플랜트 엔지니어가 알아야 할 계측제어 - 절대압 게이지압 차이

플랜트 엔지니어가 알아야 할 

계측제어 - 절대압 게이지압 차이

 

플랜트 길라잡이 - 9 

 

*계측제어 대한 내용을 나누어서 연속 포스팅하겠습니다. 

 

계측기란 무엇을 말하는 것이며 어떠한 종류가 

 

있으며 각각의 목적은 무엇일까요? 

 

계측이란 영어로 Measurement 이며 사전적 의미는 

 

물리적 양을 헤아리거나 잰다는 것을 말합니다. 

 

산업 초기에는 공정 변수를 측정하기 위한 시스템이 수동이었으나 

 

오늘날에는 많은 공정에 자동화 시스템을 적용하여 적은 인원으로도 

 

공장 운영이 가능할 수 있게 되었습니다.

플랜트 계측제어를 위해 필요한 물리적 측정값은 4가지가 있습니다.

 

Process Parameters - 4가지

 

• Pressure measurement (압력 측정)

 

• Temperature measurement (온도 측정)

 

• Flow measurement (유량 측정)

 

• Level measurement (수위 측정)

 

여기서 잠깐!

계측 제어의 목적 - Instrument and control

 

계측 제어는 안전, 생산, 신뢰성, 경제성을 목적으로 합니다.

안전 (Safety) - 공정 내 이상 징후 사전조치

생산 (Production) - 공정 자동화를 통한 생산관리와 생산성 향상

신뢰성 (Reliability) - 계측 제어를 통한 공정의 신뢰성 확보

경제성 (Economic efficiency) - 공정 자동화를 통한 운전 비용 절감

 

<Pressure gauge - 출처 Pexles>

 

압력측정은 왜 하는 건가요?

플랜트 공정상에서 공정 변수의 값은 앞서 설명한 것처럼 

 

압력, 온도, 유량, 수위가 있습니다. 

 

이 중에 압력은 대표적인 프로세스 공정변수입니다. 

 

계측 제어를 통해 변수를 모니터링 하는 것 그 이상으로

 

구체적으로 설정된 작동 범위 내에서 제어하는 것이 중요합니다. 

 

 

구체적으로 설정한다는 것의 의미는 공정상에 압력 범위를 설정해 놓고 

 

이를 초과 하지 않고 일정량을 유지하게 관리하는 것을 말합니다. 

 

 

예를 들어 관내에 흐르는 유체의 압력을 구체적으로 5~6 kg/cm2 g로 

 

관리 하겠다고 하였다면 범위 안에서 압력이라는 변수를 계측제어를 

 

통해 관리하겠다는 것을 말합니다.

압력은 어떻게 측정합니까?

<Figure 1. Separator P&ID>

 

Figure 1은 Separator 의 P&ID 입니다. Separator 와 같은 Vessel 류에 

 

있어서 압력은 주요 Monitoring 계측 값입니다. 

 

Figure 1 에서는 Field에서 Operator 가 직접 확인할 수 있는 

 

Gauge 형태의 Pressure element 와 아날로그 Signal 을 통해

 

Control room 에서 확인할 수 있게 Transmitter element 

 

두가지가 적용되어 있다고 가정하겠습니다.

<Figure 1. Separator P&ID>

 

• PI-001A : Pressure Indicator (or Gauge)
• PT-001A : Pressure Transmitter

<Pressure Gauge - 출처 위키미디어>

 

<Pressure Transmitter - 출처 위키미디어>

• 압력 측정기의 대표적인 Element 를 예시하였습니다. 

 

압력 측정을 위한 시나리오

계측기와 운전조건

Figure 1. 의 Separator(기기 번호 SP-001A)는 혼합 유체를 

 

Decanting 하여 상을 분리하는 용기 입니다. 

 

SP-001A 의 공정관리를 위한 압력 변수(계측 제어를 위한 설정 값)는  

 

다음과 같습니다. 

 

압력 변수를 측정하기 위한 장치로 Pressure indicator 와 Transmitter 

 

를 각각 설치 하였습니다. 

