계장기술(PROCON)

특별기고 정유공장 스마트 팩토리의 필수 요건은 무엇일까?

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작성자 최고관리자 댓글 0건 조회 153회 작성일 20-05-13 12:06

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글로벌 시장조사업체인 캡제미니(Capgemini)에 따르면, 향후 5년 동안 스마트 팩토리가 산업 부문의 전체 생산량에 1.5조 달러를 추가할 수 있을 것으로 예측한다. 인더스트리 4.0, IIoT(Industrial Inter net of Things) 또는 스마트 제조(Smart Manufac turing)라고 부르는 기술의 힘은 산업계 전반에서 느껴지고 있다. 이는 스마트 기술의 터보 차지 효과로 인해 공장에서 더 많은 제품을 생산하면서 비용을 절감할 수 있고, 캡제미니(Capgemini)에 따르면, 일부 산업에서는 영업이익과 마진이 거의 두 배가 될 수 있다고 한다.

제조 시스템은 모든 새로운 신기술을 활용하고 있으며, 인터넷은 장비, 센서, 분석 도구 및 사람들을 더욱 복잡하고 풍부한 방법으로 연결하는 기반이다. 또한 빅데이터, 로봇공학, 기계학습, 인공지능, 증강현실, 3D 프린팅, 예측분석 등 이 모든 것들이 실현되고 있다. 제어 및 감독 수준이 높아짐에 따라 전체 제조 시스템의 “디지털 트윈”을 구축할 수 있으므로 실제 객체 또는 프로세스의 실시간 프로필을 만들어 비즈니스 성과를 최적화한다. 스마트 팩토리가 실현되면 제품의 기획, 제조, 유통 등 전 과정이 통합되고, 에너지 절감과 안전한 생산 환경이 구현되면서 경제적인 측면에서의 효율성이 높아지는 것뿐만 아니라, 유연한 생산체계가 구축되며, 생산성 역시 향상시킬 수 있다. 이로 인해 많은 제조 분야에서 스마트 팩토리화를 서두르고 있으며, 최근에는 정유 및 석유화학 업계에서 생산 효율성 및 품질 그리고 안정성을 극대화시키기 위해 스마트 팩토리 도입을 추진하고 있다. 특히 사람의 손길이 닿기 힘든 거대한 탱크와, 이를 연결하는 배관은 단지 몇 개의 소프트웨어와 하드웨어만으로도 표준화 및 자동화해 눈에 띄는 수익성 향상을 기대해볼 수도 있다.

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정유공장에서 수익을 극대화하기 위해 이뤄지고 있는 스마트 팩토리 솔루션으로는 미가공 원유 공급망 및 최종 생산물 운반 과정의 최적화, 탱크팜 정보 및 이동 과정 시스템화 등의 여러 방법이 존재하는데, 그중 하나가 가솔린 배합 과정의 최적화이다. 배합 공정에 최대한 경제적이고, 효율적으로 적절한 제품을 사용해 생산성 높은 스마트 팩토리가 구축되면, 하루 20만 배럴 규모의 정유공장의 경우에 연간 약 600억원 이상의 저축 가치를 실현할 수 있다.

가솔린 배합 과정을 최적화하기 위해서는 현장에서 필요한 하드웨어 설비뿐만 아니라 관리 및 제어할 수 있는 소프트웨어와 온라인 계측기가 필요하다. 슈나이더 일렉트릭은 ‘정유 공정 오프사이트 관리 솔루션 제품군(이하 ROMSS, Refinery Offsite Management Solution Suite)’을 통해 업그레이드된 아비바 소프트웨어와 슈나이더 일렉트릭 공정자동화 사업부문(Schneider Electric Process Automation, 이하 SE PA)의 공정 분석 시스템(이하 SE PA, Schneider Electric Process Analyzers) 부문의 하드웨어 제품을 통합적으로 제공한다. 정유공장의 자동화 구현을 위한 ROMSS는 공정 전체에 적용될 수 있는 솔루션을 포함하고 있으며, 특히 가솔린 배합 공정을 위한 제품군에서 소프트웨어와 하드웨어의 시너지를 통해 그 진가를 발휘하게 된다. 이외에도, ROMSS는 원유 블렌딩이나 마이닝 산업에서도 적용이 가능해 응용력이 뛰어나다.

ROMSS는 제품 데이터, 품질, 장비 이동 및 사용 여부 등의 참조 데이터와 탱크 재고, 이동 관련 데이터, 배합 관련 리포트 등의 생산 데이터를 포함한 관계형 데이터베이스를 기반으로 구축됐다. ROMSS의 관계형 데이터베이스 관리 시스템(RDBMS, Relational Data base Management System)은 오라클 또는 마이크로소프트 SQL 서버로 사용이 가능하다. ROMSS는 TIS, MAS, DBS, BOSS, BPO, AMADAS, RMO, BTM, MAB 등의 다양한 모듈을 포함하고 있으며, 이들 간에 데이터를 쉽게 이동 및 확장, 수정하기 위해 하나의 중앙 데이터베이스를 유지하는 것이 중요해 관계형 데이터베이스를 사용하는 것이다.

