핵심 자산 모니터링을 통한 신뢰성의 증대

플랜트 신뢰성의 향상으로 대참사의 위험을 줄이고 유지 관리 비용 감소

By Nikki Bishop

제어 프로세스 산업에서 ‘신뢰성’이란 일상적인 상황과, 적대적이거나 예상치 못한 상황에서 제 기능을 수행하고 유지할 수 있는 시스템의 능력으로 정의될 수 있다. 운용 시설에서 발생된 예상치 못한 상황은 대참사를 초래할 수 있다. 플랜트 신뢰성의 향상은 리스크와 대참사가 발생할 가능성을 줄여주며, 유지 관리 비용을 감소시켜 준다. 플랜트의 신뢰성을 향상시킨다는 것은 프로세스의 기기가 지속적으로 운영되도록 적절하게 유지 관리하는 것을 의미한다.
Solomon Associates에 따르면, 세계 최고 수준의 기업은 유지 관리 비용을 플랜트 교체 비용의 1.4% 이하로 유지하고 있으며, 기계의 이용 가능성 또한 96.7% 이상이라고 한다. 세계 최고 수준의 퍼포머(performer)가 되기 위해서는 효과적인 자산 관리 전략을 실행해야 한다.
대형 컴프레서(compressor)나 터빈과 같은 핵심 프로세스 기기의 실시간 모니터링(및 보호)은 대부분의 시설에서 준수하고 있는 표준 관례이다. 그러나 하위기기(second-tier equipment)에 대한 모니터링은 많은 비용이 소비되거나 너무 어려운 것으로 치부되어 왔다. 하위 기기는 ‘핵심자산 (essential assets)’이라고도 표현되며, 여기에는 펌프, 열교환기, 블로어(blowers), 소형 컴프레서, 파이프/베슬, 냉각탑 및 공냉식(air-cooled) 열교환기(‘핀 팬(fin fans)’)가 포함된다. 이렇게 모니터링 되지 않는 자산들이 원칙적으로 ‘핵심적(critical)’이라 분류되지 않을 수도 있지만, 오류나 실패가 발생하면 심각한 프로세스 중단이나 가동 중단 현상이 초래되어 생산 손실과 부상, 벌금 및 환경에 부정적인 영향을 주는 결과가 발생될 수 있다. 미국의 National Response Center는 2000년과 2010년 사이, 한 해 평균 약 9,000 건의 사고가 기기 고장으로 인해 발생되었다고 보고했다(그림 1). 초기 경고 시스템이 설치되어 문제를 확인하고 고장 전에 수정될 수 있었다면, 이러한 사고 중 다수를 방지할 수 있었을 것이다.

핵심요약
●핵심자산의 자동 모니터링은 예기치 않은 가동 중단이나 속도 둔화현상을 줄려준다.
●무선 기술은 비용장벽을 무너뜨리며, 프로세스 기기의 ‘건전성’이나 조건을 쉽게 감시할 수 있다.
●핵심 자산 모니터링 전략 덕분에 UT-Autin의 Pickle Research Center는 운영을 계속할 수 있다.

