광산업에서 다양하게 활용되는 열화상 기술

각 공정 단계에서 핵심적인 모니터링 도구로 활용 가능한 적외선 기술 및 제품

광산업의 경우, 수백, 수천 명의 인부들이 매우 혹독한 기후와 환경에서 일을 해야 하는 산업입니다. 최근, 열화상 기술은 이런 광산업 현장의 안전성을 제고해 주고, 동시에 예상치 못한 가동 중지 사태도 예방해줌으로써 수백만 달러에 달하는 비용을 절감할 수 있게 도와주고 있습니다. 이번 사용 참고서에서는 “공정” 상태 모니터링 (광석에서 미네랄을 추출하는 “공정”) 및 채광 작업에 활용되는 전기 및 기계 시스템의 예방 정비 업무에 열화상 기기를 통합 설치/활용하는 것의 가치를 집중 조명해 볼 것입니다. 또한, 이번 사용 참고에서는 최근 광산업에서 더욱더 큰 인기를 끌고 있는 열화상 기술/제품 활용법도 살펴볼 예정입니다.

도전 과제

광산은 여러모로 하나의 작은 독립된 도시라고 볼 수 있습니다. 각 광산은 별도의 전기, 난방 등 공급 처리 시설 뿐만 아니라, 도로, 특별 처리 장비, 안전 요건 및 규정, 광산업에 종사하는 전문 인력까지 갖추고 있습니다. 아울러, 광산은 1년 365일, 24시간 가동되기 때문에 대규모 인프라 시설을 통해 현장 변전소에서 전력을 공급하고, 지하 깊숙한 지점까지 냉각된 공기를 이동시키거나, 갱도에 물이 고이는 것을 피하기 위해 배수 시설을 작동시킵니다. 최대 400톤급 트럭, 강력한 세븐 (가스 및 전기형), 분쇄기, 선광 및 가공 시설의 경우, 수 킬로미터에 달하는 지하 터널 또는 수 천 에이커의 오픈 피트 (open-pit) 광산에서 귀금속 또는 기타 필수 원자재를 채광하는데 사용됩니다

광산은 현장의 변전소를 통해 상당한 양의 전력을 공급받아야만 원활한 가동 상태를 유지할 수 있습니다

가동 정지 사태 발생의 피해

광산의 잠재 수익성은 산출량, 즉 예기치 못한 작업 중단 사태없이 모든 시스템이 얼마나 잘 작동하는지에 따라 결정됩니다. 일례로, 골드 바 (Gold Bar) 프로젝트는 향후 연간 1.8 ton의 금을 채굴할 것으로 예상하고 있습니다. 즉, 1년 365일 광산을 가동한다고 가정했을 때, 일당 생산량은 4.8 kg, 시간당 생산량은 0.2 kg 이 되어야 한다는 뜻입니다. 금 가격을 28 g당 1,200 달러로 책정한다면, 가동을 중지해야 하는 사태가 발생하면, 한 시간당 손해액은 8,628 달러에 달하게 됩니다. 가동 중지 상황이 장기화된다면, 손실액은 1주일이 경과하기도 전에 수백만 달러를 넘어설 수 있습니다. 물론, 광산에 따라 생산량이 더욱 많거나 적을 수도 있기 때문에 정확한 손실액은 상황이 실제 발생해야만 산출이 가능합니다. 아울러, 가동 중지를 요하는 문제가 발생하면, 문제가 해결되어도 운영비가 상승할 가능성이 높습니다. 상기 사례의 경우에는 이런 운영비 증가 여부도 반영하지 않았다는 사실을 유념해야 합니다.

설비의 내구성과 정비성은 광산의 운영비 수준에 큰 영향을 미칩니다. 대부분의 설비는 해당 광산을 위해 주문 제작되는 특별 장비이기 때문에 교체를 하려면 추가적으로 막대한 비용을 투자해야만 하며, 광산 현장에 활용되는 차량 또한 구입 가격이 수백만 달러에 이릅니다. 이에, 각종 트럭, 굴착, 침출 장비를 도입하면, 효용성을 최대화하는 것이 관건이라 볼 수 있습니다.

