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누출 저감 밸브(Low-E Valve)로 비산 배출 비용 최소화하기

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저 누출 밸브(Low-E Valve)로 비산 배출 비용 최소화하기

스웨즈락의 마켓 매니저, Sean Hunsicker

비산 배출은 화학 공정과 정유 시설에서 새롭게 떠오르는 문제지만 아직 우선순위에서 밀리고 있습니다. 그러나 비산 배출을 확인하지 않으면 회사 수익에 부정적인 영향을 미칠 수 있고, 현재 배출 규제를 준수하려면 공급망을 변경하고 계획을 개선해야 합니다. 미국환경보호청(EPA: Environmental Protection Agency, 이하 EPA) 등의 규제 단체와 오너(owner) 기업들이 비산 배출을 줄이는 데 동의함에 따라, 비산 배출 관리 필요성이 높아졌습니다.

이 게시물에서는 비산 배출이라는 주제를 잘 모르거나 매우 잘 이해하고 있는 사람 모두에게 필요한, 관련 비용을 최소화하기 위해 알아야 할 기본적인 내용을 다루었습니다.

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비산 배출(Fugitive emissions)이 무엇일까요?

비산 배출은 일차적으로 원하지 않는 누설로 인해 공정 장비에서 제어가 안 되는 가스가 배출되는 경우를 말합니다. 문제가 되는 주요 가스는 벤젠, 메탄, 에탄올과 같은 휘발성 유기 화합물(VOC: Volatile organic compound, 이하 VOC)입니다. VOC는 오존층을 형성하여 대기질에 악영향을 끼칠 수 있습니다. 그 결과, 정부 기관은 비산 배출에 제한을 설정하고 있고, 이런 규제를 위반하면 높은 벌금이 부과될 수 있습니다.

일반적인 시설에서 제어되지 않는 VOC 총배출량의 약 62%를 밸브가 차지하는 경우, 밸브, 펌프, 플랜지 연결구(flange connection)의 dynamic seal(내부리크) 및 static seal(외부리크)이 비산 배출의 주요 원인이 됩니다. 업계에서는 일반적으로 테스트를 거쳐 비산 배출을 최소화하는 누출 저감(Low-E: low emission) 밸브를 설치함으로써 문제를 해결하고 있습니다. 그외에도 민사 사건의 결과로, 공정 플랜트와 EPA 법적 계약인 동의 명령(consent decree)에 따라 저 누출 밸브를 구매해야 하는 경우도 있습니다.

EPA 동의 명령

EPA는 수질 오염 방지법(Clean Water Act)과 대기 오염 방지법(Clean Air Act)과 같이 기업들이 현재 환경 요건, 법, 규제를 따르도록 돕는 임무를 수행합니다. 기업들이 자발적으로 규제를 잘 따르면 가장 좋겠지만, 규제를 준수하지 않을 시에는 EPA가 법적 조치를 시행합니다. EPA가 시행할 수 있는 여러 가지 조치 중에 화학 플랜트와 정유 시설에는 동의 명령의 형태로 조처가 내려집니다.

일반적인 동의 명령에는 자산 소유주가 명시된 기간에 시행해야 할 특정 조치 사항이 나열되어 있으며, 이에 따라 환경 규제를 준수할 수 있도록 합니다. 동의 명령을 따르지 않는 경우, 엄격한 벌금을 포함한 민사 처벌을 받게될 수 있습니다. 벌금이 계속 누적되면 동의 명령에 따르지 않는 것으로 간주하여 추가적인 법적 결과가 초래될 수 있습니다. 비산 배출을 줄이는 여러 가지 방법 중, 일부 동의 명령의 한 조항에는 플랜트가 누설 감지 및 수리 프로그램(LDAR: leak detection and repair program, 이하 LDAR)을 설치하고 누출 저감 밸브만을 사용하도록 명시하고 있습니다.

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개선된 LDAR 및 누출 저감 밸브

개선된 LDAR 프로그램은 주기적인 누설 감지 및 EPA의 감시 방법을 동일하게 시행합니다. 밸브의 경우, EPA는 서면 감사와 더불어 현장 배출 테스트를 시행합니다. 개선된 LDAR 프로그램을 시행하는 플랜트는 다음과 같은 방법을 통해 일차적으로 비산 배출을 줄일 수 있습니다.