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또한 ROMSS는 스케줄링 및 회계, 실험실 정보 관리 시스템(LIMS, Laboratory Information Management System) 등과 같은 타사 IT 시스템을 연결할 수 있는 개방형 아키텍처를 가지고 있다. 특히 제어시스템과의 통신을 위해 ROMSS에는 OPC(OLE for Process Control)를 통해 대부분의 시스템과 통신할 수 있는 옵션이 있다. OPC는 각종 애플리케이션들이 여러 종류의 공정 제어 장비들로부터 데이터를 교환하는 것을 가능하게 하는 표준 인터페이스로, 공정 제어 분야에서 사용자와 공급자 양쪽 모두에게 많은 혜택을 주는 새로운 산업 규격에 해당한다. 즉, ROMSS의 연결성은 OPC가 탑재된 모든 제어시스템 환경에서 두각을 보인다.

가솔린 배합을 성공적으로 최적화하는데 중요한 역할을 하는 온라인 분석기 하드웨어는 신뢰성이 있어야 하며, 피드백 제어와 같이 빠른 응답 시간으로 유분의 특성에 대한 정확한 추정치를 제공할 수 있어야 한다. 이에 상응하는 FTIR 분석기가 바로 슈나이더 일렉트릭의 ANALECT HSS(Hydrocarbon SmartSystem)이다.

ANALECT HSS 분석기는 옥탄가, 방향족 탄화수소, 벤젠, API 비중도, 리드증기압(RVP) 등의 여러 수치를 단일 스펙트럼 측정을 통해 동시에 예측할 수 있다. 여러 스트림을 동시에 분석하기 위해 듀얼 및 트리플 셀 구성을 갖추고 있어 빠른 시간 내에 높은 정확도로 분석이 가능하며, 그 만큼 적은 개수의 분석기가 필요하므로 고객은 설치 및 운영 비용이 절감되는 효과를 누릴 수 있다. ExxonMobil 특허기술을 활용한 ANALECT HSS 분석기는 물리적 및 화학적 성분에 대해 실시간으로 정확하고 안정적인 모니터링 및 샘플 온도 조절, 수분 제거, 여과 시스템 그리고 샘플 특이치 수집, 세포 세척 및 샘플 검증 등의 자동 기능을 제공한다.

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99% 이상의 가동 시간을 자랑하는 ANALECT HSS 분석기는 내장된 PA의 플래그십 운영 플랫폼인 Spectra RTS 및 SpectraQuant 소프트웨어를 특징으로 하며, 이를 통해 특이치 식별 및 캡처, 경보 기능, 그리고 상세 시스템 진단 등을 포함하는 포괄적인 분석과 완벽한 PCR/PCA 화학 계기의 역량을 제공한다. 게다가 ASTM (American Society for Testing and Materials) 표준 보정을 통해 세 가지 방법으로 높은 신뢰성과 정확도를 증명한다. ASTM D6299 표준으로 통계치를 제어해 분석기가 지속적으로 바뀌는 대상을 추적하지 않게 하며, ASTM E1866 및 D6122 표준에 따라 분석 성능을 입증해주는 유효성 검사 스키드를 제공한다. 이를 통해서 분석기가 과거에 정의된 공차 내에서 검사 샘플 스펙트럼을 일치시킬 수 있는지에 대한 성능 입증도 가능하다.
마지막으로, 다변량 화학적 모델을 사용하는 ANAL ECT HSS는 내삽법 모델 분석에는 뛰어나지만, 외삽법 분석의 경우는 불확실성이 존재해 ASTM E1655 표준으로 레버리지 통계(Leverage statistic)와 스펙트럼 잔차 통계(Spectral residuals statistic) 총 두 가지 유형의 외삽법 분석에 대한 역량을 확보한다. 

