지코의 Clayton A. Francis는 현대의 플레어 파일럿 감지 시스템의 요구 사항에 대해 설명합니다.
탄화수소 생산, 운송, 처리 등 플랜트 내에서 플레어는 필수적인 안전 완화 장치입니다. 플레어는 비상 시 가연성 및 유독 가스를 연소시켜 플랜트와 인근 사람들의 안전을 보호합니다. 플레어 시스템의 필수 구성 요소는 파일럿입니다. 파일럿이 점화되어야 비상 플레어 배출물의 적절한 점화가 보장되기 때문입니다. 신뢰할 수있는 파일럿이 없으면 배출물이 대기 중으로 방출될 수 있으며 잠재적으로 환경, 인명 안전 및 폭발적인 결과를 초래할 수 있습니다. 플레어 파일럿의 상태를 파악하는 것은 매우 중요하며, 전 세계의 많은 시설에서 법적 의무 사항이기도 합니다.
신뢰할 수 있는 광섬유 센서가 등장하기 전에 석유 및 가스 산업은 연소 상태를 확인하기 위해 열전대에 의존했습니다. 이것은 보통 일반적인 작업에서 안정적인 접근 방식이었지만 파일럿 화염을 감지하는 데 열전대를 사용할 경우 단점이 존재했습니다. 연소 장비의 최종 사용자는 기존의 파일럿 탐지 기술과 관련된 몇 가지 문제점을 확인했습니다. 이러한 단점으로 인해 새로운 플레어 파일럿 솔루션에 대한 기준이 수면 위로 떠올랐습니다. 원문에서 이 기준에 대해 더 자세히 논의할 것입니다.
고급 플레어 공급 업체들은 플레어 파일럿 화염에 가장 잘 반응하도록 열전대를 일반 플레어 화염과 분리 배치합니다. 이렇게 하면 대부분의 작업에서 전용 파일럿 상태가 제어 시스템으로 전달됩니다. 그러나 열전대는 열을 감지하기 때문에 아무리 우수한 시스템이라도 파일럿이 화염 충돌로 인해 열 포화 상태가 되는 경우, 플레어의 하풍 쪽에서 잘못된 양성 파일럿 표시가 발생할 수 있습니다. 플레어의 안전한 작동을 위해서는 개별 파일럿 상태를 개별적으로 식별하는 것이 가장 좋지만, 열전대로는 이러한 식별이 불가능한 경우도 있습니다.
열전대는 파일럿 감지에 적용되는 보다 강력한 기술 중 하나이지만, 궁극적으로는 결국 소비성 기술입니다. Zeeco 파일럿 하우징에 통합된 써모웰, 전략적 배치, 차폐 및 절연을 통해 열전대의 무결성을 보호하고 보존합니다. 그러나 많은 플랜트들이 정비 주기를 5년 이상으로 추진하고 있기 때문에 이러한 보호 조치를 취하더라도 통계적으로 창 내부의 열전대를 교체해야 합니다. 대부분의 열전대는 플레어(플레어를 사용하는 플랜트)가 가동을 중단하고 생산성이 떨어질 때만 서비스 할 수 있는 고정형 타입입니다. 접이식 열전대 시스템은 열전대 유지보수 및 접근성의 문제를 크게 극복하지만 모든 플레어 설치 중 소수에 해당합니다.
파일럿 상태를 즉각적으로 감지해야 한다는 요구는 지난 몇 년 동안 꾸준히 제기되어 왔습니다. 파일럿이 꺼질 수 있으며, 플레어 화염이 없더라도 써모웰과 파일럿 실드가 열전대 스위치 지점 이하로 냉각되는 데 몇 분이 걸릴 수 있으며, 그제야 운영자에게 '파일럿 화염 없음'의 신호가 표시됩니다. 플레어가 가연성 퍼지 가스를 사용하는 경우, 다운윈드 파일럿 열전대가 충분히 냉각되지 않아 파일럿이 잠재적으로 작동하지 않는 것으로 인식될 수 있습니다. 기울기(슬로프) 프로그래밍, 여러 스위치 포인트 또는 온도 신호의 아날로그 전송과 같은 조치에도 불구하고 파일럿 열전대는 실제 파일럿 상태를 즉시 나타내지 않습니다. 이러한 단점은 과거에는 업계에서 대체적으로 이해되고 받아 들여졌지만, 지연 신호로 인한 잠재적인 안전 및 환경적 결과가 점점 우려되고 있습니다.
