WirelessHART에 의한 성공적인 제어

유선 장치에 필적하는 결과를 보여준

흡수-탈거기 테스트

By Frank Seibert (미국 오스틴 소재 텍사스 대학교) 

Terry Blevins (에머슨 프로세스 매니지먼트)

최근 오스틴 소재 텍사스 대학교의 SRP(Separations Research Program)는 장비에 대한 상당한 수정과 추가가 요구되는 테스트 시험 설비 공정에 포함됐다. 이들 활동에서, 공정의 설정과 가동 종료에는 실제의 실행보다 약 3배의 시간이 소요된다. 따라서 설정 시간과 시험 설비 가동중단 시간의 감소는 우선순위가 높은 과제이다. 무선 송신기의 사용은 송신기 배선의 설치 또는 재배치 없이 공정을 재설정하기 위한, 새로운 수준의 유연성을 제공한다.

케이블 단절 없이 흡수기(absorber)와 탈거기(stripper)에서 작업이 가능한 유연성은 가동 중간 시간과 정비 시간의 절감을 통해 지속적인 이익을 제공한다. 그러나 무선 송신기로의 전환을 위한 후보가 되는 여러 가지 측정 방법을 제어에 사용한다. 따라서 측정 신뢰성과 무선 송신기를 사용하여 성취 가능한 제어 성능이 주요 관심사가 되었다. 무선 설치와 유선 설치 성능을 직접적으로 비교하기 위해 흡수-탈거기 공정의 중요한 루프에 필요한 유선 송신기와 병렬로 무선 송신기를 설치했다. 이 기사에서는 이 시험 결과를 제공한다.

공정 장비

제어하고 있는 무선 송신기의 어플리케이션을 평가하기 위해 사용하는 장비 설정은 현재 화력 발전소로부터 이산화탄소 포집과 관련된 연료 효율이 좋은 새 탈거기 공정의 시험에 사용한다. 공정 관점에서, 이러한 장비는 아민 기반 용매를 사용하여 시뮬레이션된 스택-가스 스트림에서 CO2를 제거하는 흡수기(absorber)와 CO2를 회수하여 재생된 아민 수용액을 흡수기에 재활용하는 탈거기(stripper)를 포함한다. 사진은 장비를 보여준다.

일반적으로 흡수기는 전용 솔벤트 및 패킹 또는 트레이 내부를 시험한다. 흡수기는 10피트 패킹 베드 2개를 제공한다. 액체 수집기(liquid collector)와 액체 재분배기(liquid re-distributor)는 흡수기 중간에 위치한다. SRP CO2포집 실험에서 주변 공기는 재생된 탈기 CO2 및 보충 CO2와 혼합되어 흡수기 아래쪽에 공급된다. 가스가 패킹을 통해 위로 흐르면서 CO2는 아래로 흐르는 아민 솔벤트에 흡수된다. 리치 아민(rich amine)으로 언급되는 기존의 솔벤트는 탈기 섹션으로 이동하여 흡수된 CO2를 제거한다.

탈거기는 패킹을 시험하고 전용 솔벤트와 관련된 에너지 효율성을 결정한다. 또한 이 탈거기는 10피트 패킹 베드 2개를 제공한다. 액체 수집기(liquid collector)와 액체 재분배기(liquid re-distributor)는 탈거기 중간에 위치한다. 리치 아민으로 언급되는 흡수기를 떠나는 솔벤트는 격판 교환기(cross-plate exchanger)를 사용하는 탈거기 하부 액체와 함께 가열되어 탈거기 상부에 공급된다. 케틀형(kettle-type) 재비기(reboiler)는 증기를 발생시켜 CO2 일부를 제거한다. 탈거기의 탑상 물질은 증기가 응결되고 린 아민(lean amine)이 흡수기 공급 탱크로 돌아가는 다관형(shell-and-tube) 콘덴서로 이동한다.

무선 설치

지난 수 년 동안 공정 산업용 무선 현장 장치의 개발 및 설계가 빠르게 성장했다. 이용 가능한 무선 기술을 검토한 후, SRP에 WirelessHART 장치의 설치를 선택했다. (기술에 대한 자세한 설명은 www.ChemicalProc-
essing.com/articles/2008/071.html에서 ‘WirelessHART 활용의 극대화’ 참조) 압력 및 차압 송신기를 설치하여 컬럼 압력과 증기 흐름에 대한 제어 시험을 지원했다.

WirelessHART 게이트웨이는 공정 영역의 중앙에 위치하여 Ethernet을 통해 제어 시스템에 연결된다. SRP에 설치된 DeltaV 제어 시스템은 WirelessHART 장치의 구성, 설정 및 진단과 WirelessHART 게이트웨이에 필요한 표준 지원을 제공한다. 따라서 제어 시스템 소프트웨어에 이들 장치를 통합하기 위한 노력은 기존의 현장 장치에 관련된 노력에 필적한다. 이들 장치는 배터리로 전원을 공급하므로 공정에서의 설치에 전선이 필요 없다.

