Kookmin-New Energy Lab(K-NEL) 국민대학교신에너지연구실연구보고서

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현경 섭
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3 주 의 이보고서는지식경제부에서시행한지식경제기술혁신사업기술개발보고서이다 이기술개발내용을대외적으로발표할때에는반드시지식경제부에서시행한지식경제기술혁신사업의기술개발결과임을밝혀야한다

4 제출문 지식경제부장관귀하 본보고서를 지능형도시가스시설물안전관리를위한상황정보모니터링시스템 실험및시뮬레이션에관한기술개발 개발기간 과제의 단계보고서로제출합니다 주관기관명 ː 한국가스안전공사 참여기관명 ː 국민대학교 총괄책임자 ː 정태용 참여연구원 ː 신동훈 참여연구원 ː 남진현 참여연구원 ː 임시형 참여연구원 ː 강인구 참여연구원 신윤혁 참여연구원 ː 이석환 참여연구원 ː 임동현 참여연구원 ː 장성필 참여연구원 ː 정대영 참여연구원 ː 조지훈 참여연구원 ː 조찬영 참여연구원 조환용 참여연구원 ː 진경민 참여연구원 최동혁 참여연구원 ː 최두진 참여연구원 최현수 지식경제기술혁신사업공통운영요령제 조에따라보고서열람에동의합니다

5 단계보고서초록 과제번호 과제명 키워드 지능형도시가스시설물안전관리를위한상황정보모니터링시스템실험및시뮬레이션기법개발 센서네트워크 도시가스배관망 안전모니터링 구조및유동해석 시뮬 레이터개발목표및내용 단계최종목표 가 도시가스배관망안전상황모니터링을위한실험및시뮬레이션기법개발 단일배관모듈실험장치의구성및안전모니터링용센서시험 노출배관및배관망에서외부환경변화요인에대한센서의응답시험및해석시 뮬레이션기초연구 노출배관및관망안전모니터링을위한구조및유동해석시뮬레이터개발 센서신호모니터링및위험상황예측시뮬레이터기능을통합하여가상현실공간에 서모니터링및해석결과의가시화 도시가스회사의모니터링통제부에서센서네트워크를통한실시간도시가스시설물 의안전상황모니터링 위험상황예측및대응 개발내용및결과 가 안전상황모니터링테스트용실험장치의구성및안전모니터링센서시험 도시가스배관모니터링시스템에대한사전조사및기초연구 국내도시가스사의배관모니터링시스템현황및개선점파악 배관진동 배관및배관구성요소응력관련모니터링센서의응답특성및계측신호 분석 가스압력및누출관련모니터링센서의응답특성및계측신호분석 안전모니터링센서신호의 현상대처및노이즈저감방안연구 안전모니터링센서의계측신호와배관안전성과의상관관계분석 기본배관망모듈을제작하고정압기모델을이용하여입 출구압력에따른유량특성실험수행 노출가스배관구조물안전모니터링개발을위한테스트벤치를제작하였으며 무선기울기센서및스트레인게이지를부착하여응력비교실험수행 변화를이용한매설배관의처짐량측정방안제시및노출가스배관테 스트벤치에서실험수행 나 노출배관및배관망에서외부환경변화요인에대한센서네트워크의응답시험및 해석시뮬레이션기초연구 안전모니터링센서네트워크를통한노출배관및배관망구조물의외부환경변화에 대한응답신호계측및분석

6 모니터링센서신호분석을통한노출배관및배관망구조물의위험 취약지구예측 시뮬레이션기법기초연구 다 타공사 균열 부식등에의한배관망구성요소의안전을예측하기위하여유한요소 프로그램을이용한시뮬레이션수행및실험과의비교 두데이터를비교분석하여누출감지시뮬레이터의정확도를확인하고향후배관망모듈실험계획에활용함 상용유한요소프로그램인 를사용하여실제노출배관및안전상황모니터 링테스트용실험장치에하중이가해졌을때진동및구조해석을수행하여취약지점파악 응력추정법개발시각지점의응력을해석하여해석값과응력추정법을비교함 라 노출배관및관망안전모니터링을위한구조및유동해석시뮬레이터개발 를이용한유동해석시뮬레이터개발및안전상황가시화구현 시뮬레이터를통한실시간누출지점정보를얻음으로써안정상황및누출상황에대한가시화구현및활용 노출가스배관의응력분포사항을모니터링하기위하여 무선기울기센서를이용하여노출가스배관의응력추정법개발 유한요소해석을통한응력 를통한응력 응력추정법에의한응력을비교검증후노출가스배관구조물안전모니터링시스템프로그램을 로구축함 기대효과 기술적및경제적효과 가 에너지사용량증가와에너지설비의대형화및네트워크화에따라운용자 사용자실 수 제품결함등사소한오류에따른대형안전사고발생확률감소 나 도시가스시설물의안전상황예측을위한시뮬레이터개발을통해불필요한유지 보수및긴급상황대응에대한비용을줄임 적용분야 본연구에서는실시간센서모니터링 구조및유동해석시뮬레이터 안전상황예측및 가시화기술이통합되어모니터링 예측및대응이신속하게이루어질수있어도시가스사에적용가능

7 요약문 제목 지능형도시가스시설물안전관리를위한상황정보모니터링시스템실험및시뮬레이션기 법개발 연구개발의목적및필요성 가 센서네트워크를통한도시가스시설물의실시간모니터링결과와구조및유동해석시뮬 레이터를이용하여지능형도시가스시설물의통합안전모니터링시스템의구축에기여한다 나 에너지사용량증가와에너지설비의대형화및네트워크화에따라운용자 사용자실수 제품결함등사소한오류에도대형안전사고가발생할가능성이높아지고있음 연구개발의내용및범위 가 안전상황모니터링테스트용단일배관모듈실험장치의구성 나 전산해석코드를이용한해석수행및실험과의비교 다 배관안전모니터링실제신호와구조및유동해석시뮬레이터의결합을위한 를 이용한시뮬레이터개발및안전상황가시화구현 라 상용유한요소프로그램인 를사용하여실제노출배관및안전상황모니터링테스트용실험장치에하중이가해졌을때진동및구조해석을수행하여취약지점파악 마 노출가스배관구조물안전모니터링개발을위한테스트벤치를제작하였으며 무 선기울기센서및스트레인게이지를부착하여응력비교실험수행 바 변화를이용한매설배관의처짐량측정방안제시및노출가스배관테스트벤치 에서실험수행 사 노출가스배관의응력분포사항을모니터링하기위하여 무선기울기센서를이용하여노출가스배관의응력추정법개발 아 유한요소해석을통한응력 를통한응력 응력추정법에의한응력을비교검증후노출가스배관구조물안전모니터링시스템프로그램을 로구축함 연구개발결과 가 기본배관망모듈을제작하고정압기모델을이용하여입 출구압력에따른유량특성 실험수행 나 두데이터를비교분석하여누출감지시뮬레이터의정확도를확인하고향후배관망모 듈실험계획에활용함 다 시뮬레이터를통한실시간누출지점정보를얻음으로써안정상황및누출상황에대한가시 화구현및활용 연구개발결과의활용계획 가 에너지시설및산업시설의위험에대한정성 정량적인안전성평가및진단기술개발을 통해설비안전성향상 나 도시가스회사의모니터링통제부에서센서네트워크를통한실시간도시가스시설물의안전 상황모니터링 위험상황예측및대응

