새로운 수소 누출 감지 기술로 가동 정지 사태 방지

수소 냉각 발전기의 유지관리는 발전소의 안전하고 효율적인 가동에 매우 중요합니다. 냉각 시스템에서 수소 누출을 찾아 수리하려면 부품과 밸브, 부속품, 그 밖의 장소들을 남김 없이 수색해야 할 수 있습니다. 수소 누출을 감지하는 기존 방식은 누출 근원을 찾아내는 데에는 미덥지 않지만 수소가 존재하는 대강의 구역은 잘 찾아내는 편입니다. 광학 가스 화상 (OGI) 카메라가 등장하면서 누출 감지의 효율과 성과가 크게 향상되었습니다. CO2 누출 감지를 위한 전용 열화상 카메라가 추가되면서 전기수도가스 산업은 이제 CO2를 추적 가스로 사용하면서 수소 누출을 효율적으로 찾아낼 수 있는 수단을 가지게 되었습니다.

전기 발전기를 작동하면 많은 양의 열이 발생하는데, 이것을 없애야 효율을 유지할 수 있습니다. 발전기의 정격 용량에 따라, 공냉식이거나 수소냉각식이거나 수냉식일 수 있고, 가장 큰 용량의 발전기에서는 고정자 권선에는 물을, 회전자에는 수소를 병합 사용하는 방식일 것입니다. 수소 냉각은 낮은 밀도와 높은 비열 및 열 전도율 덕분에 효율이 매우 뛰어납니다. 그렇지만 수소는 공기와 섞였을 때 매우 불 붙기 쉬워서 생각치 않은 구역에서 농도가 높아지면 위험할 수 있습니다. 터빈 발전기는 통상적인 작동 중에도 수소가 일부 새기 때문에 수소가 안전 및 폭발 위험을 야기하는 수준이 되지 않도록 적절한 통풍이 있어야 할 것입니다. 따라서 수소 가스 안전은 발전소 운영자자에게 특히 중요합니다.

수소 분자는 매우 가볍고 작아서 봉쇄하기가 어렵습니다. 가동 정지 사태 사이에 밸브, 봉인, 장비의 마손으로 인해 대량 누출이 일어나 플랜트 안전에 영향을 줄 수 있는 구역에 수소 농도가 증가할 수 있습니다. 매일 더해지는 수소의 양을 주의 깊게 모니터링 하고 있습니다. 수소 형성이 늘어나면 그 누출 근원을 찾아내야 할 것입니다. 기존의 LDAR 방식은 느린 편이라 조업 정지를 방지할 만큼 신속하게 누출을 찾아내지 못할 수도 있습니다. 조업 정지 기간은 2주에서 3주까지 지속될 수 있는데, 누출 감지에만 꼬박 며칠이 소요될 수 있습니다. 예정에 없던 조업 정지로 인한 비용은 전기 산업에서 수 백만 달러에 달할 수도 있습니다. 이 산업은 온라인으로 누출 감지 및 수리(Leak Detection And Repair)를 수행하여 예정에 없던 가동 정지 사태을 피하려고 하지만, 현재까지는 누출 근원을 찾아내는 능력에 한계가 있었습니다.

기존 감지 방식들

누출 감지 방식은 비누 용액을 이용해 누출이 있을 수 있는 부품들 각각에 거품을 생성하는 방법부터 초소형 전자 수소 센서 (디텍터)를 이용해 넓은 구역에서 수소를 검출하는 방식까지 다양합니다. 비누 용액은 단 한 개 부품을 확인하는 데에는 충분하지만, 알지 못한 장소에서 누출을 확인하려면 수 주가 걸릴 수 있습니다. 또한 이 방식은 아주 적은 누출에만 효과가 있을 뿐이다. 수소가 너무 많으면 거품을 형성하지 않고 용액을 밀어내기 때문입니다. 디텍터는 누출 근처에 있을 때 오디오 신호를 발생시키는 휴대용 탐침 입니다. 비교적 경제적인 탐지 방식이긴 하지만 이 탐지 검사에는 몇 가지 단점이 있습니다. 발전기의 통풍이 잘 되고 있습니다. 이것은 누출 근원에 가까이 있지 않는 한, 수소를 희석시킬 수 있습니다.. 또한 통풍 흐름은 수소를 그 근원으로부터 제법 멀리 이동시켜 어떤 부품에 수리가 필요한지 충분히 범위를 좁히지 않고도 “적중”시킬 수 있습니다. 디텍터는 조작자에게 누출을 보여주지 못합니다. 어림짐작이 항상 수반되기 때문에 누출 근원을 찾느라 시간을 허비하게 됩니다.

