개요

2015년에 도입된 이후, 정량적 광학 가스 이미징(QOGI)은 제한적인 초기 도입 단계를 넘어 일부 산업 전반에서 더 광범위하게 사용되고 있습니다. 지난 10년 동안 여러 연구에서 QOGI 성능을 평가했으며, 그 결과는 테스트 설계, 환경 조건 및 적용 대상의 차이에 영향을 받았습니다.

프랑스 라크에 있는 Total Energies Anomalies Detection Initiatives (TADI) 시설에서 실시한 최근 테스트 결과는 이처럼 증가하고 있는 연구 성과에 기여합니다. 평가는 비산 배출(1 kg/hr 미만)과 대규모 벤트 방출(5 kg/hr~50 kg/hr) 모두에 중점을 두었으며, 보다 광범위한 방출 시나리오에 대한 통찰력을 확장시켜주는 동시에 이전의 통제 연구를 보완해 줍니다. 

이 테스트에서는 카메라 내장 정량화 기능이 있는 Flir G 시리즈를 현재 기술의 교정 곡선(12 g/h~12 kg/hr) 범위 내 방출률에 대해 평가했으며, 이 테스트 결과를 통해 해당 범위가 확장될 것입니다. Flir의 Gx320 QOGI 카메라 내장 기술 테스트에는 15개 누출 테스트 위치의 198개 테스트 결과가 포함되었으며 이전 독립 연구에서 보고된 결과와 일치하는 성능을 입증했습니다.

메탄 배출 정량화

메탄(CH₄)은 20년 동안 이산화탄소(CO₂)보다 80배가 넘는 지구 온난화 지수를 가진 매우 강력한 온실가스입니다. 비교적 짧은 대기 수명에도 불구하고 메탄은 강력한 열 포집 능력으로 인해 기후 변화를 크게 가속화합니다. 메탄 배출의 주요 배출원에는 농업(특히 가축 및 벼 농사), 화석 연료 생산, 유통, 매립지 및 천연 습지가 포함됩니다. 

메탄 배출량을 측정해야 하는 시급성은 이러한 배출원을 정확하게 식별하고 정량화하여 표적화된 완화 전략을 수립해야 하는 필요성에서 기인합니다. 신뢰할 수 있는 측정은 기후 목표에 대한 진행 상황을 추적하고, 정책 결정에 정보를 제공하며, 배출량 감소 노력의 투명성과 책임을 보장하는 데 필수적입니다. 강력한 모니터링(및 효율적인 측정) 없이는 메탄 배출을 억제하려는 노력이 효과가 없거나 잘못된 방향으로 진행될 위험이 있습니다.

QOGI는 석유 및 가스 산업에서 수십 년간 축적된 적외선 이미징 기술 개발을 기반으로 합니다. Flir는 2005년 GasFindIR의 도입으로 광학 가스 이미징 기술을 처음 상용화하여 누출 감지 및 수리(LDAR) 검사 중에 가스 플룸을 시각화할 수 있는 안전하고 효율적인 수단을 제공했습니다. 이러한 초기 OGI 시스템은 설계상 정성적이어서 배출률을 측정하지 않고도 시각화가 가능했습니다.

이 기술은 가스 배출을 시각화하고 안전한 거리에서 훨씬 더 효율적으로 누출 감지 및 수리(LDAR) 검사를 수행할 수 있는 고유한 기능을 제공했습니다. 그러나 이러한 시스템은 정성적이어서 가스 플룸을 시각화할 수는 있었지만 배출률을 측정할 수는 없었습니다. 정량화로의 전환은 2010년대 중반에 시작되었으며, 특히 적외선 방사의 픽셀 수준 분석을 사용해 메탄 누출률을 추정하기 위해 Flir 적외선 카메라와 페어링할 수 있는 Providence Photonics QL100 및 QL320 태블릿의 개발이 그 계기가 되었습니다.

