정유 산업의 미래, 무선 기술에 있습니다
Murali, K. T.
에머슨 프로세스 매니지먼트 아시아 태평양 지사
무선 트랜스미터는 공정 운영 및 장비 모니터링 모두에 복합적인 혜택을 부여하여, 정유 시설에서 겪고 있는 다수의 문제에 대한 해결책을 제공합니다.
규모는 확대하지 않으면서도 가동은 지속하고 생산은 증가시켜야 한다는 끊임없는 압박 때문에 정유 시설들은 분투하고 있습니다. 북미 및 유럽 내 일부 오래된 정유 공장들은, 경제 요인 및 공급 과잉으로 인해, 폐쇄되거나, 추가 개선을 최소한도로 제한하는 범위에서 운영을 이어가고 있는 상황입니다. 이에 따라, 상기를 제외한 나머지 시설들은 경쟁력 유지를 위해 운영비용을 낮게 유지하거나 현장 시장 요구를 충족할 수 있도록 완제품을 수입해야만 하는 현실에 처하고 맙니다. 더욱이 이와 같은 조치의 대부분은 긴축 조건 및 경제적 불확실성의 국면에서 시행되고 있습니다.
북미와 유럽을 제외한 지역(특히, 아시아 태평양 및 중동)의 경우, 빡빡한 건설 및 시운전 일정으로 미개발 부지에 정유 시설이 구축되고 있습니다. 이들 정유 시설의 대다수는 개발도상국에 소재하기 때문에, 숙련된 운영 인력 확보에 어려움이 따릅니다. 때로 심각한 경제 상황 및 인력 충원 난제에 직면하게 되는 업체들이라도 정유 시설의 성과 향상에 대한 요구는 외면할 수 없으며, 안전성, 에너지 효율성, 신뢰성, 효용성 또한 유지(가능하다면 개선)해야 할 필요성도 수반합니다.
무선 트랜스미터는 정유 시설에서 겪고 있는 다수의 문제에 대한 해결책을 제공할 수 있으며, 아래와 같은 네 가지 영역을 중심으로 공정 운영 및 장비 모니터링 양자에 복합적인 혜택을 부여합니다.
ㆍ 공정 모니터링에 필수적인 신규 측정 장치 추가에 대한 유연성
ㆍ 2차 펌프 및 여타 회전 장비 모니터링
ㆍ 음향 및 진동 트랜스미터와 같은 신규 측정 장치 가용화
ㆍ 측정치를 전송하는 현장 게이지 교체
무선 기술의 사용
비용적인 이유로, 대부분의 정유 시설은 설비의 안전한 가동에 필요한 최소한의 계측기기 및 제어만을 갖추도록 구축됩니다. 측정 추가는 곧 비용 추가를 의미하기 때문에, 공정 설계자들은 통상 시설을 안전하게 시작하고 실행할 수 있는 범위로 제한하여 계기 분량을 최소화하게 되고, 이외의 계측기기는 최종 사용자의 몫으로 돌아가는 일이 빈번합니다. 종종 간과되기 일쑤인 영역 중 하나로는, 장비 상태 모니터링을 들 수 있습니다. 이는 부분적으로 경제적인 측면에서 기인하며, 다른 한편으론 몇 년 전만 해도 무선 진동 트랜스미터와 음향 트랜스미터가 부재했기 때문에 설계자들이 사용할 수 있는 장치가 국한되었다는 이유도 작용했습니다.
과거, 다수의 검침은 현장 작업자가 휴대용 장치를 사용하거나 로컬 압력 게이지 및 온도계의 표시를 판독하여 이루어지곤 했습니다. 이는 노동력을 소요하는 인력의 비효율적 사용일 뿐만 아니라, 검침 횟수를 제한하고 때로 작업자들이 데이터 수집을 위해 고온의 장비에 사다리를 타고 올라가야 하는 상황에 노출되기 때문에 부상의 위험 또한 증가시킵니다.
장비 상태에 대한 정보 없이 상태 기반 유지 보수 프로그램을 확립하는 것은 쉽지 않으며, 예기치 않은 장비 고장은 비효율적 운영, 사양에서 벗어난 제품, 일정 외 가동 중지를 야기할 수 있습니다. 계측기기의 추가는 자산 상태에 대한 지식을 강화할 수 있지만, 그간의 경우 추가 계측기기는 기기 구매 가격, 연결을 위한 추가 I/O 지점의 필수 배선 작업, 문서 변경 비용, MOC(변동 관리) 절차 필요성 등을 수반하여 상당한 비용을 요구 했습니다. 이와 같은 역학을 변화시킬 수 있는 해법은 무선 기술에서 찾을 수 있습니다.
