Heat Exchanger for Cargo Handling System in LNGC
홍 성 희 Sung-Hee Hong
∙(주)동화엔텍 사장
∙E-mail: [email protected]
1. 서 론
최근의 세계 경제의 침체는 금융위기에서 출발 하여 실물경제까지 위협하는 수준까지 이르고 있 다. 이러한 위기에서 조선산업은 한국 경제를 떠 받치고 있는 중추적인 역할을 하고 있다. 조선산 업의 특징은 수주 및 납기의 딜레이가 상당히 크 기 때문에 최근의 조선산업은 2, 3년 전 수주 받 은 물량을 바탕으로 일정부분 위기를 견디어 내고 있지만, 세계 선박 발주량이 전무한 상황에서 위 기감이 고조되고 있다. 이러한 세계 경제의 문제 뿐만 아니라 중국 등의 후발 주자의 성장은 조선 산업으로 하여금 고부가가치 선종 등으로 중심축 의 변화를 강요하고 있다.
LNG선박은 대표적인 고부가가치 선종으로 2000년대 들어서 한국의 메이저 조선 3사에서 주 도하고 있는 선종 중의 하나이다. 화석연료의 고 갈, 청정에너지에 대한 요구 등으로 LNG에 대한 수요가 증가하고, 대형 LNG Plant 개발 등으로 2000년대 LNG선의 수요는 폭발적으로 늘어났 다. 이렇게 건조되는 LNG선의 수요와는 별개로
LNG선에 필요한 조선기자재의 개발은 부진하여, 다른 기타 선종과는 별개로 기자재의 수입의존도 가 상당히 크다. LNG선의 기자재는 까다로운 선 급 승인과 선주의 국외 기자재 선호 현상으로 인 해 국산화에 상당한 어려움을 겪고 있다. 또한 최 근 LNG Cargo tank의 BOG(Boil Off Gas) 처리와 관련된 System의 급속한 변화 역시 기자 재 개발에 상당한 어려움으로 작용하고 있다.
BOG처리와 관련하여 지금까지는 보일러를 통해 연소시켜 Steam turbine을 이용하였으나, 최근 BOG 재액화 및 DFDE(Dual Fuel Diesel Electric) 추진시스템으로 건조방향이 전환되고 있다.
선박용 열교환기의 경우 일반적인 선종에 대해 서는 대부분 국산화가 완료되어있다. 하지만, 앞서 언급했듯이 LNG선의 경우 까다로운 선급과 선주 선호도 정도에 따라 수입에 의존하는 실정이다.
고부가가치의 선종의 건조에 따른 이득이 기자재 수입에 따라 오히려 외국에 빠져나가는 것이라고 도 볼 수 있다. 또한 국내 경쟁사가 없는 관계로 국외 기자재 업체에 국내 조선소가 때로는 끌려
다니는 현상 또한 발생하여 경쟁력 제고에 상당한 타격이 있다. 따라서 LNG선의 기자재에 대한 국 내 개발이 절실하고, 특히 Cargo-room의 BOG 처리를 위한 열교환기의 개발은 단순 국산화의 요 구 이외에 국내 조선소의 경쟁력 강하에도 이바지 할 것이다.
2. 천연가스 보급 및 LNG선의 건조 현황
천연가스는 청정에너지원으로 석유류에 비해 탄 소발생량이 작고, 석유에 비해 매장량이 많은 것으 로 예측되고 있다. 석유고갈과 청정에너지에 대한 수요로 인해 국내 1차 에너지 소비 구성비에서도 천연가스 소비비중은 지속적으로 증가하여 2010년 14%까지 꾸준히 증가할 것으로 보이는 반면 석유 의 소비 비중은 감소할 것으로 전망된다. 국내 천 연가스는 1986년 11월 발전용 연료로 처음 공급된 이후 연평균 16%의 성장률을 기록하며 우리나라 1차 에너지소비량의 13.9%, 발전용 연료의 17.6%를 차지하며 중요한 국가에너지원이 되었다.
