세계에서 가장 긴 파이프라인을 위한 미터링 시스템-아이씨엔매거진

에머슨 프로세스 매니지먼트 싱가포르의 Trilochan Gupta는 세계에서 가장 긴 열/절연 파이프라인에 상거래용 미터링 시스템을 설치했다. 600Km에 달하는 이 파이프라인의 설치과정과 성과를 알아본다. < 편집자 주>

인도 Rajasthan의 Mangala 지역에서 발견된 석유는 인도가 석유 수입에 덜 의존할 수 있게 해주었다. 이 지역에는 약 36억 bbls의 석유가 매장되어 있다. 민영 에너지 기업인 Cairn India Ltd(런던 Vedanta Resources PLC Group에 속한)는 현재까지 100개 이상의 유정을 개발했다. 석유 생산은 2008년에 시작되었다. 최고 생산량은 265,000bpd에 달할 것으로 예상되며, 이는 연간 70억 달러(US$ 73/hbl 기준으로)의 가치가 있고, 인도 석유 생산의 20%를 차지한다.

시스템 설계의 어려움은 수송되는 석유의 특성이었다. 점성이 있는 이 오일의 API 비중은 25~30 사이였으며, 왁스(waxy) 같은 성질이 있었고, 25°C의 실온에서 굳기 시작했다. 이 오일의 유동점(pour point)은 38~42°C였다 (경질 원유의 유동점은 3°C, 밀랍의 유동점은 64 °C).

왁스질(waxy)의 고-유동점 석유를 수송하기 위해, 이 회사는 세계에서 가장 긴 열/절연 파이프라인을 건설해야 했다. 이 파이프라인은 인도 내에 있는 다수의 정유소에 석유를 공급하고 도중에 관련 시장들을 연결한다. 11,000명의 경험 많은 인력을 고용한 Cairn은 680km에 이르는 파이프라인을 성공적으로 완료했고 5년 내에 생산을 시작했다.

이 열/절연 파이프라인은 Mangala 유전의 유정으로부터 인도 서부 해안에 있는 6개 정유소에 석유를 공급하며, 여기에는 세계 최대 규모의 Reliance 정유업체가 포함된다. 열/절연 파이프라인의 온도는 90°C로 설계되었다.

파이프라인 인프라가 완료되고 나서 가장 큰 문제는 구매자들에게 전송될 제품의 양을 어떻게 적절하게 분석하고 측정하느냐 하는 것이었다. 입찰을 거친 후 Cairn는 완벽한 미터링 솔루션을 제공받기 위해 Daniel Measurement and Control를 선택했다.

중유 측정

Daniel의 지원으로 Cairn은 초음파 유량계가 장착되고 엔지니어링이 완벽하게 완료되어 제작된 상거래용 미터링 스키드(custody transfer metering skid)를 고객의 터미널에 설치할 수 있었다(그림 3 참조). 이 스키드는 고객에게 직접 전송되는 원유의 최종 계량점이 되기 때문에, 높은 수준의 정확성과 반복성을 보장할 수 있었다.

초음파 유량계의 장점 중 하나는 파이프 내에서 마모되거나 오염될 기계적 부품이 없다는 것이었으며, 이는 압력 강하를 낮추고 에너지 효율은 증가시키며, 유지보수를 필요로 하지 않는다. 기존의 용적형(positive displacement) 유량계와 터빈 미터기는 가동부품이 포함되어 있기 때문에 더 많은 유지보수가 필요하다.

Daniel은 Cairn의 요구조건에 맞게 각 미터링 스테이션(metering station)을 설계 했으며, API MPMS(Manual of Petroleum Measurement Standard)를 온전히 준수했다. Mangala 유가 왁스질(waxy)의 고-유동점 오일이었기 때문에 측정이 더 어려웠지만, Cairn Energy와 고객 간의 원유 거래를 위해 정확한 측정을 가능하게 하는 일은 필수적이었다.

원유의 온도를 항상 유동점 이상으로 유지하는 데는 개별 구성요소의 크기, 입증된 기술 및 원리의 선택, 열 추적 및 절연과 함께 각 미터링 스테이션의 실행이 모두 관련되어 있었다. 유량이 없는 동안에 이 시스템은 왁스 형성을 막기 위해 온도를 증가시키는 유연성을 가져야 했다.

