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문제 정의
- 검증의 목적은 세계최초, 세계최대 용량인 27만㎥급 LNG저장탱크에 대한 기술적 신뢰성을 확보하기 위함이었다. 주로 기계, 토목분야 국제코드 및 적용기준의 적합성과 유한요소해석의 절차, 방법, 결과에 대한 설계타당성을 검증받았고, 그 결과 지진해석방법이나 내조 스티프너의 설계최적화, 외조설계 하중조합, 여진모델 등의 권고의견을 수용, 반영하였고, 최종적으로 2단계 최적화 검증까지 완료하여 객관적인 신뢰성을 확보하였다.
제안 방법
- 기본설계가 완료된 후, 2012년에는 세계적인 선급사인 DNVDet Norske Veritas와 계약을 체결하여 27만㎥급 초대용량 LNG저장탱크의 기본설계에 대한 제3자 검증을 진행하였다.
- 기본설계를 수행하기에 앞서 건설사례, 동향, 설계코드분석, 저장탱크 공정분석, 대형화 주요인자분석, 설계용량 산정 및 개념설계를 수행하였다. 대형화 영향인자는 주로 내조두께, LNG선박의 운송용량, 부지활용도 측면에서 검토하였다.
- 완료된 기본설계 성과들을 바탕으로 삼척생산기지 10~12호기에 27만㎥ 초대용량 LNG저장탱크 설계 및 시공이 2011년 확정되어 상세설계를 2012년 완료하였다. 대상 부지의 지질조사부터 시작하여 상세설계에 필요한 제반자료들을 모두 수집하고 정적해석, 온도해석, 지진해석, 비상하중해석 등을 수행하여 한계상태설계법 LSD; Limit State Design에 기반한 설계를 완료하였다.
- 대형화 영향인자는 주로 내조두께, LNG선박의 운송용량, 부지활용도 측면에서 검토하였다. 또한, 건설시 경제성, BOR(Boil Off Ratio, 증기가스발생률)도 고려하였다.
- 설계코드는 EN을 기본설계코드로 적용하였고, 단면 제원의 최적화를 위하여 내조직경별 응력비, 내조 쉘 두께와 같은 변수들을 종합적으로 검토하였다. 그 결과, 내조직경을 90m로 정하는 것이 구조적으로나 경제적으로 가장 최적 직경임을 확인하였다.
- 같은 해 삼척생산기지에의 적용이 확정된 상태에서 동일본대지진에 의한 후쿠시마 원전사고가 발생하여 기본설계부터 내진설계기준을 재검토하는 상황이 발생하였고, 최신 EN코드에서 요구하는 SSE(Safe Shutdown Earthquake, 붕괴방지수준) 재현주기 4975년 수준의 지진에도 견딜 수 있도록 내진설계를 재검토하는 우여곡절을 겪었다. 이에 따라 내부탱크의 들림현상을 방지하고자 앵커스트랩Anchor strap을 설치하도록 설계를 수정하였다. 2012년에는 상세 설계와 제3자 검증을 완료하여 2013년부터 기초공사를 시작하였다.
이론/모형
- 먼저 직경 914mm 말뚝에서 1016mm 대구경 말뚝으로 변경하면서 말뚝본수를 당초 833본에서 685본으로 줄여서 공사비를 절감하였다. 시공법은 PRDPercussion Rotary Drill공법과 직항타공법을 병행하였다. 철재지붕은 공기부양Air-raising공법을 적용하였고 이때 철재지붕과 현수천정의 무게는 약 1210톤, 부양압력은 2kPa, 작업시간은 약 3시간 정도가 소요되었다.
- 시공법은 PRDPercussion Rotary Drill공법과 직항타공법을 병행하였다. 철재지붕은 공기부양Air-raising공법을 적용하였고 이때 철재지붕과 현수천정의 무게는 약 1210톤, 부양압력은 2kPa, 작업시간은 약 3시간 정도가 소요되었다.
성능/효과
- 설계코드는 EN을 기본설계코드로 적용하였고, 단면 제원의 최적화를 위하여 내조직경별 응력비, 내조 쉘 두께와 같은 변수들을 종합적으로 검토하였다. 그 결과, 내조직경을 90m로 정하는 것이 구조적으로나 경제적으로 가장 최적 직경임을 확인하였다.
- 넷째로, 증기가스발생률BOR이 감소한다. 자원 효율성 측면에서도 전체 표면적 대 체적비가 작아져 자연기화율BOR이 감소, 비용손실이 적다.
- 다섯째, 부지 효율성이 증대된다. 건설부지 이용효율이 높아지므로 면적 활용성이 제고되며 부지면적 대비생산량도 증가한다.
- 둘째, 20만㎥ 대비 용량이 35% 증가된다. 한국가스공사는 기술개발 성과로 얻어진 27만㎥ 저장탱크 기술을 삼척기지에 적용함으로써 기존의 20만㎥ 탱크에 비해 약 682억원의 건설비를 절감하고, 계획된 부지 내에서 21만㎥의 LNG 저장용량을 추가로 확보할 수 있게 됐다.
