LNG 액화플랜트 기본설계 패키지 획득


▲ 콜드박스 시제품

□ 핵심2과제는

핵심2과제의 과제명은 ‘고효율 LNG플랜트 공정기술개발’이다. 한국가스공사의 최건형 수석연구원이 연구책임자로 2008년 9월 10일부터 2014년 6월 17일까지 정부 211억원, 민간 114억1000만원 등 총 325억1000만원의 예산이 투입된다.

핵심 2과제의 최종 목표는 신규 천연가스 액화공정 라이센스를 확보하고 전처리, NGL회수 공정기술을 개발해 LNG액화플랜트 기본설계 패키지를 획득하며 액화플랜트의 핵심기자재인 압축기, 열교환기에 대한 국산화 및 설계기술을 확보하는 것이다.

세부과제는 △2-1세부(한국가스공사): 고효율 천연가스 액화공정 개발 △2-2세부(한국에너지기술연구원) : 천연가스 전처리 기술 개발 △2-3세부(동화엔텍) : LNG플랜트 열교환기 개발 △2-4세부(한국터보기계) : LNG플랜트 압축기 개발로 구성된다.

2-1 세부과제에서는 △천연가스 액화사이클 모사 및 액화공정 개발 △천연가스 및 냉매 물성 데이터베이스 구축을 한다.

2-2 세부과제에서는 NGL 회수공정 및 통합기술을 개발하고 2-3 세부과제에서는 LNG플랜트용 열교환기를 개발한다. 2-4 세부과제에서는 LNG플랜트용 냉매압축기 개발, 냉매 압축기용 고속 자기베어링 개발을 한다.

▲ 열교환기 시제품

□ 고효율 천연가스 액화공정 기술개발

2008년 9월 10일부터 2014년 6월 17일까지 한국가스공사 최건형 수석연구원이 연구책임자로 진행하는 2-1 세부과제로 정부 74억1000만원과 민간 66억700만원 등 총 140억 1700만원의 예산이 투입된다.

이 과제의 최종 목표는 신규 천연가스 액화공정 라이센스를 확보하는 것이다. 이를 위해 기존특허 기술 분석, 다양한 액화사이클을 모사함과 동시에 신규 액화공정 설계에 필요한 천연가스 성분분석을 통한 냉매 물성 DB를 구축해 최적냉매 조합을 찾아내는 것이다.

과제는 △ LNG 플랜트 사이클 모사 및 공정개발 (한국가스공사) △ 천연가스 및 냉매 물성연구 및 DB구축 (한국에너지기술연구원) △냉매 및 천연가스 관련물질의 물성예측 모델개발 (공주대학교)- 천연가스 혼합물의 물성을 잘 추산할 수 있는 열역학 모델식을 상용모사기에 장착 등으로 구성된다.

배경 및 동향

에너지원의 확보는 전세계적 관심사이며, 특히 우리나라의 국가적 아젠다인 에너지원의 확보에 대응하고 해외 LNG 플랜트 분야에서의 시장진입을 위해서는 LNG플랜트에 대한 EPC기술 및 열교환기, 압축기 등의 주요핵심 기기의 국산화가 필요하나, 우선적으로 독자적인 천연가스 액화공정을 갖는 것이 가장 중요하다.

또한 LNG액화플랜트는 독자적인 액화공정기술과 라이센서 구축 없이는 시장 진입이 불가능하고, 경쟁력을 확보하기 위해서는 가스하이드레이트 억제 등의 전처리 기술과 주요핵심기기의 국산화 역시 절실한 실정이다.

따라서 향후 막대한 LNG액화플랜트 시장진입을 위해서는 기존의 특허를 침해하지 않는 새로운 고효율의 천연가스 액화공정 기술을 개발과 더불어 핵심기기의 국산화를 이루고 이를 엔지니어링과 접목해 시스템화 및 테스트베드를 바탕으로 한 기술검증을 통한 상업화가 필요하다.

