08. Process Engineering
프로세스 설계
이 글은 브런치북 "화공플랜트 EPC 엔지니어링"을 아마존에 출간하기 위하여 AI 도움을 받아 영문으로 번역한 내용입니다. 보완한 원문을 한글 서적으로도 출간하기 위해 영어 번역본 아래에 함께 올립니다.
In the previous chapter, we reviewed the six phases of engineering in EPC projects. Each discipline plays a role at different stages, but among them, process engineering holds a unique position. It provides the foundation on which all other engineering disciplines build their work.
While piping, mechanical, electrical, and instrumentation engineers develop their own designs, they all rely on the data and diagrams produced by the process team. In this sense, process engineering is not just one discipline among many—it is the starting point and the reference for the entire project.
For this reason, process engineering is often described as the “core software” of engineering. Without it, the rest of the project cannot move forward. In the following sections, we will look more closely at what process engineers actually do, the documents they produce, and why their work is so critical to the success of an EPC project.
Definitions of Process Engineering
According to Wikipedia, process engineering is defined as follows:
“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.’”
This is a broad and theoretical definition, applicable across many industries. It is useful as a reference, but it does not fully reflect the specific meaning of Process in the plant industry.
**The rest of this chapter is omitted for the final publication.**
이전 장에서는 EPC 프로젝트에서의 엔지니어링 6단계를 살펴보았습니다. 각 엔지니어링 분야는 서로 다른 단계에서 역할을 담당하지만, 그중에서도 프로세스 엔지니어링은 특별한 위치를 차지합니다. 이는 다른 모든 엔지니어링 분야가 그 위에 기반을 두는 토대를 제공하기 때문입니다.
배관, 기계, 전기, 계장 엔지니어들이 각자의 설계를 수행하더라도, 이들은 모두 프로세스 팀이 작성한 데이터와 도면에 의존합니다. 이런 점에서 프로세스 엔지니어링은 단순히 여러 분야 중 하나가 아니라, 프로젝트 전체의 출발점이자 기준(reference)이라 할 수 있습니다.
이러한 이유로 프로세스 엔지니어링은 흔히 엔지니어링의 “코어 소프트웨어(core software)”라고 불립니다. 프로세스 엔지니어링 없이는 프로젝트의 나머지 부분이 진행될 수 없습니다. 이어지는 장에서는 프로세스 엔지니어들이 실제로 어떤 일을 하는지, 그들이 만들어내는 문서에는 무엇이 있는지, 그리고 왜 그들의 역할이 EPC 프로젝트의 성공에 있어 그렇게 중요한지를 좀 더 자세히 살펴보겠습니다. (추가내용)
Process는 우리말로 공정(工程)이라고 하는데, 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’로 적는 경우가 많습니다. 따라서 이 글에서도 “프로세스” 혹은 “Process”로 사용하겠습니다. (마찬가지로 프로세스 설계에서 하는 업무도 우리말로 표현하지 않고 현업에서 사용하는 그대로 영어를 사용함을 양지 바랍니다.)
Process Engineering에 대해서 Wikipedia에서는 이렇게 설명하고 있습니다. 조금은 원론적이고 모든 산업에 공통으로 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"
그런가 하면, 아래는 캐나다 오타와 대학(University of Ottawa)에서 정의한 내용인데 비교적 플랜트 산업에서의 Process의 의미와 거의 비슷한 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.”
이 역시 학문적이나 문자적인 정의로는 어느 정도 이해는 할 수 있지만, 이 역시 복잡하기는 매 한 가지입니다. 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.
프로세스 설계의 주요 업무
프로세스 설계를 한마디로 표현한다면, Process Data와 P&ID(Piping & Instrumentation Diagram)를 떠 올릴 수 있습니다. 이 두 종류의 문서가 프로세스 설계의 대표 문서이면서, EPC 프로젝트 상세설계(Detailed Engineering)의 가장 기본이며 출발점이기 때문입니다.
여기서 Process Data가 장비를 포함한 모든 자재의 구매에 적용하는 기본 문서라면, P&ID는 플랜트의 신경이라 할 수 있는 배관 및 계장 설계의 기준을 제시하는 도면입니다. EPC 프로젝트의 상세설계(Detailed Engineering)는 이 두 문서에서 출발한다고 봐도 과언이 아닙니다.
