제철소 일반 배치도 설계는 시설의 공간 요구사항에 대한 지식과 이들의 적절한 배치를 통해 생산 주기의 지속적이고 안정적인 흐름이 이루어지도록 하는 메커니즘을 포함합니다. 플랜트의 일반 배치도는 생산성과 플랜트 효율성에 큰 기여를 합니다.
일반 배치도 설계의 중요성
제철소 일반 배치도 설계는 매우 중요한 활동으로 최고 수준의 주의가 필요합니다. 제철소 건설이 완료되면 플랜트 일반 배치도의 기본 성격은 플랜트 수명이 다할 때까지 변경할 수 없기 때문입니다. 추후 배치도 수정은 어렵기만 한 것이 아니라 막대한 자본 지출을 수반합니다. 또한 제철소의 성능은 일반 배치도에 크게 의존합니다. 일반적으로 배치도 실수는 영구적일 뿐만 아니라 비용이 많이 들기 때문에, 플랜트 엔지니어링 단계에서 최적의 배치도를 도출하기 위해 많은 시간과 노력을 투자하는 것이 필수적입니다.
그림 1 제철소 일반 배치도 전형적 예시 (베들레헴 제철소)
일반 배치도의 구성 요소
'일반 배치도'라는 용어는 주로 플랜트의 다양한 시설의 물리적 배치를 나타내는 데 사용됩니다. 이 시설들은 원자재로부터 완제품을 생산하는 데 필요하며, 다음을 포함합니다.
생산에 필요한 모든 자재 수령 시설
기술적 요구사항에 따른 생산 시설
지원 생산 시설
인원과 자재의 이동 및 통신 시설
제품 출하 시설
각종 자재 및 제품 저장 시설
행정 시설
인적 자원 복지 시설
환경 유지 시설
안전 및 보안 시설
제철소의 일반 배치도는 생산 공장, 설비, 기계, 건물, 도로·철도·배관 네트워크 등 생산 및 지원 시설의 물리적 배치입니다. 배치는 자재와 정보 등 기타 투입 요소가 작업을 통해 어떻게 흐르는지를 결정합니다. 배치는 원자재 수령부터 완제품 출하까지 자재와 유틸리티의 원활한 기술적 공정 흐름이 최소한의 취급으로 이루어지도록 계획되어야 합니다. 모든 필요 시설의 적절한 배치를 통해 원활한 생산이 이루어지도록 합니다. 엔지니어링 단계에서 배치 계획이 불량하면 비효율, 비유연성, 과도한 재고와 재공품, 높은 운영 비용 등을 초래합니다.
설계자의 전반적 목표
간단히 말해 제철소 설계자의 전반적 목표는 최종 제품의 품질과 수량 요구사항을 충족하면서 동시에 원하는 제품의 경제적 생산을 보장하는 방식으로 필요 공간을 할당하고 플랜트 및 시설을 배치하는 물리적 배치를 설계하는 것입니다.
적절한 일반 배치도 개발을 위한 필수 정보
적절한 일반 배치도를 개발하기 위해 배치 설계자는 다음 정보가 필요합니다.
부지 관련 제약사항
외부 도로, 주변 환경, 부지 경계를 보여주는 부지도
부지의 토양 특성과 레벨을 보여주는 등고선 지도
용수, 전력 및 기타 유틸리티의 가용 위치
외부 도로 및 철도 시스템의 정렬, 진입 및 진출 교통 방향, 외부 송전선 및 급수관 정렬
선택된 기술, 공정, 플랜트 및 설비에 대한 기본 지식
플랜트 용량 및 계획된 향후 확장
법적 요구사항
일반 배치도의 4대 원칙
제철소의 일반 배치도는 다음을 목표로 합니다.
지역 자연 조건을 최대한 활용하고 토지를 합리적으로 이용
플랜트 단위의 체계적 배치를 통한 시너지 창출
각종 활동에 최소한의 노력 필요
환경의 효과적 보호 보장
배치 설계 방법론
플랜트 일반 배치도 설계에는 여러 방법이 사용됩니다.
체계적 배치 계획법(SLP: Systematic Layout Planning)
알고리즘
아레나 시뮬레이션(Arena Simulation)
이 중 SLP 방법이 제철소에 가장 적합합니다.
플랜트 일반 배치도의 정의
플랜트 일반 배치도에 대한 여러 정의가 있습니다.
