계장기술(PROCON)

기획특집 굴뚝 배출 유량 측정용 3차원 피토관 유속계

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작성자 최고관리자 댓글 0건 조회 18회 작성일 21-11-15 16:10

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우리나라 1인당 온실가스 배출량은 OECD 국가 중 10위권이며, 높은 배출량 증가 추세로 국제사회로부터 적극적인 온실가스 감축을 요구받고 있는 상황이다. 이에 따라 우리나라는 선제적인 대응을 위해 2020년 BAU (Business-As-Usual, 온실가스 배출 전망) 대비 30% 감축이라는 자발적 감축 목표를 설정하였다.

또한 정부는 온실가스를 배출하는 사업장을 대상으로 연단위로 배출권(Permit)을 할당(Allocation)하여 할당 범위 내에서 배출 행위를 할 수 있도록 하고, 할당된 사업장의 실질적 온실가스 배출량을 평가하여 여분 또는 부족분의 배출권에 대하여 사업장 간 거래를 허용하는 온실가스 배출권거래제를 도입, 실시하고 있다. 온실가스 배출량의 초과량 또는 감축량에 따라 천문학적인 단위의 금액이 오가기에 배출량 산정의 정확성의 공정성은 매우 중요하다.

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국내 에너지 및 산업 분야 온실가스 배출량 산정은 ‘기후변화에 관한 정부 간 위원회(IPCC, Intergovernmental Panels on Climate Change) 가이드라인’과 ‘온실가스, 에너지 목표관리 운영(환경부 지침)에 의해 정의된 방법(Tier 1-4)으로 이루어지게 된다. 상위 Tier로 갈수록 불확도는 작아지는데, Tier 1-3은 연료 사용량과 배출 계수를 이용하여 이론적으로 온실가스 배출량을 산정하는 방식이다.

온실가스의 배출 농도와 배출 유량을 직접 측정하는 방식인 Tier 4의 연속 측정 방법(CEMS, Continuous Emis sion Monitoring System)은 가장 불확도가 낮고, 정확한 방법이다. 연속 측정 방법의 배출량 산정을 위한 온실가스의 농도 측정 및 불확도 평가 기술에 대한 연구는 국내외 관련 연구기관에서 분석 장비 평가를 위주로 다양하게 이루어져 왔으나, 유량 측정 기술에 대해서는 굴뚝 내 복잡한 유동현상에 대한 측정 방법에 대한 상세 기준 및 불확도 평가 방법에 대한 연구가 이루어지지 못했다.

국내에서는 사업장별로 할당된 온실가스 배출량을 평가하여 여분 또는 부족분의 배출권에 대하여 사업장 간 거래를 허용하는 온실가스 배출권거래제가 시행되고 있는 상황에서, 온실가스 배출량 산정의 공정성 확보는 더욱 중요해지고 있으며, 현재 사업장의 규모와 특성에 따라 온실가스 산출 방법이 선택적으로 적용되고 있지만, 정확한 산출 방법으로 평가되는 연속 측정 방법에서 배출 유량 측정에 대한 신뢰성은 반드시 확보되어야 한다.

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굴뚝에서 배출되는 가스의 농도과 유량을 직접 측정하는 연속 측정 방법은 온실가스 배출량 산정 외에도 국내 사업장 굴뚝에서 배출되는 대기오염물질을 실시간으로 측정하고 모니터링하는 굴뚝원격감시체계(CleanSYS)에도 적용된다. 굴뚝원격감시체계에서 사용되는 굴뚝 내 유속계에 대해서는 환경부의 환경 측정 기기 정도검사를 통해 주기적으로 측정 반복성 및 설치 방향 민감도 등의 검사를 수행하고 있으나, 실제 굴뚝 환경의 설치 및 측정 조건에서의 배출 유량 측정 불확도에 평가는 이루어진 적이 전무하였다.