  • EPA의 누설 측정 방법인 EPA Method 21
  • 을 시행하여 현장 테스트에서 밸브 및 기타 연결구의 누설이 발견되는 곳에 통합 계획을 수립
  • 명시된 기간에 누설을 식별, 기록, 수리
  • 밸브, 연결구, 펌프의 누설 허용치 하향조정

추가 요건으로 향후 소모성 자재(MRO: maintenance, repair, operation) 및 새로운 프로젝트에 구매하는 밸브는 무조건 누출 저감 밸브를 사용 많은 EPA 동의 명령은 플랜트에서 누출 저감 밸브의 구성을 어떻게 결정하는지 명시하고 있습니다. 몇 가지 방법으로 밸브를 누출 저감 밸브로 분류합니다. 플랜트는 다음 중 하나를 제공하는 밸브 제조업체를 선택할 수 있습니다.

  • 밸브가 5년 동안 100ppm 이상 누설되지 않을 것이라는 서면 보증서
  • 밸브를 일반적으로 양호한 제조 관행에 따라 테스트하였으며, 100ppm 이하로 누설되는 것에 관한 서면 보증서, 인증서 혹은 이와 동등한 문서

이 두 가지 옵션의 차이점을 이해하기 어려운 경우를 위해 아래에서 각 누출 저감 밸브 인증 방식의 장단점을 요약하였습니다.

제조업체의 서면 보증서

이는 밸브가 5년 동안 100ppm을 초과하여 누설되지 않을 것이라는 제조업체의 서면 보증서를 확보하기 위해, 누설 저감 밸브의 구매를 문서화하는 간단한 방법입니다. 하지만 운영자는 밸브가 실제로 누설될 때를 대비해야 합니다. 밸브가 누설되면 어떻게 보상받을 수 있는지, 보증서의 내용은 누설되는 밸브의 교체에만 국한되는지, 밸브 교체에 수반된 비용은 돌려받을 수 있는지, 잘 따져봐야 합니다.

동의 명령의 다양한 항목을 주의 깊게 살피지 않아 이행하지 못하는 경우에도 관련 벌금이 종종 부과됩니다. 불이행에 따른 벌금은 건 당 하루에 최대 만 달러까지 부과될 수 있습니다. 누설 밸브로 인해 EPA 벌금이 부과되면 어떻게 되는지, 제조업체에게 이 비용을 청구할 수 있는지도 따져봐야 할 것입니다.

제조업체의 보증서만 신뢰한다면, 좋든 싫든 제조업체에서 100ppm을 초과하여 누설하는 밸브를 계속해서 제공받을 수도 있습니다. 공장 운영측면에서는 단순 밸브 제조사의 보증서만 믿는 것에 대해 많은 불확실성이 있기 때문에, 밸브가 누설률을 만족하는지 않는지 자체 테스트를 할수도 있습니다.

누출 저감 테스트

EPA 동의 명령은 제조업체로 하여금 밸브를 ‘일반적으로 적합한 제조 관행에 따라 테스트하고 100ppm 이하로 누설되는지’ 테스트하였다는 보증서를 제공하도록 명시하고 있습니다. 이는 플랜트 및 환경 공학자가 ‘일반적으로 적합한 제조 관행’의 의미가 무엇인지, 제조업체가 테스트를 정직하게 시행하였는지, 테스트는 동일한 공정 조건에서 시행되었는지 판단해야 함을 뜻합니다. 제조업자가 개발하고 시행한 테스트는 플랜트에 잠재적인 위험을 불러올 수 있기 때문에, 전문가들이 밸브가 누출 저감 밸브인지 믿지 못하는 상황이 발생할 수 있습니다.

다행히 미국석유협회(API: American Petroleum Institute)와 국제표준화기구(ISO: International Standards Organization)가 제공하는 산업 테스트를 통해 밸브가 ‘누출 저감’으로 분류되는지 확인할 수 있습니다.

  • API 624는 흑연 충전 라이징 스템 밸브의 비산 배출 유형 테스트(Type Testing of Rising Stem Valves Equipped with Graphite Packing for Fugitive Emissions)이며, 메탄을 테스트 물질로 사용하여 라이징 스템 밸브를 테스트합니다. 밸브는 반드시 메탄 누설률이 100ppm 미만으로 310회 주기와 3회 열주기(실온에서 고온으로 올렸다가, 다시 실온으로 내리는 테스트)를 거쳐야 합니다.
  • API 641은 1/4회전 밸브의 비산 배출 테스트(Testing of Quarter-turn Valves for Fugitive Emissions)이며, 메탄을 테스트 물질로 사용하여 볼 밸브(ball valve)를 상세히 테스트합니다. 테스트하는 각 밸브는 메탄 누설률이 100ppm 이하로 610회 주기와 3회 열주기를 거쳐야 합니다.
  • ISO 15848-1은 산업용 밸브의 비산 배출 측정, 테스트 및 자격 절차(Industrial Valves — Measurement, Test and Qualification Procedures for Fugitive Emissions)이며, 누설 테스트와 함께 다양한 부분에서 밸브의 기계적 및 열주기 테스트 절차와 요건을 제공합니다. 테스트 물질로는 메탄 혹은 헬륨을 사용합니다.

