초대용량 LNG 저장탱크 설계 기술 개발
천연가스의 수요와 공급은 꾸준히 증가하고 있지만 소비지역과 매장지역의 지리적 불균형이 심화 될 것으로 예상되기 때문에 천연가스 중에서도 장거리 수송에 적합한 LNG의 수요 증가율은 천연가스보다 높을 전망이다.
따라서 천연가스 수요 증가에 따른 각국의 수요, 공급의 불균형에 필요한 액화천연가스(LNG, Liquefied Natural Gas)를 개발하기 위해 차별화된 기술을 개발하고, 전략적으로 기술경쟁력 제고에 도움이 될 수 있는 기술개발과제를 끊임없이 연구하는 것이 절실히 필요한 시점이다.
하지만 LNG 플랜트 해외사업 및 핵심기술 선두그룹의 경우 시장 카르텔을 형성하고 있기 때문에 LNG플랜트 사업의 기술의 확산 및 보급이 상당히 폐쇄적인 국면에 맞고 있다.
이로 인해 기술교류와 제휴가 불가능한 상황이기 때문에 GS건설에서는 LNG플랜트 해외시장 진입을 위한 EPC필수기술을 확보하고 기존의 선진기술을 습득해 고유의 자체 기술력 확보 및 기술마케팅 전략의 추진으로 선진업체들의 카르텔 형성 및 기술이전 기피에 대응하고자 한다.
GS건설은 2009년에 이란 LNG플랜트 시설단지 수주, 플랜트의 가장 핵심인 액화 (Liquefaction) Package (약 10억불 규모)의 EPC (설계·구매·공사) 일괄 수행 하면서 터득한 기술을 기반으로 테스트 베드 건설 및 운영을 통한 노하우를 축적하고 공정·플랜트 기술을 정립해 자원 연계형 투자개발사업 컨소시엄을 구성함으로써 해외 에너지자원개발과 연계한 해외플랜트 건설이 가능하게 했다.
또한 액화공정 설계기술 및 공정제어 기술을 개발해 기술적인 측면, 사회ㆍ경제적인 측면 및 전략적인 측면인 기술 확보를 실시하게 됨에 따라 2013년 이후에는 선진기업과 경쟁이 가능한 LNG플랜트 EPC기술을 보유한 국가로 해외시장에 진출 해 시장 경쟁력을 강화시키는데 중점을 두고 있다.
천연가스 수요 증가에 따른 각국의 수요, 공급의 불균형에 필요한 액화천연가스(LNG, Liquefied Natural Gas)를 개발하기 위해 차별화된 기술개발을 연구해 전략적으로 기술경쟁력 제고에 힘써 나아가려는데 있어 끊임없이 연구하고 있다.
이에 ‘LNG플랜트 사업단’ 3핵심 과제인 ‘대용량 LNG플랜트 설계 및 건설기술 개발’이 GS건설 최광호 상무를 중심적으로 연구 및 진행되고 있다.
이 과제는 천연가스 액화공정기술을 기반으로 LNG플랜트 설계·건설·저장 기술을 개발하기 위한 과제로 제1, 2 핵심 과제에서 개발된 기술의 검증을 위해 테스트베드를 설계·건설하며, 이를 기반으로 상용급 액화플랜트를 설계한다. 또한 액화 플랜트 설계·건설과 병행 해 초대용량 저장탱크를 설계하는데 중점을 두고 있다. 특히 본 과제에서는 LNG플랜트의 일반적인 공정 구성은 전처리, 액화, 저장의 단계를 거치게 되며, 액화 공정과 저장에 목표를 두어 기술 개발을 한다.
액화천연가스 공정 데이터와 해외 선진 FEED 사례를 기반으로 LNG 플랜트 기본설계 개발을 수행 하며 이를 위해 설계 최적화 및 설치 기준 타당성을 연구하며 BSU 건설을 통한 공정 제어 기술 개발이 병행하고 이러한 연구 및 수행에 대한 기본 설계집을 완성해 테스트베드를 건설하는데 중점을 두고 있다.
또한 25만 kl급 이상 대용량 LNG 저장탱크의 설계 및 인증을 목표로 초대용량 저장탱크 설계 기술 개발 및 LNG 저장탱크의 내·외부탱크 설계최적화 기술, 수명평가 기술 등을 개발 하고 있다. 이러한 목표를 위해 크게 3개의 세부과제로 나누어 연구를 진행하고 있다.
