화력 발전소에 열화상 카메라를 이용한 화재 감시 시스템 구축 사례
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화력 발전소에 열화상 카메라를 이용한 화재 감시 시스템 구축 사례
  • CCTV뉴스
  • 승인 2012.02.03 00:00
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적외선 열화상 카메라

적외선은 사람의 눈에는 보이지 않지만 적외선 카메라를 사용하여 눈으로 볼 수 있는 실화상으로 변환할 수 있으므로 대상 물체 또는 임의의 범위에 존재하는 열(온도)의 차이를 조사할 수 있다. 전자기파의 스펙트럼에서 적외선이 차지하는 영역은 대략 900 ~ 14,000 나노미터 (0.9 - 14㎛) 부분이다. 온도가 절대온도 이상인 모든 물체는 적외선을 방사하며 그 방사하는 양은 온도에 따라서 증가한다.
열화상은 대상 물체나 장면 내에 있는 온도 값의 차이를 보여주는 적외선 카메라를 사용하여 이미지로 작성하는 방법이라 할 수 있다. 그러므로 열화상은 대상 물체의 온도를 비접촉 방식으로 측정할 수 있는 것이다.
적외선 카메라의 기계적인 구조는 디지털 비디오 카메라와 비슷하다. 주요 구성부분은 입사되는 적외선이 디텍터 즉, 센서 위에 초점이 맺히도록하는 렌즈 및 신호와 이미지를 처리하고 디스플레이 해주는 전자장치와 소프트웨어 등이다.


 
 
 

 
 


그림1. 다양한 분야에 활용되는 열화상 카메라


일반 비디오 및 디지털 스틸 카메라에서 사용되고 있는 CCD(Charge Coupled Device) 디텍터와 달리 적외선 카메라의 디텍터는 적외선 파장대에 민감한 다양한 물질로 만들어 지는 마이크로미터 크기의 픽셀로 구성되는 초점면 배열 (Focal Plane Array; FPA)이다. FPA의 분해능은 대략 160×120 픽셀부터 1024×1024 픽셀까지의 범위이다. 카메라 기종에 따라서 FPA 상의 원하는 부분에 초점을 두고 그 부분을 집중적으로 온도를 계산할 수 있도록 해주는 소프트웨어를 내장하고 있는 모델도 있다. 또한 온도 분석을 지원하는 특수한 소프트웨어가 설치된 컴퓨터나 다른 데이터 시스템을 사용하기도 한다. 이런 방법들은 모두 ±1℃ 이내의 정밀도로 온도를 분석할 수 있다.


그림 2. 단순화된 열화상 카메라의 블록 다이어그램

FPA 디텍터 기술은 열 디텍터(Thermal Detector)와 양자 디텍터(Quantum Detector)의 두 종류로 분류할 수 있다. 대표적인 열 디텍터로는 금속 또는 반도체를 소재로 제조되는 비냉각식 마이크로볼로미터(Uncooled Microbolometer)가 있다. 이 방식의 디텍터는 대개 양자 디텍터에 비해 가격이 저렴하며 더 넓은 범위의 적외선 스펙트럼을 검출할 수 있다. 마이크로볼로미터는 입사되는 적외선에 반응하며 양자 디텍터에 비해 그 반응속도와 민감도가 훨씬 더 낮다. 양자 디텍터는 InSb, InGaAs, PtSi, HgCdTe (MCT) 등의 재료로 제조되며, GaAs/AlGaAs 층을 형성하여 QWIP(Quantum Well Infrared Photon) 디텍터가 만들어 진다. 양자 디텍터의 동작 원리는 결정 내에 있는 전자의 상태가 입사 광자에 의하여 달라지는 현상에 기반을 두고 있다. 양자 디텍터는 일반적으로 열 디텍터에 비해 속도와 민감도가 더 우수하다. 그러나 액화질소 또는 소형의 스털링 냉동냉각 장치를 사용하여 극저온까지 냉각시켜 주어야 하는 단점이 있다.

