Part 41. 공장에 필요한 유틸리티는 얼마나 되는가 - Utility Balance

1. 장비를 설계했다고 공장이 완성되는 것은 아니다

 

무알콜 맥주 생산 공장의 주요 장비가 하나씩 완성되기 시작했습니다.

 

맥주에서 알코올을 분리하는 장치가 결정됐고, 증기를 회수하기 위한 응축기를 설계했습니다. 액체를 이송할 펌프와 제품을 저장할 탱크도 선정했습니다. 진공 시스템과 CIP(Clean-in-Place) 시스템까지 설계 범위에 포함됐습니다.

 

이제 각 장비를 연결하면 공장을 가동할 수 있을까요? 아직 아닙니다.

 

응축기는 냉각 에너지가 필요하고, 증발 공정은 열을 공급받아야 합니다. 펌프와 압축기는 전력을 소비하며, 자동제어 밸브는 압축공기를 필요로 할 수 있습니다. 탱크 내부를 질소로 치환하거나 제품의 산화를 억제해야 한다면 질소 공급 시스템도 검토해야 합니다.

 

CIP 시스템 역시 세척수와 온수, 경우에 따라 스팀과 전력을 소비합니다.

 

결국 공장의 모든 장비는 각자의 공정 기능뿐만 아니라 외부에서 공급받아야 하는 에너지와 유체에 의존합니다.

 

이때 엔지니어가 답해야 하는 질문은 다음과 같습니다.

 

• 공장 전체에서 스팀은 시간당 몇 kg이 필요한가?

• 냉각수와 냉동수는 각각 얼마나 공급해야 하는가?

• 펌프와 압축기를 동시에 운전할 때 전력은 얼마나 필요한가?

• 압축공기와 질소의 최대 소비량은 얼마인가?

• 기존 유틸리티 설비로 감당할 수 있는가, 아니면 신규 설비가 필요한가?

이 질문에 답하기 위해 작성하는 문서가 바로 Utility Balance(유틸리티 수지)입니다. 입니다.

 

공정별 유틸리티 수요를 정리하고, 이를 공급 시스템과 연결해 전체 플랜트의 부하를 파악하는 것이 Utility Balance의 기본 목적입니다. 유틸리티 시스템은 스팀, 전력, 냉각, 압축공기 및 각종 용수 공급을 통합적으로 검토해야 합니다.

 

 

2. Utility Balance란 무엇인가?

 

Utility Balance는 공장에 설치된 개별 장비가 소비하는 유틸리티를 집계하고, 이를 바탕으로 필요한 공급 용량과 운영 조건을 결정하는 엔지니어링 계산입니다.

 

앞선 Part 31에서 다룬 Material Balance가 원료와 제품, 부산물의 질량 흐름을 계산하는 작업이었다면, Part 32의 Energy Balance는 공정에 필요한 열과 에너지의 흐름을 계산하는 작업입니다.

 

Utility Balance는 여기서 한 단계 더 나아갑니다.

 

계산된 에너지 부하와 각 장비의 운전 조건을 바탕으로 실제 공장에 어떤 유틸리티를 얼마나 공급해야 하는지 정리합니다.

 

예를 들어 증발 공정에서 시간당 500 kW의 열부하가 계산됐다면, 이 열을 공급하는 수단이 스팀인지, 열 매 체인지에 따라 필요한 공급량과 설비 구성이 달라집니다. 냉각 부하가 계산됐더라도 냉각수로 충분한지, 별도의 냉동기가 필요한지는 요구 온도에 따라 달라집니다.

 

즉, Energy Balance가 공정의 에너지 요구량을 계산한다면 Utility Balance는 그 요구량을 실제 공급 설비의 용량과 운영 조건으로 연결하는 역할을 합니다.

 

실제 설계에서는 두 계산이 서로 연결되며, 장비 사양과 공정 조건이 변경되면 유틸리티 수요도 다시 검토해야 합니다.

 

2-1. 무알콜 맥주 공장에는 어떤 유틸리티가 필요한가?

Steam — 스팀 : 가열 및 열 공급

 

증류·증발 공정의 가열, 온수 제조, CIP 세척액 가열 등에 사용합니다. 실제 적용 여부와 압력 등급은 장비별 요구 조건에 따라 결정합니다.

