화학 공학 분야에서 프로젝트 개발 과정 전반에 걸쳐 다음 세 가지 용어가 등장합니다: 공정 설계 패키지, 기초 공학, 및 상세 설계. 하지만 신입 엔지니어나 투자자, 프로젝트 관리자들에게는 각 주체의 역할과 관계가 항상 명확하게 드러나지는 않는다.
주요 질문은 다음과 같습니다:
- 각 단계는 어떤 역할을 담당하나요?
- 왜 이 설계를 한 번에 끝낼 수 없는 것일까요?
- 해외 기술 라이선스 제공업체와 엔지니어링 기업들은 이러한 책임을 어떻게 분담하고 있나요?
- 왜 주요 EPC 시공사들은 자체 공정 기술을 거의 개발하지 않는 것일까?
이 기사에서는 화학 프로젝트의 전체 설계 워크플로우와 이러한 업무 분담의 배경이 되는 상업적 논리를 설명합니다.
이 관계를 이해하는 간단한 방법은 다음과 같습니다:
- 그리고 공정 설계 패키지 원하는 제품을 제조하는 데 필요한 공정 기술과 조건을 규정합니다.
- 기초 공학 해당 공정 기술을 평가하고, 비용을 산정하며, 더욱 발전시킬 수 있는 공학적 계획으로 전환합니다.
- 상세 설계 승인된 계획을 조달, 제작, 시공 및 설치에 활용할 수 있는 도면과 사양서로 작성합니다.
공정 설계 패키지: 핵심 공정 기술 정의
A 공정 설계 패키지, 일반적으로 다음과 같이 줄여서 PDP, ,는 도면, 계산서, 사양서 및 기술 문서를 통해 공정과 관련 범위를 정의하는 프론트엔드 엔지니어링 패키지입니다.
Koch Modular는 PDP를 도면과 사양서를 활용하여 공급 범위를 전반적으로 정의하는 프런트엔드 엔지니어링 패키지로 설명합니다. 실질적으로 이는 해당 공장에서 무엇을 생산할 예정인지, 공정이 어떻게 작동하는지, 그리고 어떤 기술적 원리와 운영 조건이 핵심적인지를 설명합니다.
사우디 베이직 인더스트리즈 코퍼레이션(SABIC)의 엔지니어링 팀이 미국 화학공학회(AIChE) 컨퍼런스에서 발표한 논문은 PDP가 일반적으로 프로젝트 타당성 조사 단계에서 수립된다고 언급했다. 세 가지 주요 산출물은—공정 흐름도(PFD), 배관 및 계측 도면(P&ID), 및 장비 데이터시트—이는 해당 패키지를 준비하는 데 필요한 총 엔지니어링 작업 시간 중 약 60%를 차지할 수 있다.
또 다른 AIChE 논문에서는 PDP를, 엔지니어링 회사가 프런트엔드 엔지니어링 설계(FEED) 패키지를 작성하거나 직접 상세 엔지니어링 단계로 진행할 수 있도록 충분한 공정 및 기술 정보가 포함된 문서 모음으로 정의하고 있다.
일반적인 PDP에는 다음이 포함될 수 있습니다:
- 설계 기준 및 공정 설계 데이터
- 공정 흐름도
- 예비 공정 P&ID
- 장비 공정 데이터시트 및 장비 목록
- 인터록 설명
- 장비 배치 초안 도면
- 유체 목록 및 배관 재료 등급
- 공정 안전 설계 기준
- 유틸리티 요구 사항
- 압력 방출 장치의 공정 데이터시트 및 환경 데이터
요컨대, PDP는 공정 플랜트의 핵심 기술 기준서입니다. 여기에는 주요 공정 기술이 포함되어 있으며, 종종 라이선스 제공자의 독점적 지식과 지적 재산권이 반영되어 있습니다.
이 패키지가 없으면 엔지니어링 도급업체는 후속 설계 단계를 확실하게 진행할 수 없습니다.
그림 1. 광범위한 배관망, 탑, 공정 설비가 화학 공학 프로젝트의 복잡성을 잘 보여주는 현대적인 화학 공장.
기초 공학: 공정 요구사항과 공학적 구현의 가교 역할
이 단계에 사용되는 용어는 기업과 지역에 따라 다릅니다. 일반적으로 사용되는 용어로는 다음과 같은 것들이 있습니다. 기초 공학, 기본 엔지니어링 설계 패키지 (BEDP), 그리고 더 널리 사용되는 프런트엔드 엔지니어링 설계(FEED).
DEC Engineering의 용어 체계는 이러한 단계들 간의 단계적 관계를 다음과 같이 설명합니다. PDP는 플랜트의 핵심 공정 문서를 위한 토대를 마련하는 반면, BEDP는 자격을 갖춘 시공사 측이 상세 엔지니어링을 시작하고, 리드타임이 긴 장비를 조달하며, 시공을 준비할 수 있도록 충분한 엔지니어링 세부 사항을 제공합니다.