적외선 스펙트럼의 이해

적외선 카메라는 적외선 스펙트럼 상에서 특정한 파장(주파수) 범위에 맞추어 설계 및 설정되는 것이 보통이다. 그러므로 사용하는 광학장치와 디텍터의 소재 역시 그 특정 범위에 가장 적합한 것이라야 한다. 그림 3은 다양한 디텍터 소재의 스펙트럼 응답 영역을 보여준다.


그림 3. 중파 적외선(MW) 및 장파 적외선(LW) 대역의 스펙트럼에 대한 디텍터 소재의 응답성

적외선은 가시광선과 동일한 반사, 굴절, 전달 등의 광학적 특성을 가지고 있으므로 열화상 카메라의 구조적인 설계 방법은 일반 실화상 카메라의 설계 방법과 거의 비슷하다. 그러나 실화상 카메라의 광학장치, 즉 렌즈에 사용되는 유리는 그 소재가 적외선을 잘 통과시키지 못하므로 적외선 카메라에는 사용할 수 없다. 또한 그 반대로 적외선을 잘 통과시키는 소재는 가시광선을 잘 통과시키지 못한다.


 

그림 4. 다양한 분야에 사용되는 열화상 카메라.

적외선 카메라의 렌즈의 소재로는 규소(Si)와 게르마늄 (Ge)이 사용하여 제조된다. 대체로 규소는 중간 파장대의 적외선(MWIR) 카메라에 적합하며 게르마늄은 장파장 적외선 (LWIR) 카메라에 적합하다. 규소와 게르마늄은 그 기계적인 물성이 양호하여 잘 파손되지 않고 수분을 흡수하지 않으며, 또한 현대의 선반 가공기술을 이용하여 렌즈로 가공할 수 있다. 실화상 카메라와 마찬가지로 적외선 카메라 렌즈도 반사방지 코팅을 한다. 양호한 설계 조건 하에서 적외선 카메라 렌즈는 입사광선을 100%에 가깝게 통과시킬 수 있다.

적용사례

당진 및 영흥 화력발전소 컨베이어 벨트에 적외선 열화상 카메라 화재감시 시스템 구축 사례

석탄 연료를 사용하는 모든 화력발전소는 저탄장으로부터 발전시설까지 석탄을 이송하기 하기 위한 컨베이어벨트 시설을 가지고 있다. 발전소 및 산업시설에 주로 사용하는 석탄은 유연탄으로 날씨와 환경의 변화에 따라 자연발화가 문제가 된다. 그러나 저탄장에서 자연 발화상태의 석탄이 이송되는 동안 어느 지점에서 화재가 발생될지 예측하기란 쉽지 않다. 이 석탄은 화력발전의 연료로 사용되기 전에 자연발화 상태에서 컨베이어 벨트를 통해 운반되는 동안 분진, 벨트, 롤러 등에 고열을 전달하여 화재와 벨트 유실로 인해 막대한 산업적 피해를 입힐 수 있다.
그 동안 화력 발전소에서는 여러 시스템을 도입하여 화재 감시를 하였지만 측정 대상체의 고속 이동, 수 Km에 이르는 넓은 장소로 인하여 원활한 감시를 할 수 없었다. 따라서 이러한 피해를 사전에 예방할 수 있는 화재 모니터링 시스템으로 적외선 열화상 카메라가 대안으로 검토되었다.
모든 물체에서 방출되는 적외선의 파장 및 에너지의 양은 온도에 영향을 받는다는 점을 이용하여, 컨베이어 벨트에 적재, 운반되는 석탄 표면에서 방출되는 적외선 파장 및 에너지 양을 실시간으로 측정분석하는 방식이다. 석탄의 열원을 감지하고 컨베이어 벨트로 운반되는 석탄의 상태를 실시간 감시할 수 있는 열화상 온도감시 시스템을 통해 온도 데이터를 취득하고 변화를 분석하여 저탄장 및 상탄계통 화재예방 관리의 자료로 활용한 것이다.

