다양한 인터페이스 측정 기술

레벨 측정 기술 분야에서 한 가지 난제는 두 유체의 경계면을 측정하는 인터페이스 측정이다.

인터페이스는 다양한 방식을 통해 측정될 수 있지만, 일반적으로 TDR(Guided Wave Radar : 유도식 레이더) 방식, 정전용량 방식(캐패시턴스), 감마 방식 등 3가지 방식의 기술이 가장 선호돼 왔다.

이 3가지 측정 기술들은 각기 다른 장점과 단점을 가지고 있는데, 그중에서도 TDR 방식은 하나의 측정 기기로 인터페이스 수위와 전체 레벨을 동시에 측정할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 하지만, TDR 방식은 정확한 인터페이스 및 레벨 측정을 위해 상부 유체의 유전상수, 하부 유체의 유전상수, 그리고 에멀션층(랙층)의 두께 등에 대한 여러 제약조건이 있다.

특히, 50mm 이상의 두꺼운 에멀션층 존재시, 에멀션층에서 임피던스 변화율이 낮아져 반사파가 약해지기 때문에 레이더 반사파 분석이 어려워져 안정적인 인터페이스 측정이 어렵다.

또 다른 측정 기술인 정전용량 방식은 TDR 방식과 달리 에멀션층에 영향받지 않고 측정이 가능하다는 장점이 있다.

하지만, 정전용량 방식은 전체 유체 레벨의 변화가 있는 경우, 측정에 영향을 받아 오차율이 커진다는 단점이 있다. 또한, 정전용량 방식은 인터페이스 측정만 가능하기 때문에 하나의 계기로 전체 레벨 측정을 동시에 할 수 없다는 제약이 있다.

마지막으로, 감마 방식은 측정 조건상의 제약이 가장 적고 정밀도 높은 측정이 가능하다는 매력적인 장점이 있지만, 방사능계기를 적용하고 취급하기 위한 라이선스를 취득해야 하고, 비용이 다른 측정기술 대비 상대적으로 높다는 점을 고려해야 한다.

이렇게 각각의 측정 방식들은 장점과 단점을 함께 가지고 있으므로, 각 공정의 특징을 개별적으로 고려해야 최적의 인터페이스 측정 방식을 선정할 수 있다.

정유 플랜트에서의 유수분리 공정

인터페이스 측정이 가장 널리 적용되는 대표적인 공정은 정유플랜트의 유수분리공정이다.

원유 정제 과정에는 원유에 포함된 수분과 염분을 제거하기 위한 유수분리공정이 반드시 포함돼 있다.

이 공정에서 밀도가 낮아 상부에 위치하는 석유 부분과 상대적으로 밀도가 높아 하부에 위치하는 물의 경계면, 즉 인터페이스의 측정이 요구된다.

정유플랜트의 유수분리공정에서 정확한 인터페이스 측정은 매우 중요한데, 이는 생산될 석유의 높은 품질과 정제플랜트 설비의 보호, 그리고 분리돼 버려질 폐수로 인한 환경오염을 방지하기 위해 필수적이다. 또한, 석유 채굴 역사가 길어져 기존의 육상 유정들이 고갈돼 가면서, 원유 채굴 방식이 다양화됨에 따라 생산된 원유 내 모래, 물 및 불순물이 더 많이 포함되는 추세이기 때문에 정확한 인터페이스 측정의 중요성은 증가하고 있다.

원유에서 탈염 및 탈수를 위한 유수분리 공정용 탱크들은 육상 및 해상 정유 플랜트에서 일반 세퍼레이터(Separator), FWKO, BOT, Desalter 등이 있다. 하지만, 같은 유수분리 공정일지라도 산지에 따라 원유의 성분이 다르고 심지어 동일 유정 내에서도 시추 깊이 등에 따라 성분이 다양한 만큼, 투입되는 원유 종류에 따른 다각적인 접근이 필요하다.