그림 1 국내 1차 에너지 소비 구성비 변화 전망
그림 2 세계 선박건조 수요 전망 연평균 증가율
이러한 국내 천연가스의 수요 성장뿐만 아니라, 세계적인 천연가스에 대한 수요 성장으로 인해서 천연가스를 생산하는 LNG 플랜트, LNG선, LNG FPSO, FSRU 등의 선박에 대한 수요가 급격히 증가하고 있다. 그림 2에서 세계 선박건조 수요 전망 연평균 증가율을 보면 LNG선의 증가 율이 다른 선박의 수요 감소에 비해 대조적인 증 가를 보이고 있는 것을 알 수 있다. 세계적인 LNG 수요의 증가와 그에 따른 플랜트, 선박 등의 수요도 증가하고 있다.
천연가스의 이용은 옛날부터 주목되어 왔지만 이전에는 소비지로 수송방법이 어려워 원유생산시 나오는 천연가스를 그대로 대기방출하거나 태워버 렸다. 그러나 1940년부터 에너지원의 다양화 및 기술의 개발로 이를 연료로 이용하는 방법이 연구 되었으며 수송방법에 대한 실험도 행하여졌다. 천 연가스는 생산지와 소비지가 인접하고 있을 경우 는 PIPE LINE 수송이 용이하지만 원거리 수송 의 경우 경제적으로 보아 천연가스를 액화, 해상 수송 하는 방법 외에는 없다.
LNG 해상수송은 1959년 미국에서 영국으로 화물선을 개조하여 처음으로 수송이 이루어졌다.
이후 본격적인 세계최초의 상업용 LNG선은 1964년 영국에서 준공한 CONCH방식에 의한 27,400M3형 'Methane Prinsess'호이다. 또 Gaz Transport type 방식에 의한 LNG선은 1969년 71,500M3형 ‘Polar Alaska’호가 스웨 덴에서, 또 1971년 Technigaz방식의 50,000M3형 ‘Decartes’호가 프랑스에서 각각 준 공되어 Membrain 방식 시대가 시작되었다. 이 것에 대해 Moss-Rosenberg사는 독립 Tank방 식의 개발을 진행하여 1973년 87,600M3형 LNG선 ‘Norman Lady‘호를 준공시켰다. 이후 Gaz Transport type, Technigaz type, Moss type 이상 3 방식이 기술적으로 확립된 방 식으로 세계의 LNG선 건조에 주종을 이루고 있 다. 1975년에는 각방식 다같이 120,000 - 130,000 M3형이 준공되어 대형 LNG선 시대를 열게 되었다.
한국에서는 1986년부터 LNG도입이 시작되었
고, 1994년부터 수송방식이 구매자의 선대에 의 하여 LNG를 운송하는 FOB운송방식으로 변화에 따라 국내조선소에서 LNG선 건조가 시작되었다.
LNG선의 건조는 현재 국내 대형 조선 3사에서 70%이상을 건조하고 있으며, 설계, 건조, 납기에 서 세계적인 기술을 인정받고 있다. 특히 새로운 기술 적용에 대한 자신감은 LNG선에 건조에서 지속적인 비교우위를 유지하게 하였다. LNG선의 경우 Cargo tank에서 자연적으로 발생하는 BOG(Boil off Gas)를 이용하여 추진시스템으로 사용한다. 추진시스템은 BOG처리 방식에 따라 Steam turbine, DFDE(Duel Fuel Diesel Electric), 재액화방식 등이 사용되나, 최근에는 선종의 대형화되는 추세에 따라 Gas-turbine을 사용하는 것도 고려되고 있다.
추진시스템은 주로 선박의 운항 효율이나 선가, 선주의 요구 등에 의해 고려되나, 국내 대형 조선 소의 경우 선주의 요구를 전적으로 수용할 기술적 자신감이 있을 뿐만 아니라, 더 좋은 시스템을 만 들기 위한 경험적 노하우가 충분하다. 이에 반해 관련 기자재를 공급하는 국내 업체의 경우 LNG 선이라는 특수한 환경에 대한 선주의 선호도, 까 다로운 선급절차, 품질의 신뢰성 등에 대한 좋은 평가를 받지 못하고 있으며, 변화하는 선박의 최 신 기술에 대한 적절한 대응력도 부족한 실정이 다. 이러한 복합적 요소에 의해 LNG선을 포함한 특수선의 경우 국내 기자재의 국산화율은 현저히 떨어지고 있다.
