[두 번째 이야기] 프로세스 설계
[25] Process Engineering
“엔지니어링이 플랜트 산업의 소프트웨어라고 한다면, 프로세스는 엔지니어링의 소프트웨어, 다시 말해 Core software"라고 할 수 있습니다. 그만큼 Oil & Gas EPC 프로젝트에서 프로세스의 역할이 중요합니다.
이제 본론으로 들어가서 엔지니어링에서 하는 일을 한 공종(Discipline)씩 살펴보겠습니다.
첫 번째로 화공플랜트의 핵심인 프로세스(Process)입니다.
Process는 우리말로 공정(工程)이라고 합니다.
우리말 표현이 적절한 것인지는 조금 애매한 면이 있습니다. 우리말 사전에서 ‘공정’의 의미를 찾아보면 플랜트 산업의 Process와는 성격이 다르게 설명되어 있습니다. 그래서인지 현업에서는 대부분 Process라고 부르며, 한글로 표기할 때도 ‘공정’보다는 ‘프로세스’라고 적는 경우도 많습니다. 따라서 이 글에서도 “프로세스” 혹은 “Process”로 사용하겠습니다. (마찬가지로 Process에서 하는 업무도 우리말로 표현하는 것보다는 현업에서 사용하는 그대로 영어를 사용함을 양지 바랍니다.)
Process Engineering?
Process Engineering에 대해서 Wikipedia에서는 이렇게 설명하고 있습니다. 조금은 원론적이고 모든 산업에 적용되는 내용이라고 할 수 있으므로 단지 참고만 하면 되겠습니다.
Process engineering is the understanding and application of the fundamental principles and laws of nature that allow us to transform raw material and energy into products that are useful to society, at an industrial level. By taking advantage of the driving forces of nature such as pressure, temperature and concentration gradients, as well as the law of conservation of mass, process engineers can develop methods to synthesize and purify large quantities of desired chemical products. Process engineering focuses on the design, operation, control, optimization and intensification of chemical, physical, and biological processes. Process engineering encompasses a vast range of industries, such as agriculture, automotive, biotechnical, chemical, food, material development, mining, nuclear, petrochemical, pharmaceutical, and software development. The application of systematic computer-based methods to process engineering is "process systems engineering"
아래는 Ottawa 대학에서 정의한 내용인데 비교적 플랜트 산업에서의 Process의 의미와 비교적 정확한 것 같습니다.
Process engineering, synonymous with traditional chemical engineering, focuses on the design, operation and maintenance of chemical and material manufacturing processes and constitutes the specification, optimization, realization, and adjustment of the process applied to manufacture products. Process engineering and process engineers are found in a vast range of industries, such as the petrochemical, mineral processing, material, food, pharmaceutical and biotechnological industries.
사실 학문적이나 문자적인 정의로는 어느 정도 이해는 할 수 있지만, 이 역시 복잡합니다.
그래서 제 나름대로 “엔지니어링이 플랜트 산업의 소프트웨어라고 한다면, 프로세스는 엔지니어링의 소프트웨어, 다시 말해 Core software"라고 정의해 보았습니다. 여기서는 정의가 중요한 것은 아니니 이 정도만 언급하고 이제 실제로 Process에서 하는 일을 살펴보겠습니다.
Gas Project의 처리공정을 한눈에 알 수 있는 Block Diagram (Process 만 표기)프로세스 엔지니어의 주요 업무
프로세스 설계를 한마디로 표현한다면, Process Data와 P&ID를 떠 올릴 수 있습니다.
이 두 종류의 문서가 프로세스 설계의 대표 문서이면서, EPC 프로젝트 상세설계(Detailed Engineering)의 가장 기본이며 출발점이기 때문입니다. Process Data가 장비를 포함한 모든 자재의 구매에 적용하는 기본 문서라면, P&ID는 플랜트의 신경이라 할 수 있는 배관 및 계장 설계의 기준을 제시하는 도면입니다. 프로세스 설계 이후의 EPC 프로젝트의 상세설계(Detailed Engineering)는 이 두 문서에서 출발한다고 봐도 과언이 아닙니다.
