대형 정유사가 신뢰하는 재정 측정 시스템

정지 시간 최소화하면서 100%에 가까운 가동 실현

전 세계 대기업을 대상으로 하는 ‘포춘(Fortune) 500 기업’ 목록 중 99위에 자리한 릴라이언스인더스트리(Reliance Industries)는 세계 최대의 정유 및 석유화학 복합 시설을 운영하고 있다. 인도 구자라트의 잠나가르 지역에 소재한 이 정유사에서는 매일 1.24MMbpd의 원유를 처리하고 있으며, 잠나가르는 이 시설을 중심으로 세계의 정유 허브 중 한 곳으로 부상하게 됐다.

편집자 주

원유의 이동 및 측정

릴라이언스 정유사는 세계 최대의 원유 증류 설비, 유동 접촉 분해 설비, DCU(Delayed Coking Unit : 감압 잔류물을 반응기에 투입하고, 고온, 고압에서 열분해해 나프타, 증류액, 석유를 생산하는 잔류물의 정환 공정 설비), PX(파라자일렌 흡착공정) 설비를 갖추고 있다. 더불어 이 복합 시설에서는 PX, 에틸렌, 폴리에틸렌, 수송 연료(디젤, 가솔린, 항공 연료)를 비롯한 많은 제품을 생산하는 각기 다른 50가지의 처리 설비가 운영 중에 있다.

원유는 모든 유형의 오일 유조선 및 선박을 수용할 수 있는 정유사의 전천후 심해 항구에 도착한다. 항구부터 정유사로의 수송은 두 개의 48인치 규모 해저 파이프라인을 통해 이뤄진다. 각종 세제 및 경제 혜택과 SEZ(특별 경제 구역)에 소재한 신규 정유사의 위치 때문에 원유 및 정유 제품의 유량은 새로운 SEZ 정유사와 이전 정유사 두 곳의 다양한 지점에서 면밀하게 측정되고 있다.

연간 약 200억달러에 달하는 릴라이언스 정유사에서 생산되는 제품 가치만 생각해 보더라도, 재정 거래(상거래) 및 할당 측정은 대단히 중요하다. 하지만 연간 0.2%로 집계되는 재정 거래 유량 측정 오류는 정유사에 5,000만달러의 비용을 발생시켰다. 이 비용을 비롯한 다른 여러 이유들로 인해, 정유사 전반에 걸쳐 76대의 유량계 시스템이 설치됐다. 이는 정유사 내에 반입되는 원유 및 제품과 외부로 반출되는 정유 제품의 유량을 모니터링하기 위한 것이었다.

모듈 단위

정유 복합 시설은 기존 정유사와 그에 연결된 신규 정유사로 구성돼 있다. 2005년 시작된 60억달러 규모의 신규 정유사 건설에는 현장 내 7만5,000여 건설 노동자와 전 세계 8곳에 위치한 7,500여 엔지니어들이 투입됐다. 유량 측정 시스템을 위한 엔지니어들의 경우 싱가포르와 미국 텍사스주 휴스톤에 위치한 사무소에 배치됐다. 완공까지는 단 3년이 걸렸고, 이후 이러한 규모 및 복잡성을 가진 정유사를 건설하는 것에 대한 새로운 벤치마크로 부상했다.

정유 공정의 세부 사항이 확정되면서 유량 측정 시스템은 12개월 내 납품해야 하는 76대의 계측 시스템으로 결정됐다. 턴키 계측 시스템 설계를 위해서 통합 엔지니어링 시스템 공정이 적용됐는데, 이 방법은 승인된 P&ID를 기반으로 한 자동 3D 스케일 모델을 사용하는 것이었다. 또한, 납품을 촉진하고 설치비용을 최소화하기 위해 계측 시스템은 모듈 단위로 구축됐다.

릴라이언스는 3D 모델을 통해 프로젝트의 다양한 단계에서 미리 원하는 측정 솔루션을 검토할 수 있었으며, 이 회사의 엔지니어들은 모델을 이용해 시스템 설계를 손쉽게 변경할 수 있었다. 또한, 3D 모델은 릴라이언스와 주요 E&C 업체 엔지니어들이 제조를 위한 전체 재료 사양서를 검토하고, 일반 배치 및 응력 계산, 무게 중심 산정, API MPMS 표준 준수에 대한 엔지니어링 측면의 점검을 가능하게 했다.

수출 시장을 대상으로 한 중유부터 경질의 탄화수소 처리에 이르기까지, 모든 석유화학 제품의 상거래를 결정하는 재정적 측정 스키드(Skid)에는 고정밀 액체 초음파 유량계가 사용됐다. 각 스키드는 플로 컴퓨터, 고급 디지털 밸브 컨트롤러를 장착한 제어 밸브, 진동식 밀도계, 솔레노이드 밸브, 압력/온도 트랜스미터가 포함됐다. 구성된 플로 컴퓨터는 완전 자동 시스템을 허용하고, 플로 컴퓨터의 모든 측정 데이터는 이더넷 네트워크로 접근이 가능한데, 이는 여러 수준에서 업링크된 시스템 중복성을 제공한다. 더불어, 다수의 계기 실행은 유량 측정 하드웨어의 중복성을 전달한다.

수출 정유 시설과 기존 시설 사이의 할당 전송을 측정하는 데에는 과세 목적으로 인해 유사한 계측 시스템이 사용됐다. 이들 할당 스키드는 저윤활성 탄화수소에서 중질의 중간물까지 정유 중간물을 측정하는 것으로, 상거래 스키드와 동일한 기본 장비가 포함됐다.

상거래 및 할당 계측 시스템 양측은 모두 싱가포르 소재 3중 ISO 인증 스키드 구축 시설에서 조립됐고, 이후 대형 해양 화물선을 이용해 짐나가르의 정유 부두로 선적됐다.

