광학 가스 이미징을 사용하여 OOOOa 규정 준수: 사례 연구

천연가스 압축기 충전소는 Quad OA로 알려진 새로운 EPA 검사 규정을 준수해야 합니다. 광학 가스 이미징은 요구 사항을 충족하는 효율적이고 비용 효과적인 수단을 제공합니다.

2017년 6월, 환경보호청은 천연가스 컴프레서 스테이션 모니터링에 관한
새로운 규정 발효했습니다. 이 규정은 2015년 9월 이후 새로 건설되거나 개조된 모든 압축기 스테이션의 메탄 누출 여부를 분기별로 점검하도록 규정하고 있습니다. EPA의 주요 관심사는 강력한 온실가스인 메탄의 배출량을 줄이는 것이지만, 적외선(IR) 카메라를 사용한 정기적인 검사로 기업의 비용을 절감하고 작업자의 안전도 개선할 수 있다는 사실이 경험적으로 입증되기 시작했습니다.

새로운 규칙은 ‘석유 및 천연가스 부문: 신규, 재구성, 수정된 배출원에 대한 배출 기준’으로, EPA는 이 규정을 40 CFR 파트 60의 하위 파트 OOOOa로 분류하고 있으며 Quad OA로 널리 알려져 있습니다. 규정에 따라 압축기 스테이션은 필수 모니터링의 수행 방법에 대해 옵션을 제공합니다.
한 가지 옵션은 스니퍼(sniffer)를 사용하여 탄화수소 가스의 존재를 감지하고 이를 백만 분의 1 단위로 보고하는 오래된 기술인 Method 21입니다. 보다 현대적인 옵션이자 EPA에서 ‘최고의 배출 감소 시스템’으로 지정한 옵션은 광학 가스 이미징으로, 적외선 카메라를 사용하여 파이프와 장비에서 누출되는
가스 기둥을 확인합니다. 광학 가스 이미징은 스펙트럼 필터링을 사용하여 가스가 흡수하는 적외선 파장을 표적하여 사용자가 보이지 않는 가스를 시각화할 수 있도록 합니다.

천연가스 압축기 스테이션에는 가스 누출의 원인이 될 수 있는 많은 이음새와 접합부가 있습니다.

더 나은 기술

광학 가스 이미징은 Method 21에 비해 몇 가지 장점이 있습니다. 가장 중요한 것은 검사자가 가스의 누출 위치를 실제로 확인하여 밸브 또는 파이프 조인트와 같은 누출 위치를 파악할 수 있으므로 누출을 쉽게 찾아 수리할 수 있다는 것입니다. Method 21은 테스트가 수행되는 지점의 공기 중 메탄 농도만 보고할 뿐 가스가 흐르는 속도나 방향에 대한 정보는 제공하지 않아 누출 원인을 찾기가 어렵습니다.

광학 가스 이미징의 또 다른 장점은 시각적 방법이기 때문에 검사자가 특정 유리한 지점에서 전체 장면을 조사할 수 있다는 점입니다. Method 21은 모든 잠재적 누출원, 모든 파이프 이음새, 조인트, 밸브에 물리적으로 접촉해야 합니다. 그 중 일부는 쉽게 접근하기 어렵고 모든 장비를 만지려면 시간이 많이 걸립니다. 검사자가 철저한 작업을 수행한다면 하루에 500개의 구성요소를 검사할 수도 있습니다. 예를 들어 압축기 플랜트에 6,000개의 구성요소가 있는 경우 기술자 한 명이 모든 구성요소를 테스트하는 데는 12일이나 걸립니다. 광학 가스 이미징 카메라는 공장의 다양한 지점에서 멈춰 넓은 영역을 조사하며 하루 이내에 작업을 완료할 수 있습니다.

가스 플룸의 크기로 가스의 양을 어느 정도 파악할 수 있지만, 카메라가 누출의 정량적 측정값을 제공하지는 않습니다. 숙련된 카메라 운영자는 누출 크기(소형, 중형, 대형, 매우 대형) 또는 예상 누출률에 대한 정성적 평가를 제공하여 누출 수리 우선순위를 정할 수 있는 추가 정보를 제공할 수 있습니다. 그러나 스테이션 운영자가 숫자를 표시하고 싶다면 카메라로 식별한 누출 지점에서 스니퍼를 사용하여 누출을 찾는 데 많은 시간을 들이지 않고도 백만분율 판독값을 얻을 수 있습니다. 수리가 완료되면 플랜트 운영자는 다음을 확인할 수 있습니다.
다른 카메라 검사로 확인하거나 기포 테스트를 수행하여 누출 부위에 계면활성제를 뿌려 용액에 기포를 일으키는 가스가 있는지 확인합니다.

