액체 및 천연 가스 샘플링 시스템에서 노즐을 올바르게 배치하는 방법

액체 및 천연 가스 샘플링 시스템에서 노즐을 올바르게 배치하는 방법

액체 및 가스 샘플링 시스템은 노즐을 탭 위치(Tap location)에 설치하여 분석기로 샘플을 공급합니다. 노즐의 배치 방법, 설치 위치, 방향에 따라 분석의 정확성과 적시성이 달라지기 때문에 반드시 올바르게 배치해야 합니다. 노즐을 잘못 배치하면, 분석 지연, 샘플 오염, 결과 오류 등이 발생할 수 있습니다.

노즐의 위치가 확실히 올바르게 정해지도록 하려면, 샘플링 시스템 엔지니어가 배관 레이아웃과 용기 설계 작업(vessel design)에 처음부터 참여하는 것이 가장 좋습니다. 하지만 노즐의 위치나 방향이 올바르지 않은 경우에도 엔지니어가 기존 도면을 갖고 작업해야만 하는 경우가 많습니다. 아래에서는 액체 및 가스 샘플링 시스템에서 노즐의 위치를 정하고 설치할 때 엔지니어가 고려해야 할 주요 사항을 알아보겠습니다. 또한, 각 설계 단계에서 모든 변수를 철저히 검토할 수 있도록 자격을 갖춘 분석기 엔지니어, 공정 엔지니어 및 화학자, 부품 공급업자도 참여하는 것이 좋습니다.

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노즐 위치 선택하기

일반적으로 노즐은 노즐의 시작 지점인 주 공정 라인보다 직경이 작고 길이가 짧습니다. 흔히 노즐에는 프로브가 갖추어져 있으며, 금속, 유리, 세라믹 소재 등으로 구성된 프로브는 공정 유체 안으로 돌출되어 분석용 액체 또는 가스를 지속적으로 채취합니다.

배관 또는 용기 내 노즐의 위치 결정 시, 공정의 상태를 정확히 반영하는 샘플을 채취할 수 있도록 유체가 완전히 혼합되는 위치를 선정합니다. 가능하면, 공정 라인에 인라인 라인 믹서(static mixer)를 설치하십시오. 라인 믹서를 설치할 수 없는 경우, 펌프 분출(pump discharge), 유량 오리피스(flow orifice) 또는 파이핑 엘보우(piping elbow) 등의 유도 난류 지점(point of induced turbulence)의 하단에 탭을 배치하십시오. 난류는 샘플링 전에 공정 유체를 혼합하는데 도움이 될 수 있습니다.

그러나 난류가 발생하는 지점 바로 뒤에 샘플링 탭을 설치하는 것은 바람직하지 않습니다. 난류 작용은 압력 변화 및 와류를 일으키며, 이 두 가지 모두 분석 측정에 영향을 미칠 수 있습니다.

가스 샘플링

마지막 난류 발생 지점의 후단에 적어도 파이프 직경의 2배에 해당되는 위치에 탭을 배치하면 더 좋은 결과를 얻을 수있습니다. 미국 환경 보호국(EPA)은 이의 실행을 권장하며, 아래와 같이 수동 배기 가스 샘플링 위치 두 곳을 허용합니다.

1. 난류 발생 지점에서 배기구 또는 덕트 직경의 최소 8배 거리의 하단 및 최소 2배 거리의 상단; 또는
2. 난류 발생 지점에서 배기구 또는 덕트 직경의 최소 2배 거리의 하단 및 최소 1/2배 거리의 상단

EPA는 첫 번째 위치를 이상적으로 생각합니다. 첫 번째 조건을 충족시킬 수 없는 경우, EPA 지침에서는 층화(stratification) 가능성을 방지하기 위해 추가 샘플링 위치 선정을 요구합니다.

유체 샘플링

배관 샘플링의 경우, 마지막 유량 장애 지점의 하단에서 최소 2개의 파이프 직경 지점에 탭을 설치합니다. 이 때 유량 측정(flow-metering) 장치를 방해하지 않도록 주의합니다. 하지만 공정 유체가 해당 버블점 온도에 가까운 액체인 경우에는 보다 신중하게 판단해야 합니다. 샘플에서 기포가 발생되는 것을 방지하려면, 완전한 직선 파이프(clear straight pipe)의 적어도 직경의 5배 지점 상단 및 2배 지점으로 하단에 탭을 위치시킵니다.