PDP에서 화학 반응에 필요한 온도와 압력을 정의하면, 기초 공학 설계 단계에서는 반응기 용량과 재질, 필요한 배관 규격, 그리고 시스템 설치 및 운영에 필요한 공간을 결정합니다.
일반적인 기초 엔지니어링 활동에는 다음이 포함됩니다:
- PDP에 포함된 공정 P&ID를 상세 설계에 적합한 엔지니어링 수준의 P&ID로 개발
- 주요 장비에 대한 예비 사양서를 작성하며, 리드 타임이 긴 품목에 대한 견적을 요청할 수 있을 만큼 충분히 상세하게 작성한다.
- 예비 배관 규격, 재질 등급 및 단열 요건 결정
- 예비 3D 모델 및 전반적인 플랜트 배치도 개발
- 위험 및 가동성 분석(HAZOP) 수행
- 보다 정확한 자본 비용 추정치를 산출하며, 일반적으로 ±10%에서 ±15% 범위 내에서 이루어집니다.
국제적으로 통용되는 선행 적재(FEL) 프레임워크에서 프로젝트 개발은 일반적으로 다음과 같이 구분됩니다:
- FEL-1—타당성: 예비 공정 정의, 블록 흐름도 및 정확도가 약 ±50%인 비용 추정치
- FEL-2—개념 설계 또는 사전 FEED: 보다 상세하게 개발된 공정 패키지, PFD, 예비 P&ID 및 정확도가 약 ±30%인 비용 추정치
- FEL-3—FEED 또는 기초 엔지니어링: 최종 투자 결정(FID)을 뒷받침하기 위해, 조달 단계의 장비 데이터시트를 포함하여 설계 세부 수준을 상당히 높임
이 프로젝트가 여러 설계 단계로 나뉘어 있는 이유는 무엇일까요? 주된 이유는 프로젝트 개발 초기 단계에서는 설계 변경에 드는 비용이 상대적으로 적기 때문입니다. 일단 상세 설계나 시공이 시작되면, 동일한 변경 사항이라도 상당한 비용 증가와 일정 지연을 초래할 수 있습니다.
업계 연구에 따르면, 제대로 수행된 FEED는 프로젝트 비용과 소요 시간을 상당히 줄일 수 있는 것으로 나타났으나, 실제 개선 효과는 프로젝트의 복잡성, 설계 성숙도 및 수행 여건에 따라 달라집니다.
기본 엔지니어링에서의 PFD와 P&ID: 서로 다르지만 상호 보완적인 역할
흔히 제기되는 질문 중 하나는, 나중에 상세 엔지니어링 시공사 측에서 시공 단계에 필요한 완전한 P&ID를 작성할 텐데, 왜 기본 엔지니어링 단계에서 P&ID가 필요한가 하는 것입니다. 이는 중복 작업인가요? 기본 엔지니어링 단계에서 PFD와 P&ID 중 어느 문서가 더 중요할까요?
이 두 문서는 공장의 서로 다른 측면을 다루고 있으므로 서로를 보완해 줍니다.
A PFD는 전체 프로세스 구성을 정의합니다.. 이 도면은 물질 흐름, 열 통합, 주요 반응 및 분리 공정의 위치를 보여줍니다. 이를 통해 다음과 같은 근본적인 질문에 대한 답을 찾는 데 도움이 됩니다:
- 해당 공정 경로는 기술적으로 실현 가능한가요?
- 이것이 열역학적으로나 화학적으로 타당한가?
- 선택된 공정이 경제적으로 타당한가?
- 어떤 장비 조합을 사용해야 할까요?
예를 들어, PFD에서는 해당 공정에 고정층 반응기나 유동층 반응기 중 어느 것이 필요한지, 또는 추출 증류와 공비 증류 중 어떤 방법을 사용해야 하는지 등을 결정할 수 있습니다. 이러한 선택이 이루어지면, 이후의 엔지니어링 작업은 이를 바탕으로 진행됩니다.
A P&ID는 이러한 공정 구성을 실제 가동 가능한 엔지니어링 시스템으로 변환합니다.. 이 문서는 펌프, 밸브, 계측기, 장비 및 제어 루프가 어떻게 연결되어 있는지를 규정합니다. 또한 공정 제어 및 안전 보장 원칙을 정립합니다.
상세 설계 단계에서 작성되는 시공용 P&ID에는 시료 채취 지점, 배관 경사, 배관 경로 지정 요건 및 기타 설치 세부 사항이 포함될 수 있습니다. 기본 설계용 P&ID는 반드시 모든 시공 세부 사항을 명시하는 것은 아닙니다. 이 문서의 주된 목적은 필수적인 공정, 제어 및 안전 논리를 명확히 기록하여 상세 설계 과정에서 의도치 않게 변경되는 것을 방지하는 데 있습니다.
