KR 웹진 162호

1. 연구과제 개요

LNG플랜트사업은 LNG 액화 신공정 및 상용 액화플랜트 설계 독자기술 개발, 해양 플랜트 설계기술 확보를 통한 해외 LNG 플랜트 시장에 진입할 수 있는 EPC 필수기술을 개발하는 국가 R&D 사업이다. 한국가스공사를 중심으로 설립된 LNG플랜트사업단은 2008년 LNG 액화 신공정 개발과 상용 액화플랜트 설계 독자기술

개발을 목표로 연구에 착수 하였고, 2011년부터 LNG플랜트 연구성과를 바탕으로 부유식 해양플랜트 설계

기술 확보를 위하여 LNG-FPSO 사업을 추가로 추진하였다. LNG플랜트사업은 1개 총괄과제와 5개 핵심과제로 구성되고, 총 36개 세부과제를 추진하고 있다.

한국선급 연구소는, LNG플랜트사업 중 핵심4 세부4-3과제 “LNG-FPSO 안전설계 및 신뢰성 공학기술 개발”의 주관기관으로써 2011년 하반기부터 참여하였으며, 2017년 12월까지 총 6년여의 기간 동안 관련 연구개발을 성공적으로 완료하였다. 본 연구과제에서 한국선급은 다음의 세 가지 연구목표를 달성하였는데, 그 중 LNG-FPSO를 비롯한 다양한 해양플랜트에 적용 가능한 안전설계 모듈이 핵심이라 할 수 있다.

● LNG-FPSO 플랜트 위험도 분석 및 안전설계 기법 정립
● LNG-FPSO 플랜트 FEED 적용 안전설계 모듈 개발
● LNG-FPSO 플랜트 FEED 패키지 안전성 및 신뢰성 평가 검증 

 

[그림 1. LNG-FPSO 안전설계 모듈 개념]

 

2. 연구성과물 소개

한국선급은 LNG-FPSO 설계의 안전성과 신뢰성을 평가하기 위한 목적으로 위험도 및 신뢰도 분석 기술을

연구하였고 그 결과물을 실 설계에 적용 가능한 형태의 안전설계 모듈로 개발하였다. 안전설계 모듈은 현존하는 위험도 및 신뢰도 분석 이론과 방법론을 바탕으로 실제 적용 가능한 수준의 수행 절차와 상세 사항을

체계적으로 기술하는 지침서 형태로 개발되었으며, 분석 작업을 보다 신속하고 정확하게 수행할 수 있도록 지원 가능한 보조 소프트웨어를 추가적으로 포함하고 있다. 또한, 한국선급은 개발된 안전설계 모듈을 LNG-FPSO 기본설계에 실 적용하여 설계의 위험도 및 신뢰도를 추산하고 그 적절성을 평가하였다. 본 연구과제를 통해 한국선급이 개발한 연구성과물의 상세 내용은 다음과 같다.

  

[그림 2. LNG-FPSO 안전설계 모듈 지침서]

 

2.1 안전설계 모듈 1 & 5 – LNG-FPSO Topside 공정설계 RAM 분석 기술

RAM 분석을 수행함으로써, 공정설계의 생산성능을 예측하고 생산량 감소에 영향을 미치는 보다 취약한

시스템을 효과적으로 식별할 수 있다. 이를 통해 대상 공정시스템의 주요 장치 및 하부시스템의 성능을 향상할 수 있고, 공정의 기본 구성을 보다 합리적으로 개선할 수 있다. 또한, RAM 분석 결과는 LNG-FPSO 전 생애주기 동안 요구되는 Topside 생산 공정의 유지 및 보수비용 절감과 예비부품 최적화를 위하여 사용될 수

있다. RAM 분석 작업은 ‘신뢰도 분석’, ‘가용도 분석’, ‘정비도 분석’, ‘생산공정 운용 분석’, ‘생산효율 분석’으로 구성되며, 시스템 신뢰성 공학 이론을 바탕으로 하고 있다. 복잡한 공정설계에 대한 RAM 분석의 경우, 

몬테카를로 기법에 기반하는 확률적 생애주기 시뮬레이션이 주로 사용되고 있다.
 

