까다로운 환경에서 최적으로 가스 누출 감지

가스는 다양한 원인으로 인해 누출될 수 있다. 따라서 어려운 환경 조건에도 적용 가능한 가스 감지 솔루션은 대단히 중요한 사안이며, 특히 유정 현장에 대해 기존의 전통적 솔루션을 능가하는 효과적이고 효율적인 초음파 가스 감지기의 개발은 상당한 가치를 가진다고 할 수 있다.

유형과 관계없이 모든 오일 및 가스산업 시설에서 가스가 누출될 수 있는 가능성은 많다. 정유사 및 오프쇼어 플랫폼, 온쇼어 터미널, 지하 가스저장시설, 천연가스전을 포함한 여러 가지 다양한 현장은 저마다 취약점을 가지고 있다. 탄화수소, 수소, 황화수소(H2S)를 포함한 모든 종류의 가스 누출이 발생할 수 있으며, 각 누출 유형은 저마다 시설 및 인력에 대해 각각의 안전 문제를 수반한다.

가스 방출이 축적되는 밀폐된 공정 환경의 경우 적외선, 촉매 입자, 전기 화학기반 센서와 같은 전통적 가스 누출 기술은 정상적으로 작동할 수 있다. 그렇지만 다수의 가스 누출은 야외나 환기되는 장소에서 발생하기 때문에 빠르게 분산되고 누출원에서 20여 피트 내에 위치한 안전 레벨에까지 희석된다.

이 때 위험 조건이 급격하게 변경될 수 있는데, 가스가 누출원으로부터 멀리 떨어진 곳에서 위험한 농도까지 축적될 가능성이 높으며, 폭발 하한계(LEL) 및 심지어 100만분율(ppm)까지 영향을 미치는 영역으로 위험성이 확대될 수 있다.

원래 누출된 장소에서 어느 정도 거리가 있는 곳에서도 공기보다 무거운 가스는 오목한 장소, 반밀폐공간과 같은 보호되지 않는 구역에 축적될 가능성이 존재한다. 실제로 업계 연구에 따르면, 북해 지역의 주요 가스 누출 중 38% 이상이 감지되지 않고 있다고 한다.(1)

이처럼 까다로운 환경에 있어서 초음파 가스 감지기의 개발은 기존의 접착형 및 가시선 가스 감지 솔루션에 더해 효과적이고 효율적인 보호 계층을 제공할 수 있다.

여기에서는 유정 현장을 예로 들어 설명했다.

초음파의 개념

가스 누출로 인한 잡음은 가청 주파수 및 초음파 모두를 포함하고, 가스가 고압 상황에서 저압 환경으로 이동할 때 발생한다.

시간의 경과에 따라, 초음파 가스 감지기 제조업체들은 진정한 의미의 초음파 가스 감지기를 실현하기 위해 가청 주파수까지 모니터링하는 광대역 장치의 사용을 배제하기 시작했다.

초음파 가스 누출 감지는 음향 센서를 사용해 환경 내에서 인간의 청각 범위를 벗어나는 잡음의 변화를 감지하는 기술로, 여기서 센서와 전자 장치는 가청 주파수(0~25kHz)를 제외하면서 초음파 주파수(25~100kHz)를 식별할 수 있다. 실질적으로 초음파 가스 감지기는 축적된 가스를 측정하는 것이 아니라 누출을 ‘듣는’ 것이다.

이 기술을 구현하는 것은 단순하다. 감지기가 설치되는 장소의 정상적 작업 환경하에서 시설 공정이 생성하는 소리보다 누출 소리가 반드시 커야 한다는 점이 핵심이다. 이와 관련해, 시설 배경 매핑 연구 및 분석은 다양한 경험 사례를 기반으로 감지기가 잠재적인 누출 지점과 근접한 전략적인 위치에 설치될 것을 제안했다.

위치가 결정됐다면, 감지기가 커버할 수 있는 범위를 시설 공정과 비교해 조정하고, 이후 누출 변수가 실제 공정가스 누출을 반영하도록 설계된 불활성 가스를 사용해 검증할 수 있다. 이는 전통적 기법으로는 불가능한 사안이다.

초음파 가스 감지기의 커다란 장점은 경보 발생을 위해 잠재적으로 폭발성이 있거나 위험한 가스의 축적이 필수적이지 않다는 점이다. 초음파 가스 감지기의 경우 초음파 잡음이 누출원에서 감지기까지 도달하는데 필요한 시간은 ms(1/1,000초)에 불과하며, 사용자는 해당 설정 사안을 장치나 제어 시스템에 프로그래밍할 수 있다.

