연속적 배출모니터링 시스템의 경제학

연속적 배출모니터링 시스템의 경제학

Koh Yee Tiong
에머슨 프로세스 매니지먼트 아시아 태평양 지역,
분석 및 솔루션 부문 사업 개발 이사

 

연료 연소 효율 및 배출에 있어 모니터링이 필요하다는 의견은 다수의 산업에서 공통적으로 제기되고 있다. 전력 산업의 대형 보일러 및 가스 터빈, 정유 산업의 공정 가열기 및 황 소각 장치, 산업용 보일러, 시멘트 가마, 열병합 발전소 등은 정확하면서도 규제를 준수하는 배출량 모니터링을 요구한다.
IMO(국제 해사 기구)의 보다 엄격하고 엄중한 규제로 인해, 해양 현장에서 위에서 언급된 요구 사항의 중요성은 점점 더 가중되고 있다.
해양 기업들은, FPSO(부유식 원유 생산 저장 하역) 선박 및 다른 항해선에서의 정확한 연료 유량 측정에 소요되는 에너지 비용 상승 때문에 고충을 겪고 있다. 동시에, 이들 선박은 운영상의 요구 사항 및 극도의 제한된 공간으로 인해 모니터링 시스템을 설치하기가 어려운 상황이다.
동일한 맥락으로, 온쇼어 해양 시설에서는 지역 규제를 충족하기 위해 집중적인 배출 통제가 필요하지만, 구성 설정 변경이 수반되기도 하는 환경적 난제(예시: 해염 환경으로 인한 부식)에 직면하곤 한다.
아시아의 모든 산업 시설과 마찬가지로, 해양 설치 설비는 시설의 성장과 변화 잠재성을 제한하는 높은 트렌칭(trenching: 급수관의 포설 배관을 위한 일종의 굴착 작업) 비용을 경험하게 된다. 이처럼 까다로운 환경에 적합한 모니터링 솔루션은 단순하면서도 비용 효과적인 CEMS(연속적 배출 모니터링 시스템)라 하겠으며, 일부 경우 이상적 CEM 솔루션은 무선으로 구현되기도 한다.

운영 성과 향상 사례
아시아의 한 조선 및 해양 엔지니어링 기업은 CEMS 장비를 통해, FPSO 선박의 운영 성능을 향상하고 규제 요구사항을 충족하면서 당 FPSO 선박의 엔진에서 배출되는 가스 조성물을 실시간으로 모니터링 하게 되었다.
CEMS의 설치는 선박에서 연소되는 연료의 배출량을 운영자가 모니터링하도록 허용하며, 여기서 산출되는 정보는, IMO 국제 해양 표준의 충족에 요구되는 이산화탄소, 질소산화물, 아황산가스의 배출 감소를 위해 스크러버(scrubber: 세정 집진기)가 필요한 지 여부를 결정하는데 도움이 되었다.
선정된 FPSO CEMS는 네 개의 각기 다른 증기에서 추출된 샘플을 분석하도록 엔지니어링 된 고객 맞춤 시스템이다. 추출된 표본에는 증기가 많이 포함되어 있으므로, 모든 표본 샘플이 동일한 기체 구성 상태로 유지될 수 있도록 신중한 주의가 필요했다.
결과적으로 모든 샘플 증기는 표본 추출 지점부터 가열되었고, AISI 904L 샘플 튜브를 사용해 시스템 내에 원하지 않는 응축 현상이 발생하지 않도록 고온 상태를 유지시켰다. 상이한 분석기로 행해지는 각각의 분석에 적합하도록 표본 조건을 유지하기 위해, 샘플 조절 시스템 또한 사용했다.
샘플 시스템은 각 샘플 지점에서 채집된 샘플의 변화에 신속히 반응할 수 있도록 설계되었으며, 샘플 조절 시스템과 분석기는 316SS 소재 IP65 내후성 CEMS 외장에 보관되었다. 더불어, 샘플 조절 시스템 내의 특정 기능을 수행하는 데는 PLC(프로그램 가능 논리 제어 장치)가 사용되었다.
PLC는 필요 시 온디맨드(on-demand) 요청을 통해, 각 표본 추출 지점의 필터에 막힘 현상을 유발할 수 있는 고 입자 함량을 갖는 일반적 CEMS에서 공압 역류를 활성화시킨다. 이 공압 역류 기능은, 표본 추출 지점에서 각 필터를 세척할 수 있도록 샘플 조절 시스템의 설계 내에 구현되었다. 더불어, 전체 시스템의 전기적 구성 요소는 ATEX(유럽 방폭 지침) Zone 1, Gas Group IIA(최소 점화 전류 비율 0.8 이상의 가스나 증기에 대한 방폭 등급)의 요건을 충족시켰다.
치밀하게 조성된 FPSO의 공간적 한계로 인해 분석기 외장 하우징의 배치는 허용되지 않았고, 작은 공간만을 필요로 하는 방폭 CEMS의 사용이 가장 이상적이었다. 또한, CEMS에서 사용되는 분석기는 주변 온도의 최대 섭씨 50도까지 적합하도록 설계되었기 때문에 별도의 공기 조절 장치는 필요하지 않았다.
공기 조절 장치는 공간을 차지하고 열을 발생시키며, ATEX 인증 충족을 위해서는 고가 유형의 공기 조절 장치의 사용이 요구된다. 따라서 본 업체에서 선택한 독립형 CEMS의 간결성 및 신뢰성은, FPSO가 배치된 까다로운 해양 현장에 이상적인 선택 사양이었다.

