Part 21. 몇 시간 동안 공장을 돌릴 것인가 - Operating Philosophy

앞선 Part 20에서는 Design Capacity를 결정했습니다.

 

Beer to Zero Project의 목표 생산량은 하루 100톤입니다.

 

그러자 한 가지 질문이 남았습니다.

“그런데 이 공장은 하루에 몇 시간이나 운전합니까?”

 

처음 들으면 너무 단순한 질문처럼 보입니다.

 

“공장이니까 당연히 24시간 돌리는 것 아닌가?”

 

하지만 실제 플랜트 설계에서는 그렇지 않습니다.

 

공장이 24시간 운전한다고 해서 1년 365일, 하루 24시간 내내 생산하는 것은 아닙니다.

 

정기적인 유지보수가 필요하고, 설비 점검을 위해 공장을 멈춰야 할 수도 있습니다. 공정 특성에 따라 Startup과 Shutdown에 시간이 필요할 수도 있고, Batch 공정이라면 생산과 생산 사이에 세척이나 준비 시간이 필요할 수도 있습니다.

 

따라서 엔지니어가 설계를 시작할 때는 단순히 “하루에 100톤을 생산한다.”라고만 적어서는 부족합니다.

 

이제는 다음 질문에 답해야 합니다.

 

“이 공장은 어떤 방식으로, 얼마나 자주, 몇 시간 동안 운전하는가?”

 

이것을 정리하는 것이 바로 Operating Philosophy입니다.

 

 

1. Operating Philosophy란 무엇인가?

 

Operating Philosophy를 쉽게 표현하면 다음과 같습니다.

“이 플랜트를 실제로 어떻게 운전할 것인가에 대한 기본적인 운영 원칙”

 

입니다.

 

여기에는 단순히 운전시간만 포함되지 않습니다.

 

대표적으로 다음과 같은 내용이 포함될 수 있습니다.

 

• 연간 운전일 수
• 연간 운전시간
• 연속운전 또는 Batch 운전
• 정상 운전조건
• 최소 및 최대 운전조건
• Startup 방법
• Shutdown 방법
• 정기보수 계획
• 설비 고장 시 운전 방식
• 예비설비(Sparing) 적용
• Turn-down 운전
• 정상 운전과 비정상 운전의 구분
• 운전 인원 및 교대 형태
• Utility 공급 방식
• 공정 변경 및 Maintenance를 위한 정지 방식

 

즉, Operating Philosophy는 “설비를 어떻게 설계할 것인가”를 결정하기 전에 “사람이 이 설비를 어떻게 사용할 것인가”를 먼저 정의하는 작업이라고 볼 수 있습니다.

 

실제로 플랜트 설계에서는 정상 운전뿐만 아니라 Startup, Shutdown, Process Upset과 같은 다양한 운전상태를 고려해야 하며, 설비의 유지보수 전략과 예비설비 구성 역시 설계 초기 단계에서 결정할 필요가 있습니다.

 

 

2. 1년은 8,760시간이다

 

가장 먼저 숫자를 하나 보겠습니다.

 

1년은 일반적으로

 

$$ \text {Annual Calendar Hours} = 365 \times 24 = 8 {,}760\ \text {hr/year} $$

 

입니다.

 

그러면 Beer to Zero Project의 공장이 하루 100톤을 생산한다고 가정했을 때,

 

365일 × 100 ton/day

 

이므로 이론적으로는

 

\(36,500  ton/year\)

 

를 생산할 수 있습니다.

 

그런데 실제 플랜트에서 이 숫자를 그대로 생산계획으로 사용하면 문제가 생깁니다.

 

공장은 쉬지 않고 계속 운전할 수 없기 때문입니다.

 

예를 들어 연간 330일 운전한다고 가정하면,

 

\(330 ×100=33,000  ton/year\)

 

이 됩니다. 연간 운전시간으로 표현하면

 

\(330 ×24=7,920  hr/year\)

 

입니다. 즉, 8,760시간이 아니라 7,920시간을 기준으로 생산계획을 세우는 것입니다.