10 목 차 제 장서론제 절개발기술의중요성및필요성 제 절국내 외관련기술의현황제 절기술개발시예상되는기술적 경제적파급효과 제 장기술개발내용및방법제 절최종목표및평가방법제 절단계목표및평가방법제 절연차별개발내용및개발범위 제 장결과및향후계획제 절단계연구개발결과 단계연구개발추진일정 단계연구개발추진실적및내역제 절시장현황및사업화전망제 절차기단계계획 연구계획 차기단계계획제 절기업재무건전성현황

12 제 장서론제 절개발기술의중요성및필요성 기술적측면 가 전기 가스 석유화학등에너지관련설비및기기의안전관리를위한차세 대에너지안전관리시스템기술개발이추진되고있음 나 에너지사용량증가와에너지설비의대형화및네트워크화에따라운용자 사용자실수 제품결함등사소한오류에도대형안전사고가발생할가능성이높아지고있음 다 년기준 우리나라재해 재난예측 관리기술의기술수준은선진국에비 해 에불과하여기술개발이시급한것으로조사됨라 센서네트워크의실시간모니터링데이터를이용하여도시가스시설물의안전상황을효과적 경제적으로예측할수있는시뮬레이터의개발이절실히요구됨 산업 경제적측면 가 소득수준이높아짐에따라위기에대한국민의인식이점차증대하고있음 나 재난관리기술이 등첨단기술과접목되면서고도화 고부가가치 화하고있음 다 세계 위권경제위상에걸맞는삶의질을위한재난위기관리시스템구축 이필요함라 도시가스시설물의안전상황예측을위한시뮬레이터를통해안전상황을예측및판단할수있으므로시설물안전관리와관련된불필요한유지 보수및긴급상황대응에대한비용을줄일수있음 정책적측면 가 국가에너지시설의다양한사고에대비하고 잠재위험요소의지속적관리 및모니터링에의한사고예방을통한사회적비용감소를위한종합적안전관리시스템이필요함 나 국가경제의기반을이루는에너지산업의안정성확보를위한범국가적원

13 천기반기술로서가스안전모니터링시스템의연구개발이필요함 다 국가에너지가하나의사업에서국가안보문제로중요성이커짐 라 국가에너지안보를위해지속가능한국가에너지안전통합관리시스템의구축이필요함 마 도시가스시설물안전모니터링시스템의구축을통해기존도시가스시설물의관리가용이해지고 도시가스시설물구축시안전인자기준의완화가가능함 제 절국내 외관련기술의현황 국외기술현황 가 현재 를이용하여에너지수송망의관리상태와여러가지정보를중앙통 제실에서확인하고이상상태를관리하는시스템이구축되어있으며 인공지능시스템을도입하여에너지수송망의이상상태를학습하고자동감지하기위한기술개발을수행중 나 등의연구자들에의해배관내부유동에 따른안정성과진동해석에대한연구가수행되어옴 다 미국 일본등에서는매설배관응력에미치는제반인자들에대한데이터 축적과체계적인분석을오래전부터수행해옴 라 미국 에서는가속도센서및수중음향기를이용하여 타공사관련배관에가해지는충격을실시간으로감지하는연구가진행되어지고있음 마 영국 사등은배관또는배관망유동에대한해석 설계소프트웨어개 발및관련연구를진행하고있음 국내기술현황가 현재까지배관망을비롯한에너지수송망의안전을확보하기위해규제중심으로안전관리를수행함 안전관련기반기술의개발은일부기관에서만수행되었음 나 타공사관련배관손상에대한연구가진행되어왔으나 실시간으로모니터

14 링된응력및진동관련신호에대한분석및이를통한안전상황예측및가시화기술이아직부족함 다 매설배관응력에미치는제반인자들에대한연구가일부수행되기는하였 지만 아직미진한상태임 라 배관및배관망유동관련해석및설계에대한연구가진행된바없으며배관망의유동실시간모니터링을위한유동해석시뮬레이터의개발이절실히요구됨 제 절기술개발시예상되는기술적 경제적파급효과 기술적측면 가 전기 가스 석유화학등에너지관련설비및기기의안전관리를위한차세 대에너지안전관리시스템기술개발 나 에너지사용량증가와에너지설비의대형화및네트워크화에따라운용자 사용자실수 제품결함등사소한오류에따른대형안전사고발생확률감소 다 우리나라재해 재난예측 관리기술의기술수준을선진국수준으로향상 라 센서를통해수집된정보를통한도시가스시설물의안전상황예측가능 경제적측면 가 에너지안전핵심요소기술의정보기술 기반통합을통한에너지산업의 경쟁력을강화 나 선진국수준의재난위기관리시스템구현 다 도시가스시설물의안전상황예측을위한시뮬레이터를통해안전상황을예측및판단 라 도시가스시설물의안전상황예측을위한시뮬레이터개발을통해불필요한유지 보수및긴급상황대응에대한비용을줄임 마 차세대에너지안전기술의창출 확산과신기술의주도권선점