 

Cooling Water — 냉각수 : 열 제거

 

응축기와 열교환기에서 발생하는 열을 제거합니다. 냉각탑을 이용하는 순환식 시스템이라면 보충수와 블로다운도 함께 검토합니다.

 

 

Chilled Water / Refrigeration — 냉동 시스템 : 저온 냉각

 

일반 냉각수로 확보하기 어려운 낮은 온도가 필요할 때 사용합니다. 냉동기의 냉각능력과 전력 소비를 함께 계산해야 합니다.

 

 

Electricity — 전력 : 동력 및 제어

 

펌프, 압축기, 냉동기, 교반기, 계측기 및 제어 시스템 등에 공급합니다.

 

 

Compressed Air — 압축공기 : 계장 및 공압 구동

 

공압식 제어 밸브와 일부 자동화 장비에 사용합니다. 계장용 공기와 일반 공장용 공기는 요구되는 청정도와 건조도에 따라 구분할 수 있습니다.

 

 

Nitrogen — 질소 : 퍼지 및 불활성화

 

탱크 헤드스페이스 치환이나 특정 공정의 퍼지 등에 사용할 수 있습니다. 실제 필요량은 운전 절차와 산소 관리 기준에 따라 산정합니다.

 

 

 

이 밖에도 공정수(Process Water), 정제수(Demineralized Water), 보일러 급수(Boiler Feedwater), 연료가스, 진공 및 폐수처리 시스템 등이 설계 범위에 포함될 수 있습니다.

 

다만 모든 공장이 위 유틸리티를 독립적으로 보유하는 것은 아닙니다. 기존 산업단지에서 일부 유틸리티를 공급받거나, 여러 시스템을 통합해 운영할 수도 있습니다. 따라서 유틸리티 목록은 공정 요구사항과 프로젝트 경계(Scope of Supply)를 기준으로 확정해야 합니다.

 

 

3. Utility Balance의 시작은 장비별 소비량을 파악하는 것이다

 

공장 전체의 유틸리티 수요를 계산하려면 먼저 각 장비가 어떤 유틸리티를 얼마나 소비하는지 알아야 합니다.

 

이 과정에서 가장 중요한 자료는 앞서 작성한 PFD(Process Flow Diagram), P&ID(Piping and Instrumentation Diagram), Equipment List, 장비 데이터시트 및 Energy Balance입니다.

 

예를 들어 응축기의 데이터시트에는 열부하와 냉각 유체의 조건이 포함되어야 합니다. 펌프 데이터시트에는 모터 정격출력과 운전 조건이 필요하고, CIP 장비에는 세척액의 가열 조건과 세척 사이클별 유량이 필요합니다.

 

이러한 정보를 모아 장비별 유틸리티 소비량을 표로 정리합니다.

 

 

Equipment	Utility	소비량 산정 기준
Evaporator	Steam	열부하 및 스팀 엔탈피
Condenser	Cooling Water	제거 열량 및 냉각수 온도 상승
Chiller	Electricity	냉동능력 및 COP
Transfer Pump	Electricity	유량, 양정 및 효율
CIP System	Water / Steam / Electricity	세척 유량, 온도, 운전 시간
Pneumatic Valve	Instrument Air	제조사 소비량 및 작동 빈도
Storage Tank	Nitrogen	퍼지 조건 및 블랭킷 운전 조건

 

여기서 주의할 점은 장비의 정격 용량과 실제 유틸리티 소비량은 서로 다를 수 있다는 것입니다.

 

예를 들어 15 kW 모터가 설치됐다고 해서 항상 15 kW의 전력을 소비하는 것은 아닙니다. 실제 소비전력은 부하와 운전 상태에 따라 달라집니다. 반대로 정격전력만 보고 전력 설비를 선정하면 기동전류, 동시 운전 및 향후 부하 증가를 충분히 반영하지 못할 수 있습니다.

 

따라서 설계자는 정격값, 정상 운전값, 최대 운전값을 구분해 기록해야 합니다.

 

 

4. 스팀 사용량은 어떻게 계산하는가?

 

무알콜 맥주 생산 공정에서 열을 공급해야 하는 장비를 생각해 보겠습니다.

 

증발기에서 제품을 가열하거나 CIP 탱크에서 세척액을 가열하려면 일정한 열량이 필요합니다. 스팀 사용량은 해당 열부하와 스팀이 응축하면서 실제로 전달할 수 있는 열량을 이용해 계산할 수 있습니다.