30년 이상의 경력을 지닌 정제 산업의 전문가 Doug White는 다음과 같이 말한다. “우리는 세계 곳곳에서 다양한 정유 공장에 대해 많은 연구를 실시하고 있습니다. 여러 산업적 출처에서 얻은 데이터에 대한 우리의 분석에 따르면, 전형적인 정유 공장에서 예기치 못한 사건의 약 25%가 기기 고장과 관련이 있습니다. 저희가 통합한 데이터는 <그림2>에 나타나 있으며, 이 그림은 예기치 못한 가동 중단 및 속도 둔화의 주요 근본 원인과 각각에 연관된 기기 이용 가능성의 손실을 보여주고 있습니다. 저희의 연구에 따르면 단 7 가지의 자산 분류가 주요 손실의 원인이 되고 있습니다. 밸브, 펌프, 베슬, 컴프레서, 파이핑(piping), 교환기 및 연소장치가 바로 그것입니다.”
이러한 자산에 소요되는 유지 관리와 관련하여, White는 다음과 같이 덧붙인다. “저희의 산업 분석을 기반으로 살펴보면, 전형적인 정유 공장에서 이와 같은 7가지 자산 분류의 유지 관리에 소요되는 비용은 전체 유지관리 예산의 약 70%를 차지합니다. <그림3>은 이 7가지 자산 분류와 관계된 유지 관리 예산의 비율을 보여주고 있습니다. 저희는 유지 관리 비용이 이용하는 자산 관리 전략과 밀접하게 관련이 있다는 것을 발견했습니다. 올바른 전략을 선택하면 비용을 줄이고 자산의 신뢰성 및 프로세스의 이용가능성을 증대시킬 수 있습니다. 비용 절감에만 초점을 맞추면 장기적인 신뢰성이 타격을 입을 수 있고, 유지관리 및 신뢰성은 서로 분리시킬 수 없습니다. 신뢰성 향상에 초점을 맞추면 총 소유비용은 차례로 감소할 것입니다.”

<그림1>. U.S. National Response Center의 보고에 따르면, 기기 고장의 대부분은 보고된 사고로부터 기인한다.

<그림2> 핵심자산의 고장은 예상치 못한 가동중단이나 속도둔화의 주요 원인이 될 수 있다.

<그림3> 총 유지관리 예산의 70%를 7개의 자산이 차지한다.

