가스저장시설의 이상감지를 위한 모니터링 시스템 구축에 대한 연구

오영석, 김구회, 이원보, 강경욱 윤인섭

서울대학교 화학공학과

A Study on Implementation of Monitoring System For Fault Detection in the Gas Storage Facility

Young Seok Oh, Ku Hoy Kim, Won Bo Lee, Kyung Wook Kang, En Sup Yoon

Department of Chemical Engineering, Seoul National University, Seoul 151-742, Korea

서론

현재 국내에는 다양한 규모의 고압가스저장시설 및 고압가스배관이 전국에 산재해 있다. 이러한 저장시설에서의 화재, 폭발 및 유독물질누출 등의 중대사고는 시설 자체에 대한 피해뿐만 아니라 이러한 시설을 통하여 에너지 및 원료를 공급받는 타시설이나 주변지역에 미치는 영향이 막대하다. 따라서, 이러한 시설에서의 사고방지 및 사고확산방지를 위한 안전진단기술은 사고감소를 통한 비용절감뿐만 아니라 관련시설의 종사자 및 인근주민에 대한 인명존중의 차원에서 반드시 필요한 기술이다.

따라서, 본 연구에서는 고압가스저장시설에서의 누출 등 사고방지를 위하여 상태모니터링을 통하여 현재의 시설상태를 정확히 파악하고, 이를 바탕으로 감지 및 진단을 수행하여 이상을 조기에 발견하여 사고로 전파, 발전하는 것을 미연에 방지하는 것을 목적으로 한다.

고압가스저장시설

본 연구에서 대상으로 하는 고압가스시설의 전형적인 공정도는 그림1과 같다.

먼저 하역시설을 통해 입하된 프로판은 Boosting pump를 통해 열교환기로 유입된다. 열교환을 통해 -40℃에서 5℃ 정도로 상승된 프로판은 지하암반식 저장탱크로 유입된다. 출하시 수분과 혼합된 프로판은 프로판 coalescer와 dryer를 거치면서 수분이 제거된 후 지상 볼탱크에 액체상태로 저장된다. 지상의 저장탱크는 이러한 프로판에 부취제를 첨가하여 출하시설을 통해 공급한다. 공급압력은 배관에 따라 약 6 - 9 kg/cm2의 상태로 공급된다.

상태모니터링 및 진단시스템 개요

가스저장시설에서 발생할 수 있는 사고의 유형은 발생시설에 따라 크게 두가지로 나눌 수 있다. 즉 지하케번(cavern)이나 지상볼탱크 등의 고압가스를 대형으로 저장하고 있는 저장탱크에서 발생할 수 있는 사고와 배관, 밸브 등 고압가스를 기화, 운반, 배분하는 주변장치에서 발생할 수 있는 사고로 분류할 수 있다. 저장탱크에서 발생하는 사고의 경우, 사고발생빈도는 낮지만 사고에 의한 손실은 막대하다. 반면에 주변장치에서 발생하는 사고는 배관에서의 누출, 장치의 고장, 제어기의 고장 등 여러형태로써 통상적으로 발생빈도가 높다.

따라서, 본 연구에서는 두가지 형태의 사고에 대하여 각기 다른 형태의 상태진단기술을 사용한다.

저장탱크의 경우, 장치의 상태를 판단하기 위하여 비파괴진단기술을 이용한다. 즉 일정한 시간간격(수일에서 수십일)을 두고 탱크 전체에 대하여 비파괴진단을 수행하고 그 결과를 분석하여 균열의 여부나 이미 생성된 균열의 진행상태를 파

Fig. 1 Flow diagram of gas storage facility

악한다. 이러한 정보를 바탕으로 종합적 모니터링 시스템을 구축하며 경년에 따른 결함의 발생, 장치의 신뢰도를 평가할 수 있으며, 잔여수명을 예측할 수 있다.

주변장치의 경우, 취급되고 있는 액화가스나 기화가스가 보통 고압에서 조업되고 있으며, 특히 기화가스의 유량측정의 경우 많은 어려움이 있다. 이러한 조건하에서 적절한 상태모니터링시스템을 구축하기 위해서는 하드웨어적인 센서외에 적절한 형태의 소프트웨어센서가 필요하다. 이러한 전략의 전반적인 개략도는 그림2와 같다.

Fig. 2 The overall strategy for the monitoring and diagnosis system

공정모델링

국내에서 현재 가동중에 있는 몇 개의 시설에 대하여 사전 조사를 통하여 전형적인 형태의 고압가스저장시설을 선정하고 이에 대하여 수학적인 모델을 작성하였다. 우선 관련된 파라미터값들을 알기위하여 HYSYS를 사용하여 모델링을 하였으며, 실제 공정테이타와 비교를 통하여 필요한 파라미터 값들을 계산하였다. 이를 바탕으로 상태예측에 사용할 상태공간모델을 작성하였다.

상태예측

하드웨어센서에 필연적으로 존재하는 잡음, 신뢰도 등의 문제 등을 다루기 위하여 소프트웨어센서를 사용한다. 소프트웨어로는 널리 알려진 칼만필터나 관측자(Observer)를 사용할 수 있으며, 현재로는 두가지 형태를 모두 사용하고 있다. 이들을 통하여 제한된 측정치를 사용하여 잡음이 어느 정도 제거된 상태예측값을 구할 수 있으며, 이를 통하여 상태감시 및 진단을 수행한다.

상태감시 및 진단

이상은 coalescer, 건조기 등의 단위장치와 배관, 펌프, 센서등에서 발생할 수 있으며, 이들의 조기감지 및 진단을 하는 것이 본 시스템의 목적이다. 특히 고압가스시설의 경우 가장 문제가 될 수 있는 이상은 배관이나 접합부에서의 누출(leakage)이며, 이들의 조기감지 및 차단(isolation)을 위한 시스템을 우선 개발한다. 배관에서의 누출감지에 대한 많은 연구가 이미 수행된 바가 있으며, 이들 방법론을 본 시스템에 수정, 적용하였다.

결론

고압가스시설에서 발생할 수 있는 이상감지를 위한 상태모니터링 및 진단시스템구축에 대한 연구를 수행하였다. 공정측정값과 공정모델을 이용하여 상태예측을 하였고, 예측된 상태변수를 모니터링함으로써 상태진단을 수행하였다. 전체 시스템구축의 일단계 목표로 대상시설내에서 발생할 수 있는 가스누출을 감시할 수 있는 시스템을 우선 구축하였으며, 공정모사를 통하여 감지성능을 검증하였다.

참고문헌

1. Rolf Isermann, "Process Fault Detection Based on Modeling and Estimation", Automatica, 20, 387(1984)

2. Paul M. Frank, "Fault Diagnosis in Dynamic System Using Analytical and Knowledge-based Redundancy-A Survey and Some New Result", Automatica, 26, 459(1990)

3. Mohinder S. Grewal, Angus P. Andrews, "Kalman Filtering Theory and Practice", Prentice Hall(1993)

4. David M. Himmelblau, "Fault Detection and Diagnosis in Chemical and Petrochemical Processes", Elsevier Scientific Pub.(1978)