압력·온도 게이지
석유산업의‘안전 지킴이’노릇 톡톡
석유 드릴링 및 정제산업은 최악의 환경 조건과 유해 물질의 존재로 인해 산업에 따른 안전 요구가 상당히 높게 대두하고 있다. 이러 한 분야에 사용되는 계장 장비는 반드시 일정한 폭발 방지 수준에 도달해야 한다. 센서 및 시스템 솔루션 메이커인 바우머 (www.baumer.co.kr)는 최근 석유산업 관련 업체들을 상대로 신뢰성이 뛰어난 계장 장비를 제공하고 있다. 프랑스 TOTAL사 등 주 요 석유·천연가스 업체들을 상대로 제품과 기술 지원을 제공함으로써 사용자들의 안전 기준을 급격히 향상시킬 수 있었다.
글로벌 석유자원의 지속적인 감소로, 최근 몇 년간 세계 원유 생산량이 줄어들고 있다. 2008년엔 하루 평균 생산량이 7,500만 배럴이었는데 2010년에 와서 6,500만 배럴로 줄었다. 반면에 글 로벌 에너지 수요와 석유 소비는 여전히 상승세를 보이고 있다. 이런 욕구를 충족시키기 위해 석유산업은 초중질유, 천연역청 등 생산이 극히 어렵고 에너지와 물자원 소비가 큰 연료자원 생산에 힘을 기울일 수밖에 없게 되었다.
석유산업에서 계장 장비에 대한 요구
석유산업에서는 기계장치(예를 들면 압력 게이지, 온도계 및 화학 실링), 그리고 다이어프램 및 압력전송기 등 여러 가지 계장 장비가 사용되고 있다. 이 장비들은 정제공장, 석유·천연가스 수송 등 업스트림 및 다운스트림 생산 과정에서 큰 도전에 직면 하고 있다.
모든 프로세스는 정확하고 신뢰할 수 있는 측정 장비를 사용해 야 한다. 가혹한 환경 조건, 고온고압 상태, 미디어 중 유해물질의 영향 등 불리한 조건하에 에너지 생산과 환경보호 사이의 모순 조정은 석유 업계의 가장 큰 과제 중의 하나로 인식되고 있다.
따라서 공장은 절대적인 고장 없는 작동이 필요하며 이어서 정확하고 신뢰할 수 있는 측정을 요구한다. 또한 초중질유와 천연 역청의 생산은 새로운 방식으로 생산하기 때문에 그에 따른 압력 게이지, 온도 게이지 및 액체 레벨 게이지가 필요하다.
해상 드릴링에서의 압력측정
해상 드릴링에서 압력과 온도는 오일 레이어의 깊이가 증가함 에 따라 높아진다. 1,500미터의 물 깊이에서는 온도가 4℃이고 압력은 15MPa이다. 영국 북해 Elgin–Franklin 해양 퇴적층과 같은 깊은 오일 레이어(5,000미터 이상)에서는 압력이 110MPa, 온도가 190℃ 증가한다. 또한 복잡한 지질학적 구조로 인해 드릴 링 과정 중에서 압력이 갑자기 변경될 수도 있다.
따라서 유정분출을 피하기 위해 오일압력의 제어가 필요하다. 시굴공의 강도를 유지하고 하단에 대한 압력보상을 위하여 유정에 머드 주입을 해야 한다. MFR6는 머드 주입 압력을 제어하는 특수 센서인데 드릴링 전문용으로 설계된 내구성 압력 센서이다. 이 제 품은0…6MPa부터0…100MPa까지의 압력을 측정할 수 있다.
분출방지기(BOP)는 시추공의 위에 있는 여러 개의 차단 밸브 로 구성되어 있는데 이는 핵심적인 안정장치다. MEX5와 MEX8 압력 게이지는 분출방지기의 압력측정에 사용할 수 있다. 이 제 품은 석유산업의 가혹한 작동 조건에 대비하여 디자인한 계장 장 비로서 스테인리스 스틸로 봉입되어 있고 160MPa에 압력을 측 정할 수 있다. 바우머는 또 316L 스테인리스 스틸, 모넬 합급 등 재질의 부르동관 압력 게이지도 제공한다.
드릴링 하는 동안 시추 내부에 압력 변환기는 시추공 내부의 압력을 측정할 수 있다. 엑스트라 티프의 경우 오일 레이어 중 온 도가 아주 높은데(180℃로서 전자장비 작동 고온한계임), 이를 위해 바우머는 대형 드릴링 서비스 회사와 손을 잡고 응용을 위한 압력변환기를 개발했다. PDRB형 변환기는 그 견고성과 가혹한 환경에서의 뛰어난 정밀도로 널리 알려지고 있다.
석유탐사에 사용되는 측정 장비가 접촉하는 물질은 대부분 부 식성이 있다. 따라서 측정 장비는 내식 재료를 사용해야 한다. 많은 압력 측정장치는 바닷물 부식에 견디는 모넬 혹은 하스텔로이 로 만든다. 황화수소(부식성이 매우 강한 가스)가 생성되는 프로세스에 대비하여 바우머는 페놀로 봉입된 압력게이지를 제공한다.
측정 장비는 또 내식성 매체에 견딜 수 있어야할 뿐만 아니라 고온에도 견뎌야 한다. 이 제품은 화학밀봉으로 부식이나 유해 매체를 한꺼번에 대처할 수 있다.