15 제 장기술개발내용및방법제 절최종목표 도시가스배관망안전상황모니터링을위한실험및시뮬레이션기법개발가 단일배관모듈실험장치의구성및안전모니터링용센서시험나 노출배관및배관망에서외부환경변화요인에대한센서의응답시험및해석시뮬레이션기초연구다 노출배관및관망안전모니터링을위한구조및유동해석시뮬레이터개발라 센서신호모니터링및위험상황예측시뮬레이터기능을통합하여가상현실공간에서모니터링및해석결과의가시화마 도시가스회사의모니터링통제부에서센서네트워크를통한실시간도시가스시설물의안전상황모니터링 위험상황예측및대응

16 제 절단계목표및평가방법 구분 ( 연도 ) 세부연구목표 가중치 평가의착안점및기준 도시가스배관모니터링시스템에대한사전조사및 20% 조사보고서의충실도 기초연구 1차년도 안전상황모니터링테스트용배관모듈실험장치의구 30% 실험장치의완성도 (2007) 성 안전모니터링센서응답특성및계측신호분석 30% 측정결과의정확도 전산해석코드를이용한해석모델검증 20% 해석모델의이론적타당성 2차년도 (2008) 3차년도 (2009) 최종평가 배관망안전상황모니터링실험장치제작및운용모니터링센서를통한노출배관및배관망구조물의외부환경변화에대한응답신호계측및분석모니터링센서신호분석을통한노출배관및배관망구조물의위험 / 취약지구예측시뮬레이션기법기초연구전산해석코드를이용한해석수행및실험과의비교모니터링센서신호로부터의배관구조물안전성예측을위한 Labview를이용한시뮬레이션기술및개발개발된시뮬레이터및모니터링신호정보를안전상황가시화모니터링센서신호분석을통한노출배관및배관망구조물의위험 / 취약지구예측시뮬레이터배관망안전모니터링용센싱신호분석기술 40% 압력, 유량측정가능한실험장치 20% 계측및분석의정확도 20% 시뮬레이션모델의타당성 20% 실험과의오차 50% 시뮬레이션모델의타당성과정확도 50% 가시화프로그램사용의용이성 40% 활용의용이성과정확성 30% 센서신호의유효성 배관망안전모니터링을위한 센서및센서네트워크 30% 작동의정확성및데이터베이스 처리

17 제 절연차별개발내용및개발범위 차년도 가 개발내용및개발범위 도시가스배관모니터링시스템에대한사전조사및기초연구 국내도시가스사의배관모니터링시스템현황및개선점파악 안전상황모니터링테스트용단일배관모듈실험장치의구성 배관진동 배관및배관구성요소응력관련모니터링센서의응답특성및 계측신호분석 가스압력및누출관련모니터링센서의응답특성및계측신호분석 안전모니터링센서신호의 현상대처및노이즈저감방안연구 안전모니터링센서의계측신호와배관안전성과의상관관계분석 전산해석코드를이용한해석모델검증 차년도 가 개발내용및개발범위 배관망안전상황모니터링실험장치제작및운용 안전모니터링센서네트워크를통한노출배관및배관망구조물의외부환경변화에대한응답신호계측및분석 모니터링센서신호분석을통한노출배관및배관망구조물의위험 취약 지구예측시뮬레이션기법기초연구 타공사 균열 부식등에의한배관망구성요소의안전을예측하기위한응 력및진동관련유한요소해석프로그램 타공사 균열 부식등에의한배관망구성요소의안전을예측하기위한유 동관련해석프로그램 전산해석코드를이용한해석수행및실험과의비교 차년도 가 개발내용및개발범위 모니터링센서신호로부터의배관구조물안전성예측을위한구조및유동

18 해석시뮬레이터개발 배관안전모니터링실제신호와구조및유동해석시뮬레이터의결합을위한 를이용한통합시뮬레이터개발 개발된시뮬레이터및모니터링신호정보를통한안전상황가시화구현

19 제 장결과및향후계획 제 절단계연구개발결과 단계연구개발추진일정 일련 번호 개발내용 도시가스배관모니터링시스템에대한사 전조사및기초연구 1 차년도 추진일정 기간 주단위 안전상황모니터링테스트용단일배관모듈실험장치의구성안전모니터링센서응답특성및계측신호분석 전산해석코드를이용한해석모델검증 일련번호 개발내용 배관망안전상황모니터링실험장치 제작및운용 모니터링센서를통한노출배관및 배관망구조물의외부환경변화에대한 응답신호계측및분석모니터링센서신호분석을통한노출 배관및배관망구조물의 위험 취약지구예측시뮬레이션기법 기초연구 전산해석코드를이용한해석수행및 실험과의비교 2 차년도 추진일정 기간 ( 주단위 ) 일련 번호 1 2 개발내용 모니터링센서신호로부터의배관구조물안전성예측을위한 또는 를이용한시뮬레이션 기술개발 개발된시뮬레이터및모니터링신호 정보를통한안전상황가시화 3 차년도 추진일정 기간 ( 주단위 ) 24 24

20 단계연구개발추진실적및내역 차년도 가 배관망해석프로그램개발 기존의연구와동일한지배방정식을이용 질량보존방정식 운동량방정식 지배방정식변환 차분화수행 가 배관의길이 을동일한길이의 개의영역으로분할나 각각의영역간의경계에압력 가계산되는압력절점을배치다 유량절점은인접한두개의압력절점사이에배치라 와유사한엇갈림격자의형태를나타냄 [ 그림 1_1] 선형배관의차분화 [ 그림 1_2] 지류배관의차분화 가 해석프로그램을이용한해석수행 선형배관해석수요유량의설정 sin 해석결과

21 가 수요유량에대한압력변화 유량이증가할경우압력감소 파형의형태로증가와감소반복 [ 표 1-1] 해석배관특성 [ 그림 1-3] 수요유량에따른배관거리별 압력변화그래프 [ 그림 1-4] 수요유량에따른배관거리별 유량변화그래프 나 수요유량에대한각지점유량변화 일정한위상각을가짐 파형의형태로증가와감소반복 압력및유량파는음속으로유한함 상류에서하류까지의일정한전달시간소요

22 가 간단한형태의배관망해석수행 단순배관망모델 [ 그림 1-5] 해석에이용된단순배관망모델 초기조건변화 [ 그림 1-6] 수요부 2(q d2 ) 유량변 화 [ 그림 1-7] 수요부 3(q d3 ) 유량변화 해석결과 공급부 압력 로일정 [ 그림 1-8] 배관망주요절점별압력변화 [ 그림 1-9] 배관망주요절점별유량변화