오염 물질 처리 시설 사례
또 다른 CEMS 적용 사례로는, 동남아 지역에 위치한 대규모 온쇼어 해양 오염 물질 처리 시설을 들 수 있다. 본 시설은 위험한 폐기물을 수집하여 처리하는 곳으로, 시설에서 직면하는 여러 난제 요건들을 고려해보니 CEMS가 가장 이상적인 솔루션으로 판단됐다. 또한 소각로의 배출 데이터가 매일 보고될 것을 요구하는 규제 기관의 규정으로 인해, 이 시설에서는 연속적 모니터링이 필수적이었다.
동시에 본 시설은 차후 성장으로 제어실 및 여타 설비의 재배치가 요구될 경우를 대비해, 이동이 손쉬우면서도 유연한 시스템을 요구했다. 향후 이동 가능성이 있음에도 유선 CEM 시스템을 설치하는 것은 비효율적일 뿐만 아니라, 예산의 낭비라고 할 수 있으므로 본 시설을 위한 솔루션은 혁신적 무선 구성 설정으로 결론지어졌다.
시설에 고안된 시스템은 선상 CEMS와 마찬가지로 연도 가스 스택에서 가스를 추출하는 샘플 프로브(probe: 탐침 장치)와, 차후 샘플을 조절하는 샘플 처리 시스템으로 구성되었다. CEMS의 경우, 현장 요구 사항에 의거해 공정 가스 분석기, 산소/가연성 물질 분석기, 불투명도 모니터로 이루어졌으며, 각 분석기 시스템에는 제어실까지 무선으로 데이터를 전송하도록 무선 어댑터가 연결되었다.
본 시스템은 산업용 무선 통신을 위해 IEC 62591 (WirelessHART) 국제 표준을 활용했다. 또한 자체 편성형 메쉬(mesh) 네트워크 접속 형태를 통해, 네트워크상의 모든 장치는 인근 장치로 정보를 전달한다. 만일 두 장치 간의 통신에 장애가 발생한다면, 네트워크는 자동적으로 대안의 경로를 제공하게 되었다.
결과적으로 본 시설의 구성 설정에 대한 변경은 더 이상 전송 경로에 장애를 수반하지 않게 되었다.
해양 분야는 유연하고 비용 효율적인 CEMS의 한 가지 예시에 불과하다. 유무선 여부를 막론하고, CEMS는 아시아 전반에서 배출량 보고에 대한 국가별 요구 사항의 충족이 용이한 이상적인 솔루션이다. 연속적 배출 모니터링 시스템은 설치 및 운영비용의 감소를 능가하여, 무선으로 구현될 시 장기적으로 프로젝트 비용까지 절감하도록 도모한다.

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 연속적 배출모니터링 시스템의 경제학