기계/조선

계측과 제어_22.11 총론: 특집 (p627-629)

유량계측 기술의 최전선
유량의 가시화에 공헌하는 기술과 유량 척도의 최신 동향

유량계측 기술의 최전선에 대해
산업기술종합연구소 계량표준종합센터 후나키 타쓰야(舩木 達也)

키워드: 유량계측, 탄소중립, 에너지, 표준화, 이노베이션, 척도(Scale)

1. 머리말
일본은 2020년 10월에 ‘2050년의 탄소중립’을 목표한다고 선언했다. 즉, 2050년까지 온실효과 가스 배출을 종합적으로 제로로 한다는 상당히 높은 목표를 설정하고, 그 목표를 클리어해 나가기 위해 다양한 시책을 입안하고 실행해 나가겠다고 결정했다. 또한 그 실현을 지원하고, 사회 경제의 변혁과 성장으로 이어지는 경제와 환경의 선순환을 실현하는 움직임을 가속하고 있다.

이 높은 목표를 달성해 나가기 위해 내걸고 있는 대표적인 대응 중 하나가 ‘2050년 탄소중립에 따른 그린성장전략’이다. 이 그린성장전략에서 정부는 산업정책이나 에너지정책을 적절히 제시함과 동시에 성장이 기대되는 14개 분야를 추출해 높은 목표를 설정하고, 그에 적합한 모습과 전망 등을 제시하고 있다. 또한 이 목표들을 실현, 도전해 나가는 움직임을 지원하기 위해 모든 정책을 총동원한다고도 밝혔다.

그럼 구체적으로 성장이 기대되는 14개 분야에서 ‘유량계측’ 기술이 공헌할 수 있는 대상은 얼마나 있을까? 일반론부터 말하면, 신규 혹은 기존 기술의 개량 등에서 요구되는 과제 해결에서, 지금까지 유량계측이 어려웠던 부분에 도전하고 실현하고, ‘가시화’하여 차세대 기술이나 이노베이션 창출로 연결해 나가는 것을 기대할 수 있다.

한편 산업 인프라나 사회 인프라 등의 기반 기술 정비에서는 계측기나 계측기술의 비용을 삭감하면서 ‘유량’이라는 정보를 인터넷 등을 통해 지능적으로 융합해 보다 고도화된 인프라 구축에 기여할 수 있을지도 모른다. 그 외에도 표준화를 통해 사회에 공헌할 가능성도 기대할 수 있다.

이와 같은 논점을 고려해 앞에서 말한 14개 분야를 다시 살펴보자. 예를 들면, 수소/연료 암모니아 산업에서는 수송/저장 기술의 확립, 계량 거래 등에서 유량계측 기술이 공헌할 것으로 보인다. 차세대 열에너지 산업에서는 도시가스의 탄소중립화가 진행된다. 메탄화(Methanation)에 의한 합성 메탄의 공급과 시스템 구축, 그 매니지먼트에서 유량계측 기술은 중요할 것이다.

자동차/축전지 산업에서는 연료전지차 등에 대한 수소 공급 인프라의 계량 기술을 들 수 있다. 그 외에 축전지의 라이프사이클 관점에서 제조 프로세스에서의 에너지 소비와 관련된 유량계측 기술의 관여가 있을지도 모른다.

반도체/정보통신 산업에서는 반도체 제조 기술이나 장치 운용에서의 탄소중립 실현에 기여할 수 있다. 물류/인구이동/토목 인프라 산업에서는 방재나 감재에 공헌하는 인프라 정비 등에서 공헌할 수 있는 요소가 있을지도 모른다. 카본 리사이클에서는 이산화탄소의 분리/회수 기술의 개발과 그 검증에서 유량계측은 이산화탄소 회수나 메탄 활용 등에서 중요할 것으로 보인다.

라이프스타일 관련 산업에서는 지구 규모에서 지자체 규모 단위에서의 온실효과 가스의 배출량 등을 관측/모델링하는 기술에 이바지하는 빅데이터 획득 등에 유량계측 기술을 활용할 수 있을지도 모른다. 이상과 같이 14개 분야에서 유량계측 기술을 활용할 수 있다고 필자는 생각한다.

그러나 양자나 바이오와 같은 최첨단기술 개발이나 그 고도화에 대한 속도감 등을 고려하면, 유감이지만 유량계측 기술은 메인 플레이어라고 말하기 어렵다. 반대로 우리의 사회 생활과 친숙한 부분, 예를 들면 가정의 가스미터, 수도미터에 의한 유량계측 기술과 밀접하다. 이처럼 겉으로 드러나지 않지만 사회나 산업에 공헌하고, 효과가 매우 크지만 의외로 놓치기 쉬운 존재일지도 모른다.

