WO2014098469A1 - 파이프 내에서 유동하는 다상 유동 유체의 성분 및 조성을 측정하기 위한 임베디드 장치 - Google Patents

파이프 내에서 유동하는 다상 유동 유체의 성분 및 조성을 측정하기 위한 임베디드 장치 Download PDF

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김형찬
임재일
강경찬
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    • G01N33/28—Oils, i.e. hydrocarbon liquids
    • G01N33/2835—Specific substances contained in the oils or fuels

Definitions

  • the present invention relates to an embedded measuring device capable of measuring the composition and composition of a multiphase flow fluid flowing in a pipe.
  • Offshore plant refers to a production facility that can extract marine resources (oil and gas, etc.) from the sea and the seabed or manufacture the desired products using the marine resources.
  • marine resources oil and gas, etc.
  • offshore plants are mainly composed of various marine facilities used for mining, producing, and transporting oil or natural gas, and in recent years, as the offshore and offshore fossil fuels are depleted, subsea Competition for securing resources is accelerating.
  • the most highly demanding technology in the offshore plant industry is the Subsea Production and Processing System, which processes and produces crude oil and gas in the subsea. It is positioned as a value industry.
  • multi-components exist in the same single-phase.
  • the natural gas phase is composed of multi-components such as methane, ethane, and propane. It also greatly affects the flow and properties of the fluid.
  • fluid characteristics such as pressure, temperature and flow rate of multiphase flow fluids are measured by measuring instruments. Plugging and clogging phenomena due to gas hydrate formation are monitored using a window. It remains at the level of visual observation.
  • a chromatographic method In order to analyze these various components, a chromatographic method (Gas or Liquid Chromatography) is generally the best method for taking samples and separating each component from the analytical column and qualitatively / quantitating it through various detectors (FID, TCD, MS). to be.
  • FID detectors
  • TCD detectors
  • MS detectors
  • these methods are difficult to analyze, and the samples must be discarded because samples must be taken.
  • real-time analysis is impossible and the analysis time is excessively fatal. It has a disadvantage. In other words, it is not possible to quickly and individually analyze various components in deep-sea offshore plant facilities or flow loops.
  • the present invention is to propose an embedded multi-phase flow fluid composition measuring device that has not been solved in the existing flow loop or offshore plant fluid transfer equipment.
  • the present invention proposes a measuring device for economically and efficiently constructing and operating an offshore plant by confirming the composition of a multiphase flow component in real time and predicting a blockage phenomenon due to hydrate formation.
  • the present invention is a high-pressure pipe pipe through which the multi-phase flow fluid; A Raman probe partially inserted into the high pressure pipe and having an optical lens; And a Raman peak analysis unit connected to another part of the Raman probe, wherein the Raman peak analysis unit uses the Raman probe to determine the composition of the Raman peak intensity of the multiphase flow fluid in the high pressure pipe by using the Raman probe.
  • An apparatus for measuring the composition of a multiphase flow fluid which is characterized in that it can be provided.
  • the Raman probe is preferably installed at least one in the pipe.
  • the Raman probe may further include a first Raman probe installed on an upper portion of the pipe tube; A second Raman probe installed under the pipe pipe; A third Raman probe installed above the curved portion of the pipe in the front direction of the fluid flow; And it is preferable to include a fourth Raman probe is installed in the lower portion in the front direction of the fluid flow to the curved portion of the pipe.
  • the component and composition measuring device of the multi-phase flow fluid by measuring the temperature and pressure at the same time as the real-time Raman measurement through the Raman probe in the pipe pipe to determine the gas hydrate forming object type, each pupil formation rate, and hydrate formation rate It is desirable to check in real time.
  • the Raman probe is preferably compressed to the pipe pipe.
  • the Raman probe it is preferable to include two or more different lenses to prevent chromatic aberration (chromatic aberration).
  • the Raman probe may include a Raman body for compression fitting that is press-fitted to the pipe pipe; And a replaceable probe tip detachably connected to the Raman body for the compression fitting and surrounding the two or more lenses.
  • the Raman peak analysis unit it is preferable to check the components and composition contained in the multi-phase flow fluid by analyzing the intensity value and the intrinsic wavelength region of the Raman peak measured by the Raman probe.
  • the Raman peak analyzer may set a calibration curve by using a Raman peak intensity ratio with respect to a predetermined component and a concentration of the predetermined component, receive a Raman peak intensity value measured using the Raman probe, and It is preferable to use the calibration curve to quantitatively analyze the components contained in the multiphase flow fluid.
  • the Raman peak analysis unit it is preferable to check the hydrate formation in the multi-phase flow fluid and its type by analyzing the intensity value and the intrinsic wavelength region of the Raman peak measured by the Raman probe.
  • the Raman peak analysis unit further includes a pressure and temperature control device to operate when the hydrate formation is detected.
  • the pressure and temperature control device it is preferable to adjust the pressure and temperature in the high-pressure pipe tube to be different from the phase equilibrium conditions of the hydrate formed.
  • the Raman peak analysis unit further comprises an inhibitor input device that operates when the hydrate formation is detected.
  • the high pressure pipe constitutes a flow loop.
  • a fluid supply for supplying a multi-phase flow fluid to the flow loop.
  • the flow loop preferably further comprises a plurality of test units branched pipe pipe by using a valve.
  • the accuracy of the measurement result can be further increased by using an intensity value other than the Raman peak area value.
  • the Raman probe it is possible to precisely check not only the type of gas contained in the multiphase flow fluid at the measurement position but also each solubility (or liquid component and composition), and the identified data can be presented qualitatively and quantitatively. have.
  • FIG. 1 shows schematically an embodiment of a flow loop according to the invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. 1, illustrating in more detail a Raman probe installed in a flow loop according to the invention.
  • FIG. 3A is a detailed view of B of FIG. 2 showing in more detail a Raman probe installed in a flow loop according to the present invention.
  • FIG. 3B is a diagram for explaining two or more lenses for preventing chromatic aberration in a Raman probe.
  • 4A and 4B are graphs showing Raman analysis values according to pressures in a single gas of methane and ethane as an example in which the component composition of a flow fluid is measured using the measuring device according to the present invention.
  • FIG. 5 is a graph showing Raman actual measurement values according to pressure by complex gasification of methane and ethane used in FIG. 4 at a ratio of 90: 10% and 50: 50%.
  • 6A to 6D are graphs showing the number of moles of tendency according to the pressure of each gas of methane and ethane.
  • FIG. 7 shows the apparatus used to obtain the experimental results of FIGS. 4 to 6.
  • FIG. 8 shows a comparison of the rate of hydrate formation over time and the molecular behavior at the microscopic level by real-time Raman analysis in a flow loop.
  • FIG. 9 shows, in real time, the Raman peaks formed by pure water and inhibitor inputs in Raman analysis.
  • FIG. 1 shows a flow loop according to the invention.
