오일&가스산업에서의 최신 계측제어 적용사례

치열해진 에너지산업 환경, 경쟁력 향상 위한 솔루션 요구 높아

최근 고부가가치 제조환경이 점차 확대되면서 한층 고도화된 제어계측 기술에 대한 필요성이 증대하고 있다. 제어계측 기술은 제품의 정밀 및 정확도 수준 제고를 통해 경쟁력 향상에의 기여도를 높이는 기술로, 현재 공장자동화뿐 아니라 공정자동화에도 폭넓게 적용되고 있다. 그중에서도 FA저널은 제어계측 솔루션이 폭 넓게 적용되는 대표적인 산업인 오일&가스산업에서의 다양한 제어계측 솔루션 실제 적용사례를 소개한다.

김 미 선 기자

오일&가스산업, 미국 vs. 중동간 치열한 에너지 주도권 싸움

오일&가스산업과 관련해 산업자동화 기업들의 솔루션 적용사례에 대해언급하기 이전에 먼저 주목해야 할 사항이 있다. 최근 오일 및 셰일가스를 둘러싸고 세계 에너지시장이크게 변화하고 있다는 점이다. 셰일가스 등 비전통적 에너지 자원을 통해 신흥 산유국으로 떠오른 ‘미국’과 전통적인 에너지원인 석유를 중심으로 하는 대표적인 산유국인 ‘중동’이 벌이고 있는 주도권 싸움에 전 세계 국가 및 관련 산업관계자들의 이목이 모아지고 있는 것이다.

과거에는 주로 사우디아라비아 등 기존 산유국이었던 중동을 중심으로 원유 생산이 활발했지만, 2010년을 기점으로 미국이 자국 내에서 셰일자원을 개발하고 실제로 생산까지 성공하게 됐다. 미국의 이러한 성공사례에 힘입어, 북미에서 비롯된 셰일자원 개발붐이 유럽 및 아프리카, 러시아 등지로 확산되기 시작했으며, 이에많은 전문가들은 향후 셰일가스 등 비전통적 에너지원의 생산량이 지속적으로 증가할 것으로 전망하고 있다.

이처럼 전 세계적으로 오일 및 가스 등의 에너지원을 생산하는 국가가 다원화되면서 지금까지 석유로 세계시장에서 강력한주도권을 행사해 왔던 중동국가들의 패권이 흔들리고 있으며, 이에 중동국가들은 석유를 통한 에너지 주도권을다시금 확보하기 위해 지난해 말부터 원유가를 대폭 하락하고 있는 상황이다.

실제로 올 초 포스코경영연구소가 발표한 자료에 따르면, 국제유가가 최근 6개월간 50% 폭락하면서 글로벌 금융위기 이후 최대 하락폭을 기록했다고한다. 그 이유로는 미국 내 셰일가스&오일 등과 같은비전통 에너지원의 생산 확대로 전 세계적으로 원유 공급은 늘고 있는 반면, 지난해 미국 내 원유 수입은 2010년 대비 50%로 감소하면서 상대적으로 중동지역의 원유 수출은줄고 있다는 점을 들고 있다.

과거 생산량을 조절하면서 유가관리 전략을 펼쳐왔던 사우디아라비아 등 OPEC 회원국들이 또 다시 유가 하락을 추진하고 있다는 것이다. 이로인해, 올초 유가는 50달러선까지 떨어져 전 세계적으로 많은산업에까지 영향을 끼치고 있다. 이에 대해 전문가들은 OPEC 회원국들이유가를 비전통 에너지 생산원가 이하로 유지함으로써 미국과 같은 신생에너지 업체들을 압박하기 위한 치킨게임을 선택한 것으로 분석하고 있다.