본 특집호에서는 다양한 측면을 갖고 있는 유량계측 기술에 관한 최신동향을 소개한다. 유량이 시시각각 변화하는 경우의 새로운 계측 기술이나 측정 방법을 비롯해 현장의 니즈를 고려한 추후 장착 방식의 각종 유량계의 기술 개발과 그 사례를 소개한다. 유량 지시값의 도출이나 그 취급을 IoT 기술과 연계해서 인텔리전스화하는 사례, 그리고 유량계측에 관한 표준화, 유량계 지시값의 신뢰성을 확보하는 검증 설비와 그 기술을 소개한다.

2. 유량계측 기술의 위상
2.1 유량계측 기술이란
유량계측 기술은 유체의 움직임을 포착해서 움직인 양을 측정하는 기술이다. 즉, 다루는 대상은 유체가 된다. 유체에는 우리가 일상에서 접하는 공기나 산소, 질소, 수소, 이산화탄소, 메탄 등의 천연가스 기체를 비롯해서 물, 석유 등의 액체도 포함된다.

이들은 학술적으로는 연속체로 취급한다. 그 외에 액체와 기체가 혼재된 것, 예를 들면 약간의 물기를 포함하는 습증기나 반대로 액상 속에 기상(氣相)이 미량 포함되는 경우도 있다. 이들은 일반적으로 혼상류(Multiphase Flow)라고 부른다.

다음으로 기체는 밀도 변화가 일어나기 쉬운 압축성 유체가 되지만 액체는 그 특징으로 인해 대체로 비압축성 유체로 취급한다. 유체는 점성을 갖기 때문에 전단속도와 전단응력과의 사이에 선형성이 성립하는 뉴턴 유체와, 선형성이 성립하지 않는 비뉴턴 유체로 분류할 수도 있다.

어쨌든 유체의 물성 등을 고려해 그 움직임을 정확하게 포착하는 계측기가 유량계이다. 통상 단위 시간에 흐르는 유체의 체적 또는 질량을 유량이라고 부른다.

정확하게는 전자는 체적 유량, 후자는 질량 유량이다. 또한 유량은 시시각각 변화하는 순시치에 주목하는 순시(瞬時) 유량과, 어느 정도의 시간을 누적한 결과 얻어지는 적산 유량(실제는 체적 또는 질량이 된다)이 있다. 그리고 유량의 시간 변동이 없는 일정한 정상류(Steady Flow)가 측정 대상인 경우도 있고, 시간 변화가 있는 비정상류(Unsteady Flow)를 측정하는 경우도 있다.

이처럼 유량계측은 유체의 계량을 주요 목표로 하고 있다. 이는 에너지 등의 거래를 비롯해 플랜트나 공작기계 등에서의 유체의 활용에 따른 상태 파악이나 효율화 실현에서도 마찬가지다. 운용관리 면에서는 유량계를 이용함으로써 사회 기반이나 기술 기반을 일종의 척도로 하여 유지하고 있다. 에너지 플로우 매니지먼트에서는 유량계의 지시값을 활용한 적절한 제어계 구축에도 공헌하고 있다.

2.2 유량 계측 기술을 활용하기 위해
정부통계 중 하나인 에너지소비통계조사를 보면, 국내의 산업부문이나 업무부문의 업종별, 에너지원의 차이에 따른 최종에너지 소비량을 파악할 수 있다. 올해는 정치적, 지정학적 요인에 의한 불안정화의 영향도 있어 에너지를 둘러싼 불확실성은 증대되고, 에너지의 수급 밸런스나 소비량도 대폭 변화할 것으로 상정된다.

그러나 일본 국내의 최종에너지 소비량은 통계조사결과가 있는 최근 10년을 보면 대략 3600~3900PJ로 추이하고 있어 큰 변화는 없었다. 다시 말하면, 한결같이 방대한 에너지를 소비하며 우리의 사회생활과 산업이 성립하고 있다고 해석할 수 있다.

사회 및 산업 기반의 기초가 되는 유량계측 기술은 에너지 소비를 정확하게 파악하는 데 있어서 중요한 역할을 한다고 할 수 있다. 경제안전보장의 관점도 고려하면, 다양한 상황을 정밀하게 분석하고, 동시에 한정된 에너지원의 활용에 기여하는 대응을 입안할 때나 고효율화를 실현하는 기술 개발에서 유량계측의 기술혁신이나 이노베이션이 보다 더 요구되고 있다.