메탄 정량화를 위한 QOGI의 첫 현장 도입은 2015년경에 이루어졌으며, Concawe 및 Alberta Methane Field Challenge (AMFC)와 같은 조직에서 수행한 검증 연구와 METEC 평가와 같은 최근 연구가 있었습니다. 이들 연구는 통제된 조건에서 QOGI 시스템의 정확성을 테스트했으며, Concawe 및 AMFC 연구에서 각각 +6%에서 -18% 사이의 정량 오차를 보였습니다. 

2019년, Providence Photonics와 Flir의 공식 파트너십 체결 이후 석유 및 가스 산업은 콜로라도, 뉴멕시코, 텍사스의 석유 및 가스 분지 전반에서 대규모 현장 샘플링 캠페인에 QOGI를 사용하기 시작했으며, 이를 통해 장비 수준의 메탄 배출 측정에 대한 실제 적용을 입증했습니다.

오늘날 QOGI는 누출 감지 및 수리(LDAR) 프로그램을 위한 유용한 도구로 인정받고 있으며, 플룸 자체 외부의 안전한 거리에서 메탄 배출량을 신속하게 비접촉식으로 정량화할 수 있습니다. 특히 석유 및 가스 메탄 파트너십(OGMP) 2.0 및 미국과 EU의 메탄 규정과 같은 정책에서 메탄 완화가 우선순위가 됨에 따라 규제 프레임워크와 산업 관행에 점점 더 통합되고 있습니다. 

유망성, 사용 편의성 및 측정하기 어려운(DTM) 배출원에 대한 유연성에도 불구하고 QOGI는 여전히 특정 환경 조건에서의 적용 가능성에 일부 어려움을 겪고 있으며, 알고리즘을 개선하고 기능을 확장하기 위한 지속적인 연구가 진행되고 있습니다.

기술 방법론

QOGI 워크플로우는 도입 초기부터 일반적으로 Flir 광학 가스 이미징 카메라와 전용 정량화 분석을 실행하는 고성능 태블릿이라는 두 가지 별도 장치가 필요했습니다. 측정은 직접 케이블 연결을 통해 수행하거나 기록된 이미지를 후처리하여 수행했습니다.

2023년 4월 Flir는 탄화수소, VOC 및 메탄 감지를 위한 G 시리즈 OGI 카메라를 출시했습니다. 이러한 카메라는 정량화를 장치에 직접 통합하여 보조 하드웨어가 필요하지 않게 했습니다.

카메라 내장 QOGI를 사용하면 작업자는 표준 LDAR 검사를 수행하면서 현장에서 즉각적인 정량 결과를 얻을 수 있습니다. 이러한 통합 접근 방식은 워크플로우를 간소화하고 설정 복잡성을 줄이며 석유 및 가스 공급망 전반에서 더 효율적인 측정을 가능하게 합니다.

현장 테스트 설정

프랑스 라크에 위치한 TADI 테스트 시설은 혁신적인 가스 누출 감지 및 정량화 기술, 주로 CO₂ 및 메탄 배출 기술을 테스트하고 검증하는 것으로 세계적으로 유명합니다. 이 시설은 동일한 테스트 현장에서 시간당 한 자릿수 그램 범위의 소규모 비산 배출부터 시간당 최대 50킬로그램에 이르는 매우 대규모 벤트 방출까지 모두 지원하는 광범위한 역량을 갖추고 있습니다.

TADI의 Flir 기술자는 4일에 걸쳐 테스트를 수행했으며, 배출 유형을 비산 배출과 벤트 방출의 두 가지 범주로 구분했습니다.

• 비산 배출의 경우, 방출률은 5g/hour(테스트 실험 중 하나는 0g/hour의 위음성 실험이었음)부터 612g/hour까지였습니다. 
• 벤트 방출의 경우, 방출률은 5kg/hr부터 50kg/hr까지였습니다.

이 현장 테스트 동안 Flir 기술자는 기술로서 QOGI의 역량을 더 잘 이해하고 Flir의 업계 선도 정량 솔루션을 개선하기 위해 30개가 넘는 테스트 샘플에서 1100회가 넘는 측정을 수행했습니다.