  • the flow loop includes the fluid supply part 100, the first flow loop 200, and the second flow loop 300.
  • the fluid supply unit 100 functions to supply a plurality of fluids to the flow loops 200 and 300 for implementing the multiphase flow fluid of the seabed.
  • the fluid supply unit 100 includes a gas supply unit 110, an oil supply unit 120, a mixture supply unit 130, and a water supply unit 140 to supply gases, oils, mixtures, and water contained in the multiphase flow fluid on the seabed. Supply.
  • the fluids generated therein pass through the multiphase flow fluid generating unit 150 to generate a multiphase flow fluid similar to reality, and are supplied to the flow loops 200 and 300.
  • the multiphase flow fluid extracted from the actual seabed may be supplied directly to the flow loops 200 and 300.
  • the flow loops 200 and 300 consist of a plurality of high pressure pipes 250 and 350 to have a structure in which the inner multiphase flow fluid is circulated.
  • the high pressure pipes 250 and 350 should be able to withstand the high pressure and low temperature conditions, which are subsea conditions of the multiphase flow fluid.
  • the first flow loop 200 and the second flow loop 300 have a similar structure, but may be used for various purposes by varying their sizes.
  • the horizontal and vertical sizes of the second flow loop 300 are half the size of the first flow loop 200, but are not limited thereto.
  • the plurality of test units 210, 220, and 310 are positioned in the flow loops 200 and 300.
  • a plurality of valves are positioned at the front and rear ends of each of the test units 210, 220, and 310, and are branched from the main stream of the flow loops 200 and 300 as shown.
  • the valve may control whether or not the inflow of the multiphase flow fluid flowing into the test unit 210, 220, 310 according to a separate measurement purpose without affecting the main stream.
  • a separate separator 230 may be located to allow separation of the multiphase flow fluid within the flow loop and to be used for testing purposes.
  • the high pressure pipe 250 will be described in detail with reference to FIG. 2.
  • the Raman probe 440 is installed in the high pressure pipe 250.
  • a part of the Raman probe 440 is inserted into the inside of the high-pressure pipe tube 250, the other part protrudes from the outside, and the other part of the Raman peak analysis unit through the Raman body 420. 410 is connected.
  • the insertion of the Raman probe 440 is a process to be relatively careful.
  • the Raman probe 440 should be installed as a compression fitting on the high pressure pipe 250, and then the separate fastening members 430 and 444 should fasten it in and out of the high pressure pipe 250.
  • Raman probes 440 are installed at the upper and lower portions of the high pressure pipe 250. (First and second Raman probes)
  • the Raman probe 440 installed on the upper side checks the Raman peak intensity value of the gas-base multiphase flow fluid mainly located on the high pressure pipe 250, and the Raman installed on the lower side.
  • the probe 440 may check the Raman peak intensity value of the liquid-gas multi-phase flow fluid located mainly under the high pressure pipe 250.
  • the Raman probe 440 is preferably installed at the upper and lower portions in the front direction of the fluid flow at the curved portion of the pipe tube 250, respectively. (Third and fourth Raman probes)
  • the Raman probe 440 will be described in more detail.
  • the Raman probe 440 includes two or more optical lenses 441 and 442. Two or more optical lenses 441 and 442 may be superimposed so that various scattered wavelengths can be collected in one place after the laser light is irradiated onto the sample, thereby reducing the focal distance between red and purple, thereby reducing chromatic aberration. Can be reduced and the measurement accuracy can be increased. Using this, precise Raman analysis of data can be performed even in a multiphase flow environment.
  • Raman analysis means analyzing the composition and composition of a multiphase flow fluid through Raman peak intensity values.
  • the Raman probe 440 is used for the compression fitting while wrapping the Raman body 444 for the compression fitting and the two or more optical lenses 441 and 442 which are press-fitted to the high-pressure pipe pipe (250, 350) It may further include a replacement probe tip 443 detachably connected to the Raman body (444).
  • the Raman peak analysis unit 410 receives various information about the Raman peak through the Raman probe 440, and confirms the components and composition such as the type and solubility of the gas contained in the multi-phase flow fluid through the received information Can be.
  • the pressure and temperature of the high pressure pipes 250 and 350 may be measured in real time using a separate sensor (not shown), or may be arbitrarily controlled through a pressure and temperature controller (not shown).
  • the high pressure pipe (250, 350) may be further provided with an inhibitor (inhibitor) input device (not shown). This, when the formation of the hydrate is confirmed in the high-pressure pipe (250, 350) can be suppressed by preventing hydrate formation by plugging or plugging.
  • the multiphase flow fluid is generated in the fluid supply unit 100 or the multiphase flow fluid extracted from the seabed is supplied to the flow loops 200 and 300.
  • test units 210, 220, and 310 may perform individual tests using separate measuring devices.
  • the Raman peak analyzer 410 may know the composition and the composition of the multiphase flow fluid at the corresponding location using various information related to the received Raman peak.
  • the information on the multiphase flow fluid which can be known through the Raman peak information, includes components and compositions such as the type of gas included in the multiphase flow fluid, solubility and liquid composition and composition of the gas, whether hydrate is formed and the type thereof, Of course, the invention is not limited thereto.
  • the pressure and temperature controller may change the phase equilibrium conditions.
  • an inhibitor input device capable of suppressing hydrate formation may introduce the inhibitor into the high pressure pipes 250 and 350.
  • composition measurement example component and composition qualitative / quantitative analysis
  • Methane gas was injected into the multiphase flow fluid generating unit 150 formed of a high pressure container to form a high pressure condition, and then the high pressure pipe tubes 250 and 350 were flowed.
  • the high pressure pipes 250 and 350 and the multiphase flow fluid generating unit 150 are programmed to monitor temperature and pressure data in real time as shown in FIG. 7 and maintained at a constant temperature (10 ° C.) by cooling water. .
  • the Raman peak intensity value was measured using the Raman probe 440 inserted into the high pressure pipes 250 and 350.
  • the area or intensity measurement of the Raman peak was arbitrarily determined and used by the experimenter without particular classification.
  • the intensity of the Raman peak was measured based on the accuracy. It will be described later.
  • This experiment was carried out several times while changing the pressure of the target gas methane to 0.1 ⁇ 50bar.
  • FIG. 4A is analyzed as follows.
  • Methane increases with pressure at 2917 cm -1 , the symmetric stretching peak of carbon and hydrogen bonds. Therefore, even when only the Raman peak wavelength measurement region shown in FIG.
  • the number of moles of the gas was confirmed through the measured intensity values of the Raman peak. This is because the number of moles increases at about the same rate as the pressure increases.
  • ethane gas was used instead of methane.
  • FIG. 4b is analyzed as follows.
  • ethanol is the bending motion of the carbon and hydrogen bonding (bending) the peak 2900cm - shows an increase in pressure in the first and 2956cm -1. Therefore, even if only the wavelength measurement results for the Raman peak intensity values shown in FIG. 4B were examined, it was confirmed that ethane gas was included in the multiphase flow fluid.
