프로세스 분석기의 정확도를 저해하는 8가지 일반적인 위험 요소

샘플링 시스템: 프로세스 분석기의 정확도를 저해하는 8가지 일반적인 위험 요소

샘플링 시스템 전문가 겸 강사 Tony Waters

샘플링 시스템은 플랜트 내에서 가장 복잡한 시스템입니다. 여기에는 공정 내 상태들을 분석적으로 판독하기 위해 다 같이 작동해야 하는 수많은 부품과 공정들이 존재합니다. 판독 결과는 공장이 제어 목표를 달성하는 데 사용되므로 반드시 정확하고 시기 적절해야 합니다. 따라서 공장의 엔지니어와 기술자는 샘플링 시스템이 까다롭다는 사실을 잘 알고 있습니다. 시스템 내의 모든 요소는 잠재적으로 프로세스 분석기 정확도에 영향을 미칩니다. 스웨즈락 필드 엔지니어들은 고객의 팀이 분석기의 신뢰성을 향상시키도록 돕기 위해, 시스템의 정확도에 영향을 미치는 8가지 일반적인 위험 요소를 알아냈습니다.

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분석기 정확도에 미치는 영향

샘플링 시스템 설계에 오류가 생기면 샘플의 완성도는 다음과 같은 영향을 받습니다.

• 대표성:  설계에 결함이 생기면 샘플이 공정을 정확하게 대표하지 않게 되고, 심지어 예상치 못하거나 의도치 않은 방식으로 공정 유체의 화학 조성까지 왜곡할 수 있습니다. 시스템에서 측정치가 제어 목표에 부합하는지 확인하기 위해서는 반드시 적합한 대표 샘플을 얻어야 합니다.
• 적시성:  샘플 채취부터 분석기 판독까지 걸리는 시간이 과도하게 지연되면, 공장 측에서는 제품을 폐기하거나 제품 오류를 시정하기 위한 재처리 비용을 감수해야만 합니다. 업계의 표준 응답 시간은 1분입니다. 
• 호환성:  온도, 압력, 유량 및/또는 상태가 공정 분석기의 요건에 맞지 않는 경우, 샘플이 분석기를 손상시키거나 샘플의 정확도가 낮아지게 됩니다. 또한 정확한 분석기 결과는 위험한 작동 조건을 표시하여 공장 환경을 안전하게 유지하는  데 도움이 됩니다.

일반적인 위험 요소 파악 및 해결하기

위험 요소 1: 부적절한 탭 위치

탭의 위치는 세심하게 고려하여 선정해야 합니다. 시간 지연을 방지하는 것이 목표이기 때문입니다. 프로세스 배관의 저유량 부분에 탭이 위치한다면, 프로세스 화학물질의 변화가 분석기 결과로 나타나기까지 오랜 시간이 걸릴 것입니다. 타워 바닥, 탱크 또는 드럼 등 혼합되는 장소 또한 시간 지연의 큰 원인이 됩니다. 또한, 시스템 디자이너는 펌프 출구관, 유량 오리피스, 파이핑 엘보우에서 난류가 유도된 하류 측과 같이 샘플이 잘 혼합되는 곳으로 탭의 위치를 선정해야 합니다.

위험 요소 2: 프로브 오용

샘플을 채취하는 프로브는 프로세스 배관의 중심부 1/3까지 도달하여 대표 샘플을 뽑을 수 있을 만큼 충분히 길어야만 합니다. 또한 유량이 더 빠르게 흐르는 프로세스 배관의 중심 주변에서 샘플을 채취하면 더 적시적인 결과를 얻을 수 있습니다. 그러나 공진 진동이 발생할 수 있기 때문에 프로브의 최대 허용 길이를 항상 계산하도록 하십시오. 가끔은 파이프 직경의 15%만 삽입해도 충분합니다. 필요 이상으로 큰 프로브는 시간을 많이 지연시킬 수 있으므로 사용하지 않도록 합니다. 프로브를 제외하고 노즐만 사용하는 경우, 상대적으로 시스템 체적이 더 크기 때문에 심각한 시간 지연이 발생할 것입니다.

위험 요소 3: 잘못된 필드 스테이션 설계

시스템 디자이너들은 가스 샘플을 다룰 때 가능한 한 빨리 압력을 낮추려고 합니다(시스템 설계에 따라 가능하다면 10-15 psig 혹은 5 psig 까지). 고압가스는 분자가 밀집되어 있어 이동이 매우 느리기 때문에 시간이 지연될 수밖에 없습니다. 반대로 저압 가스에서는 응축의 위험이 줄어듭니다. 샘플에 응축이 발생하면 다수의 가스 프로세스 분석기에 호환되지 않고, 대표성이 손상되므로 되도록 이 현상을 피해야 합니다. 저압을 유지해야 하는 또 다른 이유는 작업자와 기술자의 안전 때문입니다.

