광섬유 온도센서는 유연한 광섬유센서 케이블 전체 온도 분포를 고속으로 측정할 수 있으므로, 넓은 지역의 온도 측정을 빠짐없이 정확하게 측정하는 온도 감시 시스템을 간단하고 경제적으로 구축할 수 있다. 

따라서 이제까지 포인트 온도센서로 측정이 어려웠던 많은 플랜트에 활발하게 적용되고 있다. 다음은 적용 분야이다.

· 현장 안전 

· 설비진단(설비 보호)

· 에너지 절약

· 생산성 개선 등

플랜트 계장뿐만 아니라 다양한 온도 감시 분야에 활용이 급속히 확대되고 있다. 이 글에서는 광섬유 온도센서의 특징과 제품의 개요를 설명하고, 플랜트 온도 감시로 적용 시 장점, 구체적인 실적 예 등을 소개한다.

제품 개요

1. 원리

광섬유 온도센서는 센서로 사용하는 광섬유 내부에서 발생하는 라만산란광의 빛의 세기와 온도의 상관관계가 있다는 이론을 이용하고 있다. 그 원리에 더 관심 있다면 참고 문헌을 참조하기 바란다. 

2. 특징

사용자 입장에서 고려한다면, 광섬유 온도센서는 열전대나 측온저항체와 같은 기존 온도센서와 비교하면 많은 장점이 있다.

(1) 넓은 지역에 대해서 빠짐없이 정확하고 확실한 온도 감시 : 포인트 측정으로는 불가능했던 광범위하고 장거리의 연속적인 온도분포 측정을 고속으로 할 수 있다. 

예를 들면 6km 광섬유의 경우, 1m 간격으로 6,000점의 온도를 약 10초 이내에 측정할 수 있다. 그러므로 절대 놓쳐서는 안 되는 중요한 온도 측정을 빠짐없이 정확하게 온도 감시가 가능하다.

(2) 유연하고 간단한 설치 : 기존 포인트 온도센서의 경우 여러 지점의 온도를 측정하는 시스템을 구성하기 어려웠으나 온도 측정 대상물체의 경로, 형상에 맞추어 유연하게 포설된 광섬유 1개만으로 온도 측정이 가능하므로 시스템 구성을 간단하게 구축할 수 있다.

(3) 저비용 : 여러 지점의 온도를 감시하는 경우, 기존 포인트 온도센서로 측정하는 방법보다 낮은 비용으로 적용이 가능하다.

(4) 내 환경성 : 광섬유는 전자유도를 받지 않고, 발화 등의 염려가 없기 때문에 방폭지역에도 사용할 수 있다.

요꼬가와에서 신제품으로 출시한 ‘광섬유 온도센서 DTSX200’은 플랜트 분야의 활용에 적합하도록 위에서 언급한 일반적인 특징 외에도 아래와 같은 특징이 있다.

·‌ 열악한 환경에서도 장기간 안정적으로 사용이 가능한 고신뢰성

· 생산 제어 시스템과 높은 호환성  

· 다양한 통신 프로토콜 대응 

· 높은 보안 기능

플랜트 적용 가능성과 가치 

기존의 플랜트에서 온도 측정은 계장을 목적으로 하여, 열전대나 온도저항체 등의 기존 온도센서(포인트 온도센서)를 필요에 따라 여러 개 설치하는 경우가 많다. 

또한, 계장 이외에 여러 용도로 온도를 감시하는 경우가 많아지고 있다. 이러한 계장 이외에 넓은 온도 감시가 필요한 경우를 예로 들면, 누설감지 및 화재감시 등의 안전 관련 용도로는 이상 온도가 어디에서 발생하는지 예측이 불가능하므로 넓은 지역에 다수의 포인트 온도센서를 설치할 수밖에 없고 보수, 점검 등에 문제가 많아서 감시 시스템을 간단하고 경제적으로 구축하는 것이 현실적으로 불가능하다.

광섬유 온도센서는 1개의 광섬유 센서를 이용하여 넓은 지역과 장거리 구간에 빠르고 정확한 온도감시 시스템을 간단하고 경제적으로 구축할 수 있으므로 누설감시, 화재감시 등의 현장 안전과 같은 적용에 최적이다.