원유의 종류에 따른 인터페이스 측정과 제약조건

일반적으로 원유는 미국석유협회(API)의 비중 측정 단위인 ‘API 비중’에 따라 경질유(Light Crude Oil), 중질유(Medium Crude Oil), 중질유(Heavy Crude Oil)등으로 구분된다.

밀도가 낮고, API 비중이 높을수록 경질이라고 표현하며, 유황성분이 적고 점도가 낮아진다. 반대로 중질일수록 불순물을 많이 포함하고 있고 점도가 높아져 점착에 대한 우려가 증가하며, 에멀션층 발생 가능성이 높아지기 때문에 인터페이스 측정에 여러 제약조건이 따르게 된다.

경질유와 중질유의 유수분리 공정 : 유도식 레이더 기술

API 비중 31.1° 이상, 밀도 870kg/m3(7.3lb/gal) 이하의 경질유와 중질유의 유수분리 공정은 상대적으로 중질인 다른 원유들에 비해 뚜렷한 인터페이스를 가지고 있기 때문에 빠르게 진행된다.

하지만, 현재 운용되고 있는 많은 수의 경질유 유수분리장치에 장착된 기계식 레벨 장비와 밀도 제어 장비는 다양한 제약조건들을 가지고 있다.

측정 원리상 기계식 장비들은 측정 유체의 밀도를 바탕으로 인터페이스를 측정하기 때문에, 각 정유플랜트에 공급 및 사용되고 있는 원유에 맞춰 교정돼 있다.

그렇기 때문에 만약 공급되는 원유의 성분이 달라지게 되면 재교정을 필요로 한다. 또한, 구동파트를 지니고 있는 기계식 측정 장비들은 마모와 고장 가능성이 높아서 많은 유지보수를 필요로 한다.

하지만, 엔드레스하우저의 동축 프로브(Coaxial Probe)를 적용한 유도식 레이더는 기존의 기계식 레벨 측정 장비들의 단점을 보완해 정확한 인터페이스 측정을 제공한다.

유도식 레이더 방식은 측정 매질의 종류에 영향 받지 않기 때문에 측정하고자 하는 원유 및 원유 내 수분의 밀도 변화에 관계 없이 지속적으로 측정이 가능하며, 기계식 구동 파트가 없기 때문에 유지보수의 필요성이 매우 낮아진다.

또한, 경질 원유 공정이므로 점착에 대한 우려가 적어 동축 프로브를 적용할 수 있어 안정적이고 정확한 측정이 가능하다. 센서 또한 생산됨과 동시에 공장에서 교정되므로 현장교정 필요 없이 기존의 세퍼레이터에 간단하게 장착해 사용할 수 있는 장점이 있다.

설치시에는 세퍼레이터 상부에서 직접 설치하거나 사이드 파이프(바이패스 챔버)에 설치할 수 있고, 동일한 센서가 분류 구간과 오일 구간에 동일하게 적용될 수 있어 부품 관리를 단순화할 수 있다.

중질유의 유수분리 공정 : 멀티패러미터 유도식 레이더 기술

API비중 15°~31°, 밀도 870~960kg/m3(7.3~8lb/gal)에 해당하는 중질유 및 중질유 유수분리 공정은 원유의 점도가 더 높고 에멀션층(랙층)이 발생할 수 있기 때문에 보다 다루기 어려운 공정이다.

기존의 측정 기술들을 통해 중질유 유수분리 공정의 인터페이스 레벨을 측정하기는 쉽지 않다. 이 공정에는 에멀션층이 종종 존재하고, 에멀션층의 두께가 50mm를 넘게 될 경우, 표준 유도식 레이더 장비로는 반사파 신호를 상실할 수 있기 때문에 안정적인 인터페이스 레벨 측정이 불가하다. 또한, 정전용량식 레벨 계측기기는 하나의 계기로 전체 레벨 측정을 할 수 없기 때문에 표준형 유도식 레이더 장비 등 추가적인 장비 설치가 필요하다.