무어(Moore): '시설의 최적 배치를 위한 계획 또는 계획 행위. 인원, 운영 설비, 저장 공간, 자재 취급 설비 및 기타 모든 지원 서비스와 이 시설을 수용하기 위한 최적 구조 설계 포함'
릭스(Riggs): '플랜트 배치의 전반적 목표는 요구되는 산출량(수량과 품질)을 가장 경제적으로 충족하는 물리적 배치를 설계하는 것'
J L 준디(Zundi): '플랜트 배치는 전체 운영 비용이 최소화되도록 공간을 할당하고 설비를 배치하는 것'
MN 다스투르 박사(Dr. MN Dastur): '일체형 제철소의 일반 배치도는 기본적으로 선택된 부지의 제약 내에서 주 생산 단위, 에너지 네트워크, 보조 공장을 합리적으로 배치하는 연습'
일반 배치도 설계의 8대 원칙
제철소의 일반 배치도는 다양한 생산 시설의 위치와 생산 시설 간의 통신 시설을 결정합니다. 생산 공장 배치는 생산 시설 내 설비와 기계의 상세 위치를 다룹니다.
일반 배치도 설계에 사용되는 8가지 원칙:
최소 이동 원칙: 플랜트 내 인원과 자재의 최소 이동을 보장하여 시간 절약과 자재 이동 중 손실 방지
순서/흐름 원칙: 생산 기술에 필요한 공정 흐름대로 생산 단위를 배치하여 자재의 불필요한 왕복 이동 방지
용도 원칙: 공간 요구사항이 최적 활용을 기반으로 함
집약성 원칙: 모든 중요한 요소가 완전히 통합되고 연관되어 잘 통합된 일반 배치도 생성
안전 및 만족 원칙: 플랜트와 설비뿐만 아니라 근무자의 안전 규정, 근무자의 편의와 만족을 위한 계획, 화재 안전 및 보안 포함
유연성 원칙: 최소한의 어려움과 비용으로 개선이 가능하도록 하며, 향후 확장 조항 마련
상호의존성 원칙: 상호의존적인 단위를 근접 배치
최소 투자 원칙: 모든 필수 시설 설치를 간과하지 않으면서 가용 시설을 효율적·최적으로 사용하여 고정 자본 투자를 낮춤
SLP 배치 설계 방법
SLP 방법은 플랜트 일반 배치도 설계뿐만 아니라 생산 공장의 상세 배치도와 각종 시설 배치도 설계에도 널리 사용되는 인기 있는 방법입니다.
일반 배치도 설계 활동을 시작하기 전에 해당 지역의 풍향도(Wind Rose Diagram)를 연구하는 것이 필수적입니다. 이 다이어그램은 연중 플랜트 지역에서 부는 바람의 방향과 빈도를 알려줍니다. 풍향도 외에도 다음 사항이 중요합니다.
부지 경계 내 가용 토지의 다양한 레벨
플랜트를 외부 도로·철도 네트워크와 연결하기 위한 도로·철도 진입로
급수관 진입로
외부 전력망에서 전력을 수신하기 위한 송전선 진입로
플랜트 고체 및 액체 폐기물 처리 구역
토지 정지 작업은 큰 과업이자 상당한 비용이 들므로, 일반 배치도 확정 시 가용 토지 등고선을 활용하여 정지 비용을 절감하는 것이 바람직합니다.
먼저 플랜트 기술에 따른 다양한 생산 공정 간의 관계와 생산에 필요한 자재(고체, 액체, 기체)의 흐름을 고려해야 합니다. 이를 위해 플랜트의 물질 수지 및 흐름도를 작성하는 것이 일반적입니다. 물질 수지 및 흐름도 작성을 위해 수율과 자재 재활용을 기반으로 원자재, 보조 자재, 연료, 중간 자재 등의 소요량을 계산합니다. 이를 위해 수지 다이어그램(물 수지, 에너지 수지 등)을 개발해야 합니다. 마지막으로 플랜트에서 필요한 다양한 활동에 적절한 가중치를 부여하여 종합적인 관계를 개발합니다.
그림 2 전형적 물질 수지 흐름도그림 3 전형적 물 수지 다이어그램
블록 배치도 작성 및 상세 배치
다음 단계는 공정 흐름에 따라 플랜트 구역을 별도의 블록과 단위로 나누고 단위 내 시설을 구역에 배치하는 것입니다. 이 단계에서 플랜트의 평면도(Plot Plan)가 생성됩니다. 평면도 작성 시 중요도는 먼저 생산 흐름에 따른 주 생산 공장의 위치에 두고, 이후 단계에서 지원 생산 시설의 위치에 둡니다. 이 단계에서 생성된 배치를 블록 배치도(Block Layout)라고 합니다.
