석유 드릴링 및 정제산업에 있어서 최악의 환경조건 및 유해 물질의 존재로 인해 산업에 따른 안전 요구가 상당히 높게 대두되고 있다. 이러한 분야에 사용되는 계장장비는 반드시 일정한 폭발 방지 수준에 도달해야 한다. 최근에 와서 Baumer는 석유산업 관련 업체들을 상대로 신뢰성이 우수한 계장 장비를 제공하고 있다. Baumer는 프랑스 TOTAL 그룹 등 주요 석유/천연가스 업체들을 상대로 제품과 기술지원을 제공하고 있으며, 상기 사용자들의 안전 기준을 파격적으로 향상시킬 수 있게 됐다.
글로벌 석유자원의 지속적인 감소로, 최근 몇 년간 세계 원유 산량이 줄어들고 있다. 2008년 글로벌 일 평균 생산량은 7,500만 배럴인데 2010년에 와서 6,500만 배럴로 줄어들었다. 반면에 글로벌 에너지 수요와 석유 소비는 여전히 상승세를 보이고 있다. 이런 욕구를 충족시키기 위해 석유산업은 초중질유, 천연역청 등 생산이 극히 어렵고 에너지와 물 자원 소비가 큰 연료자원 생산에 힘을 기울일 수밖에 없게 됐다.
석유산업에서 계장장비에 대한 요구
석유산업에서는 기계장치(예를 들면 압력 게이지, 온도계 및 화학 실링), 그리고 다이어프램 및 압력전송기 등 여러 가지 계장장비가 사용되고 있다. 이상의 장비들은 정제공장, 석유/천연가스 수송 등 업스트림 및 다운스트림 생산과정에서 큰 도전에 직면하고 있다. 모든 프로세스는 정확하고 신뢰할 수 있는 측정장비를 사용해야 한다. 가혹한 환경조건, 고온고압상태, 미디어 중 유해물질의 영향 등 불리한 조건 하에 에너지 생산과 환경보호 사이의 모순조정은 석유 업계의 가장 큰 과제 중의 하나로 인식되고 있다. 따라서 공장은 절대적인 고장 없는 작동이 필요하며, 이어서 정확하고 신뢰할 수 있는 측정을 요구한다. 또한 초중질유와 천연역청의 생산은 새로운 방식으로 생산하기 때문에 그에 따른 압력 게이지, 온도 게이지 및 액체 레벨 게이지가 필요하다.
[그림 1. Baumer의 석유 및 석유화학 특별 계장장비.]
해상 드릴링에서의 압력측정
해상 드릴링에서 압력과 온도는 오일 레이어의 깊이가 증가됨에 따라 높아진다. 1,500미터의 물 깊이에서는 온도가 4℃이고 압력은 15MPa다. 영국 북해 Elgin/ Franklin 해양퇴적층과 같은 깊은 오일 레이어(5,000미터 이상)에서는 압력이 110MPa, 온도가 190℃로 증가된다. 또한 복잡한 지질학적 구조로 인해 드릴링 과정 중에서 압력이 갑자기 변경될 수도 있다. 따라서 우리는 유정분출을 피하기 위해 오일압력의 제어가 필요하다. 시굴공의 강도를 유지하고 하단에 대한 압력보상을 위해 유정에 머드 주입을 해야 한다. MFR6은 머드 주입 압력을 제어하는 특수 센서인데, 드릴링 전문용으로 설계된 내구성 압력 센서다. 이 제품은 0...6MPa부터 0...100MPa까지의 압력을 측정할 수 있다.
분출방지기(BOP)는 시추공의 위에 위치하고 있는 여러 개의 차단밸브로 구성돼 있는데, 이는 핵심적인 안정장치다. MEX5와 MEX8 압력 게이지는 분출방지기의 압력측정에 사용할 수 있다. 석유산업의 가혹한 작동조건에 대비해 디자인한 계장장비로서 스테인리스스틸로 봉입돼 있고 160MPa의 압력을 측정할 수 있다. Baumer는 또 316L 스테인리스스틸, 모넬 합급 등의 재질의 부르동관 압력 게이지도 제공한다.
드릴링하는 동안 시추 내부에 압력 변환기는 시추공 내부의 압력을 측정할 수 있다. 엑스트라 티프의 경우 오일 레이어 중 온도가 아주 높은데(180℃ 정도 고온으로 전자장비의 작동 한계점임), 이를 대비해 Baumer는 대형 드릴링 서비스 회사와 손을 잡고 상기 응용을 위한 압력변환기를 개발했다. PDRB형 변환기는 그 견고성과 가혹한 환경 하에서의 뛰어난 정밀도로 널리 알려지고 있다.
석유탐사에 사용되는 측정장비가 접촉하는 물질은 대부분 부식성이 있다. 따라서 측정장비는 내식재료를 사용해야 한다. 많은 압력 측정장치는 바닷물 부식에 견디는 모넬 혹은 하스텔로이로 만든다. 황화수소(부식성이 매우 강한 가스)가 생성되는 프로세스에 대비해 Baumer는 페놀로 봉입된 압력 게이지를 제공한다. 측정장비는 내식성 매체에 견딜 수 있어야 할 뿐만 아니라 고온에도 견뎌야 한다. 화학 SEAL은 부식이나 유해 매체를 한꺼번에 대처할 수 있다.