또한 최근에 주목을 받고 있는 LNG-FPSO의 LNG플랜트 기술에 있어서도 기존의 지상용의 대형 LNG플랜트에서 사용됐던 대형공정의 액화기술 보다는 중소형의 액화공정 기술에 대한 요구가 커지고 있다.

국내외 관련분야 동향을 보면 천연가스 액화기술은 APCI, Cascade, Shell, Prico 프로세스가 주로 사용되고 있고, 최근에는 Linde 프로세스가 노르웨이 Snøhvit 액화플랜트에 적용된 바 있다. 근래에 개발된 Axens Liquefin 프로세스도 적용 플랜트를 찾기 위해 노력중이다.

LNG 액화플랜트는 첨단 고부가가치 분야로 프로젝트의 규모가 평균 10억불이 넘는 대형 프로젝트이기 때문에 기술 선진국들의 각축장이다. 선두기업들은 후발참여자에게 시장진입을 극히 경계하며 기술이전을 하지 않고 독점하고 있다.

세계 LNG 액화플랜트 시장은 선두 그룹과 그 뒤를 추격하는 후미 그룹이 있다. 선두에는 JGC-KBR, Chiyoda, Bechtel, Technip 등이 있고, 그 뒤로는 Snamprogerri, Linde 및 TEC 등이 있다.

기대 효과

기술적으로 볼때 기대효과는 현재 선진 기술 보유사들이 카르텔을 형성하고 기술 이전을 하지 않고 있어 고부가가치 핵심 사업에 국내 업체의 참여가 제한되고 있지만 본 과제를 통해 국내 LNG 플랜트 설계·건설 기술을 보유 할 수 있다.

국내업체들의 해외 가스 플랜트 건설 사업 참여가 가능한 액화 공정의 License를 확보하고 테스트베드 건설 및 운영을 통한 시공 기술 및 관련 매뉴얼 확보가 가능하다.

테스트 베드의 건설 및 운영을 통한 노하우 축적으로 해외 기술시장 진출 교두보가 확보되고 주요 설비 및 핵심기술 국산화로 국내 장치 산업의 경쟁력 향상이 기대된다.

경제·산업적 측면에서 볼때 해외 플랜트 건설 사업 참여시 수억 달러의 엔지니어링 및 건설 수입이 가능하다. 해외 프로젝트 수주 기여액은 1개 프로젝트 수주시 10조원 이상이다.

해외 시장 참여시 국내 플랜트산업 활성화 및 신규 고용 효과를 창출하고 해외 미개발 가스전에서의 사업 참여시 막대한 기술료 지출 절감 및 사업 참여 기회가 증대된다. 플랜트업체의 국산 기자재 사용 비율 증대로 인한 부품 소재 산업의 내수 유발 효과도 있다.

활용 분야

천연가스 에너지 기술의 핵심인 액화공정에 대해 우리나라가 자체 라이센스 소유로 에너지 분야의 새로운 기술 시장을 개척할 수 있다. LNG 플랜트 기술개발 사업에서 얻어진 기술은 국가적 아젠다인 에너지자원 확보에 기여한다.

LNG 플랜트 설계 건설 기술은 고부가가치 분야인 해외 LNG 플랜트 시장진입을 위한 EPC 기술을 제공할 것이고 플랜트 건설업계에서도 경쟁력 향상을 위해 활용될 것이다.

LNG플랜트 분야의 EPC에 있어서도 부가가치가 떨어지는 전처리와 저장설비 등의 사업 참여 뿐만아니라 고부가가치의 핵심 공정기술의 참여가 가능하다.

새로이 개발된 액화공정기술은 특허 등을 통해 라이센서 구축에 활용하고 테스트베드는 LNG액화플랜트 발주자에게 신뢰도를 높여 신규 시장 진입을 하기 위한 용도로 활용 가능하다.

