최근 국내 에너지 업체들의 사업 투자 경향을 살펴보면 박리다매·저마진 구조인 정유업에서 벗어나 최근 수요가 늘고 수익성도 좋은 석유화학 영역으로 사업을 확장하고 있다. 이에 따라 대규모 신규 투자 계획이 이어지는 영역도 파라자일렌 생산시설과 같은 고수익 영역에 집중되고 있다.


배경
국내 중요 에너지 회사의 한 관계자는 파라자일렌 생산 설비 투자 계획을 발표하며 “단순 정제시설로 구성된 기존 설비의 열세를 극복하고 수출 경쟁력을 강화하기 위해 사업 영역을 석유화학으로 확장하는 것”이라고 밝혔다.

혼합 자일렌에서 분리해 제조하는 파라자일렌은 무색 투명한 액체로 인체에 유해한 물질이며 폴리에스터 섬유나 PET병, 필름 등의 원료가 되는 텔레프탈산(Terephthalic Acid) 제조에 사용되는 고부가가치 제품이다.

벤젠, 톨루엔, 자일렌 등은 다른 탄화수소와 달리 미량일때 향긋한 냄새를 풍기므로 방향족 탄화수소라고 불리며, 석유 정제 공업이 발달하기 전에는 석탄을 건류하거나 특수한 목재를 건류해 제조했다. 또한 NCC에서 생산되는 분해 가솔린 또는 납사를 원료로해 벤젠, 톨루엔 및, 자이렌을 추출과 증류공정을 거쳐 분리 정제하고 있다. 이러한 추출, 증류, 및 분리 정제 공정은 일반적으로 중질 나프타를 개질한 리포메이트(개질 납사)를 원료로 파라자일렌, 벤젠 및 톨루엔을 생산하는 BTX 공장을 이용하며, 일반적으로 벤젠은 스타이렌모노머(SM), 나이론 및 큐멘 등의 원료로 사용되고, 파라자일렌(PX)은 폴리에스테르 필름의 원료로 사용된다. 부가가치가 낮은 톨루엔은 톨루엔 전환시설을 통해 벤젠 등으로 전환돼 사용되고 있다.

이에 따라 BTX 공정 및 이에 따른 위험성에 대해 간략히 살펴보고, 이렇게 산업 발전에 따라 각광받는 석유 화학 공정을 안전하게 운영할 수 있는 방안을 살펴보고자 한다.

BTX 공정
BTX 공정은 용제추출(Sulfolane), 톨루엔 전환(Tatoray), 방향족 분리(Aroma tic Fraction), 벤젠 톨루엔 분리(BTU), 자일렌 분리(PAREX) 및 이성화(ISO MAR) 공정으로 분류된다.

용제 추출 공정
원료중 방향족 물질(벤젠, 톨루엔, 자일렌)을 추출하는 공정으로 용매로는 1962년 미국 SHELL사가 개발한 술포란(Sulfolane, 또는 Tetra Hydro-Thiophene 1.1 - Dioxide)이 사용된다. 주 공정시설로는 방향족 화합물을 추출하는 공정, 비방향족 유분의 수세척 공정 및 용매와 방향족 혼합물을 분리하는 분리 공정이 있으며 부 공정시설로는 용매 재생 공정과 세척수 정화 공정이다.

톨루엔 전환 공정
벤젠/톨루엔 분리시설인 톨루엔 탑정으로부터 나온 톨루엔과 방향족 분리설비인 중질 방향족 분리탑의 상부에서 나온 C9 방향족을 원료로 해 벤젠과 자일렌을 반응생성하는 공정으로 반응 공정과 분리정제 공정으로 이뤄진다.


방향족 분리 공정
여러 설비의 원료를 생산하는 설비로서 개질 분리공정, 자일렌 분리 공정 및 중질 방향족 분리 공정으로 구성된다.

자일렌 분리 공정
주요 생산품인 파라 자일렌을 생산하는 설비로서 흡착 및 탈착 공정, 잔류물 분리 공정 및 탈착제 정화 공정, 파라 자일렌 분리 및 정화 공정으로 구성된다.

