탄화수소이슬점은 천연가스 응축형태를 특성화하는 가장 일반적이고 자주 이용되는 물성으로 가스 품질 사양의 중요한 항목이다. 탄화수소 이슬점은 미량의 고탄화수소 성분에도 매우 민감한 것으로 알려져 있어, 특히 천연가스를 공급하는 가스 회사 입장에서는 기존 합의된 가스 사양을 만족하는 것 뿐만 아니라, 발생된 탄화수소 응축물에 의해 운영설비 및 안전에 심각한 문제를 일으킬 수 있으므로 탄화수소 이슬점을 정확하게 구하는 절차를 확립하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 실제 현장조건 하에서 탄화수소 이슬점을 측정하기 위해 냉각 거울 방식의 이슬점 측정기를 설치, 운영하였으며, 측정된 이슬점 온도는 가스분석기에 의해 분석된 조성 및 천연가스 산업계에서 인정된 상태방정식을 이용하여 계산된 이슬점 온도와 비교하였다. 시험 결과 탄화수소 이슬점 측정기는 매우 안정되게 이슬점을 측정하였으며, 이슬점 측정기를 검증하기 위한 시험 가스로는 순수 프로판 가스가 적정하였다. 제조 표준가스 및 실제가스의 측정결과를 가스분석기에 의한 간접 측정 결과와 비교시에도 적정한 범위 내에서 일치하는 것을 확인하였다.
탄화수소 이슬점은 천연가스 응축형태를 특성화하는 가장 일반적이고 자주 이용되는 물성으로 가스 품질 사양의 중요한 항목이다. 탄화수소 이슬점은 미량의 고탄화수소 성분에도 매우 민감한 것으로 알려져 있어, 특히 천연가스를 공급하는 가스 회사 입장에서는 기존 합의된 가스 사양을 만족하는 것 뿐만 아니라, 발생된 탄화수소 응축물에 의해 운영설비 및 안전에 심각한 문제를 일으킬 수 있으므로 탄화수소 이슬점을 정확하게 구하는 절차를 확립하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 실제 현장조건 하에서 탄화수소 이슬점을 측정하기 위해 냉각 거울 방식의 이슬점 측정기를 설치, 운영하였으며, 측정된 이슬점 온도는 가스분석기에 의해 분석된 조성 및 천연가스 산업계에서 인정된 상태방정식을 이용하여 계산된 이슬점 온도와 비교하였다. 시험 결과 탄화수소 이슬점 측정기는 매우 안정되게 이슬점을 측정하였으며, 이슬점 측정기를 검증하기 위한 시험 가스로는 순수 프로판 가스가 적정하였다. 제조 표준가스 및 실제가스의 측정결과를 가스분석기에 의한 간접 측정 결과와 비교시에도 적정한 범위 내에서 일치하는 것을 확인하였다.
Hydrocarbon dew point(HCDP), a property which is the most generally used for describing natural gas condensation, is a very important parameter of natural gas quality specifications. HCDP is strongly influenced by the concentration of the heavier hydrocarbon components, especially $C_6+$,...
Hydrocarbon dew point(HCDP), a property which is the most generally used for describing natural gas condensation, is a very important parameter of natural gas quality specifications. HCDP is strongly influenced by the concentration of the heavier hydrocarbon components, especially $C_6+$, so, along with compliance with gas quality specifications, build up of procedures for obtaining accurate HCDP is essential for gas transmission company, because hydrocarbon condensation present may cause serious operational and safety problems. This study has been carried out in an attempt to measure HCDP accurately by the automatic hydrocarbon dew point meter under the actual field conditions. Measured HCDP also has been compared with calculated HCDP using the composition determined by gas chromatograph and industry accepted equation of state at multiple pressures, along with the cricondentherm. The test results are 1) the automatic hydrocarbon dew point meter was able to measure stable HCDP continuously 2) the automatic hydrocarbon dew point meter has been performed reference measurement by pure propane with a known dew point from literature, and 3) A meaningful differences was observed when comparing the automatic hydrocarbon dew point meter and gas chromatograph results for synthetic standard gas mixtures and real gas mixtures.
Hydrocarbon dew point(HCDP), a property which is the most generally used for describing natural gas condensation, is a very important parameter of natural gas quality specifications. HCDP is strongly influenced by the concentration of the heavier hydrocarbon components, especially $C_6+$, so, along with compliance with gas quality specifications, build up of procedures for obtaining accurate HCDP is essential for gas transmission company, because hydrocarbon condensation present may cause serious operational and safety problems. This study has been carried out in an attempt to measure HCDP accurately by the automatic hydrocarbon dew point meter under the actual field conditions. Measured HCDP also has been compared with calculated HCDP using the composition determined by gas chromatograph and industry accepted equation of state at multiple pressures, along with the cricondentherm. The test results are 1) the automatic hydrocarbon dew point meter was able to measure stable HCDP continuously 2) the automatic hydrocarbon dew point meter has been performed reference measurement by pure propane with a known dew point from literature, and 3) A meaningful differences was observed when comparing the automatic hydrocarbon dew point meter and gas chromatograph results for synthetic standard gas mixtures and real gas mixtures.