광산업의 예방 정비 관련 도전 과제

막대한 피해를 야기시킬 수 있는 가동 중단 사태나 장비 손실을 방지하기 위해 (그리고 보험료를 줄이고 근로자의 안전을 향상시키기 위해) 광산 업체들은 포괄적인 예방 정비 프로그램을 유지하여 정전을 예방하고 광산이 지속적으로 가동될 수 있도록 운영하고 있습니다. 프로그램을 관리하는 팀의 규모는 작업의 규모에 따라 결정됩니다. 그러나 광산 작업의 전기 및 기계 시스템은 대체로 복잡하기 때문에 프로그램을 담당하는 관리팀은 광산 장비, 운송 및 전기 응용 분야에 대한 지식을 갖추고 필수 교육 훈련을 받은 인력으로 구성되어야 합니다. 광산 업체가 일부 작업을 아웃소싱 하는 것은 일반적이지만, 모니터링 및 수리 작업을 내부적으로 실시하면 비용 효율성을 높일 수 있기 때문에 가급적 모니터링과 수리 작업을 직접 실시하는 것이 유리합니다. PM 업무를 누가 수행하든 관계없이 광산업을 성공적으로 영위하기 위해서는 다음과 같은 문제를 해야 합니다.

• 환경 조건: 대부분의 광산은 극심한 열이나 추위, 습도가 높은 환경에서 작업을 요하고, 야간이나 지하에서 채굴이 이루어지기 때문에 24시간 모니터링 및 장비 정비에 여러 어려움이 발생합니다.
• 먼지: 광산업은 그 특성상 오염도가 높은 산업이지만, 광산 중에서도 오염도가 특히 높은 광산도 있습니다. 예를 들어, 지하 석탄 광산의 경우, 오픈 피트 (open-pit)형 구리 또는 금광에 비해 먼지 관련 문제가 더 심각합니다.
  
• 디지털화: 광산업도 최근, 각종 작업을 디지털화 함으로써 얻을 수 있는 혜택에 주목을 하고 있습니다. 여타 산업과 마찬가지로, 데이터를 빠르게 조회하고 활용하면 비용 효율성과 생산성을 향상시킬 수 있습니다. 광산업에도 의사결정을 실시간으로 할 수 있도록 도와주는 데이터를 제공함으로써 보다 높은 투자 수익률을 가져다 줄 디지털 모니터링 솔루션이 필요한 실정입니다.
  

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해결책

20여년 전, 유타 주 오그던 (Ogden)에서 Infrared Systems를 창업한 페르 포스트페트 (Per Fostvedt)는 광산 현장의 생산 공정과 예방 정비 프로그램을 개선해줄 수 있는 열화상 기술과 제품을 판매하기 시작하였습니다. “제가 처음 적외선 기술을 홍보하기 위해서 광산업체들에게 전화를 돌렸을 당시에는 반응이 대체로 부정적이었어요. 실제, 그때 광산업체들의 영업 방침은 우선 설비가 고장 날 때까지 활용한 다음, 고장이 나면 그때서야 수리를 하거나 교체를 하는 것이었습니다”라고 포스트페트는 전했습니다.

그러나, 시간이 흐르면서 이러한 광산업체들의 영업 방침도 점차 변하기 시작했습니다. 정기적으로 예방 정비를 실시하면, 현장 인부를 위한 작업 안전성을 제고하고 시간과 비용도 절감할 수 있다는 장점이 있습니다. 열화상 카메라는 전기 및 기계 시스템에서 가장 흔히 사용되는 예방 정비 도구로 자리를 잡았을 뿐만 아니라, 각종 작업의 모니터링과 더미 추출 작업에도 유용하게 활용되는 도구로 거듭났습니다.