사례 연구

이 새로운 규정을 시행한 효과를 측정하기 위해 압축기 플랜트에서 누출 감지 및 수리를 위한 점검을 수행하는 계약업체인 Target Emission Services가 여러 차례 점검 데이터를 수집했습니다. 연구 결과에 따르면, 광학 가스 이미징 조사를 통해 기업은 EPA 규정을 준수할 수 있을 뿐만 아니라 경제적 이득도 얻을 수 있는 것으로 나타났습니다. 2017년 4분기와 2018년 1분기 동안 Target은 5개 압축기 회사가 소유한 9개 주 104개 시설에서 총 224건의 검사를 수행했습니다. 시설당 평균 2.4대의 압축기가 있었습니다. 각 모니터링 이벤트는 광학 가스 이미징 분야에서 최소 1,000시간 이상의 경력을 보유한 기술자가 수행했습니다. 그는 스펙트럼 필터가 적용된 안티몬화 인듐 검출기와 320 x 240 픽셀 해상도의 FLIR GF320 카메라를 사용했습니다. 카메라는 고감도 모드에서 사용되어 누출 감지 기능이 향상되었습니다.

작은 누출부터 큰 누출까지

누출의 심각도는 가스 유량에 따라 달라집니다. 가스 흐름은 카메라가 아닌
Hi-flow Sampler로 측정합니다. 분당 0.1세제곱피트(cfm)
미만은 낮은 심각도, 0.1~0.5cfm은 중간 심각도,
0.5cfm 이상은 높은 심각도로 간주합니다. 검사자는 총 1,977개의
누출을 발견했습니다. 이 중 65%인 1,291건의 유출은 낮은 심각도였습니다. 또 다른 32%인 630건은 중간 심각도였습니다. 그리고 3%인 56건의 유출은 높은 심각도 유출이었습니다. 발견된 가장 작은 누출은 0.01cfm에 불과했지만 가장 큰 누출은 7.85cfm에 달했습니다.

누출된 가스 1cfm당 연간 약 1,600달러의 비용이 발생하므로 7.85cfm는 1년에 12,500달러 이상의 가스 손실이 발생한다는 의미입니다.

표 1. 2017년과 2018년 5개 분기 동안 모니터링된 평균 및 총 유출 건수입니다.

출처: Target Emission Services.

이와 같은 수치는 가장 큰 누출을 찾아
수리할 때 가장 큰 수익이 발생한다는 것을 시사하지만,
부피 기준으로 보면 작은 누출의 수가 큰 누출의 수와 거의 같으며,
각각 손실된 가스의 약 27%를 차지하는 반면 중간 누출이 나머지 45%를 차지한다는 점에 유의하는 것이 중요합니다.

검사 결과 시설당 평균 19건, 조사당 9건의 누출이 발견되었습니다. 시설당 평균 총 누출률은 2.4cfm이었습니다.

주목할 만한 비용 절감

경제적 이점은 분명했습니다. 조사당 평균 모니터링 비용은
1,220달러, 수리 비용은 450달러였습니다. 이를 통해 연간 1,609달러 상당의 가스를
절약할 수 있으며, 수리의 평균 수명은 2년입니다. 10% 할인율을 적용한 순현재가치(Net Present Value) 방법—미래에 투자되었을 경우의 가치를 현재 지출한 금액과 비교하는 방법—을 가스 절약 가치에 적용하면, 점검당 $1,122의 이익이 발생합니다. (표 1 참조).

모든 시설에서 연간 총 36만 달러 이상의
가스가 절약되어 순 현재 가치는 25만 1,000달러가 넘습니다. 기업은 절감액 실현 여부와 관계없이
규제 요건을 준수해야 하므로
25만 달러는 보너스로 간주될 수 있습니다.

더 높은 안전성, 더 낮은 배출량

금전적 수익만이 모니터링의 유일한 이점은 아닙니다. 또 다른 하나는 안전성 향상입니다. 발견된 모든 누출 중 22건은 잠재적인 안전 위험으로 확인되었습니다. 이 중 7개는 위험도가 높았고, 3개는 극단적인 것으로 간주되었습니다. 누출로 인해 가스가 연소할 수 있는 농도인 폭발 하한에 근접하기 시작하는 고농도의 가스가 발생하면 위험한 것으로
간주됩니다. 고농도의 누출은 화재나 폭발 위험의 원인이 될 수 있으므로 이러한 문제가 발생하기 전에 누출을 발견하는 것은 매우 중요합니다.