화학 프로젝트에서는 단순히 도면 세트를 완성하는 것보다, 일관되고 규격에 맞는 제품을 생산하기 위해 장비를 어떻게 가동해야 하는지를 이해하는 것이 더 중요합니다.
장비 구성은 대개 재현할 수 있지만, 공정 노하우는 재현하기가 훨씬 더 어렵습니다. 기술 라이선스 제공자는 다음과 같은 내용을 알고 있을 수 있습니다:
- 반응에서 열에 가장 민감한 단계 동안의 적절한 온도 상승 속도
- 결정화기의 최적 교반 속도
- 종자 첨가를 위해 필요한 과포화도
- 목표 결정 크기 분포를 얻기 위해 필요한 조건
- 시동, 정지 또는 공정 이상 시 필요한 제어 응답
이러한 지식은 PDP에 명시된 운영 원칙을 통해 표현되며, 기초 엔지니어링 단계에서 개발된 PFD 및 P&ID를 통해 구현됩니다. 이는 기술 라이선스 계약에 따라 제공되는 가치의 주요 부분을 차지합니다.
PFD는 주로 다음을 정의합니다. 어떤 공정 단계와 설비 조합이 필요한지. P&ID는 다음을 정의한다. 해당 시스템을 어떻게 운영, 제어 및 보호해야 하는지. 이 두 가지를 결합하여 실제 공장에 적용할 수 있는 엔지니어링 프레임워크를 구축합니다.
PFD에 제어 로직이 포함되어 있다면, 기본 엔지니어링 P&ID는 여전히 필요한가?
충분히 상세한 PFD에는 물질 및 에너지 균형, 주요 제어 루프, 중요 인터록의 작동 조건 및 조치, 설계 조건, 경보 한계치, 정지 설정값 등이 포함될 수 있습니다. 따라서 숙련된 엔지니어는 상세하게 작성된 PFD를 통해 주요 운영 전략을 파악할 수 있을 것입니다.
그러나 PFD에는 본질적인 한계가 있다. 많은 공학적 결정 사항을 PFD에 적절히 기록할 수 없다.
공정 안전 세부 사항
PFD에 표시된 안전 밸브는 단지 기호일 뿐입니다. 설계 시 다음 사항도 명시해야 합니다:
- 필요한 구호 수용 능력
- 시공 자재
- 플레어 시스템이나 현장 배기 장치와 같은 배출처
- 플레어 시스템의 배압이 방출 용량에 미치는 영향
- 분리 및 관리 요건
이러한 결정 사항은 일반적으로 P&ID에 기록되며, 관련 계산 결과를 근거로 뒷받침됩니다. 또한 이는 HAZOP 분석 및 규제 당국의 안전 검토를 위한 필수적인 입력 자료이기도 합니다.
중국 규정이나 표준이 적용되는 경우, 관련 문서는 해당 규정을 준수해야 합니다. 중국 국가 표준 (GB 또는 GB/T 표준) 및 현지 규제 요건. 이러한 내용은 국제 표준으로 해석되어서는 안 됩니다.
시동 및 정지 절차
PFD는 주로 정상 공정 가동을 설명합니다. 일반적으로 다음 용도에 필요한 모든 보조 배관 정보는 포함되어 있지 않습니다:
- 시동 시 순환 및 가열
- 가동 중단, 배수 및 퍼징
- 촉매 재생
- 장비 격리
- 유지보수 접근 권한
- 감압 및 세척
이러한 연결 관계는 P&ID 도면에 명시되어야 합니다.
밸브 작동 요건
PFD에 표시된 제어 루프만으로는 밸브가 어떻게 작동해야 하는지를 완전히 정의할 수 없습니다. P&ID에는 다음과 같은 사항이 명시되어야 합니다:
- 격리 밸브나 차단 밸브가 개방 상태로 고장 나거나 폐쇄 상태로 고장 나는지 여부
- 제어 밸브의 상류 및 하류에 수동 차단 밸브가 필요한지 여부
- 우회 라인이 필요한지 여부
- 인터록이 작동될 때 밸브의 반응 방식
이러한 정보가 없으면 장비와 기기를 올바르게 선정하거나 조달할 수 없으며, 플랜트의 안전성을 제대로 평가할 수도 없습니다.
엔지니어링 인계 요건
세부 시공 계약자는 설계를 시공 도면으로 전환해야 합니다. 이를 위해 계약자는 다음 사항을 결정하기 위해 P&ID가 필요합니다:
- 배관 압력 등급
- 시공 자재
- 단열 및 열추적 요건
- 연결 유형
- 계기 연결
- 배수, 환기, 시료 채취 및 세척 장치
PFD에는 유체를 200°C까지 가열해야 한다고 명시되어 있을 수 있습니다. P&ID 및 관련 사양서에는 해당 요구 사항을 안전하게 충족하기 위해 필요한 배관 재질, 벽 두께, 단열재, 열추적 방법 및 제어 장치가 정의되어 있습니다.
