에너지 파이프라인 운영업체의 아키텍처 업그레이드

에너지 파이프라인 운영업체의 아키텍처 업그레이드

과제

  • 여러 시설에 걸쳐 표준화된 제어 시스템 아키텍처가 없어 외부 공급업체에 지나치게 의존하게 되었고, 제어 장비의 설정, 통합, 확장 및 업그레이드 비용이 대폭 증가

솔루션

  • PlantPAx 프로세스 자동화 시스템 – 확장 가능한 이 개방형 아키텍처 플랫폼은 왕복 엔진 및 압축기를 제어하고, 핵심적인 운영 데이터를 지속적으로 수집하며, 통신을 간소화하고, 설치 비용을 절감
  • HMI – 긴밀하게 통합된 비쥬얼라이제이션 소프트웨어를 통해 실시간 정보와 운영 추세에 즉시 액세스
  • PlantPAx 라이브러리 – 특정한 압축기 스테이션의 역할에 맞게 맞춤화된 HMI 페이스플레이트와 모든 문서 등 시스템의 기본 빌딩 블록 포함

결과

  • 총 소유 비용 절감, 가동 시간 향상, 수리 비용 절감
  • 개념에서 시운전까지의 자본 투자는 유사한 제어 및 자동화 업그레이드 프로젝트의 20% 수준으로 추정
  • 목표 설정, 엔지니어링 자문, 설계 및 구현은 CNP-MRT에 있는 다른 압축기 스테이션의 업그레이드를 위한 표준을 정립하는 데 도움이 됨
  • 최첨단 네트워킹, 모니터링 및 진단 기능으로 시스템 가동 중단 시간 단축, 예방적 유지보수 역량 강화, 수리 비용 절감
  • 가시성 및 진단 향상

배경
전기 및 천연가스 공급업체인 CenterPoint Energy - Mississippi River Transmission LLC(CNP-MRT)는 약 13,000km에 달하는 파이프라인을 소유 및 운영하고 있습니다. 이 파이프라인은 미국 중부 내륙의 아홉 개 주에 걸쳐 2012년 한 해 동안만 1.6조 입방피트의 가스를 수송했습니다. 수송 비즈니스의 성공 여부는 복잡하고 자본 집약적이며 데이터 위주인 인프라 문제를 얼마나 잘 해결하고, 대용량 천연가스를 원거리에 위치한 22곳의 가스 화력 발전소까지 어떻게 안정적으로 수송하느냐에 달려 있습니다.

CNP-MRT가 다른 수송 회사나 대체 에너지 기업들과 효과적으로 경쟁하려면 운영, 유지보수 및 가동 중단 시간의 비용을 최소화하는 기술을 활용할 필요가 있습니다. 이러한 기술을 통해 고객 확보 및 유지에 필요한 가격과 서비스 레벨을 달성할 수 있습니다.

산출량에 의존하는 이 부문은 온화한 기후, 변동성이 심한 가스 가격 및 규제 준수 비용 등 수요에 영향을 주는 여러 변수를 고려해야 하기 때문에 수송 수익성이 한층 더 복잡해집니다.

최저 비용으로 최대량의 천연가스를 수송하기 위한 왕복 엔진 압축기의 효율적, 안정적, 지능적인 제어, 그리고 자동화 및 성능 모니터링은 가장 중요한 해결 과제 중 하나입니다. 스쿨버스 크기의 엔진은 가스 부피를 최대 600배 줄이는 한편 파이프라인을 통해 가스를 밀어 보낼 수 있도록 일정 수준의 가압 흐름(최대 1,500psi)을 유지해야 합니다.

인프라 유지보수 비용을 절감하고 가동 중단 시간을 최소화하며 실시간 진단을 활용할 수 있는 제어 및 자동화가 반드시 필요한 상황입니다. 그러나 거의 70대에 가까운 수송 라인 압축기에 업그레이드된 제어 기술을 구현하기 위한 잠재적 자본 투자와 리소스 할당 또한 매우 중요한 문제입니다.

