연산 200만톤급 기본설계 패키지 완성

▲ LNG-FPSO 조감도
우리 생활에 필요한 에너지원인 석유를 개발하기 위해 1950년대 해양 플랫폼을 개발해 설치하기 시작한 이래 해양 석유탐사 및 개발기술은 눈부신 발전을 거듭했다.
 
기술의 발전과 더불어 1970년대 부유식 석유생산기술은 점점 원거리 심해로 나아가기 시작했으며 1977년 최초의 Oil FPSO인 'Shell Castellon'이 스페인에서 건조됐고, 2003년에는 LPG-FPSO인 'Sanha'가 일본에서 건조됐다.

2004년에는 우리나라의 현대중공업에서 하루 250백만 배럴의 원유를 생산하고 저장용량이 350,000m3인 세계 최대규모의 Oil FPSO ‘Kizomba A’를 건조했다. 2010년 3월 현재 운영중인 FPSO는 모두 155척에 이른다.

2009년에는 오랫동안 검토되어 왔던 LNG-FPSO에 대한 발주가 이루어져 머지않아 해양에서 LNG를 생산할 수 있는 시기가 도래할 것이다.

LNG-FPSO는 해양에서 천연가스를 생산, 저장 및 출하할 수 있는 부유식 액화플랜트이다. 해양 가스정(gas well)에서 채굴된 천연가스는 해저시스템(Subsea System)과 TMS를 거쳐 선상의 가스플랜트(Topside Plant)로 보내어 진다.

선상부로 유입된 천연가스는 물, 컨덴세이트(Condensate) 등 불순물을 분리한 후 전처리공정(Fractionation)에서 산성가스(CO2, H2S 등 황성분), 수분, 수은을 제거한다. 이후 에탄, 프로판, 부탄 등 탄화수소를 분리하는 공정고 천연가스를 액화시키는 공정을 거쳐 생산물은 선체부의 저장탱크에 저장된다.

일반적으로 선체부에는 컨덴세이트, 프로판, 부탄, LNG 등 4가지 종류의 생산물을 저장할 수 있는 저장탱크와 이들을 출하하기 위한 선적설비(Offloading System)가 필요하다. 컨덴세이트와 LPG(프로판,부탄) 생산물은 많은 에너지를 소비하지 않고 생산할 수 있고 상대적으로 높은 가격에 판매가 가능하기 때문에 이러한 성분을 많이 함유하고 있는 가스전일수록 경제성이 좋아진다.

분리된 에탄은 액화공정에 필요한 냉매로 사용하고, 적절한 판매처가 없을 경우 나머지는 LNG의 열량조절용이나 플랜트 운전에 필요한 연료가스로 사용한다.

LNG-FPSO는 시설을 설치할 수 있는 선상부의 면적이 제한적이기 때문에 육상 액화플랜트와 같이 대용량의 액화시설을 갖추기가 어렵다.

따라서 대부분의 LNG-FPSO 프로젝트는 5 TCF 이하의 중규모 가스전을 대상으로 개발되고 있다. 전세계 용량별 천연가스전의 분포를 살펴보면 5 TCF 이하의 중규모 가스전의 절반이상이 해양에 위치하고 있다.
지금까지 중규모 가스전은 LNG 프로젝트로 개발하기에는 경제성이 미흡했으나 최근 LNG 가격이 크게 상승함에 따라 사업성이 개선되어 경제성을 충족시킬 수 있게 됐다. 중규모 가스전 개발 프로젝트는 IOC의 영향이 크게 미치고 있는 대규모 가스전 프로젝트와는 달리 NOC를 중심으로 추진되고 있다.

중규모 가스전을 육상 LNG 프로젝트로 개발하고 있는 대표적인 사례는 인도네시아의 Donggi-Senoro LNG 프로젝트(연산 200만톤)가 있고, 해양에서 LNG를 생산하는 LNG-FPSO 프로젝트로는 호주의 Prelude FLNG(연산 350만톤) 등이 진행되고 있다.

LNG-FPSO 특징

LNG-FPSO의 가장 큰 특징은 대부분의 건설이 조선소에서 이루어지기 때문에 공기지연, 원가상승 등 건설과정에서 발생될 수 있는 불확실성을 크게 줄일 수 있다는 점이다.