따라서 기본적인 공학용 P&ID는 단순히 추가 도면이 아닙니다. 이는 공정 요구 사항을 안전하게 설계, 조달, 시공, 운영 및 유지보수할 수 있는 시스템으로 전환해 줍니다.
또한 공정, 안전, 배관, 설비, 계측, 전기, 토목 및 구조 분야를 아우르는 공통된 조정 플랫폼을 제공합니다. 이 단계를 생략하면 주요 기술적 결정권이 상세 설계 팀으로 이관되는데, 이 팀은 공정 분야에 대한 동일한 수준의 심도 있는 지식을 갖추지 못했을 수 있습니다. 이로 인해 프로젝트 후반부의 변경 사항이 크게 늘어나고 프로젝트 위험도 증가할 수 있습니다.
상세 설계: 시공에 바로 활용할 수 있는 문서 작성
이 단계는 다음과 같이 알려져 있습니다. 상세 설계 또는 상세 설계.
HEDCO는 상세 설계 단계를, 각 공학 분야가 발전소를 기술적 충돌 없이 안전하게 설치할 수 있도록 하고 적절한 시공 비용 효율성을 확보하기 위해 필요한 가장 포괄적인 기술 설계를 완료하는 단계로 정의합니다.
Koch Modular도 이와 유사한 설명을 제시합니다. 엔지니어와 설계자들은 모듈식 공정 시스템의 모든 구성 요소를 체계적으로 정의합니다. 장비, 배관, 구조용 강재, 계측 설비, 전기 시스템 및 제어 시스템은 제작 및 시공에 필요한 충분한 세부 수준까지 평가, 최적화 및 설계됩니다.
PDP가 해당 프로세스가 달성해야 할 목표를 정의하고, 기본 엔지니어링이 이를 달성하는 데 필요한 시스템을 정의한다면, 상세 엔지니어링은 해당 시스템들이 정확히 어떻게 제작, 설치, 연결 및 시공될지를 구체적으로 명시합니다.
일반적인 상세 설계 산출물에는 다음이 포함됩니다:
- 시공 단계용 장비 도면 및 제작 상세도
- 완성된 배관 3D 모델 및 배관 아이소메트릭 도면
- 자재명세서(BOM) 및 조달 사양서
- 계기 지수, 루프 도면 및 배선도
- 전기 단선도 및 배치도
- 토목 기초 도면 및 철골 상세 도면
- 시공 및 설치 지침
상세한 설계 문서는 조달, 제작, 설치 및 현장 시공에 직접 활용됩니다. 이러한 문서를 작성하는 것은 EPC 시공사에게 주된 책임입니다.
세 가지 설계 단계의 주요 차이점
| 비교 | 공정 설계 패키지(PDP) | 기본 엔지니어링 (FEED/BEDP) | 상세 설계 |
|---|---|---|---|
| 프로젝트 단계 | 타당성 조사 또는 개념 개발 | PDP 이후 및 상세 설계 전 | FEED 단계 이후 및 시공 전 |
| 주요 질문 | 어떤 절차를 따라야 할까요? | 어떤 장비와 공학 시스템이 필요한가요? | 설비는 어떻게 제작, 설치 및 시공해야 합니까? |
| 주요 산출물 | PFD, 예비 P&ID 및 공정 장비 데이터시트 | 엔지니어링 수준의 P&ID, 장기 납기 장비 사양서 및 예비 3D 모델 | 시공 도면, 아이소메트릭 도면, 자재 명세서(BOM), 배선도 |
| 비용 추정 정확도 | 대략 ±30%에서 ±50% | 대략 ±10%에서 ±15% | 건설 예산 편성을 뒷받침할 수 있을 만큼 충분히 개발됨 |
| 일반적인 책임 당사자 | 기술 라이선스 제공자 또는 공정 소유자 | 엔지니어링 회사, 소유자, 라이선스 제공자 또는 공동 팀 | 다학제적 EPC 엔지니어링 팀 |
| 관련된 주요 지식 | 독자적인 공정 기술 및 노하우 | 엔지니어링 정의 및 통합 | 시공 단계의 엔지니어링 정보 |
세 단계가 어떻게 상호 작용하는가
이 세 단계는 연속적인 순서를 이룹니다:
- 그리고 PDP 공정 경로, 가동 기간, 물질 및 에너지 수지, 그리고 핵심 기술 요건을 규정합니다.
- 기초 공학 이러한 요구 사항을 통합된 플랜트 설계 개념으로 전환하고, 주요 설비와 제어 방식을 정의하며, 대규모 투자 결정에 앞서 불확실성을 줄여줍니다.
- 상세 설계 승인된 구상을 조달 및 시공에 필요한 도면, 모형, 사양서 및 자재 명세서로 구체화합니다.
어떤 한 단계에서 문제가 발생하면 그 이후의 모든 작업에 영향을 미칩니다.
