Line sizing

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1 Piping Hydraulic Design Guide. Process Div.

2 Piping Hydraulic Design Guide. Hydraulic Calculation의정의. 배관내에서유동하는유체의특성을파악하고이의특성을기준으로관내에서최적조건, 즉경제성과운전성, 을고려하여관의크기를결정하는것을관경선정 (Hydraulic Calculation) 이라한다. 최적화된관경은에너지비용과배관자재비용의합을최소화하도록하여결정하고또한부식과침식으로인한영향을고려하여결정한다. 총비용 비용 배관투자비용 최적관경 펌핑동력비 관경

3 Piping Hydraulic Design Guide.- Pressure Drop Calculation 1. Non-Compressible flow.( 액체 ) 각각의 System에대한압력손실을계산하는식은여러가지가있으며, 대표적으로사용되는것에대하여서술한다. 압력손실을계산시배관의재질과형태에따라거칠기상수가다르기때문에이를정립한 Moody Chart 를사용한다. ( 통상카본스틸배관의경우, Roughness factor는 m) Darcy-Weisbash Equation h f = f m x (L/D) x (V 2 /2g) hf : friction loss, m L : 배관길이, m D : 배관내경, m V : 배관내평균유속, m/sec g : 중력가속도 ( 9.8 m/sec2) fm : Moody friction factor. Fanning Equation P = 4fL/D x (ρv2/gc) f : friction factor, L : 배관길이, m D : 배관내경, m V : 배관내평균유속, m/sec ρ : 밀도, kg/m 3 gc : 중력가속도 ( 9.8 m/sec2) Chen Equation 1/Γf m = -2log [ (K/D)/ (5.0452/Re)logA 4. A4 = (K/D) / /Re) k : Absolute pipe roughness, m

4 Piping Hydraulic Design Guide.- Pressure Drop Calculation

5 Piping Hydraulic Design Guide.- Pressure Drop Calculation 2. Compressible flow. 기체와같이온도와압력변화에의해밀도의변화가큰유체를압축성유체라함. 실제특성은 Isothermal( 등온 ) 과 Adiabatic( 단열 ) Flow type의중간에서이루어지며기체의압력손실계산시 Isothermal 로하는것이안전하다. 3. Two-Phase 압력손실. 기체와액체의 2 개의상이존재할때압력손실의계산은많은시행착오의반복계산이필요하며최적 Design을위하여 Min, Nor, Max flow 때의특성들에대하여정확한 Hydraulic을계산하여야한다또한이러한 Pattern의흐름이있는구간에는 P&ID에명시하여야한다. -Flow Pattern. 1) Dispersed Flow. Dispersed flow는 Overhead condenser나 Reboiler return 배관에서발생할수있는흐름이며보통증기의유량이전체 Flow rate의 30% 이상으로존재할때이러한 Pattern을현성한다. 2) Bubble Flow 증기가액체안에서액체와같은속도로이동하며유동하는 Flow을말하며보통증기의유량이전체 Flow rate의 30% 이하로존재할때이러한 Pattern을형성한다 Sizing 방법은 Dispersed Flow와같은방법으로실행한다.

6 Piping Hydraulic Design Guide.- Pressure Drop Calculation 3) Slug Flow 작은유속의 Pocket 배관에서부분적으로발생하는현상이며공정배관에서는 Slug Flow의 Pattern이발생하는것은억제하여야한다. - Slug Flow을방지하는방법은주어진압력손실에서작은배관으로설계 - 압력손실에여유가없을경우 2 개의배관으로 Parallel 로구성. - Parallel 배관에서 Valve에의한 Flow 조절. - Low Point 에서충분한 Drain 이나 By-pass 로운전. - Gravity flow 위와같이 Slug Flow의 Pattern을없애야하며최근?? 화학의 Steam Condensate 배관에서이와같은 Flow Pattern이발생하여문제가되었으며현재많은량을 Drain 하여운전하고있는사례가있어이를개선함. 4) Stratified Flow. 수평한배관하에서액체의흐름이배관의하부를흐르는경우를말하며배관의크기가커질경우 Slug Flow로변경될수있다. 5) Annular Flow 배관의벽면을 Film 이나 Ring과같이액체가둘러싸여흐르는경우이며기체의유속이빠를경우에발생하는 Flow Pattern 이다. 응축수배관의흐름은 Annular Flow의 Pattern이가장좋은것으로나타나있다.