연구내용
GS건설을 중심으로 진행되고 있는 3핵심 과제의 연구내용은‘대용량 LNG플랜트 설계 및 건설기술 개발’에서는 크게 ‘LNG플랜트 설계기술개발’및 ‘LNG플랜트 건설기술개발’과 ‘초대용량 LNG저장탱크 설계기술 개발’등의 연구가 진행되고 있다.
위와 같은 연구는 LNG플랜트개발에 필요한 EPC기술력 확보와 대규모 실용화 경험확보를 최종목표로 하고 있다.
3핵심과제인 ‘대용량 LNG플랜트 설계기술의 개발’은 5 MTPA급 대용량 LNG 플랜트 기본설계 패키지 개발을 하기 위한 과제로서, 개발 단계로는 본 과제에서 개발한 액화공정을 검증하기 위해 BSU(1톤·일급)를 구축하며, 이를 기반으로 100톤·일 규모의 테스트베드 FEED 패키지를 개발한다.
테스트베드 건설 및 운전을 통해 LNG 플랜트 계통 제어기술을 개발하며, 이를 통해 시스템 국산화를 진행한다. 상기 내용들을 개발한 후 대용량 LNG 플랜트 기본설계를 진행한다.
국내건설 및 엔지니어링 업체가 우수한 인력을 바탕으로 신규 플랜트 시장의 진입을 위한 기반을 마련해 실제규모(5MPTA급)의 LNG플랜트 건설에 필요한 기본설계집과 테스트베드 상세설계(100톤·일 2기급) 개발의 연구가 진행 중이다.
이를 위해 200톤·일(100톤·일 2기)급 테스트베드 기본설계 및 상세설계하고 대용량(5MTPA급) LNG플랜트 기본설계패키지 개발해 플랜트 액화 공정 최적화, 플랜트 설계 기술개발, 플랜트 건설 기술개발하고 있다.
이를 위한 공동연구를 통해 테스트 베드 건설 및 시공에 대한 법적 기술검토 내용을 정밀 분석해 안전관리 시스템을 구축하고, BSU플랜트 운전을 통해 LNG액화 플랜트의 최적 공정제어 기술과 고도 공정제어 설계 기술 확립에 필요한 데이터를 연구한다.
또한 대용량 LNG저장탱크의 핵심 주요 요소인 최적화 기법기술 확보를 위해 세계 최대용량인 25만 kl급 이상의 대용량 저장탱크의 외부탱크 설계의 기술 및 안전성 평가 기술을 개발하는데 주력하고 있다.
LNG플랜트 설계기술 개발 부문에서 세부적으로 테스트베드 train-1에 대한 시뮬레이션과 더불어 운전조건의 최적화를 위한 연구를 병행하고 있다. LNG 플랜트 액화공정설계에 필요한 원천기술 중의 하나인 LNG 플랜트 액화공정설계 최적화 프로그램을 개발해 운전의 효율성을 결정하는 주요 변수인 온도, 압력, 유량, 냉매 조성에 대해 최적의 값을 찾아내는 연구가 위탁과제로 수행되고 있다.
또한 다른 위탁 연구기관에서는 LNG 플랜트 시공을 위한 안전관리 시스템을 연구하는데 주력을 다하고 있다.
국내 LNG플랜트 설계도면 분석 및 법적지원에 있어서 설계사의 LNG플랜트 테스트베드 설계도면을 검토하고 문제점을 제시하게 된다. 국내 고압가스안전관리법 적용을 위한 가스설비 및 배관설비 기준을 검토하고 테스트베드의 법적 적용을 위한 사고예방설비 및 피해저감설비, 안전유지와 제조 및 충전기준, 점검기준 등을 검토하게 된다.
또한 해외 LNG플랜트 건설 기준 적용 관련법을 조사하고 고압가스 일반제조의 시설, 기술, 검사, 감리 및 정밀안전 기준을 검토하는 내용을 포함하는 고압가스 일반제조시설 설치기준 적용에 따른 관계법을 지원한다. 테스트베드 준공을 위한 세부항목을 분석하고 안전 확보를 위한 법적 필요조건을 분석함으로써 정기적인 검사, 분석을 수행해 고압가스 냉동제조의 시설, 기술, 검사 기준에 의해 LNG플랜트의 발전적인 과제결과를 도출 할 수 있도록 단계적으로 검토한다.