[그림 3. RAM 분석 수행 절차 및 분석 지원 소프트웨어]

 

2.2 안전설계 모듈 2 – LNG-FPSO Topside 공정설계 안전무결도(SIL) 분석 기술

안전무결도(SIL, Safety integrated Level)란 안전계장(SIS, Safety Instrumented System)의 등급(Level)을 고장확률(PFD)에 따라 구분한 것으로, IEC 61508 문서에 4가지로 정의되어 있다. 안전계장이란, 공정시스템에

필요한 안전기능(SIF, Safety Instrumented Function)을 구현하는 장치 또는 시스템을 말한다. 안전무결도

결정을 위해 다양한 방법이 제시되고 있는데, 그 중 가장 대표적인 방법인 방호계층분석 기법이 최근 가장

많이 사용되고 있다. 방호계층분석은, HAZOP에서 식별된 사고의 원인과 결과에 따라 허용가능한 위험도

수준을 정의하고 시스템이 이를 만족하는지 평가하는 방법이다. 방호계층분석의 대상은 공정의 방호계층이고, 그 핵심은 모든 방호계층이 실패하여 사고가 발생하는 확률을 계산하는 것이라 할 수 있다.

 

[그림 4. 안전무결도 분석 수행 절차 및 분석 지원 소프트웨어]

 

2.3 안전설계 모듈 3 – LNG-FPSO Topside 공정 화재/폭발 위험도 분석 기술

가연성 높은 천연가스를 대량으로 상시 처리하는 LNG-FPSO Topside 공정의 안전에 있어 화재 및 폭발 사고는 가장 치명적인 위험요소 중 하나이므로, 화재/폭발 위험도 분석은 LNG-FPSO 안전설계를 위한 핵심 기술이라 할 수 있다. 화재/폭발 위험도 분석은 일반적으로, [누출 -> 점화 -> 화재 또는 폭발 -> 피해]와 같은

연쇄적인 사고 전개 과정을 단계별로 나누어 수행된다. 화재/폭발 위험도 분석 결과는 화재/폭발 사고의 발생빈도와 사고결과를 정량적으로 도출하는 것으로 귀결되고 이들을 조합하면 정량적인 화재/폭발 위험도를

산출할 수 있는데, 주로 공정 작업자의 인명 안전성과 공정 시스템 주요 장비의 안전성을 주로 고려하고 있다.
  

[그림 5. 화재/폭발 위험도 분석 수행 절차 및 분석 지원 소프트웨어]

 

2.4 안전설계 모듈 4 – LNG-FPSO 비공정 위험도 분석 기술

선박충돌 위험도 분석이란 특정 해역에 고정되어 있는 해양플랜트 주변의 운항 선박 또는 보급선 등이 충돌함으로써 발생할 수 있는 위험도를 정량적으로 평가하는 작업이다. 이는 대표적인 비공정 위험도의 하나로써, 인접 선박의 충돌로 인한 인명, 재산, 환경 피해의 위험도를 저감하기 위한 방안을 마련하는데 사용되고 있다. 해양플랜트 상부 작업은 주로 크레인을 이용해 수행되는데, 좁은 공간에 많은 장비가 배치되어 있는 해양플랜트 상부는 항상 크레인 낙하물의 위험에 노출되어 있다고 볼 수 있다. 이러한 이유로 해양플랜트의 경우

낙하물의 위험도 분석이 설계 단계에서 필수적으로 수행된다. 해양플랜트의 인명 안전성을 검토하기 위하여 사망위험분석이 필요한데, 주로 대피, 탈출 및 구조 분석을 수행하고 있다. LNG-FPSO의 대피/탈출/구조 장치 설계는, 본선에 승선하고 있는 모든 사람이 안전하게 대피하는 것을 목적으로 한다. 특정 사고가 발생하는

경우를 고려할 때, 사고와 관련된 시나리오 전개에 따른 각 대피/탈출/구조 단계의 진행은 매우 복잡할 수 있으며, 합리적이고 실제적인 정량적 위험도 평가 작업을 위해서는 대피/탈출/구조 단계에 대한 체계적이고

정밀한 고려가 필요하다. 