국내 석유화학업계와 연계해 해외에서 에탄, 프로판 등 탄화수소물을 추출해 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP) 등을 생산하는 LNG COMPLEX 추진에 활용될 수 있다.

▲ 테스트베드 조감도

□ 천연가스 전처리 기술개발

이 과제는 2009년 4월 18일부터 2014년 6월 17일까지 한국에너지기술연구원 박종호 책임연구원이 연구 책임자로 정부 21억원 ·민간 7억1900만원 등 총 28억1900만원의 예산이 투입된다.

이 과제의 최종 목표는 LNG 플랜트 EPC 필수기술 개발 및 독자 액화공정 라이센스 구축을 위해 NGL 회수공정 국산화 기술 및 산성가스 제거 기술, 수분 제거 기술 국산화 기술개발에 있다.

과제는 △ NGL 회수공정 및 통합기술 개발 (한국에너지기술연구원) △ NGL 회수공정 전산모사 및 최적화 연구 (영남대학교) △가스하이드레이트 생성 억제 기술 및 공정 개발 (공주대학교)로 구성된다.

배경 및 동향

소비자에게 공급되는 천연가스는 주로 메탄으로 이뤄져 있지만 가스정에서 생산되는 천연가스는 메탄만을 함유하고 있는 순수한 가스는 아니기 때문에 자연 상태에서 채굴되는 천연가스는 전처리 과정을 통해 불순물들을 제거해야만 도시가스가 가져야 하는 열함량을 만족시킬 수 있고, 이송 배관의 부식을 막을 수 있다.

천연가스에 포함돼 있는 불순물들은 액화천연가스(LNG)를 생산하기 위한 액화 공정에 다양한 형태로 영향을 미치기 때문에 액화공정에 들어가기 전에 불순물들을 제거해야 액화공정이 안정적으로 운전이 가능하다.

불순물들을 처리하기 위한 공정의 선정에는 불순물들의 농도, 사용처에 따른 제품의 질에 따라 달라질 수 있어 전처리를 위한 공정의 특성을 잘 이해해야 전체적으로 경제적인 천연가스 처리기술 설계가 가능하다.

액화천연가스 생산을 위해 산성가스(H2S·CO2) 제거 공정, 수분제거를 위한 건조 공정 등에 대한 개발과 천연가스 중의 유용한 화학물질인 NGL을 효과적으로 회수, 제품화 하는 기술 개발이 이 과제의 목표다.

연구내용

1단계에서 문헌조사에 집중된 연구 진행됐는데 전처리 공정과 NGL 회수공정은 이미 수많은 공정이 개발돼 있으며, 각 공정들은 처리하고자 하는 가스의 조성에 따라 경제성이 달라져 상용화 공정에 대한 장․단점 파악과 가스 조성별 공정의 선정 기준 확립이 무엇보다 필요하기 때문이다.

2단계에서는 1단계에서 가장 시장성이 높은 것으로 판명된 기술들에 대해 실제 실험을 실시, 개선점과 독자기술 확보를 위한 기초 실험을 수행한다.

소형 실험 장치 설계와 설치문헌조사, 흡착제별 흡착등온 실험 데이터 확보와 다양한 종류의 흡착 등온식에 대한 파라메터 결정, 모사 가스를 이용한 공정 실험과 전산모사를 수행한다.

3단계에서는 대규모 플랜트에 대한 수분과 이산화탄소 제거공정에 대한 기본설계를 위해 소규모 파일럿 플랜트 규모에서 얻은 실험 데이터와 모델링 작업을 통해 얻은 모사결과와 비교, 근접한 결과를 확보한다.

기대 효과

기술적 측면에서는 불순물 제거 공정기술 개발, 수분제거 1ppm이하 성능의 건조 공정 개발을 위한 모사기술, NGL 회수공정 모사기술 등의 확보가 이뤄질 것으로 보이며, 에탄 99.5% 이상, 기타 응축물질 99.9% 이상 분리 가능하도록 액화공정 계통에 통합방법을 제시할 수 있을 것으로 예상된다.

