[논문]LNG-FPSO에서 상부구조물의 시스템 가용도를 고려한 해저 배관의 유동안정성 연구

김영민; 최준호; 이정환

doi:10.7842/kigas.2020.24.6.18

[국내논문] LNG-FPSO에서 상부구조물의 시스템 가용도를 고려한 해저 배관의 유동안정성 연구
A Study on the Flow Assurance in Subsea Pipeline Considering System Availability of Topside in LNG-FPSO 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.24 no.6, 2020년, pp.18 - 27

김영민 (한국지질자원연구원 석유해저연구본부) , 최준호 (광성지엠(주)) , 이정환 (전남대학교 에너지자원공학과)

초록
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본 연구에서는 LNG-FPSO 상부구조물의 시스템 가용도를 고려한 해저 유동관내 유동안정성 연구를 수행하였다. 이를 위해 PVCap 억제 성능 평가 실험, LNG-FPSO 상부구조물 가용도 분석, 유동관내 하이드레이트 위험도 평가, PVCap 주입 농도 산출로 구성된 하이드레이트 관리 전략을 수립하였다. 과냉각 온도 6.1, 9.2, 12.1℃에 따라 PVCap의 하이드레이트 지연시간을 측정함으로써 PVCap 주입 농도 결정에 필요한 실험 기준을 확보하였다. 시스템 가용도 분석을 통해 산출된 20년 동안의 LNG-FPSO 상부구조물의 가용도는 89.3%이며, 50시간의 최장 고장 시간이 연간 2.9회 발생하였다. 현장 자료를 이용하여 다상 유동 시뮬레이션을 위한 유동관 모델을 구축하였다. 다상 유동 시뮬레이션을 통해 하이드레이트 플러깅 위험도를 예측한 결과, 50시간의 생산 중단 조건에서는 23.2시간 만에 유동관 끝단에서 하이드레이트가 발생하는 것을 확인하였다. 하이드레이트 방지를 위해 PVCap 실험 결과를 기반으로 PVCap 주입 농도를 산출하였으며, 0.25 wt%의 PVCap을 연간 2.9회 주입하면 하이드레이트 플러깅을 방지할 수 있을 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study presents flow assurance analysis in subsea pipeline considering system availability of topside in LNG-FPSO. A hydrate management strategy was established, which consisted of PVCap experiments, system availability analysis of LNG-FPSO topside, hydrate risk analysis in the pipeline, and calculation of PVCap injection concentration. The experimental data required for the determination of PVCap injection concentration were obtained by measuring the hydrate induction time of PVCap at the subcooling temperatures of 6.1, 9.2, and 12.1℃. The availability of LNG-FPSO topside system for 20 years was 89.3%, and the longest downtime of 50 hours occurred 2.9 times per year. The subsea pipeline model for multiphase flow simulation was created using field geometry data. As a result of risk analysis of hydrate plugging using subsea pipeline model, hydrate was formed at the end of flowline in 23.2 hours under the condition of 50 hours shutdown. The injection concentration of PVCap was determined based on the PVCap experiment results. The hydrate plugging in subsea pipeline of LNG-FPSO can be completely prevented by injecting PVCap 0.25 wt% 2.9 times per year.

Keyword

표/그림 (15)

그림 Fig. 1. Procedure for establishing hydrate management plan.
그림 Fig. 2. Hydrate generator
그림 Fig. 3. Schematic diagram of hydrate generator
그림 Fig. 4. Hydrate induction time with increase on subcooling and PVCap concentration
그림 Fig. 5. Configuration of topside system in LNG-FPSO [6]
표 Table 1. Experimental conditions for hydrate for-mation
그림 Fig. 6. Annual frequency of the exceedance down-time.
그림 Fig. 7. Schematic diagram of Prelude FLNG pro-ject. [20]
표 Table 2. Pipeline geometry and production pro-perties
그림 Fig. 8. Geometry profile of flowline and riser.
그림 Fig. 9. Pressure and temperature profiles along the pipeline during steady state operation.
그림 Fig. 10. Pressure and temperature profiles in the end of flowline during shutdown condi-tion.
그림 Fig. 11. DTHYD in the end of the flowline dur-ing shutdown condition.
그림 Fig. 12. Required PVCap concentration during the cooldown time.
그림 Fig. 13. Exceedance frequency of exposed to hy-drate formation region and the required PVCap concentration.