- 셋째, 부대비용이 절감된다. 이에 따라, 매년 투입되던 운영비와 유지 보수비는 탱크 개수가 줄어든 만큼 절약할 수 있다.
- 이와는 별도로, BOR을 분석하여 20만㎥급에서 적용된 0.05wt%/day보다 상향된 0.04wt%/day의 BOR을 만족시킬 수 있었다. 한편, 기본설계 결과물을 가지고 개략적인 공사물량 및 공사비를 비교 분석하여 경제성이 있음을 확인하였다.
- 검증의 목적은 세계최초, 세계최대 용량인 27만㎥급 LNG저장탱크에 대한 기술적 신뢰성을 확보하기 위함이었다. 주로 기계, 토목분야 국제코드 및 적용기준의 적합성과 유한요소해석의 절차, 방법, 결과에 대한 설계타당성을 검증받았고, 그 결과 지진해석방법이나 내조 스티프너의 설계최적화, 외조설계 하중조합, 여진모델 등의 권고의견을 수용, 반영하였고, 최종적으로 2단계 최적화 검증까지 완료하여 객관적인 신뢰성을 확보하였다.
- 첫째, 18만㎥ 대비 용량이 50% 증가된다. 전체 저장용량이 같은 18만㎥급 3기를 27만㎥급 2기로 대체할 경우 LNG저장탱크 대형화는 시공비용 절감으로 이어진다.
- 04wt%/day의 BOR을 만족시킬 수 있었다. 한편, 기본설계 결과물을 가지고 개략적인 공사물량 및 공사비를 비교 분석하여 경제성이 있음을 확인하였다.
후속연구
- 그러나 해외의 경우 최대 용량이 20만㎥급에 머물고 있는 등 LNG Chain의 타 분야 기술개발에 비해서는 어느 정도 한계에 이르렀다고 볼 수도 있다. 따라서 향후 20여간 이상 세계 최대용량으로 최적화되어 있는 설계기술을 선점함으로서 국제적인 경쟁력을 확보하고 사업화하는데 선도적 역할을 담당하게 할 수 있을 것이다.
- 최근의 국제적인 설계기술개발 동향이 Onshore 기술이 아닌 Offshore 기술로 상당부분 변화되고 있기는 하지만 기본적으로 LNG Chain의 한 부분으로 LNG저장탱크 설계/시공 기술이 차지하는 부분은 변할 수가 없으므로 꾸준한 사업화 가능성이 열려 있다고 할 수 있겠다. 또한 금융위기 등 경제여파를 겪은 국제시장 동향이 보다 경제적이고 효율적인 설비 운영을 목표로 하고 있으므로 기존 14만㎥급 설계기술과 20만㎥급 설계기술에 최대용량인 27만㎥급의 설계기술을 적극 활용하여 액화플랜트 사업 내 기술 선도 주자로 사업화를 가장 적극적으로 추진할 수 있을 것이다.
- 또한, 단순한 경제적인 설계 기술 개발에 그치지 않고 그동안의 노하우를 체계적으로 반영하여 국내 건설 예정인 LNG저장탱크에도 적용이 가능한 안전 설계 기술을 개발하여 좀 더 신뢰도가 높고 안전성이 확보되었다는 인식을 심어 줄 수 있는 좋은 기회가 될 것으로 보인다. 한편, 약 15년 이상 소재개발에 적극적으로 참여해온 기술개발 노하우는 국내 중소기업을 중심으로 보다 폭 넓은 영역으로 확대함으로서 경쟁력을 갖추는 기반이 될 것이다.
- 현재 다소 소강상태에 빠져 있는 이러한 분위기는 에너지 업계의 흐름으로 분석해 볼 때 향후 5년 이내에 다시 성장기로 재집입하여 상당기간동안 활발하게 추진될 것을 예측하는 것은 어렵지 않은 부분이다. 이러한 분위기를 살펴볼 때 현재 침체기라고 판단하더라도 활발한 기술개발을 거쳐 독보적인 성과를 이루어 낸다면 충분히 경쟁력을 갖춘 사업화 아이템으로 정착될 수 있을 것이다.
- 또한, 단순한 경제적인 설계 기술 개발에 그치지 않고 그동안의 노하우를 체계적으로 반영하여 국내 건설 예정인 LNG저장탱크에도 적용이 가능한 안전 설계 기술을 개발하여 좀 더 신뢰도가 높고 안전성이 확보되었다는 인식을 심어 줄 수 있는 좋은 기회가 될 것으로 보인다. 한편, 약 15년 이상 소재개발에 적극적으로 참여해온 기술개발 노하우는 국내 중소기업을 중심으로 보다 폭 넓은 영역으로 확대함으로서 경쟁력을 갖추는 기반이 될 것이다.
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