유체 및 샘플링 시스템에서 발생하는 문제의 실용적인 해결 방법

유체 및 샘플링 시스템에서 발생하는 문제를 실용적으로 해결하는 방법

스웨즈락 로스앤젤레스의 기술 서비스 팀장, Phil Mathews

산업용 유체 시스템과 샘플링 시스템을 사용하는 이유는 크게 여섯 가지가 있는데, 이 중 세 가지는 분석에 대한 것이며, 나머지 세 가지는 운영과 관련되어 있습니다. 분석 측면에서 분석기를 사용하는 세 가지 이유는 분석기에 호환 가능한 샘플인지, 결과에 기반하여 작업할 수 있는 적시적인 샘플인지, 공정 조건을 대표하는 샘플인지 확인하는 것입니다. 운영 측면에서 분석기를 사용하는 세 가지 이유는 안정적이고 비용 효율적이며 안전한 유체 시스템을 확보하는 것입니다. 이런 목표를 달성하려면 설계를 완벽하게 해야할 뿐만 아니라, 겉보기에는 작아보이지만 성능에 영향을 미칠 수 있는 요소들을 고려해야 합니다.

그렇다면 ‘작은 요소들’에는 어떤 것들이 있을까요? 산업용 시스템은 튜빙, 튜브 피팅, 밸브, 게이지 등 무수히 많은 구성 부품으로 구성되어 있습니다. 각 구성 부품들은 잠재적으로 고장을 일으킬 수 있고, 만약 부품을 잘못 선택한다면 운영 효율성과 제품 품질에 영향을 미칠 수 있으며, 최악의 경우에는 작업자의 안전을 위협할 수도 있습니다. 모든 부품을 올바르게 선택해도 시스템을 실제로 작동해보면 다양한 요인이 샘플의 정확도나 완제품의 품질에 영향을 미칠 수 있습니다.

이런 현실을 고려해볼 때 전반적인 유체 및 샘플링 시스템 성능에 영향을 미칠 수 있는 주요 요인들은 다음과 같습니다.

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정확한 샘플 측정을 위한 재질의 중요성 공정 유체의 샘플을 채취할 때, 샘플은 분석기와 반드시 호환해야 하며, 필요한 조치를 취할 수 있도록 적시성을 띄어야 하고, 의미 있는 결과를 제공할 수 있도록 대표성을 가져야만 합니다. 플랜트 운영자는 최종제품이 설계 사양대로 나올 수 있도록 최신 공정 분석기를 설치할 수도 있지만, 공정 분석기는 단지 채취된 샘플을 분석하는 역할만 하므로, 분석 결과는 결국 분석기보다 샘플 콘디셔닝 시스템에 따라 크게 달라집니다.

메인 공정 라인에서부터 분석기까지 샘플이 이동하는 동안 몇 가지 요인들이 샘플과 샘플의 정확성, 유용성에 부정적인 영향을 줄 수 있습니다. 이런 요인들이 안전과 관련한 위험을 반드시 일으키는 것은 아니지만, 불필요한 가동 중지 시간을 발생시키거나, 왜 샘플이 사양에 부합하지 않고 공정 변화를 반영하지 않는지 의문이 들 수 있습니다.

현장에서 흔히 볼 수 있는 문제 중 하나는 호스 재질이 해당 애플리케이션에 호환하지 않거나 적합하지 않은 경우입니다. 이를테면, 헬륨, 수소, 심지어 이산화탄소와 같이 매우 작은 분자의 공정 가스는 플루오르수지(fluoropolymer)를 통과해 투과될 수 있습니다. 기술자가 Teflon® 호스를 원칙적으로 적합하지 않은 애플리케이션에 사용했다는 이유만으로, 측정치에 오류가 생길 수 있고 샘플의 대표성이 영향을 받을 수 있는 것입니다. 이와 비슷한 또 다른 문제는 흡착입니다. 이는 시스템 유체의 피분석물질이 물리적으로 튜브나 호스 내부 벽에 달라붙는 문제이며, 샘플이 공정을 더 이상 대표하지 않게 되어 분석기 측정 문제를 초래하게 됩니다.