광산업에서 인부의 안전은 최우선시되는 조건입니다. 일반적으로 안전성을 제고해줄 수 있는 솔루션이 있으면, 대부분의 광산업체들은 투자할 용의를 갖고 있습니다.

최근, 대다수의 광산은 열화상 카메라와 소프트웨어를 소유하고 적외선 교육 과정에 직원을 파견하여 활용법에 대한 이해도를 높이고 적외선 카메라의 작동 방식을 학습할 수 있도록 지원하고 있습니다. 실제로, 네바다 주 엘코 (Elko) 소재의 광선업체들은 2018년에 세 개의 열화상 인증 과정을 개설하고 운영한 바 있습니다. 이는 포스트페트가 Infrared Systems를 설립한 이래, 광산업에서 열화상의 중요성이 얼마나 높아졌는지를 증명하는 사례라고 볼 수 있습니다. 이런 성공에 힘입어, 미국 남서부 지역의 광산업체들은 2019년에 열화상 기술/제품 관련 교육훈련 프로그램을 더욱 적극적으로 펼칠 예정입니다.

광산업체들은 또한 열전달 관련 지식을 기반으로 정성적/정량적 열화상 측정 업무를 통해 고품질의 열화상 데이터를 수집하고, 정확한 온도 측정 정보 수집, 필요한 설비 상태 정보를 제공할 수 있는 외부 특별 전문가를 고용하고 있는 실정입니다. 이런 외부 전문가들은 필수 Mining Safety and Health Administration (MSHA) 인증을 득하고 현장 위험 및 안전 교육을 받아야만 하며, 신원 조사까지 통과해야 합니다. 이러한 엄격한 조건을 충족해야 하는 것이 번거롭기는 하지만, 외부 열화상 전문가는 각 상황에 맞는 검사 절차와 전문적인 통찰력을 기반으로 식별 가능한 온도 관련 패턴을 잡아내고 경우에 따라서는 장기간에 걸쳐 나타나는 문제 현상까지 찾아낼 수 있습니다.

전기 관련 효용성

그림 1. 고장 직전인 광산 현장 변전소의 전압 조정기.

그림 2. VFD 공정 모터에 전력을 공급하는 고장 직전의 수축기.

전기 관련 효용성

광산업의 경우, 광석을 추출, 수송, 처리할 때, 경유에 비해 효율성이 우수하고 친환경적인 전기를 주로 사용합니다. 이때, 광산 현장에서 사용되는 전력의 양과 전압 등급은 일반적으로 다른 산업과 비교하였을 때 훨씬 높은 편입니다. 실제, 2017년 미국 에너지정보국에서 발표한 에너지 소비 조사에 따르면, 광산업은 벌크 화학 산업과 정유산업에 이어 전력 소비량이 3위인 것으로 나타났습니다

광산 현장에서 전력은 변전소에서 공급이 시작되어, 고압 전선을 타고 각 이동 변전소로 공급이 되고 변압기를 통해 각 지점에서 활용이 됩니다. 그림 1의 열화상을 살펴보면, 고장 일보직전인 변전소 전압 조정기의 모습을 확인할 수 있습니다. 해당 변전소의 경우, 광산의 핵심 작업을 관장하는 기기에 전기를 공급하는 변전소였기 때문에 고장이 발생했다면 예측하지 못했던 작업 중지 사태를 일으켜, 수백만 달러의 손실을 가져올 뻔 했습니다.

그림 3. 윤활유 부족으로 인해 해당 로프 셔블 (rope shovel)의 좌측하단 실린더의 온도가 상승하고 있습니다.

그림2에서 보이는 바와 같이, 다른 광산 현장의 요청으로 검사를 하는 과정에서 포스트페트는 모터제어센터 (MCC) 버킷의 480V 접촉기가 고장 일보직전이라는 사실을 발견해냈습니다. 가변 주파수 드라이브 (VFD) 모터와 연결이 되어 있던 이 MCC 버킷의 경우, 예기치 못한 고장이 발생 더라면 최대 100,000 달러의 손실이 발생할 수도 있었습니다.