하지만 비전통 에너지 생산원가 역시 하락하고, 이와 동시에 중동지역 내 전쟁등과 같은 지정학적 리스크가 감소하면서 공급은 계속 늘어나고 있는 데 반해, 경제 둔화로 인해 선진국및 중국 내 원유 수요가 감소하면서 원유의 수요 회복은 요원한 상황이기 때문에 공급과잉 구도는 중장기적으로 지속될 것으로 보인다. 따라서 전문가들은 공급과잉과 치킨게임이 동시에 작용하는 올해 상반기의 유가는 배럴당 50달러선 수준으로 지속되면서, 산유국 재정위기 및 타이트 오일 공급둔화로 올해 하반기 이후에는 유가가 50~70달러선으로 다소 상향될 것으로 전망하고 있다.

유가하락 등 오일&가스시장 변화, FA업계에도 영향

치열해진 경쟁 속 안전성과 고수익 위한 기술 요구 높아져
신생 산유국인 미국과 기존 산유국인 중동국가 간 벌이는 치킨게임으로 인한 유가하락은 결국 산업자동화 업계에도 큰영향을 끼치고 있다는 게 업계 관계자들의 공통적인 의견이다. 실제로 이번 기획취재를 위해 관련 업체들과사전 취재한 결과, 대부분의 업체 관계자들이 오일&가스산업과관련해 ‘할 말은 없다’는 반응이었다. 언급할 만한 최근 두드러지는 실적 및 이슈가 없다는 속내다. 이는최근의 저유가 현상으로 인해, 글로벌 오일 메이저들이 설비 투자를 축소하는 한편, 재정이 취약한 산유국의 프로젝트가 지연 및 취소됨으로써 관련 수주 또한 줄어들고 있기 때문인 것으로 분석된다.

이와 더불어 심해유전 및 해양플랜트 신규 수주 저하로 인해 조선경기도 위축되는 상황으로, 프로젝트수주가 선별적으로만 이뤄지고 있기 때문에 오일&가스산업은 물론 이와 연관된 조선산업에 이르기까지불황의 여파가 미치게 됨으로써 각 자동화 기업은 물론 플랜트 솔루션 제공업체 간 경쟁은 더욱 심화되고 있는 것으로 보인다.

산업 자체가 어려워지면서 글로벌 오일 메이저들은 보다 안전하면서도 고수익을 얻을 수 있는 오일&가스산업에 특화된 솔루션들을 요구하고 있다. 이와 동시에 최근환경에 대한 이슈와도 맞물려 에너지를 절감하고 환경 비용을 줄일 수 있는 자동화기술에 대한 관심도 높은 것으로 조사됐다. 또한, 2014년부터 본격적으로 자동화산업에서 거대한 기술 트렌드로 자리를 잡고있는 IoT 기술과 함께, 통합 자동화 솔루션 및 한층 강화된세이프티 기술도 오일&가스산업에서 새롭게 부각되고 있다.

제어기에서의 이더넷 활동이 늘어남에 따라 이와 연관된 센서에도 산업용 이더넷 프로토콜을 적용하는 경우가 더욱 늘고 있으며, 생산현장에서 수집되는 각종 데이터들을 새롭게 분석하고 통합하는 정보 활용 기술은 물론, 고성능 컴퓨터의 활용과 함께 생산성 향상을 위한 분석 및 예측 기술에 대한 적용 사례도 늘고 있다.
이와 더불어, 운영의 편리성과 유연성을 위한 무선 통신기기의 수량도 점점 늘고 있으며, 비용 절감과 높은 에너지 비용에 대응해 에너지 절감 기술에도 많은 관심이 모아지고 있다. 특히, 통합 정보관리시스템에 현장의 자동 계측제어 관련 정보가 연동되는사례도 점점 증가하는 데다, 기업의 통합 데이터베이스에 실시간 현장 정보를 포함하는 각종 소프트웨어의적용도 늘고 있다.

전 세계적으로 오일&가스산업에서 크게 활약하고 있는 관련 글로벌 기업들의최신 제어계측 솔루션 적용사례를 통해 최근 이 산업에서의 최신 기술 트렌드를 살펴봤다.

안전 규정을 준수하면서도 성능 최적화
대표적인 산업자동화 글로벌 기업인 로크웰오토메이션의 경우 더욱 치열해진 오일&가스산업내 경쟁 속에서 뛰어난 성능과 함께 신뢰성이 높으면서도 보다 경제적인 솔루션에 대한 고객들의 요구에 대응해 조선 및 해양 애플리케이션에 최적화된자동화 솔루션을 제안하고 있다.