  • methane and ethane were used as the target gases in 9: 1 (%) and 5: 5 (%).
  • Raman peak intensity values were measured at two pressure conditions of 20 and 40 bar.
  • the number of moles of each methane or ethane gas analyzed here was calculated based on the measured Raman results.
  • the Raman peak intensity value was increased at a nearly similar ratio as the pressure of the methane or ethane single gas increased, showing almost linearity.
  • Methane showed the same trend at 2917 cm -1 , the symmetric stretching peak of carbon and hydrogen bonds, and ethane was the same at carbon and hydrogen bond bending peaks (2900 cm -1 , 2956 cm -1 ). Showed a tendency.
  • the Raman peak intensity was found to be almost straight at the calibration curve below 0.1 mol / L, and the minimum detection level reached up to about 0.025 mol / L. (The results of microanalysis on methane are not shown, but similar to the case of ethane, the microanalysis showed more accurate measurements and better detection levels than peak areas.)
  • the components and the composition of the multiphase flow fluid can be measured very accurately through the measurement results using the Raman peak intensity values rather than the Raman peak area values.
  • Figure 7 schematically shows the construction of a hydrate forming system in high pressure pipes 250, 350 of an actual flow loop.
  • the system is systemized to maintain and control the desired temperature and pressure, and is programmed to monitor temperature and pressure data in real time under flow conditions.
  • the outside of the device is in the form of a jacket to allow the cooling water to maintain the desired temperature.
  • the guest gas used for the actual measurement is methane gas, and during the presence of the constant temperature / static pressure and flow, the Raman probe is installed through the high-pressure device wall, that is, the gaseous and liquid jackets, to change the composition of the gas phase and form the hydrate.
  • the Raman measurement can be used to predict the molecular behavior in real time.
  • Figure 9 shows the real-time Raman peak information according to the methane hydrate formation, the injection of pure water and inhibitors that can inhibit the hydrate formation in the device to hydrate formation in real time under constant temperature and pressure conditions 4 minutes through the Raman measurement Raman peak information is obtained in units.
  • the Raman measurement data of the two types of experiments show that the methane hydrate nucleation time can be clearly identified according to the peak shape and the number of wavelengths.
  • the number of wavelengths of the large and small pupils is 2905cm -1 and 2915cm -1 , and the values can be obtained by measuring the peak intensity and the peak area, respectively.
  • Pure water shows the Raman peak form (large and small pupil filling ratios) of methane hydrates as a result of methane hydrate formation, whereas Raman peak information when inhibitors are injected shows a significant delay in the initial hydrate nucleation stage. It can be seen from the Raman peak intensity value.
  • the peak intensity in the methane hydrate nucleation step is markedly different when comparing the filling ratio by the peak intensity and peak area values of the large and small pores of the methane hydrate with pure water according to the hydrate formation. It can be seen that it is clearly distinguished by the naked eye.
  • composition of the multiphase flow fluid can be obtained at the molecular level through the Raman peak value as well as the identification and formation of hydrates in the multiphase flow fluid by real-time Raman peak information .

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Abstract

본 발명은 파이프 내에서 유동하는 다상 유동 유체의 성분 및 조성을 측정할 수 있는 임베디드 측정 장치에 관한 것이다. 본 발명은 다상 유동 유체가 유동하는 고압 파이프관; 상기 고압 파이프관 내측에 일부가 삽입되며 광학 렌즈를 구비하는 라만 프로브; 및 상기 라만 프로브의 다른 일부와 연결되는 라만 피크 분석부를 포함하는, 임베디드 측정 장치로서, 상기 라만 프로브를 이용하여 상기 고압 파이프관 내의 다상 유동 유체의 라만 피크 강도(intensity)값을 측정함으로써 그 조성을 확인할 수 있는 것을 특징으로 하는, 다상 유동 유체의 조성 측정 장치를 제공한다.

Description

파이프 내에서 유동하는 다상 유동 유체의 성분 및 조성을 측정하기 위한 임베디드 장치
본 발명은 파이프 내에서 유동하는 다상 유동 유체의 성분 및 조성을 측정할 수 있는 임베디드 측정 장치에 관한 것이다.
해양플랜트는 해상 및 해저에서 해양 자원(원유 및 가스 등)을 채취하거나 해양 자원을 이용하여 목적하는 제품을 제조할 수 있는 생산설비를 지칭한다.
일반적으로 해양플랜트는 원유(Oil)나 천연가스(Natural Gas)의 채굴, 생산, 수송에 사용되는 각종 해양설비가 주류를 이루고 있으며, 최근에는 육상 및 근해의 화석연료가 고갈됨에 따라 심해(subsea) 자원 확보를 위한 경쟁이 가속화 되고 있다. 해양플랜트 산업에서 가장 고도의 기술력을 요구하는 분야가 심해(subsea)에서 원유 및 가스 등을 처리, 생산하는 해저생산 처리시스템(Subsea Production and Processing System)이며, 이와 같은 이유 때문에 해저생산 처리시스템은 고부가 가치 산업으로 자리 매김하고 있다.
심해저를 포함한 해양플랜트에서는 가스 및 오일을 생산하는 것뿐만 아니라 운송하는 과정에서 액체상, 기체상 그리고 고체상의 조합으로 구성되어 있는 다상(multi-phase) 유동(flow) 흐름이 존재하게 된다. 즉, 해저에 위치하는 원유, 가스, 물, 모래, 진흙 등이 해양플랜트의 수평/수직 파이프를 통해 이송되며 이러한 다상 유동 유체는 원활한 흐름을 확보하기 어렵고, 특히 특정 압력과 온도에서는 가스와 물이 결합하여 가스하이드레이트를 형성함으로써 파이프 내의 플러깅 또는 막힘 현상이 발생하여 해양플랜트의 운용에 문제를 야기할 수 있다.
또한 같은 상(single-phase)이라도 다양한 성분(multi-component)이 존재 하게 되는데, 예를 들면 천연가스상에는 메탄, 에탄, 프로판 등의 복합성분(multi-component)들로 구성되어 있으며, 이러한 조성성분 또한 유체의 흐름과 특성에 큰 영향을 준다.
실재로, 해양플랜트의 구축 및 운용에 있어서 다상 유동 유체의 유동 문제가 발생하는 경우, 그 원인 파악이 불가능하고 생산율 감소는 물론 복구에도 막대한 비용이 발생한다.
따라서, 최근 심해자원의 생산 프로세서와 이를 해상플랫폼에 운송하는 과정에서 다상 유동 유체의 특성분석과 파이프 플러깅 문제를 사전에 감지하여 유동안정성(flow assurance)을 확보하려는 연구가 큰 각광을 받고 있다. 이러한 연구의 일환으로서, 다상 유동이 이루어지는 해저 환경을 묘사할 수 있는 파이프 배열체가 지상에 설치되는 장치가 제안되는데, 이는 플로룹(flow loop)으로 지칭된다.
