스마트 장비와 인간 중심 설계 시스템을 활용하면 현재 숙련된 인력을 대체할 수 있는 자동화 라인 구축이 가능하다. 젊은 세대들의 경우 디지털 장비에 충분히 익숙해져 있기 때문에 디지털 자동화를 통한 안정적인 운영이 충분히 가능할 것으로 분석되고 있다.

팀 올슨(Tim Olsen)
Emerson Process Management  총괄 책임자(tim.olsen@emerson.com)

정유 업계에 종사하고 있는 숙련된 인력의 상당수가 향후 10년 안에 은퇴할 것으로 예측되고 있다. 이들이 젊고 경험이 부족한 대체 인력으로 대체될 경우 안전하고 신뢰할 수 있는 운영이 가능할지 의문이 생길 것이다. 스마트 장비와 내장된 인간 중심 설계 시스템 등을 충분히 활용하면 가능할 것으로 전망되고 있다. 젊은 세대들은 디지털 기술에 적응된 상태다. 스마트 기기 및 시스템으로 획득할 수 있는 실시간 온라인 정보 및 기능 전체의 수용이 더 용이하다. 스마트 장비는 ‘베테랑 현장 관리자나 기술자로부터 귀동냥으로 전수받은 기술’을 대체할 수 있다. 정유 시설들은 이전보다 더욱 안전하게 운영될 것이다.

우리는 휴대전화에서 기술 발전을 대변하는 가장 단순한 일례를 찾아볼 수 있다. 1980년대 후반에 출시된 일명 ‘벽돌 폰(Brick Phone)’은 대략 4,000달러를 호가했지만, 유일한 주 기능은 전화 통화였다. 그러나 오늘날의 휴대전화는 전화 통화는 물론이고, 다양한 애플리케이션을 포함하고 있다. 대부분의 정유 업체들은 아직도 1980년대 후반에서 1990년대 출시된 DCS 시스템을 사용하고 있다. 이들 시스템은 충분히 공정을 제어하고 있지만, 추가 기능은 없는 상황이다. 구형 시스템에서는 찾아볼 수 없었던 부가적 기능들이 현대 기술에는 내재돼 있으며, 그 부가적 기능들은 내장형 고급 공정 제어, 통계 모니터링, 스마트 장비 모니터링, 자산 상태 모니터링 등을 제공한다. 아이폰처럼, 콘솔 조작자에게는 보다 나은 결정 수행이 가능하도록 체계적 분석 정보와 시정 조치가 가능한 시간이 부여된다. 그러나 콘솔 조작자가 최신 시스템을 구형 시스템처럼 사용한다면, 추가된 기능과 정보들로부터 얻을 수 있는 혜택은 없을 것이다.

정유업체의 당면 과제
은퇴가 얼마 남지 않은 숙련된 인력의 대체를 위한 기술 및 경험 자원의 부족은 정유 업계만 겪는 고충이 아니다. 다른 업계에서도 숙련된 인력에 대한 수요와 공급의 현저한 격차로 인해 동일한 어려움을 겪고 있다. 더불어 정유 업계에서는 채용을 희망하는 구직자 수마저 감소하고 있는 추세다. 이러한 당면 과제들로 인해, 정유 업체들은 안전하고 안정적인 시설 운영 보장을 위해 기존의 방식에 변화를 주기 시작했다.

과거의 경우 단일 트레인 정유 시설이 대략 2만개의 I/O를 보유했다면, 현재 동일한 정유 시설 설계에는 5만개를 보유할 수 있다. 이는 중동 및 극동 지역의 보다 새롭고 현대적인 시설과 상대적으로 안정돼 있지만 낙후된 미국과 유럽의 시설 경쟁이 날로 어려워질 것이란 뜻이다. 연료·석유 화학 제품이 지역과 국가를 초월하며 유통되면서 정유 업계는 경쟁과 기회라는 양날 모두를 대면하고 있다. 예를 들어, 한 지역에서 수요가 저조할 때 생산 및 유통 비용이 좀 더 경제적인 여타 시장에서 소비자를 찾아 낼 기회가 유발된다. 이는 기본적으로, 보다 낮은 운영 경비를 소모하는 현대의 정유 업체가 자사가 속한 지역 시장을 초월한 추가 시장 탐색 기회를 가지게 된다는 뜻이다.

