쥴리 발렌타인(Julie Valentine)

에머슨 석유정제산업 유량 솔루션 이사

고온 가열에 사용되는 장치인 가열로는 증기 생산이나 에틸렌 분해 등의 화학 반응에 열을 제공하기 위한 보일러 계통이나, 분류 또는 증류탑의 열원으로서 사용된다. 일반적 으로 정유 및 석유화학 플랜트에서 사용하는 가열로는 천연 가스나 연료가스를 연소해 열에너지를 얻는다.

가열로 운전에 있어 가장 큰 과제는 안전과 동시에 에너지 효율, 친환경성, 규제 적합성을 모두 고려해야한다는 점이다.

연소 효율 측정에 가장 좋으면서도 일반적으로 사용되는 방법은 연소 가스 내 O2 비율을 모니터링하는 것이다. O2 수치가 높으면 안전성이 보장되지만, 열효율이나 환경 규제 면에서는 부정적인 영향을 끼친다.

반면 연소 가스 내 O2가 너무 낮으면 반화학량적(산소 부족) 연소가 발생할 위험이 있으며 가열로가 트립되거나 심한 경우 손상될 수도 있다.

목표 O2 설정값을 낮추고, 안전-효율-친환경 사이에 균형을 달성하기 위해서는 가스 내 O2의 변동율을 최소화해야 한다.

전통적으로는 공정 출구 쪽 온도계나 %O2 트림 제어기에서 측정한 값을 유량 제어기에 보내는 방식을 사용하고 있으나 이 방식은 실제보다 늦은 데이터로 제어를 한다고 볼 수 있다. 연료 가스의 압력이나 체적 유량을 사용하는 캐스케이드 제어 루프(Cascade control loop)의 경우에는 연료의 구성 성분이 급격하게 변할 경우 작동에 어려움이 발생할 수 있다.

발열량이 달라지면서 연소 가스 내 %O2가 변하게 되는 근본 원인은 연료가스나 천연 가스의 구성 성분이 변화함에 따라 총 발열량이 운전 중에 변경되기 때문이다. 『API RP 538 일반적인 정유 및 석유화학 산업용 가열 보일러(Industrial Fired Boilers for General Refinery and Petrochemical Service)』에서 발행된 다음 표는 연료 가스 및 천연 가스의 일반적인 각 구성성분이 발생하는 총 발열량을 질량 기준과 부피 기준으로 나누어 비교하고 있다.

표를 보면 발열량은 부피 유량보다 질량 유량과 훨씬 더 가까운 상관관계를 가지고 있다. 질량 유량을 기반으로 연료 가스의 설정값을 제어할 경우 연소에 주입되는 에너지와 그에 따라 필요한 공기(산소)를 더 미세하게 제어할 수 있다. 수소(H2)는 상대적으로 일정한 에너지 값을 가지고 있지 않다. 질량 기준으로 볼 때, 에너지 량이 메탄의 두 배다. 그러나 탄화수소에 비해 H2는 워낙 가볍기 때문에 에너지/질량 기반 전체 발열량에 큰 영향을 미치지는 않는다.

유량 제어에 코리올리스를 사용한 자연통풍 가열로의 단순한 유량 도식은 그림 1과 같다. 이형식의 제어에서 보상할 수 없는 값은 딱 한가지인데, 바로 불활성 성분(불연성) 내에 존재하는 변화이다. 이는 분자량이 높으면서 발열량은 없기 때문에 이를 측정하기 위해 불연성 성분 분석기가 제어 시스템에 추가되어야 한다.

이 방식 제어의 향상을 위한 또 다른 방법은 연료 가스나 천연 가스 비중계를 추가하는 것이다. 천연 가스의 비중과 에너지 함량의 관계는 AGA-5에 의해 다음 방정식에 잘 성립되어 있다.

발열량(BTU/SCF)=1150.1(S.G)+143.77-(%CO2× 25.38)-(%N2×16.639)

연료 가스(RFG)의 경우 에너지 함량을 일반화하여 정의할 수 없으나, 각 현장에서 데이터를 수집해 연료가스와 가스의 비중 사이의 관계를 수립하고 검증할 수 있다.

코리올리스 유량계를 통한 질량 유량 측정값과 가스의 에너지 함량을 결합하면 연소에 필요한 에너지와 가열로의 열 배출을 제어할 수 있다.

코리올리스 유량계와 비중계를 사용하면 연소 제어 향상으로 인한 안전과 효율 면에서 얻는 혜택과 더불어 규제 준수와 관련해서 얻게 되는 혜택도 있다. 연소에 소비되는 연료는 환경관리감독 기관에 보고되어야하는데, 이 공정을 제어하는 유량계는 정확도와 검교정 주기에 대한 요구 조건이 있기 때문이다.

일부 코리올리스 유량계의 경우에는 미터 상태를 자동으로 검증하는 진단 기능을 갖추고 있어 측정 정확성을 검증하기 위해 공정에서 분리할 필요가 없으며, 대부분의 환경관리감독 기관에서 인정해 주는 자동진단시스템(Smart Meter Verification, SMV)을 갖춘 코리올리스 유량계도 있다.

코리올리스 유량계가 연소 제어에 미치는 혜택은 간단히 다음과 같이 요약할 수 있다.

•수시로 변하는 구성 성분에 따른 연료 대 공기 비율 제어 능력 향상

•연소 가스 내 O2 감소(연소 과정에 공급되는 과도한 공기 감소)

•공기량이 불충분한 상태나 가열로가 트립될 확률 감소

•안전성, 효율성 및 환경적 관점에서 허용되는 %O2 설정값을 선택할 수 있는 능력 향상

•정확도와 신뢰성이 향상된 매연관련 보고

•운영비 절감

그림 1. 자연 통풍 가열로의 유량 제어에 코리올리스 유량계를 사용한 도식