사회․경제적 측면에서는 천연가스 전처리공정과 NGL 회수공정 설계기술을 바탕으로 LNG 플랜트의 해외프로젝트 수주에 따른 국가경제의 파급효과를 기대할 수 있으며, NGL, LNG의 생산력 증대로 인한 경제성이 제고될 전망이다.

세계적으로도 EPC 관련 기술의 증대가 예상되는 가운데 개발된 공정설계기술과 LNG액화공정과의 연계를 통해 국내 EPC산업이 한 단계 도약할 수 있는 기초를 놓을 것으로 생각된다.

신액화공정 개념도
□ LNG플랜트 열교환기 개발

이 과제는 2008년 11월 18일부터 2014년 6월 17일까지 (주) 동화엔텍 홍성희 사장이 연구책임자로 정부 63억6400만원·민간 23억3300만원 등 총 86억9700만원의 예산이 투입된다.

이 과제의 최종목표는 2-1세부과제에서 도출되는 액화사이클 기초 데이터를 활용해 액화공정의 효율 향상에 영향을 미치는 핵심 기자재로 열교환기를 개발하는 것이다.

과제구성을 보면 동화엔텍이 LNG 액화플랜트의 핵심 기자재인 고효율의 초저온 열교환기 기술개발과 테스트베드에 적용될 초저온 열교환기 설계 및 국산화 제작을 한다.

또 △ LNG 플랜트 열교환기용 기본 설계기술 개발 (영남대학교) △ LNG 플랜트 열교환기용 브레이징 접합기술 개발 (한국생산기술연구원) △ LNG 플랜트 열교환기용 구조해석 및 설계기술 개발 (한국해양대학교) △ LNG 플랜트 열교환기용 브레이징 건전성 평가기술 개발 (영남대학교) 등으로 과제가 구성돼 있다.

배경 및 동향

천연가스가 추출되지 않는 국내 가스플랜트 시장은 LNG 생산시설 보다는 LNG 이송과 저장시설에 한정돼 있어 현재까지 LNG 생산시설에 대한 연구 실적은 물론 천연가스 액화용 열교환기에 대한 연구가 거의 없다.

LNG플랜트 산업에서 액화 열교환기는 재액화 기술의 핵심기술 중의 하나로 시장의 요구에 따라 컴팩트화, 저온, 고압의 형태로 발전하고 있어 이에 대응하기 위한 특수한 공정, 소재, 기술 개발이 반드시 필요한 시점이다.

이에 액화 사이클 기초 데이터를 활용해 액화공정의 효율 향상에 영향을 미치는 핵심 기자재인 열교환기 개발하는 것이 이 과제의 목표다.

연구내용

1단계에서는 1차년도 액화공정에 따른 콜드 박스의 열교환기 입․출구 조건이 정해지면 열교환기에 대한 기본 설계와 상세설계를 수행, 제작하는 연구가 진행됐으며 이를 위해 콜드 박스용 열교환기에 대한 기본설계, 상세설계, 제작, 실험 등의 조건에 대한 체계적인 조사와 함께 1단계 2차년도 수행할 랩 스케일급 열교환기에 대한 기본설계를 수행한다.

2차년도에는 랩 스케일급 열교환기를 제작, 성능실험을 통해 냉매 간의 열전달에 대해 싱글 페이즈에 대한 전열특성 파악과 함께 냉매와 천연가스 대체물질 간의 열전달에 대해서는 싱글 페이즈와 투 페이즈에 대한 실험을 수행하고 전열 특성에 대한 파악이 이루어진다.

2단계 연구는 3, 4차년도 연구를 포함하고 3차년도 연구에서는 랩 스케일급 복합구조형(냉매-냉매+냉매-천연가스 대체물질) 열교환기에 대한 제작과 성능실험을 진행한다.