또한, 생산제어 시스템과 연동이 매우 쉬워 DCS 등과 같은 상위 시스템과의 연동이 가능해 집중감시 시스템의 구축도 용이하다.

이처럼 광섬유 온도센서는 플랜트에 적용 가능성이 크고 사용자 입장에서 많은 이점을 주어 플랜트 온도감시로 활용이 급속히 증가하고 있다. 

플랜트 적용의 실제 예 

1. 현장 안전의 적용 예 

(1) 암모니아 파이프라인의 누설 감시 시스템

암모니아 제조 공장에서 액체 암모니아를 운송하기 위하여 지하에 매설되는 파이프라인의 신설 허가를 받기 위해서는 누설 감시 시스템이 필요하여 광섬유 온도센서를 이용한 누설감시 시스템이 도입되고 있다.

암모니아는 인체에 극히 해로운 위험물질이라서 만일 암모니아 가스가 누설되는 경우에 파이프라인 주위에 있는 주택가의 피해를 막아야 하는 의무가 있다. 

특히 유럽은 환경적인 면에서 아주 엄격하기 때문에 파이프라인 신설 허가를 받는 것은 간단하지 않다. 그래서 약 5km의 지하설비 파이프라인 전체 길이에 광섬유센서 케이블을 설치하고 5km 구간에서 온도 측정이 되지 않는 곳이 없으며 확실한 측정이 가능한 암모니아 누설 감시 시스템으로 광섬유 온도센서가 채용되고 있다.

그림 1에 나타낸 것과 같이 누설된 액체 암모니아가 기화하는 순간 ‘Joule-Thomson 효과’에 의해서 영하 30℃로 급격하게 온도 저하가 발생한다. 이것을 광섬유 온도센서로 검출하여 누설을 순간적으로 검출할 수 있어 제어시스템으로 알람 정보를 올려 주게 된다. 

▲ 그림 1. 암모니아 파이프라인 누설 감지의 예

기존 차압계기를 이용하여 압력 차이로 누설을 검지하는 시스템으로는 미량이 누설되는 경우 검출이 곤란하지만, 광섬유 온도센서를 이용하면 미량의 누설이 있어도 순간적으로 검출이 가능하고 누설이 발생한 곳을 정확하게 측정할 수 있다.

광섬유 온도센서는 암모니아 파이프라인 누설을 조기 발견하여 사고 확대방지를 위한 적절한 초기 대응을 할 수 있어 필수적인 온도감시 시스템이 되었다.

(2) LNG 탱크 / 파이프라인의 누설감지 시스템 

LNG(액화천연가스) 플랜트에는 LNG 누설이 생기는 경우, LNG가 초저온으로 되기 때문에 동상으로 사람에게 위험이 되고, 더구나 주변의 열을 흡수하며 급속히 기화하기 때문에 화재 발생 등으로 사고가 확대되는 위험성도 있다.

LNG 탱크는 LNG를 축적 보관하는 내부 용기와 보호를 위한 외부 용기로 구성되어 있고, LNG가 누설되는 경우 내부 용기와 외부 용기 사이 공간의 아랫부분에 극저온 LNG가 흘러 모이기 때문에 내부 탱크 아래 원주 부위에 광섬유센서를 포설하면, LNG 누설이 발생한 경우 급속한 온도저하와 발생 위치를 즉시 검출할 수 있다.  은 LNG 탱크에 누설감지 사례를 표시한다.   

반대로 열전대 등과 같은 포인트 온도센서로 동일한 LNG 탱크의 누설검지를 구현하는 경우, 엄청난 수량의 열전대와 보상도선이 필요하므로 비용이 많이 들고 복잡한 시스템이 된다. 그러나 광섬유 온도센서를 채용하면 간단하고 경제적으로 실현할 수 있다.

