LNG 업계를 위한 디지털 기술
By David R. Reif, Global Lead, Hydrocarbon Industry Sales and Marketing, and Mark Kennedy, Director-LNG, Emerson Process Management
전 세계적으로 에너지 자원으로서 액화 천연가스(LNG) 이용이 성장 추세에 있으며, 액화, 수송 및 재기화 등의 기능을 향상시키는 중요한 방법으로 디지털 기술의 중요성 또한 커지고 있다. 사실, LNG 설비에서 문제 발생을 피할 수 있는 최선의 방법은 직렬 양방향 통신 프로토콜을 통해 측정 기기와 호스트 제어 장비를 연결하는 포괄적인 디지털 기술 어플리케이션을 이용하는 것이다. 이를 통해 중요한 LNG 공정과 장비의 상태를 이해할 수 있는 풍부한 데이터 환경이 조성되고 더불어 언제 어디서 이상이 생길지 예측할 수도 있다.
미국 및 전 세계에서 널리 수용되는 온전한 디지털 기술로 FOUNDATION Fieldbus(Ff) 프로토콜을 들 수 있다. 설치, 가동준비, 유지보수의 비용절감 및 정보 접근에 대한 개선을 통한 수명주기 비용 감축을 통해 잠재적인 투자 회수가 가능하다. Bechtel USA의 David S. Lancaster와 Bechtel UK의 Brain Parkes는 자신들의 보고서 ‘LNG 공정을 위한 필드버스 기술은 훌륭한 선택인가?(LNG Journal, 2002년 11월/12월호)`에서 “LNG 공정에서 필드버스 기술을 이용함으로써 소유주/운영자에게 상당한 혜택이 돌아간다".라고 말한다.
FF 프로토콜은 발전형 디지털 설비 아키텍처의 핵심 특성으로서, LNG 설비 공통 공정의 운전 및 제어에 대한 디지털 구성요소의 웹을 만들어 낸다. 디지털 아키텍처는 LNG 기업의 전체 비용을 실제로 낮추면서 설비 성능을 향상시킬 수 있는 훌륭한 기회를 제공한다. 그림 1에서 볼 수 있듯이 이러한 기술은 운전/유지보수, 안전, 상하수도 및 폐기물 비용을 실제로 낮추는 한편 품질, 처리량 및 설비 가용성에 영향을 미쳐 전체 실적을 향상시킨다.
LNG 기업은 디지털 자동화 이카텍처로 이익을 얻는다.
그런 이유로 LNG 시설을 건설하거나 운영하는 주체는 아래의 디지털 기술을 신중히 고려할 필요가 있다.
·안전 문제 또는 경제적 손실을 초래할 수 있는 비정상적인 사고를 방지하기 위한 최고의 예측 지능 시스템
·운전의 상태와 추세를 정확하게 진단하고 전체 시설 성능을 최적화할 수 있도록 풍부한 데이터를
제공하는 디지털 자동화 구조
·안전 시스템을 보다 완전하게 통합할 수 있는 능력
문제 있는 LNG 설비
최근 전 세계에 걸친 액화 설비의 정전으로 LNG 공급이 차질을 빚으면서 LNG 공정 및 생산절차에 대한 심각한 의문이 제기되었다. 조업 정지에 대한 자세한 내용을 조사하기는 어렵지만, 엔지니어링 소식통에 의하면 각각의 사건은 모두 다르고 상호 비교할 수 없는 성질의 것이라고 한다. “어떤 곳은 설계 오류 때문이고, 다른 곳은 운전 미숙 때문입니다. 설비의 위치, 공급 가스의 구성성분, 액화 공정의 종류, 설비의 나이, 그리고 계약업체의 선택 같은 것에 영향을 받으며, 이 모든 것을 염두에 두어 조사해야 합니다." 라고 산업계의 정통한 소식통이 전했다.