실재로 미국 Tulsa University, 미국 SwRI, 프랑스 IFP, 노르웨이 SINTEF, 호주 CSIRO 등에서 플로룹이 설치되어 운용되고 있다.
기존의 플로룹이나 실제 해양플랜트 설비에서는 다상 유동 유체의 압력, 온도, 유량 등의 유체 특성들은 계측기를 통해 측정되고 있으며, 가스하이드레이트 형성 등에 의한 플러깅 형성 및 막힘 현상들은 감시창(window)을 이용하여 시각적으로 관찰하는 수준에 머물러 있다.
그런데, 파이프 내에서 하이드레이트가 생성되기 시작한 시점이 관리자가 감시창을 통하여 관측을 하고 있던 시점이라 하더라도, 사람의 육안으로 확인할 경우 시작 시점의 하이드레이트인지 아니면 단순 입자(particle)인지 구분하는 것이 실질적으로 불가능하며, 구분이 가능할 정도로 하이드레이트의 생성이 진행되었다면 플러깅 또는 막힘 현상에 대한 대처 시점은 이미 지났다고 할 수 있다.
실재로, 이와 같이 플러깅 또는 막힘 현상이 이미 발생하였다면, 종래에는 해당 파이프라인을 절단하여 왔다. 절단을 대비한 예비 파이프라인을 설치하기도 하지만, 이는 근본적인 해결이라고 할 수 없음은 물론이다.
기존의 플로룹 장치나 해양플랜트 배관 설비에서 하이드레이트 플러깅을 사전에 미리 감지할 수 있는 방법은 현재 존재하지 않으며, 다상 유동 유체의 특성(온도, 압력, 유량 등)들은 즉각적으로 측정이 가능하지만 다성분계의 실시간 조성분석 방법 또한 존재하지 않는다. 예를 들면 메탄(CH4), 에탄(C2H6), 프로판(C3H8)등으로 이루어진 짧은 사슬의 탄화수소(hydrocarbon)들은 천연가스의 주성분이며 이보다 긴 사슬의 탄화수소들(C6H14, C7H16, C8H18 등)은 액상형태로 원유 구성성분에 해당된다. 이러한 다양한 성분들을 분석하기 위해서는 통상적으로 샘플을 채취하여 각 성분을 분석칼럼에서 분리시킨 후 다양한 검출기(FID, TCD, MS)를 통하여 정성/정량하는 크로마토그래피 방법(Gas 또는 Liquid Chromatography)이 가장 좋은 방법이다. 그러나 이러한 방법들은 분석이 어려우며, 샘플을 채취하여야 하기 때문에 측정한 시료는 버려져야 하며, 또한 각 성분을 칼럼에서 분리한 후 검출기로 분석해야 하기 때문에 실시간 분석이 불가능하며 분석시간이 과도하게 소요되는 치명적 단점을 가지고 있다. 즉 이러한 기존의 분석 방법으로는 심해 해양플랜트 설비나 플로룹에서 다양한 성분을 개별적으로 신속히 분석하는 것은 불가능하다.
이에, 본 발명은 기존의 플로룹이나 해양플랜트 유체이송설비에서 해결하지 못하였던, 임베디드(embedded) 방식의 다상 유동 유체 조성 측정 장치를 제안하고자 한다.
즉, 다상 유동 성분의 조성을 실시간으로 확인하고 또한 하이드레이트 형성 등에 의한 막힘 현상을 사전에 예측함으로써, 해양플랜트의 경제적이고 효율적인 구축 및 운용을 이루는 측정 장치를 제안하고자 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 다상 유동 유체가 유동하는 고압 파이프관; 상기 고압 파이프관 내측에 일부가 삽입되며 광학 렌즈를 구비하는 라만 프로브; 및 상기 라만 프로브의 다른 일부와 연결되는 라만 피크 분석부를 포함하는, 임베디드 측정 장치로서, 상기 라만 프로브를 이용하여 상기 고압 파이프관 내의 다상 유동 유체의 라만 피크 강도(intensity)값을 측정함으로써 그 조성을 확인할 수 있는 것을 특징으로 하는, 다상 유동 유체의 조성 측정 장치를 제공한다.
또한, 상기 라만 프로브는 상기 파이프관에서 하나 이상 설치되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 라만 프로브는 상기 파이프관의 상부에 설치되는 제 1 라만 프로브; 상기 파이프관의 하부에 설치되는 제 2 라만 프로브; 상기 파이프관의 곡면부에서 유체 흐름의 정면 방향으로 상부에 설치되는 제 3 라만 프로브; 및 상기 파이프관의 곡면부에 유체 흐름의 정면 방향으로 하부에 설치되는 제 4 라만 프로브를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 다상 유동 유체의 성분 및 조성 측정 장치는, 상기 파이프관 에서 상기 라만 프로브를 통한 실시간 라만 측정과 동시에 온도 및 압력을 측정함으로써 가스하이드레이트 형성 객체 종류 및 각 동공 형성속도, 및 하이드레이트 형성속도를 실시간으로 확인하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 라만 프로브는 상기 파이프관에 컴프레스 피팅되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 라만 프로브는, 색수차(chromatic aberration) 방지를 위해 서로 다른 둘 이상의 렌즈를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 라만 프로브는, 상기 파이프관에 컴프레스 피팅되는 컴프레스 피팅용 라만 바디; 및 상기 컴프레스 피팅용 라만 바디에 탈착 가능하게 연결되며, 상기 둘 이상의 렌즈를 감싸는 교체용 프로브팁을 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 라만 피크 분석부는, 상기 라만 프로브에 의하여 측정된 라만 피크의 강도값과 고유 파장 영역을 분석함으로써 상기 다상 유동 유체에 포함된 성분 및 조성을 확인하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 라만 피크 분석부는, 미리 지정된 성분에 대한 라만 피크 강도비 와 상기 미리 지정된 성분의 농도를 이용함으로써 검량선을 설정하고, 상기 라만 프로브를 이용하여 측정된 라만 피크 강도값을 입력받고, 그리고 상기 검량선을 사용하여 상기 다상 유동 유체에 포함된 성분을 정량 분석하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 라만 피크 분석부는, 상기 라만 프로브에 의하여 측정된 라만 피크의 강도값과 고유 파장 영역을 분석함으로써 상기 다상 유동 유체 내에서 하이드레이트 형성 여부 및 그 종류를 확인하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 측정 장치는, 상기 라만 피크 분석부가 하이드레이트 형성을 감지한 경우 작동하는 압력 및 온도 조절장치를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 압력 및 온도 조절장치는, 상기 고압 파이프관 내의 압력 및 온도를 상기 형성되는 하이드레이트의 상평형 조건과 상이해지도록 조절하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 측정 장치는, 상기 라만 피크 분석부가 하이드레이트 형성을 감지한 경우 작동하는 억제물 투입장치를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 고압 파이프관은 플로룹(flow loop)을 구성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 플로룹에 다상 유동 유체를 공급하는 유체 공급부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 플로룹은, 밸브를 이용하여 파이프관이 브랜치된 다수의 테스트부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하여, 플로룹은 물론 해양플랜트에서 다상 유동 유체의 조성을 효과적으로 실시간 확인이 가능하다.