사실 프로세스에서 하는 일 하나하나가 전문 영역이기에 글로 설명하기에는 한계가 있을 뿐 아니라, 내용 또한 이 분야에서 근무하는 분이 아니면 이해하기 쉽지 않은 것이 사실입니다. 그래서 업무에 대한 상세한 설명보다는 프로세스에서 하는 일은 어떤 것이 있는지 개념을 이해하는 정도로만 살펴보려고 합니다.
프로세스에서 수행하는 업무를 순서에 따라 간략히 정리하면 아래와 같습니다.
1. Process Engineering
프로젝트의 기술적인 측면에서 가장 기본으로 하는 문서는 Design Basis입니다.
원료의 물성 값(Material Property), 제품의 사양(Specification), 각종 Process의 요구사항(Requirement) 등을 규정한 Process Design Basis와 적용 Code 및 Standard, 각종 Data 등을 정리한 BEDD(Basic Engineering Design Data) 등으로 발주처에서 제공하는 프로젝트 수행 지침서라고 할 수 있습니다.
이 Design Basis를 기본으로 EPC Contractor는 프로젝트의 모든 Process와 시스템을 설계합니다.
아래는 프로세스에서 수행하는 주요 업무와 최종 결과물인 도면과 문서입니다.
1) Process Optimization
- 다양한 Case Study와 Simulation을 통한 최적 설계를 찾는 과정입니다.
2) Heat and Mass Balance
- 원료 및 제품의 양과 조성(Component) 등을 기초로 하여 이에 수반되는 물리적, 화학적 변화를
계산하여 정리한 것으로 Simulation을 통해 계산합니다.
3) Process Flow Diagram(PFD)
- 특정 시스템에서 주요 용기(Equipment)와 배관(Piping) 그리고 주요 계기(Instrumentation)를
유체의 흐름에 따라 간략하게 나타낸 Flow Sheet로, 유체의 흐름과 변화를 한눈에 알 수 있도록
작성한 도면으로 이 PFD를 바탕으로 설계를 수행합니다.
4) P&ID (Piping & Instrumentation Diagram)
- PFD가 유체의 흐름과 변화를 개략적으로 표시한다면 P&ID는 시스템에 포함되는 각종 장비,
연결 배관(Piping) 그리고 각종 기기(Instrumentation)의 정보를 상세히 표기합니다.
- EPC 프로젝트를 수행하는 가장 기본이 되는 도면으로 배관과 계장은 물론 전 공종(Discipline)이
이 P&ID에 따라 업무를 수행합니다.
- 따라서, 발주처와 관련 공종이 함께 모여 Review Meeting을 실시하여 적정성 여부를 검토하는데,
프로젝트에 따라서는 2회 이상 실시하는 경우도 있습니다.(P&ID가 Update 되어 정식 배포하는 시점)
5) UFD (Utility Flow Diagram)
- PFD가 Main Process의 흐름과 변화를 나타낸다면 UFD는 전기, Steam, Water 등 플랜트 가동에
필요한 각종 Utility의 흐름을 나타낸 도면입니다.
6) Process Data
- 플랜트에 설치되는 모든 장비(Equipment), 계기(Instrument)의 설계에 필요한 정보를 제공하는
문서(Equipment data sheet, Instrument data sheet 등) 장비나 계기의 구매 업무에 필수
자료입니다.
7) Material Selection
- 부식(Corrosion)을 기반으로 플랜트에서 사용되는 자재(Material)를 선정하는 과정으로 플랜트의
안정적인 운영, 건설비용 및 유지보수 최소화 등을 목적으로 수행.
8) Line Sizing
- 유속(velocity), 유체의 흐름에 따른 소음(Noise) 그리고 Pump나 Compressor의 Capacity 등을
고려하여 배관 Line의 Size를 결정.