Daniel은 통합 엔지니어 시스템 프로세스를 사용했는데, 이는 3D 스케일 모델을 사용해 고객 솔루션을 설계해 주었다. 이 모델은 인증된 P&IDs (그림 4 참조)를 통해 개발되었다.

3D 모델은 프로젝트의 다양한 단계에서 이상적인 측정 솔루션을 검토할 수 있게 해 주었으며, 이를 통해 Cairn은 편리하게 시스템 변경을 실행할 수 있었다.

이는 또한 Cairn이 제조를 위해 자재표(bill of materials)를 검토하고 일반 배치(general arrangement), 응력 분석, 무게 중심 계산 및 기타 요인들에 대한 공학적 검토를 수행할 수 있게 했다.

각 스키드는 Daniel의 다중경로/통과시간(transit-time) 초음파 유량계, 소형 프로버(prover), S600유량 컴퓨터, Micro Motion 밀도계(density meter), Rosemount 압력 트랜스미터와 온도 트랜스미터, Fisher 제어 밸브, EGS 열추적/배전/연결함 및 기타 구성요소를 포함하고 있다.

3D 설계 방법은 제조 공정에도 반영되어, 일정에 쫓기는 대형 인프라 프로젝트의 리드 타임을 줄여주었다. 이 스키드는 싱가포르의 3중 ISO 인증 상거래용 미터링 시설에도 적용되었다.

이 스키드는 크고 무거운 구조물로서 인도의 통관항까지 해상화물 선박으로 운송되었다. 여기서부터는 POS(point-of-sale)에서의 설치를 위해 트럭으로 터미널까지 운송했다. 스키드는 미리 제조되어 통합 패키지로 선적/설치된다.

각 정유소에 도착하면 미터링 스키드(그림 1 참조)는 크레인으로 들어올려져 파이프라인과 정유소 사이에 설치된다. 이러한 미터링 스키드 솔루션은 단일 패키지 안에 미터링과 자동 샘플링 시스템까지 갖춰져 Cairn의 필요를 충족시키며, 상대적으로 소형이어서 고객의 사업장에 쉽게 설치될 수 있다.

미터링 시스템이 설치되고 난 후 Daniel은 Cairn 직원들에게 적절한 훈련을 제공하고 시운전/가동을 위한 준비를 시켰다.

상거래용(Custody transfer) 미터링 시스템

정유업체에 판매되는 모든 석유는 POS(point of sale) CTMS(상거래용 미터링 시스템)을 통해 Cairn이 전송하며, CTMS의 데이터는 금융거래(financial transaction)의 일부분을 형성한다.

CTMS에는 상거래용 또는 회계용 초음파 유량계, 유량계 검증을 위한 확인 회로, 품질 측정을 위한 검증 모듈이 있는 자동 샘플링 시스템, 그리고 유량 컴퓨터가 포함된다. 이에 더해, 필요한 경우 소형 프로버(prover)를 위한 water-draw 장치가 포함되어 있다. API MPMS에 따라 필요한 경우 프로버의 성능을 검증할 필요가 있을 때 이 장치가 사용되었다.

원유에는 BS&W(잔사 및 물)이 포함되어 있기 때문에, 최종 순원유량을 결정하기 위해서는 순 재정화(fiscalisation)가 중요하다.

이를 위해 온라인 샘플링 시스템이 대표 표본으로 원유 샘플을 채취한다. Cairn은 샘플을 수집하여 실험실 분석을 통해 원유의 특성과 BS&W를 확인한다.

유량 컴퓨터는 정량적(회계용 미터기) 및 정성적(BS&W) 측정을 모두 계산한다. 또한 최종 원유 판매량을 결정하기 위한 순 판매액을 계산하며, 이러한 계산은 감사 추적(audit trail)과 함께 제공된다.

위의 계산은 이중으로 감사 추적 환경에서 수행된다. 이와 유사하게, 각 CTMS는 이중의 미터기를 가지며, 다른 미터기가 기능을 하지 못할 때 이를 대체할 수 있다.

대규모의 알고리즘과 소프트웨어를 가진 유량 컴퓨터는 완전히 자동화된 시스템을 가능하게 한다.

