[논문]FLNG개념설계 단계에서 SMR 및 DMR 액화공정의 잠재적 폭발위험도 비교

유원우; 채민호; 박재욱; 임영섭

doi:10.26748/ksoe.2018.4.32.2.095

FLNG개념설계 단계에서 SMR 및 DMR 액화공정의 잠재적 폭발위험도 비교
Potential Explosion Risk Comparison between SMR and DMR Liquefaction Processes at Conceptual Design Stage of FLNG 원문보기

韓國海洋工學會誌 = Journal of ocean engineering and technology, v.32 no.2, 2018년, pp.95 - 105

유원우 (서울대학교 조선해양공학과) , 채민호 (현대자동차) , 박재욱 (삼성중공업) , 임영섭 (서울대학교 조선해양공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

An FLNG (floating liquefied natural gas) or LNG FPSO (floating production, storage and offloading) unit is a notable offshore unit with the increasing demand for LNG. The liquefaction process on an FLNG unit is the most important process because it determines the economic feasibility, but would be a hazard source because of the large quantity of hydrocarbons. While a high efficiency process such as C3MR has been preferred for onshore liquefaction processes, a relatively simple process such as the SMR (single mixed refrigerant) or DMR (dual mixed refrigerant) liquefaction process has been selected for offshore units because they require a more compact size, lighter weight, and higher safety due to their space limitation for facilities and long distance from shore. It is known that an SMR has the advantages of a simple configuration, small footprint, and lower risk. However, with an increased production rate, the inherent safety of SMR needs to be evaluated because of its small train capacity. In this study, the potential explosion risks of the SMR and DMR liquefaction processes were evaluated at the conceptual design stage. The results showed that an SMR has a lower overpressure than a DMR at the same frequency, only with a small production capacity of 0.9 MTPA. With increased capacity, the overpressure of the SMR was higher than that of the DMR. The increased number of trains increased the frequency in spite of the small amount of equipment per train. This showed that the inherent risk of an SMR is not always lower than that of a DMR, and an additional risk management strategy is recommended when an SMR is selected as the concept for an FLNG liquefaction process compared to the DMR liquefaction process.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 폭발 위험도 분석 방법론을 차용하여 개념설계단계에서 다른 정보가 동일하다고 가정하는 경우 동일한 생산용량을 가지는 SMR 액화공정과 DMR액화공정의 잠재적 폭발 위험도를 비교하여 상대적 잠재 위험도를 도출하고자 하였다. 이를 위하여 SMR 및 DMR 액화공정을 모사하고 이를 최적화하여 효율을 극대화 하였고, 최적화된 운전조건에서 폭발 위험도를 분석하여 어떠한 차이가 나타나는지를 연구하였다.
이는 많은 정보량과 비용 투자를 요구하므로, 개념설계 단계에서는 제대로 이루어지기 어려운 문제점이 있다. 본 연구에서는 2종류의 액화공정에 대하여 개념설계 단계에서의 잠재적 폭발 위험도를 비교하기 위하여 기존 폭발 위험도 분석 방법론을 차용, 가정을 통하여 시나리오를 단순화하여 정보가 부족한 상태에서도 위험성 분석을 수행, 공정이 가지고 있는 내재적 위험도를 분석하고자 하였다.