Nigeria LNG (NLNG)는 8월말 액화 설비로 향하는 주요 가스 공급라인에 누출로 인한 화재로 트레인 2와 3을 폐쇄했다. 9월 27일에야 수리가 끝나 프로젝트 대변인이 ‘품질과 양’ 모두에서 정상 생산이 시작되었다고 확인할 수 있었다. 호주의 North West Shelf는 8월 28일 트레인 4의 조업정지에 따라 문을 닫으며, 설비의 혼합 냉매 압축기의 블레이드와 로터가 망가져 문제가 생겼다고 발표했다. 예측 지능으로 예방할 수 있었던 이번 조업중지로 약 9대 유조선 분량의 비용이 날아갔다.
이집트의 Damietta에 위치한 Spanish-Egyptian LNG (Segas)에서 3주에 걸친 조업중단이 발생했을 때 터빈의 8,000시간 사용에 따른 대규모 정비에 따른 일정이라고 발표했다. 기계의 상태에 대한 더 상세한 정보가 있었다면 설비를 더 오래 사용할 수 있었을 것이다. 예기치 못한 가동중단으로 인한 공급 손실을 더하면 30 유조선 분량(170만 톤)으로 가스 체적으로는 약 800억 입방피트(Bcf)가 된다. 현재 시장 상황에서 이러한 손실은 더욱 크게 느껴진다.
기술자와 건설업자는 이러한 가동중단이 LNG 생산 기지가 늘어나면서 생기는 정상적인 결과라고 주장한다. “설비 수가 늘어날수록 잘못 될 확률도 높아지는 것입니다."라고 장황하게 설명한다. 좋은 소식은 고장을 일으키는 상황을 예방하고 설비 가용성을 향상시킬 수 있는 새로운 기술이 개발되고 있다는 것이다.
비정상적 상황 예방
공정에 하나의 장애 또는 일련의 장애가 발생하여 설비 운전이 정상 상황에서 벗어나 운전자의 개입이 필요하게 되는 것을 비정상 상황이라고 부른다. 이러한 상황은 잠재적으로 품질, 처리량, 생산 장비 및 환경에 부정적인 영향을 미친다. 또한 안전을 위협하여 사상자를 발생시킬 수 있다.
비정상 상황이 비상 상황이 되는 경우가 너무나 자주 발생한다. 2005년 연례 전국 석유화학 및 정유 협회 회의에서 에머슨 프로세스 매니지먼트의 Evren Eryurek, Pete Sharpe 및 Douglas White가 발표한 논문에 따르면 미국 석유화학 산업계는 비정상적인 상황으로 인해 연간 7억 달러 수준의 비용을 지출하고 있는 것으로 나타났다. 보다 안전한 운전, 생산성 향상, 높은 제품 품질 및 장비 손상을 줄이기 위하여 비정상적인 상황을 예방하려는 것은 분명 가치 있는 목적임이 틀림없다.
문제를 피할 수 있는 최선의 방법 중 하나는 LNG 공정 및 장비에 대한 이해를 높이도록 풍부한 데이터를 제공하는 환경을 확립할 수 있는 포괄적 디지털 기술 어플리케이션을 사용하는 것이다. 비정상 상황 예방(Abnormal Situation Prevention, ASP)은 현장 기기, 공정 장비 및 공정 조건의 상태를 예측하고 이를 운전 지식 및 절차에 통합하는 것으로 실현할 수 있다. ASP 기술의 예를 에머슨의 PlantWeb 디지털 설비 아키텍처에서 찾아볼 수 있는데, 여기서는 ‘긴급 상황’이 발생하기 훨씬 전, ‘정상’에서 ‘비정상’으로 넘어가기 이전에 미리 경고를 발생시킬 수 있는 예방 정보를 수집한다(그림 2).
그림 3에서 볼 수 있듯이 디지털 아키텍처는 지능형 현장 기기, 확장 가능한 제어 및 자산 최적화 시스템, 모듈형 소프트웨어 및 안전 시스템 등으로 구성되어 있다. 현재의 스마트 필드버스 기기는 디지털 접근법을 활용하여 자체 상태 및 공정 상태를 지속적으로 모니터링하는 온라인 진단을 실시하며, 이를 통해 제어 및 자산 관리 소프트웨어 및 운전자/유지보수/엔지니어링 워크스테이션에 정보를 제공한다. 이를 통해 다른 곳에서는 찾아 볼 수 없는 예측 분석 및 진단 솔루션이 가능하게 되었다. 발전형 패턴 인식, 다 변량 신호 분석 및 통계적 공정 제어를 통해 비정상적인 이벤트를 감지하게 된다.