7 Piping Hydraulic Design Guide.- Pressure Drop Calculation Flow Pattern Bubbly Microgravity, 무중력상태 Normal Gravity Slug Annular Hydraulic Calculation Example

8 Piping Hydraulic Design Guide. 4. 펌프의흡입관 일반적으로펌프흡입관에서의압력강하는포화상태의액체인경우에는 0.05 kg/cm 2 /100m, 포화상태가아닌액체의경우 0.1kg/cm 2 /100m 이하로선정한다. 5. 펌프의분출관. 일반적으로펌프분출관에서의압력강하는 1.0 kg/cm 2 /100m 로선정하며오리피스또 Integral 형식의유량계가있을경우는 0.25 kg/cm2 의압력강하를고려한다. P = P line + P H/E + Pcv + P others P line : 펌프토출에서목적지까지의압력손실 (kg/cm2) P H/E : 열교환기에서압력손실 P CV : Control 밸브에서압력손실.( 전체압손의 50%(CV 제외 ), 전체압손의 1/3(CV 포함 )) P OTHERS : 유량계등의압력손실.

9 Piping Hydraulic Design Guide. 6. 침식을방지하기위한속도제한치. 관내를통하여유체가유동할경우과도한유속을가지고있다면이는 Fitting류등에 Erosion을유발할수있음. Erosional velocity, Vc (ft/sec) = C / ρ 0.5 C ; Erosional velocity coefficient.(100: Continuous, ~ 125 : Non-continuous, Max 200) ρ : Density of fluid, lb/ft 3 Example) Water Continuous Service. Vc = 100 / = ft/sec = 3.86 m/sec. 유체중에고형물이포함되어있거나유체의흐름이 2 Phase, 무기물 ( 황산, 염산등 ) 의경우에는이에대한사항을고려하여야함.

10 Piping Hydraulic Design Guide. 7. 음속속도로인한제한치최대속도는 Critical 속도의 ½ 이하로제한을두어야한다. 이상기체의경우다음식에의해 Critical 속도를계산한다. V crit = Г g c krt/m = 223 x ( RT/M) 0.5 Vcrit : 임계속도 (m/sec) gc : 중력환산계수 (4.45kg.m/sec 2 ) k : 비열비 ( Cp/Cv ) R : 기체상수 ( m 3.atm/kg.mol.K) T : 온도. ( o K) M : 분자량 ( kg/kg-mole) Gas, vapor, superheated steam > 17.2 kg/cm2g sonic velocity 50% Gas, vapor, superheated steam < 17.2 kg/cm2g 30.5 (d) 2 - Saturated steam = 61 m/sec, - Superheated steam = 76 m/sec. Sonic or acoustic velocity = 91.2 (KT / MW ) 0.5 m/sec

11 Piping Hydraulic Design Guide. 8. 응축수배관. 어떠한장치로부터스팀트랩또는 Control V/V 까지의배관이며압력강하는응축물이기화되지않도록일반적으로 0.1 kg/cm 2 /100m 보다작아야한다. 스팀트랩에서회수 Vessel 까지의배관은과도한압력손실이발생하지않도록 Design 하여야하며응축수의재증발증기의유속은 Erosion을방지하기위하여유체의속도는 25.4 m/sec 로제한된다.

12 Piping Hydraulic Design Guide. 9. 낮은중력 Side cut draw-off 음속속도로인한제한치 Liquid draw-off tray 에서액체수위에대한콘트롤러가제공되지않는다면, 수직관의첫 10ft 에서의유체속도는 m/sec 이하여야한다. 이값은대기압하에서의증류탑에서 Particle Size가 200µ 인물질이기액분리가잘일어날수있는값이다 10ft 이후의배관은일반적인압력손실계산에의해결정되며 Column의운전압력이낮은경우는 Control V/V의압손을충분히극복할수있는수직높이를주어야한다. 10ft

13 Piping Hydraulic Design Guide. 10. 낮은중력 포화상태의액체성분이콘트롤밸브로들어갈때의 Line Size 결정. Static head와 Liquid level 에서부터콘트롤밸브까지의배관라인에서걸리는압력손실을감안하여, 콘트롤밸브의입구측에서증발화가일어나지않도록관경을결정한다. 이경우에는다음식을만족시켜야한다. 0.1ρh > P flowmeter + P line friction ρ : Specific gravity h : Static head P flowmeter : flowmeter 에서압손실. P line friction: line 압손실. h

