LNG 플랜트 첨단IT융합기술, 플랫폼 기술 확보
세계적인 LNG의 수요 전망과 수급 전망에 따르면 향후 10년간 LNG의 수급과 수요는 빠른 추세로 증가할 것이 예상되고 있다.
국제에너지기구(International Energy Agency, IEA)에서는 2030년에 에너지 시장에서 차지하는 천연가스의 수요가 약 28%까지 증가할 것으로 전망하고 있으며, 이 중 천연가스 수요는 2000년 23%의 점유율에서 2030년에는 28%로 5% 증가가 예측되고 있다.
천연가스 수요와 수급의 증가에 따라 LNG 생산?처리 시설 증설과 함께 효율 개선을 위해 단위 트레인 용량이 증가 추세에 있으며, 향후 15년간 단위 트레인 용량은 165 MTPA에서 440 MTPA로 증가할 것으로 전망되고 있다.
그러나 LNG플랜트 분야의 경우 선두그룹이 시장 카르텔을 형성하고 기술이전을 회피하고 있으며, 국내 기술력은 액화 천연가스 저장탱크와 인수터미널 외에 초저온 액화플랜트의 설계?건설 경험이 전무해 시장 진입이 불가능하다.
이에 국토해양부에서는 2008년 LNG플랜트사업단 출범을 통해 시장 선도 기술 개발을 시도했으며 개발기술의 시범적용을 위해 pilot plant를 건설 중에 있다.
LNG플랜트사업단에서는 2014년까지 pilot plant의 성공적 운전을 통해 글로벌 Top 5 기술 보유국으로의 도약을 예상하고 있다.
LNG플랜트사업단 핵심1과제를 수행하고 있는 한국건설기술연구원에서는 천연가스를 원료로 하는 LNG플랜트를 대상으로 선진기업 주도로 형성되어 있는 해외 시장 진입을 위한 EPC 필수 기술을 개발하고 있다.
첨단 융합기술로서 △사용 적합성 평가 및 성능혁신 기술 △동적 시뮬레이션 기술을 개발하고 있으며, 플랫폼 기술로서 △엔지니어링 효율성 개선기술 △표준 인프라 구축을 통해 중장기적 관점에서 LNG플랜트 기술 경쟁력 확보를 위한 특화 기술을 개발하고 있다.
세부적으로는 사용 적합성 평가 및 성능혁신을 위해 △마이크로 채널 열교환기 설계·제작 기술 △컴팩트, 모듈화 플랜트 설계 기술 △사용 적합성(RAMs) 평가 기술 △협업 설계 플랫폼과 △XVL 기반 VR 플랜트 구현 기술을 개발하고 있다.
동적 시뮬레이션 기술의 개발을 통해 △동특성 시뮬레이터 및 훈련 시스템 △공정계통 이상상태 실시간 감시ㆍ진단 시스템을 개발하고 있다.
엔지니어링 효율성 개선 기술의 개발을 위해 △LNG플랜트 생애주기 규명 △시나리오 기반 사업계획 전문가 시스템, 위험기반의 사업 및 공정관리 기법을 개발하고 있다.
또한 향후 연구 성과의 종합을 통해 플랜트 EPC 기술표준 구축을 예정하고 있다.
마이크로 채널 열 교환기 설계·제작기술
마이크로 채널 열 교환기 설계ㆍ제작기술은 Compact LNG plant의 건설을 위한 핵심기술로서 천연가스의 액화 설비는 일반적으로 LNG plant 건설비의 30~40% 정도를 차지하며, 전체 공정 효율, 운전성 등을 결정하는 중요한 요소이다.
이 중 초저온 액화 공정에서는 냉각 및 액화를 위한 열 교환기의 성능에 따라 전체 시스템의 효율이 정해지므로 compact 열 교환기 설계ㆍ제작 기술 개발은 필수적이다.
