광학 가스 이미징 정량화 이해
정량적 광학 가스 이미징은 석유 & 가스 산업 운영사에게 작업자 안전 개선, 환경 관리 강화 및 비용 효율적인 운영을 위한 도구를 제공합니다.
작성자: Craig R O’Neill, FLIR
비교적 최신 기술인 정량적 광학 가스 이미징(qOGI)은 석유 및 천연 가스 산업 운영사가 가스 누출을 정량화할 수 있는 도구로서 유독성 증기 분석기 및 Bacharach Hi Flow® 샘플러에 대한 실행 가능한 대안임을 빠르게 입증하고 있습니다. 이 문서에서는 qOGI, 작동 방식, 적용 분야 및 사용에 필요한 장비에 대해 설명합니다. 또한 이 문서에서는 qOGI와 대체 누출 정량화 기술이 어떻게 비교되는지 자세히 설명합니다.
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정량적 광학 가스 이미징이란?
정량적 광학 가스 이미징은 알고리즘 솔루션과 결합된 광학 가스 이미징(특히 냉각된 탄화수소 OGI)을 활용하여 육안으로 볼 수 없는 가스 누출을 정량화하는 기능입니다.
이는 일반적으로 OGI 카메라에서 시각화할 수 있는 누출입니다. 역사적으로, OGI 카메라는 누출이 발생하고 있음을 나타내지만 얼마나 많은 누출이 발생하고 있는지는 거의 나타내지 않는 정성적 분석으로 제한되었습니다. 그러나 이제 기존 OGI 카메라와 qOGI 솔루션을 결합하면 이러한 누출을 질량과 용적 누출률 단위뿐만 아니라 경로 간 농도(ppm-m)로 시각화하고 정량화할 수 있습니다.
QOGI 대 대체 기술 비교
성능 측면에서, 유독성 증기 분석기(TVA, 일반적으로 “스니퍼”라고 함)나 Bacharach Hi Flow® 샘플러(BHFS)는 질량 누출률 및 용적 누출률뿐만 아니라 경로 간 농도로 다양한 가스 누출을 정량화할 수 없습니다. TVA는 농도 분석을 제공하지만 유량은 측정값은 제공하지 않습니다. BHFS는 유량과 농도를 모두 측정할 수 있습니다.
TVA 및 BHFS 장치 모두 누출이 샘플링된 장소 및 시기는 물론 장치의 배치 방법에 따라 동일한 누출에 대해 서로 다른 해석을 내놓을 수 있습니다. 이러한 장치의 기능으로 인해 이러한 단점이 발생하며, 이들은 해당 시간의 누출 스냅샷을 제공하는 반면, qOGI 시스템은 시간 경과에 따라 롤링 평균 누출률을 제공합니다.
또한 TVA 및 BHFS 장치는 검사자가 접할 수 있는 특정 가스를 정량화하는 능력에 제한이 있습니다. qOGI 시스템은 400개 이상의 화학 화합물을 식별하고 정량화할 수 있습니다. 또한 qOGI 시스템은 기록된 OGI 카메라 피드의 정보를 분석하기 때문에 사용자는 시스템의 분석을 확인하는 데 도움이 되는 시각적 증거를 갖게 됩니다. 다른 어떤 기술도 그러한 확신을 제공하지 않습니다.
그러나 검사자의 안전은 qOGI의 가장 큰 장점이 될 수 있습니다. 모니터링하기 어려운 TVA 및 BHFS 장치의 특성을 고려하십시오
(DTM) 장치 -- 측정기로부터 너무 먼 거리에 위치한 누출원으로 인해 정량화가 어려울 수 있습니다.
최선의 방책으로 비계를 설치할 수 있지만 비계의 구조가 너무 비싸거나 시간이 많이 걸리지 않기를 바라야 합니다. 그런 다음 검사자는 안전 장치를 착용하고 적절한 개인 보호 장비를 모두 착용한 후 누출을 정량화하기 위해 누출 가스 플룸에 위험하게 가까이 가거나 경우에 따라서는 누출 가스 플룸으로 올라가야 합니다.
어떤 경우에는 안전 또는 작동 공간 부족으로 인해 검사관이 잠재적 누출에 완전히 접근하지 못할 수도 있습니다.
보다 접근이 용이한 장소에서 누출이 발견(또는 의심)되더라도 qOGI 시스템은 사용 편의성이 뛰어납니다. TVA는 현장 보정 키트를 사용하여 자주 보정해야 하며 “그 순간”에만 작동합니다.
한편, BHFS는 사용 및 유지에 많은 노동력이 필요합니다. 검사자는 가능한 한 가장 정확하게 판독할 수 있도록 테이프와 플라스틱을 사용하여 누출을 최대한 밀봉해야 합니다. 이러한 장치는 높은 정확도를 가질 수 있지만 매주 보정해야 하며 매일 확인해야 합니다.