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연속 측정 방법에서 굴뚝에서 배출되는 유량은 굴뚝에 설치되는 유속계를 통하여 산출하게 된다. 국내 산업·발전 현장의 굴뚝에 주로 설치되어 있는 유속계는 S형 피토관(S-type Pitot tube)으로서 굴뚝 벽면에서 삽입하여 두 개의 관의 측정홀(오리피스)을 통해 굴뚝 가스의 유속에 따른 차압을 획득하여 베르누이식을 이용하여 유속을 측정하는 원리이다.

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그러나 실제 산업 및 발전 현장의 굴뚝 내부 유동은 굴뚝으로 연결되는 설비의 구성에 의해 3차원으로 왜곡된 스월(Swirl) 유동이 발생하여 축 방향(굴뚝 수직 방향) 1차원 속도만 측정이 가능한 S형 피토관으로는 굴뚝 배출 유량 측정의 한계가 발생한다. 온실가스 배출 규제에 적극적인 미국과 중국을 중심으로 3차원 형태로 유동이 발생하는 굴뚝 내부의 유속을 측정하고자 3차원 피토관 유속계를 이용한 측정 방법을 연구 중이다.

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3차원 피토관 유속계(3-D Pitot Probe)는 그림 6에서 차압을 측정하는 홀이 2개(P1, P2)인 S형 피토관과는 달리 5개의 차압을 측정할 수 있는 홀(P1, P2, P3, P4, P5)로 구성되어 있다. 3차원 피토관 유속계는 5개의 차압 홀은 동일하지만, 측정부 형상에 따라 Prism Probe와 Spherical Probe가 있다.

3차원 피토관 유속계를 굴뚝 벽면에 설치하여 굴뚝 내 유속 분포를 측정하기 위해서는  그림 7과 같은 식(V)을 이용하게 되는데, 1번 홀과 2번 홀의 차압인 P1-P2 뿐 아니라, 교정계수 F2, 유속의 요각(θyaw)과 유속의 피치각(θpitch)을 측정해야지 굴뚝 내 유속(V)이 산출된다.

교정계수 F2를 구하기 위해서는 교정계수 F1을 알고 있어야 하는데, 이러한 F1와 F2의 그래프는 미국 환경부 규격(EPA Method 2F)에 제시된 Nulling Method라는 방법을 통해 구할 수 있다. Nulling method는 3차원 유속계의 P2와 P3을 같도록(Nulling 조건) 회전시켜, 요각(Yaw angle) 영향을 제거하는 방법이다. Nulling method를 위해 F1와 F2 그래프를 얻기 위한 3차원 피토관 유속계의 교정 방법은 피치각(Pitch angle)을 바꾸어가며, 3차원 피토관 유속계를 교정할 수 있는 교정 시스템(KRISS 기체유속표준시스템)을 구축하였다.

3차원 피토관 유속계 교정시스템에서 피치각에 따른 3차원 피토관 유속계의 차압들의 변화인

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그래프를 구할 수 있다.

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이렇게 교정 시스템을 통해서 얻은 3차원 피토관 유속계의 교정 결과인 F1와 F2 그래프를 이용하여 굴뚝에 설치된 3차원 유속계에서 획득한 차압(P1, P2, P4, P5)들로 먼저 F1 값을 구하고(①), 그 후 F1 그래프에서 피치각을 구하고(②), 그 후 F2 그래프에서 동일한 피치각(③)에서 F2를 구할 수 있다(④). 3차원 피토관 유속계를 이용한 굴뚝 유속 측정식(V)에 필요한 F2와 피치각(θpitch)은  3차원 피토관 유속계의 교정 그래프 F1, F2를 이용하여 구하고, 요각(θyaw)은 굴뚝 유동 방향에서 수직 방향으로 설치된 3차원 유속계의 P2와 P3가 동일하게 되는 각도를 기울기 측정 장치(Inclinometer) 등으로 측정된 각도를 통해 얻는다. 이를 통해 3차원 피토관 유속계를 이용하여 굴뚝 유속 측정식(V)을 통해 굴뚝 내 흐름 방향 유속을 구할 수 있고, 피치각과 요각을 이용하여 나머지 2차원 방향의 유속도 구할 수 있다.

