KR102367829B1 - 천연가스와 늪 가스를 구별하는 방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
기체 샘플이 생물학적 과정에서 유래했는지, 또는 시험을 수행하고 유틸리티 가스를 포함하는 가스 설비로부터 유래했는지를 구별하는 방법은 다음의 특징을 갖는다. 유틸리티 가스에 존재하는 수소 농도와 비교하여 샘플에 수소 농도가 증가된 것은 상기 샘플이 생물학적 부패 과정에서 유래되고, 시험을 수행중인 유틸리티 가스를 포함하는 가스 설비에서 유래된 것이 아니라는 증거로서 사용된다.
Description
본 발명은 지하 유틸리티 가스관에서 누출을 관측할 때 등록된 가스 신호의 유래가 메탄가스인지 아니면 유틸리티 가스인지를 매우 빠르게 구별하는 방법에 관한 것이다.
전 세계 차원에서 규제로 인하여 가스 누출 여부를 확인하기 위한 정기적 가스 네트워크 검사를 시행해야 한다. 그 이유는 건물 및 기타 제한된 공간에서 가스 수집 시 발생하는 화재 및 폭발로부터 대중을 보호하기 위한 것이다. 본 누출 검사는 일반적으로 가스를 운반하는 파이프 위의 지면에 걸쳐 가스의 주요 구성 요소에 민감한 감지기를 작동시켜 수행된다.
압축 천연가스 (CNG)의 주성분은 일반적으로 메탄이며 액화 석유 가스 (LPG)는 주로 부탄과 프로판을 포함한다. 이 두 가지의 흔한 일반적인 가스 유형 외에도, 파이프 네트워크가 여전히 매우 제한적이더라도 바이오 가스 생산이 증가하고 있다. 바이오 가스는 주로 메탄을 포함한다. 파이프라인이나 선박에 분포된 모든 인화성 가스는 다음과 같이 유틸리티 가스로 표시된다.
세계의 일부 지역에서 사용되는 인화성 가스의 네 번째 유형은 석탄 가스 또는 제조 가스 (MG)라고 불린다. 여기에는 높은 수준의 수소가 포함되어 있으며 상기 유틸리티 가스의 정의에서 제외된다.
유틸리티 가스 신호가 등록된 경우, 가스 신호는 두 가지 주요 소스에서 유래할 수 있다. 즉 감시 중인 가스 또는 생물학적 부패 과정에서 발생한 가스. 그러한 생물 원천의 예로는 쓰레기 투기장, 오수 분해 장, 매립지 등이 있다. 그러한 원천에서 발생하는 가스는 습지 가스, 토양 가스, 매립 가스 및 하수도 가스를 포함하는 수많은 이름으로 알려져 있다. 다음에서, 늪지 기체라는 용어는 생물학적 기원의 인화성 가스에 대한 공통분모로 사용된다. 늪지 가스 신호에 대응한 불필요한 굴착을 피하기 위해, 조사하고 있는 파이프의 실제 가스 누출과 늪지 가스의 표시를 구별할 수 있어야 한다.
유틸리티 가스와 늪 가스를 구별하는 데 가장 일반적으로 사용되는 방법은 에탄 가스 또는 프로판과 부탄 등 더 비중이 나가는 탄화수소의 존재 여부를 결정하기 위해 가스 성분을 분석하는 것이다. 대부분의 천연 가스 원천은 0.5 - 8 %의 에탄을 함유하고 있는 반면, 늪지 가스는 상당량의 에탄을 함유하지 않고 있다.
현재로써는 이러한 분석을 실시간으로 가능하게 하기 위한 메탄과 에탄 사이의 선택성을 충분히 높인 상업적으로 이용 가능한 가스 센서가 없다. 그러므로 분석은 일반적으로 가스 샘플의 여러 구성 요소를 서로 다른 시간에 크로마토그래프 컬럼을 생산하는 펄스로 분리하는 가스 크로마토그래프 (GC)를 사용하여 수행한다. 다른 구성 요소의 시간적 분리로 인하여, 비 선택적 센서로도 본 분석이 가능하다.
가스 샘플이 어떤 유형의 용기에 수집되어 분석을 위해 실험실로 보내지는 경우 GC는 실험실 장비 일 수 있다. 현장에서 사용할 수 있는 GC도 가능하다. 이들은 파이프라인 누출 측량 장비에 통합된 전용 장비 또는 소형 GC 모듈이 될 수 있다. 필드 GC 및 특히 누출 감지기에 통합 된 GC는 일반적으로 실험실 기계보다 덜 민감하며 샘플 농도는 샘플에서 특정 에탄을 검출하기 위해 1 % 이상 (또는 최소 0.5 % 이상) 이어야 한다.