또 다른 신뢰성과 정확도를 높이는 방법으로는 두 개의 분석기를 설치하는 것이다. 두 개의 ANALECT HSS 분석기를 사용하면, 100%의 가동 시간이 보장될 뿐만 아니라 두 분석기의 결과를 평균화했을 때 랩 기준값과의 결과 일치도가 눈에 띄게 향상된다. 게다가 장치 표준화(Instrument standardization)를 통해 분석 모델을 두 분석기로 전송이 가능하므로, 추정 옥탄가 차이가 0.1 미만으로 나타나게 된다. 이외에도, ANALECT Refin IR 랩 분석기와 연계하면 더욱 신속한 데이터 수집, 교정, 검증 및 모델링이 가능해진다.
아비바 소프트웨어의 BOSS는 가솔린 배합 공정에서 최적의 제어시스템을 일괄적이고 지속적으로 온라인과 오프라인, 모든 환경에서 제공한다. 모든 작동 제약 조건에 따라, 경제적이고 최적의 방식으로 디지털 배합 시스템 또는 타사 배합 비율 시스템의 작동을 감독하고 조정한다. 오프라인 환경에서 배합 설계자는 배합 시스템을 준비하고, 데이터베이스에 저장하는 등의 시뮬레이션이 가능하며, 온라인 환경에서는 데이터베이스에서 저장해둔 배합 시스템을 활용하거나 새로운 시스템을 현장에서 만들 수도 있다. 또한, BOSS는 모든 연료 제품 또는 원유 인라인 배합기에 활용할 수 있으며, 탱크에서 탱크로 이동하거나, 탱크에서 파이프라인 또는 선박으로 이동하는 전통적인 과정 또는 지속적인 런다운(Rundown) 작업에 적용될 수 있다.

또한 BOSS는 모든 펌프나 라인 및 탱크, 성분 재고, 그리고 분석기 유효성 및 헤더 관련 등의 제약과 완성품 탱크의 사양을 고려해 제품 원가, 품질 편차, 또는 레시피 편차를 최소화시켜 배럴 당 마진을 극대화시킬 수 있고, 배합 설계자와 오퍼레이터 모두가 사용 가능한 광범위한 유저 인터페이스를 자랑한다. 디지털 배합 시스템(DBS)과 탱크 재고 시스템(TIS) 인터페이스와, 주문 이동 관리(OMM), 이동 자동화 시스템(MAS), 그리고 분석 관리 및 데이터 습득 시스템(AMADAS)에도 선택적인 인터페이스를 보유하고 있다. 즉, BOSS는 ROMSS를 통합시키는 부분에도 중요한 역할을 한다.

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BOSS가 배합 공정의 최적화에 초점을 뒀다면, BPO는 미가공 유분 및 완제품의 재고 조건을 고려함과 동시에 BOSS의 배합 설계를 관리 감독한다. BPO는 B OSS와 같은 일관된 사용자 인터페이스, 데이터베이스 모델, 편향성, 타깃 성분 등을 제공함과 동시에 제품 탱크 혼합, 인증 및 리프팅 시간 제한, 성분 런다운, 수출입 등을 고려한 일련의 배합 공정에 대한 최적의 레시피, 속도 및 시작 시간을 제공한다. AMADAS는 DCS를 통해 온라인 가솔린 배합 분석기에 접속해 품질이나 성능 그리고 유지보수 상태를 통계적으로 평가 및 검증한다. 모든 성능 데이터 및 유지보수 작업 지시는 관계형 데이터베이스에 기록되기 때문에, 복잡한 분석기 교정 시퀀스 같은 경우는 스크립트를 사용해 AMADAS에서 자체적으로 만들어낼 수 있다.

이와 같이, ROMSS에서 정유공장의 가솔린 배합 공정을 최적화시키는 소프트웨어 및 하드웨어 솔루션은 각각의 중요한 역할이 주어지고, 전체 시스템을 연결하고, 이익 손실을 최소화시킨다.

가솔린 배합 공정의 표준화 및 최적화를 통한 스마트 팩토리 구축에 성공한 대표적인 예로는, 미국 석유화학 및 정유 전문 회사인 발레로(Valero)가 있다. 발레로는 이미 8개의 정유공장에 슈나이더 일렉트릭의 ROMSS를 도입했고, 향후 4군데에 추가로 공정에 적용해 총 12개의 공장에 도입할 예정이다. 하루에 85만 배럴을 생산하는 발레로의 정유공장은 가솔린의 품질 규격을 맞춤과 동시에 원가 손실을 최소화시키는 것이 목표이다. ROMSS를 도입함으로써 발레로는 RBOB(Reformulated Blendstock for Oxygenate Blending) 가솔린을 생산할 수 있었고, 이로 인해 1분기 동안의 판매만으로 7백만 달러 이상의 이익을 얻을 수 있었다. 또한, 리드증기압 및 옥탄가 편차 감소에 성공해 1분기 동안 10분의 1씩 줄여 3백만 달러 이상의 이익을 얻는데 성공했다.

시대의 발전으로 공장도 발전하면서 스마트 팩토리가 두각을 나타내고 있고, 특히 정유 및 석유화학 업계에서도 효율성, 인력 및 자산의 안전을 향상시키는 동시에, 모든 이해 관계자에게 더 높은 가치를 창출하는 것은 중요할 것이라 생각한다. 슈나이더 일렉트릭의 R OMSS 솔루션으로 가솔린 배합 과정을 표준화 및 최적화시키고, 최종적으로는 전체 시스템을 자동화해 제품 경쟁력을 향상시켜 정유업계에서 혁신을 이뤄낼 것이라 기대해본다.


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