벤젠 톨루엔 분리 공정
벤젠을 생산하고 벤젠의 원료로 사용되는 톨루엔을 정제하는 공정이다. 주 시설로는 원료중 불순물을 제거하는 클레이 흡착탑, 벤젠을 정제 생산하는 벤젠탑 및 톨루엔탑으로 구성된다.

이성화 공정
파라 자일렌 회수시설의 잔류물 분리탑 상부에서 유입된 잔류물을 촉매를 이용해 파라 자일렌 및 벤젠으로 전화시켜주는 공정으로 파라 자일렌 및 벤젠 생산을 최대화하는데 있으며, 반응 공정과 분리 공정으로 구성된다.

BTX 공정의 주요 위험성
일반적으로 석유 화학 공정의 경우, 인화성과 폭발성이 높은 원재료 자체의 위험성뿐만 아니라. 고온 고압의 공정과 탄소 고리의 화학적 결합의 조작이 수반되는 공정에 필요한 수소의 처리가 필수적이기 때문이다.

특히 수소의 경우 연소범위 4~76%의 가연성 가스이고 NFPA 위험물 등급 구분에서 화재 4등급으로 매우 화재 폭발의 위험성이 크다. 원료 납사 또한 인화점이 낮은 인화성물질로서 NFPA 위험물등급 구분에서 화재 3등급으로 화재 폭발의 위험성이 크다.

벤젠 톨루엔 분리 공정의 경우, 클레이 흡착탑의 운전 온도 및 운전 압력은 약 200℃, 1.5MPa, 전환 공정의 경우, 운전 온도 382~495℃, 운전 압력 2.9MPa이며 수소 가스를 다루는 공정이라 위험이 높다.

자일렌 분리 공정은 증류 공정의 특성상 가스상태의 유분이 많은 공정이므로 누출이 용이하며 누출시 대기중의 공기와 혼합해 가연성 가스 형성하기 쉬운 위험이 있다.

특히 이성화 공정은 지난 2005년 3월 23일 미국 텍사스에서 발생했던 15명이 사망하고 180명이 부상당했던 대규모의 사건의 예를 봐도 위험성이 아주 높다(그림 2).

<그림 2. 미국 텍사스시 BP 사고 현장>

세이프티 시스템의 필요성
공정 산업에서 위험한 공정은 도처에 산재하고 있다. 생산 공정에 투입되는 취급물질이 독성, 인화성 또는 잠재적 폭발성까지 가짐으로써, 위험이 더욱 가중될 수 있으며 고압, 고온 또는 발열반응 등으로 공정 자체도 위험할 수 있다. 이들 위험 사항들 중 어느 것이든, 적합하게 처리되지 않으면 치명적인 사건을 초래할 수 있다. 위험 공정 처리시 인원, 플랜트 설비 및 환경의 안전이 가장 중요하지만, 해당 시스템의 안전 상태 확보를 위해, 지나치게 과잉대응 하거나 안전 시스템 자체에서 발생한 문제로 인해 생산 공정에 지장을 초래하지 않는 것도 그에 못지않게 중요하다. 안전성을 보장함과 동시에 사소한 결함에도 작업을 성공적으로 진행하기 위해서는, 신뢰성있는 안전장치 시스템(SIS)이 필요하며, 이 시스템은 필요시 해당 플랜트를 안전 상태로 유지시키며, 공정 산업의 높은 가용성 요건도 충족해야 한다.

이에 따라, 모든 플랜트는 직원의 안전과 환경 보호에 대한 정부 규정을 준수해야 하며 플랜트 현장에서는 모든 규칙, 규정 및 명령을 충실히 이행해야 한다. 이를 위해서는 잠재적 위험요소의 위험을 파악하고 분석해야 한다. 이를 통해 현재 존재하는 위험을 정량적으로 파악하고 그 위험을 허용가능수준(ALARP)으로 낮추는데 필요한 기존의 조치와 추가 조치를 확인할 수 있어야 한다. 이에 따라 플랜트 전체 수명주기 동안의 안전 보장을 위해 포괄적으로 안전 기획, 안전 요건 사양 등의 내용으로 문서화돼야 하고, 플랜트의 분석, 구현 및 운영 단계 전반에 걸쳐 안전이 지속적으로 보장돼야 한다.