2차년도에 수행한 냉매와 냉매 간의 열전달과 냉매와 천연가스 대체물질 간의 열전달 상관관계식을 바탕으로 복합구조형 열교환기를 제작, 전체적으로 실험을 수행해 랩 스케일급 열교환기에 대한 기술을 확립한다.

4차년도에는 테스트베드용 파일럿급 열교환기, 세퍼레이터, 배관, 콜드 박스 등에 대한 제작과 검사를 수행, 3단계 1차년도 테스트 베드에 설치할 수 있도록 만반의 준비를 진행하고 있다.

3단계 5차년도 연구는 테스트베드용 콜드 박스를 현장에 설치하고 파일럿 테스트를 통해 문제점과 운전변동에 대한 특성을 파악, 신뢰성을 확보하는데 중점을 둔다.

6차년도 연구에서는 테스트베드용 콜드 박스의 열교환기 성능실험을 통해 용량별로 최적 표준모델을 제시하고 곧 이은 사업화 진행을 위한 설계표준과 제작 시방서를 제시한다.

기대 효과

기술적 측면에서는 외국 업체들이 독점하고 있고 있는 LNG 플랜트용 열교환기 설계, 제작 기술에 대한 국내 자체적 기술 보유가 이뤄져 기술 종주국으로부터 탈피할 수 있는 계기를 마련한다.

테스트베드 운영을 통한 시공 기술과 관련 매뉴얼 확보와 함께 테스트베드 운영을 통한 노하우 축적으로 해외 기술시장 진출 교두보를 확보할 수 있다.

사회 경제적 측면에서는 국내 초저온액화(LNG) 플랜트 분야 열교환기관련 기술 전문 인력 양성과 함께 해외시장 참여 시 국내 플랜트 산업용 열교환기 시장의 활성화와 신규 고용 효과 창출, 중소기업 관련 LNG 플랜트 부품 소재 산업의 내수 유발 효과를 기대할 수 있다. 

□ LNG 플랜트 압축기 개발

이 과제는 2008년 11월 18일부터 2014년 6월 17일까지 한국터보기계(주) 이헌석 사장이 연구책임자로 정부 52억2600만원·민간 17억5000만원 등 총 69억7600만원의 예산이 투입된다.

이 세부과제의 최종 목표는 LNG 플랜트용 냉매 압축기를 개발하는 것이다.

과제구성을 보면 한국터보기계가 고성능 다단 원심압축기 개발, 고효율 전동기 및 인버터 개발· 자기베어링 시스템 개발 등 LNG 플랜트 압축기 개발을 맡았고 △LNG 플랜트 냉매 압축기 설계기술 개발 (한국과학기술연구원) △ LNG 플랜트 냉매 압축기용 자기베어링 개발 (서울대학교)로 구성돼 있다.

배경 및 동향

국내 가스플랜트는 자체 기술보다는 선진 외국의 기술을 도입해 엔지니어링의 수준으로 기술을 소화하고 있으며 미국과 일본의 플랜트 사업은 각 부문에서 수준을 평가해 보면 플랜트 설계단계에서의 원천기술 개발 및 원천기술을 이용한 기본설계 부문이 아직 취약한 상태다.

국내 가스 플랜트 사업 현황은 주로 천연가스 공급를 공급받기 위한 관련 인프라가 국내에 인수터미널, 저장탱크, 국내 파이프라인 등이 구축돼 있고 국내 업체의 LNG 플랜트 건설사업에 참여한 내용은 국내에서 LNG 인수기지 및 저장탱크 등이며, 해외에서 주된 액화공정을 제외한 주변 장치 설계 및 건설부문으로 한정한다.

천연가스의 기체부피를 1·600으로 줄일 수 있는 액화기술은 국내 기술로는 아직 실용화된 예가 없으며 액화를 위한 매우 중요한 기술중의 하나는 냉매를 이용한 초저온에서의 냉매압축 기술임. 이 기술은 국내에서 개발된 사례가 없어 LNG 플랜트용 압축기 개발이 이 세부과제의 목표다.