 

4-1. 스팀 소비량 계산 공식

스팀이 응축하면서 방출하는 유효 열량을 이용하면 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

 

스팀 소비량 계산식

 

\[ \dot {m}_{steam} = \frac {Q}{h_{steam}-h_{condensate}} \]

 

\(\dot {m}_{steam}\): 스팀 소비량 (kg/s)

 

• \(Q\): 필요한 열부하 (kW = kJ/s)
• \(h_{steam}\): 공급 스팀의 비엔탈피 (kJ/kg)
• \(h_{condensate}\): 응축수의 비엔탈피 (kJ/kg)

이 식은 정상상태에서 스팀이 응축하고, 스팀과 응축수의 엔탈피 차이만큼 열을 전달한다고 가정한 기본 계산식입니다. 실제 계산에서는 스팀 압력과 건도, 과열 여부, 응축수 배출 조건 및 열손실을 확인해야 합니다.

 

4-2. 계산 예제: 300 kW 열부하를 공급하는 스팀

어떤 열교환기의 요구 열부하가 300 kW라고 가정하겠습니다.

 

계산을 단순화하기 위해 공급 스팀과 응축수 사이의 유효 엔탈피 차이를 2,100 kJ/kg으로 가정합니다.

 

스팀 소비량

 

\[ \dot {m}_{steam} = \frac{300\ \mathrm{kJ/s}} {2100\ \mathrm{kJ/kg}} \]

 

\[ \dot {m}_{steam} = 0.1429\ \mathrm{kg/s} \]

 

\[ \dot{m}_{steam} = 0.1429 \times 3600 = 514.3\ \mathrm {kg/h} \]

 

따라서 이 예제의 이론적인 스팀 소비량은 약 514 kg/h입니다.

 

단, 2,100 kJ/kg은 계산 예제를 위한 가정값이며 특정 압력의 스팀에 적용되는 고정값은 아닙니다. 실제 설계에서는 해당 압력과 상태에 맞는 스팀 및 응축수 엔탈피를 증기표에서 확인해야 합니다.

 

또한 열교환기의 열손실과 운전 여유, 기동 시 필요한 열량이 있다면 이를 별도로 검토해야 합니다.

 

4-3. 스팀 공급 용량은 소비량의 합계와 같은가?

반드시 그렇지는 않습니다.

 

증발기와 CIP 시스템이 동시에 운전한다면 두 장비의 스팀 수요가 중첩됩니다. 반대로 CIP 세척이 생산 종료 후에만 수행된다면 두 장비의 최대 소비량이 항상 동시에 발생하지는 않을 수 있습니다.

 

따라서 설계자는 정상 생산, 기동, 세척 및 비정상 운전 등 각 운전 모드에서 스팀 수요가 어떻게 달라지는지 확인해야 합니다.

 

스팀 공급 용량은 단순히 장비별 최댓값을 무조건 더하는 방식이 아니라, 실제로 동시에 발생할 수 있는 수요와 공급 시스템의 운전 조건을 반영해 결정해야 합니다.

 

 

5. 냉각수 유량은 어떻게 계산하는가?

 

스팀이 공정에 열을 공급한다면 냉각수는 반대로 공정에서 발생한 열을 제거합니다.

 

앞서 설계한 Condenser를 생각해 보겠습니다. 응축기에서는 알코올 증기 또는 다른 공정 증기가 냉각되면서 응축합니다. 이때 제거해야 하는 열량이 크다면 충분한 냉각수 유량이 확보되어야 합니다.

 

냉각수 유량은 열수지 기본식에서 계산할 수 있습니다.

 

5-1. 냉각수 유량 계산 공식

냉각수 열수지

 

\[ Q=\dot {m}_{cw} C_p \Delta T \]

 

따라서 냉각수 질량유량은 다음과 같습니다.

 

\[ \dot {m}_{cw} = \frac{Q}{C_p(T_{out}-T_{in})} \]

 

\(Q\): 제거해야 하는 열량 (kW)

 

• \(\dot{m}_{cw}\): 냉각수 질량유량 (kg/s)
• \(C_p\): 냉각수 비열 (kJ/kg·K)
• \(T_{in}\): 냉각수 입구 온도 (°C)
• \(T_{out}\): 냉각수 출구 온도 (°C)

이 공식은 정상상태에서 냉각수의 현열 변화로 열을 제거하는 경우에 적용할 수 있습니다. 냉각수의 비열은 온도에 따라 조금 달라지지만, 일반적인 예비 계산에서는 약 4.18 kJ/(kg·K)를 사용할 수 있습니다.