 

 

 

압력 측정 Instrument

• PI-001A(계측기 관리번호) : Pressure indicator (or Gauge)

 

• PT-001A(계측기 관리번호) : Pressure transmitter

 

SP-001A의 Operation pressure (운전 압력)

 

• Normal Press. : 5.0 bar.g (정상운전 조건)

 

• Low Press. : 3.5 bar.g

 

• High Press. 7.5 bar.g 

 

 

시나리오

어느 날 Control room 에서 제어 담당 직원이 공정을 

 

Monitoring 중에 SP-001A의 운전 압력이 정상 운전치 보다 

 

높은 6.5 bar.g 인것을 계측기 PT-001A를 통해 확인하였고 

 

이 상황을 무선으로 현장 담당 Operator 에게 연락하여 

 

확인해 줄 것을 요청하였습니다. 현장 담당자가 

 

SP-001A에 설치되어 있는 압력 게이지 PI-001A의 눈금을 확인해 보니 

 

압력값이 약 6.6 bar.g 인 것을 확인하였습니다. 

 

이 내용을 전달받은 Control room 담당자는 Separator(SP-001A)의 

 

후단 공정을 확인해 보니 밸브의 개방률이 정상치보다 

 

10% 낮은 것을 확인하고 이로 인해 배압이 발생하여 

 

압력이 상승한 것을 확인. 이를 해결하기 위해 밸브를 

 

수동 모드로 개방률을 증가 시켜 SP-001A의 압력 값이 

 

정상 운전 압력 5.0 bar.g 가 되는 것을 확인하였습니다. 

 

혹시 모를 이상 현상에 대비하기 위해 이상 동작을 일으킨 

 

후단 공정의 밸브에 대해서 긴급 점검을 실시하기로 하였습니다. 

 

가상의 시나리오를 바탕으로 압력 측정의 흐름과 조치 사항을 살펴보았습니다. 

압력의 개요

압력계의 종류를 보기에 앞서 압력의 단위를 살펴보겠습니다. 

 

현업에서는 다양한 압력의 단위를 사용하는데 이는 국가별 

 

프로젝트 별로 다소 차이가 있으며 사용하는 압력이 진공, 

 

게이지 압력인지에 따라 또 나뉘므로 엔지니어링 업무 수행 시에 

 

주의가 필요한 부분입니다.

자주 사용하는 압력 단위 : bar, psi, mmhg, kg/cm2

 

플랜트 엔지니어링에서 사용하는 압력의 종류는 4가지 입니다. (단위는 밑에 설명)

• Gauge, Absolute, Vacuum, Differential

1. 게이지 압력 (Gauge pressure) : 대기압을 기준점으로 0 부터 Positive pressure 가 발생할 경우 양압 Negative pressure 일 경우 음압으로 표기합니다. 
2. 절대압 (Absolute pressure) : 절대 진공을 기준점으로 0 으로 하여 표기합니다. 
3. 진공압 (Vacuum pressure) : 대기압을 기준점으로 0 부터 음압을 표기 합니다. 
4. 차압 (Differential pressure) : 압력 차이.

"

당최 무슨 말인지 모르겠습니다. 😡

"

절대압과 게이지압의 차이.

 

• 절대압(abs.) 을 0(Zero)으로 기준 잡았을 때 압력을 표기해 보겠습니다. 

 

• 뭔진 모르겠지만 우선 대기압과 절대압을 그려 보겠습니다. 

<Figure 대기압, 절대압>

 

• 검정색은 대기압 - Atmospheric pressure - 줄여서 표기할 때 Atm. 입니다.

 

• 빨간색은 절대압 - Absolute pressure - 줄여서 표기할 때 Abs. 입니다.

 

• 자 다음으로 과학 시간에 배웠던 수은주를 표기해 보겠습니다. 
•  
• 수은주가 760mmHg 인것은 기억나시죠? 수은주는 무엇? 
•  
• 진공유리관에 수은을 넣었을 때 수은의 높이가 760mm(76cm) 올라가는 것! Why? 대기압(1 atm.) 을 받고 있기 때문에. 

<수은주 760 mmHg abs.>

 

• 수은주를 표기하였습니다. 760mmHg abs. 절대압을 기준으로 대기압까지 올라간 압력 따라서 760 mmHg abs. = 1 atm. 입니다. 

 

• 수은주외 대표적으로 사용하는 단위인 psi 와 bar 도 표기해 보겠습니다.

<Figure psia and bara>

 

• 절대압 760 mmHg abs. = 14.969 psia = 1.013 bara 입니다.

 

• 여기까지가 Absolute pressure 에 대한 기준이었습니다. 

 

• 다음으로 Gauge pressure 를 그려 보겠습니다.

 

<Figure gauge pressure>

 

• 게이지 압은 대기압을 0으로 기준으로 하였을 때의 압력 입니다. 단위 뒤에 "g" 를 붙여 주어야 합니다. 