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제안 방법
먼저 실험실 테스트(Lab test)의 일환으로 해당 관리소에서 실제 공급중인 가스를 사전에 진공 처리된 시료용기(30 L)에 50 bar로 충전한 후 한국표준과학연구원에서 상세분석을 실시하고, 분석된 조성으로 탄화수소 이슬점 곡선을 구하였다[15-17].
탄화수소 이슬점 측정기 전·후단의 가스 라인은 316L 스테인리스 스틸 튜빙을 사용하였으며 밸브를 포함한 피팅류는 외부 누설이 없는 제품을 사용하였다. 배관 추출 부위에서 탄화수소 이슬점 측정기 전단까지의 가스라인은 열보온 케이블(Heat Tracing Cable)로 보온되어 외부조건에 의해 사전에 응축이 되는 것을 방지하도록 하였다.
이슬점 측정기는 일반적으로 교정하지 않고, 실제 정확한 교정물질이 없기 때문에 교정할 수도 없지만, 숙련되고 수년간의 경험을 갖춘 운영자가 수동식 이슬점 측정기를 통해 확인하거나 또는 가스분석기 교정용 표준가스(다 성분 혼합 탄화수소 가스)를 이용하여 검증을 하기도 한다. 본 실험에서는 국가측정표준대표기관인 한국표준과학연구원에서 정밀하게 제조한 고탄화수소가 포함된 표준가스를 이용하여 탄화수소 이슬점 분석기를 검증하였다[12,13]. 사용된 표준가스의 상세조성 및 불확도는 Table 3과 같으며, 계산된 탄화수소 이슬점은 각 조성을 이용하여 한국가스공사 연구개발원에서 개발한 ngPE 프로그램으로 계산된 결과이다.
본 연구는 한국가스공사의 한 공급관리소에 탄화수소 이슬점 측정기를 설치하여 측정 탄화수소 이슬점값과 가스 분석기 및 상태방정식에 의해 계산된 이슬점값을 현장 실험을 통해 비교 분석한 것으로 실험결과에 대한 결론은 다음과 같다.
순수 프로판 가스의 이론 탄화수소 이슬점은 “Handbook of Chemistry” 및 “Physical & Thermodynamic Properties - Part 24:Correlation constants for chemical compounds”를 기초로 작성된 제작사 매뉴얼을 참고하였다.
실제 공급조건하에서 탄화수소 이슬점 측정기가 얼마만큼 정확히 탄화수소 이슬점 온도를 측정하는 지를 확인하기 위해 이론적으로 계산된 이슬점 온도와 비교하기로 하였다.
이후 탄화수소 이슬점 측정기를 실제 현장의 해당관리소에 설치하고 운영하면서 실제 공급 중인 가스를 Lab test의 경우처럼 사전에 진공 처리된 시료용기(30 L)에 50 bar로 충전한 후 한국표준과학연구원에서 상세분석을 실시하고, 분석된 조성으로 최대 탄화수소 이슬점 온도를 구하여 탄화수소 이슬점 측정기의 측정값과 비교하였고 그 결과를 Table 5에 정리하였다.
일정한 환경 조건하에서 운영이 필요한 탄화수소의 이슬점 측정기의 특성을 고려하여 냉·난방 설비가 가동되는 별도의 보온함에 설치하였다.
탄화수소 이슬점 측정기의 검증을 위해 순수 프로판 가스로 테스트한 결과, 기기의 정확도 범위 내에서 이론적인 이슬점 온도값과 일치하는 것을 알 수 있었으며 이러한 실험결과는, 제작사의 제시조건과도 일치한다. 탄화수소 이슬점 측정값은 사전에 정해진 조성으로 정밀하게 제조된 표준가스뿐만 아니라 실제 공급 중인 가스를 샘플링한 후 정밀하게 상세분석한 후 계산된 이슬점 온도와도 비교하였다. 비교 결과, 한국표준과학연구원에서 상세 분석을 통해 계산된 이슬점 온도는 Ametek 탄화수소 이슬점 측정기로 측정한 이슬점 온도와 적정한 불확도 범위 내에서 일치하는 것을 볼 수 있었다.
현장의 실제 천연가스가 공급되는 조건에서 탄화수소 이슬점 측정기의 특성을 파악하고 안정적으로 운영되는지를 확인하기 위해 계속적으로 On-line 형태로 실험을 수행하여 데이터를 확보하였다. 탄화수소 이슬점 측정기가 설치된 해당 관리소는 파이프 라인 가스(PNG)가 공급되는 최초의 지점으로 일정량의 C6+ 이상의 성분이 포함되어 있어 탄화수소 이슬점을 측정하는데 최적의 장소이다.
대상 데이터
실험에 사용된 241 모델은 기본적으로 탄화수소 및 물이슬점 모두 측정이 가능하나 물이슬점은 단순히 참고용으로 쓰이며, 탄화수소 이슬점만 사용한다. 제작사에서 제시하는 이슬점 측정기의 반복도(Repeatability)는 ±0.