이 사실로 인하여 종종 충분한 농도의 가스를 수집할 수 있도록 도로 포장재에 탐침 구멍을 뚫어야 할 경우가 있다. 이로 인하여 유효 테스트 시간이 상당히 길어지며 일반적으로 30 분 이상이 소요 된다.
가스의 구별을 위한 또 다른 방법은 가스 냄새를 맡거나 특정 탐지기를 사용하여 존재하는 냄새를 감지하는 것이다. 이 "수동적" 방법은 간단하고 저렴한 비용이지만, 전적으로 신뢰할 만한 것은 아니다. 냄새 검출기는 일반적으로 에탄 검출에 사용되는 검출기와 비교하면 비슷한 지연 시간을 가지나 더 높은 비용의 고급 GC 이다. 착취제 농도가 에탄 농도보다 몇 배 더 낮기 때문에보다 우수한 성능의 GC가 필요하다.
어떤 경우에도 늪 가스와 유틸리티 가스 간의 특정 판별이 느리고 항상 완전히 신뢰할 수 있는 프로세스가 아니므로 간단하고 빠르게 천연가스와 늪 가스를 구별하는 방법 및 장치 개발이 필요하다.
본 발명의 목적은 매립된 유틸리티 가스 파이프 라인의 일상적 누출 조사 중 검출된 가스 신호의 원인을 판별하기 위하여 개선된 방법을 제공하는 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일측면은 천연가스와 늪 가스를 구별하는 방법을 제공한다. 상기 천연가스와 늪 가스를 구별하는 방법은 기체 샘플이 생물학적 과정에서 유래 했는지 또는 시험을 수행하고 유틸리티 가스를 포함하는 가스 설비로부터 유래 했는지를 구별하는 방법에 있어서, 유틸리티 가스에 존재하는 수소 농도와 비교하여 샘플에 수소 농도가 증가된 것은 상기 샘플이 생물학적 부패 과정에서 유래되고, 시험을 수행중인 유틸리티 가스를 포함하는 가스 설비에서 유래된 것이 아니라는 증거로서 사용된다.
상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 다른 측면은 천연가스와 늪 가스를 구별하는 장치를 제공한다. 상기 천연가스와 늪 가스를 구별하는 장치는 기체 샘플이 생물학적 과정에서 유래 했는지 또는 시험을 수행하고 유틸리티 가스를 포함하는 가스 설비로부터 유래 했는지를 구별하는 장치에 있어서, 수소 선택성 가스 센서(17)는 샘플 내의 수소 함량의 평가를 위해 사용 되는 필드(field) 동작가능한 검출기(16)에 일체화되어 있고, 상기 검출기(16)는 파이프 라인(12) 누출 관측 가스 검출기(16)와 동시에 사용한다.
본 발명의 천연가스와 늪 가스를 구별하는 방법 및 장치에 의하면 간단하고 빠르게 천연가스와 늪 가스를 구별할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 천연가스와 늪 가스를 구별하는 장치의 모식도이다.
에탄 분석 방법의 주요 어려움은 메탄과 에탄을 독립적으로 측정할 수 있는 저렴하고 선택적 센서가 부족하다는 것이다. 구별을 위하여 두 가스 혼합물의 조성을 살펴보면, 적어도 다른 하나의 성분 (즉, 수소)이 있음을 알 수 있다.
보고된 유틸리티 가스의 함량을 조사해보면, 고시된 수소 성분은 거의 없다. 그러므로 수소의 양은 중요하지 않은 것처럼 보인다. 반면 늪지 가스에서는 상당량의 수소가 존재한다. 다수의 다른 미생물은 혐기성 조건에서 수소를 생산하므로, 수소는 일반적으로 늪 가스에서 발견된다. 보고 된 수소 농도 수준은 수백 ppm에서 1 ~ 2 %까지 이다.
본 발명은 고감도 및 수소 선택성 가스 검출기를 사용함으로써 전술한 에탄 시험의 한계를 해결한다. 이 절차가 제대로 작동하려면 검출기가 천연 가스에 존재하는 기체요소 (주로 가연성 가스뿐만 아니라 CO2) 보다 수소에 몇 단계 더 민감하여야 하다. 또한 검출기가 산소 함량 감소에 반응하지 않아야 한다 (가연성 가스 센서의 경우 흔하지 않은 것은 아님).