과제
파이프라인 경로를 따라 65 - 160km 간격을 두고 설치된 각각의 압축 스테이션은 2,000마력급 압축기를 두 대에서 10대까지 사용하고 있었습니다. 에너지 수송 분야에서 흔히 보이는 노후 시스템은 오랜 세월 동안 유지 가능하도록 제작됩니다. 그래서 1960년대에 나온 장비도 앞으로 20년은 충분히 더 사용할 수 있습니다. 그러나 수십 년 된 장비는 현재의 기술에 비해 효율성이 떨어집니다. 따라서 제어 시스템 성능이 현재의 기준에 미치지 못하는 경우가 많습니다.

방대한 중서부 전역에 걸쳐 위치한 여러 압축기의 제어 시스템을 업그레이드하는 것은 대단히 자본이 많이 드는 일입니다. 제어 설계와 구현을 여러 곳의 엔지니어링 기업과 시스템 통합업체에 맡기는 기존의 아웃소싱 모델을 채택할 경우 특히 더 그렇습니다. 시간이 지나면서 그러한 접근 방식으로 인해 CNP-MRT에는 대부분 폐쇄형 전용 로직으로 만들어진 다양한 제어 제품과 솔루션 조합이 생겨났습니다. 이 경우 관리자와 스테이션 운전자가 근거리에 있어야 하고, 외부 공급업체에 대한 의존도가 높아 사내 역량이 제한되며, 제어를 설정, 통합, 확장 및 업그레이드하는 비용이 대폭 증가하는 경향이 있습니다.

CNP-MRT 제어 및 자동화 그룹은 자사의 Horseshoe Lake 압축기 스테이션을 사내 스테이션 업그레이드 설계 및 구현을 위한 테스트 기반으로 삼기로 결정했습니다. 압축기 네 대가 설치된 일리노이 주 그랜트 시티의 이 시설은 미주리, 아칸소, 일리노이 간에 천연가스를 대량 수송하는 CenterPoint Mississippi River Transmission(MRT) 파이프라인에 속합니다.

이 시설은 다른 기업이 특정한 목적으로 구축한 것을 CNP-MRT가 운영권을 넘겨받은 것입니다. 7년 된 이 스테이션은 다른 시설에 비해 오래되지는 않았지만, 건설 당시 비용이 많이 들 것을 우려한 시스템 통합업체가 이미 수명주기 후반에 근접한 전용 아키텍처와 PLC를 도입해 사용하고 있었습니다.

"오늘날 개방형 아키텍처가 가진 잠재력에 비하면 이 제어 시스템은 구식으로 프로그래밍된 골동품이었습니다." CNP-MRT의 계기 및 전자 전문가로서 이 기업의 북부 파이프라인을 감독하는 Steve Starkey의 말입니다. "뿐만 아니라 CNP-MRT는 로크웰 오토메이션만 사용하는데 그 시설에서 사용하던 플랫폼은 지원이 되지 않았습니다. 따라서 교육에 상당한 시간과 비용을 투자하지 않고는 자체적으로 제어 시스템을 작동할 수 없었습니다."

예를 들어, 엔진 기동 시퀀스에 한 단계를 추가하는 것처럼 개선이 필요할 때마다 제어 공급업체에 추가 비용을 지불하고 다시 프로그래밍해야 했습니다. 특히 야간이나 주말에 문제 진단이나 장애물을 파악하는 경우 압축기 가동이 중단될 위험이 있었습니다.

"폐쇄형 전용 시스템의 문제를 진단하는 데는 여러 방도가 없다는 말을 종종 합니다." Starkey의 말입니다. "CNP-MRT는 그렇게 생각하지 않습니다. 우리는 문제 해결을 제어할 수 있도록 직접 관리할 수 있는 무언가를 원했습니다. 그리고 전용 시스템은 일반적으로 모듈형이 아니라서 통합과 확장이 필요한 경우 개별적으로 컴포넌트를 교체할 수가 없습니다."

