KR 웹진 199호

LNG는 인화성 물질일 뿐만 아니라 극저온의 상태로 취급되므로 부유식 LNG 발전설비를 안전하게 운영하기 위해, 특히 화재 및 폭발 사고에 주요 원인이 되는 BOG(Boil-off Gas)의 발생을 최소화 하기 위한 BOG 회수 시스템은 매우 중요한 시스템이다. LNG를 다루는 플랜트, 계통에서 발생하는 BOG(Boil Off Gas)를 회수
시스템에 대한 하드웨어 및 모니터링 소프트웨어 설계에 관한 내용을 담고 있다. 

 

BOG 회수시스템은 LNG에서 발생하는 증발 가스 회수저장 용기의 안전여유 용량과 배관 응력, 용기 재질 등을 고려하여 설계하였고 저장 용기 타입에 있어 선박 탑재와 육상 플랜트 타입으로 구분하여 설계를 진행하였다.

 

LNG BOG 회수시스템은 폭발에 대한 위험성을 감지 및 모니터링을 수행을 위한 S/W를 포함하고 있다.
소프트웨어 구축을 위해서는 다수의 계측기로부터 측정된 데이터를 입력 받아 데이터 필터링 처리, 데이터 가시화, 3차원 모델 기반의 데이터 가시화, 실시간 데이터 가시화 기능을 포함한 소프트웨어로 구성되어 있다
<그림 1>.

 

<그림 1> 부유식 LNG발전설비 BOG상태 모니터링 시스템 전체 구조도

 

<그림 2>는 설계한 BOG 회수에 대한 PFD를 나타낸 것이고, 그림의 우측은 각 공정의 흐름을 더욱 간략히
표현한 것이다. BOG 회수를 위해서 전열기, 압축기, 콜드 박스를 통해 회수 탱크로 이어지는 공정 흐름과
콜드 박스에서 회수되지 않은 기체를 다시 응축과정을 고쳐 회수를 위한 순환과정으로 구성되는 구조로 설계하였다.

 

부유식 LNG 발전설비의 BOG 회수 시스템에 대한 위험도를 분석하고 이를 식별함으로써 발생 가능한 사고를 사전에 방지하거나 그 규모를 축소하기 위해 해당 시스템의 사고 시나리오를 설계하였다. 하드웨어 설계를 바탕으로 모니터링 시스템을 위한 구성 및 모니터링 요소를 도출하였다. 모니터링 요소는 중요도가 가장
높은 Cold Box 출구를 모니터링하며 온도, 유량, 수위, 압력의 4가지 요소를 도출하였다. 

 

또한 모니터링 대상인 콜드 박스의 P&ID(Piping and Instrument Diagram)를 나타내고 있으며 회수시스템에서 가장 중요한 콜드 박스 출구 지점에 4개의 공정데이터를 모니터링하는 것으로 선정하였다.
 

<그림 2-1> BOG 시스템 프로세스

모니터링 시스템은 <그림 2>의 구성으로 설계하였으며 4개의 측정센서로부터 측정되는 데이터의 정확도 및 다양한 분석을 위한 필터링을 거쳐 저장되며, 이를 3차원 기반 모니터링시스템으로 가시화할 수 있도록 구성하였다. 방폭형 모니터링 디바이스는 방수/방호(IP66등급)외함, 서지내성(KN61000-4-5)회로를 개발하여 방오, 방수, 서지 시험을 통해 통합 모니터링 시스템을 연동하였다.

 

<그림 3> 모니터링 시스템 구성

 

모니터링 시스템 구성에 있어서 3차원 모델은 NavisworksTM 5에서 FBX(Filmbox; .fbx) 파일로 변환하고 AB4D컴포넌트를 이용하여 렌더링 할 수 있도록 구성하였다.

 

또한, 측정된 4개의 데이터는 측정되는 지점과 시간 간격이 일정하지 않으므로 이를 위해서 정규화, 보간법을이용하여 초(sec) 단위 측정데이터로 변환하여 프로그램에 활용하였다.

<그림 4> 3차원 통합 모니터링 시스템 기능

 

개발된 모니터링 프로그램은 C#언어로 개발되었으며 구성된 모듈은 데이터 정규화, 보간(Interpolation), 칼만 필터, 저대역 필터(LPF), 고대역 필터(HPF), 중앙값 필터를 적용하여 전문가 수준에서 데이터 활용을 위한
다양한 필터를 제공하고 있다.

 

시스템 구성에 3차원 모델링 위에 측정되는 4개의 초 단위 데이터를 표현할 수 있도록 구현하였으며 이를
<그림 5>에 도시하였다.

 

<그림 5> 3차원 BOG 안전 모니터링 절차 화면

 

BOG 회수 장비들의 고장위험도 정도를 Risk Matrix를 이용하여 표시하였으며, Risk Matrix는 IMO의 FSA를 기준으로 Frequency 및 Consequence확률설정하여 사용자가 임의로 수정 가능하도록 설정하였다.

 

또한 BOG회수 장비 운용 내에 비정상적인 동작이 발생할 확률을 MTBF(Mean Time Between Failure)를 이용하여 고장률을 계산하였다<그림 6>. 주어진 고장에 대한 의사결정 계획순위 결정에 경제성 평가 기법을
사용하여 우선 순의 결정에 고장률 감소(ΔF)에 따른 비용감소(ΔC)로 결정하였으며, 경제성 평가에 사용되는 비용은 생애주기비용(Life Cycle Cost)를 사용하여 장비 이상상태(Warning, Emergency)에 따라 추진방식을 달리하여 의사 결정하도록 하였다.

 

<그림 6> 장비 고장률 계산 및 가시화(왼쪽), Risk Matrix 화면(오른쪽)

 

본 연구개발을 수행하여 부유식 LNG 발전설비의 안전한 운영을 위해, 화재 및 폭발 사고에 주요 원인이 되는 BOG를 최소화하기 위한 BOG 회수 시스템의 사고 시나리오를 설계하였다.

 

국내법 및 국제법을 고려하여 BOG 회수 시스템 설계와 운영되는 플랫폼에 따른 가격 경쟁력을 확보할 수
있는 시스템 설계를 수행하였다.

 

설계된 시스템을 기반으로 BOG 회수시스템의 안전성 강화를 위한 모니터링 프로그램을 개발하였고 3차원 플랜트, 공정 모델을 프로그램에서 활용하여 사용자 이해도와 안전성 측면을 더욱 강화할 수 있도록 개발
하였다.

 

특히 측정되는 운전데이터의 다양한 활용성을 위해 4종류의 필터링 기법을 적용하였고 운전데이터와의
실시간 비교를 수행함으로써 안전성을 높였다. 주요 장비에 고장 및 사고 발전 과정을 분석하여 발생 가능한 사고를 방지하거나 그 규모를 저감하기 위한 근거를 마련하였다.