그림 1: 테스트 중 라크의 기상 조건

테스트 중에 카메라 작업자는 비산 누출의 경우 2.5m~16m, 벤트 방출의 경우 4m~16m 범위로, 현장 관행을 대표하는 다양한 거리에서 측정했습니다. 조건은 또한 아침에는 구름이 끼고 오후에는 맑아지는 전형적인 일상적 변동성을 반영했으며, 온도는 약 10~24°C의 범위였습니다. 바람 조건은 일반적으로 약한 수준에서 중간 수준이었으며 16km/h 미만으로 유지되었습니다.

주 카메라 작업자는 OGI 시스템을 사용한 이전의 현장 경험이 제한적이었으며, 20년이 넘는 OGI 경험을 가진 인증된 작업자의 감독을 받았습니다. 이 설정을 통해 현실적인 범위의 사용자 숙련도에 걸쳐 성능을 평가할 수 있었습니다.

학습 내용 및 주요 통찰

광범위한 테스트가 수행되면서 애플리케이션에 대해 더 자세히 알아보고, 기술을 미세 조정하고, 시장의 요구를 충족하기 위한 새로운 기능을 만들 수 있는 몇 가지 기회가 있었습니다.

집계 측정은 개별 판독값보다 더 일관적입니다

이 테스트는 기저 이론과 이전 연구를 모두 뒷받침했으며, 개별 QOGI 측정 전반에서 예상되는 변동성의 증가와 함께 집계된 결과에서 정량화 정확도가 개선됨을 보여주었습니다.

소규모 비산 누출은 백분율 오차가 더 높고 절대적 영향은 더 낮습니다

소규모 비산 누출은 편차가 최소화된 경우에도 절대 크기가 낮기 때문에 더 높은 백분율 오차를 나타내는 경향이 있습니다. 그러나 이러한 배출량을 집계하면 보다 신뢰할 수 있는 인벤토리 결과를 얻을 수 있습니다. 더 큰 벤트 방출은 일반적으로 더 낮은 백분율 오차를 보이지만 더 큰 절대 배출 영향을 나타내며, 이는 전체 배출 스펙트럼에 걸쳐 정확한 정량화의 중요성을 강조합니다.

더 큰 벤트 방출은 더 낮은 백분율 오차를 나타내지만 배출 영향은 더 큽니다

QOGI가 사용되는 시장에서 집계 결과를 적용할 수 있는 여러 응용 분야가 있습니다. 작업자는 여러 현장 또는 서비스를 제공하는 광범위한 지역에서 판독값을 평균화하여 공간적 상황에 이를 사용하거나, 연간 배출 인벤토리에 종종 필요하듯이 1주일, 한 달 또는 1년에 걸쳐 판독값을 취하여 보다 시간적인 기준으로 이를 사용하는 것을 고려할 수 있습니다. 개별 결과에는 높거나 낮은 오차가 있을 수 있지만, 단일 소스 배출량을 측정하기 위해 QOGI와 같은 기술을 사용한 결과는 집계될 때 미리 결정된 배출 계수를 사용하는 것보다 더 정확할 가능성이 높습니다. 

측정 기반 접근 방식은 작업자가 변화하는 규정에 대비할 수 있도록 합니다

측정 기반 접근 방식을 조기에 채택함으로써, 작업자는 정량화, 투명성 및 소스 수준 이해를 점점 더 강조하는 변화하는 규제 및 보고 프레임워크에 앞서 나갈 수 있습니다. 규제가 계속 발전함에 따라 이러한 작업자는 워크플로우를 근본적으로 변경하지 않고도 향후 요구 사항을 충족할 수 있도록 더 잘 준비되어 있습니다. 측정 기반 접근 방식을 통해 이러한 투자는 시간이 지남에 따라 반영될 수 있으며, 보고에 대한 기대가 정량화로 전환됨에 따라 실제 진행 상황을 입증할 수 있습니다.