AI 본문요약
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문제 정의

이에 본 연구에서는 하이드레이트 반응 실험을 통해 PVCap 성능에 영향을 미치는 인자인 주입 농도, 과냉각 온도에 따라 하이드레이트 지연시간을 측정하여 PVCap 주입 농도 결정에 필요한 실험 기준을 수립하고자 한다. 또한 LNG-FPSO 상부구조 물의 시스템 가용도 분석 및 해저 유동관의 다 상 유동 시뮬레이션을 통해 하이드레이트 플러깅 위험도를 평가하고 PVCap 주입 농도를 산정함으로써 해양 가스전의 유동안정성(flow assurance) 확보전략을 수립하고자 한다.
본 연구에서는 LNG-FPSO의 시스템 가용 도를 고려하여 해저 유동관 내 유동안정성 확보를 위해 KHI를 주입함으로써 하이드레이트 플러깅 방지 방안을 도출하였다. 연구를 통해 도출된 결론은 다음과 같다.

가설 설정

8mm이다. 가스전에서 생산된 탄화수소는 100% 메탄가스로 가정하였고, 정두 압력은 86.5 bar, 생산 유체 온도는 70℃로 설정하였다. 하이드레이트 형성 환경을 모사하기 위해 유동관 설치 심도에서의 주변 평균 해수 온도는 8℃로 가정하였다.
5 bar, 생산 유체 온도는 70℃로 설정하였다. 하이드레이트 형성 환경을 모사하기 위해 유동관 설치 심도에서의 주변 평균 해수 온도는 8℃로 가정하였다.