새로운 방식

최근 가스 감지 기술의 발전으로 인해 유지관리 팀에게 적외선 카메라의 인기가 높아지고 있습니다. 적외선 카메라 또는 열화상 카메라는 건물의 불충분한 단열을 감지해내거나 전기 설비의 열 안전 위험요소를 찾아내는데 성공적으로 쓰여왔습니다. 열화상 카메라 광학 가스 화상(OGI)는 수 년 전에 쓰이게 되었는데, SF6를 추적 가스로 사용합니다. 그렇지만 일부 전기가스수도 사업자들은 비용과 지구온난화지수 (GWP 23,000), 그리고 드물게는 SF6를 폭넓게 활용하기 어려운 제약사항들 때문에 SF6를 추적 가스로 사용하는 것을 꺼려하고 있습니다. FLIR Systems는 이 산업과 제휴를 맺고 이러한 우려를 불식시키는 추적 가스를 사용하는 새로운 세대의 광학 가스 영상기를 개발했습니다. 새로운 FLIR GF343 광학 가스 화상(OGI) 카메라는 CO2를 추적 가스로 사용하고 있다. 이것은 발전소에서 쉽게 이용 가능한 가스입니다. CO2는 저렴하고 지구온난화지수(GWP)가 매우 낮으며, SF6에 비해 활용도 제약이 훨씬 적습니다. 이것은 광학 가스 이미지(OGI)를 누출 탐지에 폭넓게 쓰일 수 있도록 해줄 것입니다. 수소의 추적 가스로 광학 가스 화상(OGI) 카메라에 누출이 보이게 하는데 아주 적은 농도의 CO2만 추가하면 되기 때문에, 터빈의 수소 순도가 유지되고 평소와 같은 발전 작업이 지속될 수 있습니다. 엔지니어는 FLIR GF343에서 조업 정지 없이 누출 근원을 찾아낼 수 있는 새로운 도구를 가지게 되었습니다.

CO2 추적 가스의 감지

적은 농도의 CO2 (< 5%)를 추적 가스로 수소 공급에 추가하면 발전기가 안전하고 효율적인 수준에서 계속 작동을 하게 될 것입니다. 그러면 조작자와 유지관리 팀은 완전 조업을 하면서도 수소 누출을 감시, 확인할 수 있습니다. 미국과 이탈리아에서 있었던 검사에서, FLIR GF343은 누출이 있을 때 이 시스템의 추적 가스로 소량(~2.5%)의 CO2도 시각화 할 수 있다는 것이 입증되었다. 따라서 유지관리 팀원들은 누출을 정확히 찾아내 조업 정지 중에 수리할 수 있도록 태그를 붙여 놓는 다거나 심각한 누출일 때에는 즉시 수리를 하도록 태그를 붙여 놓을 수 있습니다. GF343이 다른 감지 기술보다 나은 점은 완전 조업 상태에서도 누출 감지를 실시할 수 있어 조업 정지 시간을 줄일 수 있고 그러면 시간과 자금을 절약할 수 있다는 데 있습니다. 조업 정지 시간을 이틀이나 심지어 3 일로 줄일 수 있는데, 조업 정지 일수 1 일당 (발전기의 종류와 크기에 따라) 소요되는 비용은 ~$80,0000- 100,000에 달하기 때문에, CO2를 추적 가스로 사용하고 FLIR GF343 CO2 카메라를 사용했을 때의 투자 회수 및 수익은 매우 큽니다. 그런데 소량 누출은 매우 흔할 뿐만 아니라, 대량 누출로 이어질 수도 있습니다. FLIR GF343을 이용한다면, 유지관리 팀은 대기 중의 수소 농도를 적시에 폭발 한계 밑으로 제한할 수 있습니다.

FLIR GF343 의 작동 원리

FLIR GF343 카메라는 초점면 배열(Focal Plane Array) 안티몬화 인듐 (InSb) 디텍터를 사용합니다. 이것은 디텍터 반응이 3-5 μm 으로, 콜드 필터링을 이용해 약 4.3 μm 까지 추가로 스펙트럼 개조가 되며, 스털링 엔진을 통해 디텍터를 극저온 (약 -203°C)까지 냉각시킵니다. 스펙트럼 튜닝 또는 콜드 필터링 기법은 광학 가스 화상 기술에 매우 중요한데, FLIR GF343의 경우 이것은 카메라가 CO2 가스 적외선 흡수에 특정하여 반응하게 하고 극도로 민감하게 만들어줍니다.

사실상, 하늘, 지상, 그 밖의 출처에서 나오는 백그라운드 에너지는 카메라 관점에서 이 가스에 의해 흡수됩니다. 카메라는 이 에너지 흡수를 열 대비 방식의 이미지로 보여줍니다. 카메라는 스펙트럼 흡수 뿐만 아니라 가스의 움직임도 보여주기 때문에, 그 가스가 ‘연기’ 기둥처럼 보입니다.

GF343은 추가 프레임 추출 기법으로 가스의 움직임을 개선합니다. 고감도 모드(High Sensitivity Mode)은 아주 적은 누출도 감지해낼 수 있는 필요 불가결한 것이었습니다. 고감도 모드(HSM)은 카메라의 열감도를 효과적으로 개선하는 이미지 추출 비디오 처리 기법이기도 합니다. 비디오 스트림에서 프레임의 개개 픽셀 신호 비율을 이후 프레임 들에서 추출하여 가스의 움직임 화질을 개선하고, 트라이포드를 사용하지 않고도 카메라의 전제 실질 감도와 아주 적은 CO2 가스 누출을 찾아내는 능력을 개선할 수 있습니다.