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한국표준과학연구원에서는 Nulling method를 이용하여 교정된 3차원 피토관 유속계를 굴뚝 현장에 설치하여 굴뚝 내 3차원 유속 분포를 측정하기 위해 그림 8과 같은 현장 굴뚝 3차원 유속 측정 시스템을 개발하였다. 이 시스템은 2종류의 3차원 피토관 유속계(Prism Probe, Spherical Probe)뿐 아니라, 1차원 유속계인 S형 피토관을 이용하여 유속을 측정하는 데 사용할 수 있다.
먼저 굴뚝 벽면 측정공에 3차원 피토관 유속계를 설치하고, 3차원 유속 측정 시스템을 통해 Nulling method를 이용한 유속 측정을 위한 데이터 획득을 수행한다. 현장 굴뚝 내 3차원 유속 측정 시스템은 유속 측정을 위한 5개 홀의 차압 신호와 3차원 피토관 유속계에 부가적으로 연결되어 있는 온도계를 통해 굴뚝 내 온도를 측정하기 위한 장치로 구성되었다. 3차원 피토관 유속계를 이용하여 Nulling method를 적용하기 위한 차압 신호는 5개 홀(P1, P2, P3, P4, P5) 중 3개(P1-P2, P2-P3, P4-P5)의 차압 신호인데, 각각 차압센서로 차압을 측정한다.
굴뚝 내 온도는 PT-100옴 센서가 3차원 유속계에 부가적으로 설치되는데, 이를 측정하기 위한 온도센서와 통신장치(TH300+HART711)로 온도를 획득한다. 필요에 따라 대기압, 대기온도, 습도센서도 설치하여 측정 환경 조건 데이터를 획득할 수 있다. 차압과 온도 등의 모든 데이터는 통신 케이블(TCP-IP)을 이용해 LAN-HUB를 통해 DAQ 장비(NI-cDAQ, NI-9289)로 전달되어 노트북에 저장된다.

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Nulling method를 이용하여 3차원 피토관 유속계를 통해 굴뚝 내 유속을 측정할 때에는 먼저 P2와 P3을 같도록(Nulling 조건) 회전시켜, 요각(Yaw angle) 영향을 제거해야 하는데, 이를 위해 3차원 유속계를 회전할 수 있는 Yaw 각도 조절용 서보모터와 회전한 각도를 측정할 수 있는 기울기 센서(Inclinometer)가 유속계에 설치되어 있다. 서보모터와 인클리노미터에 제어 신호 및 전원을 공급할 수 있는 서보모터 컨트롤러와 파워서플라이(24V)도 구성되어 있다. 3차원 유속계와 함께 설치된 모든 센서류 및 구동장치들은 그림 11과 같이 구성된 프로그램을 통해 제어되고, 신호가 획득된다. 이 프로그램은 노트북에 설치되어 구동되고, 유속 데이터를 획득한다.

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국내 온실가스 배출사업장(발전소) 굴뚝에서의 3차원 유속 측정 시스템을 이용하여 굴뚝 내 유속 분포를 측정하기 위해서는 그림 12와 같이, 기존의 굴뚝원격감시체계(CleanSYS)를 위하여 S형 피토관의 설치를 위하여 구축되어 있는 측정공을 이용하게 된다. 굴뚝 내부의 유속 분포 측정을 위한 직경 방향 측정 지점(Traversing point)은 환경부 대기오염공정시험방법, EPA Method1, ISO 169911-2 등의 국내외 규격들을 이용하여 선정할 수 있다. 한국표준과학연구원에서는 국내 발전사업장 굴뚝에서 S형 피토관 & 3D Probe를 이용한 굴뚝 유량 및 유속 분포 측정 연구를 수행 중이며, 향후 기존 굴뚝원격감시 체계와의 측정 결과 비교와 3D Probe 측정에 의한 굴뚝 배출 유량 측정 불확도 산출 연구도 진행할 예정이다.

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