석유와 가스 생산은 주로 물, 가스, 원유를 분리하는 데 있다. 이는 7MPa 압력하에 분리기내에서 중력의 분리 작용으로 실현 된다. 분리기 내의 흐름은 차압 송신기 EDD575로 측정할 수 있 는데 최소 감지 차압은 0~10kPa이다. 방폭 스탠드미터 X913은 조절 밸브에 설치하여 7Mpa를 측정할 수 있다.
고온 프로세스에 사용되는 화학 SEAL
캐나다에서는 오일샌드 생산 시 증기로 역청을 가열한다. 이 는 역청의 점성을 감소하여 역청을 쉽게 지상으로 끌어 올릴 수 있다. 공정 시 지상 대기온도는 -40℃까지 낮을 수 있고 프로세 스 온도는 400℃까지 도달할 수 있으며 정압은 25MPa이지만, 차압은 1kPa밖에 안 된다. 이런 애플리케이션에 대비하여 바우 머는 고온 프로세스를 위해 특별히 화학 SEAL을 개발했다. 화학 SEAL은 미디어와 게이지를 분리하고 다이어프램과 오일을 통해 압력을 압력 게이지에 전송한다.
D900 시리즈 화학 SEAL은 -40~400℃ 사이의 프로세스 온도하에 점성 혹은 부식성 미디어의 절대압력, 게이지압, 차압을 측정하는 데 쓰인다. 그중 D902형 화학밀봉은 압력 범위가 25MPa이나 되는데 이는 오일샌드 생산을 위해 특별히 설계한 것이다.
노르망디 TOTAL 정제공장
프랑스 TOTAL사는 노르망디에서 가장 큰 정제공장을 운영하 고 있다. 다년간 이 공장은 바우머의 측정 장비를 여러 생산공정 에서 사용하고 있다. 첫 번째 단계는 재기증류로 원유와 여러 가지 분율을 분리하는 것이다. 이 단계에서는 850℃에 달하는 여러개 온도를 측정할 수 있는 다지점 열전대가 필요하다.
다음 단계는 진공증류로 남은 찌꺼기를 다시 분리하는 것인데, 이 단계에는 저압 트랜스미터로 10~40mm HG의 절대압력을 측 정하고 열전대 센서로 370℃의 온도를 측정해야 한다.
그다음 단계는 촉매리포밍 프로세스인데 옥탄값이 낮은 나프 탈린은 가솔린으로 전환시킨다. 이 단계에서 프로세스 온도는 550℃에 달한다. TOTAL사에서는 바우머의 TBI 바이메탈 온도 계로 측정하는데 이 장비는 올 스테인리스 스틸로 제작되어 아주 견고하며 -70 ℃내지 600℃ 온도 범위하에 사용하기 적합하다. 0.3MPa 내지 3.5MPa 범위 내의 압력은 MEX5 Industrial 압력 게이지로 측정한다.
유황 회수 장치에서 온도는 300~1,000℃까지 상승하며 압력 은 0.3~0.5Mpa 범위 내에 있다. TOTAL사가 사용하고 있는 하 스텔로이 다이어프램 SEAL과 열전대가 첨가된 MEP5 안전압력 게이지를 사용하는데 이 장비는 가혹한 공정환경에 맞게 설계한 것이다.
유분수첨분해시설(DHC)은 높은 분자량의 탄화수소물을 깨어 가솔린, 디젤유 등을 얻을 수 있다. 이 프로세스에 수소의 압력은 20Mpa에 달하며 480℃ 고온 조건에서 진행된다. 수소가스 압축 기의 압력은 산업형 압력게이지 MEX5로 측정한다. 측정 장비의 수소 취성을 방지하기 위하여 금도금 다이어프램 D900 화학 SEAL을 사용했다.
MEX5 압력 게이지와 TBI 바이메탈 온도계는 정제공장과 화력 발전소에서 사용하여 이산화탄소배출량을 줄이는 데 도움이 된 다. 이들 제품의 제어압력은 0.4Mpa이고 온도는 140℃ 정도이다. 대형정제공장(예를 들면 TOTAL 노르망디 공장)에는 10,000 여 개의 압력 게이지와 9,000여 개의 압력 전송기가 설치되어 있 다. 환경 조건이 가혹하므로 공장의 품질과 안전 기준을 유지하 려면 매년 10%의 측정 장비를 교체해야 한다. 즉, 기존 측정 장비를 10년 내에 교체해야 한다.
안전 정보
Deepwater Horizon 폭발 사고와 메히꼬만 석유 재난의 끔찍 한 화면들은 사람들이 안전과 환경에 더욱 중요시하도록 일깨우 고 있다. 두 차례 사고는 석유·천연가스 산업과 밀접한 관련이 있는데 효과적인 위험 관리 대책을 시급히 요구하고 있다. IEC 61508 기준은 시스템의 정상적인 작동을 보장하는 기본적인 보안 요구를 함과 동시에 고장 시 조기 경보를 정의하고 있다. 위험을 줄이기 위해 모든 기술 장치는 특정 공정보안 요구(SIL)를 만족해야 한다.
또한 기존의 낡은 시설들은 반드시 첨단 기술로 업데이트해야 한다. 예를 들면 접촉이 적은 새로운 파이프라인으로 기존의 파이 프를대체하여미세유출로인한폭발위험을감소시켜야한다.