환경 조건이 이러한 장치에 미치는 영향도 고려해야 합니다. TVA의 판독값은 습도, 온도 및 오염물질에 의해 영향을 받을 수 있지만, 이 기술이 누출을 놓칠 가능성이 있기 때문에 바람이 가장 극적인 영향을 미칠 수 있습니다(그림 1). BHFS의 환경적 제한 사항은 특정 센서에 따라 달라집니다. qOGI 시스템의 판독값은 태블릿의 입력 매개 변수에 고려되는 온도(아래에서 논의됨)와 풍속에 영향을 받을 수 있습니다.
그림 1 - 유독성 증기 분석기(TVA) 측정에 대한 바람의 유해한 영향
QOGI는 어떻게 작동합니까?
가스 플룸에 가까이 가지 않고 누출 크기를 정량화하는 기능은 qOGI와 경쟁 기술 간의 가장 큰 차별화 요소이며 qODI의 가장 큰 장점입니다. 원거리에서 OGI 카메라를 사용할 경우 세 가지 요인을 통해 카메라가 가스를 시각화할 수 있습니다(그림 2).
그림 2 - OGI 카메라의 가스 이미지에 영향을 미치는 요인
IR 흡수— α(λ) — 첫째, 탐지할 가스에는 OGI 카메라의 스펙트럼 창과 중첩되는 IR 흡수 피크가 있어야 합니다. 거의 400개의 화합물에 대해 반응 계수(RF)를 개발하였으며, 서로 다른 기체가 에너지를 흡수하는 파장을 나타내는 이러한 RF를 통해 사용자는 특정 IR 카메라로 화합물을 촬영할 수 있는지 여부를 평가할 수 있습니다. 또한 qOGI 방법의 결과를 조정하는 데 사용할 수 있으므로 단일 가스를 사용한 단일 보정을 여러 가스 측정에 적용할 수 있습니다.
RF는 기준 화학물질과 비교하여 특정 화합물의 민감도도 지정합니다. 예를 들어, 프로판에 대한 RF는 1입니다. 다른 화합물에 대한 RF 값이 0.3이라면 이는 해당 화합물이 프로판 민감도의 30%를 갖는다는 의미입니다. 화학물질의 RF가 0.1 미만이라면 기준 화학물질과 동일한 조건에서 OGI 카메라로 화학물질을 볼 수 없을 가능성이 높습니다.
델타 온도 — ΔT — 가스 플룸과 백그라운드 사이에 충분한 온도 차이가 있어야 합니다. ΔT가 높을수록 OGI 카메라의 디스플레이에 더 잘 보입니다. qOGI의 경우, ΔT가 높다는 것은 신호 대 잡음비가 더 높다는 것을 의미하며, 이 경우 측정 데이터가 보다 우수합니다.
QOGI 사용자는 다양한 각도에서 누출을 확인하여 가능한 가장 높은 ΔT를 보장해야 합니다. 가스 누출 근처의 주변 공기와 이미지 백그라운드의 겉보기 온도 간의 온도 차이가 최소한 2°C는 되어야 합니다. ΔT를 일반적으로 정확한 판독값을 수집하는 데 가장 중요한 요소로 고려해야 합니다.
가스가 고온 백그라운드(벽)에서 주변 온도(울타리)의 배경으로 이동할 때 델타 T의 영향을 보여주는 가스 누출 이미지
가스 존재 — ɠ — 이미지에 시스템의 최소 탐지 한계보다 큰 가스가 있어야 합니다.
장면에 이미지화할 충분한 가스가 존재해야 한다는 점을 감안할 때, qOGI의 기능은 다른 두 가지 요인— α(λ) 및 ΔT —의 영향을 표준화하여 존재하는 가스를 정량화하는 것입니다. 이 측정값은 다양한 측정 조건에서 일관됩니다(예: 측정 조건이 다양하기 때문에 ΔT가 다른 경우에도 동일한 판독값이 동일한 결과를 산출합니다).
QOGI가 생성할 수 있는 두 가지 유형의 결과:
- 픽셀 수준에서 ppm-m으로 표시되는 경로 간 농도 및
- 질량 또는 용적 누출률(예: grams/hr 또는 liters/min).
그림 3 - 다양한 경로 간 농도를 갖는 프로판의 예
질량 또는 용적 누출률에는 픽셀 수준 측정값을 전체적으로 누출의 영향으로 집계하기 위한 추가 알고리즘 프로세스가 필요합니다. 또한 알고리즘은 질량 또는 용적 누출률의 측정값에 영향을 미치는 거리 및 바람 조건도 고려합니다.
qOGI 솔루션은 실시간 사용과 Q 모드 작동의 두 가지 작동 모드를 갖추고 있습니다.