23 가 수요유량에대한압력변화 유량이증가할경우압력감소 는유량감소에따른압력감소 은각말단압력평균과유사 나 수요유량에대한각지점유량변화 동일형태로증가 감소반복 은공급유량에대한위상각을가짐 유량의변화에지연시간을가짐 가 압력센서 를이용한누출감지 공급및수요압력변화에따른배관압력변화해석 가 해석초기조건 직선배관 압력조건 는 에서 로압력강하 는 에서 로압력강하 와 를이용한관찰 앞선유한체적법을이용한해석수행 나 의해석결과 [ 그림 1-11] case 1 에대한직선배관의 각센서의압력변화량 [ 그림 1-12] case 1 에대한직선배관의 각센서의 P sensor / t 을값

24 [ 그림 1-13] case 2 에대한직선배관의 각센서의압력변화량 [ 그림 1-14] case 2 에대한직선배관의 각센서의 P sensor / t 을값 다 의해석결과분석 초사이에 는 부터순차적인압력강하발생 변화에따른압력변화와거의유사한결과를나타냄 발생위치에따른배관압력변화해석 가 해석초기조건 직선배관 압력조건 시 지점에서 의 발생 시 지점에서 의 발생 와 를이용한관찰 앞선유한체적법을이용한해석수행 나 해석결과 [ 그림 1-15] case 3 의경우에대한 직선배관의각센서압력변화량 [ 그림 1-16] case 3 의경우에대한 직선배관의각센서 P sensor / t 을값

25 [ 그림 1-17] case 4 에대한직선배관의각 센서의압력변화량 [ 그림 1-18] case 4 에대한직선배관의각 센서 P sensor / t 의값 다 해석결과분석 에 에서불규칙한파동발생 지점의 반응후 에서의압력동시강하발생 와 의 는유사한형태의그래프를나타냄 사이 발생확인가능 과시간그래프로더욱명확한판단가능 까지순차적압력강하발생확인가능 전후 에서이상이확인가능 우측그래프는 와 의동시적반응확인가능 의반응속도가 에비해빠름 의위치는 와더욱인접함을확인가능

26 가 인접지점에서측정된배관압력변화의 모니터링 [ 그림 1-19] 압력센서 Array 모듈과측정파동 상관함수는두신호의시간영역에서의상관성을나타내는함수임 식 def 를이용해 그래프로표현가능 [ 그림 1-20] 10% leakage at 4.5km [ 그림 1-21] 10% leakeage at 4.2km

가 그림 분석결과 시간영역을상관성에서일치확인가능 에서 발생판단가능 나 그림 분석결과 우측약 지점에서최고점이발생 음속 과시간을곱한값 따라서 지점에서 판단가능 지점비교값 에서 가일어났다고판단할수있다 나 도시가스안전모니터링을위한노출배관실험장치구성및응력측정 시뮬레이터연구 가 노출배관시스템에하중이가해졌을때와진동시변화예측 나

27 가 그림 분석결과 시간영역을상관성에서일치확인가능 에서 발생판단가능 나 그림 분석결과 우측약 지점에서최고점이발생 음속 과시간을곱한값 따라서 지점에서 판단가능 지점비교값 에서 가일어났다고판단할수있다 나 도시가스안전모니터링을위한노출배관실험장치구성및응력측정 시뮬레이터연구 가 노출배관시스템에하중이가해졌을때와진동시변화예측 나 가장취약한부분을찾아스트레인게이지와가속도센서부착부위를찾기 위함 다 실제노출배관시스템과실험장치에대한 수행 실제노출배관시스템 가 직경 두께 인 배관을 에사용 집중하중분석 가 배관정중앙부에 을가하였을때항복응력인 에도달 [ 그림 2-1] 집중하중분석 실험장치 가 차년도세부연구목표중한가지 나 자중에대한응력값 와이어로프의손상시응력값 고유모드해석 주파수응 답해석수행 자중에대한응력값 가 자중작용시정상적인상태에서파이프에작용하는응력값은최대 나 와이어로프한개파괴시최대 다 와이어로프두개모두파괴시최대 라 와이어로프의손상시파이프에미치는영향파악

28 [ 그림 2-2] 정상적인상태에서자중작용시 [ 그림 2-3] 와이어로프한개파괴시 [ 그림 2-4] 와이어로프두개파괴시 2-5) 고유모드해석 가 ) 노출배관실험장치의총 6 차고유모드 [ 그림 2-5] 1 차 [ 그림 2-6] 2 차 [ 그림 2-7] 3 차 [ 그림 2-8] 4 차 [ 그림 2-9] 5 차 [ 그림 2-10] 6 차

주파수응답 구분 고유주파수 최대변위 mode 1 13.553 Hz 8.95 cm mode 2 17.527 Hz 5.

에서 라 비교적약한힘으로가진되어파이프에영향이적음 하중에대한 구조해석 가 실험장치가정상적인상태에서하중이가해졌을때구조해석 나

29 주파수응답 구분 고유주파수 최대변위 mode Hz 8.95 cm mode Hz 5.27 cm mode Hz 5.57 cm mode Hz 9.6 cm mode Hz 5.82 cm mode Hz cm < 정상적인상태에서고유모드해석결과 > 가 실험장치의상부복공판정중앙 가진나 주파수범위 다 파이프중앙에서의최대응력은 에서 라 비교적약한힘으로가진되어파이프에영향이적음 하중에대한 구조해석 가 실험장치가정상적인상태에서하중이가해졌을때구조해석 나 실험장치의자중과상부복공판정중앙에 의하중을입력하여해석다 자동차가복공판을지나가는시간을고려하여 초동안하중을가함 [ 그림 2-11] 200N 으로가진 [ 그림 2-12] 주파수응답 그림 실험장치의상부에 이가해졌을때

30 실험장치구성 노출배관실험장치 가 차년도세부연구목표중하나인안전상황모니터링테스트용단일 배관모듈실험장치구성 나 모니터링센서의응답특성및계측신호분석목적 다 길이 폭 높이 구조물라 배관 길이 직경 두께 그림 실제노출배관 노출배관실험장치 마 배관매달기방호조치는와이어로프와 이용 그림 와이어로프와 그림 배관양끝고정장치 신호수집장비 가 사 스트레인모듈 모듈이용 그림 신호수집에이용되는 장비 센서 가 스트레인게이지와가속도센서이용 그림 스트레인게이지 그림 속도센서