증기 샘플링

샘플링되는 스트림이 이슬점 온도 또는 이슬점에 가까운 온도의 증기인 경우, 탭의 위치가 더욱 중요해집니다. 유량 장애 지점과 인접한 압력 지점에서 응축이 발생할 수 있기 때문입니다. 응축수가 포함된 가스 샘플은 분석 샘플로 사용할 수 없습니다. 응축수의 발생 가능성을 최소화하기 위해, 천연 가스 측정에 대해 유럽 표준 (ISO 10715 1997, 13)에서는 마지막 유로 장애 지점의 후단측에 파이프 직경의 적어도 20배 지점에 샘플링 탭이 배치되도록 요구합니다. 이와 연관된 미국 표준(API MPMS 14.1 2006, 15)에서는 적어도 파이프 직경의 5배 지점에 샘플링 탭이 배치되도록 요구합니다. 파이프에 보호관(thermowell)과 같은 프로브를 추가로 설치해야 한다면, 샘플링 프로브는 해당 보호관으로부터 보호관 직경의 최소 5배 거리에 떨어진 지점에 위치되어야 합니다.

등속 샘플링(isokinetic sampling)에는 훨씬 큰 분리가 필요하며, 프로브 내 속도는 공정 라인 속도와 일치해야 합니다. 예를 들어 포화 증기의 경우, 해당 미국 표준 (ASTM D1066)에서는 샘플링 탭이 유로 장애 지점의 후단에 적어도 파이프 직경의 35배 지점 및 앞단으로 파이프 직경의 4배 지점에 배치되도록 권장합니다. 이와 같이 분리하는 것은 어려울 수 있기 때문에, ASTM에서는 예외 상황(noncompliant locations)이 불가피하게 발생할 경우, 전단측 대 후단측의 거리 비율을 9:1로 유지할 것을 제안합니다.

노즐 설치하기

설계 단계에 접어들면, 프로브의 요건에 따라 노즐 설계 방식(방향 설정 등)이 크게 달라집니다. 샘플 분석에 영향을 미치는 공정 유체 내 파티클(particle) 또한 노즐, 프로브, 위치 방향 등의 영향을 받습니다. 노즐 및 프로브의 위치를 올바르게 설정하면, 파티클이 프로브로 들어가서 샘플을 오염시키거나 파티클이 쌓여서 프로브가 막힐 가능성을 최소화할 수 있습니다.

노즐을 설치하는 가장 간단한 방법은 배관에 암나사형 돌출부를 용접하고 드릴로 뚫어주는 것입니다. 먼저, 벽 두께가 적합하지 않으면 보강 플레이트를 배관에 용접합니다. 그러고 나서, 사용 중인 밸브 또는 나사형 프로브가 체결되는 돌출부(boss)의 크기를 선택합니다. 또 다른 접근 방법은 수나사형 파이프 니플을 라인에 용접하는 것입니다.

하지만 배관에 나사형 조인트를 할 수 없는 공정 배관의 경우 다른 방법을 사용해야 하는데, 밸브를 니플에 용접하거나 플랜지 파이프 노즐을 대신 사용하는 방법이 있습니다.

 

가스 스트림 태핑하기

가능하면, 공정 가스 샘플링은 수평 파이프를 선택합니다. 수평으로 방향을 설정하면, 노즐 방향을 수직으로 설정할 수 있고 길이가 긴 직선 런(run)을 찾는 것도 더 쉬워집니다. 먼지 또는 액체가 공정 파이프 내로 떨어지도록 노즐을 라인의 상단에 위치시킵니다. 공정 가스가 깨끗하고 건조하면, 가스 노즐을 수평 파이프의 측면에 배치할 수 있습니다. 하지만 샘플이 깨끗하지 않으면 프로브 내 가스 흐름에 난류가 생기지 않을 수 있습니다. 그렇게 되면 고체 파티클들이 유입되어 프로브가 막히게 됩니다. 따라서 수평 프로브 설치는 지양해주시기 바랍니다.

마찬가지로 수직 가스 배관의 수평 노즐도 막힐 우려가 있습니다. 경사진 노즐(Inclined nozzles)은 혼입된 액체 또는 고체를 공정 안으로 되돌릴 수 있습니다. 이러한 노즐은 액체 제거 효과는 탁월하지만, 고체는 프로브에 달라붙을 수 있어 고체 제거 효과가 덜할 수 있습니다.

수직 스택의 경우 노즐은 수평으로 놓이거나 약간 기울여져 있어야 하며, 특수 프로브를 수용할 수 있도록 크기도 훨씬 커야 합니다. 또한 노즐 위치는 가스 온도에 따라 달라지는데, 이 가스 온도는 너무 높지 않으면서(따라서 재질 비용이 합리적임) 산(acid)의 이슬점 온도보다는 높습니다(따라서 황산이 프로브 내에서 응축되지 않음). 스택 가스 모니터링의 경우, 완전 연소를 위한 노즐의 최적 가스 온도는 600°C(1,112°F)보다 조금 높습니다.