특히, 로크웰은통합 ICPS(Information, Control, Power and Safety) 시스템을 제공함으로써통합 제어 및 세이프티 기능을 원하는 고객의 요구 조건에 대응하고 있다는 설명이다. 이 중 제어(Control) 영역의 핵심 제품 및 솔루션으로는 PlantPAx DCS를들 수 있는데, 이 솔루션은 시스템 역량 강화, 엔지니어링효율성 증대, 높아진 사용자 운영 용이성을 통해 다양한 업계의 제조업체들이 운영자 효율성을 향상시킬수 있도록 한다.

로크웰의 PlantPAx DCS가 적용된 대표적인 사례로는 이자벨라 유전을 들 수 있다. 이곳은 크로아티아 아드리아해에 위치한 가스 추출 및 생산시설로, 이유전은 두 개의 해양 플랫폼인 이자벨라 사우스 및 이자벨라 노스와 크로아티아 풀라에 위치한 내륙의 중앙통제실(CCR)로구성돼 있다. 이 시설의 역할은 내륙의 처리공장과 해양 플랫폼을 연결하는 기존의 가스수송관을 이용해 가스를 처리하고 이를 이탈리아로 공급하는 것이다. 이 시설에서는 최근 IEC 61511 SIL3 규정에 따라 가용성과신뢰성을 극대화하는 사용자 친화적인 통합 제어 및 안전 시스템(ICSS)을 구축하고, Edison의 유지보수 서비스 경험을 활용하기 위해 두 해양 플랫폼에 원격 액세스가 가능한 내륙의 오퍼레이터스테이션에 PlantPAx 프로세스 제어 시스템을 구축했다. CCR에는 세 대의 오퍼레이터 워크스테이션과 이중화 및 HOT 백업을 위한 한 대의 엔지니어링워크스테이션이 있었는데, 안전 시스템은 HOT 백업을 지원하는 Trusted SIL 3, I/O 및 원격 통신 카드, 그리고 Ethernet 카드와 스위치로 구성됐다.

PlantPAx를 통해 이 시설은 무선 및 위성 링크와 연결된 비주얼라이제이션 및 관리 솔루션을 위한 기반을 마련했다는 설명이다. 이 새로운 시스템의 도입으로 엔드유저는 생산 용량은 유지하면서 유지보수 및 운영비용은 줄일 수 있게 됐으며, PlantPAx 시스템과 TMR의 편리성 덕분에 엔지니어링 및 시운전비용도 절약할 수 있게 됐다. 또한, ICSS 시스템은 성능손실 없이 매우 효율적으로 작동하고 있으며, 유지보수 업무와 운영비용도 크게 줄임으로써 엔드유저의 경쟁력을한층 강화할 수 있게 됐다는 설명이다.

정확하고 정밀한 질량 유량 측정기술 개발
벙커 오일은 유조선, 화물 및 벌크선, 바지선등 다양한 선박의 연료 탱크로 매일 운반된다. 탱크 게이징의 경우 부피량을 질량으로 변환하는 과정에서오차가 발생할 수 있으며, 스트링으로 인해 생성된 벙커 내 공기 함량을 측정하기도 쉽지 않다. 또한, 실제 측정량보다 팽창됐다가 줄어드는 ‘카푸치노 효과’와 같이, 벙커유는온도에 따라 부피가 달라지는 특성에 따른 오차로 인해 그동안 정확한 측정에 어려움이 있었다.

이처럼 벙커링 과정에서 일어나는 부정확한 측정은 아무리 작은 양이라도 금전적인 문제 및 시간 소모적인 다양한 분쟁을 야기할 수 있다. 이와 관련해 최근 엔드레스하우저는 벙커유의 운반 및 거래 과정을 높은 정확도로 측정할 수 있는 혁신적인 ‘벙커 측정 시스템’을 개발해 연료유의 공기 함량을 표기할 뿐만 아니라, 모니터링도 가능하도록 설계했다고 밝혔다.