블록 배치가 만족스러운 수준으로 준비되면, 단위의 생산 기술에 따라 구역 내 시설 배치를 공간 요구사항을 기반으로 시작합니다. 시설을 배치할 때 법적 요건과 자재 이동(벨트 컨베이어 각도 등)에 필요한 시설 간 최소 거리를 고려해야 합니다.
이후 저장 시설과 자재 흐름 시설의 위치를 결정합니다. 자재 흐름 결정에는 외부 자재 수령과 플랜트 제품 출하가 포함됩니다. 이 단계에서 플랜트의 배관 네트워크, 송전 네트워크, 도로 및 철도 네트워크도 결정됩니다. 다양한 네트워크 계획 시 네트워크가 길수록 더 많은 투자가 필요하고 자재 수송 중 손실도 커진다는 점을 염두에 두어야 합니다. 또한 네트워크는 배치를 위한 법적 최소 거리 요건을 충족해야 합니다.
프로젝트에서 좋은 배치 계획하기
배치 결정은 장기적 약속을 나타내므로 최극히 중요합니다. 산출량, 면적, 기술 공정 간의 관계가 최적이 아니면 플랜트 운영에 평생 영향을 미칩니다. 좋은 배치 설계의 기술적 기준은 다음과 같습니다.
통합(Integration): 인원, 자재, 설비, 지원 서비스의 긴밀한 통합으로 자원의 최적 산출 달성
토지(공간) 활용: 수평 및 수직 공간의 적절한 활용. 시설의 높이와 길이 최적화. 플랜트 면적을 가장 경제적으로 활용
거리: 인원과 자재의 최소 이동 거리. 총 이동 거리 최소화. 직선 이동 선호
생산 단위 배치: 기술적 흐름에 따라 인원, 자재, 중간 제품, 완제품의 이동이 최종 단계를 향해 전진 방향으로 이루어지도록 생산 단위 배치
조정(Coordination): 어느 부서에서든 진입과 퇴장이 파견 부서와 수령 부서 모두에게 가장 편리하도록 계획. 배치를 전체적으로 고려
유연성(Flexibility): 플랜트 확장 필요 시 언제든 배치를 수정할 수 있는 충분한 조항 마련
접근성(Accessibility): 모든 플랜트 구역이 생산과 설비 유지보수를 용이하게 하도록 쉽게 접근 가능
안전(Safety): 산업 안전 방법에 대한 적절한 고려. 인원과 플랜트뿐만 아니라 도로 안전, 가스 안전, 전기 안전, 화재 및 폭발 안전 등 모든 안전 요건 충족
자재 취급(Material Handling): 자재 취급을 최소화. 과도한 자재 취급은 운영 시간과 생산 비용에 영향
좋은 일반 배치도 준비 시 고려할 기타 기본 사항
생산 공정을 용이하게 하고 모든 운영 요구사항 충족
원자재 수령, 자재 저장, 완제품 출하의 원활한 흐름 지원
중간 제품의 원활한 흐름과 저장 지원
플랜트 내 모든 자재의 원활한 흐름 허용
운영의 유연성 허용
생산 공정의 원활한 기술적 흐름 지원
근무자의 편의와 편안함 제공, 복지와 직업 건강 요구사항 배려
직원 효율성, 감독, 통제에 기여
모든 법적 요건 충족
향후 확장을 위한 충분한 공간 확보
자본 및 운영 비용 최소화 지원
일반 배치도는 최초 작성 시점부터 마지막 기초 공사가 완료될 때까지 일련의 수정 과정을 거칩니다. 그럼에도 '최종 배치도'는 필연적으로 위 다양한 기준을 충족하려는 바람과 여러 다른 요인에 의해 부과된 제약 사이의 타협안입니다. 그러나 설계자가 현재 필요와 당면한 어려움을 넘어선 개념적 비전을 가질 때, 결과적 배치도는 변경된 조건에도 불구하고 플랜트에 꼭 필요한 운영 성능을 제공하는 논리성, 유연성, 역량을 갖게 됩니다.
그림 4 후쿠야마와 구라시키 제철소의 일반 배치도그림 5 비사카파트남 제철소 일반 배치도 (연산 300만 톤 규모)