위의 상황에서는 비용 통제가 필요하다. 대부분의 사람들은 휘발유와 경유를 비롯한 여타 연료 제품을 일용품으로 간주하는데, 이는 차별화된 제품을 통한 가격 할증 및 추가 수익 발생을 어렵게 한다. 현실적으로 가능한 추가 수익은 다른 업체보다 효율적이고 안정적인 시설 운영을 통해서 가능하다.

추가 수익은 틈새시장에서도 향상시킬 수 있지만, 전체 정유 업계는 일용품 시장이라 할 수 있으며, 시장에서 개별 정유 업체는 원자재비용과 완제품 가치에 대한 제한적인 통제력만을 갖고 있을 뿐이다. 전통적으로, 정유 시설 매출의 순이익은 배럴당 2달러 미만 정도의 평균을 기록해 왔다. 정유 업체들은 고가의 유지 관리가 필요하고, 지속적으로 환경/보건/안전 규제의 대상이 되는 고정 자산에 많은 투자를 한다. 이러한 현실 때문에, 업계는 시설 신뢰도나 안전성을 해치지 않으면서 경비를 절감할 수 있는 방법에 중점을 두게 됐다. 더불어 최고 4분위에 속하는 높은 유용성을 가진 정유 업체들은 보다 안전한 운영을 추구하는 추세다. 정유 시설 운영에 있어, 안전 및 환경 규제 준수는 가장 중요한 고려 사안 중 하나가 됐다. 안전 및 환경과 계획은 지속적으로 대규모의 비용이 소모된다. 한 번의 사고로 엄청난 대가를 치를 수 있기 때문이다. 폭발성/발암성/독성 물질이 존재하는 다수의 위험한 작업 구역에서 수백명의 직원이 작업하는 정유 업체들은 잠재적 위험을 조기에 경고하고, 불안전하거나 친환경에 위배되는 상황을 예방할 수 있는 시스템에 매우 관심이 높을 수밖에 없다.

예정에 없는 가동 중단은 생산 손실보다 더한 비용을 발생시킨다. 비상 정지와 재시동 작업은 장비의 비정상적인 마모를 초래하고, 촉매제 및 화학제의 손실을 증가시킨다. 뿐만 아니라 사양을 벗어난 제품을 생산하게 하고, 추가적 인력 투입, 초과 근무, 24시간 긴급 서비스를 필요로 한다. 주요 FCC(Fluid Catalytic Cracking)의 한 곳에서 예상치 못한 가동 중지가 한 번 발생하면, 대형 정유 업체는 백만달러 이상의 비용을 소모하게 된다. 정유 시설의 핵심 공정 중 어느 한 곳에서라도 가동이 중지되는 경우에도 이와 유사한 비용이 소모된다. Marsh Report에 따르면, 대다수의 심각한 사고는 시동, 가동 중지(이행), 송유관 작업에서 발생한다고 한다.

Marsh Report는 “정유 업계의 손실은 최근 몇 년간 계속 증가하고 있으며, 그 원인은 대개 시설 노화에서 초래된다. 1,000만달러 이상에 달하는 대규모 손실의 상당수가 송유관 장애 혹은 송유관 누출로 야기돼 왔으며, 이는 화재나 폭발로까지 이어질 수 있다. 시동이나 가동 중지시 발생하는 사고도 지속적으로 엄청난 손해를 가져왔다”고 전하고 있다.