이러한 LNG 액화공정을 제어하는 방식 및 제어시스템 개발을 위해 공동기관에서는 ‘테스트베드 제어로직 분석 및 검증’, ‘테스트베드 적용 APC(Advanced Process Control) 기술개발’, ‘LNG BSU(Bench Scale Unit) 제작 및 운전 동특성 DB 구축’, ‘상용급 공정제어 기준 개발’ 등의 연구가 진행되고 있다.
이 연구는 BSU액화 공정의 제어 방식을 이해하고 테스트베드의 제어 방식의 적용 검증 과정을 통해 테스트베드의 리스크를 최소화하고 새로운 공정제어의 기술 적용을 할 수 있도록 하는데 중점을 두고 있는 것이다.
2세부 과제인 ‘대용량 LNG플랜트 건설기술의 개발’은 테스트베드 건설을 하기 위한 과제이다. 설계기술에서 개발한 FEED 패키지로 테스트베드를 건설하며, 완성된 테스트베드를 운전하고, 이에 대한 평가를 설계 및 운전기술 개발에 피드백한다. 테스트베드를 건설하면서 모듈화된 시공기술을 개발해, 선진화된 플랜트 건설기술 개발을 진행한다. 또한 EPC기술의 수행능력을 확보하고 정의함에 따라 200톤·일(100톤·일 2기)급 테스트베드 구축을 통해 개발기술을 실증적으로 검증하는데 건설 기술에 전제를 두고 있다.
선진 시공사례 및 우수사례의 검토를 통해 연구기반을 마련하고, 이를 통한 벤치마킹으로 테스트베드 설계 기술의 성능을 평가해 보완함으로써 설계기술의 신뢰성을 확보하는데 중점을 두어 테스트 베드 설계에 대한 연구가 수행되고 있다.
이러한 연구를 위해 건종이앤씨의 장비 및 기술을 통해 기계·배관 공사를 확보하고, 극저온장치에 대해서 (주)코밸의 기술력과 장치를 활용해 설치할 예정이다. 또한 (주)일성과 정보교류를 통해 컬럼, 베셀, 소형 열교환기, 펌프류 제조에 대한 기술을 확보해 LNG플랜트 건설기술력을 높이는 연구를 진행하고 있다.
4세부 과제인 ‘초대용량 LNG저장탱크 설계기술 개발’에서는 LNG플랜트 사업의 경제성과 운영 안전성을 위해 저장용량을 설계 가능범위, 선박 저장용량 등을 고려해 세계 최대용량인 27만 m3급으로 증대해 설계하는 것에 중점을 두고 연구를 하고 있다.
기본적인 설계 기준에 따라 최대용량을 선정하고, 선박과 연계된 운전 편의성과 경제적 효율성을 향상시키기 위해 27만 m3급이 선정해 각 요소의 최적화 설계를 통해 안전성을 향상시키고 시공효율과 물량축소에 따른 경제성을 증대하는 두 가지 효과를 모두 달성시켰다.
2010년 11월 9% Ni형 LNG저장탱크에 대한 기본설계를 완료한 상태이며, 2011년 2월 표준설계를 마무리함으로써 LNG플랜트 실제 적용을 위한 준비를 모두 마무리했으며 2014년 6월까지 세부 요소에 대한 최적화 작업을 통해 보다 경쟁력 있는 기술로 발돋움하기 위해 노력하고 있다.
기대효과
기술적 측면에서는 국내 자체 LNG플랜트 기술을 보유하게 되고, 독자적인 LNG 플랜트 기술을 확보해 국내업체들의 해외 가스플랜트 건설 사업에 참여할 기회를 확장시키게 될 것이다. 또한 국내 기술기반의 자립화로 인해 외국 선진 기술과의 격차를 최소화 할 수 있는 계기를 마련할 수 있을 것으로 전망된다.
테스트베드 건설 및 운영을 통한 시공기술 및 관련 매뉴얼을 확보해 액화공정에 관한 최적 설계 및 운전 제어기술을 통해 지속가능한 경쟁력으로 미래 기술에 기반을 다질 것으로 보인다.