또한 LNG-FPSO는 육상 액화플랜트와는 달리 한 가스전에서 생산이 끝나면 다른 가스전으로 이동해 재사용할 수 있는 이동성(relocatability)이 높다는 점을 들 수 있다.

보통 중규모 가스전의 생산기간을 15~20년으로 볼 때 고정식 육상 액화플랜트로 건설할 경우 총생산량 대비 시설투자비가 높아 대형 액화플랜트에 비해 수익성이 떨어질 수밖에 없을 것이다.

그러나 LNG-FPSO는 이동이 가능하기 때문에 생산기간을 30~40년으로 확장할 수 있다. 이 경우 동일한 시설투자비로 총생산량을 두 배로 늘일 수 있기 때문에 수익성이 크게 증가하게 된다.

천연가스 전처리 및 액화공정, 유틸리티, 저장 및 출하설비 등의 설비 배치를 위한 공간적 제약이 적은 육상 LNG 액화플랜트와는 달리 LNG-FPSO는 선상부의 제한된 공간 내에 모든 설비를 설치해야 하기 때문에 모듈화, 컴팩트화 설계가 필수적이지만 반대로 이는 위험도 증가의 요인이 될 수 있어 이에 대한 대책으로 화재, 폭발 등 위험도를 고려하는 안전설계가 필수적이다.

LNG-FPSO의 선체운동은 주요 장치에 대한 동특성을 유발시켜 성능 저하의 요인으로 작용할 수 있고, 컨덴세이트, 프로판, 부탄, LNG 등 생산물을 저장하는 선체내 저장탱크에 슬로싱(sloshing) 문제를 유발할 수 있기 때문에 이를 고려한 설계가 필요하다.

LNG-FPSO 프로젝트 현황

노르웨이의 Flex LNG에서 2008년 최초로 LNG-FPSO를 발주한 이래 Shell과 SBM Offshore 등에서도 LNG-FPSO를 발주했다. 그 외에도 약 20여개의 LNG-FPSO 프로젝트가 추진 중이거나 계획 중에 있다.

LNG-FPSO 기술개발 계획

국토해양부는 플랜트기술고도화사업의 일환으로 2008년 LNG플랜트사업단을 구성해 LNG 액화플랜트 기술개발을 시작했다.

LNG플랜트사업단은 대규모 고부가가치 LNG 액화플랜트 건설사업에 요구되는 핵심공정, 기본설계 및 플랜트 실증을 통해 국내 적용은 물론 해외플랜트 수출 증대를 통한 신성장동력 창출을 목적으로 하고 있다.
 
LNG플랜트사업단의 과제는 사업 초기에 1개의 총괄과제와 3개의 핵심과제로 구성되고, 각 핵심과제는 4개의 세부과제로 이루어져 있다.

기존 LNG플랜트사업단의 기술개발성과를 활용해 LNG-FPSO 핵심기술 개발을 추진하기 위해서는 육상용 천연가스 액화공정 기술을 해상용에 적합하게 최적화해 LNG-FPSO에 적합한 공정기술을 정립해야 한다.

아울러 초저온 열교환기 및 냉매압축기 개발품을 LNG-FPSO에 적합한 형식 및 용량으로 규격을 다변화하고, 육상 액화플랜트 설계기술을 LNG-FPSO 선상부의 제한된 공간에 설비를 배치하기 위한 모듈화 및 컴팩트화 설계기술로 업그레이드해야 한다.

기존의 육상 액화플랜트를 위한 테스트베드와 연계한 LNG-FPSO 테스트베드를 추가로 건설해 액화공정기술을 검증하고, LNG 저장탱크 및 출하설비(Offloading System) 등 선체운동을 반영한 LNG-FPSO의 특징적 연구가 필요하다.
 
최종적으로는 연산 200만톤급 LNG-FPSO의 기본설계 패키지를 완성해 실 프로젝트에 적용할 수 있도록 한다. 기존의 LNG플랜트사업단에 LNG-FPSO 핵심기술 개발을 위한 역무를 포함시키기 위해 2개의 핵심과제에 세부과제 6개를 추가해 재구성했다.

핵심4과제는 LNG-FPSO 공정 응용기술 개발과제로 LNG-FPSO에 적용할 액화공정을 최적화하고, 원시 천연가스를 해양에서 전처리하는 설비에 대한 설계기술을 개발하고, Topside Plant에 대한 신뢰성을 기반으로 안전설계에 대한 연구를 수행할 예정이다.