탄화수소 이슬점 측정기 전·후단의 가스 라인은 316L 스테인리스 스틸 튜빙을 사용하였으며 밸브를 포함한 피팅류는 외부 누설이 없는 제품을 사용하였다.
현장의 실제 천연가스가 공급되는 조건에서 탄화수소 이슬점 측정기의 운영 방법 및 특성을 파악하기 위해 한국가스공사의 한 공급관리소에서 실험을 수행하였고, 구성된 실험장치의 개략도는 Fig. 4와 같다. 일정한 환경 조건하에서 운영이 필요한 탄화수소의 이슬점 측정기의 특성을 고려하여 냉·난방 설비가 가동되는 별도의 보온함에 설치하였다.
성능/효과
비교 결과, 한국표준과학연구원에서 상세 분석을 통해 계산된 이슬점 온도는 Ametek 탄화수소 이슬점 측정기로 측정한 이슬점 온도와 적정한 불확도 범위 내에서 일치하는 것을 볼 수 있었다. 또한 직접 측정된 이슬점 온도가 가스분석기를 이용한 계산 이슬점 온도보다 높은 것을 볼 수 있는데 이러한 결과는 국외의 관련 연구결과와도 유사한 것을 확인하였다.
비교 결과, 한국표준과학연구원에서 정밀하게 제조된 표준가스의 성분으로 계산된 최대 탄화수소 이슬점 온도는 Ametek 탄화수소 이슬점 측정기로 측정한 이슬점 온도와 적정한 불확도 범위 내에서 거의 유사한 값을 보이는 것을 알 수 있었다.
탄화수소 이슬점 측정기의 검증을 위해 순수 프로판 가스로 테스트한 결과, 기기의 정확도 범위 내에서 이론적인 이슬점 온도값과 일치하는 것을 알 수 있었으며 이러한 실험결과는, 제작사의 제시조건과도 일치한다. 탄화수소 이슬점 측정값은 사전에 정해진 조성으로 정밀하게 제조된 표준가스뿐만 아니라 실제 공급 중인 가스를 샘플링한 후 정밀하게 상세분석한 후 계산된 이슬점 온도와도 비교하였다.
후속연구
또한 탄화수소 이슬점 측정기를 현장 조건하에서 운영한 결과, 특별히 측정기에 문제가 없거나 공급조건의 변화가 없는 한, 안정된 측정값을 산출하는 것을 확인하였으며, 다만 탄화수소 이슬점 기기의 특성상 측정된 이슬점이 실제 운영 조건에서의 최대 이슬점온도가 아닐 수도 있기 때문에, 정기적으로 상세한 가스조성 분석을 통해 최대 이슬점온도를 확인하는 것이 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
역행응축 현상으로 인해 발생하는 문제 및 예방책은?
천연가스의 수송뿐 아니라 저장 및 처리 과정 중 압력이 감소할 때적은 양의 액체를 형성할 수 있다. 이러한 현상을 역행응축(Retrograde condensation)이라고 하며 이러한 현상 중에 발생하는 탄화수소 응축물에 의해 공급 및 운영설비에 심각한 문제를 일으킬 수 있으므로 배관망을 운영하는 가스 공급회사들은 이를 방지하고 예방하기 위해 실시간으로 감시하는 모니터링 시스템을 갖추고 있다. 우리나라의 경우 일부 가스(동해-1 가스)의 경우를 제외하고 전량 액화천연가스(LNG)를 사용하고 있으며, 액화천연가스의 특성상 응축 우려가 있는C6+ 이상 성분이 없기 때문에 탄화수소 이슬점에 대해 별도의 관리가 필요 없지만, 국외의 경우, 특히 일정량 이상의 C6+ 이상 성분을 함유하고 있는 파이프 라인 가스(Pipeline Natural Gas)의 경우, 탄화수소 응축의 가능성이 많기 때문에 탄화수소 이슬점 관리는 매우 필수적이다.
탄화수소 이슬점을 결정하기 위해 수행되는 것은?
천연가스 공급시 중요한 가스 품질 사양의 하나인 탄화수소 이슬점을 결정하기 위해 이슬점 측정이 수행된다. 탄화수소 이슬점의 경우 장거리 수송 과정 중에 주위 조건에 따라 이슬점 변화가 심할 수가 있기 때문에 계속적인 감시가 필요하다.
탄화수소 응축물의 형성 요인은 어떠한 것이 있는가?
탄화수소 응축물의 형성 요인은 크게 2가지로 나뉠 수 있다. 하나는 천연가스 자체의 고탄화수소 성분에 의한 응축이고, 다른 하나는 공급시스템에서 사용되는 압축기로부터 나오는 윤활유나 밀봉 유(Seal-oil)에 의한 응축이다. 이렇게 탄화수소 응축으로 인하여 심각한 운영상의 문제, 즉 정압기의 손실, 압력손실에 따른 공급능력 저하, 심하게는 공급중단을 초래할 수도 있으며, 플라스틱 설비는 응축물에 의해 손상을 입을 수도 있다[1-4].
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