가설 설정

Fig. 4와 같이 FLNG의 배치도를 차용하여(Jewitt, 2015) 액화공정 모듈의 크기는 100m, 인접 모듈과의 간격은 20m으로 가정하였다.
6MTPA생산(Case 3)을 위해서는 4개의 트레인이 필요하다고 가정하였다. DMR의 경우 트레인 용량 한계가 높으므로 각 생산용량별로 단일 트레인으로 구성하는 것으로 가정하였다(Pek and van der Velde, 2013).
본 연구에서는 단독으로 운전 가능한 가장 작은 설비집합체인 트레인의 용량과 개수를 고려하여 Table 2와 같이3가지 사례를 가정하고 이를 기반으로 시나리오를 구축하였다. SMR의 경우 최대 트레인 용량이 1MTPA (Million tons per annum) 이하로 알려져 있으므로(Mokhatab and Poe, 2012; Mokhatab et al., 2013), 3.6MTPA생산(Case 3)을 위해서는 4개의 트레인이 필요하다고 가정하였다. DMR의 경우 트레인 용량 한계가 높으므로 각 생산용량별로 단일 트레인으로 구성하는 것으로 가정하였다(Pek and van der Velde, 2013).
8 (EDR)을 이용하여 추산되었다. 누출점은 보수적으로 각각의 격리 구간에서 최대의 유출량을 유발하는 위치로 가정되었으며, 누출직경은 30mm, 100mm, 200mm의 세가지 경우를 가정하였다. 폭발위험도의 경우 바람의 세기가 강하면 누출된 가스가 분산되어 폭발 위험도가 감소하므로, 보수적으로 가장 안 좋은 상황을 가정하기 위하여 일반적인 해양 환경에 비하여 가벼운 바람이 존재하는 F레벨(풍속 1.
최적화 알고리즘 실행을 위하여 MATLAB R2014b이 연동 실행 되었고, 인구수 및 세대수 50이 적용되었다. 등식 제약조건은 시뮬레이터 내부 수렴조건을 이용하였으며, 부등식 제약은 열교환기의 최소온도차가 3도 이상임을 가정하였다. Table 1은 최적화에 적용된 계수 및 부등식 제약조건을 나타낸다.
누출 빈도 및 점화 빈도는 OGP(International Association of Oil Gas Producers) 통계 자료를 인용하여 사용하였다(OGP, 2010a; OGP, 2010b). 보수적인 해석을 위하여 운전 압력에서 긴급차단(Emergency shutdown)이나 긴급감압(Blowdown)이 있기 전까지 운전압력을 유지하면서 지속적으로 누출이 발생하는 완전 누출(Full release) 조건을 가정하였다. 점화 확률은 Table 3과 같이 OGP가 제공하는 21번 시나리오(해양 공정 가스 모듈)의 데이터를 내삽하여 이용하였다.
본 연구에서는 단독으로 운전 가능한 가장 작은 설비집합체인 트레인의 용량과 개수를 고려하여 Table 2와 같이3가지 사례를 가정하고 이를 기반으로 시나리오를 구축하였다. SMR의 경우 최대 트레인 용량이 1MTPA (Million tons per annum) 이하로 알려져 있으므로(Mokhatab and Poe, 2012; Mokhatab et al.
누출점은 보수적으로 각각의 격리 구간에서 최대의 유출량을 유발하는 위치로 가정되었으며, 누출직경은 30mm, 100mm, 200mm의 세가지 경우를 가정하였다. 폭발위험도의 경우 바람의 세기가 강하면 누출된 가스가 분산되어 폭발 위험도가 감소하므로, 보수적으로 가장 안 좋은 상황을 가정하기 위하여 일반적인 해양 환경에 비하여 가벼운 바람이 존재하는 F레벨(풍속 1.5m/s)로 가정하였다. 풍향과 조류의 방향은 일치한다고 가정하였고, 터렛 계류된 FPSO의 경우 선수를 회전시킬 수 있으므로 선수에서 선미측으로 풍향을 가정하였다.
5m/s)로 가정하였다. 풍향과 조류의 방향은 일치한다고 가정하였고, 터렛 계류된 FPSO의 경우 선수를 회전시킬 수 있으므로 선수에서 선미측으로 풍향을 가정하였다. 누출 빈도 및 점화 빈도는 OGP(International Association of Oil Gas Producers) 통계 자료를 인용하여 사용하였다(OGP, 2010a; OGP, 2010b).

제안 방법

공정 모사 결과를 기반으로 주요 공정 설비(분리기, 열교환기, 압축기 등)를 기반으로 격리 구간을 할당하고 각 구간내의 유체재고량(Inventory)을 연산하였다. Fig 3과 같이 SMR공정의 경우 7개의 구간 및 그 재고량을, DMR공정의 경우 14개의 구간 및 그 재고량을 평가하였다.
본 논문에서는 SMR 및 DMR 액화공정 개념설계를 기반으로 생산용량에 따라 각 공정에 내재된 잠재 폭발 위험도를 비교분석하였다. SMR 및 DMR 액화공정은 공정 모사 소프트웨어를 통하여 모사되었고, 유전 알고리즘을 결합하여 최적화 되었다.
본 연구에서는 SMR과 DMR 액화공정 모사하고 이를 최적화한 뒤, 누출 시나리오 및 격리 구간(Isolated segments)을 정의하였다. 각 격리 구간 내의 유체 재고량(Inventory)별로 누출 위치 및 유량에 대한 시나리오가 정의되었고, 변수들은 보수적으로 가장 안 좋은 경우를 기준으로 선택되었다.
본 논문에서는 폭발 위험도 분석 방법론을 차용하여 개념설계단계에서 다른 정보가 동일하다고 가정하는 경우 동일한 생산용량을 가지는 SMR 액화공정과 DMR액화공정의 잠재적 폭발 위험도를 비교하여 상대적 잠재 위험도를 도출하고자 하였다. 이를 위하여 SMR 및 DMR 액화공정을 모사하고 이를 최적화하여 효율을 극대화 하였고, 최적화된 운전조건에서 폭발 위험도를 분석하여 어떠한 차이가 나타나는지를 연구하였다.

