천연가스 고압배관에 질소를 충전하면서 이슬점을 측정하는 것은 배관 내부의 공기와 수분을 완전히 제거하기 위함입니다.
이 과정을 **퍼지(Purge)**라고 하며, 질소는 불활성 가스이므로 이 퍼지 작업에 가장 적합하게 사용됩니다.
(퍼지를 통해 가연성가스가 연소될 수 없는 상태가 이너팅(inerting))
1. 퍼지의 목적: 공기와 수분 제거
배관을 신규 설치하거나 보수 작업 후에는 내부에 공기와 미량의 수분이 남아있을 수 있습니다. 이 상태에서 천연가스를 바로 주입하면 다음과 같은 심각한 문제들이 발생합니다.
* 폭발 위험성: 배관 내 공기(산소)와 천연가스가 만나면 폭발 가능성이 있는 가연성 혼합기체가 생성됩니다. 질소는 불활성 기체이므로 천연가스와 반응하지 않아 공기를 안전하게 밀어내는 역할을 합니다.
* 부식 유발: 수분은 배관의 금속 재질을 부식시킵니다. 특히 천연가스에 포함될 수 있는 미량의 황화수소(H_2S)나 이산화탄소(CO_2)와 수분이 만나면 부식성이 강한 산을 형성하여 배관의 수명을 급격히 단축시킵니다.
* 하이드레이트(Hydrate) 형성: 천연가스가 고압 환경에서 급격히 감압될 때 온도가 크게 낮아집니다(줄-톰슨 효과). 이때 가스에 포함된 수분이 얼음 결정과 유사한 하이드레이트를 형성하여 배관이나 밸브를 막아버릴 수 있습니다. 이로 인해 가스 흐름이 중단되거나 설비가 손상됩니다.
2. 이슬점 측정의 역할
이슬점은 가스를 냉각했을 때 수증기가 액화되기 시작하는 온도를 나타냅니다. 따라서 이슬점을 측정하는 것은 배관 내 수분 함량이 어느 정도인지를 정량적으로 확인하는 가장 중요한 방법입니다.
* 퍼지 작업의 완료 확인: 질소를 계속 주입하면서 이슬점을 측정하면 배관 내부가 얼마나 건조해졌는지 실시간으로 파악할 수 있습니다.
* 안전 기준 준수: 천연가스 공급 규정에는 배관 내 수분 함량에 대한 엄격한 기준이 있습니다. 이슬점 측정을 통해 이 기준을 만족했는지 확인하고, 안전하게 천연가스를 주입할 수 있는 상태인지 판단합니다.
* 설비 보호: 이슬점 온도가 낮을수록(매우 건조한 상태) 배관 내 수분이 거의 없다는 것을 의미하므로, 천연가스 주입 시 발생할 수 있는 부식이나 하이드레이트 형성 같은 문제를 예방할 수 있습니다.
요약하자면, 천연가스 배관에 질소를 충전하는 것은 안전하고 효율적인 가스 이송을 위한 필수적인 전처리 과정이며, 이때 이슬점 측정은 그 과정이 완벽하게 완료되었음을 확인하는 핵심적인 절차입니다.
3. 이슬점의 의미
이슬점은 기체(여기서는 질소)가 냉각될 때, 그 안에 포함된 수증기가 응결(액체로 변하는)되기 시작하는 온도를 의미합니다.
* 수분이 많을 때 (이슬점 높음): 기체 내에 수증기가 많이 존재하기 때문에, 온도가 조금만 낮아져도 수증기가 포화 상태에 도달해 응결이 시작됩니다. 따라서 이슬점이 높은 온도에서 형성됩니다.
* 수분이 적을 때 (이슬점 낮음): 기체 내 수증기 양이 매우 적으므로, 응결을 시작하려면 훨씬 더 낮은 온도로 냉각시켜야 합니다. 즉, 이슬점이 매우 낮은 온도에서 형성됩니다.
따라서 질소를 이용한 퍼지(purge) 작업으로 배관 내 수분을 계속 제거하면, 배관 내부 기체의 수분 함량이 줄어들고, 그에 따라 이슬점도 점점 낮아지게 됩니다. 목표 이슬점 온도에 도달하면 배관 내부가 충분히 건조해졌다고 판단하고 다음 단계(천연가스 주입)로 넘어갈 수 있습니다.
4. 목표 이슬점
천연가스 고압배관의 목표 이슬점은 일반적으로 -50°C 이하로 설정됩니다.
이는 매우 낮은 온도인데, 이렇게 엄격한 기준을 적용하는 이유는 다음과 같습니다.
* 하이드레이트 형성 방지: 천연가스 배관은 고압 상태로 운영되는데, 압력이 떨어지는 지점에서 온도가 급격히 낮아질 수 있습니다. 이때 이슬점이 높으면 남아있는 소량의 수분이라도 얼음과 유사한 하이드레이트를 형성하여 배관이나 밸브를 막아버릴 수 있습니다.
* 안전 및 효율: 이슬점을 낮춰 수분을 철저히 제거함으로써 부식과 같은 배관 손상 문제를 방지하고, 천연가스 이송 시스템의 안정성과 효율을 극대화할 수 있습니다.
국가나 산업 표준에 따라 이슬점 기준은 조금씩 다를 수 있지만, -40°C에서 -76°C까지 매우 낮은 수준을 요구하는 경우가 많습니다.
그래야 줄톰슨효과에 따라 감압시 온도가 내려가도 수증기 냉각이 없어집니다.
5. 이슬점 측정 방법
이슬점을 측정하는 가장 일반적인 방법은 냉각 거울 방식입니다. 이 방법은 이슬점의 정의 자체를 이용한 가장 정확한 측정법으로 널리 사용됩니다.
냉각 거울 방식 (Chilled Mirror Method) 원리
* 가스 주입: 측정하고자 하는 가스를 냉각 거울(Chilled Mirror)이 있는 센서 챔버로 주입합니다.
* 거울 냉각: 거울 표면을 반도체 냉각 장치(Peltier Cooler)로 서서히 냉각시킵니다.
* 이슬 응결: 거울 온도가 낮아지면서 가스 내의 수증기가 포화 상태에 도달하면 거울 표면에 미세한 이슬이 맺히기 시작합니다.
* 광학 감지: 거울에 빛(LED)을 쏘고, 이슬이 맺히면서 발생하는 빛의 산란량을 광학 센서가 감지합니다.
* 온도 측정: 센서가 이슬을 감지하는 순간, 거울 표면의 온도를 정밀하게 측정합니다. 이 온도가 바로 이슬점입니다.
이 방식은 수분이 맺히는 순간의 온도를 직접 측정하기 때문에 매우 높은 정확도를 제공합니다.
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