[압축기제어] ‘블랙박스’지고‘PAC’뜨다

오늘날 전 세계 많은 석유와 가스 생산자들은 블랙박스 대신 PAC를 선택하고 있다. 블랙박스는 석유와 가스를 포함한 많은 산업에서 안전성과 환경보호를 지향하는 엄격한 규제가 시행되면서 여러 가지 단점들을 드러내기 시작했다. 반면 PLC를 기반으로한 새로운 시스템들은 호환성은 물론 확장된 계산 능력과 증대된 실행 속도를 특징으로 하여 운전을 개선하고 효율성을 제고하는 엄청난 잠재력을 제공했다.

로크웰 오토메이션

압축기는 석유가스 산업에서 통합적인 역할을 수행하며 석유와 가스를 수천 개의 실용제품으로 변환하는 다수의 공 정에 동력을 공급한다. 종종 압축기는 대부분 석유화학 플랜 트 제어 플랫폼에 통합되지 않지만, 압축기 제어장비는 플랜 트 관제센터 내부의 별도 패널에 실장되는 블랙박스에 단독 으로 내장된다.
이러한 패널들은 보통 정상 범위 안에서 작동하는 플랜트 의 터보 기계들을 유지하는 데 사용되는 맞춤방식 장비들을 포함하고 있다.
주된 목적은 압축기 자체를 심각하게 손상시킬 수 있고 값 비싼 수리, 플랜트 정지와 환경적 영향까지 유발할 수 있는 서지(Surge), 즉 급격한 불안정 흐름의 역전을 방지하는 데 에 있다.
오늘날 전 세계 많은 석유와 가스 생산자들은 PAC (Programmable Automation Controllers)를 위하여 자신 들의 블랙박스 대신, PAC를 선택하고 있다. PAC는 PC 기반 제어 시스템의 특징 및 장점과 역량을 전형적인 PLC (Programmable Logic Controller)뿐 만 아 니 라 EtherNet/IP와 예측 모델링 해석과 같은 첨단 디지털 기술 과 결합한다.

제어 vs. 서지

로크웰 오토메이션의 Turbomachinery Controls 사업관 리자인 릭 맥린은 압축기 제어기의 목적은 터보기계를 안전 변수 안에서 운전하는 것이라고 설명한다. 서지는 안전한 압 축기 운전에 주요한 적이다.
서지는 작업자에 의한 실수 또는 하류 수요의 변화로 인한 압축기 유량이 갑자기 감소할 때 발생한다. 압축기 내부의 역류는 단시간 동안만 지속되는 반면에 결 과적으로 불안정한 압력은 밀봉 및 임펠러(Impeller)와 같은 구성품에 동적인 부하를 줄 수도 있다. 이러한 작업이 반복적 으로 지속하게 되면 설비에 부하를 주어 고장을 일으킬 수도 있게 된다.
서지방지 제어는 종종 공정 손실로 인해 압축기 보호를 시 도하여 정상적인 플랜트 운전을 방해할 수 있다. 이를 해결하 기 위하여 용량 제어와 같은 공정관련 기능이 블랙박스에 포 함되어 서지방지 제어기의 영향을 감소시키고, 공정 교란을 방지한다.

압축기 제어장치의 진화

1900년대 석유가스 생상자들은 제어기 업체들과 작업하여 초보적인 공압 압축기뿐만 아니라 비례-적분-미분(proportional- integral-derivative, PID) 제어 시스템을 개발했다. 이것들은 공정제어 입력을 조정함으로써 흐름을 최소화했다. 그러나 이것은 많은 에너지를 발생시켰고, 결과적으로 엔지 니어들은 더욱 에너지 효율적인 압축기 제어기를 모색하게 되었다.
1970년대에 분산제어 시스템(Distributed Control System, DCS)과 PLC 플랫폼은 100ms 미만 제어 출력을 생 성하는 데 필요한 계산 속도가 부족하여 엔지니어들은 전문 화된 제어 하드웨어인 블랙박스를 고안해냈다.
1990년대, 석유와 가스를 포함한 많은 산업에서 안전성과 환경보호를 지향하는 엄격한 규제가 시행되었고, 이러한 변 화는 블랙박스의 여러 가지 단점들을 드러내기 시작했다. 예 를 들면, 변경과 펌웨어 개정은 구현하기가 좀처럼 쉽지 않 아 종종 제어기의 재설계를 요구하게 되었다. 개정은 고비용 으로 계획 정비에 포함되지 않아 시설 정지를 초래할 수도 있었다.