천연가스 내 수소의 부재는 수소에 선택적으로 반응하는 센서로 천연가스를 시험함으로써 쉽게 확인할 수 있다.
원하는 품질을 가진 감지기는 스웨덴의 INFICON AB에서 제조, 판매하는 감지기이다. 메탄과 비교하여 수소에 대한 이들 검출기의 선택도는 5 급수 (orders of magnitude) 이상이다.
환언하면, 본 발명은 가스 설비의 누출 테스트 중에 채취된 가스 샘플을 추가로 사용하여 샘플이 가스 설비 내의 유틸리티 가스로부터 유래한 것인지 또는 생물학적 부패 과정에 기인한 것인지를 판단하기 위한 것이다. 유틸리티 가스의 수소 함량은 사전에 알려지지 않았다면 결정되어야 한다. 검출된 가스의 수소 함량이 현저히 높으면, 샘플은 생물학적 부패 과정에서 기인한 것이다. 따라서, 본 발명의 방법은 하기의 단계를 포함하는 것으로 기술 될 수 있다.
- 표면 아래에서 가스 샘플을 얻는 단계,
- 수소의 존재에 대해 가스 샘플을 테스트하는 단계,
- 가스 샘플 내의 수소 레벨과 테스트할 가스 설비 내의 유틸리티 가스의 공지 된 수소 레벨을 비교하는 단계,
- 샘플의 수소 농도가 유틸리티 가스의 수소 농도보다 높은 경우, 가스 샘플이 생물학적 부패 과정으로부터 유래한 것으로 구별하는 단계,
생물학적 부패 과정에서 유래한 가스 샘플에 대한 대안적이고 간단한 지표는 수소 농도가 5ppm 또는 100ppm을 초과한다는 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 천연가스와 늪 가스를 구별하는 장치의 모식도이다.
도 1을 참조하면, 가스 파이프 라인(12)은 지면(14) 아래의 가스 장치의 일부이다. 가스 파이프 라인(12)의 기밀성은 누출 감지기(16)로 시험 될 것이다. 누출 감지기(16)의 측정 프로브(18)은 가스 파이프 라인(12) 및 누출 가능성이 예상되는 영역인 지표면(14) 또는 지표면(14) 아래의 드릴링 된 구멍에 위치 된다. 늪 가스 생성 영역(20)은 시험 프로브(18)에 근접한 지표면(14) 아래에 있다. 따라서, 프로브(18)는 파이프 라인(12)으로부터 누출되는 가스 또는 늪 가스 생성 영역(20) 내의 생물학적 부패 과정으로부터 발생하는 가스를 채집 한다.
가스 분석기(16)는 가스 샘플 내의 가스를 검출 한다. 가스 시설 내의 유틸리티 가스는 메탄 및 / 또는 더 무거운 탄화수소를 포함하는 반면, 생물학적 부패 과정 (늪 가스)에서 비롯된 가스는 주로 메탄을 포함한다. 어느 경우에도 이것은 검출기의 감지 메커니즘에 의해 판단될 것이다.
샘플이 유틸리티 가스 설치 (가스 파이프 라인(12)) 또는 늪지 가스 생성 영역(20)(생물학적 부패 과정으로부터 유래 된 가스)으로부터 유래하는지의 여부를 구별하기 위하여, 가스 샘플의 수소 함량은 누출 검출기(16)으로 결정된다. 누출 감지기는 수소 선택 센서(17)을 포함하고 있으며, 따라서 수소에 민감하다. 수소 함량이 특정 임계값 이상인지 여부는 감지된다. 임계값은 유틸리티 가스 내의 이전에 알려진 수소 농도에 기초할 수 있다. 임계 값은 유틸리티 가스의 조성 및 가스 설비의 설비에서 가정되는 생물학적 부패 과정의 유형에 따라 결정 된다. 예를 들어 5 ppm 또는 100 ppm 또는 심지어 더 클 수 있다.