 

• 따라서 760 mmHg g = 14.969 psig = 1.013 barg입니다. 

 

• 다음으로 대기압, 절대압을 교차했을 때 를 비교해 보겠습니다. 

<Figure 대기압 vs 절대압>

 

• 같은 압력 단위인데도 값에 차이가 있습니다. Why? 대기압을 기준점 0(Zero)로 한것인지. 절대압을 기준점 0(Zero) 로 한것이냐에 따른 차이입니다. 

 

• 760 mmHg g = 1,520 mmHg abs.

 

• 14.969 psig = 29.938 psia.

 

• 1.013 barg = 2.026 bara.

 

• 절대압은 주로 진공압력에 대해서 사용합니다. 게이지 압력으로 진공압력을 표기할 수도 있습니다. 어떻게? 

<Gauge pressure>

 

• - 760 mmHg g = -14.969 psig = -1.013 bar g 입니다.

 

• Vacuum pressure 를 표기 해 보겠습니다. 간단합니다. 뒤에 표기를 "V" 붙이면 됩니다.

<Vacuum pressure>

• 760 mmHg Vac. = 14.969 paiv. = 1.013 barv. 입니다.

 

 

게이지 압력, 절대압, 진공압력을 살펴 보았습니다. 

 

이 모든 것을 합쳐 보면. 다음과 같은 그림을 만들 수 있습니다. 

 

<Pressure reference>

 

• 절대진공 0 = 0.0 mmHg abs. = - 760 mmhg g. = 760 mmHg vac.

 

• 대기압 = 760 mmHg abs = 0 mmHg g = 0 mmHg vac.

 

 

 

 

정리. 

 

절대압 기준 (Absolute pressue) 1 atm. = 760 mmHg abs.

 

0 atm = 0 psia = 0 mmHg abs. = 0 bara

 

1 atm = 14.696 psia = 760 mmHg abs = 1.013 bara

 

2 atm = 29.938 psia = 1,520 mmHg abs. = 2.026 bara

게이지 압 기준 (Gauge pressure)

File:MAXIMATOR-High-Pressure-Manometer-01a.jpg - Wikimedia Commons

0 atm = -14.696 psig = -760 mmHg g = -1.013 bar g

1 atm = 0 psig = 0 mmHg g = 0 bar g

2 atm = 14.696 psig = 760 mmHg g = 1.013 bar g

진공압 기준 (Vacuum pressure)

0 atm = 14.696 psiv = 760 mmhg vac. = 1.013 bar vac.

1 atm = 0 psi vac. = 0 mmHg vac. = 0 bar vac.

2 atm = 진공압은 해당 없음. (Not applicable)

연습 문제)

340 mmHg abs 는 몇 mmHg g 일까요?
sol) 760mmHg abs - 340 mmHg abs =  - 420 mmhg g.

240 mmHg vac 은 몇 mmHg abs 일까요?
sol) 760mmHg - 240 mmHg = 520 mmHg abs.

압력의 단위.

1 대기압 ( 1 Atmosphere pressure) 은 다음의 압력 단위와 동일합니다.

• 1 Atm. = 760 Torr = 29.92 inHgA = 14.696 psia. = 1.013 bara = 1,013 mbara

압력의 개요와 절대압, 게이지 압, Vacuum pressure에 대해서 살펴 보았습니다. 

 

중요한 점은 단위와 뒤에 붙는 약어에 유의해야 한다는 점 입니다. 

 

예를 들어 압력 단위 mmHg 뒤에 abs. 인지, g(gauge), Vac.(vacuum) 

 

인지를 잘 살펴 보아야 합니다. 

 

아래 그림처럼 현업에서 사용하는 자료(10 kg/cm2 g)에는 

 

압력 단위 뒤에 게이지 압인지, 절대압 기준인지를 반드시 표기 합니다. 

 

단위를 환산하거나 뒤의 기준이 틀려질 경우 오류가 발생할 수 있기 때문입니다.

그림처럼 10.0 kg/cm2 g 라고 표기하였는데 g 가 없이 10.0 kg/cm2 라고만 표기 되어 있다면 확인하고 넘어가야 합니다. abs. 를 누락한 것인지 vac.를 누락된 것인지 말이지요.

이상 계측제어를 위한 절대압 대기압의차이에 대해서 살펴보았습니다. ** 위의 내용에 대해서 궁금한 점은 쥔장에게 메일이나 댓글로 문의 남겨주세요.

 

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