또한 마이크로 채널을 이용한 열교환기 기술은 단위 체적 당 큰 면적을 가지고 기존의 열 교환기에 비해 열전달 계수가 크므로 소형화가 용이해 상의 LNG 플랜트 외에 공간적인 제약을 받는 LNG-FPSO 등에 크게 유리한 기술이다.
마이크로채널 열 교환기는 소수의 선진기업이 독점하고 있는 기존의 천연가스 액화 공정용 열 교환기에 비교우위를 가지므로 선도적인 원천기술의 개발을 통해 시장 참여의 기회를 확보하고자 했다.
대면적 확산 접합용 Vacuum Hot Press 설비 국내 최초로 구축했으며, 극저온 조건 열 유동 해석기술의 확보, 균일 분지 열 교환기 헤더 설계 기술을 확보함으로써 마이크로 채널 열교환기 설계 및 제작 분야의 원천기술을 확보했다.
LNG 플랜트 건설을 위한 초저온 열 교환기 시장 가격(20억원·유닛)을 고려한 경제적 효과는 향후 10년간 예상 발주 물량 약 50건 중 5% 시장 채택이 가능한 경우 약 50억원 수준(공공부문 투자효과를 제외한 직접 수익 기준)으로 평가되며, 정부출연금 투입액(40억원)의 1.25배 이상의 직접 수익을 창출할 수 있을 것으로 기대되고 있다.
사용 적합성(RAMs) 평가 기술은 최근 대형화 추세의 LNG 플랜트 운전 안전성 및 운전 신뢰성, 생산 효율 확보를 위한 핵심기술로서 최근 LNG 플랜트의 대형화에 따라 선진기업을 중심으로 사용 적합성 평가에 관심이 증가하고 있다.
운전 안전성 확보는 육상 유전 고갈 및 확인 유전의 매장량 80%가 해저에 위치함에 따라 해양 유전의 개발이 지속적으로 시도되고 있으나, 미국 멕시코만 원유 유출사고, 중국 보하이만 원유 유출 사고 등 필수적으로 관련 사고의 증가에 의한 것이다.
또한 운전 신뢰성 확보는 LNG 플랜트의 경우 비상 정지에 따른 cool-down, start-up 과정에 45일 이상의장시간이 소요됨을 고려할 때 생산량 증가와 설비 용량의 최적화에 직접적 연관으로 필요성이 제기되고 있다.
RAMs 기반 사용 적합성 평가 기술은 단계적(RAMs 평가모델 구축, 핵심계통 RAMs 평가?개선, RAMs 평가·최적화 솔루션 구축) 연구 개발을 수행 중에 있으며, 현재 연구 수행을 통해 자체 개발된 RAMs 평가 로직을 이용해 LNG플랜트사업단 테스트베드에 대한 RAMs 성능 평가·개선을 완료했으며, 웹 기반 RAMs 평가·최적화 솔루션을 구축 중에 있다.
현재 세계적으로 RAMs 평가를 위한 상용도구로는 MAROS, Relex, RCM 등 상용 도구가 이용되고 있으나, MAROS, Relax 등을 제외하면 군사장치, 전기장치 등 특정 분야에 특화 상용도구이다.
연구 수행을 통해 개발된 웹 기반 RAMs 평가 솔루션을 통해 사용 적합성 평가 도구의 웹 서비스가 가능할 것으로 예상되며, LNG 플랜트 전용 DB의 제공이 가능할 것으로 보인다.
MAROS 등 RAMs 평가 상용도구 등의 시장 가격(1억원·단위유닛), RAMs 평가 용역비(2억원·회)을 고려한 경제적 효과는 향후 10년간 50건 이상의 시장 수요가 발생 예상에 따라 약 30억원 수준(공공부문 투자효과를 제외한 직접 수익 기준)으로 평가되며, 정부출연금 투입액(18억원)의 1.67배 이상의 직접 수익을 창출할 수 있을 것으로 기대되고 있다.