핵심5과제는 LNG-FPSO 플랜트 설계기술 개발과제로 LNG-FPSO Topside Plant 설계기술을 개발하고, 선정된 액화공정을 토대로 테스트베드를 설계해 건설하고 Topside Plant와 저장탱크(CCS) 간의 연계기술을 개발하는 연구를 추진할 계획이다.

기존 LNG플랜트사업단의 연구범위와 LNG-FPSO와의 상관관계
핵심 4과제: LNG-FPSO 공정 응용기술 개발

이 과제의 연구목표는 높은 신뢰성 및 가동률 (Availability)을 갖는 LNG-FPSO 액화공정 설계 및 Topside 공정을 최적화하는 것이다.

연구내용은 해양환경에 적합한 천연가스 액화공정의 설계 및 냉매구성 최적화를 수행하고, 다양한 해양 가스전에 적합하도록 개선한 전처리 공정 설계기술 개발 및 공정에 대한 해양 안전성 분석 등, 공정응용 기술을 개발하는 것이다.

해양플랜트 환경에 따른 선체운동의 영향, 제한된 공간인 선체 상부에 설치됨에 따른 컴팩트화, 공정의 제한된 공간 내 설치에 따른 안전성 문제 등 기존 LNG액화플랜트와 차별화된 기술을 개발한다.

기술개발 목표는 높은 가동률(Availability 90% 이상)과 에너지 효율(액화 효율 90% 이상)을 갖는 LNG-FPSO의 LNG 공정 최적화 및 설계를 한다.

또 해양환경에 적합하도록 천연가스 액화공정의 냉매 구성 및 액화공정의 최적화, 다양한 해양 가스전에 적합하도록 개선한 전처리 공정, 공정에 대한 해양 안전성 분석 등 공정응용 기술을 개발한다.

다양한 해양 가스전에 적합하도록 개선한 2 MTPA급 전처리 및 액화 공정 기본설계 패키지를 개발하고 개발된 안전설계, 신뢰성 공학기술 및 프로그램을 2 MTPA급 LNG-FPSO 플랜트 FEED 패키지에 적용 및 검증한다.

해양환경에 적합한 LNG-FPSO 기술개발을 위해서는 기존의 육상용 천연가스 액화공정 기술을 해양용에 적합하게 최적화하는 공정기술을 정립해야 한다.

1세부과제는 LNG-FPSO 공정 최적 설계기술 개발로 기존의 액화공정 및 LNG-FPSO 특화 액화공정에 대한 공정분석 및 최적화를 수행하고 다양한 가스전에 대한 적용성 분석 및 최적화를 수행하는 한편 압축기, 팽창기, 가스터빈, 발전기 등 회전기기의 신뢰성 향상을 연구한다.

2세부과제는 천연가스 해상 전처리기술 개발로 LNG-FPSO Topside 공정에서 많은 공간을 차지하는 전처리공정의 컴팩트화와 가스전 특성에 따른 산성가스 및 불순물 제거공정 기술을 개발하는 것이다. 또 가스전 특성에 따른 응축물 및 LPG 회수공정 기술을 개발한다.

3세부과제는 LNG-FPSO 안전설계 및 신뢰성 공학기술 개발로 제한된 공간에 따른 플랜트 위해도 평가·안전설계 기법을 정립하고 LNG-FPSO 플랜트 위해도 기반 안전설계 DB를 구축한다. 최종적으로는 연산 200만톤급 LNG-FPSO의 플랜트 FEED 패키지를 완성한다.

LNG-FPSO의 경제성

국제 유가 및 LNG 가격 상승으로 중규모 가스전에 대한 LNG 프로젝트의 경제성이 확보되어 최근 중규모 LNG 프로젝트와 LNG-FPSO에 대한 발주가 이루어지고 있다. 또한 중규모 가스전의 50% 이상이 해양에 위치하고 있어 LNG-FPSO 시장의 성장 잠재력이 매우 크다는 것을 알 수 있다.