LNG 파이프라인에는 단열 효율이 높은 VIP (Vacuum Insulated Pipeline : 진공 단열형 파이프라인)이라는 기술이 최근 주목받고 있다. VIP형 파이프라인은 2중 구조로 되어 있어 내부 파이프라인으로 초저온의 LNG가 전송되고, 내부 파이프라인과 외부 파이프라인 사이는 단열을 위하여 진공상태로 되어 있다. 

외부 파이프라인 외부 표면에 광섬유센서 케이블을 포설하고 온도감시를 하면 정상 시에는 외부 기온과 동일한 온도 분포를 가진다.  LNG 누설이 발생한 부분만 극저온으로 되기 때문에 온도 저하로 LNG 파이프라인 누설의 유무와 장소를 용이하게 감시할 수 있다.  

광섬유 온도센서는 광범위, 장거리, 고속으로 전 구간 측정이 가능한 정확한 온도감시 시스템을 간단하고 경제적으로 구축할 수 있으므로 LNG 탱크와 파이프라인의 누설감지에 최적이다.

(3) ‌석탄, Wood Chip(목재칩) 운송 컨베이어벨트의 화재감지 시스템

제철소의 석탄운송용 컨베이어벨트와 제지공장의 목재칩 운송 컨베이어벨트 등에는 회전축과 베어링 내축과의 마찰열로 석탄가루에 발화가 일어나거나, 비정상적으로 높은 온도의 석탄이 운송 중에 벨트 컨베이어 아랫부분에 쌓여 있는 퇴적물 위에 떨어져서 발화되는 위험에 노출되어 플랜트에서 화재가 발생된 사례도 있다.

이처럼 운송 컨베이어벨트 위에서 발화된 경우에는 초기 관리가 적절하지 않은 경우, 플랜트에 대규모 화재가 되기도 하고, 장기간 조업 정지가 불가피하기 때문에 이상 조기 발견과 대책이 중요하다.

그림 2와 같이 광섬유 온도센서 케이블을 운송 컨베이어벨트 근처에 포설하고, 전체 범위에 걸쳐서 빠짐없이 확실한 온도감시를 할 수 있어서 이상 발열과 자연 발화를 조기에 발견하고 필요한 초기 대응을 할 수 있기 때문에 광섬유 온도센서가 많이 사용되고 있다.

▲ 그림 2. 석탄운송 컨베이어벨트의 광섬유 센서케이블 포설 예

(4)케이블 트레이 등의 이상 온도 감시 시스템 

발전소의 제어용 신호케이블이 화재로 소실되게 되면 발전 제어가 불가능해지므로 이상 온도 상승을 조기에 발견하고 대책을 강구하는 것이 필요하다. 

특히 원자력발전소의 경우 화재검지 방법의 다중화가 필요불가결하기 때문에 기존 화재경보기와는 다른 검출 수단이 필요하게 된다.

신호케이블의 경로를 따라 유연한 광섬유 센서케이블을 포설하면, 센서케이블 전체 길이에 대해서 전 구간 측정 가능한 정확한 온도감시를 할 수가 있고, 이중화된 확실한 이상 온도 감시 시스템을 실현할 수 있다. 

또한, 국내에서도 대형 공장에서는 공장 내의 지하 전력케이블의 사고를 사전에 예방하고자 하는 용도로 전력케이블 트레이를 따라서 광섬유센서 케이블을 설치하여 상시 전력케이블의 표면 온도를 측정함으로써 화재 발생 이전에 과열 부위를 확인하는 방법으로 전력 사고에 대비하고 있다.

국내 지하 송전케이블(345kV 이상)에는 이미 오래전부터 광섬유 온도센서로 전력케이블의 온도를 측정하여 화재나 사고에 대비하는 시스템이 설치 운영되고 있고 최근에는 전력케이블 외피 안에 센서용 광섬유를 내장한 광전력 복합 케이블이 전력케이블의 표준규격으로 사용되고 있다. 

광섬유 온도센서를 이용한 이상 온도 감시, 화재 감지는 그밖에도 케이블 관로, 공동구 등의 지하관로, 터널 등 많은 용도에 적용할 수 있다. 또한, 일반 화재감지기에 비해 도입 후의 유지보수 비용을 절감할 수 있는 이점도 있다.