초음파 가스 감지기 기술은 오프쇼어를 비롯해, 통상 무인 및 원격으로 운영되는 온쇼어 시설, 핀팬 냉각기(Fin Fan Cooler)와 같이 전통적 기법이 통하지 않는 현장에 이상적이다. 또한, 이 감지기는 일반적으로 가능성이 가장 높은 구역, 즉 유정, 플랜지 접합, 압축기, 필터, 핀팬 냉각기, 열 교환기, 각종 계기 등에 적용되고 있다(그림 2 참조).

가스 유정의 초음파 누출 감지 사례

초음파 누출 감지를 이용하는 최종 사용자에 대한 대표적인 사례로, 대다수의 시설이 무인으로 운영되던 한 가압 천연가스 유정이 있다. 이 현장은 위험성 및 분산 특성으로 인해 감지기 교체가 어려웠고, 이 때문에 사용자는 전통적 가스 누출 감지기법을 대신할 수 있는 대안을 필요로 했다.

유정 근처에 전통적 감지기를 장착하는 것에는 두 가지 주요 문제가 수반됐다. 그 첫째는 작업자가 유지보수나 수리를 위해 설치 장소를 방문해야 하는 것과 관련한 접근성 문제였다.

설정에 따라 다르긴 했지만, 일부 경우에는 유지보수의 접근성을 위해 작업자가 가스 감지 시스템을 분리하는 것이 필요하기도 했다. 둘째는 가스 구름이 축적할 가능성이 희박하다는 문제였다. 천연가스는 공기보다 훨씬 가볍고, 대기압력 조건에서 방출될 경우 쉽게 분산되기 때문이다.

이 현장에 있어서 초음파 가스 누출 감지기는 유정 근처에 장착이 가능하면서도 유지보수 작업 및 접근성에는 영향을 주지 않는 이상적인 기기로 인정받았다. 동시에 이 시스템은 유정의 가스 누출이 만드는 소리도 감지해 냈다.

초음파 가스 감지기 기술을 시험해 사용한 결과에 의거해 사용자는 전체 시설에 추가로 초음파 가스 감지기를 확대해 설치했다. 그림 3은 전체 시설로 확대해 설치한 상세 매핑 정보를 제시한 도표다.

가스 누출 유형

오프쇼어 플랫폼에서 가장 일반적인 누출은 탄화수소, 특히 메탄인데, 이러한 유형의 누출은 많은 경우 분사 혹은 분무 화재의 결과를 낳고, 구조적 손상 이상의 재해를 초래할 수 있다. 수소는 정유에 사용되는 주요 공정가스로, 저분자량으로 인해 누출 성향이 강하다.

현재 대부분의 시설에서 사용되는 기본적인 감지 기술은 촉매 입자센서다. 촉매 입자센서 기술은 잘 확립돼 있긴 하지만, 유지보수가 빈번하게 필요하고 고장 모드에 안전장치가 결여돼 있다는 점을 포함해 몇 가지 현저한 단점을 가지고 있다.

이에 반해, 초음파 가스 감지기는 수소를 사용하는 현장에 실질적인 대안을 제공한다. 사워 가스(Sour Gas : 원유와 천연가스 중에 함유되는 것 외 석유 정제 중 발생하는 가스로, 황화수소와 저급 티올 화합물 등의 황화합물을 함유하는 악취가 강한 산성의 가스) 환경의 경우 H2S의 노출 위험성은 대단히 높을 수 있다.

일부 지역에서는 농도가 너무 높아 순간적으로 작업자를 기절시켜 의식을 잃게 만드는데, 이후에도 계속 독성 농도를 흡입할 시에는 즉각적 사망을 초래한다. 대응 속도가 절대적으로 중요할 수밖에 없는 이러한 환경에서 초음파 가스 감지기의 장점은 분명히 드러난다.

초음파 가스 감지기는 누출 유형이나 초음파의 출처를 구별하지 않고 감지하기 때문에, 다수의 공정 변수와 결합해 성공적인 적용 효과를 기대할 수 있다.

누출률의 중요성

전통적인 누출 감지 시스템은 가스 축적을 감지하고, 설치 지점에서 직접 가스 농도를 측정하도록 설계되며 일반적으로 LEL이나 ppm의 백분율로 표시된다. 반면, 초음파 가스 감지기의 경우 본질적으로는 음향 모니터로서 대체로 누출률을 감지한다.

