합성가스 생산을 위한 최신 프로세스 기술

합성가스 생산을 위한 최신 프로세스 기술

과제

  • 합성가스를 생산하고 공정의 기술적 및 환경적 성과를 모니터링하기 위한 파일럿 공장 설계, 구축 및 시운전

솔루션

결과

  • 고가용성 – 시스템은 다운타임 없이 상시 가동되었습니다.
  • 성공적인 합성가스 생산 – 파일럿 프로젝트 기간 동안, 하루 최대 7.5mmcf(백만 입방 피트)의 합성가스를 성공적으로 생산했습니다
  • 설정된 환경 파라미터 내에서 ISG 가스화장치를 안전하게 운영했습니다.

리 크릭 에너지(Leigh Creek Energy)는 최신 프로세스 제어와 자동화 기술을 사용하여 합성가스를 생산하고 있습니다.

리 크릭 에너지(Leigh Creek Energy Limited)혁신적인 에너지 기업으로 남호주 애들레이드에서 550km 북쪽에 위치한 리 크릭 에너지 프로젝트(LCEP)를 개발하는데 주력하고 있었습니다.

이 기업의 주요 프로젝트인 리 크릭 에너지 프로젝트는 석탄을 기체 형태로 전환하는 원위치 가스화(ISG) 공정입니다.

ISG 공정은 석탄을 고열로 기체화하여 메탄, 수소 등 여러 가치 있는 성분이 포함된 합성천연가스를 만들어 냅니다. 합성가스는 직접적으로 발전에 사용될 수도 있고 정제 과정을 거쳐 합성 메탄, 암모니아 등의 다양한 제품으로 만들어질 수 있습니다.

향후 상업적 생산시설 구축을 위한 설계 정보를 확보하기 위해, 리 크릭 에너지는 ISG 데모 시설을 구축했습니다.  이를 위해 지상에는 공장이, 지하에는 ISG 기화 챔버가 건설되었습니다.

ISG의 환경, 기술 및 상업적 측면을 모두 고려하는 검토 과정을 거쳐, 리 크릭 탄전이 파일럿 프로젝트에 적합한 시설로 선정되었습니다. 프로젝트 수행 결과, 이 현장이 안전하면서도 환경에 미치는 영향을 최소화하는 방식으로 ISG 공정을 수행하는데 최적의 선택이었음이 입증되었습니다.

파일럿 공장은 시운전을 거쳐 90일 동안 시범 가동되었고, 이 기간 동안 안정적으로 가동하며 합성가스를 생산하여, 공정에 대한 기술적 및 환경적 성과를 분석할 수 있도록 해주었습니다.

공장에 대한 철저한 조사

프로젝트의 도전과제는 ISG 공정을 설계하며 파일럿 공장을 중단 없이 지속적으로 가동하는 것이었습니다. 로크웰 오토메이션의 RcSI(Recognized System Integrator) ATSys가 이 공장의 전기 및 제어 시스템 구축을 담당했습니다.

ISG 공정은 고체인 석탄을 기체로 만드는 화학적 전환 과정입니다. 화학 반응이 일어나게 하려면, 유입 유정에 공기를 주입하고 개시 장치를 사용해 고온 환경을 만들어야 합니다. 온도와 산소 농도가 적정 수준에 도달하면 다양한 화학반응이 일어나면서 고체 연료가 합성가스로 전환됩니다. 이렇게 생성된 가스를 유입 통로를 통해 추출합니다.

기화가 발생하는 탄층 영역을 기화 챔버라고 하며, 합성가스가 생성되는 화학반응은 보통 900°C 에서 1,200°C 사이에서 일어납니다. 이러한 공정과 안전, 환경적 고려사항들을 감안할 때, 올바른 제어와 자동화 시스템을 선택하는 것이 대단히 중요했습니다.

ATSys의 전무이사인 안드레 테소니(Andre Tassone)는 “이 프로젝트를 위해 로크웰 오토메이션의 하드웨어와 소프트웨어를 선택한 이유는 그 안정성이 입증되었을 뿐만 아니라 기술이 이 프로젝트에 적합할 것이라고 확신할 수 있었기 때문”이라고 말했습니다.

CompactLogix 컨트롤러는 생산성을 최적화하고 커미셔닝(commissioning)을 줄였습니다.

안전토크차단기능(Safe Torque-Off)이 있는 PowerFlex 525 인버터는 모터 제어 및 안전 기능이 통합되어 있습니다.