이렇게 인지된 열전대의 단점을 극복하기 위해 다른 기술들이 적용됐지만, 그로 인해 다른 운영 및 기능 문제가 발생했습니다. 때때로 장비 교체 작업이 몇 달 또는 몇 년 전에 이루어지기 때문에 플레어의 열전대 파일럿 신호의 대부분이나 전체가 손실되는 경우가 있습니다. 파일럿의 존재를 어느정도 파악하기 위한 임시방편으로 운영자는 적외선(IR) 모니터를 지상에 설치할 수 있습니다. 화염 신호는 즉각적이고 플레어가 가동되는 상태에서 장비를 쉽게 유지 관리할 수 있습니다. 그러나 이 신호는 종종 파일럿 화염과 플레어 화염을 구분하지 못하는 경우가 많습니다. 일반적인 화염 표시가 나타나지만 하나 이상의 파일럿이 실제로 작동하지 않을 수 있습니다. 운영자는 오탐지된 긍정적인 수치에 잘못된 안정감을 갖게 됩니다.
화염 이온화 로드는 개별 플레어 파일럿에 적용할 수 있으며, 그렇게함으로써 독립적이고 즉각적인 개별 파일럿 신호가 제공됩니다. 그러나 플레어의 개방적인 환경은 일반적인 히터 설치보다 화염로드에 더 엄격한 적용 조건을 가집니다. 또한 업계 경험에 따르면 일반적으로 화염로드가 가동 중지 기간 동안 안정적으로 작동할 것을 기대할 수 없었습니다. 덜 일반적인 기술이 존재하지만 빠르고 정확하며 내구성이 뛰어난 파일럿 감지라는 완전한 목표에 미치지 못할 수 있습니다.
오늘날 거의 모든 사람들이 스마트폰으로 사진을 쉽게 찍을 수 있다는 사실에 익숙합니다. 실제로 스마트 폰을 통해 찍은 아마추어 사진의 품질과 선명도는 30년 전의 휴대용 전문 장비와 견줄 수 있습니다. 얇은 유리 또는 플라스틱 코어 케이블이나 광섬유를 따라 이동하는 빛의 펄스를 사용하는 광섬유 기술은 장거리에서 데이터를 전송에 수십 년 동안 사용되어 왔습니다.
파일럿 화염 감지에 광학 감지 기술을 사용하는 것은 드문 일이 아닙니다. 그러나 오늘날 이러한 시스템은 일반적으로 원거리에서 플레어 화염을 '감시'하고 파일럿 화염과 플레어 화염을 구분하는 데 어려움을 겪습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해, Zeeco VerifEYE 광섬유 파일럿 모니터링 시스템은 플레어 파일럿에 통합적으로 장착된 광섬유 기술을 사용하여 각 고유의 파일럿 화염의 파일럿 점화 상태를 등급별 모니터에 실시간으로 전달합니다. 모니터의 광학 센서가 파일럿 상태를 식별하고 파일럿 점화 및 기능을 제어합니다.
이러한 방식으로 광섬유 기술을 성공적으로 적용하기 위한 개발 노력의 대부분은 플레어의 열 영향 구역(HAZ) 내에 위치한 중요한 상부 10피트에 집중되어야 했습니다. HAZ에 위치한 모든 장비는 상당한 수명 동안 화염을 감지하는 동안 극한의 온도를 견뎌야 했습니다. 엔지니어들은 광섬유 어셈블리를 공기-가스 프리믹스 배관의 중앙에 배치하여 이러한 문제를 해결했습니다 (그림 1). 작동 중 공기와 가스의 지속적인 흐름은 연소 온도에 대한 열 장벽을 형성시킵니다. 열전대 및 화염로드와 같은 다른 기술과 달리, 광섬유는 광케이블의 수신단이 가스 팁에 미치지 못해 안전하게 마감되기 때문에 화염과 접촉하지 않습니다. 센서 어셈블리가 HAZ로부터 보호되더라도 특수 섬유와 세라믹은 장비와 파일럿 자체의 열을 견딜 수 있도록 보장합니다.