 

여기서부터 Design Capacity와 Annual Production Capacity의 차이가 발생합니다.

 

 

3. Design Capacity와 Annual Production은 다르다

 

이 부분은 플랜트 설계에서 상당히 중요합니다.

 

앞서 결정한 Design Capacity가 100 ton/day라고 해보겠습니다.

 

이것은 설비가 정상적인 설계조건에서 하루 100톤을 생산할 수 있다는 의미입니다.

 

하지만 연간 생산량은 운전시간에 따라 달라집니다.

 

예를 들어,

 

구분	운전일수	연간 운전시간	이론적 생산량
365일 운전	365 day	8,760 hr	36,500 ton/year
350일 운전	350 day	8,400 hr	35,000 ton/year
330일 운전	330 day	7,920 hr	33,000 ton/year
300일 운전	300 day	7,200 hr	30,000 ton/year

 

여기서 중요한 것은 “100 ton/day”라는 Design Capacity가 변한 것이 아니라는 점입니다.

 

공장이 낼 수 있는 순간적인 생산능력은 그대로 100 ton/day입니다.

 

다만 1년 동안 실제로 생산할 수 있는 시간에 차이가 발생하는 것입니다.

 

실제 산업 플랜트에서도 이론적인 최대 운전시간과 실제 운전시간은 구분됩니다. 예를 들어 영국 HSE의 한 공정시설 자료에서도 24시간 365일 운전을 기본으로 하면서 연간 정기 Shutdown 및 유지보수 기간을 별도로 두고 실제 운전시간을 관리하는 사례를 확인할 수 있습니다.

 

 

4. 그렇다면 왜 365일 운전하지 않을까?

 

이유는 간단합니다.

 

공장도 정비가 필요하기 때문입니다.

 

펌프도 점검해야 하고, Compressor도 정비해야 합니다.

 

Filter를 교체해야 할 수도 있고, Vessel 내부 Inspection이 필요할 수도 있습니다.

 

Heat Exchanger를 세척해야 할 수도 있습니다.

 

Valve와 Instrument의 점검도 필요합니다.

 

특히 화학 및 가스 플랜트에서는 일부 정비작업을 수행하기 위해 설비를 완전히 Isolation 하거나 공정 전체를 Shutdown 해야 하는 경우가 있습니다.

 

따라서 설계 단계부터

“이 공장은 언제 멈출 것인가?”

 

를 생각해야 합니다. 그리고 이 질문은 다시

“공장을 멈추지 않고 정비할 수 있는가?”

 

라는 질문으로 이어집니다.

 

 

5. 그래서 예비설비가 필요하다

 

Operating Philosophy는 Equipment Sparing과도 연결됩니다.

 

예를 들어 Beer to Zero Project에 펌프가 한 대 있다고 생각해 보겠습니다.

 

하루 100톤의 생산을 위해 반드시 필요한 펌프입니다.

 

그런데 이 펌프를 정비하려면 공장을 멈춰야 한다면 어떻게 될까요?

 

정비를 하는 동안 생산이 불가능합니다.

 

그래서 설계자는 다음과 같은 구성을 검토할 수 있습니다.

 

1 Operating + 1 Standby

 

즉,

 

• Pump A : 정상 운전
• Pump B : Standby

구성입니다.

 

Pump A에 문제가 생기면 Pump B를 투입할 수 있습니다.

 

이렇게 하면 단일 설비의 고장이 전체 생산 중단으로 이어지는 것을 줄일 수 있습니다.

 

물론 모든 설비를 무조건 100% 예비로 구성하는 것은 아닙니다.

 

설비의 중요도, 고장 영향, 안전성, 비용, 유지보수 전략 등을 종합적으로 검토해야 합니다.