31 [ 그림 2-21] 가속도센서및스트레인게이지부착모습 신호수집 가 신호수집프로그램으로 사용 나 와이어로프의영향신호측정다 스트레인게이지신호 그림 정상적인상태 그림 와이어가하나손상시 그림 와이어가두개손상시 그림 프로그램 라 가속도센서신호 그림 정상적인상태 그림 와이어가한개손상시 그림 와이어가두개손상시 그림 프로그램

32 마 가속도구하는식 유한요소해석 배관의실시간안전모니터링 제작 개요 가 배관파손예측을위해응력분포측정은필수적 나 배관의실시간응력분포확인및파손예측프로그램연구 배관의변형량을통한실시간 제작 변형을통한 기본이론 가 배관에하중이가해지면변형이일어나고이를통하여응력해석가능 [ 그림 2-32] 단순화시킨배관모델 나 번 로이어지는 는가스배관다 번 로이어지는 와 번 로이어지는 는와 이어로프라 유한요소법을이용하여각부분을강성행렬로나타냄 [ 그림 2-33] 강관부강성행렬개념도 [ 그림 2-34] wire 부분강성행렬개념도 마 각축에대한변위및회전에따른응력및 계산가능 바 와이어로프는 구조물에대한강성행렬로축방향에의한힘만계산사 배관과와이어로프재료는 탄성계수 아 배관외경 두께 관면단성모멘트 [ 그림 2-36] 전체강성행렬

33 자 각부분변위에의하여각부분에걸리는전체적인힘계산 차 부분적으로변위센서를부착하게되면전체적으로배관에걸리는힘계산 가능 [ 그림 2-37] 전체강성행렬을통해구해진전체적인힘의분포 [ 그림 2-38] 1 번과 2 번 element 에대한국부강성행렬구성 번 에대한국부강성행렬 - 2 번 element 에대한국부강성행렬 [ 그림 2-39] 국부강성행렬을통하여구해진전단력선도와모멘트선도 카 전단력선도와모멘트선도를통해각부분별응력및응력분도파악 타 몇개의지점에대한변위정보로배관전체에대한응력분포파악 파 설에의하여배관및와이어로프의파손예측 를통한복잡한구조물에서의강성행렬획득 가 를통하여강성행렬을쉽게얻을수있음나 번 로이어지는 는배관다 번 로이어지는 는와이어로프라 유한요소법에의해계산한강성행렬과 를이용한계산비교

[ 그림 2-40] 강성행렬을얻기위한간단한 ANSYS modeling [ 그림 2-41] ANSYS 를통한강성행렬 [ 그림 2-42 MATLAB 을통한강성행렬 마 을이용한강성행렬과 를이용한강성행렬이일치바 복잡한구조물도 로 한다면간단하게강성행렬을알 결론 수있음 가 유한요소법을이용한강성행렬을이용변위를통하여배관의응력계산가능나

34 [ 그림 2-40] 강성행렬을얻기위한간단한 ANSYS modeling [ 그림 2-41] ANSYS 를통한강성행렬 [ 그림 2-42 MATLAB 을통한강성행렬 마 을이용한강성행렬과 를이용한강성행렬이일치바 복잡한구조물도 로 한다면간단하게강성행렬을알 결론 수있음 가 유한요소법을이용한강성행렬을이용변위를통하여배관의응력계산가능나 센서의숫자가줄어도전체적인응력상황측정가능 다 배관의재료가연성재료라면 설에의하여파손예측라 등의프로그램을이용실시간응력분포예측가능마 를통하여간단한 으로강성행렬출력 다 논문게재성과 게재연도 논문명 저자 주저자교신저자공동저자 학술지명 국내외구분 구분 도시가스공급라인의압력및유량변화예측을위한배관망해석연구 조찬영남진현 장성필 남진현 임시형 신동훈 정태용 대한 가스학회지 국내

35 단계연구개발추진실적및내역 차년도 가 배관망해석프로그램개발 기존의연구와동일한지배방정식을이용 질량보존방정식 운동량방정식 지배방정식변환 차분화수행 가 배관의길이 을동일한길이의 개의영역으로분할 Fig. 1 Spatial discretization procedure for a straight pipeline. 나 각각의영역간의경계에압력 가계산되는압력절점을배치다 유량절점은인접한두개의압력절점사이에배치 라 와유사한엇갈림격자의형태를나타냄 상호상관계수를이용한누출탐지가 임의의두신호 와 간의상호유사성을정량적으로측정하는방법 나 는비슷한거동을하는두신호간의시간차 를결정하는데유용 시간지연 가신호의시간차 가비슷한지점에서 의최대값이나타남 다 두신호의시간차를결정하면 이를통해압력교란의시작위치를추정라 교란거리가 만큼떨어진두압력센서마 외부에서생성된전파 상관계수의최대값은 ± 의지점에나타남

36 바 내부에서생성된전파 상관계수의최대값은 의 지점에서나타남 시간차를이용한누출탐지 그림. 2 Leakage detection in a straight pipeline by monitoring the cross- correlation of pressure variation data. 가 중심에서 만큼떨어진지점에서누출이일어나는경우 나 누출에의한압력교란은음속 의속도로전파되어압력센서 에먼저도착하고이후센서 에도착 가 실험장치구성 직선배관실험장치 가 입구측레귤레이터설치 시리즈 나 일정한유량획득 다 길이 직경 배관 개연결하여 배관망설치 그림 71 레귤레이터설치

37 그림 72 출구측유량계그림 73 누출탐지유량계그림 74 누출량조절벨브 라 출구측 용량의유량계설치마 누출부유량측정용유량계설치바 임의로누출을발생시키기위해벨브설치 신호수집장치 가 데이터획득장치설치 그림 75 DAQ 설치그림 76 NI PXI 8176 그림 77 NI SCXI 1000

38 센서 가 미압센서 설치나 차압계 설치 그림 78 차압계설치 그림 79 압력센서 그림 80 차압계및센서설치 가 압력센서 를이용한누출감지수치해석 수치해석을통한분석 가 해석초기조건 직선배관 수치해석시 변경사항 무시 순간시간 자관에대한손실계수추가 거리에서누출량약 누출 거리에서누출량약 누출 와 를이용한관찰 앞선유한체적법을이용한해석수행

