[논문]플레어 시스템의 최적 운영방안에 대한 연구

송방언; 복형준; 우인성

doi:10.7842/kigas.2019.23.6.1

플레어 시스템의 최적 운영방안에 대한 연구
A Study on Optimal Operation for Flare systems 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.23 no.6, 2019년, pp.1 - 7

송방언 (인천대학교 안전공학과) , 복형준 (필즈엔지니어링 연구소) , 우인성 (인천대학교 안전공학과)

초록
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대부분의 정유 및 화학 시설에는 정전 등 갑작스러운 공정 정지 등의 문제로 인한 다량의 가스를 방출해야 하는 비상상황 발생에 대비하여 공정시설의 압력 상승을 완화하기 위해 설계된 플레어 시스템을 가지고 있다. 하지만 플레어 시스템의 불꽃 상승은 가시적 공해로 인한 공장 주변 주민들의 민원을 유발하며, 회사에서는 경제적 손실이 발생하므로 이에 대한 상시 관리가 필요한 상황이다. 본 연구에서는 플레어 시스템의 최적 운영방안을 도출하기 위하여 두 가지 항목에 대해 진단 및 분석을 진행하였다. 첫째, 불꽃 높이 상승 원인을 확인하기 위해 음향누출 측정기를 이용하여 안전밸브 및 압력 조정 밸브에서의 가스 누설을 탐지하였다. 둘째, 불꽃 불안전성 원인 파악을 위해 밀봉 드럼에 대해 CFD 모사 및 모형 제작실험을 통한 맥동 현상 발생을 진단하였으며 밀봉 드럼은 정상이며, 안전밸브의 4.3% 및 압력 조정 밸브의 10%에서 누설을 확인함으로써 비정상적인 불꽃 발생의 원인을 도출하였다. 본 연구결과에서 제시되는 사항은 플레어 시스템을 보유한 모든 회사에 적용이 가능하므로 이를 통한 민원 발생 및 제품손실의 방지가 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Most oil refineries and chemical plants have flare systems designed to mitigate pressure rises in process facilities in case of emergencies that require the release of large amounts of gas due to sudden process shutdowns such as power outages. However, the rise of the flame of the flare system causes civil complaints from residents around the factory due to visible pollution, and economic loss occurs in the company, which requires constant management. In this study, two items were diagnosed and analyzed in order to derive the optimal operation method of flare system. First, to detect the cause of the rise in flame height, the acoustic leak detector was used to check gas leaks in safety valves and pressure control valves. Second, to identify the cause of flame instability, the pulsation phenomenon was diagnosed through the CFD simulation and modeling experiments of the sealing drum. By confirming the leak at 4.3% of the safety valve and 10% of the pressure control valve, the cause of abnormal sparking was derived. The information presented in this study can be easily applied to any company that has a flare system, and is expected to prevent complaints and product loss.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. Typical elevated flare Installation.
그림 Fig. 2. Overseas safety valve failure modes.
그림 Fig. 3. Vertical water seal drum structure.
그림 Fig. 4. Example process monitoring graphic.
그림 Fig. 5. Method of acoustic velocity measurement.
표 Table 1. Experimental condition
그림 Fig. 6. Water seal drum model diagram.
표 Table 2. Result of valve measurement
표 Table 3. List of passing valve
그림 Fig. 7. Gas velocity contour in seal drum.
그림 Fig. 8. Rising of water level distribution.
그림 Fig. 9. Result of analysis for water seal drum (height variation).
그림 Fig. 10. Model experiment for water seal drum.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 플레어 스택의 불꽃의 불안전성의 원인을 파악하여 정상 운전 중에 높은 불꽃이 발생되지 않도록 플레어 시스템의 최적 운영방안을 모색하고자 하였다. 안전밸브의 누설 여부를 측정한 결과 측정 대상 231개 중 4.
본 연구에서는 정상 가동 중에도 불꽃이 높게 발생하는 원인을 분석하고자 플레어 시스템을 구성하는 시설 중에서 주 배관 (Flare header)에 연결되어 불꽃 형성에 영향을 주는 안전밸브 및 압력조정밸브의 누설 여부를 측정하고, 플레어 스택에서 불꽃의 불안전성에 대한 원인을 파악하기 위하여 밀봉 드럼의 현상을 분석하여 그 결과를 토대로 플레어 시스템의 효율적인 시설운영과 비용 절감 등 최적화 운영방안을 제시하고자 한다.

