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정유 플랜트 가솔린 배합 최적화로 단숨에 600억원 이상 가치 실현, '슈나이더 일렉트릭 통합 솔루션 ROMSS'
기사작성: 2020-04-10 13:07:46
정유 플랜트는 원유를 정제해 각종 석유제품을 제조한다. 주요 공정으로는 원유를 끓는점을 이용해 분리시키는 ‘증류’, 불순물 제거 등 품질을 향상시키는 ‘정제’, 그리고 정제된 각 유분을 제품별로 혼합하거나 첨가제를 주입하는 ‘배합’ 공정이 있다. 현재 정유 플랜트에서 수익을 극대화하기 위해 이뤄지고 있는 방법으로는 미가공 원유 공급망 및 최종 생산물 운반 과정의 최적화, 탱크팜 정보 및 이동 과정 시스템화 등이 존재하는데, 그 중 하나가 ‘가솔린 배합 공정의 최적화’이다. 배합 공정에 최대한 경제적으로, 효율적으로 적절한 제품을 사용해 생산성 높은 시스템을 구축해 기업 측에서 필요 없는 손실을 최소화시키는 것이 핵심이다.

가솔린 배합 과정을 최적화하게 되면, 각 공정에서 발생할 수 있는 옥탄가, T50, 리드증기압(RVP), 유황, 유동점 등 여러가지 편차(giveaway, 목표 수치와 결과물로 나온 수치 간의 차이) 중 특히 옥탄가의 편차를 최소화할 수 있으며, 결과적으로는 배럴 당 이익을 극대화할 수 있게 된다. 옥탄가 편차를 줄여 수익성을 높이기 위해서는 현장에서 필요한 하드웨어 설비뿐만 아니라 관리 및 제어 할 수 있는 소프트웨어와 온라인 계측기가 필요하다. 이를 위한 하드웨어와 소프트웨어, 그리고 커넥티드 제품을 통합적으로 제공할 수 있는 기업이 많지 않은데, 그 중 하나가 슈나이더 일렉트릭이다.

슈나이더 일렉트릭은 제조 업계의 자동화 및 최적화를 위한 엔드투엔드 포트폴리오를 보유하고 있다. 플랜트에서 1차적으로 필요한 커넥티드 제품군(Connected Products) 부터 엣지 컨트롤(Edge Control), 그리고 앱, 분석 및 서비스(Apps, Analytics & Services) 제품군까지, 인더스트리 4.0 디지털 혁신에 필요한 고객맞춤 통합서비스 솔루션을 제공한다. 그리고 슈나이더 일렉트릭은 지난 8년 동안 인수합병을 약 70건이나 이룬 만큼, 4차 산업혁명 시대의 디지털화 혁신을 위해 굉장한 투자를 진행하고 있다. 2017년에는 영국 산업용 소프트웨어 기업인 아비바(AVEVA)를 인수했으며, 이를 통해 소프트웨어 부문의 경쟁력이 더욱 강화됐다.

▲ 정유공정 오프사이트 솔루션 ROMSS는 아비바의 소프트웨어 제품군과 슈나이더 일렉트릭의 하드웨어 제품군을 동시에 제공한다. (자료제공 : 슈나이더 일렉트릭)

슈나이더 일렉트릭은 ‘정유 공정 오프사이트 관리 솔루션 제품군(이하 ROMSS, Refinery Offsite Management Solution Suite)’을 통해 업그레이드된 아비바 소프트웨어와 슈나이더 일렉트릭 공정 자동화 사업부문(Schneider Electric Process Automation, 이하 SE PA)의 공정분석시스템(Schneider Electric Process Analyzers) 커넥티드 제품을 통합적으로 제공한다. 정유 플랜트의 자동화 구현을 위한 ROMSS는 공정 전체에 적용될 수 있는 솔루션을 포함하고 있으며, 특히 가솔린 배합 공정을 위한 제품군에서 소프트웨어와 하드웨어의 시너지를 통해 그 진가를 발휘한다. 외에도, ROMSS는 원유 블렌딩이나 마이닝 산업에서도 적용이 가능해 응용력이 뛰어나다.