디지털 자동화의 발전 활용
정유 업체의 업무 예산에서, 운영과 엔지니어링 인력에 사용되는 비용은 고정비에서 상당한 부분을 차지한다. 따라서 인력의 효율성 향상을 위한 기회는 수행에 대한 성과여하에 따라 경제적 이윤으로 해석될 수 있다. 중요 루프에서 차선의 공정 제어 규정에 도움을 주는 적시의 정보는 운영 및 엔지니어링 성과를 확대하는 데 핵심적인 작용을 한다. 통계 모니터링 기능을 갖춘 최신 시스템은 가변성이 높거나 경고가 과도한 제어 루프에 대한 정보를 제공할 수 있다. 과거에는 간과되곤 했던 사안이 현재는 집중적으로 관심을 받게 된 것이다.

이 시스템의 특성에는 다음과 같은 내용이 포함된다. 마이크로오피스 및 인터넷 접속 도구와 통합된 지속적 통계 관리 도구를 통해 공정 및 과거 데이터를 손쉽게 이용할 수 있으며, 기술자와 관리자가 들여야 하는 시간과 노력은 대폭 절감된다. 또한, 운영상의 문제에 대한 해결과 확인은 신속히 완료돼, 보다 적시의 의사 결정으로 기업의 경비가 감소된다. 인터넷을 통해, 세계 각지에 흩어져 있는 전문가들이 시설의 데이터와 화면에 접속할 수 있게 돼, 문제 해결과 분석에 조력할 수 있다. 핵심 성과 지표, 장비 감시 경보, 상태 정보, 품질 데이터가 실시간으로 화면에 표시되기 때문에, 해당 인력은 문제가 발생하기 전에 경고를 받게 된다. 이러한 요소들을 통해 전체 직원의 생산성 극대화를 지향하는 정유 업체들이 보다 적은 비용으로 더 큰 성과를 달성하게 된다.

더불어, 시뮬레이션 기능을 갖춘 최신 시스템은 시동, 가동 중지, 응급 상황과 같이 빈도가 낮은 작업이나 사건에 대한 트레이닝을 제공한다. 이를 통해 관리자는 응급 상황 발생시 필요한 대응법에 익숙해질 수 있고, 신규 직원은 실제 직무 이행 전에 시설 전반을 익히는 기회를 가지게 된다.

현대적 디지털 자동화의 활용은 비용 절감에 대한 당면 과제와 기회 모두를 제시한다. 예를 들어, 스마트 진단 분석 기능을 장착한 현장 계기는 주요 유지보수/운영/안전 인력에게 실시간으로 자산 문제 정보를 제공해, 고장이나 비정상적 작동이 발생하기 이전에 경고할 수 있다. 이 기능의 최장점은 설비 상태 정보를 통해 문제를 감지하게 되므로, 관련 정보에 대해 대처할 수 있는 시간을 사전에 가질 수 있다는 점이다. 또한, 근본적인 원인을 예측 분석해 진단하는 기능을 통해, 작업이 필요한 설비만 보수해 불가피한 상황의 복구 작업을 보다 스마트하게 확인하고 계획할 수 있다.

진행 중인 유지보수 및 복구 작업에 대한 자원의 효율적 사용도 최신 기술로 향상이 가능한 영역 중의 하나다. 공정 및 제어 장비는 시간이 흐름에 따라 노후되기 때문에 주의를 기울여야 한다. 열교환기, 압축기, 터빈 등은 점차 효율성이 떨어지고, 고장을 일으키게 되며, 생산 비용을 증가시키는 원인이 된다. 시간이 좀 더 지나면 계기 정확도의 감소, 마모된 제어 밸브, 공정 과정의 변경뿐만 아니라, 제어 시스템의 전체 효과까지 줄어들게 된다. 장비 보수 시점의 포착은 성능 이력을 비롯해 기능 저하로 야기되는 운영 성과 비용, 보수 경비, 장애의 위험과 결과를 기반으로 해야 하는 복잡한 안건이다. 비용 감축이 요구될 때, 유지보수 작업의 지연은 비정상적 가동 중지의 위험 증가와 장비 성능 하락에 따른 소모 경비에 대비할 수 있는 매력적 수단이 된다. 유지보수 비용은 해당 인력 효율성의 향상, 비정상적 가동 중지 빈도 축소, 불필요한 정비 작업 감축을 통해서도 절감이 가능하다. 관련 연구 자료에 의하면, 일반 계기에 대한 기술자의 방문은 60% 이상이 사소한 설정 조정이나 무작업으로 귀결되며, 스마트 계기를 이용할 경우 이는 사무실 내에서도 수행이 가능한 것이라고 보고되고 있다(그림 1 참조).