엔드레스하우저가 개발한 벙커 측정 시스템은 코리올리 질량 유량 측정방식과 정확한 시스템 제어를 통해 다양한 분쟁을 예방함으로써 고객의돈과 시간을 모두 절약할 수 있도록 다방면에서 장점을 제공한다는 설명이다.
특히, 이 벙커 측정 시스템은 정확한 유량 측정을 통해 투명한 상거래를 가능하게 하고, 측정량과 관련해 발생될 수 있는 분쟁을 방지하도록 도와준다. 또, 선박 벙커링에서 코리올리 유량계는 다양한 데이터들을 동시에 측정하고 컨트롤 시스템을 통해 제어되므로 질량 유량, 연료량, 밀도, 압력, 온도 및 가스 인덱스를 실시간으로 모니터링할 수 있다는 이점도 있다. 엔드레스하우저 측은 이러한 상거래용 벙커링 시스템을 통해 투명한 저장연료 공급이 이뤄질 수 있을 뿐 아니라 정확한 측정으로 인해 신뢰성도높일 수 있다고 설명했다.

스마트 무선 기술 이용한 이상적 누출 감지 솔루션
트랜스미터 및 플로미터 등과 같은 필드 인스트루먼트에서부터 상위 레벨에서의 제어 시스템과 자산관리시스템 및 유지보수 서비스에 이르기까지토털 솔루션을 공급하고 있는 에머슨프로세스매니지먼트의 경우 오일&가스 분야에서의 오랜 경험을바탕으로 전 세계적으로 30% 이상의 시장 점유율을 차지하고 있는 등 이 시장에서 큰 활약상을 보이고있다.

최근 오일&가스산업 내 안정성과 생산성 향상에 대한 이슈가 더욱 높아지고 있는 가운데, 에머슨은 스마트 무선기술을 통해 이 같은 업계 요구에 적극적으로 대응하고 있다는 설명이다. 일례로, 벨기에 Geel에위치한 BP사의 화학생산센터에서는 안전성을 강화하기 위해 누출 감시 시스템의 일환으로 에머슨의 스마트무선기술을 적용하고 있다.

탄화수소 센서를 장착한 무선 트랜스미터 네트워크는 탱크, 밸브, 파이프라인의 지속적인 모니터링을 가능하게 한다. 이 무선 기술은시설 전역의 저장탱크, 밸브, 파이프라인을 지속적으로 모니터링하는탄화수소 센서로부터 정보를 수집하고, 누출시 운영자에게 공지될 수 있도록 제어 시스템에 정보를 전달해준다.

이 같은 자동 모니터링 시스템을 통해 BP사는 기존의 유선 기술과 비교해 훨씬 절감된 비용으로가연성 액체 저장 및 처리에 대한 최신 정부 규제를 준수할 수 있게 됐다며 만족감을 보이고 있다. 그동안 BP사는 폐기물, 배기가스, 배출물을감소하고, BP Geel과 같은 생산시설이 건강, 안전, 환경 성과에 대한 최고 기준을 충족할 수 있도록 보장하기 위해 최선을 다해 왔는데, 에머슨의 무선기술을 탄화수소 센서와 결합으로써 BP는 운영자의 시야를확장하고 기존의 누출 감지 관행을 개선해 현장 안전성을 강화할 수 있게 됐다는 설명이다.

에머슨의 솔루션을 적용한 BP 관계자는 “에머슨의무선기술과 탄화수소 센서의 결합은 생산시설이나 탱크 팜과 같은 대규모 현장에 있어 이상적인 누출 감지 솔루션을 제공한다”며, “사용자들이 이 기술을 활용할 때 공정뿐만 아니라, 안전성 강화 및 규제 준수를 포함한 사업적인 측면의 혜택 역시 얻을 수 있다”고밝혔다.

It terms

비전통 석유(Unconventional Oil)

·오일샌드(Oil Sands) : 원유를 함유한 모래 또는 사암으로, 아스팔트와 같은 중질유가 10% 이상 함유되어 점성이 높다. 이에 유통과 수송을 위한 고온처리와 정제시설이 채굴 인근지역에 필요하다.