이러한 기술에 기반한 조기 경고는 유지보수 목적으로 특정 현장 기기에 정보를 제공하는 기기 경보의 형태, 또는 문제 발생을 기존의 분산 제어 시스템이 인식하기 훨씬 전에 특정 공정 상태를 운전자에게 알려주는 ASP 공정 유닛 경보의 형태로 제공된다. 기존의 가동중단 시스템이 가동하는 시점은 바로 잡기에는 너무 늦은 시간일 수 있다.
예를 들어 ASP는 냉매 압축가스 터빈 구동장치에 장착되어 비정상 상황을 진동 감시 시스템이 감지하거나 재앙적인 상황으로 가동중단이 발생하기 전 미리 예측하거나 진단을 내릴 수 있다. 추가적으로 발전형 공정 제어(Advanced Process Control, APC)는 전체 공정 변동성을 낮추는 동시에 최신 서지방지 보호 기능을 제공하여 안전하게 LNG 생산을 늘릴 수 있게 한다. 마찬가지로 재기화 터미널의 기화기 뱅크(vaporizer bank) 역시 이러한 어플리케이션을 통해 연소형 기화기의 연소기 관리를 개선하여 청정 연소, 배출 감소 및 연료 효율 개선 등의 효과를 누리며 잘못된 플레임 아웃 트립(flame-out trip)을 예방할 수 있다.
비정상적인 상황 예방으로 손실을 피하고 생산 가능성을 증가시킴으로써 발생하는 금전적 가치가 이 디지털 기술을 가능하게 한다고 할 수 있다.
자산 최적화
최근 몇 년 간 공정산업에서는 중요한 생산 장비의 사용수명을 최대화하고 원하지 않는 가동중단을 최소화하기 위해서는 신뢰성에 초점을 맞춘 유지보수가 필요하다는 인식이 확산되었다. 이런 개념에 기초하여 유지관리 담당자는 예상치 못한 설비 가동중단을 야기할 수 있는 생산 구성요소에 가장 많은 관심을 기울이며 그렇지 않은 장비에 대해서는 작동 중지를 예방할 정도의 일상적 유지보수만 적용하게 되었다. 일부 중요하지 않은 장비는 고장 날 때까지 돌리고 교환했다.
스마트 현장 기기가 자체 상태 및 관련 장비에 관하여 제공하는 엄청난 양의 데이터가 예측 유지보수의 기반이 된다. 이는 장비의 미래 운전성을 예측하기 위한 핵심 요소로 현장 정보에 의존하는 접근법을 취하기에 신뢰성 중심 유지보수에서 한 걸음 진보한 것이라 할 수 있다.
예측 유지보수는 LNG 설비 전반에 걸쳐 사용되어 스마트 디지털 계기들이 지속적으로 진단을 내리며 자체 상태와 공정 상태에 대한 실시간 정보를 제공한다. 그 결과로 나온 데이터를 통해 이러한 기기들과 이를 장착한 생산 장비의 유지보수 활동에 활용될 예측 정보가 만들어진다. 담당자는 그러한 지식에 기반하여 기계 고장을 방지하기 위한 즉각적인 활동이 필요한지 아니면 다음 일정의 정기 점검까지 기다릴 것인지 판단하게 된다. 이러한 예측에 기반한 작업을 통해 중요한 구성요소의 신뢰성과 수명이 개선되고 비용이 많이 드는 가동중단 횟수를 줄일 수 있다.
보다 진취적인 기업은 예측 유지보수를 보완하는 차원에서 설비에서 제대로 사용되지 못하고 있는 기술과 서비스를 조합하여 자산 최적화를 진행하고 있다. 그 결과 생산 시스템은 설계 역량에 다다르거나 초과하는 성능을 가지고 높은 수준의 생산성을 지속적으로 달성하게 된다.