39 나 해석결과 그림 81 case 1 의경우에대한직선배관의 각센서의압력변화량 그림 82 case 2 의경우에대한직선배관의 각센서의압력변화량 그림 84 case 2 의경우에대한직선배관의 각센서의 의값 그림 82 case 2 의경우에대한직선배관의 각센서의 의값 그림 85 case1 의경우에대한직선배관의 그림 86 case2 의경우에대한직선배관의

40 다 해석결과분석 중간센서에서측정되는 누출지점근처의 가먼저압력교란에반응 는누출의영향으로 에서압력이떨어짐 의시간이지난후 과 가비슷한형태로압력교란에반응 상류및하류의센서에서측정되는 과 의압력변동의상호계수 를 시간지연 의함수로나타내었다 의최대값은 m ax 에서나타나므로 m ax 로추정 누출지점은상류로부터약 의위치로추정되어 실제가정된누출위치와약 의오차로예측할수있었다 누출지점근처의 가먼저압력교란에반응하고거리의순서로 이반응 함을알수있다 상류및하류의센서에서측정되는 과 의압력변동의상호계수 를 시간지연 의함수로나타내었다 의최대값은 m ax 에서나타나므로 m ax 로추정 누출지점은상류로부터약 의위치로추정되어 실제가정된누출위치와약 의오차로예측할수있었다 가 압력센서 를이용한누출감지실험 직선배관의누출실험분석 가 초기 직선배관 입구측압력 출구측압력 배관내공기유량 거리에서누출량약 누출 와 를이용한관찰

41 나 해석결과 다 해석결과분석 거의중간지점 에서누출이일어났으므로 과 가비슷한형태로압력교환에반응 상류및하류의센서에서측정되는 과 의압력변동의상호계수 를 시간지연 의함수로나타내었다 의최대값은 m ax 에서나타나므로 m ax 로추정 누출지점근처의 가먼저압력교란에반응하고거리의순서로 이반응함 을알수있다 상류및하류의센서에서측정되는 과 의압력변동의상호계수 를 시간지연 의함수로나타내었다 의최대값은 m ax 에서나타나므로 m ax 로 추정할수있고실제누출위치 와저의일치함을볼수있다

42 가 압력차비율의적분모니터링 실험개요 가 차압신호에따른압력비율로배관망내의누출유무를파악할수있다 차압신호의실험 가 초기 위실험조건과같음 개의차압기설치 거리에서누출량약 누출 거리에서누출량약 누출 나 해석결과 수치해석 그림 90 case 1 의경우에대한직선배관의 수치해석의압력변화량 그림 91 case 2 의경우에대한직선배관의 수치해석의압력변화량

43 차압센서를이용한실험 그림 92 case 1 의경우에대한직선배관의 차압센서의압력변화량 그림 93 case 2 의경우에대한 직선배관의차압센서의압력변화량 그림 94 case 1 의경우에대한 직선배관의적분량의변화 그림 95 case 2 의경우에대한 직선배관의적분량의변화 다 해석결과분석 두신호가일정하게들어오다가두신호가동시에 초일때반응함 초일때누출이발생함을그림 으로알수있다 두신호가일정하게들어오다가두신호가동시에 초일때반응함 초일때입구측의차압계가먼저반응하고그이후에출구측차압계가반응함을볼때누출이발생한위치가출구측에가까움을알수있다

44 나 초소형기울기센서어레이를이용한노출가스배관의응력안전모니터링시스템 개요 가 위험지역의배관의응력분포사항을모니터링하기위하여기울기센서를 이용하여배관의응력을추정 기울기센서를이용한응력추정원리 [ 그림 1] 기울기센서를이용한응력추정원리개념도 가 기울기센서는일정한간격으로부착될수있으나간격이일정할필요는없음 나 기울기센서를통해얻어진기울기를곡선피팅을통해기울기곡선을유도함 m ax 기울기함수식 단면관성모멘트 지점의모멘트 지점의응력 차년도응력추정곡선연구방향 가 차수를변화시켜가며최대한정확한 및응력에초점을맞춤 나 분포하중을 차식 집중하중을 차식으로 시정확한응력추정값도 출다 분포하중및집중하중에대한하나의식으로만들시오차발생라 문제점을인식하고개선할내용파악

45 [ 그림 2]FEM 프로그램을이용한해석 차년도문제해결과정 가 중첩의원리를이용하여차수에따른오차를분석 [ 그림 3] 분포하중과집중하중을나누어 FEM 해석 나 응력추정곡선에변수가될수있는사항을고려함 집중하중이가해지는위치의변화 개수에따른응력추정곡선의변화 집중하중시차수변화에따른응력추정곡선변화 분포하중시차수변화에따른응력추정곡선변화 [ 그림 4] 응력추정곡선의변수고려사항

분석을통하여어떠한경우에서오차가증가하는지파악필요함 [ 그림 6] 기울기센서를이용한응력추정예 가 분포하중과집중하중을동시에적용 나 기울기가같은구간을나눈후

46 다 변수에따라정확한결과값을도출하는경우와오차가생기는경우가발생함을확인함 라 정확한결과값을도출하는경향성확인함 [ 그림 5] 기울기센서를이용한응력추정예 같은기울기에대해서만 차식으로 을시행해야함 같은기울기를가진구간에있어서측정가능한기울기가 개이상이어야함 응력추정곡선의차수가높을시오히려오차가증가하는 도있음 분석을통하여어떠한경우에서오차가증가하는지파악필요함 [ 그림 6] 기울기센서를이용한응력추정예 가 분포하중과집중하중을동시에적용 나 기울기가같은구간을나눈후 개이상의기울기가측정가능하도록가정 다 시 차식을사용 총배관의길이 번 간격은 나머지 간격은 외경 두께 로분포하중 으로 지점에집중하중 [ 그림 6] 자중에의한분포하중과 2m 지점에집중하중이작용하는배관 ANSYS modeling

