고급 공정 제어는 공정 운전 시의 효율성을 극대화 해 주는 기존의 접근 방법인 반면, 운전상의 문제가 발생했을 때 엔지니어링 모델은 기존 방법에 추가하 여 보완적으로 함께 사용되면 다양한 종류의 문제점 을 해결할 수 있을 뿐만 아니라, 새로운 각도의 접근 법을 제시하거나 전혀 다른 방법의 공정 개선에 도움 을 줄 수도 있다.
엔지니어링 모델을 활용하면 플랜트 엔지니어가 기 존 공정의 변경 및 수정 사항을 상세히 조사할 수 있 어, 현재와 같이 기존 공정 구성을 단순하게 튜닝하는 것 이상의 효과를 거둘 수 있다.
이와 같이 모델 활용의 장점이 점점 부각되면서, 동 일한 모델을 재사용하여 에셋 라이프사이클 전반에 걸쳐 발생하는 다양한 문제를 보다 세분화된 수준으 로 해결하는 작업의 가능성이 한층 커졌다. 무엇보다 도 시뮬레이션을 통해 구체적인 적용 사례나 상황에 대한 신뢰할 수 있는 예측 결과를 제공할 수 있다면, 장치 또는 공정의 모델화가 필요한 모든 작업에 이 시 뮬레이션 모델을 적용할 수 있으므로 활용 가치가 그 만큼 높아진다. 이러한 모델을 폭넓게 사용하면 상당 한 비즈니스 효과를 볼 수 있으며, 이미 많은 기업에 서 플랜트 설계에 이러한 모델을 구축하기 위한 투자 가 이미 되어 왔었으며 진행되고 있다.
운전자가 엔지니어링 모델의 장점을 최대한 활용하 기 위해서는 모델과 원래 공정에 대한 근본적인 이해 가 뒷받침되어야 한다. 따라서 본고를 통해 모델의 재 사용에 대한 현재의 경향과, 모델 재사용의 결과로 형 성된 통합 워크플로우에 대해 알아보기로 하자.
먼저 플랜트 에셋 라이프사이클 전반에 걸쳐 발생 하는 비즈니스 문제에 모델링 기술을 사용해야 하는 이유를 간략하게 정리해 보면 다음과 같다.
에너지 비용 및 온실 가스 배출에 대한 2차 비용이 급 증하여 공정의 재설계 및 최적화의 필요성이 대두됨.
세계 경제 상황 악화로 인해 엔지니어링 분야에 대 한 투자가 축소되고, 자본 비용 절감 및 운전 최적 화에 대한 필요성이 증대됨.
숙련된 엔지니어의 부족 상황은 조직의 지식 및 경 험을 포함하는 강력하고 사용하기 쉬운 모델에 대 한 요구도 커지고 있다.
위와 같은 과제가 대두되면서, 다른 소프트웨어와 통 합함으로써, 여러 가지 문제를 해결할 수 있고 보다 간 편하게 사용할 수 있으며 보다 폭넓은 비즈니스 문제를 해결할 수 있는 공통 모델에 대한 요구가 높아졌다. 오 늘날의 통합 모델링 도구는 이러한 요구의 상당 부분을 해결해 주었으며, 이러한 기술은 계속 발전하고 있다.
엔지니어링 모델은 플랜트 운전, 에너지 사용 및 안전을 향상시키는 데 중요한 역할을 한다. 소프트웨 어가 모듈화되고 사용자 인터페이스나 컴퓨팅 성능이 혁신적으로 향상되면서 운전 환경에 모델을 적용 할 수 있는 길이 열린 것이다.
플랜트 모델링
운전 환경에서의 엔지니어링 모델 활용
여 경 철
아스펜테크 한국지사, [email protected]
현재 통합 모델링이 어떻게 활용되고 있으며, 어떤 가치를 제공하는지 알아보자.
- 시뮬레이션/경제성 조사 작업 단계
기본 공정 개발 단계에 경제성 분석을 통합하면 많은 장점이 있다. 초기 단계의 공정 개발에서 공정 비용을 동 시에 계산 및 최적화하면 엔지니어가 설계 의사 결정에 미치는 경제적 영향을 보다 수월하게 파악할 수 있다.
