폭발 위험성을 고려한 LNG-FPSO의 이중 혼합냉매 액화공정 선택

Abstract

부유식 액화천연가스 생산저장 설비(LNG-FPSO, Liquefied natural Gas Floating Production Storage Offloading)는 별도의 해양플랜트나 추가설비 없이 독립적으로 해양에서 천연가스를 생산, 액화, 저장, 하역할 수 있는 해양플랜트이다. 연안에서 멀리 떨어진 해양에서 독립적으로 설치 운영되는 LNG-FPSO의 특성 상 리스크(risk)를 줄이기 위한 리스크 관리(risk management)가 중요하며, LNG-FPSO의 사양(specifications) 및 설계(design)에 반영될 적절한 리스크 관리 방법을 선택하기 위해 화재 위험성 평가(FRA, Fire Risk Analysis), 폭발 위험성 평가(ERA, Explosion Risk Analysis)를 비롯한 다양한 리스크 해석(risk analysis)을 수행하고 있다. 하지만 LNG-FPSO에서 대부분의 리스크 해석은 탑사이드 모듈(topside module)과 장비의 배치(layout) 및 크기(dimensions) 등 실제 설계 정보들을 필요로 하기에 일반적으로 리스크 해석은 FEED(Front End Engineering Design) 마무리 단계에서부터 수행하게 된다. 이렇게 수행된 리스크 해석의 결과는 FEED의 재수행을 요구하기도 하고 EPCI(Engineering, Procurement, Construction and Installation) 공사 중 예상치 못했던 설계 변경을 요구하기도 한다. 따라서 FEED 및 EPCI 설계의 변경을 최소화하기 위해 FEED 설계는 물론 그 이전 단계인 기본 설계(concept design) 단계에서부터 리스크를 고려한 설계를 수행해야 한다. 본 연구는 특히 프로세스 산업 사고의 75%를 차지하는 폭발 사고에 초점을 맞추어 LNG-FPSO의 가장 핵심이 되는 천연가스 이중 혼합냉매(DMR, Dual Mixed Refrigerant) 액화공정을 대상으로 기본 설계 단계에서 실제 설계 정보 없이 폭발 위험성을 평가하는 방법에 대해 연구하였다. 이를 위해, 본 연구는 정량적 위험성 평가(QRA, Quantitative Risk Analysis)의 일반적 절차를 바탕으로 폭발 위험성 평가(ERA, Explosion Risk Analysis)의 절차를 정리한 뒤 그 절차에 맞추어 LNG-FPSO에 적용 가능한 천연가스 DMR 액화공정인 APCI DMR 액화공정과 Shell DMR 액화공정에 대해 폭발 위험성 평가를 수행하여 두 공정의 폭발 위험성을 비교하였다. 이를 위해 폭발 위험성 평가와 관련된 배경 이론을 살펴보고 다음과 같은 방법을 통해 폭발 위험성 평가를 수행하였다

APCI DMR 액화공정과 Shell DMR 액화공정을 모델링 후 분할(segmentation) 기준에 맞춰 failure case를 정의하고, 정의된 failure case 내의 탄화수소 인벤토리(hydrocarbon inventory)를 계산한 다음 각 failure case 마다 세가지 누출 시나리오를 고려하여 폭발 빈도(frequency)와 폭발 결과(consequence)를 계산하여 두 공정의 exceedance curve를 도시화하였다. 이를 바탕으로 액화공정 모듈의 ALARP(as low as reasonably practicable) frequency를 기준으로 두 공정의 폭발 반경을 계산하여 두 공정의 폭발 위험성을 비교할 수 있었다. 그 결과 APCI DMR 액화공정이 Shell DMR 액화공정보다 폭발 위험성이 작다고 결론지을 수 있었을 뿐만 아니라 유사한 구성의 공정이라도 냉매의 성분과 장비의 수량에 따라 폭발 위험성 결과에 차이가 있을 수 있다는 결과를 얻을 수 있었다. 본 연구는 기본 설계 단계에서부터 리스크 관리(risk management) 측면의 통찰력(insight)을 가지고 최적의 리스크 관리 방법을 적용해가며 해양플랜트 설계를 진행할 수 있게 해주어, 계약 전 해양플랜트의 가격 경쟁력을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 계약 후 EPCI(Engineering, Procurement, Construction and Installation) 단계에서 발생하는 추가 비용(extra cost) 또한 줄일 수 있는데 기여할 수 있다.