제안 방법

수립하고자 한다. 또한 LNG-FPSO 상부구조 물의 시스템 가용도 분석 및 해저 유동관의 다 상 유동 시뮬레이션을 통해 하이드레이트 플러깅 위험도를 평가하고 PVCap 주입 농도를 산정함으로써 해양 가스전의 유동안정성(flow assurance) 확보전략을 수립하고자 한다.
PVCap을 이용하여 하이드레이트를 방지하기 위해서는 주입 농도, 과냉각 온도 등에 따라 하이드레이트 지연시간을 측정해야 한다. 본 연구에서는 고압 하이드레이트 반응 실험 장치를 이용하여 해양 가스전의 다양한 생산환경 및 억제제 주입 조건에 따른 PVCap 억제 성능평가 실험을 수행하였다. 실험장치는 크게 부스터 펌프를 통한 가스 공급 및 유지, 하이드레이트 실험기기 내의 하이드레이트 형성, 하이드레이트 형성을 위한 온도 조절 및 주변기기로 구성된다.
실험장치는 크게 부스터 펌프를 통한 가스 공급 및 유지, 하이드레이트 실험기기 내의 하이드레이트 형성, 하이드레이트 형성을 위한 온도 조절 및 주변기기로 구성된다. PVCap을 이용한 하이드레이트 반응 실험은 정압 조건(constant pressure method)을 유지한 상태에서 실시하며, 마그네틱 드라이브(mag- netic drive)를 통해 고압 반응기 내 임펠러(impel- ler)를 회전시켜 하이드레이트 형성을 유도한다. 하이드레이트 형성 시, 반응기 내 가스가 소모되고 정압을 유지하기 위해 부스터 펌프에서 반응 기로 가스가 주입되게 된다.
해저 유동관은 정두(welthead)에서 상부 구조물까지 오일, 가스 등 생산유체를 수송하는 역할을 하며, 다상 유동 시뮬레이션을 통해 유동관 구조, 생산 유체 특성, 외기조건 등에 따른 하이드레이트 플러깅 위험도를 분석할 수 있다. 본 연구에서는 슐럼버져(Schlumberger)社의 OLGA 소프트웨어를 이용하여 가상의 LNG-FPSO 유동관 모델을 구축하고, 생산 운영 시나리오에 따라 하이드레이트 등 유동 안정성을 분석하였다. 생산 운영 시나리오는 정상 상태(steady-state) 생산과 생산 중단(shutdown)으로 구분하였다.
본 연구에서는 슐럼버져(Schlumberger)社의 OLGA 소프트웨어를 이용하여 가상의 LNG-FPSO 유동관 모델을 구축하고, 생산 운영 시나리오에 따라 하이드레이트 등 유동 안정성을 분석하였다. 생산 운영 시나리오는 정상 상태(steady-state) 생산과 생산 중단(shutdown)으로 구분하였다. 정상상태 생산에서는 생산 유체와 외기와의 열교환 시간이 짧아 유체 온도가 비교적 높게 유지되기 때문에 하이드레이트 플러깅 위험도는 상대적으로 낮다.
반면에 상부구조물 고장에 따른 생산 중단 상태에서는 해저 유동관이 외기조건에 그대로 노출되면서 유체가 냉각되어 하이드레이트 플러깅 발생 위험도가 급격히 증가하게 된다. 시스템 가용도를 통해 분석한 최장 고장 시간동안 생산 중단 시뮬레이션을 수행하고 하이드레이트 위험도를 분석한다. 이때 유체 온도가 하이드레이트 생성 영역으로 들어가는 시간을 터치다운 시간(touch-down time)으로 정의하고, 생산 중단 시뮬레이션 동안 터치다운이 발생하면 하이드레이트 플러깅이 발생한다고 판단한다.
터치다운 시간부터 생산 재개 시점까지 하이드레이트 플러깅을 지연시켜야 하며, PVCap의 하이드레이트 지연시간은 이 기간보다 길어야 한다. 이를 위해 유동관 시뮬레이션에서 확인된 과냉각 온도보다 높은 실험결과를 선택하고, 고장 시간과의 비교를 통해 하이드레이트 지연 요구시간을 충족하는 PVCap 농도를 선정할 수 있다.
PVCap 억제 성능평가를 위해 과냉각 온도 변화에 따른 PVCap 농도별 하이드레이트 지연시간을 측정하였다. 하이드레이트 실험 시스템 사진과 구조도는 각각 Fig.
실험용액은 120 ml의 탈이온수(deioni- zed water)에 상용 PVCap인 Luvicap-EG(BASF 社) 를 농도별로 첨가하여 제조하였다. 일반적으로 사용되는 PVCap의 최대농도인 1 wt%를 기준으로 0.1~1 wt% 구간을 세분화하여 실험조건을 설정하였다. 실험에서 과냉각 온도는 하이드레이트 평형 온도와 실험온도의 차이이며, 해저 유동관에서는 하이드레이트 평형온도와 관내 생산유체의 온도의 차이로 정의할 수 있다.
정상상태 또는 생산 중단 상황에서 해저 유동관이 해저면의 수온에 노출되는 시간에 따라 생산유체의 열손실 정도와 과냉각 온도가 달라진다[14]. 본 실험에서는 Luvicap-EG의 유효 과냉각 온도 범위인 8~10℃를 포함하는 다양한 과냉각 온도 조건에서 억제제의 성능을 평가하고자 과냉각 온도를 6.1℃, 9.2℃, 12.1℃로 설정하였다. 이때 과냉각 온도의 기준이 되는 하이드레이트 평형곡선은 CSMHYD 프로그램을 통해 산출하였다.
LNG-FPSO 상부구조물 모듈 구성요소별 고장률 및 MTTR 자료는 OREDA Handbook을 통해 취득하였으며[19], 상부구조물의 현실적인 작동 시기를 고려하여 총 20년간의 가용도를 분석하였다. 몬테카를로 시뮬레이션에 의해 도출된 전체 상부구조 물의 시스템 가용도는 89.
7회 발생하는 것을 알 수 있다. 가용도 분석 결과는 고장 시간별로 하이드레이트 위험도를 분석하고 억제제 주입량을 정량적으로 산출하는데 활용하였다.
유동관 모델에서 하이드레이트 위험도를 평가하기 위해 정상상태와 생산 중단 시나리오에 따라 다 상 유동 시뮬레이션을 수행하였다. Fig.
LNG-FPSO 상부구조물 장비의 고장으로 인한 생산 중단 상황에서 유동관내 유체 냉각 정도 및 하이드레이트 형성의 위험도를 분석하기 위해 다 상 유동 시뮬레이션을 수행하였다. 가스 생산의 전체 수명 시간(lifetime)에 대해 시뮬레이션을 수행하는 것은 불가능하므로, 시스템 가용도 분석을 통해 취득한 50시간의 최장 고장 시간을 고려하여 생산중단 상태를 모사하였다.
유동 시뮬레이션을 수행하였다. 가스 생산의 전체 수명 시간(lifetime)에 대해 시뮬레이션을 수행하는 것은 불가능하므로, 시스템 가용도 분석을 통해 취득한 50시간의 최장 고장 시간을 고려하여 생산중단 상태를 모사하였다. Fig.
한다. OLGA에서는 PVCap의 효과를 반영할 수 없으므로 Fig. 4의 실험결과를 이용하여 해저 유동관에서 요구되는 지연시간을 만족하는 PVCap 주입 농도를 결정하였다. 이때 실험 결과는 시뮬레이션에서의 최대 과냉각 온도와 유사해야 한다.
터치다운 시간 전의 짧은 고장 시간의 경우, 하이드레이트 형성 이전에 유지보수를 해결할 수 있기 때문에 시스템 내 억제제 주입이 필요하지 않다. 따라서 터치다운 시간 이후의 시간을 지연시간 결과와 비교하여 PVCap 주입 농도를 산정하였다. 터치다운 시간 이후 PVCap 0.
(1) PVCap을 이용한 LNG-FPSO 유동안정성 확보를 위해 PVCap 억제 성능 평가 실험, LNG-FPSO 상부구조물 시스템 가용도 분석, 해저 유동관 하이드레이트 위험도 평가, PVCap 주입 농도 산출을 포함하는 하이드레이트 플러깅 방지 절차를 수립하였다.
(2) 과냉각 온도 6.1, 9.2, 12.1℃에 따라 PVCap 농도별 하이드레이트 지연시간을 실험적으로 측정하였다. 6.
(3) LNG-FPSO 상부구조물 중 생산과 직접적으로 관련된 7개의 모듈의 시스템 가용도를 분석하였다. 몬테카를로 시뮬레이션 결과, 시스템 가용도는 89.
(5) PVCap 실험결과를 활용하여 LNG-FPSO 해저 유동관내 하이드레이트 플러깅을 방지하기 위한 PVCap 주입 농도를 산출하였다. 최장 고장 시간의 경우, 0.