신뢰성을 위한 일반적인 전략
실행비용과 기대되는 신뢰성 사이에 균형을 잡는 올바른 자산 관리 전략을 선택하는 것이다. 반작용적 유지관리는 가장 비용이 많이 소요되고 신뢰성이 낮은 유지관리 프로그램이다. 예를 들어, 일부 핵심 자산은 반작용적 유지관리 프로그램의 일부로서 예비 자산을 가지고 있을 수 있다. 일반적인 관례는 기기에 고장이 발생할 때까지 가동시키고 필요시에 이를 예비용으로 교체하는 것이다. 하지만 프로세스의 방해나 가동 중지 현상을 방지하기 위해 적절한 시기에 예비용으로 교체하는 것이 불가능할 수도 있다. 예비 자산으로 교체했더라도, 유지 관리 인력이 고장 자산을 수리해야 하는 상황에 직면할 수도 있다. 예비용이 없는 기기에서는 고장 난 자산을 복구하기 위해 가동을 중지시켜야 한다. 평균적으로 고장 자산의 수리비용은 고장 전 문제가 처리되었을 때와 비교 시 50% 더 높다.
이에 대한 대안으로, 일부는 유지 관리의 필요 여부에 관계없이 일정 기반 자산 서비스라고 하는 예방적(preventive) 유지관리 프로그램을 이용한다. 이러한 접근법이 고장이 발생할 때까지 사용하는 방식에 비해 신뢰성이 훨씬 높은 반면에, 역시 단점이 있다. 가치 있는 시간과 자원이 수리가 불필요한 자산에 소비될 수도 있다. 불필요하게 자산을 점검하느라 바쁜 인력은 대신 다른 생산성 있는 작업을 처리할 수 있다. 또한, 점검되는 자산이 예비용을 지니지 않는 경우, 프로세스는 불필요하게 방해를 받게 되어 가치 있는 생산 시간을 허비하게 된다.
예측(predictive) 유지관리는 자산 유지관리 전략으로서의 또 다른 옵션이다. 이 접근법에서 핵심 자산은 현장의 스팟 체크(spot-checks)에 의해 수동적으로 모니터링 될 수 있다. 이러한 ‘클립 보드 라운드(clip-board rounds)’는 교대 근무 당 1회 진행될 수도 있으나, 분기 당 한 번 이하의 빈도로 진행될 수도 있다. 주기적인 핸드헬드(handheld) 진동 혹은 성능 검사는 선택된 자산에 대해 1년에 한 번이나 한 달에 한 번 실행될 수 있다. 예측 유지관리 방식은 - 가급적 낮은 빈도의- 주기적 데이터 획득을 기반으로 하기 때문에 자산의 상태를 실시간으로 파악하는데 실패한다. 따라서 기기는 데이터가 획득되는 과정에서는 실패할 수 있으며, 이로 인해 프로세스의 중단이 초래되며 자산 수리에 많은 비용이 소요된다. 현장의 데이터 수집을 위해 고급 인력에게 데이터를 전송하느라 자원이 낭비되며 이는 환경에 위협적일 수 있다. 또한, 수집된 데이터의 분석과 해석을 위해서는 교육된 엔지니어나 기기 전문가가 필요하다. 숙련된 인력의 은퇴로 이들이 지닌 방대한 전문 지식도 사라지고 있기 때문에 문제는 더욱 복잡하다. 주기적인 모니터링은 기기의 상태에 대한 통찰력을 지니고 있지 않은 작업자와 유지 관리 인력의 몫이 된다.
자산 관리 전략 선택 시, 신뢰성을 증대시키고 유지 관리 비용을 최소화 할 수 있는 이상적인 접근법은 자동 모니터링 전략(automated monitoring strategy)으로, 자산의 상태에 대한 정보를 온라인(online)으로 제공하는 전략이다. 자동 모니터링은 기기의 결함을 비고의적으로 발생시키는 프로세스의 조건을 감지할 수 있다. 불리한 프로세스의 조건에 대한 지식을 이용해 작업자들은 프로세스와 관련된 기기 결함을 방지할 수 있도록 조정 작업을 실행할 수 있다. 고장에 임박한 결함이 발생하는 경우, 자산의 상태를 온라인에 나타내어 저하된 상태에 대해 경고함으로써 예비용 기기를 안전하게 온라인에 가져올 수 있는 충분한 시간이 확보된다. 이에 따라 프로세스의 고장과 오프 스펙(off-spec) 제품, 그리고 예상치 못한 이동을 초래하는 안전 관련 사고를 방지한다. 고급 경보 기능은 유지관리 인력에게 고장을 방지하기 위해서 수리를 해야 하는 시기를 결정하는데 필요한 정보를 제공한다. 예비용을 지니고 있지 않은 자산에 대해서도 이와 같은 정보를 제공한다. 자동 모니터링 전략은 제어실에서 자산 관리를 할 수 있게 해 주며, 데이터를 수정하기 위해 현장으로 불필요하게 이동해야 하는 불편함을 없애준다. 중앙화된 형태의 온라인 자산 모니터링은 데이터를 얻기 위해 위험 지역으로 인력을 내보내야 하는 일도 불필요해진다.

무선 기술, 온라인 모니터링의 문을 열다

<그림4> 자산 및 프로세스의 경향을 보여줌으로써 캐비테이션이 일어나는 가능성을 확인할 수 있다.