9) Process Control System
- 플랜트에 설치되는 각종 장비와 기기의 Control을 다루는 문서로 Control Philosophy에 따라
각각의 시스템의 세부 Control Logic을 결정하며, 이 기준에 따라 장비 공급 업체(Vendor)에서
완성합니다.
HAZOP(Hazard and Operability) Workshop(or Study)
위에서 설명한 업무도 매우 중요하지만, 프로세스에서 수행하는 업무 중에서 빼놓을 수 없는 업무가 있습니다. 바로 HAZOP Workshop입니다.
HAZOP은 위험성 평가라고 하며 기본적인 설계가 진행된 후 실시하며 HAZID보다 구체적인 위험성 평가 방법입니다. 보통 Workshop에 필요한 문서(PFD, P&ID, Safety Chart, Cause & Effect Charts, Layout 등)가 정식으로 Issue 되어 발주처의 검토 결과까지 반영한 시점으로, 보통 엔지니어링 착수 후 8개월 전후에 실시하는데, 기간은 최소 2주에서 4주 정도 소요됩니다. HAZOP Workshop에는 Vendor에서 공급 장비도 포함되는데, 일반적으로 Vendor의 설계 일정이 늦기 때문에 Vendor HAZOP이라고 하여 따로 실시하기도 합니다.
HAZOP Workshop은 프로세스 팀에서 주관하며, HAZID(Hazard Identification Workshop, 안전팀 수행)와 마찬가지로 전문기관(3rd Party)에서 파견하는 Chairman이 Workshop을 진행합니다. 또한, Workshop에는 발주처 프로젝트팀뿐 아니라 Operation 팀에서도 반드시 참석하며, 장비를 공급하는 Vendor도 참석하여 함께 진행하다 보니 참석인원이 많습니다. 프로젝트에 따라서는 아예 호텔을 빌려서 Workshop을 진행하는 경우도 있습니다.
Workshop을 마치면 Chairman은 Workshop에서 검토한 내용을 정리하여 Report로 제출하는데, 가장 중요한 것이 프로젝트에 반영할 것을 권유하는 "Recommendation"입니다. 프로세스 팀에서는 이 중에서 프로젝트에 반영할 것과 그렇지 않을 것을 구별한 후 발주처와 협의하여 최종적으로 결정합니다. 이때 계약 범위(Scope) 또는 추가 비용 문제로 발주처와 치열한 기싸움을 벌이기도 합니다.
2. Procurement Engineering
엔지니어링팀에서 유일하게 자재 구매업무가 없는 팀이 바로 프로세스 팀입니다.
프로세스는 기계나 배관 등에 기본 Data를 제공할 뿐 실제로 장비나 계기 설계를 하지 않기 때문입니다. 즉, 각각의 장비나 계기는 프로세스에서 제공되는 P&ID와 Process Data 등을 바탕으로 각 공종에서 후속 설계를 진행하는데, 일부는 Data만 제공하고 전문 제작업체(Vendor)에서 설계합니다.
프로세스에서 구매하는 것이 있다면, 단지 시운전이나 초기 운전에 필요한 Chemical 정도입니다. 하지만 이 Chemical은 프로젝트 완공 시점에야 필요하며, 유효기간이 제한되어 있어 미리 구매하기에도 어려움이 있습니다. 그래서 프로젝트 진행 상황을 고려하여 적절한 시점에 현장에서 구매하기도 합니다.
3. Construction Engineering
Procurement 업무가 없는 것처럼 프로세스에서는 시공 도면을 작성하지 않습니다. 시공 도면은 전부 각 공종에서 작성합니다. 그렇다 보니 프로젝트가 시공 단계에 들어설 즈음이면 배관이나 전기 그리고 계장 등은 시공 지원체제로 변환되지만, 프로세스는 점차 업무 마무리 단계에 들어갑니다. 물론 시공 기간에 발생하는 문제를 처리하는 업무가 남아있으나 타 공종에 비하면 많지 않기 때문에 엔지니어링 기간 중 가장 먼저 업무가 마무리되는 공종이 되는 것입니다. 다만, 프로젝트의 마지막 시운전 단계에서는 프로세스 엔지니어가 중요한 역할을 하게 됩니다.
