Syngas 제조 공정의 조업자 훈련 시스템 개발

이수진, 문 일

연세대학교 화학공학과

A Development of Operator Training System

for Syngas Manufacturing Process

Sujin Lee and Il Moon

Department of Chemical Engineering, Yonsei University

서론

화학공정에서는 조업의 안정성 뿐만 아니라 운영의 효율성, 환경 문제등 여러 가지 복잡한 요인들이 공정을 운영하는 주요 변수로써 작용한다. 더구나 화학공장의 자동화율이 높아짐에 따라서 조업자는 DCS(Distributed Control System)와 같이 실제 공정과 분리된 상황에서 조업을 하는 경우가 많아지면서 조업자의 조작 실수 하나가 화재·폭발·누출의 대형사고로 이어질 수 있다. 즉 조업자의 조업 능력과 위험 상황에 대한 대처 능력이 화학공정 운전에 있어서 매우 중요한 부분을 차지하게 되었다.[1]

본 연구에서는 조업자의 조업 능력 향상을 통해 Syngas 제조 공정의 안전과 생산 효율을 높일 수 있는 조업자 훈련 시스템을 개발하였다. 이 공정은 Naphtha를 원료로 하여 desulfurization, steam reforming, autothermal reforming의 과정을 거쳐 합성 가스(synthesis gas, [eqn: rm CO_2 + H_2])를 생산하도록 설계되어 있다.

조업자 교육 시스템(Operator Training System)

1. 정의

OTS란 실제 공정과 유사한 훈련 환경을 제공하는 컴퓨터에 기반한 도구이다. 실제적인 DCS 사용자 인터페이스를 갖추고 조업자에게 풍부한 훈련의 기회를 제공한다.

2. 장점

OTS는 조업자에게 실제 DCS와 같은 조작환경을 제공하며, 실제 공정과 달리 속도조절이 가능하므로 반복 훈련 및 중요도에 따른 선택 훈련이 가능하며, 실제 공정에서 불가능한 위기 상황 대처 훈련을 위험 없이 실시할 수 있다. 또한 실제 공정 기반 훈련 보다 비용이 싸며, 하드웨어의 요구량도 상대적으로 작다.[3,4]

시스템의 환경 및 구성

OTS의 시스템 구성은 DCS기반, 네트워크로 연결된 워크스테이션/PC 기반, 단일 워크스테이션 기반, 단일 PC 기반 등 여러 가지가 있다[2]. 본 연구에서 개발한 OTS는 워크스테이션/PC기반의 시스템으로 조업자 PC, 교육자 PC, Solver 및 OM(OTS Manager)의 기능을 담당하는 Workstation으로 구성되어 있으며 개괄도는 그림 1과 같다. 표 1은 현재 OTS 각 부분의 개발 환경을 보여준다.

그림 . 조업자 시스템의 네트웍 구조

표 . Syngas 제조 공정 OTS 개발 환경

	사용자 모듈	OM 모듈	Solver 모듈
Operating System	Win95	UNIX	UNIX
Developing Tool	Borland Delphi 3 Graphic S/W	c/c++	c/c++ gPROMS

Syngas 제조 공정 조업자 훈련 시스템의 경우 3개의 주요 모듈(Solver 모듈, 사용자 인터페이스 모듈, OM모듈)로 구성되어 있다.

1. Solver 모듈

OTS는 연속변수는 물론이고 Startup, Shutdown 등과 같은 많은 이산 변수를 포함한 다양한 상황을 다룰 수 있어야 하며, 실시간 모사가 가능하도록 해를 구하는 속도 또한 빨라야 한다. 이를 위하여 본 연구에서는 워크스테이션에서 구동되는 영국 임페리얼 칼리지에서 개발한 gPROMS(General PROcess Modeling and Simulation)라는 동적 모사기를 사용한다. gPROMS는 정의언어(Definition Language) 기술 방식의 동적 모사기로 해의 수렴속도가 빠르고, 공정의 기술이 용이하며, 다양한 이산사건을 처리할 수 있는 장점이 있다.

2. OM 모듈

OTS의 핵심 부분으로써 교육자에게 전체 공정을 실행, 중단, 조작할 수 있도록 해주며, 사용자 인터페이스와 Solver간의 데이터 전송 기능을 워크스테이션에서 수행한다. OM과 Solver간의 데이터 전송은 gPROMS에서 제공하는 gFPI함수와 공유메모리를 이용하였으며, OM과 사용자 인터페이스 사이에는 양방향 통신 기능이 있는 소켓(socket)를 이용하였다.