포화 증기 시스템과 같이 응축수 물방울이 포함될 수 있는 공정 증기 유로에서는, 샘플링을 실행할 때 탭의 위치를 주로 긴 하향 공정 파이프로 선정합니다. 무엇보다 가장 중요한 것은, 항상 라인의 압력을 점검하는 것입니다. 흔히 다운 라인(down line)은 공정 펌프의 흡입부에 연결되며 저압으로 운용됩니다. 저압 소스는 플레어(flare)로 배출되는 가스 샘플에는 좋지만, 패스트 루프(fast loop)를 통해 공정으로 회수시켜야 하는 가스 샘플에는 좋지 않습니다. 패스트 루프를 활용하면 공정 펌프 배출 지점(process pump discharge)에서 샘플을 채취하고 가스를 흡입부로 회수할 수도 있습니다.

액체 스트림 태핑하기

파이프가 완전히 채워져 있다는 것을 확인할 수 있기 때문에, 액체 샘플링 노즐은 상향 수직 배관에 설치하는 것이 위치상 가장 좋습니다. 이 때 진동을 최소화할 수 있는 짧은 프로브를 사용할 수 있으므로, 수평 노즐을 선택하면 됩니다. 액체 샘플 시 프로브 내 난류가 프로브 속으로 침전되는 것을 막아 주므로 수평 노즐이 좋습니다.

탭 위의 배관의 액체 상부에서 일정한 압력이 추가로 제공되어, 탭의 공정 액체는 기포점(bubble point)보다 높은 상태를 유지할 수 있습니다. 추가 압력은 샘플 운송에도 도움이 됩니다. 하향 수직 공정 파이프에서 액체를 샘플링하지 마십시오. 라인이 잘 채워져 있는지 확인할 수 없기 때문입니다.

공정 파이프가 잘 채워져있지 않으면 2가지 상(phase)의 샘플이 채취될 수 있습니다. 따라서 수평 라인에서 액체 스트림을 샘플링하는 것은 위험합니다. 공정 파이프가 수평 런(horizontal run) 후에 상향으로 변하는 경우에는 라인이 채워져있으나, 하향으로 변하면 수평 부분에 액체 층 위로 잔류된 정적(static) 가스 층이 존재할 수 있습니다.

일반적으로 액체 탭은 항상 수평 공정 라인의 측면에 있어야 한다고 알려져 있습니다. 이것은 프로브 없이 샘플링하는 경우에 적합합니다. 라인 측면의 노즐에서 샘플링하면, 파이프 상단의 잔류 증기 또는 하단의 슬러지가 추출될 위험을 최소화할 수 있습니다.

실제로는 라인의 중심부에 도달하기 위해 프로브를 사용하는 것이 일반적으로 더 좋습니다. 프로브를 사용하면, 방향 설정은 덜 중요합니다. 일반적으로 라인의 상단에 수직 노즐을 설치하는 것을 선호하는데, 그 이유는 무거운 고체 물질이 공정 파이프 안으로 떨어져 들어가도 되기 때문입니다. 일반적으로 노즐을 수평 파이프의 하단에 배치해서는 안 되며, 이는 고체 물질이 수평 파이프에 떨어지면서 샘플 컨디셔닝이 더욱 어려워지기 때문입니다. 만약 하단 노즐을 사용해야 할 경우, 파이프 지름의 1/3 지점에 도달하는 프로브를 설치하십시오.

탭 위치 최종 선정 전 유의사항

최종 탭 위치를 정하기 전에, 선택한 프로브에 따라 노즐의 방향과 직경, 그리고 끝단 피팅이 달라진다는 것을 명심하십시오. 일단 프로브를 선택하면, 선정 위치를 재확인하여 설치와 유지관리에 필요한 물리적 공간을 점검하시기 바랍니다. 특히, 노즐 설치, 공정 차단 밸브의 유지 관리, 그리고 프로브를 뒤로 뺄 수 있는 공간이 충분한지 확인이 필요하며, 접근 용이성과 조명도 고려해야 합니다. 간단한 탭 및 파이프 프로브에는 작은 플랫폼 및 사다리만 있어도 되지만, 현장 스테이션에서는 충분히 큰 플랫폼과 조명이 필요합니다.

노즐 배치 및 샘플링 시스템 설계에 대한 심도 있는 개별 실습 지원에 관해서는, 각 지역의 Swagelok 판매 및 서비스센터에 문의하십시오.

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