안전 수명주기는 IEC 61511 규격에 준하며 안전 수명주기 관리는 이미 알려지거나 잠재적인 안전 위험 요소를 확인하기 위해 공정 개념, 기능 안전 관리 계획 및 이력 데이터 등을 검토하는 작업부터 시작된다. 두 번째 단계에서 그 결과들은 위험 분석 대상이 된다. 해당 객체는 허용 불가한 위험요인들을 걸러내고, 위험 발생 가능성을 평가한 이후, 가능한 결과를 산정한다.

HAZOP, Danger Tree 분석, 점검 리스트 및 FMEA(Failure Modes and Effects Analysis) 등의 방법을 이용해 수행한 위험 분석의 결과는 안전 요구조건 규격에 문서화 된다. 이 결과는 후속적인 플랜트 기획을 기반이 돼 안전 관련 이벤트 발생 가능성과 그 영향은 적절한 보호 조치로써 줄일 수 있다(LOPA, 보호 레이어 등)(그림 3).

보호 레이어의 하나로 생각해 볼 수 있는 것이, 바로 안전장치 시스템을 사용하는 것이다. 이것은 센서를 비롯해, 컨트롤러와 최종 부품에 이르는 컴포넌트들로 구성된 독립적 안전 시스템이다.

산업 안전 표준을 만족하기 위해, 지멘스는 다양한 컴포넌트들로 구성된 독립적 안전 시스템 및 자동화 솔루션을 구현하고 있다. 지멘스의 솔루션은 최고의 효율성을 특징으로 하기에, 사용자에게 상당한 비용 및 시간 절감 효과를 제공할 뿐만 아니라, IEC 61508(최고 SIL 3) 및 IEC 61511 등의 관련 국내 및 국제 표준 규격에 부합한다.

<그림 3. 안전 수명주기 단계.>

플랜트 안전성 확보
안전관련 SIMATIC 컨트롤러는 우발적인 사건이 인원에 위험을 초래하거나, 플랜트 손상 또는 환경 훼손을 유발될 수 있는 중요한 애플리케이션을 위해 사용된다. 필드버스에서 직접 연결된 고장안전 트랜스미터 또는 ET 200의 안전관련 F 모듈을 갖춘 S7-400FH 시스템은 공정 플랜트 및 시스템 내부에서 결함을 감지한다. 결함 발생시 시스템은 플랜트를 안전 상태로 자동 설정한다.

SIMATIC S7-412/414/417FH 컨트롤러는 공정 산업에서 안전관련 공정 자동화 애플리케이션을 구현하기에 이상적인 제품이다. 이들 컨트롤러는 멀티태스킹이 가능하다.

즉, 복수의 프로그램은 BPCS (표준) 애플리케이션 또는 안전 관련 애플리케이션 중 무엇이건 하나의 CPU에서 동시에 실행될 수 있다. 각각의 프로그램들은 기능적으로 분리돼 있어 BPCS 애플리케이션은 안전관련 애플리케이션에 영향을 미치지 않으며, 그 반대의 경우도 영향을 끼치지 않게 설계돼 있다. 또한 상당히 짧은 응답 시간을 갖는 특정 작업들도 실행될 수 있다.

여기 언급된 모든 컨트롤러들은 TUV 인증을 받았으며, IEC 61508에 따라 최고 SIL 3 안전 통합 레벨에 부합한다. 이들 컨트롤러는 하나의 CPU에서 BPCS와 안전 기능을 동시에 처리할 수 있다. 공정이 실행되는 동안, 안전관련 및 BPCS 프로그램 컴포넌트들은 엄격히 분리·유지돼 상호 영향을 미치지 않도록 예방되며, 데이터는 특별한 전환 블록에 의해서만 교환 가능하다. 안전 기능들은 이중화 다중 채널 명령 처리과정을 통해 CPU 하나의 서로 다른 프로세서 섹션에서 두 번 실행된다. 잠재적 오류들은 차후 결과 비교를 통해 시스템에 의해 감지된다. 또한, 플랜트 컨트롤러 상에서 독립적으로 실행되는 안전 프로그램은 산업용 이더넷 플랜트 버스를 경유해 상호간의 안전관련 통신을 실행할 수 있다.