Fluor에서는 이러한 통합을‘비용 최적화 설계 (Cost Optimized Design)’라고 정의하며 여러 가지 장점이 있다고 설명하고 있다. 이러한 장점 중에는 초 기에 기술/비용의 조정에 집중할 수 있다는 점, 보다 정확한 예측이 가능하며 설계 중에 비용에 대해 좀 더 명확하게 인식할 수 있다는 점 등이 포함된다.
BASF에서는 공정 시뮬레이션, 비용 분석 및 장치 모델링을 동시 다발적으로 수행하는 i-TCM(Intelligent Total Cost Minimization) 프로젝트 방식을 통해 자 본 투자비용의 10~30%가 절감되며 연간 최대 2백만 달러의 에너지를 절약할 수 있을 것으로 예상하고 있 다. 이러한 모델 통합을 통해 BASF는 플랜트 신축 및 개조에 용량 최적화, 운전 비용 절감과 함께 혁신 설계 개발 등을 함께 기대하고 있다.
- 설계/조업성 워크플로우
또 다른 기술의 발전으로는 안전 및 조업성 분석에 대한 동적 모델 사용을 들 수 있다. 이를 통해 실제의 동적 운전 조건에서도 설계시 만들어진 시뮬레이션 솔루션을 이용 안정적으로 실행되는지 여부를 확인할 수 있다. 이의 목표는 모델을 새롭게 구축할 필요가 없도록 정상 상태 및 동적 상태 모두에 대해 동일한 단위 공정 운전 모델을 사용하는 것이다.
Shell Chemicals는 이 접근 방법을 통해 반응기 및 안전 방출 시스템을 모델링하여 설계된 안전 시스템 이 반응기의 런어웨이 경우도 포함할 수 있도록 하고 있다. 이러한 동적 모델링을 적용하면 운정상의 안전 및 신뢰성을 향상시키고 최적화된 정상 운전을 통해 운전 비용을 절감하는 효과를 얻을 수 있다.
- 개념/기본/상세 엔지니어링 워크플로우
워크플로우가 발전된 또 다른 영역으로는 통합 기 본 엔지니어링이 있다. 시뮬레이션 연구를 통해 도출 된 열 및 물질 수지와 공정도는 직접적으로 기본 설계 엔지니어링 단계에서 입력되어 사용되고, 이렇게 정 의된 FEED(Front End Engineering Design) 정보 는 상세 설계 단계로 넘어간다.
WorleyParsons에 따르면 이 방법을 통해 엔지니어 링 효율성이 25% 가량 향상되고 기본 엔지니어링에 플랜트 모델링 운전 환경에서의 엔지니어링 모델 활용
그림 1. 공정 모델은 위 4가지 단계 모두에서 중요한 역할을 한다.
소요되는 시간을 50% 단축시켰다고 한다.
- R&D/엔지니어링 모델을 공장 운전에 적용
프로세스 개발 및 플랜트 설계 단계에 개발된 모델 은 엔지니어링에 투여된 수많은 노력과 지식의 산물 이다. 이 모델을 플랜트 운전 환경에서 재사용하면 상 당한 이점을 누릴 수 있다.
플랜트 운전에 사용하기에 적합한 공정 모델로는 오프라인 정상 상태 시뮬레이션에서 Debottlenecking 분석, 공정 성능의 폐루프 온라인 최적화에 이르기까 지 다양하다. [표 1]에는 각 모델의 다양한 장점과 구 현 시기 및 필요한 작업 등이 나와 있다. 또한 [그림 2]에는 설계 모델을 운전 환경에 적용하는 일반적인 워크플로우를 볼 수 있다.
오프라인 공정 모델은 설계 모델을 운전 환경에 재 사용할 수 있는 가장 기본적인 단계다. 오프라인 공정 모델은 단위 공정 또는 운전 장치에 사용되는 모델로, 장치의 상태가 잘 정의되어 있고 운전 조건의 범위를 명확하게 파악될 수 있기 때문이다. 따라서 이 모델은 구체적인 계산에 활용함으로써, 개별 장치에 대한 운 전 설정치 결정, 플랜트 물질 수지 조정, 제품 물성 확
인, 에너지 사용량 분석, 실제 성능 및 설계 성능 비교, 변화하는 시장 환경에 대한 대처, 제품 사양 충족 및 공정 지식 제고 등에 기여할 수 있다.