 

HSE 역시 Utility와 같은 중요한 시스템에 대해서는 위험평가를 기반으로 적절한 Redundancy를 확보하여 필요한 공급 신뢰성과 Availability를 유지하도록 설계할 것을 설명하고 있습니다.

 

결국 Operating Philosophy는 “얼마나 오래 운전할 것인가” 뿐만 아니라 “운전 중 문제가 발생했을 때 어떻게 계속 운전할 것인가”까지 연결됩니다.

 

 

6. 공장은 항상 100%로 운전하지 않는다

 

또 하나 중요한 개념이 있습니다.

 

바로 Turn-down입니다.

 

예를 들어 설계 생산능력이 100 ton/day라고 해서 항상 100 ton/day를 생산하는 것은 아닙니다.

 

고객의 수요가 감소할 수도 있고, 원료 공급량이 감소할 수도 있습니다. 또는 일부 설비의 정비나 공정조건 변화로 생산량을 줄여야 할 수도 있습니다.

 

따라서 설계 단계에서 Maximum Capacity = 100 ton/day뿐만 아니라 Normal Operating Capacity와 Minimum Operating Capacity도 함께 검토해야 합니다.

 

예를 들어,

 

• Maximum : 100 ton/day
• Normal : 80 ton/day
• Minimum : 40 ton/day

와 같이 운전범위를 정의할 수 있습니다.

 

그렇다면 설비는 100 ton/day에서만 안정적으로 운전되는 것이 아니라 40~100 ton/day 범위에서도 공정이 안정적으로 유지될 수 있어야 합니다.

 

이것이 바로 Operability의 문제입니다.

 

플랜트 설계에서는 설비가 단순히 최대 용량을 만족하는 것만으로 충분하지 않습니다. 정상운전, 비정상운전, 유지보수 등 다양한 운전조건에서 안전하고 효과적으로 운전할 수 있도록 설계하는 것이 중요합니다.

 

 

7. Startup과 Shutdown도 공장의 일부다

 

엔지니어링을 처음 접하면 공장이

 

STOP → RUN → STOP

 

으로 단순하게 움직인다고 생각하기 쉽습니다.

 

하지만 실제로는 그렇지 않습니다. 공정은 보통 다음과 같은 단계를 거칩니다.

 

1. Shutdown 상태
2. Preparation
3. Utility 공급
4. Purge / Inerting
5. Equipment Start-up
6. Process Start-up
7. Normal Operation
8. Process Shutdown
9. Purge / Isolation
10. Maintenance 또는 Standby

특히 화학물질이나 가연성·독성 물질을 사용하는 플랜트에서는 Startup과 Shutdown이 정상운전과 다른 위험을 가질 수 있습니다.

 

예를 들어 설비 내부의 산소를 제거하기 위한 Purging이 필요한 경우도 있고, 압력과 온도를 단계적으로 변화시켜야 하는 경우도 있습니다.

 

HSE 역시 Startup과 Shutdown 단계에서 별도의 위험이 발생할 수 있기 때문에 이를 고려한 구체적인 절차가 필요하다고 설명합니다.

 

따라서 Operating Philosophy에서 Startup과 Shutdown을 정의하는 것은 단순한 운영 매뉴얼 작성이 아닙니다.

 

설비의 크기와 배관, Valve, Instrument, Control Logic까지 영향을 미치는 설계조건입니다.

 

 

8. 예를 들어 24시간 연속운전 플랜트라면

 

Beer to Zero Project의 공장이 하루 100톤을 생산하는 연속공정이라고 가정해 보겠습니다.

 

Client가 다음과 같이 요구했다고 해보겠습니다.

“연간 330일 운전하고 싶습니다.”

 

그러면 설계팀은 단순히 100 ton/day × 330 day/year만 계산하지 않습니다.

 

다음과 같은 질문이 이어집니다.