작업자 교육 및 경험이 측정 품질에 미치는 영향

QOGI는 사용이 간단하지만 작업자 교육과 경험은 측정 품질에 영향을 미칩니다. 이 시험 기간 동안 제한된 경험이 일부 변동성의 원인이 되었습니다. 실용적인 교육은 플룸 해석, 환경 인식 및 모범 사례 적용을 개선하며, 이 모든 것이 보다 신뢰할 수 있는 결과를 지원합니다.

장면 인식은 정량화에 중요합니다 

OGI 이미저로 측정되는 장면에 걸려 있는 LDAR 태그와 같은 이물질의 문제를 보여주는 QOGI 이미지.

기술로서 QOGI와 관련된 적용 가능한 요소를 이해하는 것도 유의미한 결과를 얻는 데 중요합니다. 이는 어렵거나 압도적인 것은 아니지만 기술 전반에 대한 최소한의 이해가 필요합니다. 한 가지 예는 누출이 측정되는 장면의 내용과 관련이 있습니다. 꽤 자주, 누출이 이전에 식별되었을 수 있으며 QOGI와 같은 첨단 기술로 측정해야 합니다. 이러한 경우, 측정 후 수리가 필요한 누출을 식별하는 태그 또는 리본이 있을 수 있습니다. 위 이미지에는 QOGI 기술의 측정 영역 안팎으로 펄럭이는 LDAR 태그가 있습니다. 기술에 대한 기본적인 이해가 있다면 작업자는 측정 전에 이 태그를 제거할 것입니다.

환경 조건은 결과를 편향시킬 수 있지만 감지 가능합니다

누출이 한 곳에 머물러 있고 측정 경계 내부에서 이동하여 링을 가로지르지 않을 때 발생하는 풀링 효과를 보여주는 QOGI 이미지.

기술을 이해하는 또 다른 예는 외부 환경 요인이 결과에 어떤 영향을 미칠 수 있는지 아는 것입니다. 바람이 부는 조건에서 측정할 때는 2차원 기술을 사용하여 3차원 이벤트를 측정하기 때문에 누출이 장면을 가로질러 수평으로 이동할 때 측정을 시도하는 것이 항상 가장 좋습니다. 그리고 바람이 부는 조건이 최소한일 때, QOGI 사용자는 배출물이 이미지 중앙 내부에 "풀링"되거나 링을 벗어나기 전에 여러 번 방향을 바꾸면서 원 내부에서 돌아다니지 않도록 해야 하며, 이는 판독값에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 위는 누출 가스가 링을 빠져나가기 전에 측정 경계 내부에서 이동하며 발생하는 풀링의 예를 보여줍니다. 이경우 측정값은 예상보다 훨씬 낮게 나타날 수 있지만, 숙련된 사용자는 현장에서 카메라를 작동할 때 이런 현상을 파악알 수 있습니다. 이에 숙련된 사용자가 이런 데이터를 제외하고 카메라 내장 QOGI 측정을 다시 수행할 것이라는 점을 알고 있었음에도 이러한 결과를 시험에 포함시켰습니다.

QOGI는 실제 조건을 해결하기 위해 계속 진화합니다

기술에 대한 적절한 교육과 이해는 많은 시나리오에서 작업자에게 도움이 되지만, 현장에서 QOGI를 사용할 때 극복하기가 더 까다로운 몇 가지 과제가 있습니다. 철저한 교육과 QOGI에 대한 충분한 이해가 있더라도 일부 현장 조건은 본질적으로 여전히 어렵습니다. 작업자가 이러한 현실을 헤쳐 나갈 수 있도록 Flir를 포함한 기술 제공업체는 까다로운 환경의 영향을 줄이고 측정 신뢰도를 높이도록 설계된 기능을 추가했습니다. 

