P&ID 기초

A. P&ID의 정의

P&ID란 Process Industry를 대표하는 플랜트 산업의 대표적 엔지니어링 도면으로 공정을 구성하는 장치와 Piping, Instruments의 관계(Interrelationship)를 도식화하고 도표화한 것을 말합니다. Piping and Instrumentation diagram 의 줄임말이며, PID라고 읽거나 표기하기도 합니다. 엔지니어링 문서 중에서 중요한 설계 문서로써, 플랜트 엔지니어링의 가장 기초이며 중요한 역할을 담당합니다. 배관이나 설비 유틸리티들에 대해 정해진 규정에 따라 기호, 약어를 사용하여 도면상에 표기하며 기계, 전기, 배관, 계측기에 대한 정보가 포함되어 있습니다. 도면상에 설비별 번호(Tag No. or Equipment No.)가 부여되어 이를 식별할 수 있게 하고 공정의 핵심적인 내용(Flow)이 포함되어 있습니다. P&ID는 프로젝트의 시작, 상세설계, 시운전, 상업운전, 유지보수, Revamp 모든 부분에 있어서 수시로 살펴보고 확인하며 참고하는 자료이며 공정설계의 핵심 역할을 담당합니다.

 

배관(Piping)은 유체(Fluid)의 흐름과 공정을 연결해 주는 역할을 하며 인스트루먼트(계측기)는 공정상에서 발생하는 물리적 변수값(압력,온도,유량,수위)을 계측 매개변수를 비례하는 신호로 공급하고 제어하기 위해 부착한 계기류를 말합니다. 이를 제어실 등의 상황실에서 한눈에 공정을 파악하고 제어할 수 있게 그룹을 만들어 관리하는 것을 "Instrumentation"이라고 합니다.

플랜트 산업에서 기계 설비 및 장치류는 배관으로 연결되어 있으며 자동화를 위해 계측기를 필요한 곳에 설치합니다. 예를 들어 압력용기 내부의 압력을 측정하기 위해서는 Pressure element가 필요합니다. 이때 측정값을 전송할 수 있는 트랜스미터를 사용하면 물리적 계측 값을 전기적 계측 값으로 변환하여 제어실로 보내 공정을 파악, 제어할 수 있게 해주는 역할을 하게 됩니다.

P&ID는 조달(Procurement) 측면에서 적절한 시점에서 장치류를 식별하고 주문할 수 있도록 가장 기본적이면서도 정확한 정보를 포함하고 있습니다. P&ID 는 결과적으로 어떠한 공장을 만들것인지를 정의하고 이에 대한 정보를 포함하고 있습니다. 다시 말해 P&ID 가 없다면 어떤 공장을 만들고 무엇이 필요한지를 결정할 수 없습니다.

 

B. P&ID 기초

플랜트 산업관련 업무를 수행하면서 공정을 도식화하고 도표로 작성, 해독하기 위해서는 일정 수준의 관련 지식이 필요합니다. 가장 기본이 되는 것은 Symbol & Legends를 이해하고 파악하는 것에서부터 시작한다는 점을 기억해야겠습니다. 이는 곧 P&ID를 해독하는 첫걸음이 되는 것으로 일반적으로 공사별, 회사별로 표준화된 Symbol & Legends를 사용하지만 보편적으로 국제 규격 DIN, ISO, ANSI 등을 사용합니다. P&ID Symbol & Legends의 계측기 관련 대표적인 관련 규격으로는 ANSI/ISA-S5.1 이 있습니다.

• ANSI/ISA-S5.1 American National Standard Instrumentation Symbols and Identification
• ISA-S51.1 Process Instrumentation Terminology
• API RP550 Manual on installation of Refinery instruments and control system
• SAMA PMC 20.1 Process Measurement and control terminology
• SAMA PMC 22.1 Functional Diagraming of instrument and control system
• ANSI C85.1 Terminology for automatic control
• API RP 14C 2. Safety device symbols and identification : 안전 장치류의 Symbol, Legends 내용을 확인할 수 있습니다. 

C. P&ID의 구성요소

P&ID는 크게 3가지 요소로 이루어져 있습니다.