사실 프로세스 설계에서 하는 일은 하나하나가 전문 영역이기에 글로 설명하기에는 한계가 있을 뿐 아니라, 내용 또한 이 분야에서 근무하는 분이 아니면 이해하기 쉽지 않은 것이 사실입니다. 그래서 기술적인 내용보다는 엔지니어링 단계에서 프로세스 설계가 하는 일은 어떤 것이 있는지 개념을 이해하는 정도로만 살펴보려고 합니다. 업무를 수행하는 순서에 따라가다 보면 어떤 업무를 하는지 쉽게 이해할 수 있을 것입니다.
ENGINEERING
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 프로젝트 수행 지침서라 할 수 있으며 발주처에서 제공합니다. 프로세스 설계는 이 Design Basis를 기본으로 모든 Process와 시스템을 설계합니다.
아래는 프로세스에서 수행하는 주요 업무와 최종 결과물입니다.
1) Process Optimization
다양한 Case Study와 Simulation을 통한 최적 설계를 찾는 과정입니다. 프로세스 설계의 가장 기본이라 할 수 있습니다.
2) Heat and Mass Balance
원료 및 제품의 양과 조성(Component) 등을 기초로 하여 이에 수반되는 물리적, 화학적 변화를 계산하여 정리한 것으로 Process Simulation을 통해 계산합니다.
3) Process Flow Diagram(PFD)
특정 시스템에서 주요 장비(Equipment)와 배관(Piping) 그리고 주요 계기(Instrumentation)를 유체의 흐름에 따라 간략하게 나타낸 Flow Sheet로, 유체의 흐름과 변화를 한눈에 알 수 있도록 작성한 도면이며 이 PFD를 바탕으로 P&ID 및 후속 설계를 진행합니다.
4) P&ID(Piping & Instrumentation Diagram)
PFD가 유체의 흐름과 변화를 개략적으로 표시한다면 P&ID는 시스템에 포함되는 각종 장비, 연결 배관 그리고 각종 계기의 정보를 상세히 표기합니다. P&ID는 EPC 프로젝트의 가장 기본이 되는 도면으로 배관과 계장은 물론 전 공종(Discipline)이 이 P&ID에 따라 업무를 수행합니다. 이렇게 중요한 문서이다 보니, 발주처와 관련 공종이 함께 모여 Review Meeting을 통해 적정성 여부를 검토하는데, 프로젝트에 따라서는 2회 이상 실시하는 경우도 있습니다.
5) UFD(Utility Flow Diagram)
PFD가 Main Process의 흐름과 변화를 나타낸다면 UFD는 Power, Steam, Water 등 플랜트 가동에 필요한 각종 Utility의 흐름을 나타낸 도면입니다. 발주처의 특성에 따라 UFD로 구별하지 않고 PFD로 통일해서 사용하는 경우도 있는데 어느 쪽이든 크게 중요하지는 않습니다.
6) Process Data
플랜트에 설치되는 모든 장비, 계기의 설계에 필요한 정보를 제공하는 문서(Equipment data sheet, Instrument data sheet 등)로서 장비나 계기의 구매 업무에 필수적인 자료입니다.
7) Material Selection
플랜트에 사용되는 자재(Material)를 선정하는 과정으로 플랜트의 안정적인 운영, 건설비용 및 유지보수 최소화 등을 목적으로 수행하며 주로 부식(Corrosion)을 기반으로 합니다.
8) Line Sizing
유체(Flow)의 흐름, 즉 유속(Velocity)과 이로 인한 소음(Noise) 그리고 Pump나 Compressor의 Capacity 등을 고려하여 배관 Line의 Size를 결정합니다.
9) Process Control System
플랜트에 설치되는 각종 장비와 기기의 제어(Control)를 다루는 문서로 Control Philosophy에 따라 각 시스템의 세부 Control Logic을 결정합니다.
10) HAZOP(Hazard and Operability) Workshop(or Study)
앞서 언급한 업무도 매우 중요하지만, 프로세스에서 수행하는 업무 중에서 빼놓을 수 없는 업무가 있는데 바로 HAZOP Workshop입니다.