그림 3 LNG선
3. LNG선Cargo Handling System계통 열교환기
3-1 추진시스템 및 개발 배경
LNG선의 추진시스템은 앞서 설명했듯이, Cargo tank에서 자연적으로 발생하는 BOG의 처리 방식에 따라 나누어진다. LNG선에서 이러 한 BOG를 처리하는 부분을 통칭하여 Cargo compressor room이라고 한다. 명칭에서도 알 수 있듯이 BOG처리의 핵심설비는 compressor 지만, 그 compressor의 정상운전을 위한 주변 기자재 또한 필수적인 요소이다.
아래 그림은 DFDE의 BOG처리 방식의 일부 분을 보여주고 있다. Cargo tank에서 발생하는 BOG는 DF엔진의 연료로 사용되기 위한 충분한 양이 만들어질 경우 Compressor를 거쳐 엔진 연 료로 사용되고, 엔진에 필요한 연료보다 BOG생 성이 많을 경우에는 나머지 부분에 대해 재액화 또는 GCU를 통해 연소된다. BOG생성이 충분 하지 않을 경우에는 Cargo pump를 통해 강제적 으로 Forcing vaporizer를 통해 기화시켜 compressor로 압축하여 엔진연료로 사용하게 된다.
그림 4 DFDE 추진시스템의 Cargo handling Steam turbine 추진시스템의 경우에는 발생
하는 BOG를 보일러로 보내 연소시켜 Turbine을 구동한다. Steam turbine 추진시스템은 국내 조 선소에서는 더 이상 건조하지 않으며, 중국이나 일본의 일부 조선소에서 건조하고 있다. 재액화시 스템은 발생하는 BOG를 다시 액화시켜 Cargo tank로 보내나, 제어가 다소 까다로운 단점이 있 다. 최근 국내 조선소들은 대부분 DFDE 추진시 스템에 맞추어 LNG선을 건조하고 있다. 추진시 스템이 변화하여도 Cargo handling을 위해서는 필수적으로 열교환기가 필요하며, 그 역할은 점점 중요시 되고 있다. 그림 5는 앞서 설명한 추진시 스템에 대한 간략한 모식도와 효율 등을 나타내고 있다.
그림 5 LNG선의 추진시스템
추진시스템의 변화를 통해 열교환기의 기능은 점점 커지고 있다. Steam turbine의 경우 단순 보일러의 연료로 사용되기 때문에 온도 조건이나 압력조건에 대해 비교적 양호한 운전 조건을 가지 나, DFDE 추진시스템에서는 BOG를 통해 엔진 연료로 사용함으로서, 엔진에 사용되는 압력이나 온도 조건에 민감하게 반응하게 된다. 따라서 추 진시스템의 변화에 따라 열교환기의 역할은 점점 커지고 있으며, 주변의 메인 장치(Compressor, DF엔진)의 원활한 운전을 위해서도 열교환기의 매우 정교한 설계가 필요하다.
앞서 설명했던 Forcing vaporizer 이외에도 Cargo Handling 계통에는 Main vaporizer, Gas heater, After cooler/heater 등이 사용된
다. Main vaporizers는 Cargo tank의 Initial gas filling(초기 화물 가스 선적)시 육상에서 공 급되는 LNG 를 기화시켜 탱크내로 가스를 공급 하고, N2를 Venting하는 기능을 하며, 양하 작 업시에는 육상으로부터 가스의 공급이 없거나 부 족할 때 탱크의 액면강하에 의해 발생하는 압력 저하를 방지하기 위해 LNG일부를 기화시켜 다 시 카고 탱크로 보내어 압력을 유지하는 역할을 한다. 또한 Forcing vaporizer 고장시 필요한 연료가스를 생산할 때 사용하기도 하여 다양한 용 도로 사용된다. 다양한 용도로 사용함에 따라 열 교환기의 제어폭도 커져 열적 설계 및 강도설계가 까다롭다. Gas heater는 크게 두 가지 기능을 가 지면 High duty기능은 두 개의 히터를 병렬 운 전하여 카고 탱크 Warm-up시 탱크내의 가스를 H/D compressor로 흡입, 가압하여, 약 80C정 도로 가열하여 탱크로 압송한다. Low duty 기능 은 1개의 히터를 운전하여 보일러 가스 버닝시, 카고 탱크에서 증발하는 BOG를 L/D Compressor로 흡입, 가압하여 약20C 정도로 가 열하여 기관실 보일러로 공급한다. 이외에도 After cooler/heater의 경우 DF 엔진의 전단에 설치되어, Compressor로 가압된 BOG를 엔진에 서 필요한 BOG온도(35~45도)로 만든다. 아래 는 DFDE 추진시스템에서 열교환기류의 Design 조건을 나타내고 있다.
