1970년대에 개발된 멀티포인트 그라운드 플레어(Multi-Point Ground Flares, MPGF)는 물리적인 구조에서 기인한 이름을 가지고 있습니다. 기존 플레어 시스템이 높은 구조물 위에서 화염을 형성하는 방식인 반면, MPGF는 여러개의 압력 지원 플레어 팁을 지면 배치하여 화염을 분산시키는 구조입니다. 이 플레어 팁들은 상류 압력과 가스 유량이 증가함에 따라 순차적으로 열리고 압력과 유량이 감소하면 닫히도록 설계되어 있습니다.
MPGF는 높은 가용 압력을 갖는 중질 탄화수소 공정에 주로 선택되지만, 이 시스템은 다양한 가스 조성에도 사용합니다. 높은 압력은 다른 보조 방식으로는 달성하기 어려운 플레어 가스의 완전한 무연 연소를 가능하게 합니다. MPGF의 각 플레어 팁은 공기가 자유롭게 유입될 수 있는 구조로, 플레어 가스가 높은 방출 속도로 배출될 때 발생하는 운동량을 통해 완전 연소에 필요한 공기를 자연스럽게 유도합니다. MPGF는 최대한의 무연 성능을 제공하면서 복사열 영향과 플레어 주변에 넓은 안전 구역의 필요성을 최소화하기 위해 설계되었습니다. 현장 주변에 펜스를 설치하면 플레어 화염의 가시성을 차단할 수 있어, 복사열을 감소시키고 플레어링 작업이 대중들에게 미치는 불편을 최소화하는 이중적인 효과를 얻을 수 있습니다.
그림 1은 전형적인 MPGF 설치 예시를 보여줍니다.
개요
국내외에서 멀티포인트 그라운드 플레어에 대한 수요가 증가함에 따라, 이러한 플레어에서 발생하는 소음이 주요 논의 대상이 되고 있습니다. 현재 소음 예측과 이론적 소음 수치에 대한 산업 표준이 확립되어 있지 않으며, 플레어 공급업체마다 상이한 경우가 많습니다.
그동안, Zeeco는 MGPF에 대한 수많은 소음 측정 테스트를 수행해 왔습니다. 본 문서는 업계 최고의 소음 컨설턴트와 협력하여 함께 수행한 테스트와 그 결과를 다룰 예정입니다. 또한, 다양한 가스에서 발생하는 소음을 초음속 및 아음속 유속 조건에서 상세히 분석합니다. 아울러 제트 소음과 연소 소음의 영향을 비교하고, 다양한 거리에서 소음을 계산하는 방법에 대한 추가 정보와 분석도 제공합니다.
Zeeco는 테스트 데이터로부터 도출된 상관관계를 기반으로 멀티포인트 그라운드 플레어의 소음 예측에 대한 연소 산업의 표준을 수립하고자 합니다.
테스트 설정
테스트는 오클라호마주 Broken Arrow에 위치한 테스트 시설에서 진행되었습니다. 테스트 환경에서는 4인치 오리피스 런(orifice run)을 통해 가스 유량을 측정했습니다. 오리피스 런의 상류 압력은 디지털 압력 트랜스미터를 사용하여 측정되었으며 온도는 열전대를 통해 확인했습니다. 또한, 오리피스를 가로지르는 차압은 차압 트랜스미터를 이용해 측정했습니다.
부차적인 유량 측정 검증을 위해 팁 압력과 가스 온도도 기록되었습니다. 팁 압력은 디지털 압력 트랜스미터를 사용하여 측정했고, 가스 온도는 열전대를 통해 측정했습니다. 앞서 언급된 모든 데이터는 데이터 수집 시스템(DAQ)을 통해 동시에 기록되었습니다. DAQ에는 테스트 전 과정에서 풍속, 풍향, 대기 온도, 기압 및 상대 습도를 측정하는 기상 관측 장비가 연결되어 있어, 이를 통해 분석 시 대기 감쇠 효과를 정확하게 계산할 수있었습니다.
사용된 테스트 연료는 Tulsa Natural Gas (TNG)와 프로판이었습니다.
소음 측정은 플레어 팁으로부터 동쪽으로 100'-0"와 200'-0" 거리에서 진행되었으며, 두 개의 Norsonics NOR140 Type I 소음계를 사용했습니다. 각 거리에 소음계를 하나씩 배치하여 테스트 지점에서 동시에 측정했습니다. 각 측정 지점의 소음 데이터는 60초 동안 기록되었습니다.
배경 소음을 최소화하기 위해 야간에 테스트를 진행했으며, 소음 결과에 영향을 미칠 수 있는 불필요한 장비(압축기, 지게차 등)는 모두 작동을 중단시켰습니다.
테스트를 지원하기 위해, Zeeco 텍사스 휴스턴에 위치한 유명한 소음 컨설턴트 전문기업 Hoover & Keith와 협력했습니다. Hoover & Keith의 컨설턴트는 모든 테스트 과정에 참석했으며 데이터 분석에도 관여했습니다.
추가 테스트
10Log vs 20Log 분석
더 높은 연료 유량에서의 테스트는 참조된 실험 데이터 범위를 벗어난 작은 범위 밖의 소음값을 외삽(예측)할 때 발생할 수 있는 오차를 보다 정확히 이해하는 데 도움을 줄 것입니다. 10Log 대비 20Log 함수를 사용한 분석 결과가 더 정확한 경향 상관관계를 보여주긴 하지만, 더 넓은 범위의 연료 유량 데이터를 확보하면 실험적 기준값으로 사용할 최적의 연료 유량을 더욱 명확히 파악할 수 있을 것입니다.
음향 효율성
일정한 출구 면적에서 연료 유량이 증가함에 따라 음향 효율이 높아지는 현상이 관찰되었으나, 실제 인과관계를 파악하기 위해서는 추가적인 테스트가 필요합니다. 다양한 연료 가스를 대상으로 동일한 형식의 테스트를 수행하면 더욱 유익할 것입니다. 이러한 데이터는 서로 다른 발열량과 분자량을 가진 연료 가스 간의 경향성을 분석하는 데 더 중요한 근거를 제공할 수 있습니다. 또한, 연료 혼합물과 불활성 혼합물을 포함한 테스트는 관찰된 현상을 한층 더 깊이 이해하는 데 도움을 줄 것입니다. 앞서 언급한 음향 효율성 테스트는 MPGF의 소음 수준을 보다 정확히 예측할 수 있는 방법을 도출할 가능성을 제시합니다.
연소 vs 배출
연소와 배출 테스트는 각 소음 메커니즘이 지배적인 주파수 범위를 이해하는 데 유용한 정보를 제공하지만, 다양한 분자량과 음속을 가진 연료 가스를 테스트하는 것이 더욱 효과적입니다. 연료 유량을 일정하게 유지하면서 방출 면적을 조정하면 연소와 배출 과정에서 소음을 유발하는 주요 메커니즘을 더 잘 이해할 수 있으며, 연소 소음이 미치는 영향을 더 정확히 파악할 수 있습니다. 이를 위해 연료 방출 속도와 제트 소음을 점진적으로 줄이면서도 연소 상태는 일정하게 유지하는 방식의 테스트가 필요합니다.
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