현장의 In-line 계측

[산업일보]
In-line 계측, 감시 및 분석의 형태는 모든 산업분야에서 쉽게 접할 수 있다. 측정 대상의 형태 (액체 혹은 기체)에 무관하게 In-line 측정법은 기존에 주로 사용되었던 산발적인 샘플링에 의한 공정검사에 비해 다양한 이점을 제공하고 있으며 이를 열거하면 다음과 같다.
● 수집된 데이터의 신뢰성 및 정확도 향상
● 자동 교정과 검증을 통한 데이터의 일관성 향상
● 빠른 결과 도출과 재현성 있는 계측
● 인력 및 시간비용 감축
● 공정의 엄격한 제어
전술한 장점들을 현 시점의 네트워크 및 데이터 수집기능과 조합함으로 측정의 일관성과 정확도를 배가 시킬 수 있을 것이다.
현장 운용자들의 견해를 요약해 보면 다수의 운전자들이 가능한 많은 종류의 In-line 센서가 존재하기를 바라고 있다. 이 방법을 통해 공정의 특성을 잘 반영하는 계측이 가능할 것이라는 것이다. 또한 설치도 간편하며 종래의 샘플링 방식과는 상이하게 공정에서 샘플을 채취하는 별도의 장치나 분석에 소요되는 시간의 손실을 줄일 수 있다는 장점을 제공할 수도 있다.
위에서 기술한 In-line 검출기에서 중요하게 고려되어야 할 사항은 온도, 압력, 유동상태, 오염물 및 부식 등 공정에 상존하는 인자들에 충분한 내성을 가지게 하는 것이다.

In-line 계측의 적용 이유
현장에서 in-line 감시와 계측 기술이 환영 받는 이유는 무엇일까? In-line 장치들은 다수의 변수 (예를 들어 온도, 압력 및 유량 혹은 pH, 전도도 및 용존 산소)를 동시에 측정할 목적으로 사용되고 있으며 주로 공정 제어분야에 적극 활용되고 있다. 예로 하수처리 시설에서 사용되는 살균제의 투입양을 실시간 모니터하고 추가의 살균제가 필요한지 여부의 결정에도 응용되고 있으며 기존의 자체 분석실에서 이를 실시하는 경우 샘플 채취의 빈도 및 분석에 소요되는 시간으로 분석물의 성분이 변하는 등 신뢰할만한 결과 도출에 어려움을 겪고 있다.
추가로 과거와는 다르게 현재의 현장 운전자들은 시간이 소요되는 기존의 샘플링 방식에서 탈피하려고 노력하고 있으며, 전반적인 공정의 추세 또한 더 많은 정보를 더 신속하게 운전자가 원하는 형식으로 공급받아 이를 통하여 공정의 원활한 운전에 기여하기를 바라고 있다.
점차적으로 In-line 계측의 중요성을 인식하고 이를 통해 신뢰성 있고 정확한 분석을 실시하는 사용자들이 증가하고 있으며 종래에 분석실에서 수행되던 측정 및 분석의 횟수를 줄일 수 있다는 가능성도 가시적으로 입증되었다. 그러나 특정의 시료는 분석실 에서의 검증을 필요로 하므로 분석실의 존재는 In-line 분석이 확대되는 과정 중에도 계속적으로 존재하게 될 것으로 기대된다.
In-line 계측기와 휴대용 실험 기자재를 제조하는 업체의 책임자는 이들의 성장율은 계속 적인 증가를 보이고 있으며 이는 위에서 언급한 조직 축소의 일환인 운전인원의 감소에 기인하는 것으로 보고 있다. 현재도 많은 운전자들이 하루에 최소한 한번은 현장에서 샘플을 채취하고 이를 분석실에서 분석하는 일을 수행하고 있지만 이들도 분석결과를 신속히 얻기를 원하고 있으며 추가로 실시간 현장의 pH 값을 알기를 원한다.