현장(실시간 사용)에서는 FLIR OGI 카메라(GF320, GFx320 또는 GF620)에 견고하게 설계된 태블릿 컴퓨터(이미지화되는 가스를 정량화하는 소프트웨어가 포함되어 있는)를 직접 연결하면 즉시 누출에 대한 실시간 보기를 정량화하기 시작합니다.
FLIR GFx320 광학 가스 이미징 카메라
Q 모드 작동 시, 나중에 사용할 수 있도록 비디오를 카메라에 저장할 수 있습니다. 그런 다음 태블릿에 파일을 다운로드하여 누출을 사후에 정량화할 수 있습니다.
태블릿 자체는 FLIR OGI 카메라(USB 케이블은 현장 사용 중에 장치를 연결하고, 카메라의 SD 카드는 Q 모드 작동을 위해 제거할 수 있음)를 통해 플러그 앤 플레이를 사용하도록 설계 및 제조된 기성 기술로 구성되어 있으며, 정기적인 보정이 필요하지 않습니다. 따라서 기존 OGI 카메라 사용자가 qOGI를 원활하게 구현할 수 있습니다.
또한, 태블릿은 유독성 가스에 정기적으로 노출되는 TVA 및 BHFS 시스템이 경험하는 부품의 열화 현상을 겪지 않습니다. TVA이 경우 교체 부품을 쉽게 제공 받을 수 있지만 BHFS 장치는 2016년부터 제조되지 않고 있습니다.
마지막으로 qOGI를 사용하면 정량화 프로세스의 일부로 누출을 시각화할 수 있으므로 움직임이 (모든 카메라와 마찬가지로) 성능에 부정적 영향을 줄 수 있습니다. 따라서 사용자는 삼각대를 통해 카메라를 안정화해야 합니다.
결론
qOGI는 최신 기술이기 때문에 그 사용에 있어 미국 규제 동인이 존재하지 않지만 내부 목적의 도구로서의 장점은 분명합니다. 실제로,
오일 및 가스 업계의 선두업체가 기술을 현장 테스트하여2 업스트림 ICR 요청 및 탱크 배출에서 DTM LDAR 부품(다운스트림) 및 유지보수/안정성 모니터링에 이르기까지 모든 것을 정량화하기 위한 실행 가능성을 탐색했습니다.
qOGI는 대체 가스 정량화 방법과 비교하여 분명한 안전상의 이점 외에도 CONCAWE3의 엄격한 제3자 테스트를 거쳤으며 TVA와 같은 기술보다 더 쉽고 빠르며 정확하다는 것이 입증되었습니다. 또한 QOGI는 기존 OGI 카메라에 대한 추가적인 장점으로 비용 효율성이 높으며 석유 및 가스 운영사는 사업을 운영하는 지역사회에서 미래 지향적인 환경 의식의 우위를 확보할 수 있습니다.
저자 소개
Craig R O’Neill은 FLIR에서 17년 이상 근무해 왔으며 2005년 6월에 상용 광학 가스 이미저를 도입한 이후 OGI 시장에 적극적으로 참여하고 있습니다. 현재 그는 광학 가스 이미징 사업 부문과 석유 및 가스 산업의 FLIR 솔루션 전략에 대한 글로벌 책임자를 맡고 있습니다. 이 역할을 통해, 그는 고객, 업계 이해관계자, 전략적 파트너 및 영업, 마케팅, 엔지니어링 및 제품 관리를 포함한 FLIR Instruments 사업부의 여러 수직 통합 측면 간의 연결 고리 역할을 하고 있습니다. 그의 목표는 FLIR가 오일 및 가스 산업의 요구를 충족하는 감지 솔루션을 제공할 수 있도록 지원하는 것입니다.
FLIR SYSTEMS, INC. 소개
1978년에 설립되어 오리건주 윌슨빌에 본사를 둔 FLIR Systems는 통찰력을 강화하고 인식을 높이는 센서 시스템을 제조하는 세계 최고의 제조업체로 생명을 구하고 생산성을 향상시키며 환경을 보호할 수 있도록 지원하고 있습니다. 약 3,500명의 직원을 통한 FLIR의 비전은 열 이미징과 인접 기술을 활용하여 보안 및 감시, 환경 및 상태 모니터링, 야외 레크리에이션, 머신 비전, 내비게이션 및 고급 위협 탐지를 위한 혁신적이고 지능적인 솔루션을 제공함으로써 “The World’s Sixth Sense”가 되는 것입니다. 자세한 내용은 www.flir.com을 방문하거나 @flir에 문의하십시오.
리소스
1. http://docs.wixstatic.com/ugd/5922b2_fa557e034d654f54865a63902fb93d6e.pdf
2. http://docs.wixstatic.com/ugd/5922b2_0b8501e272274446a9aceda959ff5565.pdf
3. https://www.concawe.eu/wp-content/uploads/2017/01/rpt_17-2.pdf
광학 가스 이미징에 대한 자세한 내용은 www.FLIR.com/ogi를 참고하십시오.