무선 기술, 역량 강화의 원동력
계측기기를 추가하는 비용 효과적인 방안 중의 하나는, 무선 장치를 사용하는 것입니다. 현재, 무선기기 기술은 손쉽게 사용이 가능하고, 세계 전역에서 이의 효용성이 입증되고 있습니다. WirelessHART는 국제 표준(IEC 62591)으로 검증된 기술의 대표적 예라 할 수 있는데, 이의 구현은 최소한의 엔지니어링만을 요하고, 설치 및 시운전은 물론 확장 역시 용이합니다. 또한, WirelessHART 네트워크에 기기를 추가하는 것은 실제로 통신 신뢰성을 증가시키며, 리피터(repeater) 없이도 네트워크 범위를 확대시킵니다.
무선 기술 도입의 부적합 사례
무선 트랜스미터는 많은 장점을 갖추고 있지만, 모든 분야에 적용되는 최상의 선택 사안은 아닙니다. 이는 일반적으로 데이터 속도 때문이라 할 수 있는데, 일부 무선 장치는 초당 1회까지 전송하도록 설정할 수 있지만, 대다수는 분당(혹은 더 긴 간격) 수 회 정도의 업데이트 시간 범위를 갖는 분야에 보다 적합합니다. 유량 및 압력 제어와 같이 신속한 응답을 요구하는 자산이라면 유선 계측기기가 최적이며, 일부 사용자들은 모든 유형의 제어에 무선 사용을 꺼리기도 합니다. 다행히 유선 계측기기가 적합한 분야는 특성상, 유선 계측기기를 위한 비용 역시 정당화가 가능한 경우가 많습니다.
기존 정유 시설에 대한 필수 자산 관리 프로그램에는 일반적으로, 공동 현상 및 베어링 불량의 모니터링이 포함됩니다. 기존 정유 시설에 대한 필수 자산 관리 프로그램에는 일반적으로, 공동 현상 및 베어링 불량의 모니터링이 포함됩니다.
기존 정유 시설을 위한 솔루션
정유 시설에 대한 필수 자산 모니터링 프로그램에는, 일반적으로 다음과 같은 네 가지 영역이 포함됩니다:
ㆍ 베어링 마모, 정렬 문제, 임펠러(impeller) 혹은 블레이드(blade) 손상으로 유발될 수 있는 장비 기준선 비례 진동 증가를 위한 펌프
ㆍ 베어링 마모, 정렬 문제, 루버(louver) 손상, 블레이드 손상, 공진 주파수를 위한 압입 통풍, 흡출 통풍선, 기타 송풍기
ㆍ 베어링 마모, 윤활 문제, 블레이드 불균형, 정렬 문제를 위한 압축기
ㆍ 베어링 및 기어 고장, 구동축 오정렬, 진동 과잉을 위한 냉각탑
사전 엔지니어링 방식 열교환기 솔루션은, 기존의 유선 및 신규 무선기기 애플리케이션을 사용하여 비용 효과적인 자동 항시 모니터링을 실행할 수 있는데, 이는 운영 향상 및 에너지 경비 절감을 도모합니다. 이와 같은 구성을 도입할 경우, 유지 보수 담당 인력은 최적의 열전달을 허용하면서 사전에 세척 및 유지 보수 일정을 계획할 수 있습니다. 또한, 시설에서는 에너지 경비 및 오손으로 인한 성능 손실을 최대 10%까지 감소시키는 결과를 달성할 수 있게 됩니다. 25만 BPD 규모의 정유 시설이라면, 상기 결과는 모든 공정 단위 전반에 걸쳐 연간 35만 달러 혹은 그 이상에 달하는 금액의 절감을 의미합니다.
정유 시설에서 현저한 장점을 발휘하는 무선 장치 유형 중 하나는, 다수의 플랜트에서 사용한 최초의 무선 장치일 무선 진동 트랜스미터라고 할 수 있습니다. 현재 무선 진동 트랜스미터는, 펌프의 공동 현상 및 베어링 문제와, 모터의 베어링 모니터링을 위해 광범위하게 사용되고 있습니다. 또한, 증기 트랩(steam trap)의 누출은 증기는 물론 금전적인 손실로 직결됩니다. 이 경우, 증기 트랩의 밀집도 상태를 모니터링 하여 중요한 정보를 온라인으로 제공하는 소프트웨어 패키지와 더불어 스마트 무선 음향 트랜스미터를 사용한다면, 증기 트랩 고장 시 이를 통보하고 위치 데이터를 전송받을 수 있습니다.