공정 자동화 공급업체들은 자산 최적화 전문 지식 및 기술을 제공하고 있다. 전 세계적으로 1,800여명의 에머슨 직원이 고객사를 지원하고 있다. 서비스 전문가들은 업계에서 가장 광범위한 자산 관리 소프트웨어 어플리케이션을 적용시킨다. 예를 들어 Equipment Performance Monitor 어플리케이션은 현재 LNG 시설에 사용되고 있으며 가스 터빈, 압축기 및 열교환기 같은 중요 생산 설비에 대해 반응적 유지보수(고장 난 이후 수리)가 아닌 예측 유지보수를 가능케 했다. 경영 혜택으로는 트레인을 망라한 실적 개선, 높은 가동시간, 처리량 개선 및 늘어난 이익 등이 있다. 유지보수 측면에서 담당자들은 더 이상 고장 때문에 힘들어하지 않게 되었다. 자주 문제에 직면하게 될 자산에 대한 진보된 지식을 가지고, 중요 구성요소의 고장이 전체 운영에 영향을 미치기 전에 미리 고칠 수 있게 되었기 때문이다.
자산 최적화 어플리케이션은 기화기 공급에 사용되는 고압 펌프, 냉매 및 비등 정지 가스 압축 시스템 같은 중요 설비를 감시하고 최적으로 운전하는 데 사용될 수 있다. 온라인 또는 휴대용 진동 모니터, 오일 표본기, 음파 탐지기 및 적외선 온도 측정기 등에서 얻어진 데이터는 펌프 및 기타 회전 설비의 상태를 확인하기 위한 분석에 사용될 수 있다. 잠재적 실수를 미연에 예방하고 가동중단을 발생시키는 고장이 나기 전 미리 장비를 교환하거나 수리할 수 있다.
LNG 설비에서의 디지털 계장 표준화의 목표이기도 한 설비 가용성 및 생산성 향상은 장기 이익의 일부이다.
안전 계장 시스템
디지털 설비 아키텍처는 이제 안전 어플리케이션으로 확장되고 있다. 그 결과물인 스마트 안전 계장 시스템(Safety Instrumented System, SIS)은 센서에서 논리해석기(logic solver) 및 최종 제어 요소에 이르는 안전 루프 전반에 대한 통합 접근법을 최초로 제공하고 있다. 또한 자동화 안전 루프 시험 및 기타 시스템 가용성을 높이는 요소를 강화시키는 디지털 지능과 진단을 최초로 사용하였고 동시에 수명주기 비용을 낮추며 규정 준수를 더욱 용이하게 했다. 디지털 SIS는 사용자가 시설의 안전성을 개선하는데 도움을 준다.
완전하게 통합된 디지털 SIS는 안전 시스템 분리 요건을 만족시키며 화재 및 가스와 비상 가동중단, 그리고 주 공정 제어 시스템과 연계된 도류제 관리 시스템을 모니터링하고 운전할 수 있는 지속적이고 효과적인 인터페이스 플랫폼을 제공한다. 이러한 모니터링과 공정 제어는 도류제 제어실 같은 시설 내의 모든 통합 워크스테이션에서 실행될 수 있다. 디지털 아키텍처는 공정 지능, 설비 안전, 그리고 운영 유연성을 향상시킨다.
디지털 SIS 호스트 시스템은 안전 기능을 위해 설계된 스마트 기능 블록으로 구성된 온전한 팔레트를 제공하고 단순히 끌어놓기 구성 동작으로 가동준비를 수행할 수 있다. 이 시스템은 소프트웨어 내 버전 관리 및 감사 추적 기능을 가지며 Intelligent Device Manager 소프트웨어는 IEC 61511 준수 요건을 자동화하는 데 도움을 준다. 스마트 SIS 솔루션은 시간, 날짜, 작성자 및 해당 등급을 포함한 변경 사항을 기록한다. Plant Messenger는 정정이 필요한 사건을 해당 부서로 전달하고 Plant Event Historian은 모든 이벤트를 자동으로 문서로 저장한다.
