탈염(Desalination) 플랜트를 위한 비용 효과적인 전략
주목 받고 있는 무선 액체 분석 계장

한국 에머슨 프로세스 매니지먼트

다음의 측정에 필요한 분석기 및 센서를 제공하는 수질 분석 전문 제품들. pH, 전도성, Dissolved Oxygen, ORP, 염소

전 세계적으로 담수(fresh water)에 대한 수요가 증가하면서, 탈염(desalination) 기술이 고갈되고 있는 담수원(fresh water source)의 대안으로 주목 받고 있다.
2008년 초까지 전 세계적으로 13,000개의 탈염 플랜트가 매일 약 120억 갤런 이상의 담수를 생산하고 있었다. 물 전문 조사기관인 Global Water Intelligence에 따르면 (2008년 5월 21일 BusinessWeek), 이 시장은 향후 10년 동안 2배 이상 증가할 것으로 예상된다고 한다. 새로운 탈염 플랜트가 건축되고 기존 시설들이 확장되면서, 플랜트 운영자들은 공정 계장에 첨단 기술, 즉 무선 기술을 적용하는 것이 상당한 비용 절감을 가져올 수 있음을 깨닫고 있다. 그 중에서도, 가장 잠재력이 큰 무선 기술 중 두 가지는 pH 및 전도성(conductivity) 측정이다.
기본적인 탈염 기술에는 두 가지가 있는데, 바로 막분리법(역삼투압)과 증류이다. 비교적 증류 방법이 더 많은 에너지를 사용하기 때문에 역삼투압(reverse osmosis)이 선호되곤 한다(특히 서구에서). 역삼투압 공정에서는, 해수 또는 염분이 섞인 지하수(brackish groundwater)가 고압에서 펌프로 올려져 반투막(semi-permeable membrane)을 통과한다. 이 때, 물은 막을 통과하지만 농축된 소금물인 용존 고형물(dissolved solid)은 걸러진다. 첨단 역삼투압 막은 투입수에 있는 용존 고형물을 99%까지 걸러낼 수 있다.

막 오염
역삼투압 막은 투입수의 고형물에 의해 쉽게 화학적으로 약화되거나 오염될 수 있다. 유해한 화학물질을 제거하고 부유 고형물을 걸러내며, 물때(scale) 형성을 관리하는 것과 같은 전처리(pretreatment)로 막을 보호할 수 있다(물이 역삼투압 막을 통과하면서 수용성염(soluble salts)이 농축되고 침전되면 물때가 형성될 수 있다).
오염된 막을 청소할 수는 있지만, 비가역(irreversible)적인 오염 또한 발생할 수 있다. 영구적으로 오염되거나 화학적인 손상된 막 또한 교체되어야 한다. 이러한 막은 상당한 자본 투자이기 때문에, 전처리 과정을 효과적으로 모니터링하는 것이 중요하다.
전처리 시스템의 일반적인 측정 항목은 pH와 ORP이다. 아세트산 셀룰로오스(cellulose acetate) 역삼투막은 투입수의 pH에 매우 민감하며 알칼리 환경에서 급속도로 부식될 수 있다. 그러므로 투입수를 약 pH 5로 유지하고 지속적으로 모니터링해야 한다.

탈염소 모니터링
방향족 폴리아미드 복합막(aromatic polyamide composite membrane)은 pH에 더욱 강하며 pH 2~10 사이에서 유지될 수 있다. 하지만 이 막은 염소에 의해 손상될 수 있다. 일반적으로 염소는 폴리아미드 막(polyamide membrane)을 사용하는 시스템에서 사용되지 않지만, 일부 경우에는 생물학적 오염 위험이 너무 커서 염소가 필요할 수도 있다. 염소를 의도적으로 추가하든 이미 존재하고 있든지 간에, 이를 반드시 제거할 필요가 있으며 탈염소 화학물질을 사용하여 처리할 수 있다.
탈염소를 모니터링하는 편리한 방법은 ORP(산화 환원 전위)를 측정하는 것이다. 전처리의 다른 중요한 목표는 물때 형성을 방지하는 것이다. 물때가 형성되는 원인은 다양하기 때문에 여러 가지 관리 전략이 요구되지만, 어떤 경우에는 pH를 낮추기 위해 산을 추가하는 것만으로도 효과적이다. 산을 과도하게 또는 너무 적게 추가하는 것을 막기 위해 pH를 지속적으로 모니터링해야 한다.