대용량 저장탱크의 설계·시공기술 및 수명평가기술 개발로 기술력 제고와 경쟁력을 향상 시킬 것이며, 이를 통해 관련 산업에서의 기술개발 의지 및 동기 부여가 될 수 있는 근거가 될 것이고 기술축적을 통한 해외시장 진출의 기반을 마련하게 될 것으로 판단된다.
사회, 경제적 측면으로는 해외 플랜트 건설 사업 참여시 LNG플랜트의 건설수요는 20조원 정도로 건설 수입이 가능한 것으로 연간 약 1조원 규모의 시장에 진입할 수 있을 것으로 기대된다.
테스트베드 보유 및 운영만으로 전 세계 기술 시장에 광고 효과를 기대할 것으로 전망되며, 전략적, 정책적 관심과 노력을 기울여 경쟁력 있는 국산화 기술의 확보를 실현해 해외 플랜트 시장 진출을 위한 폭넓은 정책적 지원을 유도할 것으로 보인다.
또한 고유가시대 도래와 불안한 세계 에너지시장에서의 자주적인 LNG 플랜트 공정, 설계기술의 확보와 해외 가스전 개발에 의한 국가 에너지 안보 구현이 실현 될 것으로 보이며 LNG플랜트 분야 전문 인력 양성으로 국내 플랜트산업 활성화 및 신규 고용 효과 및 창출 효과가 기대된다.
활용분야
LNG 플랜트 건설 시 에너지자원 확보와 동시에 국내도입 물량의 대체가 가능해 국가 에너지 자급률을 높일 것으로 보인다.
LNG플랜트 사업은 다양한 분야의 기술이 종합적으로 융합되어 있는 사업으로 화공, 건설, 토목, 환경, 전기, 기계 등 분야가 유기적으로 연계되어 있기 때문에 국가적으로 새로운 안정적 에너지원 확보 및 적용에 소요되는 대단위 비용을 절감할 수 있어 국가 경쟁력에도 많은 영향력을 끼치게 될 것이다.
또한 테스트 베드 건설 및 운영을 통한 노하우를 축적하고 공정·플랜트 기술을 정립해 자원 연계형 투자개발사업 컨소시엄을 구성함으로써 해외 에너지자원개발과 연계한 해외플랜트 건설이 가능할 것으로 전망된다.
이로 인해 국내 공기업 및 대기업 뿐 만 아닌 중소기업의 국내 부품 업체, 설비 제작 업체, 운전 지원 업체 등 기업경제가 활성화 될 것이며, 해외 가스 사업과 연계해 LNG플랜트 설비의 기획·설계 단계부터 구매, 건설, 운전의 기술을 확보하게 됨으로써 해외시장진출에 참여할 수 있으며 정유, 석유화학, 가스분야의 우리의 기술력을 강화 시킬 수 있을 것이다.
이로써 한국의 위상을 제고해 진입하지 못한 다른 EPC 분야에 진출 할 수 있는 기회 마련하게 될 것이다. 또한 현장수행 실적과 독자적인 기술을 보유함으로써 원격지 중소 가스전을 대상으로 기획, 개발형 건설사의 모델을 개발하고 적용해 시장경쟁력을 증가시키는데 기여할 것이다.
이와 함께 LNG플랜트 EPC기술을 확보해 해외 발주처의 신뢰를 확보해 해외 시장에 진출 할 수 있는 발판을 마련하게 될 것이며. 선진국 대비 90 % 기술수준을 달성해 LNG플랜트 Global Top 5의 경쟁력을 확보하고 액화공정에 진출함으로써 자원을 확보한 선진 국가와의 전략적인 협업이 가능할 것으로 기대된다.
최광호 핵심 3과제 연구책임자 ( GS건설(주) 상무)
□ 최 광 호
□ ’55년 서울
□ 주요 학력
용산고
연세대학교 화학공학 학사
연세대학교 화학공학 박사
□ 주요 경력
’02년 코오롱건설 기술연구소 소장
’07년 코오롱건설 기술연구소장 이사보
’(現) 한국지하수토양환경학회 이사
’(現) 한국막학회 평이사
’(現) GS건설 환경기술담당 상무