PDP가 미비할 경우, 중요한 공정 조건이 명확히 정의되지 않을 수 있습니다. 기초 엔지니어링이 불충분하면 안전, 가동성, 배치 또는 비용 관련 문제가 해결되지 않은 채 남을 수 있습니다. 상세 엔지니어링이 부실할 경우, 조달 오류, 현장 충돌, 재작업 및 시공 지연으로 이어질 수 있습니다.
공정 설계 패키지부터 상세 엔지니어링에 이르는 설계 워크플로우.
어떤 다국적 기업들이 공정 설계 패키지를 개발하나요?
공정 설계 패키지를 공급할 수 있는 기업들은 일반적으로 독자적인 반응 기술, 촉매 시스템, 공정 통합 전문 지식 또는 특화된 분리 기술을 보유하고 있습니다.
이것들은 몇 가지 큰 범주로 나눌 수 있습니다.
정평이 나 있는 석유화학 기술 라이선스 제공업체
| 회사 | 핵심 분야 | 대표적인 기술 |
|---|---|---|
| 허니웰 UOP | 정유, 방향족 제품, 올레핀 및 천연가스 처리 | 파라-자일렌 분리용 Parex™ 및 이성질화용 Butamer™ |
| Lummus Technology | 에틸렌 분해, 에틸벤젠/스티렌, 폴리프로필렌 | 대규모 에틸렌 프로젝트에 적용된 라이선스 기술 |
| KBR | 암모니아, 정제 및 올레핀 회수 | KBR Purifier™ 암모니아 처리 기술 |
| 테크닙 에너지스 | 에틸렌 용광로, LNG 및 수소 | 다양한 라이선스 공정 기술 포트폴리오 |
| Axens | 수소화 처리, 개질, 바이오연료 | IFPEN 기술의 상용화 |
| 티센크루프 우데 | 석탄 화학 제품, 비료, 염소-알칼리, 질산 | 검증된 인가된 공정 기술 |
화학 제품 제조사의 기술 라이선싱 부문
| 회사 | 핵심 분야 | 대표적인 기술 또는 특징 |
|---|---|---|
| 다우 | 폴리에틸렌, 폴리우레탄, 에틸렌옥사이드, 에틸렌글리콜 | UNIPOL™ 기상 기술 |
| 엑슨모빌 | 파라-자일렌의 결정화 및 정제 | 라이선스 사업을 통해 공급되는 PDP |
| BASF | 아크릴산 및 부타디엔 추출 | 촉매 공급과 자주 결합되는 기술들 |
| 쉘 | 가스화, 에틸렌옥사이드, 에틸렌글리콜 | 쉘 촉매 및 기술 |
| INVISTA | PTA, PET, 아디포니트릴, 나일론 6,6 | P8 PTA 및 나일론 6,6 중합 기술 |
전문 분리 기술 제공업체
많은 화학 공정에서 분리 및 정제는 반응 공학만큼이나 중요합니다. 이 분야에 특화된 역량을 갖춘 기업으로는 다음과 같은 곳이 있습니다:
| 회사 | 핵심 기술 | 애플리케이션 |
|---|---|---|
| 에어 프로덕츠 | PRISM® 중공사막 분리기 | 바이오 LNG 및 해양 운영 |
| 린데 엔지니어링 | HISELECT® 막 기술 | 천연가스의 탈탄소화와 수소 회수 |
| 허니웰 UOP | Parex™ 및 Molex™ 흡착 분리 | 파라-자일렌과 노멀-파라핀의 분리 |
| 술저 | 증류, 결정화 및 막 분리 | PLA를 포함한 바이오 기반 고분자 |
전문 공정 기술 기업
| 회사 | 핵심 분야 | 업계 내 위치 |
|---|---|---|
| 스태미카본 | 요소 기술 | 전 세계 요소 생산 능력의 상당 부분에서 사용되고 있는 기술 |
| 존슨 매티 | 메탄올 합성, 가스-액체 전환(GTL), 연료전지 | 탁월한 촉매 및 공정 전문성 |
| Topsoe | 암모니아, 메탄올, 수소, 황산 | 덴마크의 유서 깊은 기술 라이선스 제공업체 |
이 기업들은 주로 반응 경로, 촉매 배합, 운전 범위, 공정 구성 등 공정 관련 지식을 상용화합니다. 엔지니어링 개발을 지원할 수는 있지만, 반드시 모든 시공 도면을 작성하거나 토목 설비 시공을 담당하는 것은 아닙니다.
그림 2. 현대식 공장의 공학적 복잡성을 보여주는 대규모 화학 처리 시설.
기술 라이선스 제공자와 EPC 시공사 간의 책임 분담.
어떤 다국적 기업들이 상세 설계를 수행하나요?
PDP 및 기본 엔지니어링 문서를 수령한 후, EPC 시공사 및 전문 엔지니어링 업체들은 해당 설계를 조달 패키지, 제작 도면, 시공 문서 및 실제 플랜트 인프라로 전환합니다.