환경 조건은 완화할 수 있지만 제거할 수는 없습니다

한 가지 구체적인 예는 흐린 조건입니다. 구름은 미세한 물방울로 구성되어 있어 적외선 장면에 나타날 수 있으며, 경우에 따라 그 움직임이 플룸 이동과 유사해 보일 수 있어 정량화를 더 복잡하게 만들고, 이 연구에서는 측정값을 낮게 편향시키는 경향이 있습니다. 작업자는 측정을 완벽하게 맑은 하늘 조건으로만 제한할 수 없으므로, 이러한 영향을 이해하고 사용 가능한 도구를 적용하여 이를 완화하는 것이 중요합니다. 위 이미지에서 배경에 구름이 있는 상태에서 플룸이 왼쪽에서 오른쪽으로 이동합니다. 따라서 작업자는 배경 영향을 줄이기 위해 측정 링의 일부(약 "6시"에서 "11시" 방향)를 마스킹했습니다. 

까다로운 테스트 환경이 항상 현장 조건을 반영하는 것은 아닙니다

TADI와 METEC은 기술을 평가하기에 훌륭한 테스트 장소이지만, 이러한 테스트 환경에서 관찰되는 한 가지 과제는 실제 석유 및 가스 적용 사례에서는 흔하지 않은 초목입니다.

아래 이미지에서, 기술은 링의 하단 절반에서 볼 수 있듯이 측정 링에 있는 잔디의 작은 움직임을 원을 가로지르는 가스의 움직임으로 혼동할 수 있습니다. 이와 같은 작은 비산 배출을 측정할 때 거의 항상 매우 높은 측정 결과로 이어집니다. 숙련된 작업자는 다음과 같이 해야 한다는 것을 알고 있을 것입니다:

a) 가능한 경우 다른 측정 각도를 선택하거나
b) 링의 하단 절반을 마스킹합니다.

불행히도, 이 누출이 중앙의 장비에서 이 링의 하단으로 이동하는 경우 측정이 어려울 것이며 부정확한 결과를 초래할 가능성이 큽니다. 실제로 작업자는 결과에 대한 신뢰도를 높이기 위해 마스킹/장면 위치 지정 사용 외에도 반복 측정, 적절한 경우 더 긴 측정 시간 등을 고려해야 합니다.

현장 테스트를 통해 의미 있는 제품 개선 사항을 알 수 있었습니다

TADI에서 테스트하는 동안 Flir 카메라 작업자들은 기술에서 구현하고 개선할 수 있는 몇 가지 사항도 파악했습니다. 앞서 논의한 바와 같이, 마스킹은 성공적인 측정에 매우 중요하지만 이전에는 기존 Flir QL320 정량화 태블릿에서만 사용할 수 있었습니다. 이러한 기능이 카메라에 추가되었으며 이미지의 어느 위치로든 링을 이동할 수 있기 때문에 더욱 개선되었습니다. 

또한 카메라 내장 QOGI 디스플레이가 누출이 없는 영역에서 과포화된 누출 색상화를 나타내는 상황도 관찰했습니다. 위 예에서 링 내에 시각적인 방출이 없음에도 불구하고 이미저가 장비를 색상화하고 있기 때문에 판독값이 매우 높습니다. 이는 마스킹을 통해 완화할 수 있지만, 숙련된 작업자에게는 매우 명백하게 보일 것입니다. 이 현장 시험에서 얻은 교훈에 따라 누출되지 않는 장비의 색상화를 줄이도록 Flir의 QOGI 기술이 개선되었습니다. 

TADI 테스트 중에는 누출이 측정되고 카메라에서도 보이지만 QOGI 이미저에서는 색상화되지 않는 몇 가지 시나리오도 있었습니다. 위 이미지에서는 이 탱크 상단의 플랜지에서 100g/hr의 작은 누출이 발생했으며, 카메라는 이를 측정했지만 색상화하지는 않았습니다. 이 현상은 개정된 최신 기술에서 크게 개선되었습니다.