 

5-2. 계산 예제: 300 kW를 제거하는 냉각수

응축기의 냉각 부하가 300 kW이고, 냉각수 입구 온도가 30°C, 출구 온도가 35°C라고 가정하겠습니다.

 

냉각수 질량유량

 

\[ \dot {m}_{cw} = \frac{300} {4.18 \times (35-30)} \]

 

\[ \dot{m}_{cw} = 14.35\ \mathrm {kg/s} \]

 

물의 밀도를 약 1000 kg/m³로 가정하면

 

\[ \dot {V}_{cw} \approx 14.35 \times \frac{3600}{1000} \]

 

\[ \dot{V}_{cw} \approx 51.7\ \mathrm {m^3/h} \]

 

따라서 예제 조건에서 필요한 냉각수 유량은 약 51.7 m³/h입니다.

 

다만 이 값은 열수지 기준의 필요 유량입니다. 실제 설계에서는 응축기 제조사의 설계 조건, 허용 압력강하, 배관 손실, 냉각수 수질 및 냉각탑의 성능을 추가로 검토해야 합니다.

 

또한 냉각탑이 있는 순환식 시스템에서는 응축기에 공급되는 순환 유량과 외부에서 보충하는 물의 양이 다릅니다. 보충수는 증발 손실, 비산 손실 및 블로다운 등을 고려해 별도로 계산해야 합니다.

 

 

6. 냉동기와 전력은 어떻게 연결되는가?

 

냉각수만으로 모든 공정의 온도를 맞출 수 있는 것은 아닙니다.

 

예를 들어 제품 품질을 유지하기 위해 낮은 온도가 필요하거나, 여름철 외기 조건에서 냉각탑만으로 충분한 냉각이 어려운 경우에는 Chilled Water 또는 별도의 냉동 시스템을 검토할 수 있습니다.

 

냉동기의 유틸리티 수요를 계산할 때는 냉동능력과 전력 소비를 구분해야 합니다.

 

냉동능력은 공정에서 제거할 수 있는 열량이며, 전력은 냉동기를 운전하기 위해 투입하는 에너지입니다.

 

냉동기의 성능계수(COP)

 

\[ COP=\frac {Q_{cooling}}{P_{electric}} \]

 

따라서 전력 소비량은 다음과 같습니다.

 

\[ P_{electric} = \frac {Q_{cooling}}{COP} \]

 

예를 들어 냉동 부하가 200 kW이고, 해당 운전 조건에서 냉동기의 COP가 4.0이라고 가정하면 다음과 같습니다.

 

\[ P_{electric} = \frac {200\ \mathrm {kW}}{4.0} = 50\ \mathrm{kW} \]

 

이때 냉동기의 전력 소비량은 약 50 kW입니다. 다만 실제 COP는 냉수 공급 온도, 응축 온도, 부하율 및 장비 성능에 따라 달라지므로 제조사 성능 자료를 이용해야 합니다.

 

여기에 냉수 펌프, 냉각수 펌프, 냉각탑 팬 등 보조 장비의 전력 소비도 추가해야 합니다. 냉동기 본체의 전력만 집계하면 냉동 시스템 전체의 전력 수요를 과소평가할 수 있습니다.

 

 

7. 전력 부하는 어떻게 계산하는가?

 

전력 Utility Balance에서는 공장에 설치된 전기 장비의 소비전력을 집계합니다.

 

주요 대상은 다음과 같습니다.

 

• Process Pump 및 Transfer Pump

• Compressor 및 Vacuum Pump

• Chiller 및 Cooling Tower Fan

• Agitator 및 기타 회전기기

• CIP Pump와 자동화 설비

• 조명, HVAC 및 제어 시스템

전력 부하를 정리할 때는 모터의 정격출력과 실제 전력 소비량을 구분해야 합니다. 모터 정격출력은 일반적으로 축에서 제공하는 기계적 출력이므로, 실제 전기 입력은 모터 효율을 반영해야 합니다.

 

7-1. 모터 입력전력 계산

모터의 전기 입력전력

 

• \[ P_{input}=\frac{P_{shaft}}{\eta_{motor}} \]
• \(P_{input}\): 전기 입력전력 (kW)
• \(P_{shaft}\): 모터 축 출력 (kW)
• \(\eta_{motor}\): 모터 효율 (무차원)

예를 들어 축 출력이 15 kW이고 모터 효율이 90%라면 다음과 같습니다.