에머슨의 통합 스마트 SIS 솔루션은 주 제어 시스템과 동일한 운전자 인터페이스 및 설계 도구를 사용하여 안전에 대한 대응과 보안 시스템을 단순화 및 개선시킨다. 또한 확장이 가능하다. 추가적인 안전 루프를 필요에 따라 추가할 수 있고 어떤 크기의 시스템이라도 게이트웨이나 여타 추가 구성요소 없이 만들 수 있다. 시스템 확장 또는 I/O(입출력 기술) 추가로 인해 성능이 낮아지거나 안전성이 떨어지게 되는 일은 없다. 결과적으로 설비 가동시간이 향상되고 확장비용이 감소된다.
LNG 디지털 아키텍처가 드리는 약속
디지털 아키텍처는 LNG 기업이 지난 몇 달 동안 산업 설비가 정지되는 운전 및 기계 문제 등을 없앨 수 있는 좋은 기회를 제공한다. 스마트 디지털 현장 기기는 낡은 기계가 문제를 일으키기 훨씬 전에 조기 경보를 발령할 수 있는 예측 유지보수 환경을 조성할 수 있는 수 많은 정보를 생성한다. PlantWeb과 같은 정교한 디지털 아키텍처는 설비 성능을 실제로 향상시키고 다양한 방법으로 비용을 줄여준다.
오늘날의 시장 상황에서 LNG 운영자는 안전 또는 경제적 손실을 야기하는 비정상적인 상황을 예방하기 위하여 그들 설비에 대한 가능한 최선의 정보를 반드시 확보해야 한다. 디지털 자동화 아키텍처는 운전의 상태를 알려주는 다양한 데이터 정보를 생성하고 수집하며 잠재적 문제를 진단하고 성능을 최적화 시킨니다. 마지막으로 통합 안전 시스템은 모든 직원, 구조물 및 LNG 공정, 그리고 수송장비의 보안을 제공한다.
David R. Reif는 하이드로카본(hydrocarbon) 산업 자동화 분야에서 25년 이상의 경험을 가지고 있다. 그는 텍사스주 휴스턴에 위치한 Fluor Daniel Engineers and Constructors에서 공정 엔지니어의 경력을 시작했다. 거기서 Texaco, BP, Phillips Petroleum, Mobil 및 Aramco 같은 수많은 정유 사에 정유 및 가스 공정 프로젝트, 공정 설계 수행, 운전 검증 및 시작 서비스를 제공했다. 1985년 처음으로 에머슨에 입사하여 에머슨의 Rosemount Division 하이드로카본 산업 마케팅 관리자를 역임했다. 거기서 시작하여 Reif는 여러 부서 및 회사 마케팅 영업의 요직을 두루 거쳤다. 1992년 에머슨 산하의 Fisher-Rosemount Group의 다국적 프로젝트 영업 업무를 담당하기 시작했다. 1998년에는 에머슨 프로세스 매니지먼트의 기업 영업 그룹에 합류하여 글로벌 하이드로카본 산업 영업 담당 부사장직을 맡았다. 현재 하이드로카본 영업 및 마케팅의 글로벌 책임자이다.
Reif는 University of Minnesota에서 화학공학을 전공하고 금융 MBA를 마쳤다. 1988년 이래로 American Petroleum Institute’s Committee의 멤버이다. 그리고 하이드로카본 설비의 디지털 자동화 아키텍처 및 발전형 공정 제어 분야의 수많은 논문을 집필하고 참여했다. Mark Kennedy는 에머슨 프로세스 매니지먼트의 LNG 분야 책임자이며 에머슨의 전 세계 LNG 산업에 대한 사업을 이끌고 있다. 그는 산업계 및 국제 프로젝트에서 글로벌 운전자, 엔지니어링 및 건설 기업과 공급업체를 대신하는 엔지니어링 및 관리 역할을 25년 이상 수행했다. Kennedy는 George Washington University에서 전기공학을 전공하였고 Wake Forest University에서 MBA를 취득했다.