산업 안전·보건·환경에 OGI기술 적용 및 시스템 구현을 위한 실증 연구 : 광학가스이미지 기술을 이용한 누출가스의 정량표시화 및 주변 온도의 영향 :Experimental research on application of OGI technique & system set up for Safety·Health·Environment of Chemical Industry : Quantification of leakage gas and influence of ambient temperature using Optical Gas Image technique

박수리

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자료유형: 학위논문

저자정보: 박수리 (숭실대학교, 숭실대학교 대학원)

지도교수: 김병직

발행연도: 2018

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이 논문의 연구 히스토리 (3)

2018

산업 안전·보건·환경에 OGI기술 적용 및 시스템 구현을 위한 실증 연구 : 광학가스이미지 기술을 이용한 누출가스의 정량표시화 및 주변 온도의 영향

박수리 화학과 2018.01 학위논문

2017

광학가스이미지에서 유출량의 정량표시 실험적 연구

박수리 , 한상욱 , 김병직 한국가스학회지 2017.10 학술저널

2016

광학가스이미지 기술을 이용한 누출가스의 수치화 연구

박수리 , 한상욱 , 김병직 한국가스학회 학술대회논문집 2016.11 학술대회자료

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에너지원의 생산 및 이용에 있어 산업 안전·보건·환경 적용 연구로 화학플랜트 산업단지 내의 플랜지, 밸브 등의 이음새 및 저장탱크의 균열 등에서 발생되는 원료, 중간재, 제품가스의 누출 유무와 누출량을 확인하는 것은 안전 관점이나 경제적 관점에서 매우 중요하다. 광학가스 이미지(Optical gas image, OGI) 기술은 누출 유무를 확인하는데 사용되고 있다. 일부기기는 검출 가능한 가스에 대한 색상 구분과 누출 농도에 따른 색상의 진함으로 나타내고 있다. 하지만 모두 누출량을 표시하지 않는다. 따라서 OGI 영상에서 유출량의 정량화에 대한 연구가 필요하다.
본 실험 연구는 광학가스이미지로부터 유출량의 정량표시에 관한 것이다. 2 차원의 OGI 영상으로 3 차원에 분포되어 있는 누출가스 양을 추정하기 위하여 몬테카를로 확률기법을 적용하였다. 산출면적 기준은 가로(2.54 ㎝), 세로(2.54 ㎝)이며, 2 차원 OGI 영상의 점의 수에 대해 3 차원 가스 분출량과의 상관관계계수를 구하니 그 평균값이 0.980이었다. OGI측정 거리에 따른 점의 수 데이터 표를 역으로 이용하여 유출량을 추정한 결과 유량계 측정값과 일치도가 높음을 확인했다 (제 3 장).
산업 현장에서 사용되는 가스 안전관리 검지로 직접 접촉식 측정기와 비접촉식의 레이저 메탄검지기 및 적외선 가스화상 카메라를 사용하고 있다. 직접 접촉식 측정방식으로 전체 플랜트 단지의 검지를 할 경우 많은 인력과 소요시간이 필요하다. 이러한 점에서 비접촉식 측정방식이 더 효율적이다. 산업에서 활용되는 가스 중 methane gas를 이용하여 측정 거리에 따라 가스 분출량을 변화시켜 OGI를 검지측정 하였다.
본 실험 연구는 가스의 배경온도 차이가 OGI의 선명도에 미치는 영향을 확인하기 위함이다. OGI를 통해 gas plume이 더욱 선명하고 정확한 확인을 위하여 배경온도 조절판을 설계·제작 하였다. 배경온도 조절판을 통해 배경온도와 대기온도 차이가 없는 ΔT=0 ℃일 때 보다, 배경온도가 대기온도 보다 더 낮은 ΔT= 6 ℃ 조건으로 OGI 검지측정을 한 결과가 육안으로 확인하였을 때 더 선명함을 나타내었다. 선명도에 대한 정량적 확인으로 MATLAB을 이용하였다. 선명도 수치화는 1 m, 1 L/min의 경우, ΔT= 6 ℃ 낮을 때 흰색의 배경이 26.5% 감소, 2 m, 1 L/min의 경우, ΔT= 6 ℃ 낮을 때 흰색의 배경이 19.8% 감소하였다. 주변 대기 온도보다 뒤의 배경온도가 낮을 경우 누출가스의 더 선명한 값을 나타냈다. 이것은 총 복사법칙의 설명으로, 가스의 배경온도가 대기온도에 비해 낮을 경우, OGI lens로 들어오는 가스의 복사에너지가 증가되어 더욱 선명한 확인이 가능하였다 (제 4 장).
본 연구사항의 결론으로 분출량과 OGI 영상에서 도출한 분출가스 면적 점의 수에 대한 상관관계계수는 기준 면적 2.54 ㎝의 경우 평균 0.980, 5.08 ㎝의 경우 0.961이다. 선명도 수치화는 측정거리 1 m와 2m (각각 1 L/min)의 경우, ΔT= 6 ℃ 낮을 때 각각 흰색의 배경이 26.5% 감소, 19.8% 감소하며, 온도가 낮을 때 더 선명함을 나타내었다.

