[테크] 화학 및 석유화학 플랜트의 레벨 측정문제 해결

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2022년 03월 04일

미국의 노동부 산하 직업안전건강관리청(OSHA)에 따르면 화학 산업은 가장 엄격한 안전 규정을 적용하는 분야 중 하나이다. 화학 산업은 작업 과정에서 심각한 유해 물질이 사용되는 경우가 많고, 보통 초고온이나 초고압에 노출되어 장비에 가해지는 스트레스가 극심하기 때문에 정기적으로 점검, 정비, 유지보수 작업이 필요하다.

플랜트 규모와 유형, 관련 작업에 따라 유지보수 시 가동을 중단하는 경우도 많지만, 이는 일반적으로 국한된 생산 구역에서의 유지 보수 및 정비 작업에 해당된다.

화학 플랜트는 산업 전반에 걸쳐 규정된 최고 수준의 안전 가이드라인을 충족하기 위해 새로운 권장 사항을 적용하고 신규 공정을 통합하는 빈도가 더욱 늘어나는 추세다. 기업은 자동화로 전환하고 더욱 정교한 장비를 통해 수작업을 단순화하는 방식으로 업그레이드함으로써 낮은 pH 환경, 비등액, 일반 현장에 가해지는 극심한 압력 등 가혹한 공정 조건에서 벗어나 보다 큰 생산 효율성과 안전 관리 실무를 제고하고 있다.

[테크] 화학 및 석유화학 플랜트의 레벨 측정문제 해결 — 그림 1. 석유 화학 및 화학 플랜트의 대표적인 적용 분야

FMCW vs. 펄스 시스템

펄스 시스템
펄스 레이더 시스템은 안테나를 사용하는 비접촉식 레이더 유형으로 TOF(Time of Flight) 방식에 기반하여 레벨을 측정하며, 시간 확장이라는 방법을 사용하여 초저지연을 더 느린 타임 스케일로 변환한다. 표면 에코는 탱크 상부에 위치한 안테나에서 아래 공정 원자재 쪽으로 바로 방출되는 수만 개의 짧은 레이더 펄스를 바탕으로 한다.

이러한 펄스는 원자재 표면에서 다시 송신기로 반사된다. 송신기는 전송 및 수신된 에코 신호와 수신 에코 신호 사이의 시간 지연을 측정하고 온보드 마이크로 프로세서는 공정 매질 표면까지의 거리를 측정한다. 이때 사용되는 공식은 거리=(광속 x 시간 지연)/2 이다. 송신기가 애플리케이션의 기준 수위(일반적으로 플랜지 표면부터 탱크 또는 챔버 바닥까지의 거리)로 프로그래밍되면, 마이크로 프로세서가 레벨 측정치를 계산한다.

FMCW 기술
FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 기술을 사용하는 비접촉 레이더는 시간을 측정하는 대신 시간에 따라 주파수가 증가하는 레이더 신호를 전송하여 신호 스윕을 생성한다. 신호가 공정 매질 표면에 의해 반사되면 안테나는 에코를 포착한다. 송신된 신호는 주파수에 따라 끊임없이 변하므로, 에코는 그 순간에 전송되는 신호와 약간 다른 주파수를 지닌다.

이러한 주파수 간 차이는 에코 지연(송신기부터 공정 매질 표면까지의 거리)에 정비례하며, 이를 통해 레벨을 정확하게 측정할 수 있다. 이 기술의 장점은 프로세스 변수 정보가 진폭 변조(AM) 또는 시차 도메인 대신 주파수 도메인에 있다는 점을 들 수 있으며, 이로 인해 더욱 정확한 신호 변환이 가능하다. 이는 FM 라디오가 AM 라디오에 비해 지닌 이점과 동일하다. 대부분의 탱크 잡음원은 진폭 도메인에 있기 때문에 FM 신호 처리 시 이를 무시할 수 있으며, 정확도는 영향을 받지 않는다.

스마트 진단 및 실시간 인텔리전스

화학 및 석유 화학 산업 고객이 직면한 주요 문제점으로는 다음의 두 가지를 들 수 있다.

1) 계기 고장에 앞서 조치를 취할 수 있는 데이터의 부재
2) 문제 해결에 제한적인 데이터

에머슨은 이러한 문제를 해결할 수 있도록 두 가지 특정 기능을 개발했다. 첫 번째는 SQM(Signal Quality Metrics)이다. 에머슨의 장치를 사용하면 신호 대 잡음 차이를 살펴봄으로써 안테나 또는 프로브에 축적되는 것과 같은 고장으로 인해 계기에 오류가 발생하기 전에 예측 유지 보수가 가능하다.

문제를 해결하는 데 있어 제한적인 데이터 관련 문제를 해결하기 위해 Emerson은 특수한 7일 데이터 히스토리안을 개발했다. 사용자는 이를 통해 온 보드 메모리에 이벤트 발생 시 예전의 에코 곡선을 확인할 수 있습니다. Rosemount 5408 및 5408:SIS로 수집한 데이터는 표준 장치 진단 정보에 대한 NAMUR NE 107 현장 진단을 준수한다.