또한, 라만 피크 면적값이 아닌 강도값을 사용함으로써 측정 결과의 정확성을 한층 증가시킬 수 있다.
특히, 라만 프로브를 이용함으로써 측정 위치에서 다상 유동 유체에 포함된 가스의 종류는 물론 각각의 용해도(또는 액상 성분 및 조성)까지 정밀하게 확인이 가능하며, 확인된 데이터는 정성/정량적으로 제시될 수 있다.
또한, 하이드레이트의 형성 여부를 확인할 수 있어서, 막힘 현상을 효과적으로 예측하고 방지할 수 있다.
더욱이, 컴프레스 피팅 등을 이용하여 고압의 파이프 내에서도 정밀한 라만 피크 확인이 가능하다.
도 1은, 본 발명에 따른 플로룹의 일 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 2는, 도 1의 A-A'에 따른 단면도로서, 본 발명에 따른 플로룹에 설치되는 라만 프로브를 보다 상세하게 도시한다.
도 3a는, 도 2의 B의 상세도로서, 본 발명에 따른 플로룹에 설치되는 라만 프로브를 보다 상세하게 도시한다.
도 3b는, 라만 프로브에서 색수차(chromatic aberration) 방지를 위한 둘 이상의 렌즈를 설명하기 위한 도면이다.
도 4a 및 4b는, 본 발명에 따른 측정 장치를 이용하여 유동 유체의 성분 조성을 측정한 실시예로써 메탄과 에탄의 단일 가스에 있어 압력에 따른 라만 분석값을 그래프로 도시한다.
도 5는, 도 4에서 사용된 메탄과 에탄을 90:10%와 50:50%의 비율로 복합 가스화 시켜 압력에 따른 라만 실측 분석값을 그래프로 도시한다.
도 6a 내지 6d는, 메탄과 에탄 각 가스의 압력에 따른 경향성을 몰수로 계산하여 그래프로 도시한다
도 7은, 도4 내지 도6의 실험 결과를 얻기 위해 사용한 장치를 도시한다.
도 8은, 플로룹 내에서 시간에 따른 하이드레이트 형성 속도와 실시간 라만 분석에 의한 미시적 수준에서의 분자거동을 동시에 비교한 값을 도시한다.
도 9는, 라만 분석에서 순수물과 억제물 투입에 따라 형성되는 라만 피크를 실시간으로 비교 도시한다.
측정 장치의 설명
이하에서, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 다상 유동 유체의 조성 측정 장치를 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 플로룹을 도시한다.
플로룹은 유체 공급부(100), 제 1 플로룹(200) 및 제 2 플로룹(300)으로 이루어진다.
유체 공급부(100)는 해저의 다상 유동 유체를 구현하기 위한 다수의 유체를 플로룹(200, 300)에 공급하는 기능을 한다.
유체 공급부(100)는, 가스 공급부(110), 오일 공급부(120), 혼합체 공급부(130) 및 물 공급부(140)를 포함하여, 해저의 다상 유동 유체에 포함되는 가스, 오일, 혼합체 및 물을 공급한다.
여기에서 생성된 유체들은 다상 유동 유체 생성부(150)를 통과하면서 실재와 유사한 다상 유동 유체를 생성하여, 플로룹(200, 300)에 공급된다.
도시되지 않은 다른 실시예에서는, 실재 해저에서 추출된 다상 유동 유체가 직접 플로룹(200, 300)에 공급될 수도 있다.
플로룹(200, 300)은 다수의 고압 파이프관(250, 350)으로 이루어져 내측의 다상 유동 유체가 순환되는 구조를 갖는다.
또한, 고압 파이프관(250, 350)은 다상 유동 유체의 해저 조건인 고압 및 저온 조건을 충분히 견딜 수 있어야 한다.
제 1 플로룹(200)과 제 2 플로룹(300)은 유사한 구조를 갖되, 그 크기를 상이하게 함으로써 다양한 목적으로 사용될 수 있다.
도시된 실시예에서 제 2 플로룹(300)의 가로 및 세로의 크기는 제 1 플로룹(200)의 크기의 절반이나, 이에 제한되지 않음은 물론이다.
플로룹(200, 300)에는 다수의 테스트부(210, 220, 310)가 위치한다.
각각의 테스트부(210, 220, 310)의 전후단에는 다수의 밸브가 위치하여, 도시된 바와 같이 플로룹(200, 300)의 메인 스트림에서 브랜치된다.
상기 밸브는 별도의 측정 목적에 따라 테스트부(210, 220, 310)에 유입되는 다상 유동 유체의 유입 여부를 메인 스트림에 영향을 주지 않으면서 제어할 수 있다.
또한, 별도의 세퍼레이터(230)가 위치하여, 다상 유동 유체의 분리를 플로룹 내에서 이루게 하여 테스트 목적을 위하여 사용할 수 있다.
도 2를 참조하여 고압 파이프관(250)을 상세히 설명한다.
고압 파이프관(250)에는 라만 프로브(440)가 설치된다.
보다 구체적으로 설명하면, 라만 프로브(440)의 일부가 고압 파이프관(250)의 내측으로 삽입되고, 다른 일부는 외부에서 돌출되며, 돌출된 다른 일부는 라만 바디(420)를 통하여 라만 피크 분석부(410)에 연결된다.
고압 파이프관(250)의 내측은 고압 저온의 분위기이므로 라만 프로브(440)의 삽입은 비교적 주의하여야 하는 공정이다.
이를 위해, 라만 프로브(440)는 고압 파이프관(250)에 컴프레스 피팅으로 설치되어야 하며, 이후 별도의 체결 부재(430, 444)가 이를 고압 파이프관(250)의 내외에서 체결하여야 한다.
또한, 라만 프로브(440)는 2개가 한 세트를 이루어 고압 파이프관(250)의 상부 및 하부에 설치되는 것이 바람직하다. (제 1, 2 라만 프로브)
이를 통하여, 상부에 설치되는 라만 프로브(440)는 고압 파이프관(250)의 주로 상부에 위치하는 가스-기저(gas-base) 다상 유동 유체의 라만 피크 강도값을 확인하고, 하부에 설치되는 라만 프로브(440)는 고압 파이프관(250)의 주로 하부에 위치하는 액체-기저(gas-base) 다상 유동 유체의 라만 피크 강도값을 확인할 수 있다.