LNG-FPSO 추정 시장규모를 기초로 세가지 성장 시나리오를 설정하고 국내업계의 수주율을 75% 및 50%로 가정해 LNG-FPSO 기술개발사업에 대한 비용편익을 분석한 결과 편익비용비율이 산업의 성장 시나리오나 국내 수주율 시나리오에 따라 4.62~18.10으로 1 보다 높은 값을 나타내어 본 사업의 역할이 경제적으로 매우 타당함을 나타냈다.

특히 비관적인 경우에도 4.62 정도의 편익비용비율을 나타내고 있어 경제적 타당성이 높음을 알 수 있었다.

LNG-FPSO 사업의 산업연관효과는 LNG-FPSO 건조시장 규모, 국내 수주율, 산업연관계수(투입계수), 사업의 순기여도를 추정해 순서대로 곱해 산출한다.

LNG-FPSO 추정 시장규모와 국내 수주율 75% 및 50%를 기준으로 한국은행의 2007년 산업연관표를 이용해 추정한다. 본 사업의 기여도는 외국기술 50%에 대한 25%의 기술개선효과를 가정해 전체적으로 12.5%의 순기여도를 반영하고, 그 효과가 20년간에 걸쳐 발생하는 것으로 추산했다.

이 결과 생산유발효과는 LNG-FPSO 기술개발사업의 연구활동결과에 의해 산업적으로 기술대체효과가 생기고, 그 결과에 의해 국가산업에 파생된 생산유발효과는 비관적, 중립적, 낙관적 성장 시나리오에 따라 20년간 11조원에서 49조원으로 추정됐다.

부가가치유발효과는 국가산업에 파생된 부가가치 유발효과는 성장 시나리오에 따라 20년간 3조원에서 13조원으로 추정됐다.

수입대체유발효과는 국가산업에 파생된 수입대체 유발효과는 성장 시나리오에 따라 20년간 3조원에서 13조원으로 추정됐다. 고용창출효과는 국가산업에 파생된 고용창출효과는 성장 시나리오에 따라 20년간 7만명에서 30만명으로 추정됐다.

이 같은 산업연관효과를 종합해보면 LNG-FPSO 기술개발사업이 우리나라 경제전반에 미치는 파급효과는 실로 막대하고, 이는 산업연관효과 측면에서도 본 사업의 필요성과 시급성이 매우 높다는 것을 알 수 있다.

LNG 플랜트 기술개발 적극 지원해야

세계 천연가스 수요증가와 더불어 LNG 생산설비인 액화플랜트와 LNG-FPSO 시장도 지속적으로 성장할 것이다.

이와 함께 우리나라 건설업체와 기자재 업체들의 역할도 점차 증대될 것이지만 원천기술과 기본설계 기반 없이 시공 위주의 성장은 고부가가치를 창출하기 어렵고 플랜트산업 성장에도 한계에 봉착할 수밖에 없을 것이다.

따라서 정부에서는 LNG 플랜트 원천기술 및 핵심기자재 개발을 위한 기술개발사업을 적극 지원하고, 업계에서는 설계 및 시공능력 향상을 위해 노력해야 한다.

특히 패키지형 자원개발 사업을 활용해 진입장벽이 높은 핵심부문에서 우리기업들이 시장에 진입할 수 있도록 가스전의 확보, 탐사·개발 등 상류부문에서 정부와 에너지 공기업의 역할을 확대해야 한다.

중장기적으로는 사업기획, 금융조달 등 프로젝트 개발 전문가를 양성해 해외에서 우리 주도의 LNG 프로젝트를 개발함으로써 높은 고부가가치를 창출하고 국가의 새로운 성장동력으로 자리매김할 수 있도록 이 사업을 성공적으로 이끌어 나가야 할 것이다.

이상규 핵심4과제 연구책임자

▲ 이상규 핵심 4과제 연구책임자

□ 한국가스공사 책임연구원

□ 67년, 서울 출생

□ 주요 학력
한양대학교 화학공학 졸업
KAIST(화학공학, 석?박사)

□ 주요 경력
’97~ (現) 한국가스공사 연구개발원

□ 주요 연구 경력

○ 한국가스공사
’97~’02 LNG저장탱크 국산화 개발
’02~’03 평택 LNG기지 2공장 기본설계

○ 지식경제부
’05~’09 LNG선 BOG재액화장치 개발
’08~’11 고효율 천연가스 액화공정 개발
’10~’15 LCO2 선박용 재액화장치 개발

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