또한 업계의 피드백 자료는 계측 작업 관행의 자동화와 현장 방문 감소를 통해 연간 계기당 1.6시간의 인력 투입을 절감할 수 있다고 추정한다. 1만건 이상의 공정 입력을 수행하는 대형 정유 시설의 경우, 디지털 솔루션으로 계기 및 밸브 유지보수에 있어 연간 1만6,000시간을 절약할 수 있었다. 고장이 난 뒤에야 정비하는 대응적인 대처를 벗어나, 경고 사안 및 근본 원인 정보의 대처가 실시간으로 가능한 예방 차원의 선행 유지 보수 문화가 생겨나고 있다. 2010년도 NPRA Reliability and Maintenance Conference(NPRA 안정성 및 유지보수 컨퍼런스)에서 걸프만에 소재한 한 정유 업체는 대응적 정비 비용은 계획된 선행 정비보다 50% 이상의 비용을 사용했다고 발표하면서, 고장 대응 정비 빈도 감축에 관심이 집중돼 있다고 밝혔다.

내장형 APC
1990년대, 많은 정유 업체들은 APC (Aadvanced Process Control)의 혜택을 누렸다. 하지만 APC는 설치, 이해, 관리가 복잡하고 비용이 많이 소모되는 경향이 있으며, 그 결과 다수의 업체에서 구현 후 2년 내에 APC를 중단하기에 이르렀다.

반면, APC는 가열기/보일러(공급 영역)와 증류탑(수요 영역)의 효율성을 개선해, 에너지 비용 절약을 증진하는 데 기여하기 때문에, 업계에서는 여전히 그 기능성이 선호되고 있다. 구동하는 동안 콘솔 조작자가 누군지에 상관없이 작업 교대를 하더라도 일관적인 고성능 작동이 된다는 점도 장점으로 평가되고 있다.

공정 가변성의 감소는 에너지 효율성, 용량, 품질 측면에서 정제 시설의 손익에 직접적인 영향을 미친다. 최신 디지털 자동화 기술은 핵심 제어 루프상 높은 가변성을 자동으로 확인해, 작업 관리자 및 엔지니어 양측에게 가시성을 부여하도록 한다. 적합하게 조율돼 수행되는 제어 루프는 촉매제의 주기를 확장하고 산출 및 품질을 향상시켜 직접적으로 수익 증가를 도모할 수 있다.

APC 애플리케이션은 공정 안정화를 촉진하고, 실제 장비 제약 사안과 품질 규격에 가깝도록 해, 에너지 비용을 감소시킬 수 있다. 최신 내장형 APC 애플리케이션은 표준 도구로 구축돼 증류탑의 최소 환류 조건 가동, 압축기 재활용 감축, 가열기의 과도 공기 감소, 촉매제 최소 손실, 열 복구 최대화 등의 빠른 실행 서비스를 제공한다. 정유 업체에서는 APC 기술을 적용함으로써 가장 필요한 제품을 얻는 데 요구되는 적합한 양의 에너지만 제어 시스템에서 절약해서 사용할 수 있다.

수동 점검 측정
초반에서 언급했듯, 구형 정유 시설은  안전한 시설 운영으로 국한되는 한정된 I/O만을 갖추고 있다. 예상되는 평균 고장 기간에 의거해, 다수의 공정 및 설비 상태 측정은 온라인이 아닌 수동 측정을 통해 일간/주간/월간 혹은 보다 장기의 시간 기반으로 수행되고 있다. 그간 상기의 측정 대상 설비에만 온라인 모니터링을 실시해 왔다. 이는 운영 및 유지 보수에 지속적인 정보를 공급해야 할 정도로 중요하다고 간주되는 부분이 오직 상기의 측정 대상들뿐이었기 때문이라 할 수 있다. 수동 측정 방식이 항상 설비 장애를 방지하는 것은 아니며, 잠재적인 안전 저해도 생성될 수 있다. 추가적으로 위험이 나타나는 몇몇 상황은 다음과 같다.

