영상화와 결합 가스누출 위치 신속 확인
빠른 가스누출 대응으로 2차 사고 예방
석유화학 플랜트 및 가스 시설물의 사고는 심각한 인적, 물적 피해를 유발시킨다. 최근 발생하는 가스 시설물의 대형 사고는 시설의 노후나 불량, 작업자의 조작 미숙 등 여러 가지 원인에 의해 발생하는 사고가 대다수이다. 특히 가스 수송 및 저장을 위한 가스 시설물은 항상 위험에 노출되어 있으며, 넓은 지역에 분포되어 있다. 이러한 가스 시설물의 효과적인 모니터링을 위해서는 전통적인 센싱 방법 외에 국부적, 전역적인 센싱을 위한 여러 방식을 혼합한(하이브리드) 형식의 센싱 기술 및 산업용 통신 기술을 도입하여 사고 대응 기술과 사고 예방 기술을 함께 적용한 안전관리 중심 기술로의 전환이 필수적이다.
본 기고에서는 ㈜퀀텀센싱에서 개발한 양자센싱 및 광 센싱 기술을 이용한 가스 안전 기술을 소개하고자 한다.
양자(퀀텀)기반 가스누출 영상화 시스템
기존 접촉연소식 가스검지기의 경우 직접 가스와 접촉하여 가스누출을 감지하기에 넓은 면적에서는 효율적이지 않다. OGI 카메라는 IR CCD 기반으로 넓은 영역의 가스누출은 감지할 수 있으나, 누출농도 및 소량의 가스누출을 감지할 수 없어, 적용 대상이 제한적이다. 국가 산업단지나 가스 생산기지 같은 원거리 넓은 면적을 모니터링하기 위해서는 새로운 솔루션 도입이 필요하다. 양자기반 가스누출 감지기는 이러한 산업계의 요구를 충족하는 솔루션으로서 원거리의 미세가스 누출을 측정할 수 있을 뿐만 아니라 영상화와 결합하여 시각적으로 가스누출의 위치를 쉽고 빠르게 알 수 있어 신속한 사고 대응을 할 수 있도록 도와준다.
양자기반 가스누출 영상화 시스템의 가스 감지원리는 기존 레이저 가스감지기의 원리와 동일한데 가스 분자가 특정 파장의 빛(레이저)을 만나게 되면 빛을 흡수하는 원리를 이용한다. 가스 분자는 진동과 회전 등의 운동을 하는데 특정 파장의 빛을 만나게 되면 운동 상태의 전이(Transition)가 발생하여 빛을 흡수하게 된다. 이때 흡수되는 양은 가스의 농도에 비례하기 때문에 이를 이용하여 가스 농도를 측정한다. 이 때 측정되는 양은 레이저가 간 거리의 농도를 누적한 ‘거리누적농도’가 측정되며 이것의 단위는 ppm·m가 된다. 검출기로는 기존 APD보다 감도가 좋은 단일광자 검출기(Single Photon Detector)와 같은 민감도가 뛰어난 검지기를 사용한다. 일반적인 PD(Photodiode)는 낮은 역방향 전압에서 작동하고, APD(Avalanche Photodiode)는 브레이크 다운 전압 영역 아래에서 작동한다. SPAD(Single photon avalanche diode)는 브레이크 다운 전압 영역에서 작동한다. SPAD는 가이거 모드(Geiger Mode)로 동작하기 때문에 APD(Linear Mode)와 비교하여 광 민감도가 우수하다. 대부분의 SPAD는 디지털 모드의 출력 결과를 나타나는데 광자의 유무를 나타내는 ON/OFF 값을 출력한다. 가스 농도를 측정하기 위해서는 이러한 광자를 카운트하여 히스토그램을 만들고 이를 이용하여 가스 농도 값을 계측한다.
양자기반 가스누출 영상화 시스템은 반사형 가스 검출 시스템으로 광 송수신기가 동일 장비에 있으며 가스가 있는 곳의 후방에 위치한 물체를 맞고 반사된 후방산란 빛을 감지하여 가스 농도를 검출하는 방식이다. 양자기반 가스누출 영상화 시스템의 구성은 크게 가스 농도를 검출하는 양자 가스 광학부와 영상화를 위한 카메라부, 시스템 운영 및 신호처리를 하는 제어부, 데이터 전송을 위한 통신부 그리고 가스누출을 모니터링할 수 있도록 하는 서버 및 UI 부분으로 이루어져 있다. 가스누출 영상화를 위해서 내부 스캐너 시스템과 외부 Pan Tilt Unit을 사용하여 광범위 영역을 정밀하게 스캔하도록 설계되어 있으며 방폭지역에서 사용 가능하도록 방폭 구조로 설계되었다. 영상화를 위해서는 빠른 반응속도를 내는 것이 핵심기술인데 이를 위해 고속 가스 농도 데이터 처리가 가능한 하드웨어 구조로 개발되었다.