유량 입/출구온도
Main vaporizer 26,965 -163 / 1.8 Forcing vaporizer 5,000 -163 / -120
Gas heater 39,250 -130 / 0 After
cooler/heater 2,584 178 / 45 표 1 Cargo compressor room용 열교환기
의 설계조건
LNG선에서 열교환기의 중요성이 커짐과 동시 에 국내 조선소의 대형화는 관련 기자재의 SKID, 블록, 모듈화를 요구하게 되었다. 따라서 단품에 대한 단순 개발보다는 전체적인 시스템에 대한 이
해와 시스템 설계가 가능해야 한다. LNG선의 Cargo-room에 사용되는 열교환기는 관련 기자 재들과의 구성을 고려하여 성능과 크기 등을 결정 하여야 한다. 따라서 단순 열교환기의 설계도 중 요하지만 Tank 상태, 관련 기자재의 운전 등을 전체적으로 고려하여 설계하여야 한다.
DFDE 추진시스템의 경우 Cargo tank의 BOG는 DF엔진에 필요한 연료량과 비교하여 필 요한 양만큼 Forcing vaporizer를 통해 기화하 여 Compressor 등을 거쳐 엔진연료로 사용한다.
LNG의 기화에 사용되는 Main vaporizer 및 Forcing vaporizer는 Tank의 상태와 DF엔진 의 운전상태에 따라 시시각각 변화하는 온도와 유 량조건을 가지게 된다. 따라서 단순 정상상태만을 고려하여 열성능을 만족시키는 설계뿐만 아니라, 다양한 동적조건에서도 만족할 만한 성능을 가져 야 한다. 따라서 열교환기의 정적 설계뿐만 아니 라 시스템 전반적인 사항을 고려하기 위한 동적 설계도 필요하다.
3-2 개발 내용
LNG선 및 특수선에 사용되는 기자재 특히 Cargo compressor room용 열교환기를 개발하 는 것은 자체적인 노력뿐만 아니라 선주 및 조선 소, 선급 등에 대해 품질을 만족할 만한 신뢰성을 담보로 해야 한다. 국내 기자재 업체의 경우 실적 선에 납품되어 신뢰를 받을 기회마저 없는 상황에 서 단순 자체 개발로 선주사에 신뢰성을 확보하기 는 쉽지 않다. 따라서 설계, 제작, 검사, 실험 등 을 거쳐 선주사 및 조선소에 품질을 인정받을 수 있는 개발 절차가 필요하다. 당사의 Cargo compressor room용 열교환기의 개발은 이러한 목표를 가지고 초기 기획 단계부터 열교환기 단순 개발이 아니라, 열교환기의 성능실험을 수행하여 열적 설계 능력을 검증받고, 까다로운 선급절차를 통해 제작 검사를 통과하는 개발방향을 설정하였 다. 뿐만 아니라 조선소 관계자 및 가스공사, 학 계 인사 등으로 구성된 운영위원회를 구성하여 개 발에 따른 방향성을 항시 점검할 수 있도록 하였 다.
열교환기의 개발 절차는 크게 열적 설계와 구조 설계, 그리고 제작을 통한 검사 등으로 나누어진 다. 열교환기 열적 설계는 먼저 사용되는 유체에 대한 정확한 이해에서부터 시작된다. LNG는 극 저온의 유체이며, 동시에 Methane을 주성분으로 하는 혼합물이다. 산지 및 사용처에 따라 조성이 시시각각 변화하며, 그 변화하는 유체의 특성을 쉽게 판단하는 것은 쉽지 않다. LNG의 조성 및 온도, 압력 등에 대한 정확한 특성값 (Properties)을 먼저 파악해야 열교환기의 열적 설계가 가능하다. 또한 극저온의 유체에 대한 열 전달 메카니즘을 이해하는 것이 선행되어야 최적 의 열교환기 설계가 가능하다. 일반적으로 극저온 의 유체는 기화시 film boiling 현상이 발생하여 열전달에 나쁜 영향을 미친다. 따라서 film boiling 현상을 줄일 수 있는 열적 설계에 대한 이해가 필요하다.
