지역난방 열배관의 온도거동 특성 및 회수온도 변화에 따른 안전성 연구

Abstract

지역난방을 담당하는 열수송 배관은 난방수의 온도변화에 따른 열응력을 받게 되며, 이러한 열응력은 공용년수의 증가에 따라 지속적으로 반복횟수가 증가되어 열응력에 의한 피로현상이 발생한다. 따라서 열배관에 예측하지 못한 열피로파손이 발생하게 되는 경우 최종 사용자에게 난방수 공급의 중단이라는 피해를 주게 되며, 또한 지역난방에 대한 사회적 이미지 추락 및 경제적 손실 등과 같은 부정적 영향을 끼칠 수 있다.

지역난방 공급을 목적으로 설치된 열배관은 지역난방의 효율성 향상에 의한 경제성 향상 등을 목적으로 공용조건을 설정하고 있다. 또한 지역난방의 확대보급 및 수요증가로 인하여 열수요가 증가하고 있으므로 현재 공용중인 열배관의 열공급량 증대를 위해 다양한 대책이 강구되고 있다. 이러한 방안의 하나로 회수온도 하강에 의한 열용량 확보가 유력한 방안으로 검토되고 있다.

본 연구에서는 지역난방수 온도변화가 지역난방 열배관의 피로수명에 미치는 영향을 평가하기 위해 공용중인 열배관에 대한 현장계측 된 온도이력데이터를 분석하였다. 또한 분석자료를 기초로 기존 열배관에 대한 사이클기반 피로평가법 및 응력기반 피로평가법에 의한 열배관의 피로안전성을 평가하였으며, 회수온도 변화에 따른 기존 열배관의 안전성 평가를 실시하였다.

이상의 연구로부터 사용자 배관을 대상으로 1년간의 온도측정 데이터를 분석한 결과, 측정 대상지역의 열배관 사용 특성에 따라 지역난방공사에서 관리하는 분배관의 온도특성 및 사용자 배관의 사용특성 등이 반영되고 있는 것으로 나타났다. 또한 연구대상 계측장소에서는 하절기에 휴지기 현상은 나타나지 않았으나, 일부 측정데이터의 경우에는 사용환경의 영향으로 큰 온도변화가 주기적으로 나타나 온도응력에 의한 피로검토가 필요한 것으로 조사되었다.

또한, 전체 측정대상지역에 대한 등가전온도사이클수에 기초한 모든 사용자배관에 대한 사이클기반 피로안전성 평과 결과, IEA(International Energy Agency,국제에너지기구) 내구연한 30년 기준을 만족하는 것으로 나타났다. 또한 이론식 및 유한요소해석에 기초한 응력기반 피로안전성 평가 결과, 평가 대상위치의 모든 열배관에 대한 누적손상도는 대상 열배관에 대해 모두 1.0이하의 값으로 나타났다. 이로부터 응력기반에 의한 평가에서도 대상열배관은 모두 피로안전성을 확보하고 있는 것으로 나타났다.

Elbow형과 Tee형 열배관을 대상으로 평균온도별 온도변화를 매개변수로 하여 유한요소해석을 실시하여 배관의 기하형상에 따른 열응력범위를 산출하여 배관의 기하형상에 따른 열응력을 분석하였다. 해석결과, 동일한 평균응력 및 온도변화에 대해서는 Elbow형 열배관에 비하여 Tee형 열배관의 열응력범위가 크게 나오는 것을 알 수 있었다. 또한 동일한 Tee형 열배관에서도 기하형상의 변화가 클수록 열응력범위가 크게 발생하는 것으로 나타났다.

그리고 열배관의 회수온도 한계규명을 위해 활동길이, 신축량 및 허용응력 검토 결과, 기준온도에 대한 회수온도 40℃의 경우 기존 열배관의 허용응력을 만족하는 것으로 나타나 회수온도는 40℃가 타당한 것으로 판단되었다.