가스 크로마토 그래프를 이용한 탄화수소 노점 측정

가스 크로마토 그래프를 이용한 탄화수소 노점 측정
Shane Hale
에머슨 프로세스 매니지먼트, Rosemount Analytical Gas

일정한 압력 하에서 가스 내에 탄화수소 증기가 응축하기 시작하는 온도인 HCDP(hydrocarbon dew point: 탄화수소 노점)의 산정은, 천연 가스 산업에서 점점 더 중요한 요소가 되어가고 있다.
생산 업체들이 사상 저가로 판매되는 천연 가스 대신에 보다 수익성이 높은 NGLs(natural gas liquids: 천연 가스 액화물)을 산출하기 위해서, 재래형 유전과 셰일 가스 매장지에서 보다 중량의 가스를 추출하는데 초점을 두고 있다는 점이 HCDP가 중요한 요소로 떠오르는 가장 큰 이유이다. 따라서 부가스(rich gas)가 완전히 처리되지 않을 때에는 탄화수소 액체가 가스 전송망 내로 진입하거나 형성될 수 있는 위험이 증가하게 된다.
가스 흐름 내의 탄화수소 액체는, 수화물(hydrate) 생성에서, 압축비용 상승, 압력 조절기 동결 문제 초래, 가스 터빈 및 여타 최종 사용자 장비의 손상까지 야기할 수 있다. 뿐만 아니라, 전송망으로 진입하는 탄화수소 액체가 가스 계량 설비에서 측정되지 않거나, 중량의 고 에너지 탄화수소가 전송망 내에서 응축수(또는 ‘액체 방울’)로 이탈되지 않을 경우, 해당 전송망을 빠져 나가는 가스의 에너지 함량이 전송망으로 진입하는 가스의 에너지 보다 적기 때문에, LAUF(lost and unaccounted for: 손실 및 미계량) 에너지가 상승하게 된다. 이에 따라, 소유권 이전 전송 계약 시 HCDP의 제한을 정확히 지정하는 관례가 점차 늘어나고 있다.
HCDP를 산정하는 전통적인 방법은 냉각 거울 장치를 사용하는 것으로, 탄화수소 증기 응축이 감지될 때까지 천연 가스를 충전하여 측정 챔버(chamber) 내 거울의 온도를 낮추는 방식이다. 상이한 측정 기법을 활용하는 여타의 전용 HCDP 분석기 역시 가용하긴 하지만, 이는 모두 단일 압력 상의 HCDP로 국한되고, 한 가지 측정만을 제공한다는 단점이 있다.
전용 HCDP 분석기의 대안은, EOS(상태 방정식)을 이용해 GC(가스 크로마토그래프)로부터 얻어진 성분의 모든 압력 상에서 탄화수소 노점을 계산해 내는 것이다. 알려진 EOS에 천연 가스 성분을 대입함으로써, 이론적 HCDP는 압력과 무관하게 산정될 수 있고 Cricondentherm(모든 압력 상 탄화수소 증기 응축이 발생하는 최고 온도)까지도 계산할 수 있다. 계산된 값의 유효성은, 특별히 탄소 수가 높은 탄화수소(C6 ~ C9)에 사용되는 성분의 정확도에 따라 달라질 수 있다.  가장 일반적으로 사용되고 용인되는 두 가지 EOS는 다음과 같다.
ㆍ Peng-Robinson (PR) (1976) 상태 방정식: ‘파이프라인 품질 가스(pipeline quality gas)’에 가장 상용되는 방식
ㆍ Redlich-Kwong-Soave (RKS) (1972) 상태 방정식: 기존 Redlich-Kwong (1949) 상태 방정식을 Soave가 개선한 방정식
GC는 이미 소유권 이전 방식 거래 시 측정에 있어, 에너지 함량, 압축성, 밀도, 기타 물리적 속성의 확인을 위해 사용되고 있다. 따라서, EOS를 이용하여 HCDP를 산정하는 GC를 활용한다면, 기존 필요 장비로부터 소중한 정보를 추가로 획득할 수 있다.
어떤 압력 하에서도 HCDP를 추산할 수 있는 성능은, 현저한 측정 향상 및 LAUF 에너지 감소라는 고도의 실용성을 함축한다. 오리피스 계기, 터빈 및 초음파 유량계와 같이 소유권 이전 거래에서 사용되는 유량계들은, 대체적으로 +/ 0.5% 이하의 불확실성으로 단상(單相) 가스 유량을 측정하도록 설계된다. 하지만 탄화수소 액체가 형성될 때, 해당 불확실성은 상당히 증가한다. Zanker와 Brown(2002)은 초음파 유량계를 통과하는 성층류(成層流)에서 최대 5%까지 오류가 발생된다고 보고한 바 있다. 일부 계기는 이상류(二相流)를 감지하는 성능을 갖추고 있지만, 유량 측정 정확도가 이미 손상된 시점이라면 시정 조치를 취하기에는 너무 뒤늦게 된다.
모든 압력 하에서 HCDP를 계산할 수 있는 GC는, 이상류 및 이에 따른 부정확한 측정을 방지하는데 사용할 수 있는 매우 유용한 운영 진단 기능을 제공한다. 정상적인 단상 가스 유량 조건에서 가스의 HCDP는 유체 온도 보다 낮고, 모든 탄화수소는 해당 가스 상(相)으로 존재한다. 만일 가스의 농도가 높아지고 혼합물의 HCDP가 파이프라인 온도 이상으로 상승하면, 중량의 탄화수소는 액체상으로 이탈하고 잔존 가스의 HCDP는 유체 온도와 동일해 질 것이다. 이 때, 운전원은 현재의 파이프라인 압력에서 HCDP를 산정하여, 이를 현재의 파이프라인 온도와 비교해서 이상류 존재 여부를 결정할 수 있다. 더불어 HCDP 온도가 유체 온도의 일정 범위(예를 들어, 10°F) 이내가 되도록 경보를 설정하여, 운전원은 이상류(부정확한 유량 측정 수반) 발생에 대에 조기에 확인할 수 있다(그림 -1 참조). 본 경보의 발생 시, 생산 담당자는 공정에 적합한 조치를 취하여, HCDP가 추가적으로 상승하여 유량 측정 정확성이 저하되는 이상류로 이동하지 않게 예방할 수 있게 된다.