또한 웹기반 적용성 평가 솔루션을 제공함으로서 현장 적용 데이터베이스의 지속적으로 수집이 가능해 해외 플랜트 시장 진출을 위한 노하우의 집적화가 가능할 것으로 기대된다.
콤팩트, 모듈화 플랜트 설계 기술
콤팩트, 모듈화 플랜트 설계기술은 시공비용의 저감뿐만 아니라 해상, 도서 등 플랜트 건설의 공간적 제약을 해결할 수 있는 핵심기술로서 향후 기술수요가 지속적으로 증가할 것으로 예상된다.
국외 선진기업의 경우 비용 및 설치 공간 감소를 위한 콤팩트, 모듈화 기술 개발이 시도되고 있으며, 최근 해양 및 중소 가스전(1.5 MTPA 전후) 개발이 시도되어짐에 따라 적용 사례가 증가하고 있다.
Offshore Technology 등은 Virtual pipeline simulator 등 3D CAD 소프트웨어를 개발해 콤팩트 배관망 최적 설계, 운전 모니터링 및 고장진단 등에 활용하고 있다.
국외의 선진기업들은 콤팩트, 모듈화 설계 원천기술과 수행경험을 보유하고, 카르텔을 형성해 시장을 독점하고 있는 실정으로 선도적인 원천기술의 개발을 통해 시장 참여의 기회를 확보하고자 했다.
콤팩트, 모듈화 플랜트 설계기술의 개발은 단계적(공정 최적화, Layout 최적화, 콤팩트·모듈화 최적화) 연구 개발을 수행 중에 있으며, 현재 100 TPD급 LNG 플랜트의 콤팩트, 모듈화 설계 기술을 확보했다. 또한 대형 플랜트의 협업 설계·검토 플랫폼을 구축했다.
LNG 플랜트 건설비용(3조원·site)을 고려한 콤팩트, 모듈화 설계 기술의 경제효과는 향후 10년간 국내 수주율 5%, 수익률 18.56%(산업연관표), 기여율 0.6%(상세기획 보고서)을 가정해 106억원 수준(공공부문 투자효과를 제외한 직접 수익 기준)으로 평가되며, 정부출연금 투입액(18억원)의 5.88배 이상의 직접 수익을 창출할 수 있을 것으로 기대되고 있다.
동적 공정 시뮬레이션 기술
동적 시뮬레이션 기술은 LNG 플랜트의 에너지, 물질 흐름, 제어계통의 최적화와 start-up, cool-down 운전절차 확립, 공정계통의 이상상태 실시간 감시·진단 시스템 개발 등의 기반기술을 개발에 관한 것으로 천연가스 액화공정에서 발생할 수 있는 주요 운전 조건의 모사가 가능한 동적 시뮬레이션 기술의 개발이 필수적이다.
일본의 Chiyoda 사는 Aspen 사의 Aspen Dynamics 등의 공정 동특성 모델 프로그램을 활용해 액화공정을 모사하고 플랜트 설계에 반영하고 있다.
유럽의 ConocoPhilips 사는 Processor simulator를 개발해 LNG plant life-cycle 동안 유용한 엔지니어링 도구(플랜트 기동 시의 제어로직 검증, 안전성 및 운전 순서의 평가, 운전자 훈련 및 공정개선에의 응용 등에 활용)로 사용하고 있다.
동적 공정 시뮬레이션 기술은 단계적(공정요소 해석, 공정 계통 동특성 모델 구현, 공정 및 계통 에뮬레이터 개발) 연구개발을 수행 중에 있으며, 현재, 공정 계통 동특성 모델을 구현해 동적 시뮬레이tus 기술을 확보하고 동적 시뮬레이터, 훈련용 에뮬레이터 시작품을 개발했다.
동적 시뮬레이터 및 이상상태 감시 및 진단 시스템은 LNG 플랜트 테스트베드에 직접 적용이 가능하다. 동적 공정 시뮬레이터와 운전원 훈련시스템은 국산화를 통한 독립적 상업화가 가능하며, 발전플랜트 및 각종 화공플랜트 등에 확장이 가능해 기술 상업화, 관련 산업의 기반 기술 확보에 기여가 가능하다.
