자료제공 : 한국 에머슨 프로세스 매니지먼트

<(그림 1) 이 리프트 스테이션은 KOC가 사용하는 다른 리프트 스테이션과 유사하다. 무선 트랜스미터는 웰헤드 압력을 측정하고, 두 번째무선 트랜스미터는 웰헤드 온도를 측정한다. 이들 트랜스미터와 다른 장치로부터 얻은 측정치는 주 제어실로 전송되어 표시된다.>

쿠웨이트 석유회사(Kuwait Oil Company)의 Ali Faras에서 웰헤드(wellhead)에 무선 모니터링 시스템을 적용해 운영성이 향상되고 현장 업무가 줄며 HSE를 개선했다.

쿠웨이트 석유회사(KOC : Kuwait Oil Company)는 기존의 데이터 수집절차를 개선하기 위해서 357개의 웰헤드에 원격 모니터링 시스템을 추가해야 했다. 데이터 수집 절차에는 각각의 웰헤드에 자주 방문해 데이터를 기록하는 과정과 기록한 정보를 생산 최적화 시스템으로 전송하기 위해 직접 데이터를 입력하는 과정이 있다.

KOC에서는 실시간으로 웰헤드를 원격 모니터링 하여 다음의 네 가지를 주요 기대 목표로 잡았다.

> 보다 적은 비용과 빠른 생산

> 운영, 유지보수 및 규제 준수 비용 감소

> 최적의 생산수준 유지 및 생산량 최대화

> 건강, 안전 및 환경(HSE) 규제 준수 보장

위의 목표를 실현하기 위해서는 먼저 분석 작업과 최적화하기 위해 기반을 다져야 한다. 이를 위해서는 일상적인 자산 관리 작업을 개선하기 위해 실시간 데이터를 입수해야 한다. 그래서 웰헤드에서 계측기기를 설치하고, 실시간으로 주요 공정 변수들을 모니터하기 위한 기술을 활용해야 한다.

유선 및 무선 솔루션 모두 고려되었으나, 더 낮은 비용으로 빠르게 구현할 수 있으며 HSE와 관련한 위험 수준이 낮은 무선 계기를 선택하게 됐다.

<(그림 2) 무선 게이트웨이와 RTU 패널은 압력, 온도, H2S 및 CH4 트랜스미터에서 데이터를 수집한다. RTU는 또한 펌프 제어기 및 다운홀 게이지와 호환된다.>

실시간 감시의 초기의 실시간 감시 방법

석유 생산의 첫 수 십 년 동안 기업들은 지하층의 압력에 의존하여 석유를 추출했다. 그러나 2010년 후반에 들어서는, 필요한 압력을 생산하기 위해 리프트 스테이션에 의존하기 시작하면서 매년 리프트 유닛의 수가 극적으로 증가하였고 현재는 총 357개가 존재한다(그림 1).

엄청난 숫자의 웰을 수작업을 통한 운영하고 모니터링하는 것은 지루하고 시간 소모가 많은 일이었다. 그리고 현장 작업자가 위험에 노출되기도 한다. 많은 현장에서 불완전한 계장 작업으로 생산 최적화는 거의 불가능했고, 데이터 수집의 지연으로 데이터 입력에도 문제가 발생했다. 이 같은 문제들은 모두 실시간 감시를 지연시켰다.

2012년 초, 실시간 자동화가 처음 도입되면서 KOC는 일부 영역에서 자동화 공정을 시행했으며, 매우 기본적으로 최적화된 어플리케이션 형태로 웰에서 얻은 정보를 활용하기 시작했다. 리프트 스테이션을 갖춘 전형적인 웰헤드는 다음과 같은 계기, 데이터 수집 및 제어 요소를 갖추게 된다(그림 2).

> 웰헤드/플로우 라인/ 압력 및 온도 케이싱(그림 3)

> H2S 및 CH4 가스 탐지

> 현장 모니터링 및 제어를 위한 RTU/PLC

> 원격 셧다운

> 다운홀 게이지와의 인터페이스

> 탱크 레벨 측정

이와 같은 측정값들 굉장히 중요한 가치를 갖고 있음에도 불구하고 측정을 위한 유선 계기를 설치하는데 걸리는 평균 시간은 각 웰 당 1~2주인 것으로 나타났다. 수백 개의 웰을 고려하면 너무나 긴 시간이 업그레이드에 필요한 것이다. 또한 굴착 절차/비용 및 HSE 위험 등 유선 계기를 설치하면서 야기되는 운영적인 제약 사항도 있었다.

이런 문제들로 인해 KOC는 다음과 같은 두 가지 기준을 충족하는 무선 솔루션을 고려하게 됐다.

>자본 효율성 향상, 프로젝트 비용 감소및 빠듯한 일정을 지키기 위한 시스템 및 업무 관례 표준화, 개선 및 통합

>단순 통합의 설계 방식, 데이터 검증/분석 진단능력을 갖춘 측정 장치

그리고 KOC는 무선 기술과 소프트웨어를 도입하여, 표준화를 강화하며 동시에 생산의 속도를 높이기로 결정했다. KOC는 또 과거 에머슨과의 긍정적인 협업 경험을 바탕으로 에머슨 프로세스 매니지먼트의 WirelessHART 계기와 관련 부품을 선택했다.