누출률은 특정한 시간주기 동안 균열부에서 가스가 누출되는 속도를 의미하는데, 높은 누출률은 대형 가스 구름의 축적 가능성을 나타내며, 독성 가스가 높은 누출률로 방출된다면 폭발과 같은 여러 위험을 야기할 수 있기 때문에 누출률은 심각하게 고려해야 하는 사안이다. 가스 누출은 0.1Kg/s(2분) 이하일 경우에는 ‘경미’, 0.1~1.0Kg/s(2~5분)일 경우에는 ‘유의’, 그리고 1.0Kg/s(5분 이상) 초과시 ‘중대’로 구분되는데, 이는 영국 건강 및 안전장비 규격 안전기구(HSE)에서 규정한 범주다.(2)

초음파 가스 감지기가 가스 농도를 측정하거나 가스 유형을 식별하지 않는다는 사실에도 불구하고, 누출 가스의 질량 유량을 결정할 수 있는 매개 변수가 존재하는데, 주의 사항은 이것이 정확한 측정 레벨은 아니라는 점이다. 이와 관련해 특별히 중요하게 봐야 할 사안은 가스의 특성이다.

가스가 공기보다 무거운지 혹은 가벼운지 여부에 따라, 이의 분자량은 누출률을 좌우하며 큰 영향을 미치기 때문이다. 더불어, 이러한 요인들이 조합되는 경우의 수는 상당히 다양하고 중요한 의미를 갖는다.

프로젝트의 매핑 단계 동안이라면 인지된 가스의 온도, 대기온도, 가스 유형, 압력, 배경 잡음 레벨을 포함한 여러 요인을 결합시켜 분석하는 소프트웨어 패키지를 통해, 질량 유량(Kg/s) 수치와 해당 비율에서 생성되는 dB, 해당 조건에서 감지 반경을 구할 수 있다.

일반적으로 압력이 일정하다면 균열부의 크기가 클수록 누출률 역시 높아진다. 그러나 이 가정은 일정 수준에 도달할 때까지만 의미가 있는 것으로, 실제로는 누출 규모가 점점 커진다면 생성되는 초음파는 감소하게 된다. 이와 관련한 간단한 예시로 파티 풍선을 사용해 실험할 수 있다.

똑같은 풍선 두 개를 팽창시킨다고 가정해 보겠다. 양측 풍선은 동일한 용적을 갖도록 부풀려지고, 해당 용적 내 압력 역시 동일하다.

이 때 풍선 중 하나의 입구를 꽉 쥐어 잡아당기면 상당한 고음의 소리가 생성되고, 소리의 주파수는 초음파로 감지된다. 또 다른 풍선의 경우 쥐고 있던 입구를 그냥 놓아버리면, 풍선은 이리저리 날아다니며 훨씬 낮은 톤의 소리를 생성하게 되는데, 이는 초음파와는 거리가 먼 낮은 소리일 것이다.

초음파 감지기 사용을 위해 설치방식을 매핑할 때, 보다 현대적인 기법이라면 0.1Kg/s의 방출률을 기준으로 하면서도 특정한 위험성에 대비할 수 있는 범위로 설계한다. 더불어, 이러한 현대적 기법에서는 단순하게 감지 범위를 최대화하기보다는 잠재적 누출률의 최대치를 감지할 수 있도록 감지 범위가 최적화된다.

가청 잡음

많은 시설에서는 공정 장비로부터 가청 및 초음파를 아우른 다양한 범위의 잠음이 방사된다(그림 4 참조). 터빈이나 압축기와 같은 유형의 기계가 놓인 특히 시끄러운 공장이라면, 잡음 레벨이 95dB 이상으로 계속 유지되기도 하는데, 이처럼 높은 잡음 레벨은 소리 레벨을 기반으로 한 감지 시스템을 혼동되게 만들곤 한다.

하지만 대다수의 시설은 초음파와 같이 높은 레벨의 잡음을 계속적으로 생성하지는 않는다. 주의해야 할 점은 일정하게 존재하는 낮은 레벨의 초음파는 측정을 거쳐, 초음파 누출 감지기에 배경 잡음으로 설정될 필요가 있다.