유럽 및 북미의 주요 EPC 시공사들
| 회사 | 핵심 분야 | 특성 |
|---|---|---|
| 베크텔 | 에너지, 석유화학, LNG | 미국 최대 규모의 엔지니어링 및 건설 기업 중 하나 |
| 플루오르 | 정유, 화학, 제약 및 광업 | 주요 국제 엔지니어링 및 건설 업체 |
| KBR | 암모니아, 정제, 올레핀 | 기술 라이선싱과 EPC 역량을 결합합니다 |
| 테크닙 에너지스 | 에틸렌과 LNG | 독자적인 기술과 엔지니어링 실행력을 결합합니다 |
| 맥더모트 | 저장 탱크, 에틸렌 분해 설비 및 LNG 터미널 | FEED부터 EPCIC에 이르는 서비스 |
| 사이펨 | 해상 석유·가스 및 육상 석유화학 | 이탈리아의 주요 엔지니어링 시공사 |
| 테크니카스 레우니다스 | 정유 및 석유화학 | 스페인 엔지니어링 및 건설 회사 |
| 린데 엔지니어링 | 가스 분리, FEED 및 상세 설계 | 독일의 주요 엔지니어링 기관 |
일본 및 한국의 EPC 시공사
| 회사 | 핵심 분야 | 대표적인 강점 |
|---|---|---|
| JGC | LNG, 정유, 석유화학 | 체계적인 프로젝트 수행 능력으로 정평이 나 있다 |
| 치요다 | LNG 액화 플랜트 | 카타르의 대규모 LNG 프로젝트 수행 경험 |
| 삼성 E&A | 중동 및 동남아시아의 정유 및 화학 산업 | 한국의 주요 EPC 시공사 |
| 현대엔지니어링 | 중동 및 동남아시아의 정유 및 화학 산업 | 한국의 주요 EPC 시공사 |
전문 엔지니어링 기업 및 기타 국제 건설업체
| 회사 | 핵심 분야 | 특성 |
|---|---|---|
| 워리 | 석유, 가스 및 화학 분야의 상세 설계 | 호주에서 설립된 글로벌 엔지니어링 기업 |
| 나무 | 에너지 및 화학 공학 | 영국에 본사를 둔 엔지니어링 기업 |
| 페트로팩 | 석유 및 가스 라이프사이클 서비스 | 영국에 본사를 둔 서비스 제공업체 |
| MAIRE | 폴리올레핀 및 비료 EPC 프로젝트 | 이 그룹에는 요소 기술 라이선스 제공업체인 스태미카본이 포함되어 있다 |
| 하그로브 | 화학 공학 | 미국의 엔지니어링 및 프로젝트 서비스 기업 |
| 오듀본 엔지니어링 | 에너지 인프라 | 산업 공정 및 석유·가스 프로젝트를 지원하는 미국 기업 |
이러한 EPC 기업들은 일반적으로 공정, 배관, 기계 설비, 계측, 전기 시스템, 토목 공사 및 구조 공학을 아우르는 대규모 다학제 팀을 운영합니다. 이들의 역할은 공정 및 엔지니어링 문서를 바탕으로 안전하고 가동 가능한 실제 플랜트를 구축하는 것입니다.
그림 3. 밤의 대형 화학 공장. 현대 산업 건축의 규모와 기술적 복잡성을 잘 보여준다.
일반적인 국제 계약 모델
기술 라이선스 제공업체와 EPC 시공사들은 일반적으로 다음 세 가지 모델 중 하나를 통해 협력합니다.
소유주는 라이선스 제공자와 EPC 시공업체와 각각 별도의 계약을 체결한다
기존 모델에 따르면, 소유주는 기술 라이선스 제공자로부터 공정 라이선스와 PDP를 구매합니다. 그런 다음 소유주는 해당 패키지를 활용하여 기본 설계, 상세 설계, 자재 조달 및 시공 범위를 EPC 시공사에게 발주합니다.
이것은 가장 흔한 방식 중 하나입니다.
라이선스 제공자는 PDP와 기본 엔지니어링을 모두 제공합니다.
일부 라이선스 제공업체는 PDP와 더 정교한 기본 엔지니어링 패키지를 모두 제공합니다. 또한 선별된 EPC 시공사들과 전략적 파트너십을 맺고, 기술 및 엔지니어링이 통합된 제안서를 제출하기도 합니다.
예를 들어, INVISTA가 차이나 리소스 케미컬 이노베이티브 머티리얼즈(China Resources Chemical Innovative Materials)에 나일론 6,6 기술 사용권을 부여한 후, 켐텍스(Chemtex)가 엔지니어링, 조달 및 시공 서비스를 제공했다.
EPC 시공사 자체 공정 기술을 제공함
일부 EPC 기업들은 소형 모듈식 발전소 및 수처리 시스템과 같은 전문 분야에서 기술을 인수하거나 독자적으로 개발해 왔습니다.