대상 데이터

본 연구에서는 고압 하이드레이트 반응 실험 장치를 이용하여 해양 가스전의 다양한 생산환경 및 억제제 주입 조건에 따른 PVCap 억제 성능평가 실험을 수행하였다. 실험장치는 크게 부스터 펌프를 통한 가스 공급 및 유지, 하이드레이트 실험기기 내의 하이드레이트 형성, 하이드레이트 형성을 위한 온도 조절 및 주변기기로 구성된다. PVCap을 이용한 하이드레이트 반응 실험은 정압 조건(constant pressure method)을 유지한 상태에서 실시하며, 마그네틱 드라이브(mag- netic drive)를 통해 고압 반응기 내 임펠러(impel- ler)를 회전시켜 하이드레이트 형성을 유도한다.
3과 같다. 실험 시스템은 하이드레이트 반응기, 부스터 펌프를 비롯한 주입부, 항온수조, 자료취득장치로 구성된다. Table 1은 PVCap 의 하이드레이트 억제 성능 평가를 위한 실험조건을 나타낸 것이다.
Table 1은 PVCap 의 하이드레이트 억제 성능 평가를 위한 실험조건을 나타낸 것이다. 실험가스로는 순도 99.99% 메탄 (CH₄) 가스를 이용하였으며, 실험 압력은 100 bar로 설정하였다. 실험용액은 120 ml의 탈이온수(deioni- zed water)에 상용 PVCap인 Luvicap-EG(BASF 社) 를 농도별로 첨가하여 제조하였다.
99% 메탄 (CH₄) 가스를 이용하였으며, 실험 압력은 100 bar로 설정하였다. 실험용액은 120 ml의 탈이온수(deioni- zed water)에 상용 PVCap인 Luvicap-EG(BASF 社) 를 농도별로 첨가하여 제조하였다. 일반적으로 사용되는 PVCap의 최대농도인 1 wt%를 기준으로 0.
활용하였다. Fig. 5의 공정 모델은 생산설비뿐만 아니라 하역, 저장 등과 관련된 총 13개의 모듈로 구성되어 있으나, 본 연구에서는 생산 중단과 직접적으로 연관된 시스템의 가용도 분석을 위해 LNG-FPSO 상부 구조물 생산공정의 핵심모듈인 인입시설(inlet facility), 전처리(pre-treatment), 액화(liquefaction), 냉각(refri- geration), 분리(fractionation), 컨덴세이트 안정화(con- densate stabilizer), 연료 가스 압축(fuel gas compre- ssion) 등 7개의 모듈을 선정하였다.
본 연구에서는 호주 브룸(Broome) 북서부에서 475 km 떨어진 해저에 위치한 Prelude FLNG 생산 현장의 유동관 길이자료를 이용하여 해저 유동관 모델을 구성하였다(Fig. 7). 유동관에서 라이저까지의 거리는 약 4, 000 m, 라이저에서부터 LNG-FPSO까지의 거리는 260 m 이다.
8과 같으며, 하나의 유동관과 라이저를 포함하여 모델을 구성하였다. 정두는 수심 250m에 위치하며, 정두에서부터 상부 구조물 시스템까지의 파이프 길이는 4, 000m, 파이프 직경은 304.8mm이다. 가스전에서 생산된 탄화수소는 100% 메탄가스로 가정하였고, 정두 압력은 86.