오프라인 모델은 실시간 데이터 시스템과 연결할 수 는 있지만 완전한 자동화가 어렵기 때문에 대개 사람 이 실행을 시작해야 한다. 설계 단계에서 만들어진 모 델은 대부분 추가 작업을 거쳐야 오프라인 공정 모델 로 사용될 수 있다. 예를 들어 수렴 오류와 같은 문제 가 발생할 경우, 이 모델의 제약과 유효한 조건 범위에 대해 잘 알고 있는 설계 엔지니어의 조언이나 확인 작 업이 필요할 수 있다. 운전 환경에서 모델을 사용하려 면 플랜트 조건에 맞게 튜닝을 거치거나 특정 계산을 추가적으로 수행해야 한다. 예를 들어 플랜트 설정은 생산되는 제품의 여러 가지 등급 및 개별 장치 또는 제 어기의 작동 여부에 따라 매일 변경될 수 있다. 오프라 인 공정 모델은 이러한 상세 정보를 고려해야 한다.
또한, 오프라인 공정 모델은 명확하게 이해할 수 있 는 제한된 범위의 운전 조건에서만 시뮬레이션이 유 효하다. 모델은 유효한 운전 범위 내에서 데이터를 수 렴할 수 있도록 신뢰성을 제공해야 한다. 모델을 정확 하게 실행하려면 모델 입력 데이터(수동으로 입력되 거나 실시간 데이터베이스에서 전송된 입력 포함)가 이 범위 내에 잘 유지되어야 한다. 이를 위해선 일반적
기존 공정
문제 해결, 병목 현상 해소 및 공정 혁신 플랜트 기반 엔지니어가“필요에 따라”플랜트 운전을
시뮬레이션 지원하기 위해 사용
운전 의사 결정 지원, 운전 관련 조언 제공, 매일, 매주 또는 필요할 때마다 사용
오프라인 플랜트 조정, 물질 수지 조정, 제품 물성 계산, 대개 Excel 또는 Visual Basic 형식의 사용자 인터페이스가 공정 모델
공정 인력 교육 있음
사용자가 초기에 실시간 데이터에 연결될 수 있음 실시간 개루프 수익을 최대화할 수 있는 최적의 플랜트 운전 대개 매일 교대할 때마다 사용
모델 조건 계산 및 조언 제공 자동 모델 실행
사용자는 운전 관련 조언을 수락하거나 거부할 수 있음 실시간 폐루프
개루프 모델과 동일 플랜트 중앙 시스템에 직접 연결하여 공정을 자동으로
모델 조정
비고) 실시간 모델의 성능이 보다 우수하지만 신뢰성을 높이기 위해서는 추가적인 노력을 기울여야 한다.
표 1. 공장 운전에서의 모델의 사용
모델 유형 용도 설명
인‘엔지니어링’사용자 인터페이스가 아니라 보다 단 순한 맞춤형 인터페이스(예: Excel 기반 인터페이스) 를 통해 모델을 실행하는 것이 좋다. 설계 모델을 운전 환경에 적용하기 위한 기타 실용적인 지침은 다음 페 이지에 나와 있는“주요 고려 사항”을 참조할 수 있다.
오프라인 공정 모델이 주기적으로 공정 운전에 사 용된다면, 모델은 다음 단계로 운전 환경에서 사용할 수 있도록 오프라인 공정 모델을 실시간 개루프 모델 로 전환될 수 있다. 이렇게 되면 공정 모델은 매 교대 시, 특정 시간마다 또는 공정 이벤트가 발생할 때마다 모델이 자동으로 실행되도록 전환될 수 있다. 이러한 개루프 모델의 결과는 플랜트의 실시간 데이터 시스 템에 전송 기록할 수도 있다. 하지만 결국 이러한 결 과는 사람이 판별하여야 하며, 조언이나 데이터의 수 락 또는 거부도 사람이 결정해야 한다.
자동화된 모델의 신뢰성을 더욱 높이기 위해 추가적 인 노력이 필요하다. 예를 들면 추가적인 실시간 플랜트 데이터를 읽고 잘못된 플랜트 데이터(예: 공정의 내/외 부에서 측정된 물질 흐름 중 계측기의 고장 등에 의한 운전 범위가 맞지 않는 흐름데이터)를 수정해야 한다.