2. 설비진단(설비보호)의 사례 

(1) 로의 표면온도(내화벽돌 마모) 감시 시스템

고온의 로 외벽의 내화벽돌 마모와 박리에 의한 철피가 파손되는 사고가 발생하면 어쩔 수 없이 장기간 조업 정지를 하게 된다. 

이러한 사고를 피하기 위해서는 내화벽돌이 열화되는 기간보다 상당 이전에 정기적으로 내화벽돌을 교체하는 경우가 많다. 하지만 충분히 더 사용할 수 있는 내화벽돌을 미리 교체하면 교체 공사비용을 포함하여 유지보수 비용이 증가하는 요인이 된다. 

표시된 것과 같이 광섬유 센서케이블을 로 표면에 나선형으로 포설하여, 로 표면의 온도분포와 과열 부분 유무를 감시해서, 내화벽돌의 교체주기를 길게 하고, 유지보수 비용 절감을 도모할 수 있다.  

측정 가능한 온도는 사용하는 광섬유센서의 온도 범위에 따라 다르지만, 일반적으로 고온용 센서를 사용한다면 로의 표면온도를 300℃ 정도까지 온도 측정이 가능하다. 

3. 에너지 절감 사례

(1)서버룸 온도감시 시스템 

최근 데이터 센터의 수요 확대에 따라서 서버가 증설되고, 서버에 대응하는 부하가 상승함에 따라 전원설비와 공조설비도 대형화되어 소비전력이 증대되고 있다. 서버룸과 랙에 광섬유 센서케이블을 포설하고 그 온도분포를 정확히 파악할 수가 있어서 서버룸 내의 과냉각 방지 및 냉각 효율을 향상하여 공조용 전력의 절감을 도모할 수가 있다.

요꼬가와의 광섬유 온도센서는 약 1m 단위로 6km까지의 온도분포 측정이 가능하여 최대 6,000개소의 온도데이터를 수집할 수 있다.

4. 생산성 개선 사례

(1) PS 콘크리트의 품질 감시

교량에 사용되는 PS 콘크리트 (Prestressed concrete)는 콘크리트 내의 강재에 미리 스트레스를 가해 줌으로써 콘크리트의 강도를 증가시키는 공법이다. PS 콘크리트 제조 시 덕트 내에 배치된 시스관 내부에 있는 PC 강선에 스트레스를 인가한 형태에서 시멘트 페스트(Cement Paste)를 빈틈없이 충전할 필요가 있다. 

그런데 충전 상태를 정확하게 감시하는 방법이 없다면 빈틈이 생겨서 조기 부식의 원인이 된다. 시스관 내부에 미리 광섬유 센서케이블을 통과시켜 놓고 시멘트 페스트가 충전되고 있는 상황을 온도분포 변화로 확인하면서 제조하여 품질을 확보할 수 있다.    

(2) 하수관 재생의 생산성 개선

노후화된 하수관에 재생재료(수지)를 삽입한 후에 재생재에 수압을 인가해서 직경을 확대하고, 스팀 등을 순환시켜서 수지를 경화시켜 노후화된 하수관 내부 표면에 새로운 관을 형성하여 복개공사를 하지 않고 하수관을 재생시키는 공법이 있다. 

기존에는 측온저항체 등의 포인트 센서를 소수로 사용하여 온도감시를 했으나, 이 방법으로는 전 구간의 온도분포를 파악할 수 없으므로 제생재료 경화에 시간상으로 충분한 여유를 확보해야만 했다.   

사전에 재생재료에 광섬유센서 케이블을 배치해 놓고, 광섬유 온도센서로 수지의 직경 확대와 경화 공정의 온도변화 상태를 자세히 관측할 수가 있어서 경화 공정 및 공사 기간을 단축할 수 있다. 요꼬가와 고객의 사례에 따르면 생산성을 약 30% 이상 향상할 수 있다는 것이 확인되었다.

히로유키 사토우  요꼬가와 IA-PF사업본부 신분야개발센터

박해식  한국요꼬가와 IA 영업본부 과장

이근량  파이버컴 부장