압력 방출 밸브의 누출 역시 상당한 문제입니다. 이는 소중한 자원을 낭비할뿐더러, 일부 조건 하에서는 가연성 혹은 독성 물질 방출까지 초래하여 탈루성 배출에 대한 법률적 규제 조치로 이어질 수 있습니다. 스마트 무선 음향 트랜스미터는 밸브 누출로 생성되는 난류를 감지하고, 방출 발생 시점 및 방출 중단 시점을 사용자에게 통보합니다.
무선 트랜스미터는 또한, 공냉식 열교환기에 대한 필수 자산 모니터링 프로그램의 일환으로도 유용합니다. 이는 냉각 감소, 공진 주파수, 정렬 문제, 루버 고장을 모니터링 할 수 있습니다(그림2 참조).
진동 트랜스미터는, 공냉식 열교환기(‘핀 형태 환풍기[fin fan]’) 의 냉각 감소, 공진 주파수, 정렬 문제, 루버 손상을 모니터링 하고, 액체 방식(liquid-to-liquid) 열교환기의 오손을 모니터링 하는, 필수 자산 모니터링 프로그램에서 유용하게 사용됩니다.
대다수의 공정 열교환기는 그간 ‘시험정(test well)’과 함께 설치되었는데, 다수의 thermowell에는 공정 온도를 포착해 열교환기의 오손을 감지할 수 있는 온도계나 열전대 감지 소자가 삽입되지 않았습니다. 비어있는 열전대 보호관에 감지 소자를 삽입하고 무선 온도 트랜스미터에 이를 연결하여 온라인으로 열교환기의 오손에 대해 모니터링 하는 것은 손쉽게 구현이 가능합니다(그림 - 3 참조). 더불어, 계산을 수행하고 결과의 동향을 분석하는 소프트웨어 역시 가용합니다. 무선 트랜스미터는 공정 압력 모니터링 및 유압 한계 추적에도 사용할 수 있습니다.
비어있는 열전대 보호관에 감지 소자를 삽입하고, 무선 온도 트랜스미터에 연결하는 것을 통해, 열교환기의 오손을 온라인으로 손쉽게 모니터링 할 수 있습니다.
무선 자산 모니터링 계측기기는 다양한 모니터링 네트워크에 추가적인 기능성을 갖출 수 있도록, 필요에 따라 무선 압력, 온도, 진동, 레벨, pH 장치를 추가하여 증대가 가능합니다.
철저한 유지 보수 프로그램이라면, 부식 모니터링 또한 포함하게 됩니다. 현대의 무선 부식 모니터링 트랜스미터는, 예전에는 접근이 불가능했던 장소까지 비용 효율적이고 지속적인 온라인 모니터링을 제공합니다.
작업자는 온라인 부식률 정보를 이용해 부식에서 발생하는 스파이크(spike)를 감지하고, 이 정보와 여타 공정 데이터의 상관관계를 검토하여 근본 원인을 분석하여, 운영 경비 감소, 자산 수명 연장, 가동 중지 간격 최대화를 성취할 수 있습니다. 노화를 촉발하는 물질 흐름 때문에 부식에 취약해진 자산은, 유선 온라인 시스템에 적합하지 않은 경우가 많습니다. 이와 같은 환경에서 부식으로 인한 고장을 방지할 수 있는 효과적인 방법은, 무선 부식 트랜스미터에 신뢰도 높은 데이터 전송/처리 시스템을 통합하는 것입니다.
무선 장치의 또 다른 주요 장점으로는, 작업자가 현장에 방문하여 직접 압력 및 온도 게이지를 측정할 필요성을 최소화 시킨다는 점을 들 수 있습니다. 위험한 현장에 직접 파견되는 인력 투입 시간을 절감하는 것은, 전체 인력의 안전성 증가로 직결된다고 하겠습니다.
미개발 부지 정유 시설을 위한 솔루션
인구 증가로 인해 정유 제품의 수요가 증폭되고 있는 아시아 태평양 및 중동 지역에서는, 현재 미개발 부지 내 정유 시설의 구축이 한창입니다. 이러한 추세는 향후 수 년 동안 지속될 전망이며, 수요에 대한 충족을 위해 국영 석유 기업들은 정유 시설을 추가적으로 건설하고 있습니다.
정유 시설 건설 프로젝트의 규모는 다양하게 분류되지만, 비교적 용량이 큰 시설을 구축하는 것이 지배적인 동향입니다. 다수의 프로젝트에는 전 세계 상이한 지역에 본사를 둔 여러 EPC(설계 엔지니어링, 구매, 시공) 기업들이 참여하기 때문에, 프로젝트 일정 계획이 대단히 중요하면서도 까다롭다고 할 수 있습니다. 복수의 EPC가 아닌 경우라도, 프로젝트 기간 전반을 거칠 시, 엔지니어링 설계에 대한 변경은 불가피합니다.