웰 헤드의 모든 계기는 에머슨 무선게이트웨이로 연결되며, 게이트웨이는 Wi-Fi 및 WiMAX 네트워크를 통해 중앙 제어 및 모니터링실로 다시 연결된다. 에머슨 RTU는 각 사이트에 설치되어 현장 모니터링과 컨트롤을 가능하게 하고 RTU는 게이트웨이를 통해 중앙제어실로 네트워크 연결된다.

<(그림 3) 무선 트랜스미터는 유체 흐름에서 압력을 측정한다, 유량 압력 내 변화는 생산 저하 또는웰보어 손상으로 이어질 수 있는 유량의 감소를 나타낼 수 있다.>

무선 모니터링의 장점

무선 기술을 통해서는 계기 설치에 신호 배선을 할 필요가 없으며, 일부 무선 계기에 전력 배선만을 필요로 한다. 각 무선 계기는 WirelessHART의 독특한 그물형 네트워크를 통해서 게이트웨이로 다시 연결된다. 이러한 방식은 계기의 전력공급을 위한 배선과 각 계기에서 RTU 게이트웨이로 시그널 전송을 위한 배선 작업과 같은 전통적인 유선 설치와는 대조가 된다.

대부분의 배선과 그에 따르는 인프라가 필요 없어 각 웰헤드 당 일주일이 소모되는 것에서 하루에 두 개의 웰헤드를 작업할 수 있게 되어 시간상 엄청난 절감효과를 가져왔다. 이는 약 10배의 절감효과이다. 설치비용은 절반으로 감소하며 웰당 US$3,000을 절약할 수 있었다. 잠재적으로 위험한 지역에서의 추출 및 배선 작업이 줄어들면서 HSE 위험도 감소했다. 데이터 정확성은 99.9%의 범위에 있으며, 데이터 가용성도 높다.

기존 SCADA 시스템은 그림 4에 나타난 시스템 구조를 사용하여 새로운 무선 측정 포인트를 수용할 수 있도록 확장됐다. SCADA 데이터 관리 소프트웨어 도구는 쉽게 시각화되어 있고, 추세 분석을 제공한다. 또 무선 계기로부터 받는 원본 데이터를 실행 가능한 정보로 전환하여 회사는 이를 생산 계획을 개선하는데 사용할 수 있다.

모니터링을 위한 도구를 결정한 뒤에는 계기 상태와 데이터 검증을 확인하기 위해 진단 도구를 고려해야 한다.

진단 도구를 통해 얻을 수 있는 장점은 기술자가 각 웰과 관련한 많은 정보에 원격으로 접근할 수 있기 때문에 문제 해결 시간이 크게 줄어든다는 것이다. 기술자는 문제를 빠르게 진단하고, 해결하기위해 필요한 모든 도구를 미리준비하여 현장에 도착할 수 있다.

리프트 유닛과 그와 함께 적용해야 하는 계기들이 늘어나면서, 데이터가 가지는 다양성과 실시간 가용성은 그 양과 복잡성이 크게 증가되고 있다. 빠른 시간 내에 데이터를 필터링하고 해석할 수 있는 전문성을 갖추는 것도 쉬운 일이 아니다. 더욱이 웰헤드 작업과 궁극적으로는 전체 석유 생산 시스템의 최적화를 통해 더 많은 이익이 돌아온다는 점을 고려하면, 진단 도구를 갖추는 데 노력을 들일 가치는 충분하다. 회사는 운영을 최적화하여 웰 생산을 미세하게 조정하고 석유 저장소 회복을 유지하여 생산 목표를 달성할 수 있을 것이다.

<(그림 4) 각 357개의 웰헤드에서 무선 계기로 수집한 데이터는 생산 최적화, 가동중단 감소 및 안전성 향상을 위해 SCADA 및 기타 시스템에서 사용된다.>

결론

모니터링 시스템을 설치하여 석유 생산을 높이는 데는 가동 지연, 굴착, 비용 및 HSE 위험 등 많은 도전 과제들이 있다. KOC는 무선 계기를 통해 이런 문제들을 해결하고 실시간 감시, 분석 및 최적화를 기반으로 한 자동화 전략을 적용했다. 그 결과 운영 및 유지보수 비용이 감소했고, HSE 성능이 향상되었으며, 생산이 증가했다. KOC 의 각 웰헤드에는 무선 그물형 네트워크 인프라가 설치되었고, 추가적인 측정 포인트의 설치가 필요할 경우 저비용으로 추가적인 WirelessHAR0 계기를 빠르게 설치할 수 있게 됐다.

무선 작동 원리

WirelessHART는 필드 장치들이 스스로 무선 네트워크를 생성하는 자가 구성 그물형 기술로서 프로세스 환경에서 나타나는 문제들을 여러 방향에서 완화시킨다.

