플랜트는 원재료를 사용해서 상업적으로 필요한 제품을 만드는 시설을 총칭하는 단어입니다. 제품을 생산하기 위해서 공정이 필요합니다. 공정이란 어떠한 일의 진행 과정과 순서를 뜻하는 포괄적 단어입니다.
다시 말해 원재료를 상업적 제품으로 생산하기 위해서는 단계와 과정이라는 플랜트 공정이 필요합니다. 증류(Distillation) 공정을 통해 원유(Crude oil)를 우리 일상생활에 필요한 휘발유, 디젤로 변환하기 위한 시설이 대표적인 예라 할 수 있겠습니다.
공정을 구축하기 위한 플랜트 시설은 복잡한 설비와 지원하기 위한 부대시설로 이루어져 있습니다. 플랜트 시설의 공정에 필요한 구성요소는 어떠한 것들이 있을까요?
다음과 같이 주요 구성요소를 아래와 같이 9가지로 분류할 수 있습니다.
Equipment (장치)
Instrumentation (계측)
유틸리티
원재료 운반 및 처리 장치
보관시설
Electric power reticulation
Structure (구조물)
Foundation (토목기초)
Plant building (시설관리 빌딩)
위의 주요 구성요소 외 Interface 를 이루는 요소는 다음과 같습니다.
Inspection
Construction
Process
Scheduling
Client
Project Engineering
Electrical
플랜트 운영에 필요한 기본적 요소
플랜트 설비는 재료를 물리적으로 변형하는 공정 설비항목이 포함되어 있습니다. 예를 들어 원자재를 분쇄하고, 필터링 하며, 컨베이어를 통해 이송시킨후 열과 압력을 이용해서 화학적 변화를 통해 물질을 추출하고 완료된 이후에는 발생한 폐기물과 같은 부산물을 처리하도록 전체 공정이 이루어져 있습니다.
가공을 위한 재료는 공정 설비의 지정된 장소의 저장소에서 보관하며 폐기물과 원자재를 운반 처리하는 취급 장치가 포함되어 있습니다.
원자재의 보관 및 이송, 공급을 위한 전체적인 균형이 이루어 질수 있도록 설비가 구성되야 합니다.
플랜트 운영에 필요한 유틸리티 시설을 갖춰야 합니다. 이는 압축공기, 스팀, 질소, 물과 같은 기본적인 운영요소를 말합니다.
공정 흐름도 : 이는 공정 전체에의 흐름을 확인할 수 있는 P&ID 를 말하며 유틸리티, 공정, 전계장으로 세분화 하여 운영합니다.
원료의 공급은 계획에 맞추어 Feed되어야 하며 공급원료의 특성에 따라 분류 저장하여야 합니다. 이 때 공급에 필요한 범위내에 존재해야 하며 플랜트 전체의 수율을 유지할 수 있도록 입/출력을 관리해야 합니다.
환경에 미치는 영향을 고려한 설비의 구성 및 처리 시설
플랜트 주요 구성요소 9가지
1. Equipment
원유를 증류하기 위한 증류탑, 유체를 이송하기 위한 펌프, 열을 전달하기 위한 열전달 장치, 반응기 등 공정을 이루는 가장 중요한 요소의 집합체가 Equipment 입니다. 물리적 화학적으로 변화를 주거나 먼지를 제거하기 위한 송풍기 진공을 형성하기 위한 진공펌프 등의 모든 장치류가 범주에 포함됩니다.
대형 플랜트의 시공은 EPC계약을 수행할 수 있는 EPC社가 수행하면서 각 장치류 (Equipment)는 이를 전문으로 하는 회사 (Vendor or Sub-contractor) 를 통해 제작 진행하는 것이 일반적입니다. Equipment 는 크게 다섯 가지로 분류할 수 있습니다. (Figure Plant equipment)
<Figure Plant Equipment>
(a) Static equipment (고정장치)
(b) Rotary equipment (회전 기계)
(c) Heat transfer equipment (열전달 장치)
(d) Reactor equipment (반응기)
(e) Piping & Valves (배관 밸브)
(a) Stationary equipment
Stationary equipment 회전이나 움직임이 없는 고정된 상태의 설비로서 공정상에 유체를 보관하거나, 증류, 상(Phase)을 기수 분리(Separator)를 하는 목적의 장치류를 총칭합니다.