- 액위 확인을 위한 수동 방식 탱크 침지
- 알킬화(Alkylation) 공정 중 펌프에서 데이터 수집
- 원유 부문 예열 교환기 트레인의 온도 측정
- 클립보드를 쥐고 사다리 오르기

위 내용 중에서 원유 부문 열 교환기의 경우, 다수의 튜브 번들(Tube Bundle) 사이에 빈 상태의 온도 감지기 보호관이 위치해 있다. 수동으로 온도를 점검하려면 사다리를 타고 올라 뜨거운 열 교환기 주위에서 측정을 시도해야 한다. 열선총(Heat Gun)이 사용되기도 하지만, 이는 수집된 데이터에 오류를 발생시켜서 당면해 있는 복구 작업에 차선적인 작업을 배정하는 등의 잠재적 결정 오류를 유발할 수 있다.

공정 및 설비 상태 정보를 확인하기 위한 최신 솔루션 중의 하나는 무선화 사용이라 할 수 있다. 평균적으로 한 정유 시설에는 수백개의 프로세스 펌프가 있지만,이 중 10%만을 대상으로 온라인 모니터링이 실시되고, 잔여 펌프는 대개 월간 1회 수동으로 점검되는 실정이다. 이것은 펌프 고장 방지를 비롯한 예기치 않은 가동 중단과 연관된 잠재적 안전/환경 사고를 예방하기에는 불충분하다고 평가되고 있다. 예를 들어, 정유 업체에서는 매일 아침 기술자를 내보내 문제를 점검할 수도 있다. 하지만 이보다 더 좋은 접근법은 주의가 요구되는 펌프를 확인해 조간에 일상적으로 정보를 제공받고, 해당 펌프에 대한 정비 인력을 차후에 보내는 방법이다. 무선 설비 상태 측정은 계획적으로 유지보수를 실현해 신뢰도를 증진시킬 수 있다.

온라인 진동 감시 시스템은 정비가 필요한 펌프나 모터를 식별해 낸다. 이 도구는 최신 유지보수 도구 및 방법론을 향후 예방 대비를 위해 사용할 수 있음을 제시하며, 이를 통해 복구 작업 동안 별도의 안전성 평가 없이 시간과 비용의 절약이 가능하다. 온라인 모니터링 도구 및 자동 경보 장치는 계획에 없던 가동 중단 및 관련 비용 소모를 방지할 수 있다(그림 2 참조).

공정 제어와 자동화 시스템을 통해 불시의 가동 중지 원인에 모두 대처할 수 있는 것은 아니지만, 일반적으로 스마트 현장 장치로 불완전한 측정, 기능 장애 계기, 관리자 오류, 장비 고장 등은 해결될 수 있다. 온라인 모니터링 도구는 관습적 고장 대응 정비 문화 대신에, 애초부터 불시 가동 중지 혹은 안전사고를 예방할 수 있도록 실시간 정보를 제공하는 보다 예측적인 유지보수 문화를 만들어 나가고 있다.

디지털 자동화의 발전으로 정유 업계는 효율적이고, 안정적이며, 안전한 운영이 가능한 인력을 확보하게 됐다. 젊은 세대들은 오늘날의 디지털 기술에 보다 적응돼 있으며, 이에 따라 스마트 계기 및 시스템으로 가용한 실시간 온라인 정보 및 기능 전체를 한층 수월하게 수용한다. 추가 측정 시스템 및 마모나 비정상적 가동의 조기 감지 대비를 통한 시간 확보는 정비 업계가 과거보다 훨씬 진일보할 수 있도록 보장하는 원동력이 될 것이다.

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