 

\[ P_{input}=\frac {15}{0.90}=16.67\ \mathrm {kW} \]

 

이때 모터의 전기 입력전력은 약 16.7 kW입니다. 실제 운전 중 소비전력은 부하율에 따라 달라질 수 있습니다.

 

7-2. 설치 용량과 최대 수요는 다르다

펌프 5대의 모터 정격출력이 각각 15 kW라면 단순 설치 용량은 75 kW입니다. 그러나 이 중 2대만 정상적으로 운전하고 나머지가 대기 상태라면 정상 운전 시 전력 수요는 설치 용량보다 작을 수 있습니다.

 

반면 기동 시에는 모터의 기동 방식에 따라 순간적인 전류가 증가할 수 있습니다. 따라서 전력 설비를 설계할 때는 정상 운전 부하뿐 아니라 최대 수요, 기동 조건, 역률, 전압강하 및 비상전원 요구사항도 검토해야 합니다.

 

Utility Balance는 이러한 검토를 위한 기초 자료이며, 최종 전력 설비 용량은 전기 엔지니어링 단계에서 부하 목록과 전력계통 계산을 통해 확정합니다.

 

 

8. 압축공기와 질소는 어떻게 산정하는가?

 

스팀과 냉각수, 전력은 열량이나 동력 계산을 통해 비교적 직접적으로 접근할 수 있습니다. 반면 압축공기와 질소는 사용 장비의 소비량과 운전 패턴을 파악하는 과정이 중요합니다.

 

8-1. 압축공기(Compressed Air)

공압식 제어 밸브, 액추에이터 및 일부 자동화 장비는 압축공기를 사용합니다.

 

압축공기 수요는 일반적으로 제조사가 제공하는 소비량, 작동 횟수, 연속 사용 여부 등을 바탕으로 계산합니다.

 

예를 들어 제어 밸브가 20대 설치되어 있더라도 모든 밸브가 동일한 시점에 작동하거나 같은 양의 공기를 소비하는 것은 아닙니다.

따라서 다음 항목을 구분해야 합니다.

 

• 연속 소비량과 간헐적 소비량

• 정상 운전 시 소비량과 최대 소비량

• 계장용 공기와 일반 공장용 공기의 품질 요구사항

• 압축기, 에어 드라이어 및 필터의 처리 용량

• 배관 압력강하와 누설 가능성

압축공기 시스템의 공급 용량을 결정할 때는 단순한 소비량 합계뿐 아니라 요구 압력, 공기 품질, 수요 변동 및 예비 설비 구성도 함께 검토해야 합니다.

 

8-2. 질소(Nitrogen)

질소는 탱크 퍼지, 헤드스페이스 블랭킷 및 특정 설비의 불활성화 등에 사용할 수 있습니다.

 

질소 소비량은 적용 목적에 따라 계산 방법이 달라집니다.

 

예를 들어 탱크를 질소로 퍼지 한다면 탱크의 기상 공간, 초기 산소 농도, 목표 산소 농도 및 퍼지 방식을 고려해야 합니다. 반면 정상 운전 중 헤드스페이스를 유지하는 용도라면 탱크 압력 제어 방식, 제품의 유출입에 따른 기상 공간 변화, 누설 및 운전 빈도를 검토해야 합니다.

 

따라서 탱크 용량만으로 질소 사용량을 결정해서는 안 됩니다. 퍼지에 필요한 일시적인 최대 유량과 정상 운전 시의 지속적인 소비량을 구분해야 합니다.

 

또한 질소 사용은 질식 위험을 동반할 수 있으므로 질소 공급량 산정과 함께 환기, 산소 농도 관리 및 작업자 안전 대책을 검토해야 합니다.

 

 

9. 장비별 수요를 공장 전체의 Utility Balance로 통합하기

 

지금까지 스팀, 냉각수, 냉동기 전력, 모터 전력, 압축공기 및 질소의 계산 방법을 살펴봤습니다.

 

이제 각 장비에서 계산한 값을 하나의 문서로 통합할 차례입니다.