운전용으로의 모델링을 활용하는 마지막 단계로는
실시간 폐루프 모델을 사용하여 자동화된 방식으로 결과를 구현하고 공정을 최적화하는 것이다. 이러한 시스템을 최대한 신뢰할 수 있고 안전하게 운영이 되 도록 하기 위해서는 추가적인 노력이 상당히 필요한 것이 사실이다. 하지만 그럼에도 불구하고 장점이 상 당히 많으며, 특히 공정이 예측 가능한 변화(예: 공급 원료 변화)에 대응해야 하는 경우 크게 도움이 된다.
많은 화학 회사들이 플랜트 운전에 모델을 도입하 여 상당한 효과를 입증하고 있다. 특히 INEOS가 보 고한 결과는 상당히 고무적이다. INEOS는 모델링 방 법을 사용하여 감압 증류 장치 내 열 교환기의 모니터 링 및 청소 작업을 최적화함으로써 장치당 연간 3백 만 달러를 절감했다고 밝혔다.
통합 엔지니어링에 대한 혁신은 엔지니어링 영역 간 의 연계와 운전 환경에 정확한 분석 모델 도입이라는 2 가지 방향으로 요약된다. 주요 발전 사항은 다음과 같다.
- 모듈화된 시스템
공정 모델링 시스템은 에셋 라이프사이클 전반에 걸 쳐 재사용될 수 있도록 모듈식으로 재설계할 수 있다.
물성 데이터베이스가 대표적인 예다. AspenTech은 플랜트 모델링 운전 환경에서의 엔지니어링 모델 활용
그림 2. 운전 환경에서 새로운 설계 모델을 적용하려면 워크플로우의 변경이 필요하다.
다양한 모델 기반 애플리케이션의‘표준 구성 요소’이 자, 재사용 가능한 리소스로서 Aspen Properties 를 제공하고 있으며, 어떤 모델링 도구를 선택하든지 최 대한의 유연성과 일관성이 보장된다.
또 다른 예로는 단위공정 운전 모델이 있다. 단위공 정 운전 모델을 모듈화하면 시뮬레이션, 기본 엔지니 어링, 최적화, 경제성 평가부터 고급 공정 제어에 이르 기까지 다양한 시스템에서 사용할 수 있다.
- 사용자 콘솔 및 간편성
워크플로우가 사용자 인터페이스에 통합되어 사용 자의 역할, 프로젝트의 단계, 워크플로우 내 사용자의 지위에 따라 사용자에게 적합한 분석 모델과 도구를 제공한다.
- 엔지니어링 모델
설계 공정 모델링 그룹으로부터의 지원없이 사용자 및 운전자는 기본 설계, 시운전 및 제어 등에 도움을 받기 위해 설계 공정에서 만들어진 모델을 호출 사용 할 수 있다. 설계 엔지니어링을 통한 조정 없이도 플 랜트에서 모델링 작업이 가능하다.
- 공통 엔지니어링 데이터 백본
기존 공장 운전정보 데이터베이스와는 별도로, 설 계데이터를 포함한 공정 운전 전반에 사용되는 데이 터베이스는 단위공정 운전 모델, 장치 및 계기 데이터 를 통합하고 정보를 제어하여 공장을 원활하게 최적 화할 수 있도록 해준다.
- 실질적인 혜택 실현
개념 설계 단계에서 만들어진 분석적 공정 엔지니어 링 모델을 타 영역 및 플랜트의 여러 부서에서도 사용 할 수 있도록 발전시킨 덕분에, 이러한 모델을 설계 공 정 및 운전 환경에도 널리 적용할 수 있게 되었다. 이는 비용, 에너지, 시간 및 인력 부문에서 눈에 띄는 절감 효과로 이어지고 있다. 일례로 AspenTech에서 지중해 에 있는 석유 화학 회사를 대신하여 엔지니어링 모델 을 도입하고 증류탑 공급에 관한 운영 전략을 변경한 결과, 연간 수백만 달러에 이르는 에너지 비용을 절약 할 수 있었다. 이러한 이득은 기존의 APC(Advanced Process Control) 또는 플랜트 성능 분석 기법을 통해 서는 이러한 운전 성능 향상을 기대하기 어렵다.
![[신기술 소개] 공정의 운전 조건을 고려한 플랜트 최적화 배치 연구](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAP///wAAACH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAICRAEAOw==)