막 성능 측정
분리 공정에서 가장 유용한 측정 항목은 전도성(conductivity)이다. 해수 또는 염분이 섞인 물(brackish water)에서 제거되어야 하는 고형물은 대체적으로 이온성(ionic)이기 때문에, 전도성을 사용하는 방법은 막 성능을 측정하기 위한 저렴하고 쉬운 방법이다. 일반적으로, 투입수와 침투물(permeate)의 전도성을 모두 측정하며, 막에 의해 걸러지는 고형물(퍼센트)을 연속적으로 계산한다. 막 성능의 예상치 못한 변화는 즉시 운전자에게 전달된다. 예전에는 공정 계장을 추가하면 각 트랜스미터를 제어 시스템에 연결해야 하기 때문에 광범위한 케이블 네트워크도 설치해야 했다. 때문에 케이블, 도관, 마셜링 패널(marshalling panel), 엔지니어링 및 설치비용이 계장 비용 자체를 넘어서는 일이 종종 있었다.

막대한 비용 절약을 가져오는 무선 기술
새로운 플랜트를 설립하거나 기능을 개선할 때, OEM(주문자 상표 부착) 제조업체와 플랜트 관리자들은 무선 계장을 활용해 이러한 비용을 절약할 수 있다. 무선 트랜스미터가 부착된 스키드(skid)는 플랜트 설치 후 추가 배선을 필요로 하지 않는다. 탈염 플랜트는 수많은 스키드를 사용하고 있기 때문에 무선 기술은 비용을 상당히 절약시켜준다.
최근에 pH 및 전도성 측정을 위한 업계 최초의 무선 트랜스미터가 출시됐다. 이러한 트랜스미터는 WirelessHART 통신 프로토콜(플랜트 무선 기술에 있어 사실상의 업계 표준이 되고 있는 개방형 플랫폼)을 사용한다. WirelessHART는 HART Communication Foundation이 관리하는 개방형 표준이기 때문에, 초기에 이를 도입한 회사들은 무선 기술 투자가 단일 공급업체에 한정될 것이라고 우려할 필요가 없다. 이 트랜스미터는 WirelessHART 규격 기기의 모든 네트워크와 원활하게 호환된다.
WirelessHART 프로토콜은 무선 트랜스미터가 ‘자기 조직 네트워크(self-organising network)’안에서 작동하게 한다. 이 구성에서는 네트워크상의 모든 무선 기기가 근처 기기를 위한 라우터(router) 역할을 한다. 모든 기기가 각 메시지를 위해 가장 효율적인 통신 경로를 파악/사용하기 때문에 높은 수준의 데이터 신뢰도와 네트워크 가용성이 보증된다. 이 네트워크는 수동적인 개입 없이, 데이터 흐름을 방해하지 않고 역동적으로 자신을 재구성한다. 전형적인 탈염 플랜트 내에서의 수많은 스키드와 계기는 견고한 무선 네트워크를 실현케 한다.
그 성공 가능성과 비용 효과성에 기여할 수 있는 기술 중 하나가 무선 계장이며, 무선 pH 및 전도성 분석기의 등장은 유용한 수단을 제안한다.

무선 기술의 이점
무선 네트워크의 경우에는 보안이 언제나 중요한 문제이다. 새로운 트랜스미터는 WirelessHART 표준이 제공하는 다층(multilayered) 보안 기능을 온전히 활용하는데, 여기에는 자동 키 회전을 통한 암호화, 기기 인증 및 데이터 검증이 포함된다. 외부 간섭은 스펙트럼 확산 통, 신(spread-spectrum broadcast)과 소음 스펙트럼을 피하는 자동 채널 선택에 의해 최소화된다. 그 결과 유선 시스템과 대등한 수준의 보안 및 신뢰성이 가능하게 된다.
WirelessHART 프로토콜의 또 다른 이점으로 무선 신호를 통한 진단 기능을 들 수 있다. 예를 들어, WirelessHART pH 트랜스미터는 슬로프(slope), 오프셋(offset) 및 유리/참조 임피던스(glass/reference impedance)와 같은 데이터를 제공하며, 이것은 오염되었거나 파손된 센서, 혹은 수명이 다해가는 센서를 파악하는데 도움을 준다. 진단 정보는 공정 변수와 함께 플랜트 제어 시스템에 전달되어 운전자들에게 pH 측정값의 유효성을 평가하기 위한 정량적 수단을 제공한다. 이런 정교한 수준의 데이터는 불필요한 유지보수 비용을 감소시키며, 비 계획 정지 위험을 줄이는데 크게 도움이 된다.
무선 트랜스미터에는 대부분의 공정에서 수년간 지속될 수 있는 고-전력 배터리 모듈이 장착되어 있다.
탈염 시장의 잠재력은 계속 증가하고 있다. 그 성공 가능성과 비용 효과성에 기여할 수 있는 기술 중 하나가 무선 계장이며, 무선 pH 및 전도성 분석기의 등장은 유용한 수단을 제안한다.