가설 설정

3D 형상은 밀봉 드럼의 설계 자료를 활용하였으며 해석 소프트웨어는 상용프로그램인 Ansys CFX를 사용하였다. 플레어 스택 불꽃의 펄럭거림 같은 불안정한 현상 즉 맥동현상은 밀봉 드럼 내부에서 다공판(Perforatedplate)과 유입되는 가스와의 관계에서 문제가 발생한다는 가정하에 밀봉 드럼 시뮬레이션을 구성하여 진행하였다. 밀봉 드럼 내부의 다공판에 의한 맥동 현상을 확인하기 위하여 초기 수위는 실제NLL(Normal Liquid Level) 수준으로 설정하였으며 가스가 유입되는 상황에서 가스 속도분포 및 수위상승 분포, 밀봉 드럼의 입구와 출구의 현상에 대해 해석하였다.

제안 방법

CFD와 교차 검증을 위해 Fig. 6과 같이 100:1의 모형 밀봉 드럼을 축소 제작하여 다공판에 동일하게 1/100의 CO₂를 주입하여 맥동 현상을 일으키는지를 실험하였다. 밀봉 드럼의 운전 압력은 1㎏/㎠수준이나 다공판에서의 기포 현상을 관찰하기 위해 3㎏/㎠의 압력을 가하였다.
공정 운전자료를 검토하여 플레어 헤더로 연결되는 안전밸브와 압력조정밸브에 대한 누설 여부를 현장 측정을 통하여 분석하였다. 정상 가동 중인 공정에서 안전밸브를 탈착하여 누설 여부를 확인하는 것이 불가능하여 간접 검사방법을 사용하여 누설 여부를 측정하였다.
정상 가동 중인 공정에서 안전밸브를 탈착하여 누설 여부를 확인하는 것이 불가능하여 간접 검사방법을 사용하여 누설 여부를 측정하였다. 또한 플레어 팁에서 불꽃이 커졌다 작아졌다 하는 불안전성이 맥동 현상으로 인해 발생할 수 있다는 가정하에 이를 규명을 위해 플레어 스택 하부의 밀봉 드럼에 대해CFD (Computational Fluid Dynamics)를 진행하였으며, 교차 검증을 위해 밀봉 드럼의 모형을 제작하여 실험을 진행하였다.
플레어 스택 불꽃의 펄럭거림 같은 불안정한 현상 즉 맥동현상은 밀봉 드럼 내부에서 다공판(Perforatedplate)과 유입되는 가스와의 관계에서 문제가 발생한다는 가정하에 밀봉 드럼 시뮬레이션을 구성하여 진행하였다. 밀봉 드럼 내부의 다공판에 의한 맥동 현상을 확인하기 위하여 초기 수위는 실제NLL(Normal Liquid Level) 수준으로 설정하였으며 가스가 유입되는 상황에서 가스 속도분포 및 수위상승 분포, 밀봉 드럼의 입구와 출구의 현상에 대해 해석하였다.
6과 같이 100:1의 모형 밀봉 드럼을 축소 제작하여 다공판에 동일하게 1/100의 CO₂를 주입하여 맥동 현상을 일으키는지를 실험하였다. 밀봉 드럼의 운전 압력은 1㎏/㎠수준이나 다공판에서의 기포 현상을 관찰하기 위해 3㎏/㎠의 압력을 가하였다.
맥동 현상(Surging)의 원인으로는 밀봉드럼의 수위가 높을 경우 다공판의 구멍으로 배출되지 않고 가장자리를 통해 배출되면서 유량에 민감하게 불꽃이 형성될 수 있다. 불안정한 불꽃의 원인을 파악하기 위하여 밀봉 드럼의 가스 거동에 대해 CFD 분석을 진행하였으며, 교차 검증을 위해 100:1 크기의 밀봉 드럼 모형을 제작하여 물과 CO₂를 주입하는 실험을 진행하였으며 실험조건은 Table. 1과 같다.
연구 대상 플레어 시스템에 대해 Fig. 4와 같이 플레어 스택의 주 배관(Flare Header)으로 연결되는 3개 공정의 공정 도면[6]을 확인하여 안전밸브 231개와 압력조정밸브 37개를 목록화하고 현장 측정을 실시하였다. 주 배관에 연결된 밸브들에 대한 누설측정은 간접 검사방법인 음향 측정법을 사용하였으며 음향누설 측정기기인 Score Diagnositic사의 AcousticLeak detector[7]를 사용하였다.
공정 운전자료를 검토하여 플레어 헤더로 연결되는 안전밸브와 압력조정밸브에 대한 누설 여부를 현장 측정을 통하여 분석하였다. 정상 가동 중인 공정에서 안전밸브를 탈착하여 누설 여부를 확인하는 것이 불가능하여 간접 검사방법을 사용하여 누설 여부를 측정하였다. 또한 플레어 팁에서 불꽃이 커졌다 작아졌다 하는 불안전성이 맥동 현상으로 인해 발생할 수 있다는 가정하에 이를 규명을 위해 플레어 스택 하부의 밀봉 드럼에 대해CFD (Computational Fluid Dynamics)를 진행하였으며, 교차 검증을 위해 밀봉 드럼의 모형을 제작하여 실험을 진행하였다.

