다.

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다회선 초음파 유량계에 적용하여 유량 측정 기술에서 측정 환경 및 유체의 온도에 영향을 덜 받으며, 저유속에서 높은 안정도를 갖는 유량계로 활용이 가능하다. 특히 교정, 단수 없이 안정적인 유량 측정 구현과 검증도 가능하다.(KS B 5640, 다회선 초음파 유량계의 시험 방법)

여기에서 D는 내경, L은 초음파 진행 경로, C는 매질의 음속, d는 초음파 진행 경로의 사영길이 값이다.

초음파 유속 측정 기술 중에서 초기의 성능 상태를 다양한 현장에서도 지속적으로 안정화 기술로서 가장 비교되는 제품은 건식 V법에서 표면전달파를 활용하는 기술과 평균유속 산출 단계에서 개별 회선유속에 각각 가중계수를 곱한 후 이들을 합산하고, 합산된 값을 전체 회선수로 나눔으로써 유관 내부를 흐르는 유체의 평균유속을 구하는 기술들이다. 대향하는 두 센서 간의 전파시간을 측정하고, 기존 전파시간의 값을 활용하여 유동 흐름 조건에서도 영점신호를 감지할 수 있는 유량 측정 방법과 건식 V법에서 표면전달파와 개별 회선유속 보정으로 관 내부를 흐르는 유체의 평균유속을 구하는 기술로 비교할 수 있다.

 유체 흐름 단면에 놓인 여러 선상의 평균유속을 측정하고, 유속분포와 면적분포를 이중적분하여 유량계수 없이 유량을 산출하며, 이런 동작 원리로 장애물, 점도 등의 영향으로 유속분포가 복잡하게 변하여도 정확한 유량값을 측정할 수 있는 장점을 갖는다. 또 대형 취·송수 유량 측정의 간접 교정의 이점과 부단수 유지보수의 이점이 있다

다회선 초음파 유량계의 이중적분 유량연산법을 적용하여 대형 유량 측정 기술에서 측정 환경 및 유체의 성상에 영향을 덜 받는 상사성을 갖는 유량계 제조가 가능하고, 가장 비교되는 다회선 구조의 초음파 유량 측정 기술로는 “가중계수법(면적분할법)”이 있으며, 이는 평균유속 산출 단계에서 개별 회선유속에 각각 가중계수를 곱한 후 이들을 합산하고, 합산된 값을 전체 회선수로 나눔으로써 유관 내부를 흐르는 유체의 평균유속을 구한다. 가중계수는 관로 배치 센서 위치에 따라서 달라지며, 이는 반복 실험 또는 유관 단면의 기하학적인 형상을 고려하여 결정할 수 있다. 공지된 초음파 진동자들의 배치 및 이에 따른 가중계수로서는, “가우시안”, “셰비세프” 및 “테일러” 형상 등의 가중계수가 널리 알려져 있다. 이러한 유량적분 방법의 기술적 차별점은 보정 및 추정의 개념을 포함하느냐에 따라 실제 유량값과 상사성을 확인할 수 있으며, 대형 관로의 교정 없이 사용할 수밖에 없으므로 부단수로 유지보수와 현장 성능 확인 기술의 관점에서 차별화된다.

기존의 상·하수 공정은 유지보수 및 성능 확인 부문에서 표준 기술이 없는 이러한 문제점으로 품질 능력이 떨어지는 문제점이 있고, 추가적인 공정을 요구하여 제조 원가가 상승하는 문제점이 있으나 새로운 기술들을 적용하면 공정이 간소화되고, 생산성이 증대되어 제조 원가 측면에서 유리한 장점이 있다. 특히 교정, 단수 없이 고정밀의 유량측정 구현과 검증이 가능하다.(KS B 5640, 다회선 초음파 유량계의 시험 방법)

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3. 초음파 유량계 시장 동향

국내 시장의 수도미터의 경우 50㎜ 이하와 80㎜ 이상 그리고 수량은 적지만 350㎜ 이상 3그룹으로 분류하는 것이 적절할 것으로 판단된다. 서울시 발표 자료(정보 공개 자료) 고장율의 경우 소그룹이 1.94%, 중그룹이 7.2%에 이른다고 한다. 계량기 불감 수량의 경우 평균 불감율을 3.4% 수준으로 보고 있다. 그러나 실제로 해외 자료에서는 기존 기계식의 불감 지역이 높은 것과, 아울러 계량기 등급에 따른 불감 수량까지 고려한다면 실제로 스마트 고효율 계량기 적용을 통해 10~15% 정도의 누적 계량 차이로 나타난다는 보고 사례도 있다.
국내 수도미터 시장은 900억원(2014년 통계 기준)이다. 유량계 측정 방식 중에 정확도, 경제성, 유지보수 측면에서 강점을 갖는 스마트 계량 방식이 대안으로 대두되고 있다. 스마트 계량 방식은 기존의 여러 방식 중에 비용이 저렴하고, 이로 인한 제품의 수익성이 적어졌으나, 이를 극복하기 위하여 AMR/AMI 기능을 추가하는 것이 대세이다.

이러한 스마트 계량기 중 전자기 측정 방식의 수도미터의 생산 회사는 ABB, Siemens, Krohne, IsOIL, Elster (Honeywell) 등이다. 전자기 제품의 경우 200㎜ 이하에서 RF 면으로만 구성되어 매우 가볍고, 경제적으로 측정관을 구성할 수 있어 매우 효과적이라고 볼 수도 있다. 그러나 전체적으로 성능 수준은 우수하지만, 가격이 비싼 단점이 있다.