연구내용

1단계에서는 냉매압축기의 개발개념 확정과 함께 압축기와 팽창기의 선진기술 동향에 대한 수집․분석 작업과 함께 이를 바탕으로 압축기의 최적방안을 도출하는 연구를 수행한다.

압축기의 유동해석과 자기베어링의 개발을 위한 안정화 설계를 거친 후 1차 시제품 제작을 위한 구성품 선정을 완료하고 시험용 시작품을 제작, 기초성능시험 결과를 도출한다.

2단계에서는 단계에서 압축기의 기초성능시험으로 확인된 사항을 상세설계를 통해 압축기의 유동해석과 성능개선 해석을 실시한다.

또한 압축 성능시험리그를 제작, 압축기의 성능검증과 자기베어링을 적용한 압축기 시스템을 완성하고 실험용 압축기는 테스트베드 용량에 맞는 능력으로 설계, 시험검증을 실시한다. 이와 함께 안정화 시험과 공인기관 인증획득을 위한 작업이 진행되며, 압축기개발의 조기성과 도출을 위해 압축기 1차 시작품 제작을 위한 설계자문을 해외공인 설계업체로부터 설계검증을 받고 이를 토대로 시작품 제작을 실시, 2단계 내에 압축기 공력성능을 완료하는데 초점을 맞추고 연구를 진행하고 있다.

3단계에서는 LNG 플랜트용 압축기 개발에 대한 성능시험결과를 테스트베드에 적용, 트레인 효율을 도출하고 압축기의 성능개선을 최종적으로 실시한다.

이후 최종 성능검증이 완료된 압축기는 설계표준도면과 제작용 시방서를 도출하고 압축기 운용에 필요한 운전 매뉴얼을 작성한다.

기대 효과

LNG 플랜트뿐만 아니라 공기분리와 초저온 고부가가치 가스 생산, 차세대 에너지원으로 각광받고 있는 수소 액화 관련 산업 등에도 적용이 가능하다.

또한 자기 부상 베어링의 설계 기술을 확립할 경우 고속-고정밀 회전 기기류의 국내 개발을 가능케 하고 특히 회전기계류의 핵심 부품인 베어링의 최첨단 설계 기술을 독자적으로 확보, 관련 분야의 대외 경쟁력을 높일 수 있다.

사회․경제적 측면에서는 현재 LNG 운반선 전체 수주액의 10%에 해당하는 재액화 설비와 LNG FPSO의 액화설비와 관련해 50% 이상의 국산화 기술 기반을 갖출 것으로 예상되며, 이에 따른 경제적 이득은 연간 조선업계가 약 30척 이상의 LNG선을 수주한다고 가정할 경우 약 3억 달러 안팎의 수입 대체 효과를 기대한다.

최건형 핵심2과제 연구책임자 주요 약력

▲ 최건형 핵심 2과제 연구책임자

□ 한국가스공사 수석연구원

□ 63년, 서울 출생

□ 주요 학력
연세대학교 화학과 졸업
연세대학교(석?박사)

□ 주요 경력
’91~ (現) 한국가스공사 연구개발원

□ 주요 연구 경력
○ 한국가스공사
’97~’00 LNG저장탱크용 단열재 국산화 개발
’97~’02 LNG저장탱크 국산화 개발
’02~’03 평택 LNG기지 2공장 기본설계
’04~’05 20만㎘급 LNG저장탱크 개발
’04~’09 인천 #19/20탱크 멤브레인 내조설계
’08~’09 삼척 LNG기지 기본설계
’09~’11 27만㎘급(세계최대) LNG저장탱크 개발
○ 지식경제부
’04~’09 차세대 LNG선 Cargo Containment System 개발

 


 

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