극저온에 사용되는 열교환기의 경우 열적 설계 뿐만 아니라 강도상의 고려도 중요하다. 특히 극 저온에 사용하는 재질의 선택과 극심한 온도차를 고려한 열응력에 대한 고려가 중요하며, LNG Cargo Handling System 계통 열교환기의 경 우 다양한 동적 조건에서 사용되므로 모든 운전조 건을 만족할 수 있는 강도설계가 필요하다. 뿐만 아니라 선박이라는 특수성을 고려한 선체의 운동 에 따른 응력해석도 필요하다.
Cargo Handling System 계통용으로 사용하 는 열교환기는 일반적으로 재질 및 사용압력, 열 교환 방식 등을 고려하여 Shell and tube type 을 많이 사용한다. S&T 열교환기는 Tube side 의 유체와 Shell side의 유체를 열교환하게 되고, Cargo Handling System 계통용 S&T 열교환 기는 주로 Tube side에는 극저온의 LNG를 Shell side에는 고온의 Steam을 이용하여 LNG 를 기화한다. 열적 설계를 통해 tube의 길이, 구 경, 사용수를 결정하게 되고, 강도설계를 통해 tube sheet, nozzle의 두께 등을 결정하게 된다.
일반적으로 사용하는 재질로는 극저온에서 취성 및 강도가 안정한 SUS(stainless steel)304, 316계열을 많이 사용한다.
그림 6 Shell and Tube H/X 개념도
그림 7 열응력 해석 및 가진 해석
그림 8 온도에 따른 재료의 항복 응력
열적 설계와 강도 설계도 중요하지만, 제품을 신뢰성 있게 만드는 것이 가장 중요하다. 제품의 신뢰성은 주로 선급인증을 통해 이루어진다. 까다
로운 선급 절차는 도면 승인부터 제작, 검사까지 를 포함한다. 일반적으로 극저온에 사용되는 압력 용기류는 아래와 같은 검사절차를 통과해야만 한 다. 압력용기류에 대한 검사 및 제작은 ASME에 따라 진행되고, 선급인증절차를 진행한다.
- 용접검사(NDI: Non-destruction inspection)
- 극저온테스트(Cryogenic test) - He-leak test
- 수압검사(Hydro test) - 공압검사
그림 9 초저온 열교환기 검사
설계와 제작, 검사 공정을 마친 열교환기 성능 실험은 신뢰성을 확보하기 위한 마지막 절차이다.
성능실험은 실제 사용하는 유체를 열교환기를 통 해 열전달을 함으로서 열적 능력과 유동에 의한 차압정도를 파악하여 성능을 파악할 수 있다.
LNG의 경우 위험물이며, 폭발성이 있어 실제 성 능실험 차원에서 LNG를 직접 열교환하기는 쉽지 않다. 따라서 극저온에서 유사한 열전달 메카니즘 을 가지는 액화질소를 이용하여 열성능 실험을 하 였다. 열전달은 주로 열교환기의 Size와 유체의 물성치에 의한 함수로 나타내어지기 때문에 액체 질소를 이용한 실험결과를 바탕으로 실제 성능을 유추할 수 있다.
열교환기류의 기본설계와 시스템 구성에 따른 성능특성을 검증하기 위해 일차적으로 시뮬레이터
그림 9 HYSYS Dynamic을 통한 동적특성 해석
를 제작하여 운전상황에 따른 결과들을 검토하였 고, 시뮬레이터는 공정해석용 프로그램으로 동적 해석이 가능한 Aspentech Hysys dynamic을 이용하였다. 앞서 설명했듯이 Cargo Handling System 계통용 열교환기는 다양한 운전조건에서 시시각각 변화하는 유량 등에 맞추어 성능을 발휘 해야 함으로 이와 같은 동적특성을 파악해볼 필요 가 있다. 주변 장치들과의 온도, 압력, 유량 변화 를 비교해봄으로서 성능만족 조건 및 밸브 운전 조건 등을 검토했다.