이러한 모델은 존재하지만, 주요 범용 화학 프로젝트에서는 여전히 드문 편인데, 이는 해당 분야의 선도적인 공정 기술 대부분을 기존 라이선스 제공업체들이 장악하고 있기 때문이다.
주요 EPC 시공사들은 왜 자체 공정 설계 패키지를 거의 개발하지 않는가?
EPC 계약업체가 광범위하고 상세한 엔지니어링 역량을 갖추고 있다면, 왜 자체 공정 기술을 개발하여 라이선싱과 EPC 서비스를 모두 제공하지 않는 것일까요?
그 주된 이유는 기술 라이선스 제공업체와 EPC 시공사들이 근본적으로 다른 비즈니스 모델에 따라 운영되기 때문입니다.
지적 재산권 및 프로젝트 서비스에는 서로 다른 비즈니스 모델이 필요하다
공정 패키지는 본질적으로 지적 재산권 제품입니다. 라이선스 제공자는 기술을 한 번 개발하는 데 투자한 후, 여러 프로젝트에 걸쳐 반복적으로 라이선스를 부여할 수 있습니다.
수십 년에 걸친 운영 데이터, 실험 결과, 규모 확대 결과 및 공정 최적화 성과는 수많은 공장에 적용될 수 있습니다. 해당 기술이 상용화되고 검증된 후에는, 추가 라이선스마다 비교적 제한적인 추가 개발 작업만 필요할 수 있습니다.
반면 EPC 계약은 프로젝트 단위로 이루어집니다. 각 프로젝트에는 맞춤형 팀이 필요하며, 수백 명의 엔지니어와 시공 인력이 투입될 수 있습니다. 또한 시공사 측은 일정, 비용, 조달 및 시공과 관련된 상당한 위험을 부담합니다.
따라서 기술 라이선싱은 반복 가능한 지적 재산권에 의존하는 반면, EPC 계약은 프로젝트 수행과 위험 관리에 의존합니다. 이에 따라 요구되는 조직적 역량도 다릅니다.
공정 개발에는 장기적인 투자가 필요합니다
상업적으로 라이선스를 부여할 수 있는 성숙한 프로세스를 개발하려면 대개 다음이 필요합니다:
- 실험실 연구
- 실험실 규모 시험
- 시범 규모 검증
- 시범 플랜트 가동
- 확장 공학
- 최초의 상용화 사례
- 장기 운영 데이터
기술에 따라 전체 개발 주기는 10년에서 20년이 소요될 수 있으며, 수억 달러 규모의 투자가 필요할 수 있습니다.
프로젝트 매출과 분기별 재무 실적을 중시하는 상장 EPC 기업들의 경우, 이러한 투자 모델을 정당화하기 어려울 수 있다. 비상장 산업 그룹들이 장기적인 기술 개발을 지원하기에 더 유리한 입장에 있을 수 있다.
공정 노하우가 높은 진입 장벽을 형성한다
PDP는 단순히 PFD와 물질 수지 분석 그 이상을 포함합니다. 이는 광범위한 암묵적 지식 공개된 정보만으로는 파악하기 어려운 내용입니다.
예를 들면 다음과 같습니다:
- 특정 불순물 농도에서의 촉매 비활성화 양상
- 비정상적인 작동 조건 하에서의 장비의 장기적 성능
- 시작 및 종료 시 필요한 특수 제어 로직
- 오염, 부식 및 막힘 현상
- 운전 조건의 미세한 변화에 대한 제품 품질의 민감도
- 시범 운영 및 상업 운영을 통해 파악된 규모 확대의 한계
기술 라이선스 제공업체들은 수십 년에 걸쳐 여러 공장에서 얻은 운영 피드백을 통해 이러한 지식을 축적합니다. 이러한 지식은 독점 데이터베이스, 내부 표준, 설계 방법 및 베테랑 엔지니어들의 경험 속에 담겨 있을 수 있습니다.
EPC 시공사로는 리버스 엔지니어링을 통해 이러한 지식을 쉽게 재현할 수 없습니다. P&ID를 작성하는 데는 몇 주가 걸릴 수 있으며, 모든 설계 결정을 이해하고 검증하는 데 필요한 경험을 쌓는 데는 수십 년이 걸릴 수도 있습니다.
기술 성능 보증은 추가적인 위험을 초래한다
라이선스가 부여된 공정 패키지에는 대개 다음이 함께 제공됩니다. 성능 보증. 완공된 공장이 계약에 명시된 생산 능력, 제품 품질, 에너지 소비량 또는 기타 성과 목표를 달성하지 못할 경우, 기술 라이선스 제공자는 벌금을 물어야 할 책임이 있을 수 있다.
이러한 보증을 제공하려면 해당 기술에 대한 확고한 신뢰와 성능 범위를 정의할 수 있는 충분한 운영 데이터가 필요합니다.