스마트 계량기들 중에서 초음파식은 Arad(이스라엘), Elis(체코), Badger Meter(미국), Kamstrup(벨기에), DIEHL (독일), Sensus(독일), Sentec(영국) 등이다. 대부분 회사가 가정용 위주로 측정 성능은 2등급에서 개발 중이거나 판매 가능한 제품을 보유하고 있다. 이 중에서 50㎜ 이상 대형 제품은 ARAD와 Elis이며, 성능 비교를 통해 경쟁 예상되는 업체는 ARAD 한 곳이며, 제품이 제한적이다. DIEHL사는 중국에 공장도 운영하고 있다.

또한 양방향 스마트 수도미터 시장은 5.75억 달러(2013년) 수준에서 11억 달러(2019년) 수준으로 성장할 것으로 예측되었고, 전체 수도미터 시장에서 차지하는 비중이 18%(2 013년)에서 29%(2019년)까지 확대될 것으로 보고되고 있다.

유럽은 측정 성능이 높은 것을 요구하며, 대부분 ECC 인증과 동시에 각국 표준인 독일은 DIN, 영국은 BS 등을 요구한다. 북미는 AWWA 표준을 요구하는데, 이는 국제 표준과 상이하고, 각 형식마다 요구하는 표준이 다르다. 남미는 소구경의 전자식 수도미터의 수요가 많으며, 일본은 자국에서 생산된 수도미터만 쓰고 있는 경향이 있는 것으로 나타났다. 다음으로 적산열량계 국내외 시장을 살펴보면, 몇 가지 주요 데이터를 중심으로 시장규모를 추정할 수 있다.

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빌딩용 적산열량계의 경우를 살펴보면 몇 가지 흥미로운 사실을 알 수 있다. 적산열량계 검정(제조) 현황을 보면 40㎜ 기준으로 대략적인 분류를 하면, 가정용이 98.5% 정도로 수적으로는 압도적인 수량을 갖는다.
또 이러한 빌딩용(산업용)의 경우 적산열량계 구경별 현황은 대략적으로 100㎜ 이하가 대부분 80% 정도를 차지하고 있다.(2016년 기준)

시장규모 면에서 매우 작은 규모의 특성을 갖는다. 하지만 AMI 관련 기술의 발달과 계량 측정 기술의 진보로 어느 시기에는 몇 배의 시장으로 성장할 수 있을 것으로 기대한다.

적산열량계 공급사별 검정대수 현황을 살펴보거나 공급 형태 분석을 통해 한국지역난방공사와 민간 난방사업자로 구분해보면 전체적인 수량 면에서(빌딩용의 경우) 4:6 정도로 나타난다. 특히 빌딩용 분석 결과 민수시장에 대한 업체별 검정 현황 추세를 살펴보면, 업체별 시장 편중이 큰 것으로 나타나고 있다.

국내 적산열량계 검정통계 정보를 한국기계전기전자시험연구원에서 확인할 수 있고, 이를 분석하여 보면 산업용 적산열량계의 경우 국내 시장에서 수입 제품으로 공급되는 수량보다 훨씬 적은 수량만이 수입 통계로 나타나고 있다. 약 1/3 이하가 통계로 나타나므로 이는 부품 형태로 수입하여 측정관의 재생 재활용 등 다양한 방법으로 통계 누락이 발생하고 있는 것으로 추정된다. 전 세계 열량계 시장규모(Global Market Insight)를 살펴보면, 연간 6% 정도 높은 수준으로 성장하고 있음을 볼 수 있다.

또한, 지역난방 세계시장 규모를 통해 특정 국가들(중국, 영국 등 유럽)에 한정되어 활용되고 있음을 확인할 수 있다.

국내외 주요시장에서의 제조사들을 살펴보면 대략적으로 다음과 같이 나타나는데, 이는 주로 수출 위주로 본 것으로서 자국 내에서의 강자들에 대한 통계가 포함되지 않을 수도 있어 이를 고려하여야 할 것이다.

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4. 결 론

결과적으로 초음파 시간차 유량 측정 기술을 적용하여 다양한 기대 효과를 얻을 수 있으며, 다양한 측정관 설계 도입으로 사선 및 회전 성분 보상 등 설치 효과를 극대화할 수 있다. 이를 통해 직관부 5D 이내에서 안정된 성능과 초음파 신호 개선을 통한 온도 및 압력 변화 환경에서 안정적 측정 보장, 완전한 디지털화, 위생 재료 사용 후 재활용을 통한 수명 연장이 가능하다.

또 기존 제품 설치 장소에 추가 공사 없이 바로 설치 가능한 기술은 물론, 국산화로 수입 대체 효과 및 연관 기술의 국내 축적을 통한 정확한 유량 요금 계량에 따른 민원 및 요금 분쟁 감소도 함께 기대할 수 있다. 특히 적산열량계의 경우 하절기 기간은 온수 위주로 사용량이 현저하게 줄어들 때와, 동절기 최대 추위가 발생하면 난방 및 온수 사용량 최대 부하에서 안정적 측정을 기대할 수 있다.

중온수용 적산열량계 초음파 유량부는 측정값(순간 유량, 적산 유량 등)을 매우 빨리 측정하고 가공하여 매 순간 표시 및 그 간격을 선택 저장할 수 있으며, 실시간 TM/TC를 수행하며, 데이터 통신은 양방향 방식이며, IoT 유·무선 통신도 활용하는 추세이다. 적산열량계 기술 수준은 유량부의 성능 기준(2등급)에 100배율 정도이며, 형식승인과 검정을 통과하여야 판매가 가능한 제품들이 적용될 것으로 예상된다.


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