대상 데이터

○○정유 공장에 설치된 2개의 플레어 시스템 중 정상 운전 중인 상태임에도 비정상적으로 불꽃이 높은 플레어 시스템 1개를 선정하였다. 공장이 정상 가동 중에는 플레어 스택의 불꽃은 보이지 않아야 한다.

데이터처리

의 실험 조건에 따라 밀봉 드럼 내부의 Simulation을 구성하였다. 3D 형상은 밀봉 드럼의 설계 자료를 활용하였으며 해석 소프트웨어는 상용프로그램인 Ansys CFX를 사용하였다. 플레어 스택 불꽃의 펄럭거림 같은 불안정한 현상 즉 맥동현상은 밀봉 드럼 내부에서 다공판(Perforatedplate)과 유입되는 가스와의 관계에서 문제가 발생한다는 가정하에 밀봉 드럼 시뮬레이션을 구성하여 진행하였다.

이론/모형

4와 같이 플레어 스택의 주 배관(Flare Header)으로 연결되는 3개 공정의 공정 도면[6]을 확인하여 안전밸브 231개와 압력조정밸브 37개를 목록화하고 현장 측정을 실시하였다. 주 배관에 연결된 밸브들에 대한 누설측정은 간접 검사방법인 음향 측정법을 사용하였으며 음향누설 측정기기인 Score Diagnositic사의 AcousticLeak detector[7]를 사용하였다. 음향 누설측정기의 원리는 안전밸브 내부의 음향을 측정하여 측정결과 값이 Fig.