TADI 시설에서의 테스트 후 Flir의 카메라 내장 QOGI 기술에 몇 가지 개선 사항이 적용되었습니다. 앞서 논의한 바와 같이, 이미지 중앙에서 측정 링을 이동할 수 있는 기능을 갖춘 마스킹이 솔루션에 추가되었습니다. 가시적인 배출의 색상화를 보장하고 배출 이동 및 역학을 더 잘 정의하기 위해 플룸 색상화 기능이 향상되었으며, 측정 정확도를 보장하는 데 도움이 되도록 분석 기능이 개선되었습니다. 위 이미지에서는 작은 부탄 라이터 누출에서 마스킹과 새로운 플룸 색상이 모두 표시됩니다.

결론 및 다음 단계

Flir의 카메라 내장 QOGI 기술은 TADI 테스트 동안 집계 배출량 추정치를 제공하는 데 성공적으로 입증되었습니다. 결과에 따르면 시간적 또는 공간적 집계 배출량 추정치는 전반적으로 양호한 배출 인벤토리 결과를 제공할 수 있지만, 본래 난류가 있고 변동적인 특성을 가진 배출을 하나씩 측정할 때 결과는 일관적이지 않을 수 있으며 이는 QOGI를 사용할 때 더욱 까다로울 수 있습니다. 개별 측정 결과를 더 잘 나타내기 위해 Flir의 G 시리즈 카메라 내장 QOGI 솔루션 기술에는 각 판독값에 대한 불확실성 측정 기능이 추가되었습니다. 이는 배출원 수준 배출 값을 이해하고 OGMP 2.0과 같은 일부 글로벌 측정 표준의 요구 사항에 부합하도록 돕기 위한 것입니다. 또한, 기술로서의 QOGI는 사용자가 배출량을 측정할 뿐만 아니라 운영 이벤트와 비산 배출 측정을 분리하는 등 배출 상황을 더 잘 이해할 수 있게 해줍니다.

또한 카메라에 추가될 경우 유용할 수 있는 마스킹과 같은 기존 Flir QOGI 기술의 훌륭한 기능이 몇 가지 있다는 것을 알게 되었습니다. Flir가 기술을 발전시킴에 따라 슈퍼 이미터 교정 도구 및 삼각대 없이 QOGI를 사용할 수 있게 해주는 안정화 기능과 같이 현재 QL320에서 사용할 수 있는 고급 기능이 몇 가지 테스트를 거쳐 카메라에 추가될 것입니다.

테스트에서 얻은 또 다른 교훈은 QOGI 카메라 내장 기술에 구현된 고용량(벤트) 교정 곡선을 미세 조정할 필요가 있다는 것입니다.

Flir와 Providence Photonics가 QOGI를 기술로 발명한 지난 10년 동안의 메탄 측정 환경을 살펴보면 이 기간 동안 많은 것이 변했습니다. 10년 전 메탄 측정 분야의 주요 강조점은 비산 배출에 있었고 더 큰 벤트 유형 방출에는 거의 초점을 맞추지 않았습니다. 오늘날에는 작은 비산 누출에서 큰 벤트 배출에 이르기까지 메탄 공급망 내의 모든 배출에 대해 더 폭넓게 이해하고자 하는 요구가 있습니다. Flir가 OGI 분야에서 20년 동안 해왔듯이, 메탄 배출 저감 응용 분야에서 사용하기 쉽고 더 정확하며 폭넓게 수용될 수 있도록 QOGI 카메라 내장 기술의 조건적이고 반복적인 개선에 지속적으로 초점을 맞출 것입니다.

참고문헌:

1. TotalEnergies. (발행 연도 미상) TADI – Test Center with international reach (Lacq).
2. Providence Photonics. (발행 연도 미상)
3. Concawe. (2017). Report 17/2. 
4. Petroleum Technology Alliance Canada. (2024). Alberta Methane Field Challenge (AMFC) final report. 
5. Methane Emissions Technology Evaluation Center (METEC). (2024). METEC assessment. ChemRxiv. 
6. Flir Systems. (발행 연도 미상) Flir Systems completes strategic investment in Providence Photonics LLC. Flir News Center.
7. Business Wire. (2023년 4월 4일). Teledyne Flir debuts G-Series Optical Gas Imaging cameras with superior gas quantification and wireless data transfer.