4. Commissioning Engineering
시운전 계획에 따라 프로젝트를 시스템으로 구분하고, 각 시스템의 시운전 절차서(Commissioning Procedure)를 작성하는 업무입니다. 또한 플랜트 운전에 필요한 Operation Manual이나 Training Manual도 작성합니다(Operation Manual 작성 등 일부는 외국 전문 업체에 용역을 주기도 합니다).
회사에 따라 시운전 설계 업무를 프로세스에서 수행 경우도 있지만 별개의 조직으로 운영하는 경우도 있습니다. 하지만 조직을 어떤 방식으로 운영하든 프로세스 엔지니어는 반드시 이 과정에 참여해야 합니다.
앞서 설명한 대로 프로세스는 시공보다는 시운전 단계에서 매우 중요한 역할을 합니다.
시운전은 말 그대로 각종 장비의 운전 여부를 테스트하는 중요한 과정입니다. 이때 장비는 물론 각종 계기를 앞서 설명한 Control Logic(Control Narrative)에 따라 오작동 여부를 확인하는 과정에서 많은 문제점이 드러나며, 이러한 문제점 해결은 물론 변경된 내용을 도면(주로 P&ID)에 반영(As Built) 해야 하기 때문입니다. 이에 따라서 반드시 프로세스 엔지니어는 시운전에 참여해야 합니다. 그러나 인력 부족으로 프로세스 엔지니어가 참여하지 않거나 소홀히 하는 경우가 있는데, 이로 인해 발생하는 시운전 기간 지연, Vendor Supervising 기간 연장으로 인한 비용 증가 등 각종 손실을 생각하면 반드시 참여해야 합니다.
지금까지 프로세스에서 하는 주요 업무를 살펴보았습니다.
앞서 말씀드린 대로 업무 하나하나가 전문 영역이기에 글로 설명하기에는 한계가 있을 뿐 아니라, 내용 또한 프로세스 업무를 하는 엔지니어가 아니면 이해하기 쉽지 않은 것이 사실입니다.
실제로 현업에서 일하다 보면 프로세스 엔지니어와 업무 협의를 하는 경우가 많은데, 필자 또한 프로세스 엔지니어가 아니다 보니 이것저것 궁금해서 묻다 보면 프로세스 엔지니어조차도 자신의 업무가 아니면 잘 모르는 경우가 많습니다. 그만큼 업무 하나하나가 전문 영역이기 때문입니다. 그래서 앞서 프로세스를 ‘엔지니어링의 소프트웨어, 다시 말해 "Core software"라고 말씀드린 것입니다.
대한민국 플랜트 산업의 부흥을 꿈꾸는 자, oksk (박성규)
EPC 프로젝트의 엔지니어링은 하나하나가 대학에서 전공으로 배우고도 오랜 실무 경험을 통해 실력을 쌓아야 하는 전문 분야입니다. 따라서 한 개인이 모든 것을 안다는 것은 불가능합니다. 그래서 전문 지식은 독자에게 맡기기로 하고, 이 분야에 익숙하지 않은 분들이라도 어느 정도 개념을 잡을 수 있도록, 공종별로 하는 일과 역할에 대해 개략적으로 정리합니다. 이 분야에서 현업을 하는 분께는 아주 기초적인 내용이겠지만, 한편으로 다른 공종의 업무를 이해하는데 조금이라도 도움이 될 수 있기를 기대합니다.
이 글과 함께 읽으면 좋은 글입니다. 엔지니어링 매니지먼트가 알아야 할 중요한 것을 정리한 것입니다.
