[인더스트리뉴스 최기창 기자‧아스펜테크 제공] 공정 산업은 디지털 트랜스포메이션으로 새로운 전기를 맞고 있다. 기업들은 공장 운전에 즉각적으로 영향을 주는 동시에 높은 이익을 거둘 수 있는 솔루션을 모색 중이다.

화학 및 에너지 기업들은 생산 계획과 스케줄링, 실제 공장운전 등 여러 단계의 생산실행(Production Execution) 사이에서 발생하는 마진 유출 또는 손실을 줄여야 하는 과제를 맞이했다. 아스펜테크의 생산성 최적화 솔루션은 디지털 트랜스포메이션의 여정에서 큰 영향력을 행사한다. 운영 마진을 향상할 수 있기 때문이다.

왜 통합 생산성 최적화가 필요한가?

일반적으로 화학 및 정유 회사의 생산계획담당자는 통상 몇 주에서 몇 개월 전에 최종 고객의 수요를 맞추면서 운영마진을 극대화할 수 있도록 최적의 원료선택과 생산계획을 수립하는 업무를 수행한다. 이처럼 수립된 생산계획을 기반으로 실제 수급 가능성, 중간/최종 제품 재고 및 설비의 현재 성능 등을 고려해 매일 실행 계획을 수립하고 운영한다.

또한 스케줄 담당자들은 공정에 대한 주요 운전변수와 운영과 관련된 조건들을 안전하고 안정적인 설비 운영 범위 내에서 결정하고 실행할 수 있도록 가이드를 제공한다. 이론적으로 생산 실행단계는 동적 최적화 기술을 사용해 생산계획과 스케줄링, APC 계층의 유기적이고 완전한 통합을 자동화된 방식으로 구현함으로써 운영상의 효과를 증진할 수 있다.

완전하게 통합되지 않은 생산시스템에서는 다양한 이유로 각각의 실행 단계 솔루션 사이에서 갭이 발생한다. 이는 마진 손실로 이어진다. 예를 들어 에틸렌 공장에서 생산계획담당자는 장기 생산계획에 따라 개별 분해로에 대한 엄중도(Severity) 목표를 설정한다. 하지만 이것은 실제 일 단위로 공급되는 원료의 물성이나 공장의 세부 성능, 제약조건이 고려되지 않을 수 있다.

일반적으로 APC는 단위공정에서 운전설정 값을 안정적으로 유지하면서 운전변수를 공정과 설비의 제약 한계치에서 운전한다. 에너지 사용량을 줄이면서도 제품 수율과 생산성을 높일 수 있는 셈이다. 그러나 공장 전반의 마진을 극대화하기 위해서는 APC 계층의 상위에서 동적 최적화(Aspen GDOT)가 일련의 APC 컨트롤러를 조율해야 한다.

핵심은 Aspen GDOT 기술

아스펜테크의 생산성 최적화 솔루션의 핵심은 공정산업에서 입증된 고유의 Aspen Generic Dynamic Optimization Technology(GDOT)이다. Aspen GDOT는 수립된 생산계획 및 스케줄링 목표에 부합하도록 실시간으로 여러 개의 단위 공정을 동적으로 조율하고 최적화한다. 사이트 전반에서 최고의 경제적 성과를 일관되게 보장한다.

물론 온라인 공정최적화의 개념이 새로운 것은 아니다. 하지만 Aspen GDOT는 이러한 기술이 널리 사용되지 못했던 이전 세대의 기술과는 상당한 차이가 있다. Aspen GDOT는 생산계획 모델과 동적 APC 모델을 결합한 새로운 모델링 및 최적화 접근방식을 채택하고 있다. 이 접근방식은 일관된 물질 및 품질 밸런스 기반을 제공하며, APC 계층의 동적 모델도 포함한다. 이를 통해 오프라인 계획과 온라인 최적화 사이에서 일관된 모델, 경제성 및 목표를 공유하게 된다.

정상 상태(Steady State) 최적화 방식과 달리 GDOT 모델은 시스템의 동적 특성을 포함하고 있다. 이 최적화 기술은 탱크재고를 고려하고 공정에서 발생하는 중요한 운전 피드백 정보를 활용할 수 있다. 또한 최적화를 실행하기 위해 공정이 정상 상태에 도달할 때까지 기다릴 필요가 없다는 것도 특징이다. 이 모델링 및 최적화 접근방식은 이전 세대 기술들보다 훨씬 직관적이다. APC 엔지니어가 이전보다 더욱더 쉽게 이해할 수 있고, 유지 보수와 지속적인 지원도 할 수 있다.

계획과 실제 운영의 차이를 줄여야 한다

위 사진은 에틸렌 공장의 생산 최적화를 위한 아키텍처를 보여준다. 분해로와 분리탑(Cold Side)의 동적모델과 함께 생산계획의 핵심 모델과 경제성이 Aspen GDOT 모델에 통합돼있다. Aspen GDOT은 분해로의 엄중도(Severity), 증기 비율 및 분해 가스 압축기 흡입 압력 등과 같은 최적화된 목표를 APC 컨트롤러에 분 단위로 전송한다.

세계적으로 17개의 공정산업분야 기업들이 도입해 운영 중인 Aspen GDOT은 APC, 생산계획 및 스케줄링 솔루션들이 개별적으로 달성하는 수준 이상으로 크게 마진을 개선할 수 있는 것으로 알려졌다.

예를 들어 에틸렌 공장의 경우 2~5%의 생산량 증대, 1~2%의 선택도(Selectivity) 개선을 통한 수율 향상, 2~3%의 회수열 증가 및 5~10%의 냉동 에너지 감소에 따른 에너지 사용량 개선, 개별 분해로에 대한 원료 배분 관리, 여러 개의 트레인과 크로스오버 스트림이 있는 공장에서 전체 공장의 최적화 목표 달성, 업스트림의 원료 공장과 다운스트림 폴리머공장의 조율을 통해 밸류 체인 전반의 마진 향상 등 MT당 6달러에서 10달러의 추가 이익을 달성할 것으로 기대할 수 있다.

정유 생산의 경우도 마찬가지다. GDOT을 통해 정유 회사들은 배럴당 $0.40의 마진을 향상시킬 수 있다. 중견 정유사들이 개선 효과를 거둔 대표적인 영역으로는 아로마틱 수율 5% 증가, 가솔린 손실(Giveaway) 최소화, 중간 유분 10% 증가 및 전환 공정의 3% 수율 증가 등이 있다.

세계 시장은 경쟁이 매우 치열하다. 유동성도 크고, 동시에 빠르게 변화하고 있다. 강력한 시장 입지를 확보하기 위해 기업들은 설비, 생산 및 운전을 보다 엄격하고 심도 있게 관리해야 한다. 결국 전체 생산체인의 최적화가 필요하다. 최신기술을 통해 즉각적으로 효과를 거둘 수 있는 대표적인 영역은 생산계획, 스케줄링과 실제 운전 사이의 갭을 줄이는 일이다.

아스펜테크 측은 “아스펜테크의 Aspen GDOT를 통해 다양한 글로벌 기업들이 빠른 시간에 갭을 줄여 수익을 개선할 수 있도록 지원하고 있다”고 설명했다.

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