ROMSS는 제품 데이터, 제품품질, 장비 이동 및 사용여부 등의 참조데이터와 탱크 재고, 이동 관련 데이터, 배합 관련 리포트 등의 생산데이터를 포함한 관계형 데이터베이스를 기반으로 구축됐다. ROMSS의 관계형 데이터베이스 관리 시스템(RDBMS, Relational Database Management System)은 오라클 또는 마이크로소프트 SQL 서버로 사용 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.

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 제어 시스템과의 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 제어 시스템 환경에서 두각을 보인다.

▲ 슈나이더 일렉트릭의 ANALECT HSS 온라인 FTIR 분석기는 광범위한 근중적외선 영역으로 유분 분석 과정에서 높은 신뢰성과 정확도를 자랑한다. (자료제공 : 슈나이더 일렉트릭)

ROMSS 내에서 정유 플랜트의 가솔린 배합 과정에 적합한 솔루션으로는 슈나이더의 PA 커넥티드 제품 라인의 FTIR(Fourier-Transform Infrared Spectroscopy, 푸리에변환 적외분광) 분석기 제품군과 아비바 소프트웨어 솔루션 라인의 BOSS(배합 최적화 및 감시 시스템, Blend Optimization and Supervisory System), BPO(배합 설계 최적화 프로그램, Blend Plan Optimizer), 그리고 AMADAS(분석 관리 및 데이터 수집 시스템, Analyzer Management and Data Acquisition System)가 있다. 우선, 가솔린 배합을 성공적으로 최적화하는데 중요한 역할을 하는 온라인 분석기는 신뢰성이 있어야하며, 피드백 제어와 같이 빠른 응답시간으로 유분의 특성에 대한 정확한 추정치를 제공할 수 있어야한다. 이에 상응하는 FTIR 분석기가 바로 슈나이더 일렉트릭의 ANALECT HSS (Hydrocarbon SmartSystem)이다.

ANALECT HSS 분석기는 옥탄가, 방향족 탄화수소, 벤젠, API 비중도, 리드증기압 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. 그리고 ANALECT HSS 분석기는 물리적 및 화학적 성분에 대해 실시간으로 정확하고 안정적인 모니터링을 제공한다. 광범위한 근적외선 및 중적외선 영역을 분석하고, 담고 있는 정보의 양이 많기 때문에, 경질 또는 중질 탄화수소 분석이 모두 가능하며 공정의 시작부터 배합과정까지 원유를 온라인으로 모니터링할 수 있다.

ANALECT HSS 분석기는 또한 샘플 온도 조절, 수분 제거, 여과 시스템, 그리고 샘플 특이치 수집, 세포 세척 및 샘플 검증 등의 자동 기능을 제공한다. 전면에 있는 15인치 모니터를 통해 고객은 분석 수치를 쉽게 확인할 수 있으며, Modbus, OPC, 이더넷 및 기타 디지털 및 아날로그 프로토콜을 통해 DCS 및 LAN 시스템과의 원활한 연결 및 원격 액세스가 가능해 높은 사용자 친화성을 자랑한다. 99% 이상의 가동시간을 자랑하는 ANALECT HSS 분석기는 내장된 PA의 플래그십 운영 플랫폼인 SpectraRTS 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 계기 역량을 제공한다.

▲ ANALECT HSS 분석기는 여러 대를 설치하거나 ANALECT RefinIR 분석기와 연계하면 효율성이 더욱 향상된다. (자료제공 : 슈나이더 일렉트릭)

ANALECT HSS 분석기는 자동화된 ASTM(American Society for Testing and Materials) 표준 보정을 통해 세가지 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 통해 분석기가 과거에 정의된 공차 내에서 검사 샘플 스펙트럼을 일치시킬 수 있는지에 대한 성능 입증도 가능하다. 마지막으로, 다변량 화학적 모델을 사용하는 ANALECT 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 개의ANALECT HSS 분석기를 사용하게 되면, 100%의 가동 시간이 보장될 뿐만 아니라 두 분석기의 결과를 평균화 했을 때 랩 기준 값과의 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. 외에도, ANALECT RefinIR 랩 분석기와 연계하면 더욱 신속한 데이터 수집, 교정, 검증 및 모델링이 가능해진다.