 

생산

• 100 ton/day가 정상 생산량인가?
• Maximum Capacity는 얼마인가?
• Minimum Stable Operating Rate는 얼마인가?
• 연간 생산량 목표는 얼마인가?

 

운전

• 24시간 연속운전인가?
• 3교대인가?
• Batch 운전인가?
• Startup에 몇 시간이 필요한가?
• Shutdown에 몇 시간이 필요한가?

 

정비

• 연간 Planned Shutdown은 몇일인가?
• 설비별 정비주기는 어떻게 되는가?
• 운전 중 정비가 가능한가?
• 전체 Plant Shutdown이 필요한 작업은 무엇인가?

 

신뢰성

• 어떤 설비가 Critical Equipment인가?
• Pump는 Standby가 필요한가?
• Compressor는 몇 대를 설치할 것인가?
• Utility 공급이 중단되면 공정은 어떻게 되는가?

 

안전

• 비상정지 시 어떤 순서로 공정을 정지할 것인가?
• 정전 시 공정은 안전하게 Shutdown 되는가?
• Nitrogen이 필요한가?
• 재기동 전에 어떤 조건을 확인해야 하는가?

이 질문들이 모여서 하나의 Operating Philosophy가 됩니다.

 

 

9. Operating Philosophy가 설계에 미치는 영향

 

여기서부터 Operating Philosophy의 진짜 의미가 나타납니다.

 

운전방식을 정하면 설계가 바뀝니다.

 

예를 들어 24시간 연속운전 + 연간 330일 운전이라는 조건이라면 설계자는 높은 Availability를 고려해야 합니다.

 

그러면 자연스럽게

 

• Equipment Sparing
• Maintenance Strategy
• Utility Reliability
• Control System
• Instrumentation
• Storage Capacity
• Buffer Tank
• Shutdown Philosophy

등을 검토하게 됩니다.

 

반대로 Batch Plant라면 이야기가 달라집니다.

 

Batch 간에 Cleaning과 Preparation이 필요할 수 있기 때문에 실제 생산시간은 하루 24시간보다 짧아질 수 있습니다.

 

따라서 같은 100 ton/day라는 목표라도

 

Continuous Plant와 Batch Plant의 설계 결과는 완전히 달라질 수 있습니다.

 

결국 Design Capacity는 혼자 존재하는 값이 아닙니다.

 

Feed Condition → Product Condition → Design Capacity → Operating Philosophy가 서로 연결되어 있습니다.

 

 

10. “100톤/일”보다 중요한 질문

 

여기서 중요한 질문 하나를 다시 해보겠습니다.

 

Client가 이렇게 말했다고 가정해 보겠습니다.

“하루 100톤 생산하는 공장을 만들어 주세요.”

 

엔지니어라면 바로 설계를 시작하면 안 됩니다. 다음 질문을 해야 합니다.

“하루 100톤이라는 것이 Maximum Capacity입니까, Normal Capacity입니까?”

 

그리고 이어서 물어봐야 합니다.

“연간 며칠 운전합니까?”

“24시간 연속운전입니까?”

“정기보수는 언제 합니까?”

“생산량을 줄여서 운전할 수 있어야 합니까?”

“설비 하나가 고장 나도 생산을 계속해야 합니까?”

“공장을 재가동하는 데 얼마나 시간이 필요합니까?”

 

이 질문에 대한 답이 없으면 설계조건 역시 완성되지 않은 것입니다.

 

 

11. Operating Philosophy는 결국 ‘공장의 사용법’을 정하는 것이다

 

지금까지 살펴보면 Operating Philosophy는 굉장히 넓은 개념이라는 것을 알 수 있습니다.

 

처음에는 단순히 “공장을 몇 시간 돌릴 것인가?”라는 질문에서 시작했습니다.

 

하지만 실제로는 “공장을 어떤 방식으로 운전하고, 언제 멈추며, 문제가 발생했을 때 어떻게 대응하고, 유지보수를 어떻게 수행할 것인가?”를 결정하는 작업입니다.