추가하여, 전술한 2개의 한 세트와는 달리 또 다른 세트로서 라만 프로브(440)가 파이프관(250)의 곡면부에서 유체 흐름의 정면 방향으로 상부 및 하부에 각각 설치되는 것이 바람직하다. (제 3, 4 라만 프로브)
이를 이용하여 제 1, 2 라만 프로브가 유체 흐름에 저항하기에 발생할 수 있는 측정 오차를 방지하고 결과의 정확도를 상승시킬 수 있다.
도 3a 및 3b를 참조하여, 라만 프로브(440)를 보다 상세히 설명한다.
라만 프로브(440)는 둘 이상의 광학렌즈(441, 442)를 포함한다. 둘 이상의 광학렌즈(441, 442)는 레이저 빛이 시료로 조사된 후 다양하게 산란된 파장이 한 곳에 모아질 수 있도록 겹쳐질 수 있는데, 이를 이용하여 적색과 보라색 사이의 초점 거리가 줄어들며, 이에 따라 색수차를 감소시키고 측정 정확도를 상승시킬 수 있다. 이를 이용하여, 다상 유동 환경에서도 정밀한 데이터 라만 분석을 진행할 수 있다. 여기에서 “라만 분석”이란, 라만 피크 강도값을 통하여 다상 유동 유체의 성분 및 조성을 분석하는 것을 의미한다.
또한, 라만 프로브(440)는 고압 파이프관(250, 350)에 컴프레스 피팅되는 컴프레스 피팅용 라만 바디(444)와, 상기 둘 이상의 광학렌즈(441, 442)를 감싸면서 상기 컴프레스 피팅용 라만 바디(444)에 탈착 가능하게 연결되는 교체용 프로브팁(443)을 더 포함할 수 있다.
이는, 라만 프로브(440)의 바깥쪽 렌즈(442)만이 고압 상태인 고압 파이프관(250, 350) 환경에서 다상 유동 유체와 접촉이 잦아서 빈번한 오염 및 마모 현상이 자주 발생하며, 이 경우 용이한 교체를 이룩하기 위함이다.
한편, 라만 피크 분석부(410)는 라만 프로브(440)를 통하여 라만 피크에 관한 각종 정보를 수신하고, 수신된 정보를 통하여 해당 다상 유동 유체에 포함된 가스의 종류 및 용해도 등 그 성분과 조성을 확인할 수 있다.
또한, 고압 파이프관(250, 350)의 압력 및 온도는 별도의 센서(미도시)를 이용하여 실시간으로 측정할 수도 있으며, 압력 및 온도 조절장치(미도시)를 통하여 임의로 제어할 수도 있다.
한편, 고압 파이프관(250, 350)에는 억제물(inhibitor) 투입장치(미도시)가 더 구비될 수 있다. 이는, 고압 파이프관(250, 350)에서 하이드레이트의 형성이 확인된 경우 작동함으로써 하이드레이트 형성을 억제하여 플러깅 또는 막힘 현상을 방지할 수 있다.
측정 방법의 설명
도 1, 3 및 7을 참조하여, 본 발명에 따른 다상 유동 유체의 성분 및 조성 측정 방법을 설명한다.
유체 공급부(100)에서 다상 유동 유체가 생성되거나 또는 해저에서 추출되는 다상 유동 유체가 플로룹(200, 300)에 공급된다.
다상 유동 유체는 플로룹(200, 300)을 순환하게 되며, 이 과정에서 테스트부(210, 220, 310)에서는 별도의 측정 장치를 이용하여 개별적인 테스트를 진행할 수 있다.
한편, 플로룹(200, 300)의 고압 파이프관(250, 350)에 위치한 라만 프로브(440)가 작동하면, 광학 렌즈(441, 442)를 통해 라만 피크와 관련된 각종 정보가 확인되고, 이는 라만 피크 분석부(410)에 전달된다.
라만 피크 분석부(410)는 전달받은 라만 피크와 관련된 각종 정보를 이용하여 해당 위치에서의 다상 유동 유체의 성분 및 조성을 알 수 있다.
라만 피크 정보를 통하여 알 수 있는 다상 유동 유체의 정보들은, 다상 유동 유체에 포함된 가스의 종류, 해당 가스의 용해도 및 액체 성분 및 조성, 하이드레이트 형성 여부 및 그 종류 등 그 성분 및 조성을 포함하나, 본 발명은 이에 제한되지 않음은 물론이다.
라만 피크 분석부(410)가 확인한 결과, 해당 파이프 내에서 하이드레이트 형성이 진행되고 있다면, 이를 억제하는 것이 바람직하다.
이를 위해, 일 실시예에서는 형성되는 하이드레이트의 종류에 따른 상평형 조건을 확인한 후 압력 및 온도 조절장치(미도시)가 상평형 조건을 변경시킬 수 있다.
다른 실시예에서는 하이드레이트 형성을 억제할 수 있는 억제물 투입장치(미도시)가 억제물을 고압 파이프관(250, 350) 내에 투입시킬 수도 있다.
조성 측정 실시예 (성분 및 조성 정성/정량분석)
이하, 본 발명에 따른 측정 장치를 이용하여 다상 유동 유체의 성분 및 조성을 측정한 다수의 실시예를 설명한다.
본 실시예를 통하여, 다상 유동 유체에서 가스하이드레이트 형성 및 해리에 직접적으로 영향을 주는 성분 및 조성의 변화를 실시간 라만 피크 분석으로 측정 가능한지 여부를 확인하였다.
제 1 실시예 (도 4a)
고압 용기로 이루어진 다상 유동 유체 생성부(150)에 메탄 가스를 주입하여 고압 조건을 형성시킨 후 고압 파이프관(250, 350)을 유동하게 하였다. 고압 파이프관(250, 350)과 다상 유동 유체 생성부(150)는 도 7에 명시한 바와 같이 온도 및 압력데이터를 실시간으로 모니터링 할 수 있도록 프로그램화 되어있으며 냉각수에 의해 정온(10℃)을 유지시켰다.
고압 파이프관(250, 350)에 삽입된 라만 프로브(440)를 이용하여 라만 피크의 강도값을 측정하였다. 종래 기술에서 라만 피크의 면적(area) 또는 강도(Intensity) 측정값을 특별한 구분없이 임의로 실험자가 정하여 사용하였으나, 본 실시예에서는 정확도에 근거하여 라만 피크의 강도값을 측정하였는데, 이와 관련하여서는 아래에서 후술하도록 한다.
이러한 실험은 대상 가스인 메탄의 압력을 0.1 ~ 50bar로 변화시키면서 수회 실시하였다.
실험 결과가 도 4a에 도시되며, 이를 분석하면 다음과 같다.
메탄은 탄소와 수소 결합의 대칭 신축운동(symmetric stretching) 피크인 2917cm-1에서 압력에 따라 증가를 나타낸다. 따라서, 도 4a에 도시된 라만 피크 파장 측정영역만을 검토하여도 다상 유동 유체에 메탄 가스가 포함됨을 확인할 수 있었다.