대체로 둥근 원형 모양의 Vessel 형태의 외형을 갖고 있으며 고온 고압 및 특정 목적에 맞게 설계되는 장치류로써 Distillation tower, Separator , Storage Tank를 대표적인 예로 들 수 있습니다.
<Figure Storage Tank>
Separator : 천연가스나 유체(Fluid)안에 있는 상(Phase)을 분리하는 장치의 총칭입니다. 수직형, 수평형, 2-phase, 3-phase, 4-phase 등 다수의 상을 분리할 수 있는 장치 입니다. 일반적으로 Separator는 ASME 등 압력용기 관련 CODE에 준하여 제작되며 온도와 압력에 따라 설계 기준과 검사방법, 적용 CODE에 차이가 있습니다.
장점은 적은 비용으로 제작이 가능하다는 점이 있습니다. 다만 ASME CODE가 필요할 경우에는 ASME 인증 제작업체를 통해 제작하여야 합니다. 물, 가스, Clude oil 을 분류하는 Three-phase separator를 대표로 들 수 있습니다. 3-phase separator 설계 시 중요한 요소는 retention time 이 있습니다.
Oil 은 시간이 지나면서 물 보다 비중이 작기 때문에 물 위로 올라오게 됩니다. 이러한 물리적 요소를 접목해서 상(Phase)을 분리하게 됩니다. Oil and gas separator에 대한 대표적인 CODE는 API 12J oil and gas separator 가 있습니다.
Distillation: 증류탑을 말하며 액체가 가지고 있는 끊는 점을 이용해서 혼합물을 분리 정제하는 공정입니다. 글쓴이는 증류탑이 플랜트를 대표하는 가장 상징적인 설비라 생각합니다. 실제 보면 플랜트의 랜드마크 느낌을 받을 수 있습니다. 증류를 하기 위한 기본적인 원리는 각 혼합물이 가지고 있는 개별 성분들의 비증점 차이를 이용합니다.
또한 액체 혼합물은 각기 다른 비증점 특성이 있으므로 상(Phase)이 가지고 있는 Vapor pressure 의 특성에 따라 증류 과정에 차이가 있습니다. Vapor pressure는 기화가 일어나는 현상과 연관이 있으며 에너지 즉 열의 상승은 Vapor pressure 상승을 동반합니다. 높은 Vapor pressure 가지고 있는 액체는 낮은 온도에서도 금방 끓어 오르게 됩니다. 예를 들어 물은 100 °C 에서의 약 760 Torr의 증기압력을 갖고 있습니다. 이 증기압이 높을수록 기체가 되려는 성질이 높다는 것을 말합니다.
익히 알고 있는 것처럼 증류탑을 이용한 대표적인 공정은 원유 정제공정입니다. Crude oil은 액체가 가지고 있는 Vapor pressure & boiling point 를 이용해서 정제 과정을 진행합니다. 원유는 Furnace를 통과하면서 가열되고 증류탑 안으로 Influx 됩니다. Vapor pressure 가 높은 상부터 증류탑 상부부터 단계별로 분리됩니다. 원유 정제 시설의 증류탑 상부 부터 순서는 다음과 같습니다. 이때 가열되는 온도 범위는 150 °C ~ 400 °C 입니다.
Rotary는 Static equipment 와는 다르게 회전하는 운동이 있는 장치류를 총칭합니다. 여기에는 펌프, Compressor(압축기), Blower(송풍기) 가 포함됩니다. 산업용과 가정용을 동일 선상에서 보기는 어렵지만, 우리가 일상생활에서 사용하는 선풍기 또한 rotary equipment 라 볼 수 있습니다. 유체를 이송하는 데 가장 많이 사용되는 것은 펌프 입니다.