 

실제 프로젝트에서는 Utility Consumption Summary 또는 Utility Balance Table과 같은 형식으로 유틸리티별 소비량을 정리할 수 있습니다. 문서의 명칭과 형식은 회사의 엔지니어링 표준과 프로젝트 요구사항에 따라 달라집니다.

 

다음은 이해를 위한 가상의 예시입니다.

 

Utility	정상 운전 수요	최대 운전 수요	단위
Steam	800	1,200	kg/h
Cooling Water	80	120	m³/h
Chilled Water	25	40	m³/h
Electricity	180	250	kW
Instrument Air	60	100	Nm³/h
Nitrogen	10	50	Nm³/h

 

주의: 위 수치는 계산 방법을 설명하기 위한 가상 데이터이며, 특정 무알콜 맥주 공장의 실측값이나 일반적인 설계 기준값이 아닙니다. 최대 운전 수요는 실제 운전 시나리오를 통해 산정해야 합니다.

 

이 표를 작성할 때는 수치만 채우는 것으로 끝내서는 안 됩니다. 각 값의 출처와 전제 조건을 추적할 수 있어야 합니다.

 

예를 들어 스팀 소비량은 어떤 압력의 스팀을 기준으로 했는지, 냉각수 유량은 입구 및 출구 온도를 얼마로 가정했는지, 전력은 모터 정격출력인지 실제 입력전력인지 명확하게 기록해야 합니다.

 

이렇게 작성한 Utility Balance는 이후 유틸리티 설비의 용량 선정, 배관 설계, 전력 설비 설계, 운영비 산정 및 시운전 계획의 기초 자료로 활용됩니다.

 

 

10. 정상 운전만 고려하면 충분할까요?

 

Utility Balance를 작성할 때 자주 놓치는 부분은 공장이 항상 정상 상태로 운전하지 않는다는 사실입니다.

 

실제 플랜트에서는 생산 시작, 정상 생산, 제품 전환, CIP 세척, 정지 및 재가동 등의 운전 모드가 존재합니다. 각각의 운전 모드에서 유틸리티 수요는 달라질 수 있습니다.

 

 

• Case 1. Startup (기동 단계) : 배관과 장비의 초기 가열, 탱크 충전, 퍼지 등에 따라 일시적인 유틸리티 수요가 발생할 수 있습니다. 다만 모든 기동 작업이 최대 수요를 발생시키는 것은 아니므로 실제 절차를 기준으로 검토합니다.
• Case 2. Normal Operation (정상 생산 단계) : 증발기, 응축기, 펌프 등 주요 장비가 계획된 생산 조건에서 운전합니다. 일반적인 유틸리티 소비량과 생산량의 관계를 파악하는 기준이 됩니다.
• Case 3. CIP Operation (세척 단계) : 세척수 순환, 세척액 가열 및 헹굼 작업이 진행됩니다. 생산 장비와 CIP 설비의 동시 운전 여부에 따라 피크 수요가 달라집니다.
• Case 4. Standby / Shutdown (대기 및 정지 단계) : 공정 장비의 정지 여부와 관계없이 계장용 공기, 탱크 블랭킷 질소, 동파 방지 및 기타 보조 시스템의 수요가 남아 있을 수 있습니다.

특히 CIP와 생산이 동시에 진행되는지, 여러 생산 라인이 중첩 운전되는지, 기동 시 스팀과 전력이 동시에 집중되는지를 확인하는 것이 중요합니다.

 

예비 용량을 무조건 크게 잡는 방식도 바람직하지 않습니다. 과도한 설비 용량은 초기 투자비와 부분 부하 운전 비용을 증가시킬 수 있으며, 반대로 필요한 여유를 확보하지 못하면 공정 가동률에 영향을 줄 수 있습니다.

 

따라서 설비별 최대 소비량, 동시 사용 조건, 운전 변동성 및 설비의 신뢰성 요구사항을 바탕으로 적정 용량을 결정해야 합니다. 산업 플랜트의 유틸리티 설계에서도 공정 수요와 공급 시스템의 상호작용, 열 회수 및 운전 조건을 함께 검토하는 접근이 활용됩니다. 

 

 

11. Utility Balance는 설비 용량 선정과 운영비 산정으로 이어진다

 

Utility Balance를 작성하는 궁극적인 목적은 표를 완성하는 것이 아닙니다.

 

공장에 필요한 유틸리티를 실제로 공급할 수 있는지 확인하고, 부족한 부분이 있다면 어떤 설비를 추가하거나 개선해야 하는지 판단하는 데 있습니다.