데이터처리

1℃로 설정하였다. 이때 과냉각 온도의 기준이 되는 하이드레이트 평형곡선은 CSMHYD 프로그램을 통해 산출하였다. 하이드레이트 실험은 하이드레이트 영역 밖에서 시작해야 하기 때문에 100 bar에서 메탄 100% 인 가스의 하이드레이트 평형온도인 13.

이론/모형

사용시간으로 나눈 값으로 나타낸다. 시스템 가용도 분석은 일반적으로 확률론적 접근방법인 몬테카를로(Monte Carlo) 시뮬레이션을 통해 수행한다. 이 기법은 생산 장비별로 특정한 확률분포를 따르는 일련의 난수를 이용하여 불특정 고장 상황을 모사하고, 이 과정을 반복적으로 수행하여 통계적으로 유의미한 해를 얻는 방법이다[5].
LNG-FPSO의 시스템 가용도 분석을 위해 선행연구[5]의 상부구조물 공정 모델을 활용하였다. Fig.

성능/효과

OREDA 데이터베이스는 석유·천연가스 산업에서 사용되는 설비의 고장사례를 분석한 통계자료로서, 상부구조물을 구성하는 생산설비의 고장률, 고장상태, 수리시간 등 신뢰도 관련 자료를 취득할 수 있다. 신뢰성 데이터를 토대로 몬테카를로 시뮬레이션을 수행함으로써 시스템 가용도를 추산하고, LNG-FPSO 상부구조물 시스템운영 중 발생할 수 있는 고장 시간과 고장 횟수를 산출할 수 있다.
이와 같은 방식으로 과냉각 온도에 따른 실험온도를 설정하였다. 실험 효율을 위해 지연시간 측정은 최대 100시간까지만 수행하고, 이 시간을 초과하는 경우에는 물리적으로 의미가 없는 수치로 판단하였다.
4와 같다. PVCap이 첨가되지 않은 탈이 온수 조건(0 wt%)에 비해 PVCap 첨가 후 지연시간이 증가하는 것을 확인하였으며, 과냉각 온도와 관계없이 PVCap의 농도가 증가함에 따라 하이드레이트 지연시간이 증가하는 경향을 보였다. 과냉각 온도 6.
몬테카를로 시뮬레이션에 의해 도출된 전체 상부구조 물의 시스템 가용도는 89.3%로 계산되었다. 시스템가용도 분석 시, 시스템의 상태는 고장 또는 정상 운영으로만 구분하였고 장비의 여분(redundancy)은 고려하지 않았다.
1 wt% 주입을 통해 하이드레이트를 방지할 수 있으나, 최장 고장 시간까지 하이드레이트 플러깅을 지연시키기에는 충분하지 않다. 터치다운 시간부터 50시간의 최장 고장 시간까지는 26.8시간의 지연시간이 확보되어야 하며, 이를 만족하는 PVCap 농도는 0.25 wt%임을 실험 결과를 통해 확인할 수 있다.
9 회 주입하는 경우 LNG-FPSO의 최장 고장 시간 동안 하이드레이트 플러깅을 완전히 지연시킬 수 있다. 이와 같이 PVCap 억제 성능 평가 실험결과와 시스템 가용도, 다상 유동 시뮬레이션 분석 결과를 활용하면 해양 가스전에서 필요한 PVCap 주입 농도를 정량적으로 산출하여 하이드레이트 방지 전략을 수립할 수 있다.
1℃에 따라 PVCap 농도별 하이드레이트 지연시간을 실험적으로 측정하였다. 6.1℃의 과냉각 온도에서 PVCap 0.5 wt% 는 5, 560분의 하이드레이트 지연이 가능한 반면 12.1℃ 과냉각 온도에서는 지연시간이 645분으로 PVCap의 억제 성능이 크게 감소하였다.
몬테카를로 시뮬레이션 결과, 시스템 가용도는 89.3%였으며, 20년의 운영 기간 동안의 최장 고장 시간은 50시간으로 연간 2.9회 발생하였다.
(4) 다상 유동 시뮬레이션을 이용하여 하이드레이트 플러깅 위험도를 예측한 결과, 정상상태 운영에서는 생산유체 조건이 하이드레이트 형성 영역에 도달하지 않아 하이드레이트 발생 위험이 없었다. 그러나 50시간의 생산 중단 조건에서는 23.

후속연구

본 연구를 통해 도출된 LNG-FPSO 하이드레이트 방지 절차는 향후 PVCap을 이용한 유동관내 하이드레이트 플러깅 방지 전략 수립에 활용 가능할 것으로 기대된다.

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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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