범용 제어 플랫폼의 발전

한편, PLC와 DCS를 기반으로 하는 제어 업계는 컴퓨터 처리 기술의 진전을 토대로 새로운 시스템 아키텍처를 개발 하고 있었다. 이러한 시스템들은 확장된 계산 능력과 증대된 실행 속도를 특징으로 하여 운전을 개선하고 효율성을 제고 하는 엄청난 잠재력을 제공했다.
블랙박스 공급업체들은 장치에 고도화된 기능들을 추가했 다. 그러나 이 장치들은 다양한 독점 플랫폼 위에서 개발되었 기 때문에 대부분 서로 호환되지 않았다. 이러한 다수의 비호 환 시스템들을 지원하는 것은 석유와 가스 생산자들에게 비 용을 증대시켰고, 결과적으로 적용 범위를 제한했다.
낙담한 엔드유저들은 시스템 엔지니어링을 단순화하고 제 어기 구축에 일관된 접근법을 제공하는 공통 세트의 프로그 래밍 기준을 추구했다. 이러한 노력의 결과는 국제표준 IEC-61131이었다. 1993년에 발행됐으며 2003년에 갱신된 이 표준은 전 세계적으로 가장 흔하게 사용되는 일련의 PLC 용 프로그램 언어이다.


오늘날 제어 플랫폼의 장점

EtherNet/IP 연결성과 고속 모델링 해석학을 갖춘 범용 제어 플랫폼의 가용성과 결합한 이러한 공통 컴퓨터 언어는 석유와 가스 엔드유저들이 블랙박스 솔루션에서의 투자를 재 고하게 했다. 맥린에 따르면 엔드유저들은 자신들의 압축기 제어장치를 주요 플랫폼과 통합하는 데 다음과 같은 장점들 을 고려해야 했다.

• 통신 : 범용 플랫폼은 공통된 통신 매체, 프로토콜, 표준 을 제공한다. 일부는 무선통신까지 할 수 있다.
• 확장성 : 블랙박스는 고정된 기능과 고정된 수의 I/O를 가지고 있으므로 공정이 변하여 추가적인 기능을 요구 하는 경우에 많은 생산자가 또 다른 블랙박스를 추가해야 한다. 그러나 PAC는 각각 특정한 적용을 위해 규모 가 정해질 수 있다. 시스템 변경과 유지보수는 운용자 교육을 용이하게 하고 정지시간을 최소화하는 공통 IEC-61131 Tool 세트로 수행될 수 있다.
• 진단 : PAC는 제한적인 운용자 인터페이스 기능을 갖 는 블랙박스보다 더 큰 제어기 데이터 해석 접근을 허 용한다.
• 이중화 : 현대식 PAC를 이용하여 이중화와 삼중화 모듈 형 예비 플랫폼을 이용하여 사용자들에게 적용 분야가 요구하는 모든 무장애 레벨에 대한 접근을 제공한다.
• 예비품 및 교육 : 블랙박스는 고가의 공간 구성품과 시 스템 유지보수를 위해서는 훈련받은 인력이 필요하다. 범용 제어 플랫폼은 다수의 시설 분야에 사용되므로 석 유와 가스 생산자들은 단일 하드웨어, 교육 및 기술지원 솔루션을 구축할 수 있다.
• 시스템 아키텍처 : 터빈 구동식 압축기에 대한 전형적인 아키텍처 접근법은 각 제어기능뿐만 아니라 보조 PLC 를 통합하여 윤활유 제어, 압축기 밀봉, 가동 순서, 연동 및 허용장치를 취급하기 위해 유선통신 상호접속이 있 어야 한다. 범용 플랫폼은 단일 플랫폼 안에 다수의 임 무를 통합할 수 있으며, 단일 플랫폼은 상호접속과 통신 을 단순화하고 설치 비용을 낮춘다.
이를 요약하여 맥린은 다음과 같이 말한다.
“개방형 범용 플랫폼은 통합형 네트워크 연결성, 더욱 정밀 한 압축기 제어와 더욱 용이한 확장성을 제공하여 생산량 수 요를 충족시킨다. 석유와 가스 생산자들이 통합되고, 자동화 된 공정제어의 충분한 잠재력을 실현하는 동안 블랙박스는 압축기 제어장치의 공룡이 되는 길을 택했다.”

증기 터빈 제어

로크웰 오토메이션은 단일밸브 및 단일밸브 랙 증기터빈용 Single Valve Steam Turbine Governor를 발표했다. 공 통 하드웨어 플랫폼 위에 구축되어 멀티태스킹 운영체제로 개방형 아키텍처를 지원하는 Allen-Bradley CompactLogix 제어 플랫폼을 사용한다. 다양한 색상의 Allen-Bradley PanelView Plus HMI는 운영자 인터페이 스를 고도화하고 시각적 통찰력과 제어를 제공한다.
적용 유연성과 신뢰성에 대한 수요를 충족시키도록 설계된 Single Valve Steam Turbine Governor는 대형 HMI 디 스플레이, 스텐레스강 외함 및 가용한 purge kit을 제공한 다. 단일 메뉴 구동방식 구성은 휴대용 장치를 대체하며, 고급 고장 추적과 진단 정보 역시 더 많은 제어를 허용하고 가동시간을 증대시킨다. 그뿐만 아니라, 고급 제어기능은 추가적인 장치의 필요성을 최소화할 수 있다.
현지에서 가용하고 세계적으로 지원되는 Single Valve Steam Turbine Governor는 증기터빈 제어에 고도 기술 과 더 많은 기능성을 가져다준다.