개선 추세 및 방법
In-line 분석장치들은 소비자들의 요구사항을 착실히 반영하며 그 성능을 꾸준히 향상시켜 왔다. 현장에서 사용되는 검출소자라는 관점에서 내구성과 내환경성 측면에서의 제품개발이 이루어 졌으며 이들에 적용된 측정원리 자체가 과거에 개발된 기법의 틀을 크게 벗어난 것은 아니다. 이 장치들은 성능이나 기능 측면에서 많은 변화를 경험한 고가의 분석장치나 트랜스미터의 주변장치로서의 역할을 수행하고 있다. 특히 사용자들은 사용자 인터페이스가 용이하고, 자체 진단 기능 및 외부와의 통신을 위한 디지털 포트등을 가진 차별화된 분석장치를 찾고 있는 것이 현실이다. 비록 많은 설비들이 아직까지 아날로그 방식의 트랜스미터를 운용하고 있지만 FOUNDATION Field bus 또는 Profibus 등의 Fieldbus 가 가능한 계기에 대한 관심도 증가하고 있다. 그 이유는 과거의 아날로그 계기들이 제공하지 못하는 계측된 데이터에 접근이 가능한 통신 프로토콜을 가지고 있다는 것이다.
또한 무선통신에 대한 관심도 고조되고 있지만 현재까지는 규격의 통일 및 시장의 주류 부재라는 측면에서 논쟁의 여지가 남아 있다. 추가로 각 방식의 적용시 통달거리 문제, 폭풍에 의한 간섭여부 및 정도, EMI/RFI의 영향 정도 등 고려해야 할 사항이 무수히 존재하고 있다. 그러나 현실적으로 수 많은 적용 현장이 무선화에는 친밀하지 않은 환경을 제공하고 있으므로 당분간은 네트워킹을 통한 상황보고를 활용하는 것이 좋을 것으로 생각된다.
In-line 계측기의 경우, 다수의 일회성 트러블은 해결이 되었다, 예로 pH 센서의 경우, 깨지기 쉬운 유리 전극을 유리 이외의 재료로 대체하여(Honeywell’s Durafet line) 실시간 pH계측에 사용하고 있다. 또한 현장 라인의 수정에 의한 누수 나 누액에 대한 문제도 현재는 최소화 하였다.
또한 센서의 오염에 의한 문제도 ex-situ 접근법과 샘플 취급장치를 사용하여 해결이 되었다. In-line (또는 In-Situ) 분석의 경우, 장치의 고장이 발생하면 공정의 중단이라는 심각한 문제를 발생할 수 있으므로 고장시 검출기를 공정의 중단없이 공정외부로 인출할 수 있는 도구나 방법이 필수적이다. 공정의 중단이 곤란하거나 불가능한 제련소의 수분분석계(Moisture Analyzer)의 경우는 Sample Panel을 도입하는 것이 효과적이다. 이는 소량의 유동을 주 유동라인에서 분지시켜 Sample Panel을 통해 흐르도록 하는 형태로 센서를 보호하고 교정을 위한 접근성이나 취급성을 간편하게 해주는 역할을 수행한다. Sample panel의 구성은 차단밸브, 필터, 검출기, 압력계 및 유량계로 구성된다.
전술한 Ex-Situ 설계는 검출기(Probe) 외부에 센서를 배치하는 형태를 취하고 있으며 연도 가스 분석기(Flue Gas Analyzer )를 예로 들면 연도에 흐르는 가스 중 제어를 통하여 소량을 센서가 있는 공간으로 유도함으로 분석가시내의 분진을 최소화함으로 센서의 오염물 부착 및 막힘 현상을 최소화 할 수 있다. 이러한 분석기는 타 방식에 비해 고가이고 In-Situ가 아님으로 응답시간이 늦다는 단점을 가지고 있지만 보유하고 있는 다른 장점 및 정확도에 의해 소비자의 In-Situ 요구를 충족할 수 있다.
때때로 채취된 샘플은 분석을 하기 전에 냉각기 혹은 필터를 이용하여 저온으로 만들어 주는 것이 필요하지만 이 또한 연속 혹은 on-line/in-line의 한 방법이다. 이러한 처리/조절에 의한 시간 지연이 발생하고 결과를 도출하는 응답시간을 연장하지만 이러한 지연이 종래의 샘플링을 통한 측정에서 기인하는 지연에 비하면 미소하고 또한 궁극적으로는 정확도가 높다는 장점을 가지고 있다.

미래 전망
오늘날 사용되고 있는 In-line 장치나 시스템은 그 수효가 많으며 가까운 미래에 급작스러운 변화를 겪지는 않을 것이다. 그러나 모든 기술이 그러듯이 시간의 경과에 따라 점진적인 성능적, 기능적 변화는 생길 것으로 생각된다.
또한 in-line 장치나 시스템의 세련화 혹은 정교화를 통해 이에 필적할 신규 기술의 시장 진입 시에도 경쟁력에서의 우위를 점할 것이다. 사용자들의 입장에서는 공정에 사용되는 센서가 지능적인 자체 진단기능을 가지고 있어 자기의 상태(교체시기, 세정시기 및 교정시기)에 대한 정보를 사용자에게 제공하기를 바라고 있고 이러한 기대는 점점 현실이 되고 있다.
그러나 비 투입식(Non-Intrusive) 방법들도 진화를 거듭하고 있으며, 이러한 방식을 적용한 초음파 유량계나 광학식 계기들이 현장에 이미 사용되고 있다. 몇몇 판매자들은 초음파 유량계를 사용한 벽면 부착식(Clamp-On) 가스 분석기를 제안하고 있으나 가격이 고가 라는 단점을 가지고 있다.
오늘날의 사용자들은 현장에 진행되는 상황을 정확하게 반영하여 그들이 신뢰할 수 있는 정보를 제공할 수 있는 계기를 필요로 하고 있다. 그에 따라 새로운 기술을 채용한 구조설계와 향상된 성능의 제품이 소비자들의 손에 전달되어 사용될 것이다. 그러나 그러한 신규 제품이나 기술로의 전이는 천천히 점진적으로 발생할 것이고 In-line 장치도 그 영향을 받을 것은 자명한 사실이다. 아래에는 발전소에서 In-line 장치를 도입하여 운전하는 예를 단적으로 보여주고 있다.