다양한 수준의 업-링크(up-linked) 시스템 이중화가 필요할 경우, 모든 유량 컴퓨터 측정 데이터는 Ethernet을 통해 접속이 가능하다.

이에 더해, 이 시스템은 다중 미터기 설계를 통해 유량 측정 하드웨어 이중화(redundancy)를 제공하도록 설계되어 있다.

이 유량계는 휴스턴(Houston)에 있는 Daniel 유량 연구소에서 교정(wet calibrated) 되었다. 교정 시험은 각 미터기의 유량 교정 계수(K 계수)를 결정한다. 초음파 미터링 스키드를 설치하고 나서, 초음파 유량 미터기 계수를 설정하기 위한 수단으로 정기적인 현장 검증이 API MPMS 요구조건에 따라 실제 운영 조건하에서 수행된다.

최초의 검증(proving)에 더해, 회계용 유량계의 정확성을 보증하기 위해 정기적인 검증이 필요하다. 이러한 검증은 API MPMS 4.2, 4.5, 4.8 및 5.8 권장사항에 따라 수행된다. 상거래용 초음파 유량계는 현장에서 수행되며, 이를 위해 프로버(prover)를 연속으로 회계용 유량계에 배치한다. Cairn의 각 미터링 스테이션은 프로버가 함께(built-in prover) (그림 5 참조) 설치되어 있다.

검증의 기본 원리는, 유량계 시험을 통해 알려진 프로버 측정치를 알려지지 않은 측정치와 비교하는 것이다. 이를 위해서는 유량계와 프로버를, 유량계를 지나는 모든 액체가 프로버를 지나게 연속으로 배치해야 한다. 이러한 식으로 부피를 측정하면 Cairn은 규정, 사양 및 고객 요구조건에 따라 초음파 유량계의 정확성을 확인할 수 있다.

검증 동안 원유는 유량, 온도, 압력 및 밀도가 안정화 될 때까지 프로버를 지나게 됩니다. 안정화가 확인되면 다음 검증 단계가 진행된다. Daniel 유량 프로버(flow prover)는 회계용 유량계의 성능이 API MPMS의 요구조건을 만족시키는지 확인하게 해주며, 5회의 연속 운영에 걸쳐 +/- 0.05%의 반복성을 확보할 수 있게 해 준다. 미터기 계수의 불확실성은 요구조건 범위 안에 충분히 들어오게 된다.

검증이 완료되고 결과가 나온 후에는, 유체 압력 및 잔존 원유를 배출하기 위해 프로버 배수구가 열린다. 프로버가 사용되지 않을 때에는 시스템의 모든 전원이 꺼지기 때문에 구성요소의 수명이 연장되고 에너지가 절약된다.

대개 구매자와 판매자는 데이터 신뢰도를 위한 시스템 검증을 얼마나 자주 할지 상호간에 결정하게 된다. 이 데이터는 상업 거래에서 중요한 역할을 한다. 시스템 가동이 시작된 후 지난해에 이 회사는 고객과 어떠한 마찰도 없었다.

현재, 미터기와 로컬 진단 호스트 간의 Ethernet 연결을 통해 라인 진단이 수행되고 있다. 정기적으로 그리고 필요할 때마다, 이러한 기록은 Daniel 서비스 전문가에게 전송되어 미터기 성능이나 상태에 영향을 줄 수 있는 (외부 요인으로 인한) 유동 교란(flow disturbance), 막힘, 파이프라인 소음, 그 밖의 여러 요인들이 검토된다.

Cairn의 장기 목표는 온라인 진단을 개선하는 것이다. 이는 미터기와 다른 구성요소의 성능 검증 및 실시간 데이터 수집을 가능하게 할 것이다.

초음파 유량계의 만족

이 회사는 초음파 유량계(그림 6)가 이렇게 거대한 규모의 측정 프로젝트에 성공적으로 적용되어 까다로운 조건의 원유를 정확하게 측정한 것에 대해 매우 만족하고 있다. 이 상거래용 시스템은 인도 표준 기반의 현장 검증 및 추적이 가능한 회계용 데이터를 제공한다.

아이씨엔 매거진 2012년 08월호