 

[그림 6. 비공정 위험도 분석 수행 절차 (선박 충돌/낙하물/대피탈출)]

 

2.5 LNG-FPSO 기본설계 위험도 및 신뢰도 분석

상기에 기술한 안전설계 모듈을 이용하여 LNG-FPSO 기본설계의 위험도 및 신뢰도를 분석하였다. 신뢰도

분석 결과, 20년의 운영 수명 동안 93% 이상의 생산가용도가 예측되었고, 최적의 예방보전주기를 제시하였다. 또한 안전무결도 분석을 통해 200여개의 안전기능을 식별하였고, 그 중 약 1%의 안전기능은 SIL 3 수준의 안전무결도가 필요함을 확인하였다. 위험도 분석 결과로써, LNG-FPSO 승조원의 연간 개인위험도는 10-4

수준보다 낮음을 도출하였고, 추가적인 개인위험도 저감을 위한 운용 방안을 제시하였다. 더불어, LNG-FPSO 상부 거주구 앞의 방화벽 및 터렛 구조물이 만년에 한 번 발생 가능한 가스폭발 사고에도 견딜 수 있도록 설계기준 폭발과압을 제시하였다. 최종적으로 LNG-FPSO 기본설계에 대하여 12건의 위험도 및 신뢰도 분석 보고서가 작성되었다. (표 1 참조)

 

[그림 7. LNG-FPSO 기본설계 화재/폭발 위험도 분석]

 

 

[그림 8. LNG-FPSO 기본설계 RAM 분석]

 

 

[표 1. LNG-FPSO 기본설계 위험도 및 신뢰도 분석 보고서 목록]

No.	Document  No.	Document  Title	Issue  Date
1	LFPT-KOR-F-00-DOC-003	HAZID Report	2014.11.30
2	LFPT-KOR-F-00-PHY-001	Safety Design Philosophy	2014.11.30
3	LFPT-KOR-F-00-DOC-003	HAZOP Report	2016.01.05
4	LFPT-KOR-F-00-DOC-006	SIL Allocation Report	2017.08.31
5	LFPT-KOR-F-00-DOC-004	FMEA Report	2015.05.29
6	LFPT-KOR-F-00-DOC-005	RAM Report	2017.08.31
7	LFPT-KOR-F-00-DOC-007	Gas Dispersion Analysis	2017.07.31
8	LFPT-KOR-F-00-DOC-008	Vent Mast Dispersion Analysis	2017.07.31
9	LFPT-KOR-F-00-DOC-002	Fire Risk Analysis	2017.08.31
10	LFPT-KOR-F-00-DOC-009	Explosion Risk Analysis	2017.08.31
11	LFPT-KOR-F-00-DOC-010	Escape, Evacuation and Rescue Analysis	2016.12.31
12	LFPT-KOR-F-00-DOC-011	Quantitative Risk Assessment	2017.08.31

 

 
3. 연구성과의 기대효과
3.1 기술적 기대효과

 

● 국내 중공업사가 전 세계 해양플랜트 공사를 대부분 독점적으로 수행하고 있으나 설계 개발은 거의 해외

업체에 의존하고 있는 실정에서, 본 연구결과를 통해 기술적 해외 의존 및 종속을 타파하고 기술 자립을 이룩할 수 있다.

● 본 연구결과를 이용하여 LNG-FPSO 관련 선진 수준의 엔지니어링 기술 확보가 국내 자체적으로 가능하며, 더 나아가 국내 조선/해양 산업 경쟁력 강화에 기여할 수 있다.

3.2 사회, 경제적 기대효과

 

● 본 연구결과를 통해 한국선급을 비롯한 국내 업체가 LNG-FPSO를 포함하는 해양플랜트 시장에서 위험도 및 신뢰성 분석 엔지니어링 분야로 업무 영역을 확장할 수 있다.

 

● 본 연구결과를 활용하여 LNG-FPSO 시장에서 우리나라가 세계 시장의 다수를 석권할 수 있는 기회를 확보할 수 있고, 또한 LNG-FPSO 플랜트 공사수행에 있어 국내 업체의 설계 경쟁력 향상을 통해 건조 비용 절감 및 외화 유출 방지가 가능하다.

 

 

참고. LNG-FPSO (부유식 해양 LNG 액화플랜트) 란?

원거리 해양에 있는 가스전으로 이동하여 해상에 부유하며 (Floating) LNG를 생산 (Production), 저장 (Storage), 출하 (Offloading)할 수 있는 해상 이동식 복합기능 플랜트

 

[그림 9. LNG-FPSO 개념도]