 

그리고 이 결정은 이후의 수많은 설계 문서로 연결됩니다.

 

1. Operating Philosophy
2. Process Design
3. Equipment Sizing
4. Equipment Sparing
5. P&ID
6. Control Philosophy
7. Interlock / ESD
8. Utility Design
9. Maintenance Strategy
10. Operating Procedure

 

즉, Operating Philosophy는 단순한 운영 문서가 아니라 플랜트 설계의 중요한 입력조건(Input)입니다.

 

HSE 역시 설계 단계에서 정상운전과 대체 운전모드, 설비 예비율, 유지보수 전략 등을 미리 정의하고 문서화하는 것이 중요하다고 설명하고 있습니다.

 

 

12. Beer to Zero Project의 공장은 몇 시간 운전할 것인가?

 

다시 우리의 Beer to Zero Project로 돌아가겠습니다.

 

지금까지 결정된 조건은 다음과 같습니다.

 

Design Capacity

100 ton/day

 

이제 여기에 Operating Philosophy를 추가합니다. 예를 들어 다음과 같이 가정할 수 있습니다.

Continuous Operation
24 hr/day
330 operating days/year
7,920 operating hr/year

 

그러면 이 공장의 이론적인 연간 생산량은

 

\(100 ×330=33,000  ton/year\)

 

가 됩니다.

 

하지만 이것 역시 아직 최종 생산량이라고 단정할 수는 없습니다.

 

실제 생산량에는 추가적으로

 

• Startup Loss
• Shutdown Loss
• Process Upset
• Equipment Failure
• Quality Rejection
• Raw Material Shortage
• Utility Interruption

등이 영향을 줄 수 있기 때문입니다.

 

따라서 실제 사업성 검토에서는 단순한 Design Capacity뿐만 아니라 Availability와 실제 생산량의 관계까지 검토해야 합니다.

 

공장 설계의 목적은 단순히 “최대 생산량이 가장 큰 설비”를 만드는 것이 아닙니다.

 

필요한 생산량을 안전하고 안정적으로 지속 생산할 수 있는 공장을 만드는 것입니다.

 

 

공장은 설계한 만큼만 생산하는 것이 아니다

 

Part 20에서는 질문이 이것이었습니다.

“하루에 얼마나 만들 것인가?”

 

그래서 Design Capacity를 결정했습니다.

 

이번 Part 21에서는 질문이 달라졌습니다.

“그 공장을 1년 동안 얼마나 오래 운전할 것인가?”

 

이 질문에 답하기 위해 Operating Philosophy를 정의했습니다.

 

100 ton/day라는 숫자만 가지고는 아직 공장의 모습을 완전히 결정할 수 없습니다.

 

24시간 운전할 것인지, Batch로 운전할 것인지, 연간 며칠 운전할 것인지, 정기보수를 언제 할 것인지, 설비 하나가 고장 나면 공장을 멈출 것인지, 생산량을 어디까지 줄일 수 있어야 하는지, Start-up과 Shutdown을 어떻게 수행할 것인지. 이 모든 것이 결국 하나의 설계조건이 됩니다.

 

그리고 엔지니어링에서 중요한 것은 설비의 크기를 계산하는 것만이 아닙니다.

 

그 설비가 실제 공장에서 어떻게 사용될 것인지 먼저 정의하는 것도 엔지니어의 중요한 역할입니다.

 

Beer to Zero Project의 공장은 이제 무엇을 넣을지(Feed), 무엇을 만들지(Product), 얼마나 만들지(Capacity), 얼마나 오래 운전할지(Operating Philosophy)까지 결정했습니다.

 

이제 다음 질문이 남습니다.

 

“그렇다면 공장은 정상적으로 운전되고 있을 때 어떤 조건을 유지해야 하는가?”

 

다음 Part에서는 이 질문에서 출발해 Normal Operating Condition과 Design Condition을 살펴보겠습니다.