47 결과 ANSYS 사용응력응력추정곡선사용응력 단위 0 m 0.25 m 0.5 m 1 m 1.5 m 2 m 2.5 m 3 m 표 1.ANSYS 룰이용한응력과응력추정곡선의응력비교 가 정확한값을얻을수있음 나 분포하중및집중하중상황에따라나누지않아도하나의법칙으로응력추정가능함 다 자중에의한처짐을고려한보에대해서도적용가능함 고찰 가 의 에따라응력변화가능나 최대 내외의각도를임의로지정후오차분석다 앞에서해석한 을가지고동일한방법으로응력추정 0 m 0.25 m 0.5 m 1 m 1.5 m 2 m 2.5 m 3 m 각도변화량 ANSYS 사용응력 MPa MPa 3.53 MPa MPa 8.1 MPa 2.11 MPa 4.36 MPa MPa 응력추정 곡선사용 MPa MPa MPa MPa MPa MPa MPa MPa 응력 오차 23.9 % 18.1 % 8.4 % 6.5 % 22.9 % 30.6 % 19.8 % 23.7 % 표 2. 각도센서의오차에의한응력오차분석 라 조금더많은 를수집하여경향성파악필요마 현재까지연구결과거의비슷한값을가지는것으로파악됨 바 지점에서최대 오차발생 사 측정가능한기울기지점이 개일때 차식으로응력추정곡선을만듦 아 측정가능한기울기지점이 개일때 차식으로응력추정시수치해석 적으로더욱정확한 가능할것으로예측 자 에의한 발생시 이정밀하게되면오차가줄어들수있을 것으로예상 차 번 지점에서 번 지점사이측정가능한기울기값은 개 카 차식으로 후 차식으로 한응력추정값과비교

48 [ 그림7] 자중에의한분포하중과 2m 지점에집중하중이작용하는배관 ANSYS modeling 타 차식으로 시더욱정확한 이이루어지는것을확인 [ 그림 8]MATLAB 을이용한피팅차수에의한오차분석

49 다 논문게재성과 게재연도 논문명 도시가스공급망운전상황모니터링을위한배관망해석모델의개발연구압력변동데이터를통한직선배관내누출감지에대한수치해석 초소형기울기센서어레이를이용한노출가스배관의응력안전모니터링시스템 저자 주저자 교신저자 공동저자 조찬영 장성필 김택근 정태용 남진현 임시형 장성필 정태용 남진현 임시형 신동훈 조찬영 정태용 남진현 임시형 신동훈 강인구 정태용 신동훈 남진현 학술지명 추계학술발표회논문집 가스학회추계학술발표회논문집 가스학회추계학술발표회논문집 국내외구분 국내 국내 국내 구분 무선기울기센서를이용한노출배관응력추정 김택근 임시형 강인구정태용신동훈남진현 대한설비공학회하계학술발표회논문집 국내

50 단계연구개발추진실적및내역 차년도가 를이용한시뮬레이터개발 개요가 목적 누출위치파악을위한방법을 프로그램으로구현 실제배관망에응용가능하도록구현 가스누출지점을실시간으로감지함으로써빠른사전대처를통한신속한안전사고예방에그목적이있음나 내용 기존에실험을통해데이터를받고그데이터의가공을통해누출지점을찾아야했던분리된작업을하나로통합해실시간으로누출지점을찾을수있도록구현 다 방법 압력값을받을샘플링구간을설정하고각각의센서사이에서의상관관계값을구한후상관관계최대값이나타내는지연시간을통해누출지점을찾음 실험모델 그림 실험배관망

51 그림 배관망설계개략도 프로그램구조 그림 코딩 가 를통해받은압력신호를필터기능을통해노이즈를줄임으로써오 차를최소화함 나 암페어단위의전기신호를파스칼단위의압력신호로바꾼후센서사이에서의상관관계최대값을구하기위해서미분과정을거침 다 개의압력신호중원하는 개의신호만선택해서상관관계

52 과정을거친후정해놓은샘플링구간내에서의상관관계최대값을선별함라 ) 상관관계값이최대일때의지연시간을이용해누출지점데이터를실시간으로받을수있음. 구성화면 그림 4 압력값그래프및 correlation 그래프 가 그래프 압력센서로부터의압력신호를나타냄 나 그래프 센서 번사이에서의상관관계 값을나타냄 다 그래프 센서 번사이에서의상관관계 값을나타냄 라 그래프 센서 번사이에서의상관관계 값을나타냄 마 그래프나 라 중에서 최대값을나타냄 바 값을가지는 숫자를값을나타냄 이때의 값이누출지점이다 사 실질적인누출지점을나타냄

53 운영결과가 그림 누출유량 총유량 누출 누출위치검출결과 오차 그림 누출유량 총유량 누출 누출위치검출결과 오차 나 그림 누출유량 총유량 누출 누출위치검출결과 오차 그림 누출유량 총유량 누출 누출위치검출결과 오차

54 다 그림 누출유량 총유량 누출 누출위치검출결과 오차 그림 누출유량 총유량 누출 누출위치검출결과 오차 라 그림 누출유량 총유량 누출 누출위치검출결과 오차 그림 누출유량 총유량 누출 누출위치검출결과 오차

55 마 그림 누출유량 총유량 누출 누출위치검출결과 오차 그림 누출유량 총유량 누출 누출위치검출결과 오차 요약및정리가 두개의센서사이에서의상관계수최대값이나타나는시간지연을통한누출지점예측 나 다양한유량조건 누출위치변경에따른누출위치검출성공다 누출량 이가스누출지점예측에는영향을미치진않음확인 라 공급압력의안정화정도와실험상에서샘플링구간내에서의압력누출시점은정확한가스누출지점예측에영향을미침 마 향후 본기술의적용이필요한위험구역에서의실증가능

나 노출가스배관구조물안전상황모니터링프로그램구축 개요 차년도에선행연구된응력추정법을적용하여노출가스배관구조물안전 모니터링시스템프로그램구축 기울기센서를이용한응력추정법 그림 1 기울기센서를이용한응력추정원리개념도 m ax 가 각 기울기센서위치지점의기울기값을통하여배관응력추정 나

56 나 노출가스배관구조물안전상황모니터링프로그램구축 개요 차년도에선행연구된응력추정법을적용하여노출가스배관구조물안전 모니터링시스템프로그램구축 기울기센서를이용한응력추정법 그림 1 기울기센서를이용한응력추정원리개념도 m ax 가 각 기울기센서위치지점의기울기값을통하여배관응력추정 나 기울기센서를통해얻어진기울기를곡선피팅을통해기울기함수를획득함 다 기울기센서는일정한간격으로부착될수있으나간격이일정할필요는없음 라 기울기가같은구간에대하여 개이상의기울기측정가능구간이필요함 마 기울기가같은방향 에대해서만 차식으로곡선피팅을해야함 바 기울기함수를미분후탄성계수와단면관성모멘트값을곱한값이모멘트임 사 모멘트를굽힘응력관계식 에대입하여그지점의응력을추정