성능/효과

(2) 플레어 스택 불꽃의 불안정 원인에 대한 분석이 진행된 정유공장은 불꽃이 안정적이지 못하며 불꽃의 크기가 확 커졌다가 줄어드는 맥동 현상이 보였다. 맥동 현상(Surging)의 원인으로는 밀봉드럼의 수위가 높을 경우 다공판의 구멍으로 배출되지 않고 가장자리를 통해 배출되면서 유량에 민감하게 불꽃이 형성될 수 있다.
1) 안전밸브는 누설 가능성이 항상 존재하므로 산업안전보건법 등 관련 법에서 정하는 검사 주기에 따라 실시하는 탈착을 통한 정기검사 외에 공정운전 중에 간접 검사방법 등을 통한 일상 점검이 반드시 필요하다.
2) 안전밸브에 대한 측정결과 특정 공정에서 누설률이 높게 나온 것은 취급 물질에 따라 안전밸브의 불량 빈도가 높을 수 있으므로 안전밸브에 불량을 발생시킬 가능성이 높은 물질을 취급하는 용기에 설치되는 안전밸브에 대해서는 Dual Type으로 설치 하여 공정 운전 중에도 수리가 가능토록하는 것이 바람직하다.
3) 밀봉 드럼의 수위가 높을 경우에 가스가 다공판을 통하여 배출되지 않고, 가장자리를 통해 배출됨으로써 가스의 방출량이 많을 경우에는 불꽃이 외부로 크게 올라가고, 방출량이 크게 줄어졌을 때는 내부로 들어가서 타는 내부 연소를 반복하게 되며 플레어 팁이 열화에 의해 손상되는 맥동 현상이 발생할 수 있으므로 밀봉 드럼의 철저한 수위관리가 필요하다.
결론적으로 정상 운전 중인 공정에서 플레어 스택의 불꽃의 크기가 확 커졌다가 줄어드는 현상은 안전밸브 및 압력조정밸브에서 누설된 가스가 플레어 스택의 유량을 증가시키고, 누설되는 가스의 양이 일정하지 않아 fluctuation이 발생하는 것으로 판단되었다. 본 연구를 통하여 플레어 시스템의 운영을 최적화하기 위하여 다음과 같이 제시하고자 한다.
3%인 10개에서 누설이 발견되었고 압력조정밸브는 37개 중 10%인 4개에서 누설이 발견되었다. 또한 플레어 스택 불꽃의 불안정성에 대해 밀봉드럼의 맥동현상이 의심되어 밀봉드럼에 대한 CFD와 모형제작 시험을 진행한 결과 맥동 현상은 해당되지 않은 것으로 해석이 되었다.
본 연구는 1개의 플레어 시스템에 대하여 수행하였으나 연구결과에서 제시되는 사항은 플레어시스템을 보유한 모든 공장에 해당된다고 볼 수 있으며 플레어 시스템의 최적 운영을 통해 지역 주민들의 불안감을 해소시키고, 기업 이미지 훼손 방지및 제품 손실 방지를 통한 경제적 가치 창출에도 효과가 있을 것으로 사료된다.
실험 조건으로 (압력 3㎏/㎠) CO₂ 가스 주입을 통해 Fig. 10과 같이 모형실험을 실시한 결과 맥동현상을 일으킬만한 유동의 급격한 변화나, 실험 전 가정했던 주입된 가스가 다공판의 범위를 넘어서는 현상도 발생하지 않았다. 따라서 축소모형 실험결과에 비추어볼 때 밀봉 드럼의 형상에 의해서 맥동 현상이 발생하지 않는 것으로 판단된다.
본 연구는 플레어 스택의 불꽃의 불안전성의 원인을 파악하여 정상 운전 중에 높은 불꽃이 발생되지 않도록 플레어 시스템의 최적 운영방안을 모색하고자 하였다. 안전밸브의 누설 여부를 측정한 결과 측정 대상 231개 중 4.3%인 10개에서 누설이 발견되었고 압력조정밸브는 37개 중 10%인 4개에서 누설이 발견되었다. 또한 플레어 스택 불꽃의 불안정성에 대해 밀봉드럼의 맥동현상이 의심되어 밀봉드럼에 대한 CFD와 모형제작 시험을 진행한 결과 맥동 현상은 해당되지 않은 것으로 해석이 되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	플레어 시스템의 최적 운영방안을 도출하기 위한 진단 및 분석방법은 무엇인가?	본 연구에서는 플레어 시스템의 최적 운영방안을 도출하기 위하여 두 가지 항목에 대해 진단 및 분석을 진행하였다. 첫째, 불꽃 높이 상승 원인을 확인하기 위해 음향누출 측정기를 이용하여 안전밸브 및 압력 조정 밸브에서의 가스 누설을 탐지하였다. 둘째, 불꽃 불안전성 원인 파악을 위해 밀봉 드럼에 대해 CFD 모사 및 모형 제작실험을 통한 맥동 현상 발생을 진단하였으며 밀봉 드럼은 정상이며, 안전밸브의 4.3% 및 압력 조정 밸브의 10%에서 누설을 확인함으로써 비정상적인 불꽃 발생의 원인을 도출하였다. 본 연구결과에서 제시되는 사항은 플레어 시스템을 보유한 모든 회사에 적용이 가능하므로 이를 통한 민원 발생 및 제품손실의 방지가 기대된다.
	플레어 시스템이란 무엇인가?	플레어 시스템은 일반적으로 안전밸브 등에서 배출되는 가연성 가스를 모아 플레어 스택에서 소각시켜 대기 중으로 방출하는데 필요한 일체의 설비를 플레어 시스템이라 말하며 플레어 헤더(Flareheder), 녹아웃 드럼(Knock-out drum), 밀봉 드럼(Water seal drum) 및 플레어 스택(Flare Stack) 등과 같은 설비를 포함한다.
	플레어 시스템을 갖추어야 하는 이유는 무엇인가?	대부분의 정유 및 화학 시설에는 정전 등 갑작스러운 공정 정지 등의 문제로 인한 다량의 가스를 방출해야 하는 비상상황 발생에 대비하여 공정시설의 압력 상승을 완화하기 위해 설계된 플레어 시스템을 가지고 있다. 하지만 플레어 시스템의 불꽃 상승은 가시적 공해로 인한 공장 주변 주민들의 민원을 유발하며, 회사에서는 경제적 손실이 발생하므로 이에 대한 상시 관리가 필요한 상황이다.

참고문헌 (7)

API RP 520, "Sizing, Selection and Installation of Pressure Relieving Device in Refineries", American Petroleum Institute, USA, (2014)
KOSHA Guide D-32-2017, "Technical specification for the design and installation of a back-fire Prevention Facility", Korea Occupational Safety & Health Agency, Republic of Korea, (2017)
Jang, Y. R., Kim, J. H., Kim, S. H., Kwak, Y. H., "The necessity of Introducing the In-service Test based on Analysis of Performance Test Result of Pressure Safety Valve, Journal of the Korea Institute of Gas, 21(6), 19-21, (2017)
Choi, D. S., "Research on Tools and Analysis Techniques Performance Evaluation of Safety Valves in Nuclear Plants". Ajou University, P. 9 (2017).
KOSHA Guide D-61-2017 "Technical specification for the design and installation of a back-fire Prevention Facility",Korea Occupational Safety & Health Agency, Republic of Korea, (2017)
Incheon Petrochemial LTD, "Process Monitoring System"
Image from http://midasvalvediagnostics.com/, Score Diagnostic Limited

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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