광 센싱 기반 가스센싱 솔루션
기존 가스누출 감지 시스템과 비교하여 광섬유 케이블을 센서로 사용하는 분산형 광 센싱 방식은 기존 측정 방식에 비해 많은 이점을 제공한다. 그중 광섬유를 따라 공간적 연속성으로 특정 물리량의 변동을 모니터링 할 수 있다는 것이다. 이는 광섬유 전 구간을 계측지점(sensing point)으로 사용하여 하나의 광섬유로 여러 포인트 센서를 대체 할 수 있는 분포형 광섬유 센서의 최대 장점이다. 또한, 광섬유 센싱은 전자소자 대신 빛을 이용하여 측정한다는 점에서 전자파 간섭에 본질적으로 영향을 받지 않으며, 전기적인 누전 등으로 인한 화제 등의 위험이 없다. 광 센싱 기반 가스 센싱 시스템은 구조물에 설치가 용이하고, 원거리 원격 계측이 가능하다는 점에서 대규모 면적의 파이프라인 및 플랜트 시설의 가스누출 감지 및 모니터링 시스템 적용에 적합하다.
광섬유에 광원이 입사하면 대부분은 광섬유의 길이 방향으로 전반사되어 통과하지만, 극히 일부분은 후방 산란을 일으킨다. 후방 산란 신호 중 레일레이 산란 분석을 이용한 분산 음향 감지(DAS) 시스템은 파이프라인, 시설물의 진동 정보를 측정하여 기체의 외부 누설과 타공사 등에 의한 시설물 보호 기능을 수행한다. 그리고 라만 산란 분석을 이용한 분산 온도 감지(DTS) 시스템은 광섬유 외부의 온도를 측정하여 기체 누설을 감지한다.
분산 음향 감지와 분산 온도 감지를 응용한 화학적 광 센싱 방식도 존재한다. 당사는 감지목표물과 선택적으로 반응하는 화합물을 광섬유의 클래딩이나 얇은 코팅에 직접적으로 주입하여 누출된 가스와 반응하게 되면 온도가 상승하는 효과를 이용하여 감지하는 아이디어를 가지고 시스템을 개발하고 현장에 적용하였다. 이는 배관을 통해 운송되는 다양한 가스 종류에 따라 시공되어 가스누출 및 타공사 등의 물리적 충격을 감지하여 가스 배관망의 안전성을 실시간 모니터링하게 된다. 올해부터는 수소 도시를 표방하고 있는 울산광역시, 산업용 사물인터넷(IIoT) 기반 배관 안전 모니터링 전문기업인 ㈜스마트오션과 함께 울산광역시 도심지 수소매설배관에 당사의 수소가스 누출 센싱용 광섬유센서를 함께 시공하여 시스템의 성능 검증 및 고도화를 진행하고 있다.
기대효과
양자기반 가스누출 감지 시스템으로 원거리 광역 미세누출 모니터링이 가능해 짐에 따라 누출 위치와 정도를 신속히 파악하게 되어 사고 발생 시 신속하고 정확하게 대응하여 대규모 인명피해를 줄이는 등의 산업단지 및 국민의 안전을 위해 크게 기여할 것으로 예상한다. 특히 개발된 양자기반 메탄가스 누출 감지 시스템은 가스공사 생산기지와 공급기지, LNG터미널, 석유화학플랜트와 같은 대단위 면적에 위치한 배관 및 탱크(압력용기)의 가스누출 여부 및 위치를 파악할 수 있도록 하여 도시가스 사용의 안전에 크게 기여할 것이다.
또한 광 센싱을 이용한 가스누출 감지 시스템은 광섬유가 설치된 전 영역의 모니터링을 가능하게 한다. 이는 분산 온도 감지를 이용한 가스누출 감지 시스템에서 1km 배관에 광섬유를 설치할 경우 분산 온도 감지 시스템의 분해능인 0.5m 간격으로 2,000개의 가스 센서를 설치한 것과 같은 효과를 얻을 수 있다는 것을 의미한다.
이는 신속한 가스누출 대응으로 인한 2차 사고를 막을 수 있을 뿐만 아니라 유지 보수 지점을 쉽게 발견하게 하여 생산효율을 향상시킬 수 있다.