공정 유체 자체는 사실 완벽하게 사양에 부합할지라도, 대표 샘플을 진단하고 추출하려면 상기 문제들로 인해 문제해결에 상당히 불필요한 시간을 쏟게 됩니다. 따라서 부정확성을 방지하기 위해서는 샘플링 시스템 및 애플리케이션의 시스템 재질과 완전히 호환하는 호스를 사용해야 합니다.

문제가 복잡해지는 것을 막기 위한 올바른 부품 선택 사양에 부합하는 제품을 만들거나 상 변화를 방지하기 위해 반드시 특정 압력이나 온도를 유지해야 하는 유체 시스템이 많습니다. 그러나 유체가 시스템 안에서 이동하는 동안 압력은 손실되고 열은 이동하기 때문에, 작업자는 적절한 수준의 압력 유지를 위해 특별 조치를 취해야 합니다.

일부 압력 손실은 어쩔 수 없겠지만, 이를 최소화하는 방법도 충분히 있습니다. 이를테면, 시스템에 불필요한 복잡함을 추가하지 않고, 올바른 크기의 라인과 올바른 밸브를 선택하는 것만으로도 원하는 압력을 효율적으로 유지할 수 있습니다. 예컨대, 미흡하게 설계된 시스템에서 목표 압력 유지를 위해 샘플 펌프와 같은 보조적인 도구를 흔히 추가하는데, 이는 유지보수를 쓸데없이 복잡하게 만드는 일입니다.

필요하지도 않은 펌프를 굳이 추가할 필요가 있을까요? 이렇게 추가한 보조 압력 펌프가 유체 시스템을 더 복잡하게 만듭니다. 왜냐하면 펌프는 전원 연결이 필요한 또 하나의 부품이고, 기술자가 주기적으로 유지보수를 해줘야 하며, 고장 날 경우를 대비해 교체 부품을 마련해야 하는 등 계속해서 신경을 써야 하기 때문입니다. 일단 밸브를 교체하기 전에 미리 시간을 들여 시스템을 완전히 이해하고 올바른 밸브를 선정한다면 전반적인 유체 시스템 성능과 효율성에 큰 차이를 만들어 낼 것입니다. 만약 올바른 밸브를 구비하지 못했다면 주문하여 구비해 놓으십시오.

올바른 압력 및 온도 유지 압력과 마찬가지로 온도는 상 변화에 필수적인 요소이며 유체 및 샘플 컨디셔닝 시스템에 걸쳐 다양한 요인에 영향을 받습니다. 어떨 때는 기술자가 시스템 전반에 걸쳐 올바른 온도가 유지되는지 각별히 주의해야 하는 경우도 있습니다.

가스 공정 라인에서 샘플을 채취해보십시오. 뜨거운 가스의 온도는 매우 급격히 떨어질 수 있으며, 올바른 조치를 취하지 않으면 빠르게 액체로 응축될 수 있습니다. 공정 샘플이 메인 시스템에서 분석기에 도달하는 시간 동안 온도와 압력을 올바르게 관리하지 않으면, 결국 부적절한 샘플을 얻게 됩니다. 큰 실수만이 문제가 되는 것이 아니라, 단열 되지 않거나 부적절하게 가열된 튜빙이 한 뼘만 있어도 심각한 가스 온도 저하가 발생하여, 대표성이 없거나 유용성이 없는 혼합된 상의 샘플을 얻게 될 수도 있습니다..

일부 기술자들은 응축 문제를 해결하기 위해 액체를 제거하는 코어레서(coalescer)나 녹아웃 포트(knock out pot)를 샘플 컨디셔닝 시스템에 추가하지만, 이와 같은 방법은 최선의 해결방법이 될 수 없으며 샘플의 유용성(usefulness)을 더 해칠 수도 있습니다. 이런 방법 대신에 애초에 모든 튜빙을 단열 및 가열하여 응축을 방지하는 방법으로 근본적인 문제를 해결해야 합니다.

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