기술과 프로젝트 전반의 수행 범위를 모두 제공하는 EPC 계약업체의 경우, 공정 성능, 설비 비용, 시공 비용 및 일정 간에 잠재적인 상충 문제가 발생할 수도 있습니다. 발주자는 기술적 책임과 보증 사항이 명확하게 정의된 독립적인 라이선스 제공자를 선호할 수 있습니다.
EPC 시공사 역시 프로젝트 전체의 재무적 성과를 위협할 수 있는 기술 개발 위험을 피하고자 할 수 있다.
기술과 EPC 역량을 결합하려는 시도는 상당한 장벽에 직면해 있다
일부 EPC 기업들은 기술 라이선싱 분야로 사업을 확장하려고 시도해 왔다.
예를 들어, 중국국유화학공정그룹은 다음과 같은 정책을 추진해 왔는데, T+EPC, 즉 “기술과 EPC의 결합” 모델로, 자체 개발과 기술 확보를 기반으로 합니다. 또한 한국의 엔지니어링 기업들은 선별된 정유 및 방향족 공정 분야에서 독자적인 역량을 축적해 왔습니다.
그러나 여전히 몇 가지 장애물이 남아 있습니다:
- 이미 입지를 다진 라이선스 제공업체들은 주요 공정 경로를 둘러싼 방대한 특허 포트폴리오를 보유하고 있다
- EPC 기업들은 시범 플랜트나 산업적 검증 기회를 확보하지 못할 수도 있다
- 사업주들은 새로운 공정 기술을 도입하기 전에 대개 오랜 운영 실적을 요구한다.
- 검증되지 않은 기술에 대한 성과 보장은 상당한 재정적 위험을 초래할 수 있다
그 결과, 광범위한 공정 라이선싱 포트폴리오와 완벽한 EPC 수행 역량을 모두 성공적으로 구축한 EPC 기업은 극히 소수에 불과하다.
전문화는 프로젝트 효율성을 높입니다
기술 라이선싱과 EPC 수행 간의 구분은 산업별 전문화의 이점을 반영한다.
기술 라이선스 제공업체는 연구, 공정 개발, 규모 확대, 독자적인 장비, 촉매 및 운영 노하우에 중점을 둡니다. EPC 계약업체는 엔지니어링 통합, 조달, 시공, 시운전 지원, 비용 관리 및 일정 관리에 중점을 둡니다.
기술 지식의 모듈화가 이러한 분담을 가능하게 합니다. PDP는 독점적인 공정 지식을 체계적으로 관리되는 문서 및 사양 집합으로 묶어, 라이선스 제공자의 기초 연구에 대한 모든 세부 사항을 공개하지 않고도 엔지니어링 계약업체에 이전할 수 있도록 합니다.
이러한 구조는 조정 비용을 줄여주면서도 각 참여자가 자신의 가장 뛰어난 역량에 집중할 수 있게 해줍니다.
대규모 화학 공장이 건설될 때, 공정 기술은 허니웰 UOP, 인비스타(INVISTA), 린데(Linde)와 같은 라이선스 제공업체로부터 도입될 수 있으며, 엔지니어링 및 시공은 베크텔(Bechtel), 플루어(Fluor), JGC, 삼성 E&A와 같은 기업들이 담당할 수 있다.
따라서 완공된 이 공장은 기술 라이선스 제공업체, 소유주, 엔지니어링 회사, 장비 공급업체 및 시공업체 간의 협력을 통해 이루어낸 성과입니다.
결론
화학 플랜트 설계의 세 가지 주요 단계는 서로 다르지만 밀접하게 연관된 기능을 수행합니다:
- 그리고 공정 설계 패키지 프로세스 경로, 기술적 요구 사항 및 독점적인 운영 노하우를 정의합니다.
- 기본 엔지니어링 또는 FEED 해당 기술을 통합된 엔지니어링 개념으로 전환하고, 설계, 안전, 비용 및 가동성과 관련된 주요 문제들을 해결합니다.
- 상세 설계 조달, 제작, 설치 및 시운전에 필요한 시공 준비가 완료된 문서를 작성합니다.
이 세 단계 중 어느 것도 다른 단계를 완전히 대체할 수는 없다.
PDP의 품질에 따라 핵심 공정이 기술적으로 타당한지 여부가 결정됩니다. 기본 설계의 품질에 따라 해당 공정이 안전하고 가동 가능하며 경제적으로 타당한 플랜트로 구현될 수 있는지 여부가 결정됩니다. 상세 설계의 품질에 따라 설계가 정확하게 시공되고 안정적으로 운영될 수 있는지 여부가 결정됩니다.
따라서 기술 라이선스 제공자와 EPC 시공사 간의 책임 분담은 불필요한 구분이 아닙니다. 이는 서로 다른 기술 역량, 상업적 모델 및 위험 프로필에 기반한 확립된 프로젝트 수행 구조입니다.