• 장치류(Equipment)
• 배관(Piping)
• 계장류(Instrument)

설비와 설비간에 연결 이송되는 유체의 흐름을 배관 라인으로 도식화합니다. 파이프 플랜지와 같은 접속 포인트 역시 표기하는 것을 원칙으로 하며 유체의 분기 및 방향 전환을 의미하는 Tee, Reducer, Elbow 또한 P&ID 에 포함합니다. 설비는 특정 구역 내에 설치할 목적의 장비로써 P&ID Symbol & Legends에 표기하며 시스템을 구성하는 모든 기자재, 용기, 열교환기, 펌프, 컴프레셔 등 유체의 이송에 접속되어 있는 것은 표기하는 것을 원칙으로 합니다. 이때 설비별 상세한 기계적 사항은 포함되지 않고 도식화하는 것으로만 정리합니다. 예를 들어 설비의 구조물인 Frame(or Structure)는 공정의 유체 흐름에 직접적인 관련성이 없는 것으로 표기하지 않습니다. P&ID를 구성하는 마지막 요소인 계장류는 공정을 운영하기 위해 필요한 제어 시스템으로 분류됩니다. 공정관리를 위한 측정 3대 요소인 온도, 압력, 유량을 측정하기 위한 계측 장치류 및 유량제어 관련 신호를 P&ID 상에 포함되어야 합니다. P&ID는 공정, 기계, 전계장, 제어, 배관, 밸브, 토목, 전기 모든 내용에 대해서 가능한 범위 내에서 상세하고 누락되는 부분 없이 기재하는 것을 목표로 합니다. 

 

D. P&ID와 PFD의 차이점

P&ID는 PFD와 유사한 점을 갖고 있으나 엄연히 다른 기술문서로 분류 됩니다. PFD는 P&ID의 전 단계로써 공정 흐름에 필요한 상대적으로 간략한 정보를 포함하고 있습니다.

PFD - Process Flow Diagram 기초 정보

 PFD는 일반적인 공정상의 흐름을 표기하는 것으로 최소한의 세부사항과 Normal operation 에 필요한 정보를 포함하고 있습니다. 필수적이지 않은 계장류는 포함되지 않습니다. PFD의 핵심은 주요 설비를 바탕으로 주요 제어, 계장류를 포함하는 것을 목적으로 합니다.

• 설비 심볼 (Equipment Symbols)
• 설비 크기 (Equipment size)
• 운전 방법 (Control Scheme)
• 유량 (Flow rates)
• 압력 (Pressure data)
• 열정산 (Heat duties)
• 몰 중량 (Mole weight)
• 압력, 온도 값(Pressure, Temperature data)

P&ID 기초 정보

• 배관 크기 및 Rating, 재질 정보
• 설비 번호, 배관 번호, 전계 장류 번호, 밸브 번호
• 압력밸브 Set pressure
• 밸브 Control Scheme
• 밸브 By-pass
• 블라인드 위치 (Blind locations)

 

E. 장치류 도식화 표준 항목 

 

1) Tanks and Vessels

• Type of tank
• Numbered column trays
• Internals
• Gas blanket/purge
• Cathodic protection
• Tank heater and mixer
• Nozzle number ans size
• Manhole

2) Compressor and blower, pumps

• Suction strainer
• Seal (Packing or Mechanical seal) system
• Lubricating oil system
• Blowdown valves
• Acoustic and personnel protection insulation
• In/out nozzle sizes

3) Heat exchanger 

• Type of fan
• Number of shells
• Number of tube side and shell side passes
• elevation

 

F. Symbol & Legends의 예시

 

아래의 그림 2는 Symbol & Legends의 예시입니다. 이처럼 실제 현업에서 사용되는 배관이나 피링류, 밸브, 장치류를 심벌로 만들고 설명을 기재해 놓은 것이 Symbol & Legends이며 이를 바탕으로 P&ID를 Drafting 하고 해독하는 과정을 거치게 됩니다. 

 

그림 2. Symbol & Legends

 

공사별로 Symbol & Legends를 초기에 세팅하고 표준화 작업을 거치기 때문에 항상 공사별 Symbol & Legends를 확인해야 합니다. 표준화 작업을 하는 이유는 P&ID를 해독하는데 있어 오차를 최소화 하는데 목적이 있습니다. P&ID를 사용하는 목적은 공정을 구성하기 위한 도식의 목적 외 여러가지 이유가 있습니다. 밸브의 위치를 파악하기 위해서, 안전밸브의 셋팅 값을 확인하건, Control valve의 Action, By-pass의 위치, 배관의 번호, 사이즈, Rating, 블라인드 플랜지의 위치를 확인하는 등 많은 목적을 갖고 있습니다. 기타 설비 관리를 위한 식별 번호의 확인, 계장류의 번호, 위치를 확인하는데도 사용합니다.