본선용으로 사용되는 Main vaporizer 및 Gas heater, Forcing vaporizer를 test하기 위해서는 실제 본선에 장착되어 Cargo tank, Compressor, Boiler, Engine등과의 연동실험 으로 성능을 확인하여야 하나, 상기 위의 설비들 을 구축하여 실험을 하는 것은 현실적으로 불가능 하여, 시뮬레이터를 통해 시스템적으로 검토하였 고, 동적특성파악을 통해 열교환기류의 입구조건 을 만족하도록 성능실험설비를 구축하였다. 일차 적으로 입구조건에 대해 출구조건이 만족한다면 열교환기류의 성능이 만족한다고 판단하였다. 열 교환기류는 실제 LNG선에서 사용되는 Spec 및 Size로 제작하였고, 열교환기의 tubs side(cold
side)에는 액화질소를 shell side(hot side)에는 고온의 steam을 열원으로 사용하였다.
그림 9는 Vaporizer와 Gas heater의 연동실 험이 가능하도록 성능실험설비를 구축한 사진이 며, Vaporizer 및 Gas heater의 입출구에는 압 력, 온도, 유량을 조절하기 위한 Control valve 를 설치하여 운전조건을 만족하도록 성능실험을 수행하였다. 실험은 본선에서 사용시 요구되는 온 도 조건과 유량 조건으로 수행하였다.
이러한 노력을 바탕으로 최근 LNGC의 Cargo Handling System용으로 LNG Vaporizer unit에 대한 공급 계약에 성공하였다. 국산화의 성공기준은 단순 제품 개발이 아닌 실선에 적용되 어 성능, 내구성 등에 대해 모두 만족할 만한 결과 를 받아야 한다. 성능과 내구성에 대해서는 이미 lab test와 선급인증을 통해 만족할 만한 결과를 얻었고, 실선에 적용되어 최상의 성능을 발휘하는 부분에 대해서는 최근 본선에 설치되어 시운전을 성공적으로 끝마쳤다. 그림 11은 본선에 납품되기 위해 대기중인 열교환기 모습이며, 그림 12은 실 제 본선에 적용되어 Cargo compressor room에 설치된 Main vaporizer, forcing vaporizer, mist separator 등의 모습을 나타내고 있다.
그림 10 초저온용 열교환기 성능실험 설비
그림 11 설치대기 중인 Gas heater
그림 12 Cargo compressor room사진
4. 기타 극저온용 열교환기
4-1 High pressure LNG Vaporizer
LNGC의 추진시스템의 변화는 주로 Cargo의 효율을 높여 경제적인 운송이 가능하도록 발전되 었다. 이와 함께 해상에서 LNG를 처리할 수 있는
LNG 해양플랜트 및 LNG 특수선에 대한 관심도 커지고 있다.
해상의 LNG 생산기지 역할을 할 수 있는 LNG-FPSO(LNG-Floating Production Storage and Offloading)는 최근 중소형 해상 가스전을 개발하기 위해 건조중이며 또한 육상 LNG 터미널 부족에 의해서 LNG 해상 부유식 인수 터미널인 LNG-FSRU (LNG-Floating Strorage and Regasification), LNG-RV (LNG-Regasification Vessel)선 등 새로운 LNG 선이 개발되고 있다. High pressure LNG Vaporizer(HP Vaporizer)는 주로 LNG RV, FSRU, FPSO 등 특수선에 사용된다. 선박 자체에 기화설비를 갖춘 LNG 운반선인 LNG RV(Regasfication Vessel)은 기존의 LNG 운 반선에 부유식 해양 플랜트 기능을 접목시켜, LNG를 운반하고 해상부유설비에 접안하여 천연 가스를 생산할 수 있다. 기화설비에는 주로 HP Vaporizer가 설치된다. HP Vaporizer는 고압 의 LNG를 해수 혹은 Glycol water를 이용하여 기화시켜 육상의 사용처로 바로 이송하게 된다.