파이프라인 압력 및 온도는 소유권 이전 측정 시스템의 일환으로 이미 측정되고 있으므로, GC는 수동 입력이나 감시 시스템의 Modbus 인터페이스를 통해 압력 값을 수신할 수 있다. ‘이상류 조기 경고’ 경보는 해당 감시 시스템에 구성될 수 있으며, 설비 경보 관리 시스템으로의 통합 또한 가능하다.

가스 크로마토그래프 요구 사항
천연 가스 소유권 이전 거래에 사용되는 가장 일반적인 GC 구성은 ‘C6+’ 적용 방안이다. 우선, 분석기가 헥산 및 상대적으로 부피가 큰 구성 성분 전체를 복합 역상 성분으로 측정한다. 이후, 제어기는 측정된 C6+ 농도의 고정 비율로부터 에너지 및 물리적 속성 계산에 사용되는 헥산, 헵탄, 옥탄에 대한 이론값을 계산한다. 당 비율은 대체적으로 소유권 이전 거래 당사자 간의 합의에 의해 결정되며, 대다수의 경우 [표 - 1]에서 제시된 일반적 산업 ‘분할’ 비율 중 하나로 지정된다. 에너지 함량, 압축성, 밀도를 비롯해 일반적인 물리적 속성을 계산하는데 이와 같은 C6+ 분획의 추산 혼합물을 사용할 시, 측정 시스템의 여타 불확실성 이하로 낮게 나타난다.

그렇지만 천연 가스에서 발생하는 응축물은 액상을 형성하는 상대적으로 중량의 성분이라 할 수 있다. 이에 따라, HCDP에 미치는 중질 탄화수소의 효과는 C6+ 농도와 비례하지 않게 된다. 즉, HCDP를 계산하는데 C6+ 분획의 고정 비율을 사용하는 것은 대단한 오류를 만들게 되며(그림 - 2 참조), 응용 정확도는 부족해지게 된다.