·초중질유(ExtraHeavy Oil) : 타르와 같이 점성이 강한 원유로, 물보다 무거운 성질을 가지고 있고주로 발전용 연료로 사용된다. 오일샌드처럼 수송을 위한 정제시설이 필요하며, 캐나다, 베네수엘라, 중국, 미국 텍사스와 캘리포니아 지역에 매장돼 있다.

·셰일오일(Shale Oil)과 타이트 오일(Tight Oil) : 케로겐(Kerogen)이라는 원유성분을 함유하고 있는 퇴적암에서 추출된다. 타이트오일은 미국을 중심으로 개발이 본격화되고 있으나, 셰일오일은 채굴 후650~700℉의 고열처리 과정이 필요해 경제적·환경적 비용이 높다.

비전통 가스(UnconventionalGas)

·탄층메탄가스(CoalbedMethane) : 석탄층에 흡착돼 있는 메탄가스로, 수압파쇄법을 통해 쉽게 추출할 수있다.

·타이트 가스(TightGas)와 셰일가스(Shale Gas) : 타이트 가스는 경질 암반층인 사암층에 함유돼있으며, 셰일가스는 지하의 퇴적암층인 셰일층에 함유된 메탄가스로, 수압파쇄법을통해 개발이 가능하다.

·가스하이드레이트(GasHydrates) : 영구 동토나 심해저의 저온과 고압 상태에서 천연가스가 물과 결합해 생긴 고체 에너지원으로, 2013년 3월 일본의 JOGMNC(Japan Oil Gas and MetalsNational Cooperation)가 일본 본토에서 50km 떨어진 곳에서 시험굴착및 생산에 성공했다.

Check Point

에너지를 둘러싼 중동과 미국 간 주도권 싸움 양상

중동의 지정학적 리스크 우려가 지속되는 가운데 중동 이외 지역에서 비전통 자원개발 붐 확대의 움직임이 포착되고 있다. 중동의 이집트 유혈사태, 시리아 내전, 리비아파업 등 지정학적 리스크가 확대되면서 안정적인 석유공급에 대한 우려가 증가하고 있는 가운데, 북미에서비롯된 셰일가스 개발 붐이 유럽, 아프리카, 러시아 등지로확산되면서 향후 비전통 자원 생산량이 지속 증가할 것으로 전망되고 있다.

한편, 셰일가스의 대량생산에 성공한 미국은 셰일가스 개발 확산을 선도해 나가고있다. 미국에서 생산되는 천연가스 중 셰일가스의 비중이 크게 확대됐고,미국 내 가스가격도 사상 최저 수준으로 하락했다. 더욱이 미국의 에너지 대외의존도는 하락하고있으며, 전문가들은 2017년부터 미국은 에너지 수입국에서수출국으로 전환될 것으로 예상하고 있다.

셰일가스 개발로 인해 에너지 가격이 하향 안정화되자 미국의 제조업도 활기를 띠고 있는 모습이다. 발전비용과 온실가스 배출량 역시 감소했다. 이러한 미국의 ‘제조업 르네상스’를 목격하면서 세계 각국도 덩달아 셰일가스 매장지역에대한 탐사를 추진하기 시작했다. 셰일가스 세계 최대 매장국가인 중국은 개발에 필요한 기술을 확보하기위해 미국과의 협력을 강화하고 있고, 아르헨티나는 2012년부터적극적으로 다국적 에너지기업에 가스광구를 분양해 개발에 착수하고 있다. 유럽의 폴란드도 적극적으로 다국적에너지 개발회사를 유치해 셰일가스 개발에 나섰다.

이러한 천연가스 중심의 에너지믹스 전환은 점점 가속화될 것으로 전망된다. 미국의셰일가스 개발은 이미 천연가스산업의 개발, 시추, 유통 및소비에 관련된 전 가치사슬에 영향을 미치고 있어 셰일가스 산업의 전·후방 연관산업은 새로운 도전과 변화를맞을 것이라는 전망이다.

FA Journal 김 미 선 기자 (fa@infothe.com)

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