공장 전반의 제어, 이동성 및 가시성

로크웰 오토메이션의 PlantPAx® 분산제어시스템은 공장 전반의 고급 제어와 공장 최적화를 제공해주었습니다. PlantPAx 시스템은 공장의 핵심 공정 영역들을 하나의 공통된 자동화 플랫폼으로 밀접하게 통합해주었습니다. 이외에도 Allen-Bradley® CompactLogix™ 컨트롤러와 안전 토크 차단(SFO:Safe Torque-Off) 기능이 있는 PowerFlex® 인버터가 완전한 통합 아키텍처를 제공해주었습니다. 통합아키텍처® 솔루션은 Ethernet 상에서 모든 장비를 컨트롤러에 밀접하게 통합하여, 이 중대한 애플리케이션을 위해 빠르고 안정적인 제어와 세부적인 진단 정보를 제공해줍니다.

설치 및 시운전과 관련된 엔지니어링 시간을 단축하는 것이 프로젝트의 주요 관건이었습니다. PlantPAx 프로세스 오브젝트 라이브러리는 사전 정의된 오브젝트들로 구성된 라이브러리로, 검증된 전략, 다양한 기능, 그리고 알려진 성능 수준으로 대형 애플리케이션을 신속하게 조립할 수 있도록 지원하는 컨트롤러 코드(애드온 명령어), 디스플레이 요소(글로벌 오브젝트) 및 페이스플레이트를 제공합니다.

ATSys의 제어 시스템 수석 엔지니어인 필 갤브레이스(Phil Galbraith)는 “리 크릭 프로젝트에 PlantPAx 프로세스 오브젝트 라이브러리를 사용하여, 엔지니어링 및 테스트 시간을 크게 단축할 수 있었다. 또한 현장 설치 시간을 줄이기 위해 스키드로 모든 장비를 설계했다”고 설명했습니다.

FactoryTalk® 제품군은 시스템에 대한 실시간 가시성을 제공하여 공장을 모니터링 및 관리할 수 있도록 해주었습니다. FactoryTalk View SE 를 사용해 현장 통제실에서 사용되는 PC 두 대에 시각화 및 제어를 위한 이중화 구성을 하여, 핵심적인 제어 및 모니터링 기능에 대한 안정성이 보장되도록 했습니다. 클라우드로 호스트되는 시스템에서 이력 데이터를 로깅 및 시각화하기 위해, FactoryTalk Historian SEFactoryTalk VantagePoint 를 사용했습니다.

파일럿 공장이 매일 24시간 동안 쉼 없이 가동되기 때문에, 작업자들이 원격으로 데이터에 액세스할 수 있는 것이 중요했습니다. 플랫폼은 또한 생산 데이터에 대한 원격 액세스를 가능하게 해주었습니다. 실시간 데이터에 대한 액세스를 확보하는 것 이외에도, 분석을 위해 데이터를 기록하고, 분석 트렌드를 보고하며 비효율을 파악하고 환경적 KPI를 모니터링할 필요가 있었습니다.

성공적인 합성가스(Syngas)생산

모든 파일럿 프로젝트는 상업적으로 실현이 가능하지 않을 가능성이 항상 존재합니다. 그러나 리 크릭 에너지 프로젝트는 기대 이상의 성공을 거두었습니다. 이 파일럿 프로젝트는 하루 최고 7.5mmcf(백만 입방 피트)의 상용 합성가스를 성공적으로 생산했습니다. 이는 ISG 공정에 대한 기대치를 훌쩍 뛰어넘는 결과였습니다. 이 밖에, 이 파일럿 프로젝트는 실험 전, 중간 및 후에 주변의 환경 관측정에서 분석된 데이터를 통해 리 크릭 에너지가 ISG 기화장치를 안전하게 운영했음을 보여주었습니다.

  기록된 데이터에 따르면, 이 가스 자원은 어마어마 크기로, 호주 동부 해안 가스 시스템 중에서 개발 및 계약이 되지 않고 저평가된 가장 큰 가스 자원 중 하나라는 사실이 밝혀졌습니다. 그러한 막대한 가치의 에너지 자원을 발견함으로써, 리 크릭 에너지는 이 프로젝트를 상용 단계로 진척시킬 굳건한 기반을 마련하게 되었습니다.

 리 크릭 에너지의 전무이사인 필 스태블리(Phil Staveley)는 “이번 파일럿의 성공으로 막대한 가치의 대규모 에너지 자원을 효과적으로 발견하게 되었고, 입증된 ISG 기술이 상용 애플리케이션에서 성공적으로 사용될 수 있다는 사실을 검증해주는 핵심 데이터를 수집할 수 있었다”고 말했습니다.

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