대상 데이터

유전 최적화 알고리즘은 지역 최적화를 확률적으로 극복할 수 있는 유사전역 최적화 알고리즘으로 도함수 연산을 요구하지 않아 연산식 접근이 허용되지 않는 소프트웨어와 연결하여 사용하기 유리하다. SMR에서는 냉매의 유량, 혼합냉매의 조성(N2, C1, C2, C3, nC4), 압력(4단 압축)의 10개 변수를, DMR에서는 사전냉각(Precooler) 사이클의 냉매 유량, 분할 비율, 냉매 조성(C2, C3, nC4), 압력(3단 압축) 및 본냉각 사이클의 냉매유량, 냉매조성(N2, C1, C2, C3), 압력(4단 압축)의 16개 변수를 최적화 변수로 선정하였다. 최적화 알고리즘 실행을 위하여 MATLAB R2014b이 연동 실행 되었고, 인구수 및 세대수 50이 적용되었다.
LNG생산에 있어서 가장 핵심이 되는 것은 액화공정 설계 기술로 70년대부터 다양한 공정 설계안이 제시되어 왔다(Barron, 1985; Venkatarathnam and Timmerhaus, 2008; Timmerhaus and Flynn, 2013). 초기에는 다른 성분의 냉매를 순차적으로 이용하는 복합 사이클이나(Kanoğlu, 2002; Mokhatab and Poe^{, 2012)} 단일 혼합물을 냉매로 이용하는 SMR(Single mixed refrigerant)을 사용하였다(Swenson, 1977; Moein et al., 2015). 이후 다중 사이클 구조가 도입되면서 APCI(Air Products and Chemicals Inc.

데이터처리

풍향과 조류의 방향은 일치한다고 가정하였고, 터렛 계류된 FPSO의 경우 선수를 회전시킬 수 있으므로 선수에서 선미측으로 풍향을 가정하였다. 누출 빈도 및 점화 빈도는 OGP(International Association of Oil Gas Producers) 통계 자료를 인용하여 사용하였다(OGP, 2010a; OGP, 2010b). 보수적인 해석을 위하여 운전 압력에서 긴급차단(Emergency shutdown)이나 긴급감압(Blowdown)이 있기 전까지 운전압력을 유지하면서 지속적으로 누출이 발생하는 완전 누출(Full release) 조건을 가정하였다.
8, Peng-Robinson EOS를 이용하여 수행되었으며, 초기값은 Venkatarathnam and Timmerhaus(2008)의 문헌을 기반으로 결정되었다. 유전 알고리즘을 이용하여 에너지 소모량을 최소화하는 방향을 최적화하였다. 유전 최적화 알고리즘은 지역 최적화를 확률적으로 극복할 수 있는 유사전역 최적화 알고리즘으로 도함수 연산을 요구하지 않아 연산식 접근이 허용되지 않는 소프트웨어와 연결하여 사용하기 유리하다.
잠재적 폭발 위험도를 분석하기 위하여 근접 모듈과의 경계 거리에서 과압을 추산하였다. Fig.
SMR 및 DMR 액화공정은 공정 모사 소프트웨어를 통하여 모사되었고, 유전 알고리즘을 결합하여 최적화 되었다. 최적화된 공정 조건을 기반으로 폭발 빈도와 결과 과압이 평가되었으며, 초과누적 곡선을 이용하여 잠재 위험도를 비교하였다. 결과는 0.

이론/모형

2는 SMR 및 DMR공정의 PFD (Process flow diagram)을 나타내었다. 공정 모사는 Aspen HYSYS V8.8, Peng-Robinson EOS를 이용하여 수행되었으며, 초기값은 Venkatarathnam and Timmerhaus(2008)의 문헌을 기반으로 결정되었다. 유전 알고리즘을 이용하여 에너지 소모량을 최소화하는 방향을 최적화하였다.
Fig 3과 같이 SMR공정의 경우 7개의 구간 및 그 재고량을, DMR공정의 경우 14개의 구간 및 그 재고량을 평가하였다. 수직분리기(Vertical separataor)의 크기는 API 및 GPSA 추정법을 이용하여 계산되었으며(API, 2009; GPSA, 2012), 열교환기의 크기는 Aspen exchanger design rating V8.8 (EDR)을 이용하여 추산되었다. 누출점은 보수적으로 각각의 격리 구간에서 최대의 유출량을 유발하는 위치로 가정되었으며, 누출직경은 30mm, 100mm, 200mm의 세가지 경우를 가정하였다.