 

예를 들어 전체 스팀 수요가 기존 보일러의 공급 가능 용량을 초과한다면 보일러 증설, 운전 조건 변경, 열 회수 또는 수요 분산을 검토할 수 있습니다. 냉각 부하가 기존 냉각탑의 처리 능력을 초과한다면 냉각탑과 펌프의 성능, 열교환기 접근 온도 및 계절별 운전 조건을 확인해야 합니다.

 

전력 부하가 기존 수전 설비의 공급 능력을 초과한다면 전기 설비 증설이나 부하 관리가 필요할 수 있습니다.

 

유틸리티 소비량은 경제성 평가에도 연결됩니다.

 

스팀 사용량은 보일러 연료와 급수, 응축수 회수 조건에 영향을 주며, 전력 사용량은 전력 비용과 설비 운영비에 영향을 줍니다. 냉각수와 공정수 소비량은 용수 공급 및 폐수처리 비용과 연결될 수 있습니다. 따라서 Utility Balance를 기반으로 연간 운전 시간과 단가를 적용하면 주요 유틸리티 비용을 추정할 수 있습니다.

 

다만 운영비를 계산할 때는 단순 소비량뿐 아니라 계절별 부하, 설비 효율, 부분 부하 운전, 손실 및 회수율 등을 함께 고려해야 합니다.

 

이처럼 Utility Balance는 Process Design에서 출발해 기계, 배관, 전기, 계장, 환경 및 경제성 평가를 연결하는 공통 자료입니다.

 

 

12. 마무리: 공장의 규모는 장비뿐 아니라 유틸리티가 결정합니다

 

Beer to Zero Project의 공정 설계 과정에서 우리는 제품의 흐름을 정의하고, 분리 공정을 선정했으며, 물질수지와 에너지수지를 계산했습니다. 이어 장비 용량, 열교환기, 응축기, 펌프, 진공 시스템, 탱크 및 CIP 시스템을 검토했습니다.

 

이제 각각의 장비를 실제로 작동시키는 데 필요한 유틸리티를 하나의 체계로 정리했습니다.

 

Utility Balance는 공장 전체의 스팀, 냉각수, 냉동수, 전력, 압축공기 및 질소 수요를 파악하고, 공급 시스템의 용량과 운전 조건을 결정하기 위한 핵심 엔지니어링 자료입니다.

 

장비 하나의 소비량을 계산하는 것은 개별 설계의 문제입니다. 그러나 여러 장비가 동시에 운전하는 조건에서 필요한 유틸리티를 공급할 수 있는지 확인하는 것은 플랜트 전체의 문제입니다.

 

공장은 장비를 배치한다고 완성되는 것이 아닙니다. 모든 장비가 필요한 에너지와 유체를 안정적으로 공급받을 수 있을 때 비로소 하나의 생산 시스템으로 작동합니다.

 

 

Beer to Zero Project 연재 순서

 

PART 4. Process Design — 맥주는 어떻게 무알콜이 되는가

 

• Part 28. 드디어 공정을 그리기 시작하다 - Process Concept
• Part 29. 맥주는 공장에서 어떻게 이동하는가 - Process Flow
• Part 30. 알코올을 어떻게 제거할 것인가 - Separation Process
• Part 31. 맥주의 성분은 어디로 이동하는가 - Material Balance
• Part 32. 열은 어디에서 들어오고 빠져나가는가 - Energy Balance
• Part 33. 실제 공정 조건을 계산하다 - Process Simulation
• Part 34. 장비의 크기는 어떻게 결정하는가 - Equipment Capacity
• Part 35. 열교환기는 얼마나 커야 하는가 - Heat Exchanger Sizing
• Part 36. 알코올 증기를 어떻게 회수할 것인가 - Condenser Design
• Part 37. 액체를 어떻게 이송할 것인가 - Pump Sizing
• Part 38. 진공은 어떻게 만들 것인가 - Vacuum System Design
• Part 39. 맥주를 어디에 저장할 것인가 - Tank Design
• Part 40. 공장을 세척하는 시스템 - CIP System
• Part 41. 공장에 필요한 Utility는 얼마나 되는가 - Utility Balance
• Part 42. 공정 전체를 한 장에 담다 - PFD 작성
• Part 43. Process Design을 하나의 공정도로 완성하다 - Design Review