초기 경보 시스템의 핵심은 온라인 현장 신호이다. 역사적으로 프로세스 플랜트는 기기를 안전하게 운영하기 위해 필요한 최소한의 기기만으로 건설되어 왔다. 예산과 관련된 제한점이 존재하거나, 진동이나 음향 트랜스미터처럼 필요한 측정 기술이 설계 시점에서 이용 불가능했다는 것이 그 원인일 수 있다. 신뢰성을 향상시키고 유지 관리 비용을 감소시키고자 하는 노력은 현재 존재하는 측정의 종류 및 누락된 측정이 무엇인지에 대해 조사하는 것으로 시작되어야 한다. 전통적으로, 누락된 측정을 추가하는 것은 많은 비용과 시간이 소요되며, 위치적인 요건 때문에 비현실적인 일이었다. 무선 기술의 등장으로 실행을 위한 비용 장벽이 현저히 낮아졌으며, 이로 인해 프로세스 기기-펌프, 열교환기, 제어 밸브, 스팀 트랩, 압력 방출 밸브나 다른 핵심 자산-의 조건이나 ‘건전성’을 감시하는 일이 쉬워졌다. 무선 기기는 전통적인 방식으로는 도달하기 어렵거나 비용이 많이 소비되는 장소에 설치될 수 있다. 무선 기기는 보통 설치에 두 시간이 소요되며, 이는 유선 기기 설치에 이틀이 소요되는 것과 비교된다. 무선 네트워크를 설치하면 기존의 네트워크에 기기를 추가함으로써 향후 확장이 용이하며, 이와 동시에 네트워크의 견고함(robustness)와 탄력성은 강화된다. 유선 기기 또한 무선으로 커뮤니케이션 될 수 있도록 변경시킬 수 있으며, 현장에 국한된 측정이 무선 네트워크의 일부가 될 수 있다.
무선 기술이 측정을 추가할 수 있는 쉽고 비용 효율적인 수단을 제공하는 반면에, 데이터 수집 자체가 기기 고장을 방지하거나 플랜트 신뢰성을 향상시키지는 않는다. 축적된 데이터와 분석이 수집된 정보로부터 의미 있는 경보를 발생시키기 위해 필요하다. 자산 데이터, 프로세스 데이터 및 통계적 프로세스 제어 기술의 통합은 기기의 결함을 감지할 수 있는 강력한 결합체이다. 압력이나 온도, 유량과 같은 프로세스 데이터와, 진동이나 베어링 온도(bearing temperature) 등의 자산 데이터를 모니터링 하면, 자산의 상태를 악화시킬 수 있는 특정 프로세스의 조건을 확인할 수 있다. 불리한 프로세스 조건은 감지될 수 있으며, 향후에 자산이 손상되는 것을 방지하기 위해 이러한 조건의 수정이 가능하다. 프로세스 및 자산 데이터를 종합하기 위해 적용되는 통계적 프로세스 제어 방식은 플랜트의 작업자들에게 의미 있는 경보를 제공하며, 불필요한 불안은 제거한다. 조치를 취해야 하는 문제에 대해 명확하게 나타내는 경보는 문제를 진단할 수 있게 하며, 신속하고 효과적으로 해결될 수 있게 한다. 경보 발생에 스마트 분석을 적용하는 것 또한 훈련된 신뢰성 관련 엔지니어나 기기 전문가들에 대한 요구를 줄여준다. 숙련도가 떨어지는 인력들도 경보가 문제 상황을 명확히 나타낼 때 이에 응답할 수 있기 때문이다.
또한 애플리케이션 소프트웨어와 필요한 측정 기기로 구성된 선설계 통합 솔루션(pre-engineered integrated solutions)은 편리하고 강력한 자산 모니터링 방식을 제공한다. 프로세스와 자산 데이터에 연결하기만 하면, 선설계 솔루션이 복잡해 보이는 업무에 대해 손쉬운 ‘플러그 앤드 플레이(plug-and-play)’ 솔루션을 제공할 수 있다. 또한 선설계 솔루션은 동일한 종류의 여러 자산을 쉽게 배치할 수 있다는 이점 또한 제공한다. 특정 유형의 모든 자산(예를 들면, 펌프나 팬(fans))에 대한 일관적인 분석 방식은 효과적인 결정을 지원하는 데 중요한 역할을 한다.
펌프 캐비테이션(pump cavitation)은 초기에 경보가 발생되는 조건의 주된 예다. 캐비테이션은 펌프 석션(suction)에서 액체의 압력이 기체의 압력 이하로 떨어져 거품(bubbles)이 형성되면 발생되는 현상이다. 거품은 임펠러(impellers)와 내부 표면에서 자연스럽게 파열되며, 이러 인해 펌프 내부 구조가 손상되고 플로우가 중단되고, 씰(seal)에 결함을 초래할 수 있다. 펌프 주변의 프로세스 조건과, 진동 및 베어링 온도와 같은 펌프 자산 데이터를 검토함으로써 초기의 캐비테이션 경보는 발생될 수 있으며, 이로 인해 캐비테이션에 의한 손상을 최소화하기 위해 프로세스의 조건을 변경할 수 있다.