최종적으로 CNP-MRT는 데이터 액세스, 수집 및 공유에서 실시간 원격 모니터링 및 알람까지 정보 솔루션을 획기적으로 개선할 필요가 있었습니다. 대형 압축기 비용의 주요 변수는 운영 효율성과 성능을 최적화하기 위한 엔진 유지보수 비용과 회피해야 하는 장애 수리 비용입니다.

에너지 기업에 엔진 고장이나 작동 중단은 곧 수익 손실을 의미합니다. 약속된 대로 가스를 수송하지 못하면 벌금이 부과되는 등 계약은 공급의 안정성에 대한 높은 기준에 기반합니다. 그러나 CNP-MRT는 데이터로 지원되는 가시성이 부족하여 사전 대응적으로 유지보수할 수 없었고, 신속하게 조정하거나 효율적으로 확장할 수도 없었습니다.

솔루션
CNP-MRT는 Horseshoe Lake 스테이션을 내부 리소스에 의존하여 비용 효과적으로 주요 제어 장치를 업그레이드 및 관리하는 시범 케이스로 삼고 이를 입증했습니다. CNP-MRT는 로크웰 오토메이션 글로벌 솔루션 팀의 오일 & 가스 전문가들과 협력하여 Horseshoe Lake 시설에 특화되면서도 중서부 지역에 위치한 나머지 압축기들의 업그레이드를 위한 표준 혹은 템플릿의 역할을 할 솔루션을 설계하기로 했습니다.

CNP-MRT는 DCS 시스템의 역량과 엔진 운영 데이터의 광범위한 액세스를 결합하기 위해 개방형 아키텍처를 사용해 제어와 정보를 통합하는 로크웰 오토메이션의 PlantPAx™ 프로세스 자동화 시스템을 선택했습니다. 자산에 대한 가시성과 생산 정보가 획기적으로 향상되어, 스테이션 운전자는 유지보수, 운영 및 흐름 제어 문제에 보다 신속하게 대응하는 데 필요한 데이터를 얻을 수 있게 되었습니다.

"압축기의 운영 추세가 수집, 통합되고 있으며 보다 많은 양의 정보를 활용할 수 있게 되었습니다." Starkey의 말입니다. "우리는 운영의 모든 측면을 실시간으로 최적화하여 가동시간, 효율성 및 수익성을 향상시키기 위해 노력하고 있습니다. 여기에는 장치의 성능, 배출량, 심지어 가스를 펌프하고 가스로 구동되는 엔진의 안전을 모니터링하는 것도 포함됩니다."

"프로세스에서 우리가 해야 하는 모든 일을 로크웰 오토메이션이 해주었습니다." Starkey의 말입니다.

Horseshoe Lake 업그레이드를 통해 스테이션 운전자는 속도와 부하 제어를 보다 쉽게 관리할 수 있게 되었습니다. 제어 시스템은 또한 엔진 가동 시간에 기반하여 기동 압축기를 지정하고 시스템이 제어하는 엔진의 수를 결정할 수 있습니다. "과거에는 엔진을 하나하나 개별적으로 기동했습니다." Starkey의 설명입니다. "1번 엔진을 켜고, 그 다음에 2번, 3번 엔진을 켜는 식이었기 때문에, 먼저 기동된 장비들은 가동 시간이 더 길었습니다. PlantPAx 시스템은 가장 가동 시간이 짧은 엔진부터 기동하고 가장 가동 시간이 긴 엔진을 먼저 정지해야 한다는 것을 압니다."

PlantPAx 시스템의 가시화 기능은 엔진, 스테이션 및 파이프라인 시스템 레벨에서 생산 정보에 대한 상황 표시와 성능 지표를 통합하여 압축과 관련된 정보를 조회할 수 있도록 합니다. 분석 툴 및 관리 대시보드, 그리고 엔진 이벤트에 대한 정확한 실시간 보고 기능은 문맥적인 로컬, 역할 기반 정보를 제공하여 보다 나은 의사 결정을 지원합니다.