ANALECT HSS 분석기의 랩 버전 이라고도 할 수 있는 ANALECT RefinIR 분석기는 완전하게 통합된 랩 오토샘플러 및 FTIR 기기이다. 이 분석기는 원유에서 혼합 가솔린 및 경유에 이르기까지 정유 플랜트에서 생성되는 액체 탄화수소 샘플의 스펙트럼 데이터를 자동으로 제공한다. 오토샘플러는 최대 125°C까지 가열돼 중질의 원유 및 중간체를 샘플링할 수 있으며, 기기 내의 회전식 벨트(carousel) 위에는 22ml 크기의 유리병 24개가 제공되며, 담긴 샘플의 정보는 오토샘플러로 자동 전송된다. 그리고 버튼 한 번만 누르면 내장된 SpectraQ 소프트웨어가 샘플의 FTIR 스펙트럼을 자동으로 수집해 고객은 물리적 특성 및 화학적 성분 등을 확인할 수 있게 된다. 또한, SpectraQ 소프트웨어는 스펙트럼의 무결성을 보장하기 위해 ASTM D6122 표준의 유효성 검사 및 세척 기능을 제공해 샘플 간의 교차 오염을 방지하고 신뢰성을 높인다.

▲ 아비바 소프트웨어 BOSS는 광범위한 적용성과 배합 설계 최적화를 통해 배럴 당 마진을 극대화시킨다. (자료제공 : 슈나이더 일렉트릭)

BOSS는 가솔린 배합 공정에서 최적의 제어 시스템을 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 극대화시킨다. 시스템 실행이 불가한 경우에는 장비 별로 전문 오퍼레이터의 지원을 제공받을 수 있으며, 선택적 자동 펌프 기능을 사용해 성분 전달 용량의 균형을 최적화할 수도 있다. BOSS 패키지의 경우에는 표준 배합 모델에 대한 라이브러리를 확보한다. 모델 예측은 보통 온라인 및 랩 분석기 헤더 피드백을 사용해 이뤄지며, 분석기가 유효성 검사에 실패한 경우에는 스스로 예측한다. 성분 특성에 관한 피드포워드(feedforward: 실행 전에 결함을 예측하고 행하는 피드백 과정의 제어)는 랩 샘플링, 온라인 분석기, 또는 성분 탱크 품질 통합(TQI) 시스템으로부터 제공된다.

BOSS는 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. 이 외에도, 광범위한 유효성 검사를 지원하기 때문에 타깃 탱크의 성분 품질을 통합하는 것 가능하며, 여러 병렬 블렌드 헤더를 동시에 최적화 할 수도 있다. 게다가 BOSS는 위험 경보, 배합 과정 설정부터 종료 시점까지의 보고서, 탱크 힐 교정, 초기 배합 비율 계산 등의 기능을 지원해 정유 공정 배합 설계자 및 오퍼레이터에게 필수인 소프트웨어이다.

▲ 아비바 소프트웨어 제품 군 BOSS, BPO, AMADAS는 가솔린 배합 공정에서 서로 연계해 빈틈없는 자동화를 실현한다. (자료제공 : 슈나이더 일렉트릭)

BOSS가 배합 공정의 최적화에 초점을 뒀다면, BPO는 미가공 유분 및 완제품의 재고 조건을 고려함과 동시에 BOSS의 배합 설계를 관리 감독한다. BPO는 BOSS와 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. BPO는 가솔린이나 경유 배합 작업에 대한 다중 주기 및 다중 배합 오프라인 설계 및 온라인 최적화를 제공해 BOSS에서 실행할 배합 계획을 지속적으로 개선시키고 현재는 물론이거니와 미래 재고 조건을 엄격하게 적용하기 때문에 경제적인 손실을 최소화한다.

AMADAS는 분석기의 유효성 검사를 통한 품질 향상을 위해 필수인 솔루션이다. 본 솔루션은 DCS를 통해 온라인 가솔린 배합 분석기에 접속해 품질이나 성능, 그리고 유지 보수 상태를 통계적으로 평가 및 검증한다. 모든 성능 데이터 및 유지 보수 작업 지시는 관계형 데이터베이스에 기록되기 때문에, 복잡한 분석기 교정 시퀀스 같은 경우는 스크립트를 사용해 AMADAS에서 자체적으로 만들어낼 수 있다. 분석기 유효성 검사는 실험실 연구 값이 아닌 분석기 판독 값을 기반으로 한 제품을 출시 할 때 필수적인 기능이므로, AMADAS 또한 배합 공정에서 없어서는 안될 중요한 솔루션이다.