3. 사용자(조업자, 교육자) 인터페이스 모듈

DCS와 유사한 환경을 제공해 주는 부분이다. 본 시스템에서는 PC 윈도우 기반 화면에서 DCS와 유사한 GUI(Graphic User Interface)를 제공한다. 특히 교육자 인터페이스 모듈에서는 문제 제시, 훈련상황 통제, 훈련상황 관리등의 기능도 제공한다.[1]

Syngas 제조 공정에의 적용

Syngas는 수소와 일산화탄소의 혼합물이며, 이는 주로 암모니아 합성, 메탄올 합성, 초산 합성 등의 원료로 사용되며, 수소는 원유 탈황, 카프로락탐, 연료 전지 등에 사용된다. 여기에서 사용된 공정은 열교환기형 개질기에 의한 합성가스 제조공정으로 그림 2에서 보는 바와 같이 단열 전환기(adiabatic proconverter), 열교환기형 개질기(heat exchanger type reformer), 자열 개질기(auto-thermal reformer), 생산가스 냉각부로 구성되어 있다.

그림 . Syngas 제조 공정의 개질기 부분

현재 개발된 조업자 훈련 시스템은 Syngas 제조공정 중 가장 중요한 부분인 개질 반응 부분이다. 이 부분은 2개의 반응기(primary reformer, secondary reformer)로 이루어져 있으며, 주요 반응은 다음과 같다.

ⅰ) Primary reformer

[eqn: rm CH_4 + H_2 O ~~<-> ~~CO + 3H_2 ~~~~~~~~~~ DELTA H = 49.2 kcal]

[eqn: rm CO + H_2 O ~~ <-> ~~ CO_2 + H_2 ~~~~~~~~~~ DELTA H = -9.8 kcal /mol]

ⅱ) Secondary reformer

[eqn: rm H_2 + 1/2 O_2 ~~ ->~~ 2H_2 O ~~~~~~~~~~ DELTA H = -58.8kcal /mol]

[eqn: rm CH_4 + H_2 O ~~ <-> ~~ CO + 3H_2 ~~~~~~~~~~ DELTA H = 49.2 kcal /mol]

[eqn: rm CO + H_2 O~~ <-> ~~CO_2 + H_2 ~~~~~~~~~~DELTA H = -9.8kcal /mol]

Primary reformer에서는 스팀 개질 반응이 일어나는데, 이때  정상 운전시 steam/carbon 비를 최소한 2.5∼3정도로 유지하여야 하며, secondary reformer에서는 조업 온도가 960∼980℃가 될 정도의 산화 반응이 일어나므로 조업하는데 있어서 매우 유의해야 할 부분으로 조업자 훈련이 중요시되는 부분이다.

표 . 개질부의 Start up 순서

Start up 순서	주의점
1. N2 공급 2. Start-up 버너 점화 3. N2 공급 중단, Steam/H2 공급 4. Naphtha 공급 5. Start-up 버너 정지 6. O2 공급 ..........	· 시간당 50℃씩 승온 · steam/H2비를 10이하로 할 것 · 정상 운전치의 30% · Secondary reformary 상부의 온도가 10분안에 250℃이상 승온되지 않으면 비상 정지

표 2는 개질부분의 운전 개시 순서(start up)이다. 여기서 유의해야 할 부분은 steam/H2비가 10이하로 유지되어야 하는 것과 start-up 버너를 이용한 primary reformer의 온도 조절이다. steam/carbon비가 10이상이 되면 촉매가 산화되어 steam/H2 비가 3이하의 상태로 재환원시켜야 한다. 반응기의 온도의 경우에는 500℃가 넘을 경우 carbon coking이 발생하게 된다. 그림 3은 Syngas 제조 공정 OTS의 개질부 운전 개시 조업 화면이다.

그림 . Syngas 제조 공정용 조업자

훈련 시스템 실행 화면

결 론

본 연구에서는 Syngas 제조 공정에 대하여 조업자 훈련 시스템을 개발하였다. Syngas 제조 공정은 복잡하지는 않지만 조업 조건이 대부분 고온·고압이기 때문에 조업에 어려움이 많고, 공정에 이상이 생겼을 경우 조업자의 효율적인 대처가 중요하다. 또한 반응의 대부분에 사용되는 촉매가 반응기 안에서의 반응물의 조성이나 온도에 민감하므로, 조업자의 조업 능력이 제품의 수율이나 순도에 큰 영향을 줄 수 있다. 이러한 공정의 경우 조업자의 훈련이 공정의 안전 운전 측면이나 효율면에서 매우 중요하므로, OTS를 사용하여 조업자에게 실제 공정에서 직접 훈련하는 것과 같은 환경을 제공함으로써 효과적인 교육을 할 수 있다.

참고 문헌

1. Seongil Cho, Seonyong Park and Il Moon, " Development of an Operator Training System for Batch Chemical Processes," AIChE Annual Meeting/Chicago, Nov. 10-15, 1996.

2. Byoungmu Chang and Il Moon, "A Development of Operator Training System for Ammonia Manfacturing Process," China-Korea Joint Workshop on PSE, pp. 28-32, 1997.

3. 박선용, 문일, □회분반응 공정의 조업자 교육 시스템 개발,□ 한국자동제어학술회의, pp. 1141-1144, 1995.

4. 조성일, 장병무, 문일, □조업자 훈련을 위한 분산 교육시스템 구축,□ 한국자동제어학술회의, pp. 1424-1427, 1996.