성능/효과

본 논문에서는 SMR 및 DMR 액화공정 개념설계를 기반으로 생산용량에 따라 각 공정에 내재된 잠재 폭발 위험도를 비교분석하였다. SMR 및 DMR 액화공정은 공정 모사 소프트웨어를 통하여 모사되었고, 유전 알고리즘을 결합하여 최적화 되었다. 최적화된 공정 조건을 기반으로 폭발 빈도와 결과 과압이 평가되었으며, 초과누적 곡선을 이용하여 잠재 위험도를 비교하였다.
Table 4는 SMR 및 DMR 액화 공정의 최적화 결과 얻어진 냉매의 최적 조성과 최대운전압력을 나타내고 있으며, 최저 온도구간이 모두 3도 이상으로 제약조건을 만족하는 것을 확인할 수 있다. LNG 1ton/day를생산하기 위하여 SMR이 13.
최적화된 공정 조건을 기반으로 폭발 빈도와 결과 과압이 평가되었으며, 초과누적 곡선을 이용하여 잠재 위험도를 비교하였다. 결과는 0.9MTPA생산 시 SMR이 전반적으로 DMR에 비해서 동빈도에서 낮은 과압을 보였으나, 1.8MTPA 및 3.6MTPA생산시 SMR이 DMR과 유사하거나 더 높은 과압을 보였다. 즉 단일트레인에서 생산하는 경우만이 SMR이 DMR보다 나은 내재적 폭발위험도를 나타내었다.
6MTPA의 LNG생산을 위한 경우로, 트레인 개수의 증가로 인하여 SMR의 잠재위험도가 상승한 결과를 보여주고 있다. 결과적으로 전구간에서 동빈도를 가지는 경우 DMR이 SMR보다 낮은 과압을 보이고 있다.
요약하면, SMR은 단일 트레인으로 적용된 경우만 DMR보다 나은 잠재 폭발 위험도를 보였으며, 생산용량이 증가하여 요구되는 트레인 개수가 증가하면, SMR은 동빈도에서 DMR과 유사하거나 더 높은 과압을 보였다. 이는 증가하는 트레인의 개수가 장치의 수를 증가시켜 사고빈도가 증가하는 결과를 유발하였기 때문이다.
6MTPA생산시 SMR이 DMR과 유사하거나 더 높은 과압을 보였다. 즉 단일트레인에서 생산하는 경우만이 SMR이 DMR보다 나은 내재적 폭발위험도를 나타내었다. 이는 생산량이 증가하여 다중트레인이 요구되는 경우 SMR의 장치수가 증가, 사고 빈도가 증가하는 결과가 초래되었기 때문이다.
이는 생산량이 증가하여 다중트레인이 요구되는 경우 SMR의 장치수가 증가, 사고 빈도가 증가하는 결과가 초래되었기 때문이다. 즉 목표 생산량이 증가할수록 DMR이 효율뿐만 아니라 안전 측면에서도 SMR보다 나은 결과를 보였다. 이러한 결과는 SMR이 DMR에 비하여 안전하다고 평가되는 일반적인 시각이 항상 성립하지 않는 것을 보여주며, 대용량 LNG 생산 설비의 경우 SMR을 채택하는 경우 추가적인 안전 전략이 고려되어야 함을 보여준다.