3. 유량 계측 기술의 활로
제1장에서 지구환경대책, 온난화대책에 기여하는 탄소중립을 위한 대응은 중점 분야를 열거하고 있지만 기재하지 않은 분야에서도 유량계측 기술에 관한 활로가 없는 것은 아니다. 일본정부도 경제안전보장 관점도 고려하면서 탄소중립을 실현해 나갈 경우에 상당히 어려운 과제라는 인식을 갖고 있으며, 모든 시책을 동원할 것임을 강하게 언급하고 있다. 이는 유량계측 기술도 예외가 아니다.

유량계측 기술의 활로의 일례로서, 공작기계에서 소비하는 압축공기의 에너지 환산에 관한 사례를 소개하고 싶다. 이는 지속가능한 개발목표인 SDGs와도 관련 있으며, 탈탄소화 실현을 위한 대응이라고 말할 수 있다. 또한 이전에는 그다지 대응을 강구하지 않았던 분야에서 기술의 진부화나 사회에서 뒤처질 수 있다는 위기의식을 공유하며, 명확한 비전 하에서 과제 해결에 필요한 대응은 무엇인가를 명시하고 있다.

구체적으로는 2018년부터 공작기계의 에너지 절약화 실천과 그 평가에 관한 규격 정비가 이루어졌다. ISO 규격으로 발행된 ISO 14955시리즈로, 2개의 문서로 구성된다. 그 하나가 ISO 14955-1로, 공작기계의 에너지 절약 성능의 평가 설계에 대해 규정하고 있다.

또한 ISO 14955-2에서는 실무적인 평가방법을 기술하고 있다. 이 평가방법에는 공작기계에서 소비하는 에너지로 전기 이외에 압축 공기량을 거론하며, 기체용 유량계 등을 활용해 순시치(유량 지시값)을 측정하고, 그것을 적산함으로써 최종적으로 압축공기의 소비량을 산출하고 있다.

또한 압축공기의 소비량에서 전력소비에 상당하는 에너지 환산을 하기 위한 수단도 제시하고 있다. 어떤 유량계를 사용해야 하는지에 대해서는 상세하게 기술하고 있지 않지만 압축공기의 유량계측을 명확하게 구하고 있는 것, 전력소비 에너지로 변환하고, 에너지 절약 성능의 향상에 기여하는 공통의 척도와 그 순서를 제시함으로써 공작기계의 기술혁신을 지향하고 있다는 점은 매우 흥미롭다.

이처럼 기계나 시스템을 운용해서 무언가를 창출할 경우, 반드시 어떤 형태로든 에너지 소비가 뒤따른다. 그 매체로서 유체를 활용한다면, 공작기계의 에너지 절약화를 위한 대응 사례처럼 현재 어느 정도의 에너지를 소비하고 있는지는 필수 정보로서 파악해야 한다. 그때 유량계측 기술은 중요한 역할을 담당할 가능성이 있다.

또한 사용하는 유량계가 올바른 유량 지시값을 제시하는지, 적절한 사전 체크(교정)를 하는 것도 중요하다. 유량계측 기술을 현장에 적용할 경우는 측정 원리 등 수단의 적절한 선정을 비롯해 기술의 신뢰성을 확보하고, 타당성 검증이나 편리성 추구 등의 관점을 고려한 공헌이 바람직하다. 앞으로 더 많은 사례의 축적과 대응을 기대한다.

4. 맺음말
지금까지 유량계측 기술의 기초를 복습하면서 그 위상이나 가능성, 과제 해결에 대한 공헌 사례 등을 소개했다. 또한 탄소중립이라는 키워드를 놓고 최신의 사회 정세나 정책을 부감하면서 유량계측 기술에 대한 기대도 필자 나름대로 정리했다.

본 특집호에서는 다양한 특징을 갖는 유량계측 기술의 최전선을 소개하고 있다. 해설 기사에서는 기술 면에 초점을 맞추면서도 원리원칙을 중시하며 적절한 과제 해결 내용을 기술하고 있다. 또한 유량계측에 관한 문제 의식도 제시되었다.

그리고 유량계 개발이나 기능 실현, 기능 구현 등의 사례 소개나 교정의 중요성과 설비 구축에 대한 아이디어, 유량계측 기술에 관한 표준화 등, 유량계측 기술의 입구에서 출구까지 포괄적으로 픽업할 수 있었다. 독자 여러분이 앞으로 유량계측 기술에 관한 문제를 마주쳤을 때 조금이라도 참고가 됐으면 좋겠다.

마지막으로 사례 소개에서도 일부 다루었던 수소에 관한 유량계측 기술은 매우 뜨거운 화제이다. 마침 필자가 소속된 부서의 젊은 연구원이 수소의 계량 기술과 표준화에 관한 조사연구를 보고한 사례가 있어 참고문헌에 소개하니 참고하기 바란다.

-- 끝 --