또한, 도시된 바와 같이, 측정된 라만 피크의 강도값을 통하여 해당 기체의 몰수를 확인할 수 있었다. 이는, 압력 증가에 따라 거의 동일한 비율로 몰수가 증가하기 때문이다.
제 2 실시예 (도 4b)
제 1 실시예에서, 메탄 대신 에탄 가스를 사용하였다.
실험 결과가 도 4b에 도시되며, 이를 분석하면 다음과 같다.
일반적으로, 에탄은 탄소와 수소 결합의 굽힘 운동(bending) 피크인 2900cm-1 과 2956cm-1에서 압력에 따라 증가를 나타낸다. 따라서, 도 4b에 도시된 라만 피크 강도값에 대한 파장 측정 결과만을 검토하여도 다상 유동 유체에 에탄 가스가 포함됨을 확인할 수 있었다.
또한, 도시된 바와 같이, 측정된 라만 피크의 강도값을 통하여 해당 기체의 몰수를 확인할 수 있었다.
제 3 실시예 (도 5)
제 1, 2 실시예와 달리, 대상 가스로서 메탄과 에탄을 9:1(%) 및 5:5(%)로 사용하였다.
또한, 20과 40bar 두 가지 압력 조건에서 라만 피크 강도값을 측정하였다.
실험 결과가 도 5에 도시되며, 이를 분석하면 다음과 같다.
복합 가스의 경우도 단일가스와 동일한 위치인 메탄의 탄소와 수소 결합 대칭 신축운동(symmetric stretching) 피크(2917cm-1)와 에탄의 탄소와 수소 결합 굽힘 운동(bending) 피크(2900cm-1, 2956cm-1)에서 압력에 따라 증가를 나타낸다. 따라서, 도 5에 도시된 측정 결과만을 검토하여도 다상 유동 유체에 메탄과 에탄 이 모두 포함됨을 확인할 수 있었다.
한편, 동일한 압력조건에서 복합가스의 두 가지 비율의 라만 피크 강도값을 비교했을 때도 단일 가스에서와 마찬가지로 압력 증가에 따라 거의 동일한 비율로 증가하는 것으로 나타났다.
이는 단일 또는 복합가스의 정성 및 정량 분석이 기존의 크로마토그래피 방법을 이용하지 않고도 라만 분석만으로 가능하다는 것을 단적으로 보여주는 예이다.
제 4 실시예 - 라만 피크 면적값 측정과 강도값 측정의 비교 (도 6a ~ 6d)
압력에 따른 메탄 또는 에탄 단일가스의 피크 강도(intensity)값 및 면적(area)값을 토대로 몰수에 따라 검량선을 작성하였으며, 이는 도 6에 도시된다.
여기에서 분석된 각각의 메탄 또는 에탄 가스의 몰수를 측정된 라만 분석 결과를 토대로 계산하였다.
계산 결과 도 6a 내지 6d에서 보는 바와 같이 메탄 또는 에탄 단일 가스의 압력 증가에 따라 거의 유사한 비율로 라만 피크 강도값이 증가하여 거의 1에 가까운 직선성을 보였다.
메탄의 경우 탄소와 수소 결합의 대칭 신축운동(symmetric stretching) 피크인 2917cm-1에서 그러한 경향을 보였고, 에탄의 경우 탄소와 수소 결합 굽힘 운동(bending) 피크(2900cm-1, 2956cm-1)에서 동일한 경향을 보였다.
본 실험을 통하여 라만 피크 강도값은 피크 면적값과 비교해서 미량분석에서 보다 정확한 측정값을 보다. 이는, 도 6d를 통하여 확인할 수 있다.
*도 6d에 도시되는 바와 같이, 에탄의 경우 탄소와 수소 결합 굽힘 운동(bending)에 관련한 라만 피크 면적값은 0.1 mol/L이하의 성분 분석에서 정확도가 떨어지는 것이 관찰되었으며, 또한 0.05mol/L 이하에서는 피크 면적이 베이스라인(base line)과 구분이 되지 않았다.
반면에 라만 피크 강도값은 0.1mol/L이하에서도 거의 직선인 검량선을 얻을 수 있었으며 최저검출수준(minimum detection level)도 약 0.025mol/L이하까지 도달하는 결과를 보였다. (메탄에 관한 미량분석 결과값은 도시하지는 않았지만 에탄의 경우와 유사하게 미량분석에서 피크 면적보다는 피크 강도값이 보다 정확한 측정값과 더 좋은 최저검출수준을 보였다.)
따라서, 본 발명에 의하여, 라만 피크 면적값이 아닌 라만 피크 강도값을 이용한 측정 결과를 통하여 다상 유동 유체의 성분 및 조성을 매우 정확하게 측정할 수 있음을 확인하였다.
이는 난류 및 다상 유동 조건이나 대상 성분의 낮은 농도 조건에서 피크 크기가 상대적인 분석 정확도가 높아 보다 활용 가치가 높음을 확인한 것이다
가스하이드레이트 측정 실시예
도 7은 실제 플로룹의 고압 파이프관(250, 350)에서 하이드레이트 형성 시스템을 구성을 개략적으로 보여준다.
본 시스템은 원하는 온도와 압력을 유지 및 컨트롤할 수 있도록 시스템화되어 있으며, 유동상황에서 온도 및 압력데이터를 실시간으로 모니터링 할 수 있도록 프로그램화한 것이다.
또한, 장치 외부는 자켓 형태로 되어 있으며 냉각수를 이용해 원하는 온도를 유지할 수 있도록 하였다.
실제 측정에 이용된 게스트 가스는 메탄가스이며 정온/정압상태 및 유동이 존재하는 과정에서 라만 프로브를 고압의 장치 벽면부분 즉, 기상 및 액상의 자켓을 관통 설치하여 내부 기액 상의 조성변화 및 하이드레이트 형성과정을 실시간으로 라만 측정을 통해 분자거동을 예측할 수 있도록 하였다.
도 8은 메탄하이드레이트 형성속도 곡선과 실시간 라만 피크 정보를 동시에 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 8에서 보는 바와 같이 약 180분까지는 가스 소모량의 변화가 없었을 뿐 아니라 라만 시그널에도 메탄하이드레이트 피크에 대한 정보는 전혀 나타나지 않았다.
하지만, 약 180분 이후부터 메탄가스소모량이 조금씩 증가함과 동시에 메탄하이드레이트 큰동공(2905cm-1)과 작은동공(2915cm-1)에 대한 라만 강도가 측정이 되는 것을 확인할 수 있었다.
동시에 메탄가스소모곡선(Gas uptake measurement line)과 메탄 하이드레이트 라만 피크(큰동공과 작은동공의 라만 피크 합) 강도값의 변화를 비교해봤을 때 매우 비슷한 형태를 띠는 것을 알 수 있다.