누출은 직원에게도 위험을 초래할 수 있습니다. 이러한 누출의 약 60%는 시설 운영자나
유지보수 직원이 작업하는 구역에서 발견되었습니다. 해당 시설들은 건물에 가스 감지 장비가 있었음에도 불구하고 가스 누출을 인지하지 못했습니다.

마지막으로, 배기가스 배출량 감소 혜택이 있습니다. EPA는 대기 중으로 방출되는 메탄의 양을 줄이기 위해 누출을 발견하고자 합니다. 이 검사에서 발견된 총 메탄의 양은 연간 59,000톤의 이산화탄소에 해당하는 양입니다.

시간 경과에 따른 개선 사항

시간이 지남에 따른 개선 새로운 프로그램에서 예상할 수 있듯이, 초기 검사에서 일반적으로 가장 많은
누출이 발견되었으며, 이후 조사에서는 더 적은 누출이 발견되었습니다. 조사 간 누출 횟수의
평균 변화는 18% 감소했으며, 누출률은 평균 23% 감소했습니다. 그러나 이는 시설마다 크게 다를 수 있습니다. 조사 간 가장 큰 증가율은 1,066%였으며, 가장 큰 증가율은 3,800%였습니다. 다른 극단에서는 가장 큰 감소폭은 90%, 가장 큰 비율 감소폭은 96.9%였습니다. 유출의 5%만이 재발했습니다. (그림 1 참조)

그림 1. 검사한 압축 시설에서 누출 횟수와 누출 비율 모두 1차 검사에서 4차 검사로 갈수록 전반적으로 감소했습니다. 출처: Target Emission Services.

이러한 증가의 대부분은 점검 당시 일부 시설이 가동되지 않았기 때문인데,
이는 연중 시기적으로 천연가스 수요가 적었기 때문인 경우가 많았습니다. 장비가 가동되고 압력이 가해지는
후속 조사에서는 당연히 더 많은 누출이 발견될
것입니다. 장비를 분해했다가 재조립한 후에도 새로운 누출이 발생할 수 있습니다. 이러한 운영 상태의 변화가 없는 경우, 조사 결과 일반적으로 한 번의 검사에서 다음 검사로 넘어갈 때마다 유출이 감소하는 것으로 나타났습니다. 네 번째 분기 검사 시점(네 번 조사된 시설의 경우)에는 누출률이 ‘정상 상태’ 또는 유지 관리 수준으로 떨어졌습니다.

누출 점검의 중요한 측면 중 하나는 결과 및 대응에 대한
보고와 추적입니다. Target은 발견한 대부분의 유출이 규정에서 요구하는 30일 이내에 복구되었다는 사실을 발견했습니다. 발견 즉시 수리된 경우는 10%에 불과했으며, 이는 대부분 단순히 연결만 조이는 것이었습니다. 나머지 9%는 5일 이내에, 21%는 15일 이내에, 54%는 16~30일 이내에 수리되었습니다. 특히 한 달 이내에 해결할 수 없는 까다로운 문제를 ‘수리 지연(DOR)’으로 분류할 수 있으며, 누출의 3%가 이 분류를 받았습니다. 단 3%만이 기한이 지났으며,
수리가 완료되지도 않았고 DOR로 분류되지도 않았습니다.

명확한 이점

전반적으로 Target의 사례 연구는 누출 감지 및 수리를 위해 광학 가스 이미징을 사용함으로써 가스 낭비를 제거하고 기업들에게 상당한 경제적 이익을 제공한다는 것을 발견했습니다. 부가적인 이점으로는 공장과 작업자의 안전성 증대와 온실가스 배출 감소가 포함되었습니다. Target은 시설 운영자가 필요한 수리에 신속하게 대응하고 있으며 누출이 반복되는 횟수가 미미하다는 사실을 발견했습니다. 분기별 검사는 누출이 가장 많을 것으로 예상되는 최대 작동 모드에서 각 압축기를 발견할
확률을 높입니다. 요컨대, 광학 가스 이미징을 통해 압축기 회사는 규제 요건을 충족할 수 있을 뿐만 아니라 비용을 절감하고 시설을 더 안전하게 만들 수 있습니다.