 

G. P&ID 흐름의 이해

그럼 기본적인 내용을 바탕으로 P&ID를 그려보면서 보는 법을 살펴보겠습니다.

Step.1 먼저 주요 배관을 자유롭게 배치해보겠습니다.

Step 1. Main process line

 

• 위의 그림(step.1)과 같이 주요 배관라인을 배치하였습니다. 도면상의 우측 상단에 주요 배관이라고 표기하고 설명을 기재하였습니다. 

 

Step 2. 원심펌프

Step 2. 다음 단계로 Process Fluid(유체)를 이송해 주는 장치 중에 하나인 펌프를 왼쪽 위에 배치하였습니다. 공정 유체는 물이라고 가정하겠습니다. 물을 이송해주는 장치 중에 기본인 원심 펌프가 있습니다. Step.1과 마찬가지로 심벌과 Legends를 우측 상단에 표기하였습니다.

Step. 3 다음 단계로 펌프에 기기 번호를 부여하겠습니다. 기기 번호는 장치를 식별하기 위해 공사별 번호 체계를 다라 부여하며 이는 엔지니어링 업무 수행 시 관련 서류를 작성하거나 P&ID 상에서 구분하고 상업 운전 시 관리 및 식별을 목적으로 사용됩니다.
본문에서는 글 은 씨가 임의로 기기 번호를 부여하겠습니다. 공사별로 기기 번호 관련 절차서가 표준화되어 있으므로 이에 따라 번호를 부여해야 하는 점 기억해야겠습니다.

• P-10-01A라는 기기 번호를 펌프에 부여
• P=pump
• 10=Indoor 설치(실내)
• 01=순서
• A=열

Step 3. 기기번호

 

• 위의 그림 (Step 3. 기기번호)에서는 펌프를 듀얼로 배치하였습니다. 제가 임의로 설정한 번호 체계를 따라 P-10-01A/B 기기 번호를 부여했습니다. 펌프를 2중으로 구성하는 것은 A/B 개별 펌프의 고장이나, 유지 보수 시 공정을 유지할 수 있게 하는데 그 목적이 있습니다. 

Step. 4 다음으로 펌프 토출 방향으로 역류방지용 체크 밸브를 부착하였습니다.

Step 4. Check valve

 

Step. 5 TI-001A와 FIT-01A를 배치하였으며 Symbol & Legends에 추가하였습니다. TI-001A는 Temperature indicator (온도측정기)이며 Local에서 온도를 점검하기 위한 목적입니다. FIT-001A는 Ultrasonic Meter로 물의 흐름을 측정하기 위하여 배치하였습니다. 

Step 5. FI & FIT

Step. 6 다음으로 아래와 같이 이송된 물을 저장할 수 있는 Storage Tank(저장탱크)를 배치하였습니다. 설비 번호는 ST-001A를 부여하였습니다. 

Step 6. 저장탱크 배치

Step. 7 FI-01A와 FAL/FAH-001A를 각각 표기하였습니다. 이는 물리적인 장치가 아닌 제어를 하기 위한 목적으로 배치하였습니다. 각각의 Function(기능)은 다음과 같습니다.

FI-001A: Flow Indicator (Display 목적)

FAL-001A: Flow Alarm Low (유체 흐름이 낮을 경우 알람)

FAH-001A: Flow-Alarm High (유체 흐름이 높을 경우 알람)

Step 7. Instrument Control

Step. 8 아래 그림과 같이 Storage tank의 압력을 확인하기 위해서 PI-001A Pressure indicator를 부착하였습니다.

Step 8. Instrument Control

 

Step.9 P&ID의 완성

Step.9 Sample P&ID>

 

• P&ID가 완성되었습니다. 도면을 기준으로 좌측에 Piping과 장치, Instruments의 관계도가 오른쪽 위에 Symbol & Legends가 배치되어 있습니다. 이처럼 기기, 배관, 계장류, 신호등의 상호 관계를 정해진 규칙에 따라 도식화한 것이 P&ID입니다. 위의 P&ID는 이해를 돕기 위해 간략하게 그려진 것입니다. 실제 현업에서 사용되는 P&ID들은 복잡하고 많은 배관과 계장류, 신호들로 이루어져 있습니다. 또한 표준화되어 있지 않은 Symbol & Legends를 사용하는 경우도 있기 때문에 초보자의 시각에서 해독하기란 어려운 부분입니다. 우선적으로는 전체 공정에 대한 이해도가 바탕이 되어야 하며 단계별로 Symbol & Legends를 보고 계기류의 이해도가 필요함을 기억해야 합니다.