펌프는 크게 용적형(Positive displacement) 과 다이내믹형(Dynamic)으로 분류 됩니다. 용적형은 공간의 이동과 변화에 의한 유체를 밀어내는 형식을 말하며 다이내믹형은 회전하는 날개 (Rotor or Vane)를 통해 유체에 원심력을 가하고 이를 운동에너지로 변환하여 압력을 가해 밀어내는 형식을 말 합니다.
우리가 일반적으로 많이 접할 수 있는 물 펌프는 Centrifugal(원심력)을 사용한 것으로 다이내믹형에 속하는 타입입니다. 플랜트 공정 내에서 Rotary equipment 는 Static equipment 나 다른 장치류로 Process fluid 를 이송하는 데 주로 사용됩니다. 사용하고자 하는 유체의 종류, 압력, 온도 등의 목적에 따라 펌프를 선정해야 합니다. 플랜트 공정에서 펌프를 사용하는 목적은 다음과 같습니다.
유체를 낮은 곳에서 높은 곳으로 이송할 때
유체를 낮은 압력에서 높은 압력으로 이송할 때
유체의 양을 증가시키고자 할 때 (유속을 증가)
(c) Heat transfer equipment
열전달 장치로써 화학적 작용을 제어 하거나 상(Phase)이 가지고 있는 열을 높이거나 낮출 때 사용하는 장치류의 총칭입니다.
보일러와 열 교환기를 대표적인 예로 들 수 있습니다. 열교환기는 2 개의 열에너지를 교차시켜 냉각시키거나 가열하는 장치로 써 각 상(Phase)이 가지고 있는 온도의 차이를 이용해서 열원을 전달합니다.
열교환기는 또 판형과 Shell & Tube 로 나뉘어 지며 사용 온도 유체 유량에 따라 타입을 결정해야 합니다. (플랜트 길라잡이 다음 시간에 좀 더 자세히 다루겠습니다)
(d) Pipe & Valves
플랜트 Equipment의 구성요소인 Rotary, Static, Heat transfer, Utility 를 연결하고 유체를 이송하며 온도 압력 유량을 조절하는 Plant 의 필수 구성 요소입니다. 배관은 사용 유체 및 온도 압력 목적에 따라 재질 및 크기를 결정합니다.
예를 들어 해수를 냉각수로 사용하는 배관에는 GRP나 티타늄 같은 내부식성을 가지고 있는 재질을 적용해야 합니다. 때에 따라서는 듀플렉스 스테인레스 파이프와 같은 특수 재질도 고려해야 하죠.
밸브는 우리 주변에서도 자주 볼 수 있는 것입니다. 게이트 밸브, 볼 밸브, 니들 밸브 등 그 종류가 다양하고 사용 목적에 맞게 선정해야 합니다.
2. Instrumentation
플랜트 설비 구성요소 중 Equipment 와 Pipe & Valve에 부착되는 계기류로 공정과정에서 발생하는 물리적 측정값을 계측하고 제어하기 위해 사용하며 Field에 부착한 계기류의 전기적 신호를 한 장소(Control room)에 모아서 공정 현황을 파악하고 제어할 수 있게 하는 것을 Instrumentation 이라고 정의합니다.
오늘날 현대화된 플랜트 시설을 보면 공정이 자동화로 이루어져 있음을 알 수 있습니다. 버튼 하나로 장치를 켜고 끄고 온도를 높이고 낮추는 등 적은 인력으로 플랜트 공정을 제어해서 운전 비용을 절감하는 효과를 수반합니다.
운전 및 제어 목적 외 공정에서 발생하는 모든 상태를 사전에 점검하고 안전한 플랜트 관리를 가능하게 합니다.
3. 유틸리티
플랜트 시설에서 사용되는 유체를 말하며 아래의 항목에 이 범주에 해당합니다.