In chemical industry plants, the raw material, intermediate and final products can leak from unstable joints of flanges and valves as well as cracks of storage tanks. From the safety and economic standpoints, it is very important to understand whether leaks or not and leakage rate. The OGI(optical gas image) technique can tell gas leakages, but cannot give the leakage rate. Some special OGI devices can show the kind of gas in different color concentration in different darkness. Therefore the research on quantification of OGI is necessary.
In this research, we have developed the practical method to quantify OGI of methane leakage. To estimate 3-dimensional gas leakages distribution from 2-dimensional OGI, the Monte Carlo Probability technique was applied. First, the number of points in the area of width(2.54 ㎝) and length(2.54 ㎝) in OGI was counted. Total number of each experiment was compared with the measured flow rate. The correlation average between total points and measured flow rate was found to be 0.980. Reversely we estimated the leakage rate of OGI by use of the correlation table. The results showed good agreement between the estimation value and the measured value (Chapter 3).
Currently gas safety management in the industrial field has been done by LDAR as contact method or methane leak detector as non-contact method. But LDAR method requires a lot of man-power. Therefore the research on the OGI has big attention by industry.
This research was undertaken to see the effect of background temperature difference of gas plume on the clarity of OGI. The background temperature control panel was constructed to cool down the background temperature. OGI was taken at the various methane gas ejection rate and the designed temperature difference. The experimental results showed that the OGI(when the temperature difference is lower ΔT= 6 ℃) is clearer than the OGI(when the temperature difference is zero). To quantify the clarity difference, MATLAB’s RGB analysis method was employed. The RGB value of the OGI at lower ΔT= 6 ℃ was 26.5~19.8% lower than the OGI at ΔT=0 ℃. The clarity difference by T difference can be explained by the total radiation law. When the background temperature of the gas is lower than the air temperature, the radiation energy coming into the OGI lens is increasing. As the energy is increasing, the OGI becomes clear (Chapter 4).
In this research, we have developed the novel method to quantify the methane leakage using OGI. We have we used the number of points on the OGI image area with width (2.54 ㎝) and length (2.54 ㎝). The calculated average correlation coefficient is 0.980 (5.08 ㎝, 0.961). The RGB value of the OGI at lower ΔT= 6 ℃ was 26.5~19.8% lower than the OGI at ΔT=0 ℃. The experimental results showed that the OGI(when the temperature difference is lower ΔT= 6 ℃) is clearer than the OGI.

국문초록 ⅶ
영문초록 ⅸ
제 1 장 서 론 1
1.1 연구 배경 1
1.2 OGI 연구의 중요성 3
제 2 장 문헌 고찰 4
2.1 천연가스 생산 공정 4
2.1.1 Methane 5
2.1.2 Block diagram for treatment 6
2.1.3 Cryogenics simulation using PRO/II 9
2.2 적외선 분광학 13
2.2.1 방사율(Emissivity) 17
2.2.2 IR CAMERA(OGI: Optical Gas Image) 18
2.3 화학물질 배출량조사 24
제 3 장 OGI영상에서 유출량의 정량표시 27
3.1 서 론 27
3.2 실험 장치 및 실험 방법 28
3.2.1 실험 장치 28
3.2.2 실험 방법 29
3.2.3 유출 정량표시 적용 산출 방식 30
3.3 결과 및 고찰 36
3.3.1 측정 거리 및 분출량에 따른 plume의 상관관계 (1차) 36
3.3.2 기준영역의 이미지 처리를 통한 정량표시화 (2차) 41
3.3.3 정량표시화를 통한 누출가스의 예상 유출량 환산 60
3.3.4 정량표시화를 통한 결과의 적용 및 기여 66
3.4 결 론 66
제 4 장 OGI 선명도를 위한 leakage gas plume 배경의 온도 차이 68
4.1 서 론 68
4.1.1 방사율과 온도와의 관계 68
4.2 실험 장치 및 방법 72
4.2.1 실험 장치 72
4.2.2 실험 방법 76
4.2.3 Gas plume의 정량표시 적용 방식 77
4.3 결과 및 고찰 77
4.3.1 측정 거리 및 분출량에 따른 plume의 선명도 확인 77
4.3.2 MATLAB을 이용한 선명도의 수치화 79
4.3.3 배경의 온도 차이에 대한 결과의 적용 및 기여 81
4.4 결 론 81
제 5 장 결 론 83
5.1 OGI기술 적용 83
참고문헌 85
부 록 92

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