노출가스배관안전모니터링테스트벤치를통한응력추정비교 검증 가 노출가스배관안전모니터링테스트벤치운용 알루미늄프로파일로제작 구조물의길이는 폭 높이 배관의재료는짧은구간에서비교적큰각도를발생시키기위하여알루미 늄 사용 의 무선기울기센서부착 외경내경 Young's modulus 밀도 16 mm 14 mm

57 노출가스배관안전모니터링테스트벤치를통한응력추정비교 검증 가 노출가스배관안전모니터링테스트벤치운용 알루미늄프로파일로제작 구조물의길이는 폭 높이 배관의재료는짧은구간에서비교적큰각도를발생시키기위하여알루미 늄 사용 의 무선기울기센서부착 외경내경 Young's modulus 밀도 16 mm 14 mm 68.9 GPa 2700 kg/m 3 Current consumption 400 μa (Standby mode : 5 μa 2.4 ~3.6 V 통신방법 통신거리 USB 보드한개당연결가능한센서갯수 Zigbee 2.4 GHz ~ 20 m 16 개 그림 2. 개선된노출가스배관테스트벤치

58 나 응력추정비교 검증 기울기센서를통하여추정된응력과실제배관의응력을비교하기위하여 지점마다스트레인게이지부착 양단이고정되어있는 배관의 지점에집중하중 을가함 무선기울기센서를통하여얻어진기울기값을응력추정방법에적용하여응력 을추정 및스트레인게이지를이용하여측정된응력값과비교 기울기신호는 로측정하였으며 개의데이터에대해이동평균필터 사용 총 회실험한데이터를평균값으로이용 그림 3. 가스배관의각지점에서응력비교 다 각지점에서 스트레인게이지 응력추정법을이용한응력비교 그림 4. 0 m 지점에서응력비교 그림 m 지점에서응력비교

59 그림 m 지점에서응력비교 그림 m 지점에서응력비교 그림 m 지점에서응력비교 그림 m 지점에서응력비교 그림 m 지점에서응력비교 노출가스배관구조물안전모니터링시스템 프로그램구축 가 프로그램구성 의 무선기울기센서와 간의통신을위하여 기울기센서수집보드와윈도우와의통신을연결해주는 파일생 성 생성된 파일을통하여수집되는 기울기센서의신호를 로불러들임 를통하여수집된기울기신호를 값으로변환함 축 방향기울기신호중 축신호만을추출하여 를하여노이즈에대한오차를감소시켜줌

60 초기에관의처짐이나센서의위치에따라센서의신호가다르므로 을함 시스템의부하를줄이기위하여 초에한번씩루프가돌아가는 문을적용함 를적용하여센서로부터들어오는기울기값을변수에저장함 함수를통하여출력된값을거리에따라정렬을시킨후 으로전송함 파이프가허용응력이상의하중을받게되면팝업창을생성하여위험을경고함 그림 11. MEMS 기울기센서신호획득 그림 12. 기울기데이터획득신호처리

61 그림 13. MATLAB 으로응력값계산 그림 14. Waveform 으로출력되는기울기신호 그림 15. 기울기측정을통하여계산된응력값 그림 16. Calibration 전 후

62 그림 17. 위험상황경보 나 노출가스배관구조물안전모니터링시스템 프로그램테스트 무선기울기센서를노출가스배관안전모니터링테스트벤치의파이프에부착함 양단이고정되어있는 배관의 지점에집중하중 을가함 하중을받게되면팝업창으로부터경고메시지를확인함 그림 14. Labview 프로그램테스트

63 그림 15. 완성된노출가스배관구조물안전모니터링시스템 Labview 프로그램 다 논문게재성과 게재연도 논문명 저자주저자교신저자공동저자 남진현정태용 장성필 조찬영 임시형 신동훈 정태용 학술지명 국내외구분 국외 구분

64 제 절시장현황및사업화전망 연구개발사업성과의사업화가능성가 도시가스사의도시가스시설물에대한기존안전모니터링시스템은단순히모니터링결과만을보여주고 센서데이터에대한후처리및분석이별도로이루어지고있는실정임 나 본연구에서는실시간센서모니터링 구조및유도해석시뮬레이터 안전 상황예측및가시화기술이통합되어모니터링 예측및대응이신속하게이루어질수있어도시가스사의본개발사업성과채용이많을것으로예상되므로사업화가능성이크다고판단됨 시장규모 가 주시장 국가또는지역 중국 인도 동남아 나 시장규모 구분현재의시장규모 년 예상시장규모 년 세계시장규모 억원 억원 한국시장규모 억원 억원 산출근거 안전성평가기술위주 다 세계시장의성격 안정성이큼 성장성이있음 영속성이있음 독점성 똫는과점성 이있음 라 본기술을보유하고있는국내외회사 개사미만 개사이상 회사 오라클 국명 미국 외

65 제 절차기단계계획 연구목표 센서네트워크를통한도시가스시설물의실시간모니터링결과와구조및유동해석시뮬레이터를이용하여지능형도시가스시설물의통합안전모니터링시스템의구축에기여한다 차기단계계획가 다양한형상의배관모듈실험장치구성및다양한조건의실험 나 현시뮬레이터의다양한조건에서의실험을통한꾸준한보완및연구 개발 다 해석시뮬레이터를통한실제배관망안전상황모니터링의적극적인실용화연구

66 제 절기업재무건전성현황 과제명 주관기관

소성해석

소성해석 3 강유한요소법 3 강목차 3. 미분방정식의근사해법-Ritz법 3. 미분방정식의근사해법 가중오차법 3.3 유한요소법개념 3.4 편미분방정식의유한요소법 . CAD 전처리프로그램 (Preprocessor) DXF, STL 파일 입력데이타 유한요소솔버 (Finite Element Solver) 자연법칙지배방정식유한요소방정식파생변수의계산 질량보존법칙 연속방정식 뉴톤의운동법칙평형방정식대수방정식