Claims (9)
- 가스 샘플이 생물학적 과정에서 유래 했는지 또는 시험을 수행하고 유틸리티 가스를 포함하는 가스 설비로부터 유래 했는지를 구별하는 방법에 있어서,
(1) 상기 가스 샘플의 수소 함량을 평가하기 전에 수소 선택성 가스 센서를 사용하여 상기 가스 설비에 포함된 유틸리티 가스의 수소 농도가 기설정된 수준 미만인지 확인하는 단계;
(2) 상기 수소 선택성 가스 센서를 사용하여 상기 가스 샘플의 수소 농도를 검출하는 단계; 및
(3) 상기 가스 샘플에서 검출된 수소 농도와 상기 유틸리티 가스에 존재하는 수소 농도와 비교하는 단계;를 포함하며,
상기 비교는 상기 샘플이 생물학적 부패 과정에서 유래하고 시험을 수행하는 상기 가스 설비로부터 유래하지 않았다는 점을 구별하는 데 사용되는 것을 특징으로 하는 가스 샘플이 생물학적 과정에서 유래 했는지 또는 시험을 수행하고 유틸리티 가스를 포함하는 가스 설비로부터 유래 했는지를 구별하는 방법. - 제1항에 있어서,
수소 분석은 가스 누출 조사와 동시에 수행되는 것을 특징으로 하는 가스 샘플이 생물학적 과정에서 유래 했는지 또는 시험을 수행하고 유틸리티 가스를 포함하는 가스 설비로부터 유래 했는지를 구별하는 방법. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 가스 샘플이 생물학적 부패 과정에서 유래 했다는 증거로 5ppm을 초과하는 수소 농도를 사용하는 것을 특징으로 하는 가스 샘플이 생물학적 과정에서 유래 했는지 또는 시험을 수행하고 유틸리티 가스를 포함하는 가스 설비로부터 유래 했는지를 구별하는 방법. - 제3항에 있어서
상기 가스 샘플이 생물학적 부패 과정에서 유래 했다는 증거로 최소 100ppm이상의 수소 농도를 사용하는 것을 특징으로 하는 가스 샘플이 생물학적 과정에서 유래 했는지 또는 시험을 수행하고 유틸리티 가스를 포함하는 가스 설비로부터 유래 했는지를 구별하는 방법. - 가스 샘플이 생물학적 부패 과정에서 유래 했는지 또는 시험을 수행하고 유틸리티 가스를 포함하는 가스 설비로부터 유래 했는지를 구별하는 장치에 있어서,
(ㄱ) 검출기(16)가 파이프 라인(12) 및 누출 조사 가스 검출기(16)와 동시에 사용될 수 있는 샘플의 수소 함량 평가를 위해 사용되는 필드(field) 동작가능한 검출기(16)에 통합되는 수소 선택성 가스 센서(17); 및
(ㄴ) 상기 수소 함량이 특정 임계값을 초과할 때 상기 가스가 생물학적 부패 과정에서 유래 했는지를 구별하는 수소 선택성 가스 센서(17)를 포함하는 상기 누출 조사 가스 검출기(16);를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 샘플이 생물학적 부패 과정에서 유래 했는지 또는 시험을 수행하고 유틸리티 가스를 포함하는 가스 설비로부터 유래 했는지를 구별하는 장치. - 제5항에 있어서,
상기 수소 선택성 가스 센서(17)는 상기 파이프 라인(12) 및 누출 조사 가스 검출기(16)에 일체화되어 있는 것을 특징으로 하는 가스 샘플이 생물학적 부패 과정에서 유래 했는지 또는 시험을 수행하고 유틸리티 가스를 포함하는 가스 설비로부터 유래 했는지를 구별하는 장치. - 제5항 또는 제6항에 있어서,
수소 분석은 가스 누출 조사와 동시에 수행되는 것을 특징으로 하는 가스 샘플이 생물학적 부패 과정에서 유래 했는지 또는 시험을 수행하고 유틸리티 가스를 포함하는 가스 설비로부터 유래 했는지를 구별하는 장치. - 제7항에 있어서,
상기 가스 샘플이 생물학적 부패 과정에서 유래 했다는 증거로 5ppm이 넘는 수소 함량이 사용되는 것을 특징으로 하는 가스 샘플이 생물학적 부패 과정에서 유래 했는지 또는 시험을 수행하고 유틸리티 가스를 포함하는 가스 설비로부터 유래 했는지를 구별하는 장치. - 제8항에 있어서,
상기 샘플이 생물학적 부패 과정에서 유래 했다는 증거로 최소 100ppm 이상의 수소 농도가 사용되는 것을 특징으로 하는 가스 샘플이 생물학적 부패 과정에서 유래 했는지 또는 시험을 수행하고 유틸리티 가스를 포함하는 가스 설비로부터 유래 했는지를 구별하는 장치.
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