동적 공정 시뮬레이터의 상용 소프트웨어의 시장 가격(1억원·copy)을 고려한 경제적 효과는 향후 10년간 예상 발주 물량 중 2%의 수주가 가능한 경우 약 45억원 수준(공공부문 투자효과를 제외한 직접 수익 기준)으로 평가돼 정부출연금 투입액(50억원)의 1.28배 이상의 직접 수익을 창출할 수 있을 것으로 기대되고 있다.
엔지니어링 효율성 개선 기술
엔지니어링 효율성 개선 기술은 PLM (Project Life-cycle Management) 및 글로벌 표준을 접목한 웹기반의 실시간 LNG 플랜트 사업관리 및 지식관리시스템의 개발을 위한 것으로 실용화 사업화를 위주로 하는 핵심기술개발이다.
선진기업에서는 플랜트 생애주기 프로세스에 걸쳐 고도로 자동화되고 유연하게 통합된 사업관리 환경을 구축해 프로젝트 수행 효율을 획기적으로 개선하기 위한 노력을 다양하게 진행하고 있다.
기획 단계에서는 생애주기 위험도 등을 고려한 다양한 시나리오에 기반 사업기획, 설계단계에서는 국제
표준 등을 활용해 정보의 재활용도 극대화, 협업의 강화를 통한 자동설계, 구매 및 시공분야에서는 구매의 자동화 및 효율화, 현장관리의 시스템화, 지능화를 꾀하고, 운전시에는 실시간 감시 및 지능형 보수체계를 갖추는 생애주기 통합형 플랜트 사업관리 및 지식관리체계를 구축하고 있다.
엔지니어링 효율성 개선 기술 개발은 단계적(LNG플랜트 생애주기 규명, 시나리오 기반의 사업계획 기법·시스템 개발, 위험 기반의 사업·공정관리 기법 개발, 통합지식관리기술 개발) 연구 개발을 수행 중에 있으며, 현재 단계별 기술의 완성화 단계에 있으며, 통합 엔지니어링 및 지식관리 시스템을 구축해 운영 중에 있다.
통합 엔지니어링 및 지식관리 시스템의 시장 가격(0.5억원·copy)을 고려한 경제적 효과는 향후 10년간 예상 발주 물량 중 3%의 수주가 가능한 경우 약 40억원 수준(공공부문 투자효과를 제외한 직접 수익 기준)으로 평가되어 정부출연금 투입액(30억원)의 1.25배 이상의 직접 수익을 창출할 수 있을 것으로 기대되고 있다.
또한 웹기반 사업관리 서비스를 제공함으로서 현장 데이터베이스의 지속적으로 수집이 가능해 해외 플랜트 시장 진출을 위한 노하우의 집적화가 가능할 것으로 기대된다.
황인주 핵심1과제 연구책임자 주요 약력
□ 한국건설기술연구원 연구팀장
□ 68년, 경남 하동 출생
□ 주요 학력
성균관대학교 기계공학과 졸업
성균관대학교 석?박사 졸업
□ 주요 경력
’93～’95 대우자동차 기술센터 연구원
’97～ 한국건설기술연구원 연구팀장
□ 주요 수상 경력
’99년 미국기계공학회(ASME) 우수논문상
’05년 제1회 해외건설?플랜트인의날 표창
’06년 대한설비공학회 최상홍 기술상
□ 주요 연구 경력
○ 한국건설기술연구원
’03～’07 에너지자원 유효이용을 위한 순환형 공급처리기술 개발
○ 국토해양부
’99～’00 지하공간을 이용한 혐오시설의 복합플랜트화 기술 개발
’01～’04 지하 life-line 설치공간의 지능형 화재감지 및 통합관리시스템 개발
’02～’05 건설기계 시공안전기준 제정
’06～’07 가스플랜트 사업단과제 사전기획