기타 광산업에서의 활용

T 광산업에서 열화상 기술과 제품은 전기나 기계적 예방 정비 작업 이외에도 여러 분야에서 활용됩니다. 광산의 종류에 따라, 다음과 같은 용도로 활용이 가능합니다.

• 상태 모니터링: 고정 설치형 기기 및 차량 장착형 열화상 카메라는 온도 경도, 전기 기기, 스위치 기어 등 다양한 목표물을 추적할 수 있도록 중앙 모니터링 스테이션에 실시간 이미지와 데이터를 제공합니다. 작업을 디지털화 한 광산에서는 이러한 이미지의 데이터를 분석하여 오류를 보다 정확하게 예측하고 정비 시간을 단축할 수 있을 뿐만 아니라, 생산 중단 시간도 최소화할 수 있습니다.
• 보안: 광산 현장을 대상으로 순찰 업무를 수행해야 할 때, 광산의 규모, 접근성, 안전성 등으로 인해 순찰이 어려운 상황이 발생할 수도 있습니다. 팬/틸트/줌 (PTZ) 기능, 고해상도 열화상 및 실화상 카메라, 최첨단 클라우드 기반 네트워킹 기능, 소프트웨어, 분석 기능 등을 광산 현장의 통제실에 설치하면, 한 곳에서 광산 현장 전체를 효과적으로 모니터링 할 수 있습니다.
• 안전: 열화상으로 광산 벽의 안전성을 모니터링함으로써 안정성 데이터를 더욱 많이 확보하여, 광산업체들은 근로자를 광산에 투입하는 것이 안전한지 여부를 판단할 수 있습니다.
• 적외선 점검창: 많은 광산업체들은 새 장비 (특히, 전기 장비)에 열화상 검사를 더욱 안전하고 쉽게 할 수 있게 도와주는 적외선 점검창을 요하고 있습니다. 아울러, 상당수의 광산은 기존 장비에 적외선 점검창을 새롭게 설치하고 있는 실정입니다.
  
• 드론: 무인 항공 모니터링은 공중이나 광산 현장에서 눈으로는 보이지 않는 배전 시스템의 온도 차 등 온도에 대한 포괄적인 정보를 제공합니다.
  

광산 현장 생산성 및 안전성 유지

광산 현장에 사용되는 장비는 우수한 내구성을 갖추고 있어야 합니다. 물론, 열화상 카메라 자체는 대기 중에 먼지가 있어도 이를 투과하여 목표물을 측정할 수 있지만, 렌즈에 과도한 양의 먼지가 쌓이면 그 성능을 발휘할 수 없게 될 가능성이 있습니다. Infrared Systems 등 FLIR Systems의 특별 통합설치 제품의 경우에는 고정식으로 설치된 적외선 카메라 렌즈에 먼지가 쌓이는 것을 막아주는 상시 작동 에어 퍼지 시스템을 갖추고 있는 것이 특징입니다. 휴대용 적외선 카메라를 사용하는 열화상 진단 기술자라면, 경우에 따라 카메라를 밀폐된 투명 플라스틱 백에 넣어 점검 업무를 수행할 수도 있습니다.

최근, 광산업계는 다양한 작업과 업무를 수행하는데 열화상 기술과 제품을 예방 정비용으로 믿고 활용하고 있습니다. 포스트페트는 “적외선 기술과 제품은 급수 시스템, 냉장 시스템, 각종 작업 공정, MCC 등에 전력을 공급하는 변압기와 지하/ 지상의 변전소를 모니터링하는데 핵심적인 역할을 해줍니다”라고 전했습니다.

열화상은 차별화된 기술입니다. 이런 열화상 기술과 제품들은 광맥을 따라 채굴을 하고 코어 샘플의 분석 결과에 따라 다양한 지점에서 작업을 해야 하는 광산업체들이 성공을 거둘 수 있도록 업무 수행에 큰 도움을 주고 있습니다.