S7-412/414/417FH 컨트롤러
S7-412/414/417FH 컨트롤러들은 S7 F 시스템 소프트웨어 패키지에 속하며, 안전 기능면을 보강한 제품으로 S7-400H 컨트롤러 하드웨어를 기반으로 한다(그림 4). 원하는 구성 방식에 따라, 싱글 채널(단 하나의 CPU 사용) 또는 결함허용방식(2개의 이중화 CPU 사용)으로 운전할 수 있다. 검증된 자동화 시스템인 컨트롤러는 SIMATIC PCS 7과 연계해 공급될 수 있다. 이들 제품 번들에는 일반적으로 랙, CPU, 전원 공급장치, 주 메모리, 메모리 카드 및 산업용 이더넷 인터페이스와 같은 컴포넌트들이 포함되며 다음의 제품명을 가진 2가지 구성 버전으로 출시된다.

- 싱글 스테이션인 AS 412/414/417F (하나의 안전관련 CPU 장착).
- 이중화 스테이션인 AS 412/414/417 FH(안전관련 및 결함허용방식인 2개의 이중화 CPU 장착).

‘1oo2’ 원칙에 따라 작동하는 이중화 FH 시스템은 동일하게 설계된 2개의 개별 서브시스템으로 구성된다. 최적의 EMC를 달성하기 위해, 이들 시스템은 전기적으로 서로 독립되며, 광케이블을 통해 동기화된다. 오류 발생시에는 액티브 서브시스템에서 백업 서브시스템으로 데이터의 충돌없이 전환된다. 이들 2개의 서브시스템은 동일한 랙에 설치되거나, 최고 10km 떨어진 위치에 분리돼 설치될 수 있다. 서로 다른 위치로 분리되는 경우, 액티브 시스템의 로컬 환경에 화재와 같은 심각한 사건 발생시, 시스템이 안전하게 보호될 수 있다는 이점이 있다.

<그림 4. 지멘스 SIMATIC S7-400FH.>

유연한 모듈방식 이중화
지멘스가 제시하는 모듈방식 이중화(FMR : Flexible Modular Redundancy)는 획기적인 안전을 위한 I/O 구성을 제시하고 있다. 이를 이용해 엔지니어는 자동화 작업과 안전 요건에 따라, 컨트롤러, 필드버스 및 I/O로 구성된 개별 아키텍처 레벨에 대한 이중화의 정도를 개별적으로 정의할 수 있으며 필드 계장에 이를 적용할 수 있다. 해당 레벨의 각 컴포넌트는 이중화 구성으로 제공될 수 있으며, 게다가 이들 컴포넌트들은 물리적으로도 분리될 수 있다. 뿐만 아니라 이들 모든 컴포넌트 들은 안전 통합 레벨 SIL 3의 요건에 부합한다.

이중화를 이용해 동시 발생하는 복수의 오류에 대해 안전성을 확보할 수 있는 개별 작업에 정확하게 부합되는 결함허용 아키텍처를 구현할 수 있다. ET 200M 분산 I/O 시스템 장착 플랜트의 예에서도 보여주듯이, 전체 시스템은 서로 다른 이중화 레벨의 혼합된 상태를 하나의 아키텍처 레벨에서 구현할 수 있다(1oo1, 1oo2, 2oo3).

신뢰도 모델링을 통해 지멘스의 이중화는 단일한 형태의 이중 또는 삼중 구조를 갖춘 통상적인 이중화 아키텍처에 비해 높은 가용성 레벨을 제공한다는 것을 확인됐다. 이중화는 실제 I/O 모듈의 낭비없이 필요한 적재적소에 이중화를 제공하기 때문에, 통상적인 이중화 아키텍처를 사용한 경우보다 더욱 매력적이고 비용효율적인 안전 애플리케이션을 구현할 수 있다(그림 5).

<그림 5. 유연한 모듈 방식 이중화.>

월간 FA저널 다른기사 보기