API 테스트는 간단히 합격 혹은 불합격으로 결과가 나옵니다. 이에 따라 밸브의 누출 저감 밸브 인증 유무를 결정하게 됩니다. 하지만 밸브 구매자는, ISO 테스트 방법론이 테스트 도중 밸브가 보여주는 성능에 따라 밸브 누설률을 다양한 ‘등급’으로 나눠서 명시할 수 있다는 것을 알아야 합니다. 이에 ISO 등급에 의해 ‘누출 저감’로 표시된 밸브는 EPA의 요건인 누설률 ‘100ppm 이하’를 충족하지 않을 수 있습니다. 예를 들어, 밀폐 등급 CM(Tightness Class CM)에 따르면 메탄 누설률이 100ppm을 초과하고 500pm 미만일 때 ‘누출 저감’ 밸브로 분류합니다.

또한, ISO에 따르면 ‘테스트 유체가 헬륨(AH, BH, CH 등급) 및 메탄(AM, BM, CM 등급)인 경우, 밀폐 등급 사이에 의도된 상관관계는 없다’고 규정하고 있습니다. 이는 합산된 테스트 데이터가 유체마다 다른 경우가 있기 때문입니다. 메탄이 아닌 헬륨으로 테스트를 시행하는 경우, 누설률이 스템 직경에 비례한다는 결과가 도출됩니다. 이때 유량은 초당 대기 입방 센티미터(atm-cm3/s: atmospheric cubic centimeters per second)로 규정되고, 이 값이 ppm 농도값보다 누설률을 더 정확하게 규정하지만, 실제 atm-cm3/s 단위를 ppm 단위로 변환하는 방법은 존재하지 않습니다. 이런 이유로 헬륨으로 테스트할 때는 ‘100ppm 이하’라고 명시한 EPA 규정을 충족하는지 판단하기가 어려운 것입니다.

이상적으로 이런 테스트는 밸브 제조업체가 아닌 제3자의 실험실에서 시행되어야만 합니다. 밸브 제조업체가 외부기관에 테스트를 직접 의뢰한다면, 밸브는 테스트 기준에 따라 독립성, 공정성을 통해 테스트 되었음을 입증할 수 있습니다. 이때 밸브 제조업체는 제3자 실험실의 직인, 테스트 장소 및 결과를 포함한 서류를 밸브 인증서로 제공해야 합니다.

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배출 요건 확보

Swagelok 60 series process ball valve새로운 시스템을 설계하거나 LDAR 프로그램을 개선하고자 한다면, 비산 배출에 대응하기 위한 누출 저감 인증 밸브를 선택하십시오. 환경 규제를 위반하지 않도록 사전에 준비하고 누출 저감 인증 밸브를 명시한다면, 현재의 이상적인 환경 기준을 준수할 뿐만 아니라, 나중에 비용을 들여 부품을 교체하지 않아도 됩니다. VOC 서비스에 어떤 밸브를 사용할지 명확한 메뉴얼과 절차를 구비하는 것 또한 환경을 보호하고 일관되게 시스템을 운영하는데 도움이 될 것입니다.

이미 존재하는 비산 배출 문제를 해결해야 하거나 향후 누설을 예방하려면, ‘정제 시설에서 누설을 줄여야 하는 이유’ 게시물을 참고하십시오. 누출 저감 솔루션이 귀하의 애플리케이션에 적합할지 판단하기 어렵다면, 스웨즈락 평가 및 자문 서비스를 통해 유체 시스템 전문가의 도움을 받을 수도 있습니다.

마지막으로, 스웨즈락은 다양한 누출 저감 인증 공정(Low-E-certified process), 기구(instrument), 볼 밸브(ball valve), 니들 밸브(needle valve), 라이징 플러그(rising plug), 블리드 밸브(bleed valve)를 제공하며, 이 제품들은 아무런 설계 수정 없이 가용 API 누출 저감 테스트를 통과하였고, 테스트 중 절대 100ppm 초과하여 누설되지 않았습니다. 귀하의 애플리케이션에 이 제품들을 적용하려면, 언제든지 스웨즈락 판매 및 서비스 센터로 문의하여 누출 저감 인증에 관해 알아보고, 그 밖에 필요한 지원을 받아보십시오

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