14 Piping Hydraulic Design Guide. 11. Vacuum Tower Overhead Line 진공하에서운전되는유체는유체의부피가고진공으로갈수록상당한크기에해당하므로주의를기우려야한다. 때문에관비용과 Utility 소모량 ( 스팀, 냉각수등의소요량 ) 을계산하여, 총비용이최소한으로될수있도록하여 Line Size를결정하다. Pre-Condenser 에서의압력손실은 4mmHg 이하가되도록설계한다. 12. 소음예방을위한한계속도. 기체및증기배관에서의소음한계치을위한최대속도는다음과같다. Normal Background Sound Pressure, db(a) Maximum fluid velocity to prevent noise, m/sec

15 Piping Hydraulic Design Guide.- Pressure Drop Calculation 13. Water flow 물의경우압력강하계산은 William and Hazen s Formula에의해계산된다. h f = [( x L) /(C x D )] x Q hf ; Friction head loss in mh2o. L : Pipe length in m. D : Pipe diameter in m. Q : Pipe flow rate in m 3 /s. C :- Hazen Williams roughness coefficient, dimensionless. Its value depends on the pipe material and table (1) lists general range of this coefficient for different types of new pipe materials:

16 Piping Hydraulic Design Guide.- Criteria. 최적화된배관경을구하기위해서는 Operating Cost와 Fixed Cost의합이최소가되는 Size 로서 Design 되어야한다. 그러나이와같은방법은경제성검토와사용빈도수등을확인하는과정들이포함되어있어많은시간과노력이필요하다. 설계단계에서는많은자료와과거의경험값을기준으로행한다. 아래의 Data와첨부자료는경험과경제성등을기준으로보고된자료이다. Service Utilities P의최대치, kg/cm 2 /100m Header Branch 최대속도, m/sec Header Branch 냉각수공급과순환냉장수공급과순환플랜트와식수보일러급수연료의공급과순환빗물배수 Line H/E 에서의증기응축

17 Piping Hydraulic Design Guide.- Criteria. Service Utilities Operating Kg/cm 2 g P의최대치, kg/cm 2 /100m Header Branch 최대속도, m/sec Header Branch 스팀 0~5 5~15 15~40 40~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ Instrument Air 0~ Plant Air Over 10 0~ Nitrogen Over 10 0~ ~ ~ Fuel gas 5~15 15~ ~ ~ ~ ~

18 Piping Hydraulic Design Guide.- Criteria. Utility two-phase line sizing Service Utilities Two-phase Average density P의최대치, kg/cm 2 /100m Header Branch 최대속도, m/sec Header Branch 스팀 1 ~ 3 3 ~ ~ ~ 100 Total 압력손실 = P(max.25%) + Branch P (Max. 50%) + Trap P (min.25%) 18 ~ ~ 18 9 ~ 13 6 ~ 9 30 ~ ~ ~ ~14

19 Piping Hydraulic Design Guide.- Criteria. Max Velocity For Corrosive Or Erosive Services Service Definition Piping Material Max.Velocity (ft/sec) Caustic Solutions involving NaOH, KOH & water mixtures of these solutions and hydrocarbons in which the caustic is more than 5% of the mixture by volume Carbon steel 4 Concentrated H 2 SO 4 Water solutions of 80% to 100% concentration by weight & mixtures of these solutions with hydrocarbons in which the acid is 5% or more of the mixture by volume 4 Phenoilc water Solutions of 1% or more by volume 3 Wet phenolic vapor Carbolic acid 60 Aqueous amine solution MEA, DEA 6 Salt water Includes brackish waters (>1000 ppm chlorides) 6 CO2-rich amine liquid Stainless steel 10 Salt water Cement pipe or coal tar enamel-lined 15 Liquids in general Plastic pipe or 10 Liquids with suspended solids rubber-lined min.3

20 Piping Hydraulic Design Guide.- Criteria. 배관 Hydraulic 계산 Criteria. 1. Hydraulic Calculation시정확한위치의높이차이를인식하고각각의높이에대한사항을인지한다. 2. 배관에위치하는각종 Instrument및 Equipment에대하여정확한압력손실을확인한다. 3. Gauge 압력과절대압력에대하여정확한 Define이필요하다. 4. Strainer의압력손실 Charts