석유와 가스 생산은 주로 물, 가스, 원유를 분리하는데 있다. 이는 7MPa 압력 하에 분리기 내에서 중력의 분리 작용으로 실현된다. 분리기 내의 흐름은 차압송신기 EDD575로 측정할 수 있는데 최소 감지 차압은 0-10kPa다. 방폭 스탠드미터 X913은 조절밸브에 설치해 7Mpa를 측정할 수 있다.
[그림 2. MEX5와 MEX3 압력 게이지.]
[그림 3. 실제 애플리케이션 중의 EDD575/X913 차압송신기.]
고온 프로세스에 사용되는 화학 SEAL
캐나다에서는 오일샌드 생산시 증기로 역청을 가열한다. 이는 역청의 점성을 감소시켜 역청을 쉽게 지상으로 끌어 올릴 수 있다. 공정시 지상 대기온도는 -40℃로 낮을 수 있고, 프로세스 온도는 400℃에까지 도달할 수 있으며, 정압은 25MPa지만 차압은 1kPa 밖에 안 된다. 이런 애플리케이션에 대비해 Baumer는 고온 프로세스를 위해 특별히 화학 SEAL을 개발했다. 이런 화학 SEAL은 미디어와 게이지를 분리하고 다이어프램과 오일을 통해 압력을 압력 게이지에 전송한다.
D900 시리즈 화학 SEAL은 -40~400℃ 사이의 프로세스 온도 하에 점성 혹은 부식성 미디어의 절대압력, 게이지압, 차압을 측정하는데 쓰인다. 그 중 D902형 화학 SEAL은 압력범위가 25MPa나 되는데, 이는 오일샌드 생산을 위해 특별히 설계한 것이다.
[그림 4. D900 시리즈 화학 SEAL.]
노르망디 TOTAL 정제공장
프랑스 TOTAL 그룹은 노르망디에 프랑스에서 가장 큰 정제공장을 운영하고 있다. 다년간 이 공장은 Baumer의 측정 장비를 여러 생산공정에 사용하고 있다. 첫 번째 단계는 재기증류로 원유와 여러 가지 분율을 분리하는 것이다. 이 단계에서는 850℃에 달하는 여러 개의 온도를 측정할 수 있는 다지점 열전대가 필요하다. 다음 단계는 진공증류로 남은 찌꺼기를 다시 분리하는 것인데, 이 단계에는 저압 트랜스미터로 10~40mmHG의 절대 압력을 측정하고, 열전대센서로 370℃ 정도의 온도를 측정해야 한다. 그 다음 단계는 촉매 리포밍 프로세스인데 옥탄값이 낮은 나프탈렌은 가솔린으로 전환시킨다. 이 단계에서 프로세스 온도가 550℃에 달한다. TOTAL 그룹에서는 Baumer의 TBI 바이메탈 온도계로 측정을 하는데, 이 장비는 모두 스테인리스스틸로 제작돼 아주 견고하며 -70~600℃ 온도 범위 하에 사용하기 적합하다. 0.3~3.5MPa 범위 내의 압력은 MEX5 산업용 압력 게이지로 측정한다.
유황회수장치에서 온도는 300℃에서 1,000℃까지 상승하며, 압력은 0.3Mpa부터 0.5Mpa 범위 내에 있다. TOTAL 그룹이 사용하고 있는 하스텔로이 다이어프램 SEAL과 열전대가 첨가된 MEP5 안전 압력 게이지를 사용하는데, 이 장비는 가혹한 공정환경에 맞게 설계한 것이다.
유분수첨분해시설(DHC)은 높은 분자량의 탄화수소물을 깨서 가솔린, 디젤유 등을 얻을 수 있다. 이 프로세스에 수소의 압력은 20Mpa에 달하며 480℃의 고온조건에서 진행된다. 수소가스압축기의 압력은 산업용 압력 게이지 MEX5로 측정한다. 측정장비의 수소취성을 방지하기 위해 금도금 다이어프램 D900 화학 SEAL을 사용했다.
MEX5 압력 게이지와 TBI 바이메탈 온도계는 정제공장과 화력발전소에서 사용해 이산화탄소 배출량을 줄이는데 도움이 된다. 이들 제품의 제어압력은 0.4Mpa이고 온도는 140℃ 정도다.
대형정제공장(예를 들면 TOTAL 노르망디 공장)에는 1만여개의 압력 게이지와 9,000여개의 압력전송기가 설치돼 있다. 환경조건이 가혹하기 때문에 공장의 품질과 안전기준을 유지하려면 매년 10%의 측정장비를 교체해야 한다. 즉, 기존 측정장비를 10년 내에 교체해야 한다.
[그림 5. TBI 바이메탈 온도계.]
[그림 6. 열전대 내장식 MEP5 안전 압력 게이지.]
[그림 7. TOTAL 노르망디 정제공장.]
안전정보
Deepwater Horizon 폭발사고와 메히꼬만 석유재난의 끔찍한 화면들은 사람들이 안전과 환경을 더욱 중요시 하도록 일깨우고 있다. 두 차례의 사고는 석유/천연가스산업과 밀접한 관련이 있는데, 효과적인 위험 관리대책을 시급히 요구하고 있다. IEC 61508 기준은 시스템의 정상적인 작동을 보장하는 기본적인 보안을 요구함과 동시에 고장시 조기경보를 정의하고 있다. 위험을 줄이기 위해 모든 기술장치는 특정공정보안요구(SIL)를 만족해야 한다. 또한 기존한 낡은 시설들은 반드시 첨단기술로 업데이트해야 한다. 예를 들면 접촉이 적은 새로운 파이프라인으로 기존의 파이프를 대체해 미세유출로 인한 폭발위험을 감소시켜야 한다.