운전자가 유선 입력과 무선 입력을 전환할 수 있도록 컬럼 압력과 증기 흐름의 제어에 필요한 기존의 제어 모듈을 개조했다. 무선 입력에 의한 제어를 선택한 경우 무선 제어를 위해 PID 수정을 자동으로 사용했다. 또한, 운전자 화면에 새로운 측정법과 제어 입력의 소스를 선택하는 스위치를 추가했다. 따라서 운전자는 정상적인 화면을 사용하여 무선과 유선 측정을 언제든지 육안으로 비교할 수 있으며 제어에 사용할 측정 방법을 선택할 수 있다.

자동 제어하는 동안 절대 오차 적분치(IAE)를 계산하도록 제어 모듈에 측정 기준을 추가했다. 또한, 유무선 제어 성능의 비교를 위해 제어에 사용하는 새 측정값의 수와 제어의 지속 기간을 자동으로 기록했다.

시험

Raschig-Jaeger RSP-250 구조 충전의 증류 효율과 유압 성능을 측정하기 위해 최근의 충전 특성 시험 동안 무선 압력 송신기와 증기 흐름 차압 송신기에 대한 예비 시험을 수행했다 (또한 탈거기를 증류탑으로 사용할 수도 있음). 컬럼은 시클로헥산/N-헵탄 이진 시스템을 사용하는 전 환류(total reflux)에서 작동했다. 증류 성능에 대한 압력의 영향도 연구했다. 표준 시험 압력은 2.4, 4.83, 24, 60 psia였다. 무선 시험에서, 기본 압력은 24 psia였다. 프로젝트 후원자인 Raschig-Jaeger는 운전하는 동안 무선 시험을 허용한다는데 동의했다.

그림 1은 유선 압력 송신기와 무선 압력 송신기를 사용하여 컬럼에서 구현한 압력 제어를 보여준다. 이들 시험의 경우, 비례-적분-미분(PID) 튜닝, 필터링 및 제어 구성이 정확히 동일했다. 여기에서 증명되듯이 성능에 시각적인 차이는 없다.
증기 흐름 제어의 경우 유/무선 송신기를 사용하여 유사한 결과가 관찰되었다. 필터링은 유선 측정의 경우 10초, WirelessHART 측정의 경우 0초였다. 유/무선 제어에 대해 원래의 설비 PID 튜닝을 사용했다. 설정점 변경에 대해 동일한 동적 제어가 감지됐다.

표의 설명에서와 같이, 무선 통신을 위해 수정된 PID와 함께 WirelessHART 측정을 사용한 압력 제어와 증기 흐름 제어에서 IAE를 통해 측정한대로 유선에 필적하는 제어 성능을 얻었다. 그러나 WirelessHART는 배터리 드레인을 감소시키기 위해 유선 제어에 비해 흐름 제어의 경우 측정 샘플의 1/10, 압력 제어의 경우 1/6을 사용했다.
이 시험 결과는 무선 통신용 PID 수정과 WirelessHART
송신기의 조합은 기존의 PID를 사용한 표준 SRP 고정 배선 송신기와 동일한 신뢰성으로 동작함을 의미한다. SRP 고정 배선 송신기를 사용하여 구성 및 충전 효율 HETP(이론단 해당 높이) 데이터를 얻은 후 동작이 무선 송신기 및 제어로 이행되는 경우, 추가 시험을 수행했다. 무선 모드에서 상응하는 아래쪽과 증류 구성 또는 HETP에 차이가 관찰되지 않았다.

적극적인 조치

탈거기 증기 흐름과 컬럼 압력을 위한 WirelessHART
송신기를 설치하여 무선의 재배치 비용을 없앴다. 무선 통신을 위해 수정된 PID와 WirelessHART 송신기는 유선 송신기 및 기존의 PID를 사용하는 경우와 동일한 역학적 반응 및 동등한 성능을 제공한다.

WirelessHART의 적용을 SRP의 다른 영역에까지 확장하고 있다. 예를 들어, 흡수기에서 온도 분포를 감시하기 위해 무선 온도 송신기(장치 당 4개의 RTD 입력) 3기를 설치하고 있다. 또한, 아민 수용액에서 CO2 농도를 간접적으로 감시하기 위해 흡수기의 희박액(lean liquid) 입력과 농후액(rich liquid) 출력 스트림에 무선 PH 송신기 2기를 설치하고 있다. 배터리 전원을 사용하는 송신기는 종종 유선 설치에서 귀찮은 문제를 야기하는 접지 루프에 영향을 받지 않으므로 무선 송신기를 사용하면 온도와 pH 측정의 정확성과 신뢰성을 향상시킨다.

FRANK SEIBERT (P.E.)는 오스틴 소재 텍사스 대학교의 SRP(Separation Research Program)의 기술 관리자이다. TERRY BLEVINS는 에머슨 프로세스 매니지먼트(텍사스주 오스틴)의 수석 기술자이다. 전자메일 주소: fseibert@mail.utexas.edu 및 terry.blevins@emersonprocess.com

제어 성능

표1. 유선 및 무선 제어에서 유사한 결과를 제공했다.