다른 무선 기술들도 다양한 효과를 가진 유사한 전략을 활용한다. WirelessHART와 기타 무선 기술은 통신배선과 관련 인프라를 필요로 하지 않는다. 일부 무선 장치의 경우 전력공급을 위한 배선이 필요하지만, 대다수는 설치시 배터리 전력을 사용하며 그렇기 때문에 배선 없이도 완벽하게 작동한다.

무선 네트워크는 안전하고 확실하게 호스트 시스템으로 데이터를 보내며, 제어 및 모니터링 어플리케이션 모두에 적용이 가능하다. 이 기술의 설치에는 우선 IEC 62591 WirelessHART 표준에 따라 데이터를 전송하는 무선 계기가 필요하다.

트랜스미터에 WirelessHART가 없다면, 무선 어댑터를 기존의 2선식 또는 4선식 장치 대부분에 설치할 수 있다.

각 무선 장치는 특정 무선필드 네트워크를 관리하는 게이트웨이로 전송한다. 보통, 게이트웨이는 프로세스 유닛으로 배정되며, 각 게이트웨이는 각자의 무선 필드 네트워크를 관리하고 다른 HART 장치처럼 HART 태그를 배정받게 된다. 플랜트 내 각 무선 필드 네트워크는 잘못된 네트워크에 접속하는 것을 막기 위해 고유의 네트워크 ID를 갖고 있다.

장치들은 게이트웨이에 메시지를 전송하기 위해서 서로 통신하며 스스로 ‘그물형’ 네크워크를 형성한다. 이 그물형 네트워크는 장치가 자신의 라디오를 넘어서는 범위를 가질 수 있도록 장치를 확장하는 기능을 한다. 예를 들어, 무선 장치가 게이트웨이로부터 장애물을 사이에 두고 몇 백 미터 떨어져있을 수 있으나 게이트웨이와 가까운 주변장치와 통신하는 효율적인 ‘홉(hop)’ 방식으로 네트워크를 형성한다. 이렇게 형성된 그물형 네트워크로 신뢰할 수 있는 통신 거리가 확장된다. 게이트웨이는 보통 이더넷과 같은 유선 또는 무선 고속 링크를 통해서 제어 및 모니터링 시스템으로 연결된다.

무선의 활용 영역

무선 시스템의 주된 장점은 효율적이고, 신속하며, 비용 효율적인 방식이라는 점이다. 사실상 플랜트 어느 곳이나 설치할 수 있다. 배터리로 구동되는 트랜스미터는 배선 인프라나 지역 전력 공급을 필요로 하지 않기 때문에 프로세스 유닛의 유선 필드버스 및 전력 배선으로부터 먼 곳에 설치될 수 있다. 또한, 전력 공급과 배선에 비용이 많이 들거나 위험한 장소에도 설치할 수 있다. 이런 유연성은 그린필드 자본 프로젝트와 기존의 브라운필드 시설 모두에 무선을 사용하는 것이 효과적이라는 의미이기도 하다.

그린필드 자본 프로젝트는 대개 기존의 유선 신호 중 10~20%를 무선으로 전환하는 것을 목표로 한다. EPC 계약자 및 플랜트 소유자에게 있어 물리적 고정 인프라의 감소를 고려할 때 무선장치들을 전략적으로 조합하는 것은 유익하다고 여겨진다. 또한, 이들에게 있어 무선 기술은 일정 위험 및 비용 상승/절감을 관리할 수 있는 수단이자 공간적 요구사항 및 무게를 줄일 수 있는 해결책이 될 것이다.

프로젝트가 진행되면서 프로젝트의 실행 범위가 증가되거나 I/O가 추가될 가능성이 존재하는데 무선 방식의 적용으로 이러한 추가적인 작업의 일정을 단축시키고 비용을 줄일 수 있다. 특히 프로젝트 후반에 변경사항이 생기게 되면, 프로젝트 일정과 예산을 위태롭게 할 수 있는 위험 요소가 커지게 된다. 무선은 보통 필드버스보다 이러한 변경 사항을 훨씬 더 잘 수용할 수 있다.

보통 프로젝트의 Capex 단계에서 구현하기에 너무 많은 비용이 들기 때문에 새로운 프로젝트나 재조정되는 프로젝트의 설계 프로세스에서는 계측 포인트를 추가하는 문제는 배제된다. 프로젝트 실행 이후에 추가적으로 측정해야 하는 부분이 생길 경우, 유선계기를 추가하는 것은 무선 솔루션보다 더 많은 비용을 필요로 한다.

이런 종류의 브라운필드 프로젝트에서 무선 솔루션은 운영적인 문제로도 우수하게 집행할 수 있어, 플랜트 생산성과 신뢰성뿐만 아니라 떠오르는 환경 및 안전성 법률과 관련된 규제준수를 향상할 수 있는 좋은 수단이다.

기존 자산에 배선을 추가하는 것은 많은 비용을 요구하며, 오래된 자산 설비와 연결하여 통신하는 작업에는 신호 전달의 방해와 같은 예기치 못한 문제들을 야기할 수 있다. 그러나 플랜트 전반에 걸쳐 적용할 수 있는 무선 네트워크는 배선, 도관, 케이블 트레이 등 고정 인프라로부터 발생하는 방해 문제를 배제하며 설치할 수 있다.