적용 예(In-line 분석을 통한 발전설비의 첨단화)
Maysville, KY 의 East Kentucky Power 는 석탄을 연료로 사용하는 이 지역에서는 첨단기능의 화력발전소이다. 지속적으로 첨단 기술을 채용하고 있으며 3기의 발전시설을 운영 중이고 ,06년에 추가의 신설계획을 가지고 있다. 이곳에서는 모든 수질분석을 Honeywell사의 In-line 검출기로 실시하고 있다. 분석시 사용되는 기기로는Ph, 전도도 및 용존 산소 검출기 등이다.
현재 사용중인 제품은 Honeywell의 Durafet pH 검출기로 강물의 분석에 사용되고 있으며 순수의 분석에는 예전부터 운용해 오던 순수용 pH 장치를 사용하고 있다. 또한 추후 보일러 공급수에 적용을 위한 순수용 HPW 7000을 도입하려고 준비 중이다. 취근에 추가도 투입된 장치는 3대의 pH/전도도 메타와 2대의 용존 산소 검출기이다. 이곳 설비에서 생성된 스팀은 근처의 제지공장에 공급되고 있으며 그들 또한 Honeywell의 pH 장치를 사용하고 있다.
운용되는 장비들의 유지/보수는 20년 경력의 베테랑 집단에 의해 세심하게 실시되고 있다. 근년의 주된 업무는 주로 유지보수에 시간이나 경비가 많이 소요되는 장비를 단계적으로 교체나 보수하는 일이었다. 예전부터 사용되는 아날로그 시스템은 시간의 경과에 따라 출력값이 변하거나 노이즈가 발생하는 일이 잦아서 정기적인 교정이나 점검이 필수적이며 운전자들이 근무하지 않는 주말에 문제를 발생하는 일도 있었기 때문이다.
최근의 업그레드는 전술한 문제들을 해결하고자 다수의 전도도, 용존 산소 및 pH 메타를 새로운 디지털 시스템으로 교체하였으며 이로 인하여 신뢰성있고 정확한 현장정보의 수집 및 분석이 가능하게 되었다.
특히 발전 설비에서 보일러가 차지하는 비중이 상당하므로 이들의 상태를 최적으로 유지해야 한다. 만약 보일러에 산성을 띤 물이 공급될 경우 보일러 내부의 배관을 파손하므로 발전설비의 운전이 불가능해 질 수도 있다. 그러므로 항시 공급수의 pH를 In-line으로 감시하고 상태를 DCS로 보고하므로 만약에 발생할 수 있는 불의의 사고를 미연에 방지할 수 있는 것이다.

맺음말
국내에도 많은 종류의 In-line 계측장비가 도입되어서 운용 중에 있다. 해외 운전자들의 바람처럼 제어실에서 현재 공정의 상태를 실시간으로 계측하고 필요한 판단과 결정을 내릴 수 있다는 장점이 국내의 경우도 큰 이점으로 작용하고 있지만 공정의 완전한 In-line화는 적용환경이나 사용자들의 계측기에 대한 믿음 부족, 익숙한 방식에 대한 선호 등으로 점진적으로 필요에 의해 추진되고 있는 것이 현실이다. 또한 하수 처리장, 폐수처리장 및 정수장의 경우도 민간위탁의 비율이 증대하고 있으므로 이로 인한 기관의 규모 축소 특히 소수 인원에 의한 시설 운영이 불가피 한 시점이 되면 자연스럽게 관심을 가지고 각각의 현장에서 필요로 하는 In-line 장비를 도입할 것으로 본다. 그러나 무엇보다 중요한 것은 그 계기를 사용하는 운전자의 적용환경에 대한 통찰과 새로운 제품에 대한 지식일 것이라고 생각한다. 아래에는 관련 계측기의 제조자들의 홈페이지 주소를 소개하고 있으므로 in-line 계측에 관심이 있는 사용자는 참고하기 바란다.
● 참고 : In-line 계측 관련사 홈 페이지
● ABB : www.abb.com/instrumentation
● GE Sensor : www.gesensing.com
● Hach : www.hach.com
● Honeywell : www.honeywell.com/acs
문의: 010-4332-5300

김 인 수 / 웨스글로벌(주)

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