21 Piping Hydraulic Design Guide.- Viscosity 액체가흐를때그에대해저항하는내부마찰력. 이론적으로절대점도와동점도가있으며상호관계 t 온도에서의동점도 = t 온도에서의절대점도 t 온도에서의밀도 * 일반적으로석유제품에관해점도라하면동점도를말함. 1. cst(kinetic Viscosity) : 동점도를 C.G.S 단위로표시한것을 Stoke라하며그 1/100을취하여 Centistokes(cSt) 로나타내며측정온도는 I.S.O(International Organization for Standards) 점도분류에의해 40, 100 이며세계공용. 2. E (Engler Viscosity) : 200cc Sample의유출시간을 20 의물의유출시간의비로나눈값. 측정온도는 20, 50, 100 로서주로유럽쪽에서사용. 3. SUS or SSU(Saybolt Universal Viscosity) : 60cc의윤활유 Sample이유출하는시간 ( 초 ) 을측정. 측정온도는 100, 130, 210 로서미국에서사용. 4. Redwood Viscosity - Redwood #1 : 50cc의 Sample이유출하는시간을말하며측정온도는일본에선 30, 50, 80, 100 이고영국에선 70 (21 ), 140 (60 ), 212 (100 ) 임. -. Redwood #2 : 50cc의 Sample이 0 에서유출하는시간을측정.

22 Piping Hydraulic Design Guide.- NPSH Net Positive Suction Head. 액체는일정한에너지와상태조건에따라기체와액체상이쉽게변환될수있다. 원심펌프가액체를이송할때입구측의조건에서액체의포화증기압보다클경우액체는기체로변하여펌핑을할수없게되며이를개선하기위하여즉펌핑을할수있을려면어느정도의수치가있어야하는가를보여주는값을 NPSHa 이라해석하면별무리가없을것으로판단된다. 펌프의입구에서 Impeller eye 까지가는과정에서발생되는압력손실값을 NPSHr 이라해석. NPSHa > 1.3 x NPSHr or NPSHA > NPSHr+0.5m. NPSHa 계산식. P V p NPSHa = ( P-V p - P f )/SG t ) x 10 + H. H P : 흡입측 Vessel 류에서의운전압력. V p : 흡입측조건에서유체의증기압. P f : 흡입측에서의전체압력손실. H : 흡입측 Vessel 류와 Pump 까지의높이차이. SG t : 흡입측온도에서의비중값.

23 Piping Hydraulic Design Guide.- NPSH Example for NPSHa 응축수가 2m3 Vessel에 98 O C, 대기압조건하에서저장되어있고 Vessel과펌프의높이는 3meter 이다이를원심펌프로이송하고자할때펌프의 NPSHa 를계산하라. < 계산 > P ( 흡입측 Vessel 류에서의운전압력.) = 대기압, 즉 kg/cm2A. V p ( 흡입측조건에서유체의증기압.) = 98 C 에서물의증기압 0.961kg/cm2A P f ( 흡입측에서의전체압력손실.) = 배관및 Strainer 를고려하여 0.1kg/cm2 으로가정. H ( 흡입측 Vessel 류와 Pump 까지의높이차이.) = 3 m. SG t : 흡입측온도에서의비중값. = 98 C 에서물의비중, NPSHa = ( P-V p - P f )/SG t ) x 10 + H. = ( / 0.958) x = 2.7 meter

24 PROMA Demo Version Hydraulic Calculation Site : Example : Water 기준유량 : 30,000 kg/hr, 밀도 : 998 kg/m3, 배관경 : 3 inch, Sch40., 거리 : 100m, 점도 : 1 cp. 온도 : 35 C. 1) Reynolds No, Re = ρud/µ = 998 kg/m3 x 1.75 m/sec x m / kg/m.sec = 136,052. 2) 상기 Nre 값을기준으로 f- factor 확인. = ) 압력손실계산. Darcy Equation h f = f m x (L/D) x (V 2 /2g) = 0.02 x 100m / x ( /2 x 9.8) = 4.0m x 998 kg/m2= 3992 kg/m2 = kg/cm2