"프로세스에서 우리가 해야 하는 모든 일을 로크웰 오토메이션이 해주었습니다." Starkey의 말입니다. "로크웰 오토메이션의 해당 분야 전문성은 우리 운영 그룹에 큰 도움이 됐고, 결과적으로 효과적인 제어 솔루션을 구현할 수 있었습니다. 모든 기능이 갖춰졌기 때문에 이제 더 쉽게 애플리케이션을 개발하고 개선할 수 있습니다. 꿈을 꿀 능력이 있다면 그것을 이룰 능력도 있는 법입니다."

결과
CNP-MRT가 얻은 업그레이드의 혜택은 크게 네 가지 영역으로 나눌 수 있습니다.

1. 총 소유 비용 - 새로운 시스템의 설계와 설치, 공급은 기존 시스템보다 적은 시간에 완료되었습니다. 기존 시스템으로부터 얻은 경험을 바탕으로, Starkey는 동등한 규모의 제어 프로젝트 비용 대비 자본 투자가 약 20% 수준에 불과했다고 추산합니다.

2. 간소화된 HMI 설정 - 모든 HMI 애플리케이션을 기초부터 배울 필요가 없기 때문에 교육 시간이 획기적으로 단축되었습니다. 스테이션이 다르긴 해도 기본이 이미 갖춰져 있기 때문에, 사내 제어 그룹이 거의 모든 유형의 엔진을 사용 가능하도록 수정할 수 있어서 통합 시간이 대폭 절감되었습니다.

3. 운용성 향상 - Horseshoe Lake에서의 경험은 각 스테이션의 담당 운전자들이 요청받은 거의 모든 일을 확신과 책임감을 가지고 이행할 수 있음을 보여 주었습니다. "기존에는 불분명한 영역이 많았습니다. 운전자가 제어할 수 없거나 필요한 통찰이 없는 인스턴스가 너무 많았습니다." Starkey의 말입니다. "이제는 접근 방식이 다릅니다. 운전자 스스로가 정말 훌륭한 HMI와 PAC 프로그램을 구축할 수 있도록 돕고 있습니다. 자신의 제어 시스템이기 때문입니다."

4. 가동 중단 시간 감소 - PlantPAx 시스템은 스테이션 가동 중단 시간과 수리로 인한 자본 지출을 절감해 주었습니다. 이전에는 중단하는 것 말고 다른 알람이 존재하지 않았습니다. 이제 엔진에 고장이 발생하기 전에 문제를 경고하도록 알람이 프로그래밍되어, 운전자는 엔진이 고장 나기 전에 수리에 착수할 수 있습니다. 직원은 데이터를 원격으로 조회함으로써 문제를 해결할 때까지 엔진이 가동되도록 할 수 있습니다.

Horseshoe Lake 시설은 CNP-MRT가 처음으로 내부 리소스를 사용해 압축기 제어 스테이션 전체에 수행한 프로젝트입니다. 고위 경영진의 비관적 전망은 그래서 어찌 보면 이해할만한 것이었습니다. "새로운 시스템이 기존 시스템보다 관리하기 훨씬 더 간단하다는 사실을 시연해 보여야 했습니다." Starkey의 말입니다. "기존에 구매한 그 어떤 것보다 더 확장 가능하고, 더 효율적이며, 더 안정적이어야 했습니다."

목표 설정부터 엔지니어링 자문, 지원, 에너지별 모범 사례 등 로크웰 오토메이션이 프로젝트를 전적으로 지원한 덕분에 PlantPAx 솔루션을 모든 압축기의 제어 및 자동화 모델로 사용하자고 의견을 모았습니다. 그리고 페이스플레이트에서 제어 시스템이 작동하는 모양과 느낌까지, 이 설계와 구현은 향후 다른 압축기 스테이션의 업그레이드를 위한 CNP-MRT의 표준이 되었습니다.

"PlantPAx 시스템은 안정성, 확장성, 그리고 우리가 생각할 수 있는 모든 것의 통합에 이르기까지 모든 지표를 초과 달성했습니다." Starkey의 말입니다.

위에서 언급한 결과는 CenterPoint Energy가 로크웰 오토메이션의 제품과 서비스를 타 제품과 함께 사용하여 얻은 결과입니다. 구체적인 결과는 고객마다 다를 수 있습니다.

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