 
 

그림 5. 석탄 자연발화, 리클레이머에 설치된 열화상카메라, 살수설비(왼쪽부터)

이를 위해 충남 당진과 인천 영흥 화력발전소에서는 FLIR Systems(플리어 시스템, 이하 FLIR)사의 설치형 열화상 카메라인 A3XX-Series를 저탄장에서 컨베이어 벨트로 이송되는 초기 시설물인 리클레이머에 설치하였다. 그리고 석탄 이송 중 발열 시에 화재의 위험이 있는 온도에 다다르면 알람 경고를 하고 조기에 화재 진압을 할 수 있도록 갤러리 내부에 살수 시설과 연계하여 열화상 카메라를 설치하였다.
또한 당진과 영흥 화력발전소 운전실에는 FLIR A3xx 열화상 카메라와 실화상 IP 카메라를 연계하여 이러한 전 과정에서 발생되는 데이터를 저장하고 모니터링 할 수 있도록 관제 시스템이 설치되어 있다. 이를 통해 문제의 위치나 데이터를 보다 정밀하게 파악할 수 있는 장점이 있다.


그림 6. 열화상 온도감시 시스템


그림 7. 컨베이어벨트 석탄발화 모니터링 소프트웨어


그림 8. 발화탄 검출

FLIR A3xx 열화상 카메라는 설치형에 적합한 산업용 네트워크 카메라로 열원 발생시 빠른 검출과 이를 현장에서 인식할 수 있게 경광등, 사이렌, PLC등과 연계하거나 원격지의 PC 기반의 프로그램, 웹 기반 네트워크를 통해 검출된 데이터를 전송할 수 있는 "스마트" 기능을 구현 할 수 있다.
당진과 영흥 화력발전소에서 화재감시를 위해 필요로 하는 이러한 기능들은 MDS테크놀로지가 자체 개발한 소프트웨어에 의해 최적의 시스템으로 구현되었다. 우선 열화상 카메라 IP 네트워크 설정, 실화상 카메라 IP 네트워크 설정, 비디오 스위치 설정 등 여러 대의 열화상 카메라가 잘 유지 관리 될 수 있는 관리 소프트웨어로 카메라 관리 시스템이 기본적으로 탑재되었다.
또한 알람 설정 및 알람 이상유무를 확인할 수 있는 카메라 데이터 분석 시스템, 전체 카메라 화면을 실시간 모니터링 하고 녹화를 할 수 있는 카메라 녹화/ 재생 시스템 구현도 중요하였다. 그리고 PLC, Digital I/O, OPC를 통해 소방시설 등 외부로 데이터 연계가 가능하게 하고 장시간 데이터를 저장해 분석까지 가능하도록 구현함으로써 현장의 니즈를 최대한 반영하였다는 평가를 받았다. 
한편 FLIR A3xx 설치형 열화상 카메라는 매우 빠르게 초기에 화재를 감지 예방 할 수 있어 화력발전소 외에 철강 제조공정, 연료저장 탱크, 각종 산업 플랜트, 제품 생산공정, 폐기물 고형연로 저장 탱크, 산업용 보일러 등의 보호와 유지관리 비용 절감을 위한 모니터링 시스템으로도 사용되고 있다.


왜 열화상 카메라가 효율적인가

모든 물체는 사람이 볼 수 없지만 적외선 대역에서 열에 대한 복사 에너지를 방사한다. 열화상 카메라는 복사에너지를 교정된 온도 영역으로 변환해준다. 비접촉 방식으로 모니터를 통해 온도 데이터를 보여주며, 또한 디지털 데이터 저장하여 분석할 수 있게 해준다.
FLIR 산업용 열화상 카메라를 적용할 경우 세밀한 것까지 볼 수 있도록 선명한 영상을 제공한다. 무엇보다 중요한 사실은 영상을 통해 온도 정보를 알 수 있고, 이것이 비접촉 방식으로 얻어진다는 것이다. 이렇게 획득된 정보는 네트워크를 통한 원격 감시와 PLC를 통한 각종 자동 제어 목적으로 이용할 수 있다. 
 
 [참고문헌]

"창고 물류 보호를 위한 열화상 이미지 카메라" | CCTV저널 2011년 7월호
"저탄장 자연발화 현상의 수치해석적 연구" | 대한기계학회논문집 B권, 제34권 제7호
"R&D 전문가를 위한 적외선 열화상 핸드북" | FLIR Systems Korea
"FLIR Systems 사 홈페이지 : www.flir.com"

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