제 기능을 담당하는 핵심 자산 모니터링 솔루션

<그림5> 핵심자산 모니터링 프로그램을 이용하면 연간소득이 놀라운 소득으로 증대된다.

자산은 ‘말썽꾼(bad actors)’이라는 오명을 얻기도 한다. 반복적인 문제와 반복적 실패를 경험하는 자산을 말하는 것이다. 이러한 ‘말썽꾼’을 모니터링 하면 임박한 고장에 대한 초기 경보를 얻을 수 있다. University of Texas-Austin’s J. J. Pickle Research Center는 현재, 기기의  상태를 모니터하기 위해 핵심 자산 모니터링 전략을 이용하고 있다. 모니터링 되는 자산 중 하나는 강제 통풍 공기 블로어(forced-draft air blower)로, 이는 구형 천연 가스 연소 보일러로서의 역할을 한다. 이 보일러는 Separations Research Program 시설에 스팀을 제공하며, 스팀 제공은 시설 운영에 필수적이다. 이 보일러는 ‘말썽꾼’ 중 하나라고 생각된다. 정상적인 요구에 비해 크기가 커서 매 20분마다 사이클이 on과 off를 반복한다. 계속적인 사이클링(cycling)으로 블로어(blower)에 스트레스가 가해지며 블로어는 연소 가스를 공급하기 위해 가동 시작 후 중지되어야 한다. 과거에는 임펠러(impeller)의 고장으로 인해 블로어가 손상되어 보일러에서 분리되기도 했다. 필수적인 연소 가스 부재로 보일러에 문제가 발생하였고, Separations Research Program으로의 스팀 공급은 중단되었다. 오래된 보일러의 부품을 구할 수 없었기 때문에 블로어를 교체할 수도 없었다. 대신 블로어를 다시 만들어 보일러에 재용접 하였으나, 용접된 부분이 눈으로 선명하게 확인되었다. 마지막 수리 이후, 무선 진동 트랜스미터를 블로어 모터에 설치하였고, 플랜트의 인력들은 이제 블로우의 건전성에 대해 알 수 있게 되었다. 이 사례에서 두 대의 가속도계(accelerometers)가 설치되었으며, 각각의 가속도계는 두 가지의 진동 계측 값을 제공했다. 하나는 전체 진동에 대한 계측이었고, 다른 하나는 PeakVue 진동을 위한 것이었다. PeakVue 진동은 초당 50,000회의 굉장히 빠른 샘플링 속도로 추출되며, 금속이 금속에 영향을 미치는 경우 발생하는 영향의 피크 값(peak value)을 측정한다. 작업자는 블로어의 상태를 모니터할 수 있으며, 또 다른 고장이 발생하는 것을 방지하기 위해 필요한 수리 작업을 수행할 수 있다. 그림5는 보일러 블로어를 모니터하는데 사용되는 작업자 디스플레이를 보여주고 있다. 보일러의 전체적인 상태가 디스플레이 되며, 무선 전동 트랜스미터의 측정 또한 표시된다.
보일러의 블로어를 모니터할 뿐만 아니라, 펌프와 열교환기를 위한 온라인 모니터링 솔루션 또한 J. J. Pickle Research Center에서 운영되고 있다. CO2 스트립퍼 컬럼(stripper column)의 바닥 펌프(bottom pump)는 캐비테이션(cavitation), 낮은 펌프 헤드, 그리고 높거나 증가된 진동 등과 같은 결함에 대해 모니터링 된다. 스트리퍼 컬럼의 열교환기 역시 모니터링 된다. 파울링(fouling)이 감지되고 세척이 필요한 경우, 경보가 발생된다. 교환기의 임무 계산(duty calculations)이 수행되며, 그 결과가 명확하게 디스플레이 된다. 펌프와 교환기의 전체적인 상태  또한 고려 계산되고 디스플레이 된다. J. J. Pickle Research Center는 원격 연결을 설정함으로써 자산 분석 시스템을 발전시켰으며, 이 시스템에서는 숙련된 전문가가 보안성 높은 VPN 액세스(access)를 이용해 로그인(log in) 할 수 있어, 자산과 관련된 문제를 분석하고 이를 수정하기 위한 적절한 행동을 취하도록 도울 수 있다.