필드 스테이션에서 레귤레이터를 사용하면 샘플의 압력이 감소하고, 샘플은 분석기로 더 빠르게 흐를 수 있습니다.

위험 요소 4: 패스트 루프 생략

샘플링 시스템에서 액체 샘플을 기화할 때, 기화 레귤레이터부터 업스트림에 패스트 루프 혹은 바이패스가 필요할 수 있습니다. 그렇지 않으면 액체 샘플의 흐름은 너무 느려지고 적은 양의 액체는 많은 양의 기체를 생성하므로 시간이 매우 지연될 것입니다. 패스트 루프 없이는 레귤레이터 상단에서 느리게 이동하는 액체가 100mL 이상이나 되어 심각한 시간 지연을 초래할 수 있습니다.

위험 요소 5: 데드레그

데드레그는 오래된 샘플 분자들이 모여 있다가 새로운 샘플로 서서히 스며들어 샘플의 대표성을 손상시킵니다. 모든 포트가 흐르고 있는 경우를 제외하고, 샘플 라인에서 관찰되는 티(tee) 또는 크로스(cross)가 바로 데드레그입니다. 이는 게이지 또는 스위치, 압력 릴리프 밸브, 또는 실험실 샘플링 포인트에서 발생합니다. 주로 데드레그는 고농도 스트림에서 저농도 스트림으로 전환할 때 분석 결과를 손상시키며, 저유량에서 발생하기가 쉽습니다. 분석기로 직접 통하는 라인에 데드레그가 있다면 반드시 옮기거나 제거해야 합니다.

위험 요소 6: 스트림 간 교차 오염

캘리브레이션 유체와 샘플 사이를 차단하는 데 3방향 밸브 한 개로는 충분하지 않습니다. 3방향 밸브만 단독으로 사용하면 교정 유체가 밸브 시트 전체로 누설되어 샘플을 오염시키거나, 공정 스트림 샘플이 교정 유체 내부로 누설될 가능성이 높습니다. 이 모든 상황은 분석을 훼손합니다. 3방향 밸브보다 더 좋은 구성은 더블블록앤블리드 설비이며, 이 설비는 막힌 포트에서 발생하는 누설을 블리드 라인 또는 배출 라인으로 보내 샘플로 들어가지 않게 합니다.

위험 요소 7: 부적절한 온도 및 압력

샘플의 상 변화를 주의 깊게 살펴보아 부분적 상 변화가 일어나지 않도록 하십시오. 상이 혼합된 샘플은 대표성이 없으며 분석기와도 호환되지 않을 것입니다. 샘플의 상이 변화하는지 여부를 파악하는 일은 어렵지 않습니다. 소프트웨어 프로그램을 사용하면 시스템의 화학 조성에 대한 상 다이어그램을 만들 수 있습니다. 일반적으로 가스 샘플은 응축되지 않도록 이슬점 위로 유지해야 하고, 액체 샘플은 가벼운 입자가 끓어 없어지지 않도록 버블점 아래로 유지해야 합니다. 라인을 가열하는 경우, 조금이라도 열이 닿지 않는 부분은 낮은 온도로 인해 응축이 발생할 수 있기 때문에, 고르게 가열하도록 신경 써야 합니다. 가스들은 이슬점 온도보다 약 20°C 높게 유지하십시오.

위험 요소 8: 부적절한 샘플 컨디셔닝

샘플링 콘디션 시스템 내 기체 샘플에서 액체를 제거하지 않으면, 프로세스 분석기가 손상되고 제대로 된 분석 결과를 얻을 수 없습니다. 중력(녹아웃 포트 또는 예비 튜브) 또는 관성(동력 분리기 또는 사이클론)을 이용하여 가스 샘플에서 큰 물방울을 걸러낼 수 있습니다. 에어로졸 상태와 같이 매우 미세한 물방울은 코어레서를 사용하여 걸러야 합니다. 단, 코어레서는 큰 물방울을 걸러내지 않는다는 사실을 염두에 둬야 합니다. 하지만 유량이 너무 높으면 작은 물방울들이 코어레서의 엘리먼트를 통과하더라도 쉽게 걸러지지 않습니다. 결국 샘플이 코어레서를 빠져나가며 이슬점 가까이에서 포화되고 다시 응축될 것입니다. 이럴 때는 온도를 높이거나 압력을 낮춰 이슬점으로부터 멀어질 수 있습니다. 니들 밸브로도 압력을 낮출 수 있습니다.

샘플링 시스템에서 공정 분석기의 정확도를 낮추는 위험 요소를 파악하고 해결하는 방법에 대한 자세한 정보를 알아보려면 스웨즈락의 샘플링 시스템 실습 교육 과정을 살펴보십시오. 혹은 현지 스웨즈락 판매/서비스 센터에 문의하여 스웨즈락 교육 과정의 기본 교재인 산업용 샘플링 시스템(Industrial Sampling Systems)의 사본을 요청하십시오.

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