후속연구

, 2013). LNG는 기체상태에 비하여 부피가 약 400-600배 줄어들기 때문에 천연가스의 원거리 수송을 위하여 널리 사용되고 있으며, 향후 그 수요와 공급이 더욱 증가할 것으로 기대받고 있다. LNG생산에 있어서 가장 핵심이 되는 것은 액화공정 설계 기술로 70년대부터 다양한 공정 설계안이 제시되어 왔다(Barron, 1985; Venkatarathnam and Timmerhaus, 2008; Timmerhaus and Flynn, 2013).
따라서 차후 연구에서는 보다 신뢰도 높은 안전 평가 결과를 얻기 위해서 보다 정교한 평가방법론의 구축을 필요로 한다. 그러나 그럼에도 불구하고, 동일한 조건에서 SMR이 가지는 내재적 위험도가 DMR보다 커질 수 있음은 중요한 통찰을 제공하며, 개념설계단계에서부터 안전이 고려되어야 할 필요성을 입증하여 준다.
예를 들어 점화원은 모듈의 중심으로 일괄 가정되었고, 모듈의 크기가 동일하다고 가정되었으며, 실제 장비의 배치 및 모듈의 배치와 이에 따른 상승효과는 고려되지 않았다. 따라서 차후 연구에서는 보다 신뢰도 높은 안전 평가 결과를 얻기 위해서 보다 정교한 평가방법론의 구축을 필요로 한다. 그러나 그럼에도 불구하고, 동일한 조건에서 SMR이 가지는 내재적 위험도가 DMR보다 커질 수 있음은 중요한 통찰을 제공하며, 개념설계단계에서부터 안전이 고려되어야 할 필요성을 입증하여 준다.
이 연구에서 적용한 잠재 위험도 분석 방법론은 액화사이클에 내재된 폭발 위험성만을 단순화된 가정을 통하여 추산하여 비교하였다는 한계점을 가진다. 예를 들어 점화원은 모듈의 중심으로 일괄 가정되었고, 모듈의 크기가 동일하다고 가정되었으며, 실제 장비의 배치 및 모듈의 배치와 이에 따른 상승효과는 고려되지 않았다.
1은 그 예로 해양 시설의 경우 ALARP(As low as reasonably practicable)기준빈도인 연간 10-4빈도를 많이 사용한다. 통상 QRA단계에서폭발 위험도 분석은 장비내의 유체정보는 물론, 각 장비의 크기 및 배치, 장비가 포함된 모듈간의 배치, 다양한 변화가 가능한 외부조건을 고려하여 다수의 시나리오 수립 및 평가가 필요하다. 이는 많은 정보량과 비용 투자를 요구하므로, 개념설계 단계에서는 제대로 이루어지기 어려운 문제점이 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	FLNG, LNG-FPSO은 무엇아며 어떤 장점이 있는가?	FLNG(Floating liquefied natural gas), 혹은 LNG-FPSO(Floating production, storage and offloading)는 해양에서 LNG를 생산하는 해양시설로, 해저면의 상태에 크게 영향을 받지 않고 천해에서 심해까지 설치가 가능하며 설비의 이동 및 재활용이 가능하고, 육상에 설치되는 사회적 법적 제약을 경감할 수 있는 장점이 있다(Zhao et al., 2011; Mokhatab et al.
	LNG는 어떤 특징이 있고 어디에 주로 사용되는가?	, 2013). LNG는 기체상태에 비하여 부피가 약 400-600배 줄어들기 때문에 천연가스의 원거리 수송을 위하여 널리 사용되고 있으며, 향후 그 수요와 공급이 더욱 증가할 것으로 기대받고 있다. LNG생산에 있어서 가장 핵심이 되는 것은 액화공정 설계 기술로 70년대부터 다양한 공정 설계안이 제시되어 왔다(Barron, 1985; Venkatarathnam and Timmerhaus, 2008; Timmerhaus and Flynn, 2013).
	LNG생산에 핵심인 액화공정 설계 기술의 역사는 어떻게 되는가?	LNG생산에 있어서 가장 핵심이 되는 것은 액화공정 설계 기술로 70년대부터 다양한 공정 설계안이 제시되어 왔다(Barron, 1985; Venkatarathnam and Timmerhaus, 2008; Timmerhaus and Flynn, 2013). 초기에는 다른 성분의 냉매를 순차적으로 이용하는 복합 사이클이나(Kanoğlu, 2002; Mokhatab and Poe, 2012) 단일 혼합물을 냉매로 이용하는 SMR(Single mixed refrigerant)을 사용하였다(Swenson, 1977; Moein et al., 2015). 이후 다중 사이클 구조가 도입되면서 APCI(Air Products and Chemicals Inc.)에서 프로판(C3)을 사전냉각용으로 사용하는 C3MR(Propane precooled mixed refrigerant) 이 개발되어 산업적으로 널리 이용되어 왔다(Gaumer and Newton, 1973; Lee et al., 2012). Shell은 두가지 혼합냉매를 이용하는 DMR(Dual mixed refrigerant) 냉각 공정을 제안하였으며, C3MR 과 동급의 효율을 가짐을 보였다(Buijs et al., 2005; Wang et al., 2012). 최근에는 높은 효율을 갖는 삼중냉각사이클 공정인 AP-X등의 설계가 제시되고 있다(Barclay and Yang, 2006; Wang et al., 2012).

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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