Water system (Cooling water, Boiler water, Plant water, Utility water, emergency water)
Compressed air & utility air (Instrument air)
Steam
Utility water
Nitrogen
Compressed air는 Pneumatic 장치를 구동할 때 사용합니다. 이를 사용해서 Control valve의 궤도율을 조절하거나 밸브를 여닫고 할 수 있는 Power를 공급합니다. Utility water는 자동 제어장치에 의해 Make-up(물 보충)이 필요한 구간의 Water level의 유지를 위해 필수적으로 필요한 Utility입니다. Purge또한 유틸리티 범주 안에 포함됩니다.
4. 원재료 운반 및 처리 장치
자재 운반 및 처리 장치는 재료를 Equipment 설비로 이송하거나 보관소로 이동할 때 즉 원재료를 A 지점에서 B 지점으로 이동시킬 때 사용하는 장치류를 말합니다. 아래 그림은 석탄 화력 발전소의 Flow-diagram 입니다.
Coal Pile(석탄)을 Coal Bunker로 이송하거나 Coal Pulverizer(분쇄기) 로 이송하는 과정에 Conveyor(컨베이어)를 사용하는 것을 원재료 운반의 대표적인 사례라 할 수 있습니다. 그외 원재료를 저장소로 이동하거나 처리하기 위해서는 운반용 시설이 필요하며 크레인, Hand lift, 팔레트와 같은 요소가 범주에 포함됩니다.
원재료를 반입/반출 할 때 이용하는 트럭 또한 원재료 운반 처리장치의 하나입니다.
A. 공압 컨베이어는 최대 400ft (약 122m) 거리 내에서의 용량이 큰 응용분야에 적합함.
B. 드래그형 컨베이어(Redler)는 밀폐되어 단거리에 적합. 크기는 3-19인치 정사각형(75~480mm)이다. 이동 속도는 30~250ft/min(10~75m/min)이 될 수 있다. 이러한 컨베이어의 전력 요구사항은 다른 형식보다 높다.
C. 버킷 엘리베이터는 일반적으로 끈적거리거나 연마재의 수직 운송에 사용된다. 20 in x 20 in (500 mm x 500 mm)의 버킷으로 100 ft/min(30 m/min)의 속도에서 1000 입방피트/hr(28 입방 미터/hr)의 용량에 도달할 수 있다. 최대 300 ft/min(90m/min)의 속도가 가능하다.
D. 벨트 컨베이어는 대용량 및 장거리 운송에 사용할 수 있다. 최대 30°까지 유입이 가능하다. (635 mm)의 24인치 벨트는 100 ft/min(30.5 m/min)의 속도로 3000 cu. ft/h(85 cu m/h)를 운반할 수 있다. 속도는 600 ft/min(183 m/min)까지 될 수 있다. 전력 소비량은 비교적 낮다.
E. 나사 컨베이어는 최대 150ft(46m)의 운송을 위해 끈적거리거나 연마성 고형물에 사용할 수 있다. 인클린은 약 20°까지 될 수 있다. (305 mm) 직경의 12인치 나사 컨베이어는 약 40-60 rpm에서 1000-3000 cu./h(28-85 cu.m/h)를 운반할 수 있다.
5. 보관시설
플랜트 공정 내에 필요한 원재료를 보관하거나 기자재 및 폐기물들을 보관하는 시설.
6. Electric power reticulation
전기를 필요로 하는 Driving machinery (모터 등), 조명시설 계측기 전원 공급 및 Control등 모든 전기 시설.
7. Structure
다양한 재료를 사용합니다. 콘크리트나 스틸을 사용해서 구조물을 새우고 설비의 위치를 결정하거나 지지하는 등의 역할을 수행합니다.
8. Foundation
구조물과 설비를 직접 지지하는 기초 토목 구조물.
9. Plant building
제어실, 변전소, 실험실과 같은 건물을 말하며 운영 및 유지관리 시설, 관리 사무소가 포함되어 있습니다.
끝말
플랜트 시설을 구성하는 요소 9가지에 대한 내용을 포스팅하였습니다. Feedback이나 궁금한 사항은 블로그 쥔장에게 메일 주세요 (qusinside@gmail.com)
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