그림 1. 파일럿 어셈블리를 통한 광섬유의 경로(적색 선)로, 파일럿에 공기 및 가스의 흐름에 의한 열 장벽을 보여줍니다. 이는 연소 구역으로부터 보호받는 거리에 있는 센서의 '수집' 끝단부를 보여줍니다.
광섬유 파일럿 모니터링 시스템에는 내구성과 사용 편의성을 보장하기 위해 가스 밀봉, 열 이동 및 현장 조립을 고려하여 기계식 체결 장치와 커넥터가 선택 되었습니다. 이 시스템은 견고성, 경제성 및 설치 용이성을 위해 내구성이 뛰어난 광케이블 세그먼트의 모듈식 어셈블리를 사용하여 케이블을 플레어 스택 아래로 끼워 넣습니다 (그림 2). 이러한 설계 측면의 종합적인 효과로 플랜트 가동 중단 기간에 정기적이나 예상되는 유지보수가 필요하지 않은 파일럿 모니터링 시스템이 만들어집니다. 유지보수가 가능한 전자 장치는 HAZ 영역 밖의 지상에 위치하며, 플레어가 작동하는 동안 쉽게 접근할 수 있습니다.
광섬유의 좁은 관측 각도는 파일럿 화염이 안정화되는 파일럿 노즐의 뒷면에 초점을 맞춥니다. 광섬유의 전체 관측 시야는 IR 에너지로 포화 상태가 되어, 이 에너지가 수집되며 지상으로 전달됩니다. 지상에서 센서가 사용할 수 있는 IR 신호의 총량은 최소 스위치 포인트 볼륨보다 세 배 더 크므로 시간이 지남에 따라 장비가 정상적인 성능 저하가 파일럿 상태를 결정하는 시스템의 기능을 손상시키지 않습니다. 개별 파일럿에 초점을 맞춘 광섬유 센서 외에도 지상의 모니터에는 파일럿 화염과 플레어 화염을 식별하기 위한 화염 플리커 기술이 통합되어 있습니다. 파일럿 화염은 공기와 미리 혼합되어 작은 오리피스를 통해 빠져 나가기 때문에 광학 검출기로 구분 가능한 고주파 '플리커'를 가지며, 이는 플레어 화염의 느린 펄스와 다릅니다. 광학 모니터 내의 소프트웨어는 저주파 플리커를 제거하고 파일럿 화염과 플레어 화염을 구별할 수 있습니다. 오탐지된 파일럿 신호가 발생하지 않으며, 플레어 화염이 꺼지기 전에 운영자에게 잠재적인 문제를 경고합니다.
그림 3. 파일럿 화염의 광섬유 시스템 검증은 4초 내에 이루어집니다.
파일럿 화염에 대한 열전대 검증은 1분 26초 내에 이루어집니다.
그림 4. 광섬유 시스템은 여러 번의 파일럿 고장과 성공적인 재점화를 확인합니다. 간헐적인 고장 중 열전대는 설정된 전환 지점에 도달하지 못합니다. 시스템은 최종 장애가 발생한 뒤 0.166초 후에 오류를 등록하고 열전대는 최종 장애가 발생한 뒤 23분 후에
오류를 등록합니다.
소비자들이 전자 제품에서 기대하는 것은 발전하는 기술이며, 이는 공정 업계가 안전 장비에 요구해야 하는 사항이기도 합니다. 차세대 파일럿 감지 기술을 통해 정확하고 뛰어난 내구성 및 즉각적인 플레어 파일럿 화염 신호가 가능합니다.
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