저자소개
이 기사의 저자인 Mr Joe Covey는 에머슨 프로세스 매니지먼트의 Rosemount Analytical Liquid 수석 제품 관리자로 일하고 있다.

EDDL(Electronic Device Description Language) 표준의 최신 개선을 지원하는 HART Communication Foundation HART Communication Foundation은 국제전기기술위원회(International Electrotechnical Commission)의 IEC 61804-3 표준(두 번째 버전)에 통합된 Electronic Device Description Language (EDDL)의 최신 개선을 지원한다. EDDL은 수많은 현장 기기로부터 수집된 실시간 진단 및 자산관리정보 통합을 위한 업계의 핵심 표준이며, 이를 통해 자동화 시스템의 최적 데이터 및 기기 상호 운용성을 지원한다.
HART Communication Foundation의 전무이사인 Mr Ron Helson는 “EDDL 표준의 최신 개선은 공정 자동화 산업의 사용자에게 유익을 줍니다. 기기들은 점점 더 정교해지고 있으며 EDDL은 이를 사용하기 쉽게 만듭니다. 지능형 계장들의 장점을 온전히 활용할 수 있도록 데이터를 정보로 바꿔주는 역할을 합니다. EDDL 표준은 산업 자동화를 위해 비할 데 없는 편리함, 안정성 및 역호환성(backward compatibility)을 가져옵니다. 이를 통해 기존의 DD가 보호되고 사용자들은 투자 손실 없이 연속적인 이동 경로(migration path)를 확보할 수 있습니다”라고 말했다.

EDDL 표준의 최신 개선은 지능형 기기들을 자동화 시스템과 통합하는데 있어 다음의 발전을 가져왔다.
- 기기 가동을 단순화하고 속도를 증진시키기 위해, 기기 제조업체가 제안하는 기본 매개변수 값으로 오프라인 구성을 지원
- 유니코드 문자셋(Unicode character set)을 지원하여, 매개변수 라벨(parameter label), 진단 및 기기 제조업체 전문가들로 하여금 다양한 언어로 텍스트를 표시할 수 있게 함(중국어, 일어, 러시아어 등)
- 더욱 쉽고 빠른 가동 및 유지보수 작업을 위해 사용자 친화적인 그래픽으로 모든 진단 기기들과 설정 정보를 표시할 능력
- 사용자가 선호하는 언어에 기반하여 일러스트레이션을 표시하는 새로운 기능(문제 해결을 위한 첨단 진단 및 안내 설정을 위해 제조업체의 노하우를 전달하는 텍스트와 이미지를 표시)

1990년부터 HART Communication Protocol의 핵심 요소였던 EDDL은 구성, 설정 유지보수 및 HART 기기 지원을 위해 HART Communication Foundation이 승인하는 유일한 기술이다. 새로운 개선을 통해 EDDL 표준은 산업 자동화에 필요한 역 호환성과 안정적인 수명을 유지한다. 또한 설치된 기기 및 시스템의 호환성을 유지하며, EDDL 파일이 동일한 방식으로 시스템에서 사용될 수 있게 한다. 이에 더해, EDDL 표준은 실행 소프트웨어 문제없이 업데이트를 계속할 수 있게 한다.
EDDL은 시스템과의 통합을 위해, 지능형 현장 기기의 독특한 특징을 설명하는 텍스트에 기반하는 언어 표준이다. HART Communication Protocol은 EDDL을 최초로 실행했고, 이를 통해 공급업체들이 자신들의 제품을 수많은 호스트 애플리케이션이 읽을 수 있는 단일/개방적/일관적 형식으로 정의할 수 있게 한다. 이는 소형 통신기기, 제어 시스템, PC 및 기타 공정 인터페이스 기기들을 포함한 다양한 업계에 적용된다.