이는 고압 플로룹 형성 시스템에서 실시간 라만 강도값을 통한 실시간 라만 피크 정보만을 가지고도 충분히 다상 유동 유체 내에서 하이드레이트 형성 여부 및 시간에 따른 하이드레이트 형성속도 그리고 분자거동을 예측할 수 있음을 의미한다.
도 9는 메탄 하이드레이트 형성에 따른 실시간 라만 피크 정보를 나타낸 것으로 순수한 물과 하이드레이트 형성을 억제할 수 있는 억제물을 장치 내에 주입하여 일정한 온도·압력 조건하에서 실시간으로 하이드레이트 형성 과정을 라만 측정을 통해 4분 단위로 라만 피크 정보를 획득한 것을 나타낸다.
두 가지 형태의 실험결과 라만 측정 데이터를 살펴보면 메탄 하이드레이트 핵형성 시점을 피크형태와 파장수에 따라 분명히 인지할 수 있다.
메탄 하이드레이트의 경우 큰동공과 작은동공의 파장수는 2905cm-1, 2915cm-1로 나타나며, 각각 피크강도와 피크면적을 측정하여 값을 획득할 수 있다.
순수한 물의 경우 메탄 하이드레이트 형성에 따른 일반적인 메탄 하이드레이트의 라만 피크 형태(큰동공 및 작은동공의 충진비율)를 보인 반면, 억제물이 주입된 경우 라만 피크 정보를 살펴보면 초기 하이드레이트 핵형성 단계에서 상당히 지연되고 있다는 것을 라만 피크 강도값을 통해 알 수 있다.
또한, 하이드레이트 형성에 따라 메탄하이드레이트의 큰 동공과 작은 동공의 피크 강도와 피크 면적값에 의한 충진비율을 순수한 물과 비교해볼 때 메탄하이드레이트 핵형성 단계에서 피크강도가 현저하게 차이가 나타나며, 이는 감시창에 의한 육안으로도 확연히 구분되게 나타나는 것을 관찰할 수 있었다.
이와 동일하게 다상 유동 유체의 조성을 실시간 라만 피크 정보에 의하여 다상 유동 유체 내에서 하이드레이트 형성 여부 및 그 종류의 파악뿐만 아니라 라만 피크값을 통해 분자수준의 정보를 동시에 획득할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범주에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

Claims (14)

  1. 다상 유동 유체가 유동하는 파이프관;
    상기 파이프관 내측에 일부가 삽입되며 광학 렌즈를 구비하는 라만 프로브; 및
    상기 라만 프로브의 다른 일부와 연결되는 라만 피크 분석부를 포함하는, 임베디드(embedded) 측정 장치로서,
    상기 라만 프로브는,
    상기 파이프관에 컴프레스 피팅되는 컴프레스 피팅용 라만 바디; 및
    상기 컴프레스 피팅용 라만 바디에 탈착 가능하게 연결되는 교체용 프로브팁;을 포함하고,
    상기 라만 프로브를 이용하여 상기 파이프관 내의 다상 유동 유체의 라만 피크 강도(intensity)값을 측정함으로써 그 성분 및 조성을 확인할 수 있는 것을 특징으로 하는,
    다상 유동 유체의 성분 및 조성 측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 라만 프로브는, 색수차(chromatic aberration) 방지를 위한 광학렌즈를 더 포함하며,
    상기 교체용 프로브팁은 상기 광학렌즈를 감싸는 것을 특징으로 하는,
    다상 유동 유체의 성분 및 조성 측정 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 라만 프로브는 상기 파이프관에서 하나 이상 설치되는 것을 특징으로 하는,
    다상 유동 유체의 성분 및 조성 측정 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 라만 프로브는,
    상기 파이프관의 상부에 설치되는 제 1 라만 프로브;
    상기 파이프관의 하부에 설치되는 제 2 라만 프로브;
    상기 파이프관의 곡면부에서 유체 흐름의 정면 방향으로 상부에 설치되는 제 3 라만 프로브; 및
    상기 파이프관의 곡면부에 유체 흐름의 정면 방향으로 하부에 설치되는 제 4 라만 프로브를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    다상 유동 유체의 성분 및 조성 측정 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 다상 유동 유체의 성분 및 조성 측정 장치는, 상기 파이프관 에서 상기 라만 프로브를 통한 실시간 라만 측정과 동시에 온도 및 압력을 측정함으로써 가스하이드레이트 형성 객체 종류 및 각 동공 형성속도, 및 하이드레이트 형성속도를 실시간으로 확인하는 것을 특징으로 하는,
    다상 유동 유체의 성분 및 조성 측정 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 라만 피크 분석부는, 상기 라만 프로브에 의하여 측정된 라만 피크 강도값과 고유 파장 영역을 분석함으로써 상기 다상 유동 유체에 포함된 성분 및 조성을 확인하는 것을 특징으로 하는,
    다상 유동 유체의 성분 및 조성 측정 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 라만 피크 분석부는,
    미리 지정된 성분에 대한 라만 피크 강도값의 비율과 상기 미리 지정된 성분의 농도를 이용함으로써 검량선을 설정하고, 상기 라만 프로브를 이용하여 측정된 라만 피크 강도값을 입력받고, 그리고 상기 검량선을 사용하여 상기 다상 유동 유체에 포함된 성분을 정량 분석하는 것을 특징으로 하는,
    다상 유동 유체의 성분 및 조성 측정 장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 라만 피크 분석부는, 상기 라만 프로브에 의하여 측정된 라만 피크의 강도값과 고유 파장 영역을 분석함으로써 상기 다상 유동 유체 내에서의 하이드레이트 형성 여부 및 그 종류를 확인하는 것을 특징으로 하는,
    다상 유동 유체의 성분 및 조성 측정 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 측정 장치는, 상기 라만 피크 분석부가 하이드레이트 형성을 감지한 경우 작동하는 압력 및 온도 조절장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    다상 유동 유체의 성분 및 조성 측정 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 압력 및 온도 조절장치는, 상기 파이프관 내의 압력 및 온도를 상기 형성되는 하이드레이트의 상평형 조건과 상이해지도록 조절하는 것을 특징으로 하는,
    다상 유동 유체의 성분 및 조성 측정 장치.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 측정 장치는, 상기 라만 피크 분석부가 하이드레이트 형성을 감지한 경우 작동하는 억제물 투입장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    다상 유동 유체의 성분 및 조성 측정 장치.
  12. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파이프관은 플로룹(flow loop) 또는 석유나 천연가스 등의 다상 유동유체를 수송하는 파이프라인(pipelines)를 구성하는 것을 특징으로 하는,
    다상 유동 유체의 성분 및 조성 측정 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 플로룹 또는 파이프라인에 상기 다상 유동 유체를 공급하는 유체 공급부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    다상 유동 유체의 성분 및 조성 측정 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 플로룹 또는 파이프라인은, 밸브를 이용하여 파이프관이 브랜치된 다수의 테스트부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    다상 유동 유체의 성분 및 조성 측정 장치.
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