따라서, 이러한 난제들을 해결하기 위해서는 인터페이스 레벨의 장단점을 상호 보완적인 기술로 적용할 수 있는 계기가 필요하다.

엔드레스하우저의 멀티패러미터 유도식 레이더 장비 FMP55는 기존의 유도식 레이더 기술과 정전용량식 레벨 기술을 융합해 설계된 제품으로 엔드레스하우저가 특허를 보유하고 있다.

FMP55는 에멀션층이 50mm 이상 생성돼 유도식 레이더로 인터페이스 측정이 불가능해질 경우, 자동으로 측정 모드가 정전용량모드로 전환돼 인터페이스를 지속적으로 측정할 수 있다. 이와 동시에, 레이더 측정 원리를 이용한 전체 레벨 측정은 지속적으로 가능하기 때문에 별도의 전체 레벨 측정 장비를 설치할 필요가 없어, 한 대의 계기로 두 마리 토끼를 모두 잡을 수 있다는 장점이 있다.

초중질유 및 비전통석유의 유수분리 공정 : 방사능식 Density Profiling system

API 비중 15° 이하, 밀도 960kg/m3(8lb/gal)이상인 중질유, 초중질유 및 오일 샌드와 같은 비전통석유들의 유수분리 공정에는 가장 높은 수준의 레벨 및 인터페이스 측정이 필요하다.

원유의 밀도와 점도가 높기 때문에 탱크 내부의 주기적인 세정 공정이 필요할 뿐만 아니라 접촉식 레벨 계기의 잦은 유지보수 및 세정을 위해 측정 장비들이 정기적으로 탱크에서 분리돼야 한다. 이는 유지보수 비용과 시간의 소비로 귀결되며, 막대한 운영 손실의 원인이 되기도 한다.

추가적으로, 중질유의 높은 점도를 낮추기 위해 열을 가하게 되면, 상부에 거품층이 발생할 수 있기 때문에 레벨 및 인터페이스의 정확한 측정이 어려워진다.

탱크 전체에 대한 레벨, 인터페이스, 밀도 정보를 파악하는 것은 내부의 세정공정 주기 결정이나 에멀션층을 분리시키는 값비싼 해유화제의 투입량 결정 위해 매우 중요하다.

하지만, 기존의 일반적인 레벨 측정 기술들로 이와 같은 프로세스 정보를 파악해 유수분리탱크를 효율적으로 운영하기는 쉽지 않다. 이는 기존의 접촉식 측정 계기들이 탱크 내부에 설치되기 때문에 점착 및 오염에 민감할 수밖에 없고, 에멀션층, 거품층 등은 각종 측정 계기들이 정상적으로 동작하는 것을 어렵게 한다.

엔드레스하우저는 이러한 까다로운 공정 조건을 모두 만족시키는 Density Profiling을 위한 솔루션 패키지 ‘Profile Vision’을 제공한다. 방사선 동위 원소인 Cs-137, Co-60에서 방사되는 감마선을 이용해 레벨, 인터페이스 및 밀도를 측정하는 Profile Vision은 센서 및 트랜스미터가 완전히 탱크 외부에 설치되는 비접촉식 측정장비이기 때문에 유지보수로부터 자유로우며, 적은 양의 동위 원소 원료만으로도 안전하고 효율적으로 측정할 수 있다.

Profile Vision을 통해 초/중질유 유수분리 공정에서 요구하는 최대 다섯 층(모래/슬러지, 물, 에멀션, 오일, 거품)에 대해 각각의 인터페이스 레벨 측정 및 시각화가 가능해 다음과 같은 세 가지 측정 목적을 달성할 수 있다.

· 최적화된 공정 운영 및 세정/유지보수 결정을 위한 바닥 부분 모래와 슬러지 확인

· 최적화된 해유화제 투입량 결정을 위한 에멀션층 측정 및 두께 측정

· 상부 전체 레벨 상시 모니터링

엔드레스하우저 제공

FA Journal 편집국 (fa@infothe.com)

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