초음파 계측기의 성능 입증

회계 용도의 계기로는 초음파 유량계가 선택됐다. 그 이유는 이 계기가 백유, 흑유, 20종류의 원유, 정유 중간물, 최종 생산 제품을 포함해 광범위한 공정 유체를 처리할 수 있기 때문이다. 해당 유체의 점도는 1~360cP로 다양하게 구분되고, 온도 역시 각기 다른 특성을 갖는다.

모든 정유사의 복잡성은 NCI(Nelson Complexity Index : 넬슨 복잡성 지수)에 의해 규정되는데, 이는 1차 증류 용량과 비교해 2차 변환 용량을 측정하는 것이다. 또한, 이 지수는 정유사의 투자 강도나 비용 지수뿐만 아니라, 잠재적인 부가가치까지 나타낸다. 한 정유사의 복잡성은 NCI를 근거로 원유 증류를 포함해 각 장비에 할당된 복잡성의 값을 더한 수치로 결정된다.

NCI는 미국 정유사의 경우 9.5, 유럽 정유사는 6.5가 평균으로 나타난다. 반면, 짐나가르 시설은 전 세계 최대 수치 중 하나인 14의 복잡성 지수를 보였다. 이와 같이 높은 지수의 값이 산정된 이유 중 하나는 20종류의 원유를 비롯해 정유 중간물과 최종 생산 제품까지 처리할 수 있는 이 정유사의 능력이 반영된 것이다. 광범위한 반입 원유 및 반출 제품으로 인해, 측정 기지에는 초음파 유량계가 선택됐다.

0.05%의 거래 반복성(Repeatability)을 보장하기 위해, 각 계측 스키드에는 마스터 미터(Master Meter) 및 프루버(Prover)가 설치됐고, 이동식이나 고정식 콤팩트 프루버 또한 제공됐다. 현재 짐나가르 시설은 5대의 콤팩트 프루버를 갖추고 있다. 프루버 검증의 경우 API MPMS 4.2, 4.5, 4.8, 5.8 권고사항에 따라 수행되고 있으며, 마스터 미터에 대한 현장 검증은 프루버를 회계 측정 시스템과 직렬로 배치해 ‘제자리’에서 시행된다.

마스터 미터는 상거래나 할당 유량계를 검증하는데 사용되기 때문에, 유사한 운영 조건 하에서 거래 이전이나 거래 과정 동안 혹은 그 이후에 자체적인 검증이 필요하다. 이는 ‘프루버 검증’이라 칭하며, 콤팩트 프루버를 통해 수행된다. API MPMS에 따르면, 마스터 미터 요소는 오차 범위 ±0.01% 내에서 최소 2회의 연속 검증 실행을 만족시켜야 한다. 회계 유량계를 검증할 때는 5회 연속 검증 실행 전반으로 오차 범위 ±0.05%의 반복성이 필수적으로 요구된다.

기존의 정유사는 볼 프루버(Ball Prover)를 사용하고 있지만, 신규 SEZ 정유사에는 콤팩트 프루버가 선택됐다. 새로운 프루버는 볼 프루버와 기본적으로는 동일하지만, 용적이 20~30배 작기 때문에 사전 실행 시간을 0.1초까지 단축시킬 수 있다. 또한, 프루버의 용적이 작아서 볼 프루버로 1회 검증을 실행하는 동안, 콤팩트 프루버는 연속적으로 몇 회를 통과할 수 있다.

콤팩트 프루버의 또 다른 장점은 전통적인 볼 프루버와 비교했을 때, 흘수(Water Draw)에 상대적으로 소규모의 테스트 측정이 사용된다는 점이다. 정기 혹은 규제로 인한 테스트 기간 동안에는 흘수 입회자가 요구되기 때문에 운영 경비 및 시간의 현저한 절감을 가능하게 한다. 또한, 콤팩트 프루버는 휴대용으로 스키드에서 스키드로 쉽게 이동이 가능해 필요한 프루버 숫자를 줄이고 해당 경비 또한 감소시킨다.

질량 측정이 필요한 일부 재정/할당 측정 스키드의 경우 진동식 밀도계의 밀도 검증에 이중벽 진공 구멍 비중병(Pycnometer)이 사용되고 있다. 예를 들어, 프로판이나 부탄 측정 스키드에서 볼륨은 초음파 유량계로 측정되고 밀도는 농도계(Densitometer)로 측정된다. 이때 비중병은 밀도 프루버의 역할을 담당해 해당 농도계의 밀도 계측 요소를 제자리에서 획득한다. 더불어 밀도 검증은 API MPMS에 따라 수행되는데, 이는 질량 증명 방정식의 절반을 차지하므로 그 중요성이 특별히 강조되고 있다.

입증된 결과

모든 핵심 공정 설비는 각각의 설계된 능력에 근접하게 운영되고 있다. 보조 설비 및 시설은 완벽하게 동작하고 있으며, 정유사는 2008년 운영을 시작한 이래로 정지 시간은 최소화하면서 100% 용량에 가깝게 가동되는 중이다.

이 정유사의 전례 없는 규모, 범위, 높은 수준의 처리 복잡성, 다양한 시스템 설계 순열 및 조합, 비용 및 가치에 따른 각 옵션을 충족하기 위한 요구 사항 등을 감안했을 때, 이 정유사에 유량 측정 시스템을 적용하는 것은 특별히 어려운 작업이었다. 하지만 100대 이상의 초음파 유량계는 정유사 전반의 여러 가지 광범위한 유체를 측정하는데 있어 그 성능을 입증해 냈으며, 재정 측정 스키드는 모든 규제 요구 사항을 만족시키는 성과를 달성했다.

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