시설에는 높은 레벨의 초음파를 일시적으로 방출하는 장비가 있는 경우도 많다. 사용자들은 이러한 일시적 방출이 원치 않게 초음파 누출 감지기의 경보를 유발하는 것은 아닌지 우려한다. 그렇지만 압력 방출 밸브는 제한된 시간 동안에만 개방되기 때문에, 이 문제는 계기 자체 혹은 제어 시스템에 내장된 시간 지연 기능을 사용해 간단하게 해결할 수 있다.

따라서 각 감지기의 커버 범위를 확인하고, 이상적인 배치를 결정하며, 원하지 않는 경보 출처를 제거하기 위해서는 초음파 가스 감지기 시스템의 경보 레벨 및 시간 지연을 설정하기 이전에 현장 평가의 수행이 필수적이다.

감지 범위 설정

초음파 가스 감지기의 감지 범위를 결정하고, 감지기 배치를 설정하는데 사용되는 모든 요소는 설치 이전에 파악이 가능하다. 현존 시설이든 계획 단계의 시설이든 여부에 관계없이, 감지 범위를 계획할 수 있다는 의미다.

가장 먼저 반드시 고려해야 할 사안은 시설 유형으로 전체 장비의 모든 접합부와 연결부를 확인하는 것이 필요한데, 매니폴드(Manifold), 밸브, 플랜지, 유정 등과 같은 부분은 필히 감지 범위로 포함돼야 하는 잠재적 누출원이라 할 수 있다. 이와 더불어 가스 유형 및 잠재적 위험성의 파악은 감지해야 하는 누출 규모를 결정하는데 도움이 될 것이다.

감지 범위의 설정은 해당 공간의 초음파 배경 잠음 레벨 및 사용자가 감지를 원하는 누출 규모를 기준으로 결정된다. 감지 범위는 초음파 잡음이 매우 낮은 공간의 경우 증가하고, 잡음이 심한 공간의 경우 감소한다(그림 2 참조).

고, 저, 초저 잡음 레벨 환경에 따른 감지 범위는 표와 같다.

이외에 주목해야 하는 또 다른 중요 사안은 감지기가 가리키는 방향이다. 제조업체에 따라 초음파 가스 감지기의 전면과 측면으로 감지가 최대화되는 부분이 달라질 수 있기 때문에 감지기의 방향 역시 감지 범위에 영향을 미칠 수 있다.

초음파 가스 누출 감지기 사용 확대 전망

모든 현장 분야에 적합한 누출 감지 방법이란 있을 수 없으며, 완벽한 솔루션은 현실적으로 존재하지 않는다. 다수의 밀폐 공간에서는 가스 농도의 LEL을 측정하는 부착형 표준 모니터링 장치를 사용해도 여전히 적합한 성과를 얻을 수 있다.

하지만 오프쇼어/온쇼어 오일 및 가스 플랫폼, 정유사, 가스 저장 시설, 유정, LNG 플랜트 및 수송 열차와 같이, 공기의 흐름이나 환기, 여타 환경조건으로 인해 위험한 가스 누출이 쉽게 발견되지 않는 산업 환경에서는 초음파 가스 감지기가 진정한 감지기로서 본연의 역할을 발휘한다.

초음파 가스 감지기는 매우 견고하고 신뢰성이 뛰어나다. 극도로 힘들고 까다로운 환경에서도 거의 즉각적으로 반응해 결과를 전달하는 감지 범위를 갖기 때문이다. 또한, 사용하는 음향센서에 따라 다르긴 하지만, 초음파 가스 감지기는 검교정을 필요로 하지 않으며, 센서 자체도 절대 수명이 만료되지 않기 때문에 계기의 수명주기 전반으로 유지보수가 사실상 요구되지 않는다.

이러한 장점에 더해, 초음파 가스 감지기는 조기경보 성능 및 강화된 안전 범위까지 갖췄기 때문에 최종 사용자들은 이 기술의 진정한 혜택을 점점 더 찾게 될 것이며, 초음파 가스 누출 감지기의 사용은 더욱 확대될 것으로 전망된다.

엘리엇 시저랜드(Eliot Sizeland)

※ 참고 문헌

(1) 영국 HSE(건강 및 안전 장비규격 안전기구)

http://www.hse.gov.uk/offshore/statistics/hsr2002/hsr2002.pdf

(2) 영국 HSE(건강 및 안전 장비 규격 안전 기구)

http://www.hse.gov.uk/offshore/statistics/hsr2002/section6.htm

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