이와 같이, ROMSS에서 정유 플랜트의 가솔린 배합 공정을 최적화시키는 소프트웨어 및 하드웨어 솔루션은 각각의 중요한 역할이 주어지고 전체 시스템을 연결하고 이익 손실을 최소화시킨다. 슈나이더 일렉트릭의 ANALECT HSS 및 RefinIR 등 FTIR 분석기 라인을 통해 얻은 결과를 토대로 아비바 소프트웨어인 BOSS 시스템이 배합 과정을 최적화시키고, BPO 프로그램이 관련 재고 및 판매 현황을 파악해 BOSS 시스템을 관리 감독하게 된다. 그리고 AMADAS 시스템이 모든 관련 분석기 및 시스템을 평가하고 검증해 결과적으로는 정유 공정의 배합 과정 전체를 자동화하고 마진을 극대화시키는 전략을 갖추게 되는 것이다.

▲ V사는 ROMSS를 통해 손실을 최소화하고 품질 개선 및 공정 최적화에 성공했다. (자료제공 : 슈나이더 일렉트릭)

가솔린 배합 공정의 표준화 및 최적화를 통한 수익성 증대에 성공한 대표적인 예로는 미국 석유 화학 및 정유 전문 회사인 V사가 있다. V사는 이미 8개의 정유 플랜트에 슈나이더 일렉트릭의 ROMSS를 도입했고, 향후 추가로 공정에 적용할 예정이다. 14개의 플랜트에서 하루에 230만 배럴을 생산하는 V사는 가솔린의 품질 규격을 맞춤과 동시에 원가 손실을 최소화 시키고자 슈나이더 일렉트릭과의 협업을 진행했다. ROMSS를 도입함으로써 V사는 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.

V사는 여러 대의 ANALECT HSS 온라인 FTIR 분석기를 설치해 엔진 노킹, D86, FIA(flow injection analysis), 농도계 랩 측정 값 등을 파악했다. 24만 배럴을 초과하는 화물은 선박으로 직송하는 방법(direct-to-ship) 또는 선박을 비움과 동시에 탱크로 직송하는 방법(direct-to-tank-while-emptying-to-ship)을 사용해야 하는데, ROMSS 솔루션은 이를 모두 제공해 그에 따른 이점도 챙길 수 있었다. 또한, BOSS 최적화 시스템 및 AMADAS 품질 관리를 적용해 배합 공정 내 각 유분의 양 및 품질 모니터링과 탱크의 재고 및 품질 예측을 통해 공정을 표준화 시켰다. 특히, AMADAS는 배합 및 분석기 유지 보수 정보에 대한 사용자 가시성을 향상시키고, 성능 분석을 위해 제품 및 등급 필터링을 단순화 시켰다. BPO는 배합 초기 레시피를 최적화하는데 성공했으며, RBOB 입찰을 최적화해 15만 배럴에서 20만 배럴로 크기를 향상시키고 수익성을 높였다.

현재 4차 산업혁명 시대에 들어서며 모든 것이 디지털화되고 있다. 제조 업계에서는 이를 통한 생산성 향상과 수익성 증대를 이뤄내는 것이 핵심이 됐으며, 특히 정유 및 석유화학 업계에서는 두드러진 차이를 나타내고 있다. 때문에, 슈나이더 일렉트릭의 정유 공정 오프사이트 솔루션 ROMSS의 중요성이 더욱 커지고 있다. 정유 공정 중 가솔린 배합 과정을 표준화 및 최적화시키고 최종적으로는 전체 시스템을 자동화해 제품 경쟁력을 크게 향상시킬 수 있다. 게다가 매년 경비에서 절감되는 이익을 연구개발(R&D) 부문이나 새로운 비즈니스 기회를 창출하는데 투자할 수도 있다. 이처럼, 슈나이더 일렉트릭의 ROMSS는 정유 업계에서 자동화의 혁신을 이뤄낼 것이라 기대된다.
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