HP Vaporizer의 경우 앞서 설명했던 Cargo Handling System 계통용 열교환기에 비해 운 전 압력이 상대적으로 고압(100bar 이상)이며, 실제 임계압을 넘어선 상태에서 열적 특성을 고려 한 설계가 쉽지는 않다. 임계압을 넘어서게 되면 일반적으로 유체는 물성치값의 변동이 심해지고, 열전달 특성도 많이 변하게 된다. 그림 12는 실제 LNG-RV선과 선상에 설치된 HP Vaporizer의 그림이다. 그림 13은 LNG RV 선에서 HP Vaporizer의 공정 흐름도를 나타내고 있으며, 고 압의 LNG를 기화시키는 공정에 따라 Open-loop와 Close loop로 나눠지며, Open-loop에는 주로 해수를 바로 이용하게 된 다. 해수를 바로 이용하게 될 경우 부가적인 설비 없이 열원으로 바로 사용할 수 있다는 장점이 있 으나, 해수 부식에 따른 재질 선택이 중요해진다.
이에 반해 Close-loop 방식은 주로 부동액을 이 용하게 되고, 해수를 바로 이용하는 방식에 비해 추가적인 열원이 필요하지만 재질 선택에 다소 자 유로운 장점이 있다.
그림 13 LNG RV선과 HP Vaporizer
그림 14 LNG RV 공정 흐름도
4-2. 액화 공정용 열교환기
앞서 설명했던 열교환기는 주로 선박이나 해양 플랜트에 주로 사용하는 열교환기이며, 주로 BOG처리와 단순 기화역할을 담당한다. 이에 반 해 실제 LNG Plant의 경우 대형의 액화용 열교 환기가 사용된다. 천연가스가 추출되지 않는 국내 가스플랜트 시장은 LNG 생산시설 보다는 LNG 이송 및 저장시설에 한정되어 있는 이유로 현재까 지 LNG 생산시설에 대한 연구가 전무한 실정이다.
LNG Plant에서는 가스전에서 나온 고압의 가 스를 탈황, 탈수 등의 공정을 거쳐 Methane계열 의 천연가스를 생산하여 액화시켜 저장하고 이송 하는 기능을 한다. 이에 대하여 액화공정용으로 사용하는 열교환기는 LNG Plant에 사용되는 공 정과 생산 능력에 따라 결정되고, 주로 Coil- wound type과 Plate-fin type이 사용된다. 액 화공정용 열교환기(Cold box)의 경우 LNG의 생 산 공정에 따라 다수의 Stream이 동시다발적으 로 열교환하게 되고, 이에 대하여 열적 설계와 강
도 해석이 쉽지는 않다. 뿐만 아니라, 재질 선택 및 재질의 접합 방법 등에 대해서도 국내에서는 연구가 진행되고 있지 않다.
아래의 그림은 LNG Plant의 대표적인 액화공 정인 C3MR에 대한 공정 흐름도를 나타내고 있다.
그림 15 액화공정[C3 MR]의 흐름도 예
그림 16 Coil-wound heat exchanger[Linde]
그림 17 일반적인 Plate-fin형 열교환기
5. 결 론
LNG선 및 LNG특수선, LNG Plant는 에너 지전쟁이라고 불리는 향후 시대에 최대의 화두이 다. 석유자원의 고갈과 청정에너지에 대한 요구 등으로 LNG에 대한 수요는 폭발적으로 증가할 것이다. 이러한 시대적 요구에 대하여 LNG선 및 LNG 특수선 부분은 이미 건조능력이나 설계능력 에 대해 세계최고의 기술을 국내에서 가지고 있 다. 다만 관련 기자재의 국산화는 아직 가야할 길 이 많으며, Cargo Handling System 계통용 열 교환기의 국산화를 바탕으로 특수선용의 HP LNG Vaporizer, 액화 Plant에 사용되는 Cold box등을 개발하여 LNG관련 열교환기 부분에서 최고의 기술을 가지도록 노력해야 한다. 이것은 LNG관련 산업시장에서 국산화율을 높임으로서 산업전반적인 경쟁력을 높이고, 부가가치가 높은 산업으로의 전환을 앞당기게 될 것이다.
참고문헌
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2. Jung Han Lee, Gas Turbine Propulsion Systems for LNG Carrier Applications, Pierre Michalski, GASTECH, 2002 3. Jung Kwan Lee, Introduction of LNG
Regasification Vessel, 대우엔지니어링기술 보 제24권, 제1호.
4. Linde Technology, Reports on Science and Technology, 2003