<그림6> 이전의 결함으로 인한 용접된 연결선은 온라인 모니터링 밸브를 상기시켜주는 역할을 한다.

<그림7> 무선 진동 트랜스미터를 통해 블로어(blower)의 상태를 알 수 있다.

핵심 자산 모니터링의 이점
핵심 자산이 작동하지 않는 시간(downtime) 동안에는 프로세스의 속도 둔화나 가동 중단이 초래되며, 이로 인해 생산이 소실되고, 궁극적으로 이윤이 감소하게 된다. 자동 모니터링 프로그램은 예기지 않은 가동 중단이나 속도 둔화를 줄여주며, 최상의 신뢰성을 유지할 수 있게 하고 유지 관리 비용을 최저 수준으로 낮춰준다. 무선 기술이 선설계 통합 솔루션(pre-engineered integrated solutions)과 결합되면, 쉽고 비용 효율이 높은 핵심 자산 분석이 가능해져 비용 장벽을 극복할 수 있다.

핵심 자산의 온라인 모니터링은 다음과 같은 특징을 지닌다. 
- 비정상적인 운용이나 임박한 고장을 감지한다.
- 자산의 정상적인 마모 현상을 예측하고 이에 대한 유지 관리 계획을 세울 수 있도록 온라인 정보를 제공한다. 
- 프로세스의 환경이 플랜트 기기에 유해한 경우, 작업자에게 직접적인 피드백을 제공한다. 
- 진단 루틴과 기기 및 프로세스 건전성에 대한 경보를 발생시킨다. 
- 적절한 시기에 시정조치를 내릴 수 있어 시설을 온라인 상태로 유지한다.

신뢰성을 향상시키고 유지 관리 비용을 감소시키면 이윤이 증대된다. 표 6에서 볼 수 있는 것처럼, 하루에 250,000 배럴을 처리하는 전형적인 정유 공장에서 효율적인 핵심 자산 모니터링 프로그램으로 얻을 수 있는 이익은 단순히 결함을 확인하는 일을 기반으로 계산하여도 최대 1,470만 달러(USD)에 이른다. 유해한 운용 조건을 방지하는데 필요한 도구를 작업자에게 제공함으로써 전체적인 결함을 제거하여 훨씬 더 많은 이익을 얻을 수 있다. 이러한 이점은 차트에서 확인할 수 있다.  시장에는 올바른 도구가 존재한다. 무선 기술 덕분에 누락된 측정을 처리하는 과정이 간단해졌다. 선설계 모니터링 솔루션(pre-engineered monitoring solutions)은 엔지니어링 설계의 장벽을 제거했다. 업계 선두 주자인 정유 공장은 자동 모니터링을 향해 나아가기 시작했으며, 이미 그로 인한 효과를 직접 확인하고 있다.

<표6>얼마만큼의 가치가 있을까?

저자 소개
Nikki Bishop, PE,는 에머슨 프로세스 매니지먼트의 Senior Application Conslutant를 맡고 있다. 그녀는 산업 에너지, 제약(pharmaceuticals), 전력 발전(power generation), 펄프 및 종이, 그리고 정유 관련 프로젝트 등의 프로세스 제어 산업 분야에서 경력을 쌓았다. Georgia Tech에서 BSChE 학위를 취득했으며, 현재 남편 그리고 두 아들과 함께 아틀랜타에 거주하고 있다.
본 기사는 2012년 InTech 6월 호에 게재된 것을 번역한 것이다.