적용 지점이 6천 개에 달하는 미개발 부지 아로마틱(aromatics: 벤젠, 톨루엔, 자일렌처럼 6각 고리형 분자구조를 가진 탄화수소 화합물의 총칭) 공정 프로젝트로부터 수집한 실제 데이터를 활용한 2009년도의 한 연구 보고서는, 무선이 전체의 44%에 적용되었음을 나타냈습니다. 무선은 전체 유선 방식 HART 솔루션과 비교했을 때 자동화 및 설치에서 36% 절감 효과를 보였고, Foundation Fieldbus는 고밀도 온도 측정을 사용함으로써 WirelessHART 보다 좀 더 저렴한 결과를 나타냈습니다. 결론적으로, 무선 기술 전반은 상대적으로 저가의 비용에, 까다로운 모니터링 위치에서도 가능한 용이한 사용, 유연성, 미래 성장 잠재성의 장점을 결합한다고 할 수 있습니다.
상기 연구에 따르면, 무선 기술은 설치에 어려움이 따르고, 원격 모니터링이 요구되며, 보조 시스템이 필요한 위치에 대해 최대의 비용적 장점을 제공합니다. 무선 기술은 여분의 I/O 지점에 대한 필요성을 제거하고, 무선 장치는 프로젝트의 후반 변경이 요구될 시 해당 쟁점을 단순화 시킬 수 있습니다. 유선 버스 지점과 비교할 때, 무선 지점의 추가는 대단히 간소합니다. 본질적으로 용이한 무선 기술은 교육 훈련 및 엔지니어링 역시 간편하게 진행되도록 하며, 무선 상의 측정 지점 추가는 보다 장기적이고 한결 확대된 운영 이점까지 제공합니다.
이와 같은 무선 기술의 장점을 실현하기 위해서, 다수의 최종 사용자들과 EPC 기업들은 현재 긴밀한 협력을 통해 중요한 프로젝트의 엔지니어링 설계 착수 기간 동안 무선 네트워크를 포함시키고 있으며, 고려 대상에는 무선 공정 측정 장치뿐 아니라 무선 진동 트랜스미터 및 무선 음향 트랜스미터와 같은 장비 모니터링 장치까지 포괄된다고 하겠습니다.
요약
지난 수 년 간, 기존 정유 시설 및 신규 정유 프로젝트에서 무선 기술의 도입은 꾸준하게 증가되어 왔습니다. 무선 기술은 첫째, 자산이 고장을 일으키기 이전에 시의 적절한 정보를 측정, 분석, 경고, 허용하는 온라인 모니터링 프로그램으로 기존의 수동 점검 자산 모니터링을 증대하여, 예기치 않은 성능 저하 및 가동 중지를 완화시킵니다.
둘째로, 무선 기술은 정유 시설 운영 중 발생하는 많은 문제를 해결하고, 모니터링이 불편하거나 비실용적인 위치에 배치된 장비의 상태까지 모니터링 하는, 비용 효과적인 방안을 제공합니다.
마지막으로, 무선 기술은 보다 합리적인 유지 보수 정책 역시 가능하도록 합니다. 스마트 무선 장치는 시설 전반의 효용성을 현저하게 강화하며, 따라서, 생산 역량의 효과적인 증가에 십분 기여한다고 하겠습니다.
저자 소개
Krishnan Murali는, 싱가포르 소재 에머슨 프로세스 매니지먼트 아시아 태평양 지사 소속 산업 비즈니스 개발 및 마케팅 담당 이사로, 계측기기와 제어 분야에서 31년 이상의 경험을 축적한 전문가이다.
인도Madras Institute of Technology에서 기기 기술 전공으로 학위를 취득했다.
그는 아시아 태평양 지역 내 다수의 정유 및 석유 프로젝트에 참여하여, 계측기기 설계 엔지니어링, 영업 엔지니어링, 프로젝트 관리 등을 수행해 왔으며, Foundation Fieldbus 및 WirelessHART에 대한 기술 컨설턴트로도 활약 중이다.
'무선은 전체 유선 방식 HART 솔루션과 비교했을 때 자동화 및 설치에서 36%
절감 효과를 보였고, Foundation Fieldbus는 고밀도 온도 측정을 사용함으로써 WirelessHART 보다 좀 더 저렴한 결과를 나타냈습니다. 결론적으로,
무선 기술 전반은 상대적으로 저가의 비용에, 까다로운 모니터링 위치에서도 가능한 용이한 사용, 유연성, 미래 성장 잠재성의 장점을 결합한다고 할 수 있습니다.'