HAZOP은 위험성 평가라고 하며 기본적인 설계가 진행된 후 실시하는데, 프로젝트 초기에 실시하는 HAZID에 비해 구체적인 위험성 평가 방법입니다. 보통 Workshop에 필요한 문서(PFD, P&ID, Safety Chart, Cause & Effect Charts, Layout 등)가 정식으로 제출(Issue) 되고 발주처의 검토 결과까지 반영한 시점으로, 보통 엔지니어링 착수 후 8개월 전후에 실시하는데, 기간은 보통 2주에서 4주 정도 소요됩니다.
또한, 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. 이 과정에서 계약 범위(Scope) 또는 추가 비용 문제로 발주처와 치열한 기싸움을 벌이기도 하는데, Contractor 입장에서 함부로 받아들였다가 자칫하면 큰 손해로 연결될 수 있기 때문입니다.
PROCUREMENT ENGINEERING
엔지니어링 팀에서 유일하게 자재 구매 업무가 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 운전(Start-up Operation)에 필요한 Chemical 정도입니다. 하지만 이 Chemical도 유효기간이 제한되어 있어 미리 구매하면 시공 기간이 늘어날 경우 문제가 생길 수 있기 때문에 프로젝트 진행 상황을 고려하여 적절한 시점에 현장에서 구매하기도 합니다. 이 경우, 프로세스에서는 Chemical 구매를 위한 각종 Data만 정리하여 현장에 통보하는 것으로 마무리하는 경우도 있습니다.
CONSTRUCTION ENGINEERING
Procurement 업무가 없는 것처럼 프로세스에서는 시공 도면을 작성하지 않고 전부 각 공종에서 작성합니다. 프로세스 결과물은 모두 타 공종의 설계 자료로 사용될 뿐 시공에 직접 사용되지 않기 때문입니다. 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.
COMMISSIONING ENGINEERING
시운전 계획에 따라 프로젝트를 시스템으로 구분하고, 각 시스템의 시운전 절차서(Commissioning Procedure)를 작성하는 업무, 그리고 플랜트 운전에 필요한 Operation Manual이나 운전 요원의 훈련을 위한 Training Manual도 프로세스 설계에서 작성합니다. 회사 사정에 따라서 Operation Manual 등 일부는 외국 전문 업체에 용역을 주기도 하지만 이 경우에도 프로세스에서 주관하는 것이 일반적입니다.
회사에 따라서는 시운전 설계 업무를 프로세스에서 수행하는 경우도 있지만 시운전 설계라고 해서 아예 별도의 조직을 운영하는 경우도 있습니다. 하지만 조직을 어떤 방식으로 운영하든 프로세스 엔지니어는 반드시 이 과정에 참여합니다.
앞서 설명한 대로 프로세스는 시공보다는 프로젝트 마무리인 시운전 단계에서 매우 중요한 역할을 합니다. 시운전은 말 그대로 각종 장비의 운전 여부를 테스트하는 중요한 과정입니다. 시운전을 하는 동안 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. 따라서 시운전 기간 동안 프로세스 엔지니어의 참여는 필수적입니다. 그러나 현업에서는 인력 부족이나 비용 문제 등으로 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 결코 현명한 것이 아님을 유념해야 합니다.
지금까지 프로세스 설계에서 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. 실제 현업에서 일을 하다 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, 그중에서도 "Core software"라고 말씀드린 것입니다.
이렇게 업무만 설명하고 보니 너무 건조한 느낌이 듭니다. 업무적으로만 보면 너무 이론적이고 치밀한 계산을 요구하다 보니 조금은 딱딱하고 어렵다는 인상을 갖는 것이 사실입니다. 하지만 현업에서 프로세스 엔지니어 면면을 보면 장비를 다루는 기계나 배관 엔지니어에 비해 매우 부드러운 것을 알 수 있습니다. 꼼꼼함이 부드러움으로 나타나는 것 같습니다. 업무에 따라 성격도 조금은 변할 수 있다는 생각을 해봅니다.
대한민국 플랜트 산업의 부흥을 꿈꾸는 자, oksk