상기 제약을 극복하기 위해서는, GC는 반드시 액상으로 이탈되는 중질 탄화수소를 분석해야만 한다. 이상적으로, GC를 C12 이상까지 가능한 확장된 분석을 수행하도록 설정할 수 있다면 최소의 불확실성만을 수반할 테지만, 대부분의 소유권 이전 거래 측정이 이뤄지는, 인력이 부재한 원격 위치에서 실용적이지 못한 화염 이온화 검출기를 요구한다.
C9+ GC를 사용한다면, HDCP가 요구로 하는 정확성과 원격 최종 사용자가 필요로 하는 안정성 및 효용성의 균형을 맞출 수 있다. 두 개의 견고한 TCD(thermal-conductivity detector: 열 전도도 검출기)를 사용하는 C9+ 적용 방안은 화염 이온화 검출기와 비교해 일반적 소유권 이전 거래 환경에 보다 적합하며, 전체 C12 분석을 통해 계산된 산정값이 +/- 5°F 이내가 되도록 결과를 제공한다. 해당 계산은, 가스원이 비교적 일정한 상세 현장 실험실 분석으로 결정되는 이성질체 비율과 일치하도록 특성화 하는 것도 가능하다.
확장 C9+ 분석은 병렬 분석으로 수행된다. C1 ~ C5 성분에 대한 첫 번째 분석 경로에서는, 역상 C6+ 성분을 무시하는 일반적 C6+ 방안과 동일한 분석법을 사용해 질소 및 이산화탄소를 측정한다. 두 번째 분석 경로의 경우, 중질 성분은 헥산, 헵탄, 옥탄 그룹과 역상 n-옥탄보다 무거운 성분 그룹으로 분류되어, 그룹화 된 C9+ 성분값을 제공한다. 하기 [그림 - 3]에서, 청색 선은 C1 ~ C5에 해당하는 이산화탄소 및 질소 분석을 나타내며, 적색 선은 헥산, 헵탄, 옥탄, C9+ 분석을 표시한다.

어떠한 압력에서도 HCDP를 계산하여 유동 조건에서도 HCDP를 결정할 수 있는 C9+ GC의 성능으로, 파이프라인 운영자는 중질 탄화수소가 전송망에 진입하기 이전에 올바른 대처를 수행할 수 있게 된다. 유량계 전반으로 단상 가스 흐름을 유지하여 유량 측정의 정확도를 지켜낸다면, 수익성 향상에 직접적으로 영향을 미치는 LAUF 가스의 현저한 개선이 가능하다. 이러한 C9+ GC의 기능성은 소유권 이전 거래에서 이미 사용되고 있으며 계측 인력들에게도 익숙한 GC 성능의 연장이다. 결론적으로, C9+ GC는 추가 비용 지출이나 별도의 엔지니어링 및 조작 작업 없이도, 탄화수소 액체로부터 가스 파이프라인 전송망 시스템을 보호할 수 있는 손쉬운 방법을 제시한다.

  

 

저자 소개
Shane Hale은 현장 기술자로 업계에 처음 발을 들여, 프로젝트 엔지니어링 및 시운전 등을 거친 15년의 경력을 쌓아왔으며, 현재는 에머슨 프로세스 매니지먼트의 가스 크로마토그래프 제품 책임자로 재직 중이다. 그는 AGA Transmission Gas Measurement Committee(수송 가스 측정 위원회) 회원이며, ISO 표준 워크 그룹에도 참여하고 있다. 

'유량계 전반으로 단상 가스 흐름을
유지하여 유량 측정의 정확도를
지켜낸다면, 수익성 향상에 직접적으로
영향을 미치는 LAUF 가스의 현저한 개선이 가능하다.
이러한 C9+ GC의 기능성은 소유권 이전 거래에서 이미 사용되고 있으며
계측 인력들에게도 익숙한 GC 성능의 연장이다.
결론적으로, C9+ GC는 추가 비용 지출이나 별도의 엔지니어링 및 조작 작업 없이도,
탄화수소 액체로부터 가스 파이프라인 전송망 시스템을 보호할 수 있는 손쉬운 방법을 제시한다.'

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 가스 크로마토 그래프를 이용한 탄화수소 노점 측정