LNG 터미널은 -162°C의 LNG를 선박에서 육상의 저장탱크로 하역·저장한 후 천연가스로 기화시켜 공급처로 보내는 가스플랜트를 말한다. 이러한 LNG 터미널의 설비는 크게 주공정설비와 부대설비로 나뉜다. 먼저 주공정설비로는 저장탱크, 하역설비, 증발가스(Boil-off Gas, 이하 BOG) 처리설비, 기화송출설비(펌프·기화기) 등이 있다. 그리고 부대설비에는 해수, 용수, 압축공기, 질소, 연료가스 등을 공정에 공급하는 유틸리티 설비가 있다.

공정설계 단계에서는 프로젝트에서 요구하는 연간 LNG 도입량 및 가스송출량을 기준으로 단위 공정설비의 용량 및 수량을 산정한다. 이 단계에서 공정 엔지니어는 유체역학, 열역학 등의 화공지식을 기반으로 공정·유틸리티 설비의 사양, 배관의 최적 지름, 안전밸브 등 여러 가지 안전장치를 산정한다. 이때 나오는 공정설계 성과물이 바로 P&ID, 기기·계장 Data Sheet 등이며, 이를 기반으로 설비, 밸브, 계기류 등의 상세설계 및 구매, 시공 등이 이뤄진다.

필자는 13년간 가스플랜트 공정설계 업무를 담당하면서 국내외 다수의 LNG 터미널 프로젝트를 수행한 바 있다. 본지에서는 가스플랜트 공정 엔지니어로서 느꼈던 ‘LNG 터미널 설계 시 주안점’에 대해 논하고자 한다.

첫 번째로, 저장탱크와 관련된 사항이다. LNG 저장탱크의 경우, 기술·안전·경제성 및 건설공기 등을 고려하여 주로 완전방호형식(Full Containment Type)을 적용하는 추세이다. 또한 LNG 저장탱크 내조 재질은 극저온 파괴인성이 우수해야 하는데, 기본적으로 9% 니켈강, 스테인리스스틸, 알루미늄, 고망간강을 사용한다. 특히 대용량 저장탱크 내조의 경우 주로 인장강도가 우수한 9% 니켈강이 사용됐었는데, 최근에는 고망간강도 적용하고 있다.

최근 POSCO는 산업부 및 가스안전공사와 함께 고망간강 저장탱크 실증 실험을 통해 안전성을 검증하였고, 이를 토대로 광양 LNG 터미널 5호기 저장탱크에 고망간강을 성공적으로 도입하였다. 아울러 현재 6호기 저장탱크에도 고망간강을 적용해 건설 중이다.

LNG 저장탱크가 과압 및 부압에 문제없도록 안전설비도 설치해야 한다. 대표적인 안전설비로는 압력·온도·액위 등 경보시스템, 플레어스택, 안전밸브 등이 있다. 특히 플레어스택으로 방출되는 저장탱크 안전밸브의 경우, 배압의 영향을 덜 받는 파일럿 Type을 적용해야 하며, 플레어헤더도 배압 허용기준에 들어올 수 있도록 크기를 산정해야 한다. 아울러, Roll-Over 등의 비정상 운전 시나리오의 경우에는 저장탱크의 BOG를 플레어스택으로 처리하기 어려우므로 별도 안전밸브를 통해 대기로 방출하는 것으로 설계한다.

두 번째로, 송출펌프와 관련된 사항이다. LNG 송출펌프는 저장탱크내 1차 저압펌프와 재액화기 출구 측의 2차 고압펌프로 구성된다. 공정 엔지니어는 펌프 수두 계산을 통해 공동현상이 일어나지 않도록 펌프의 적정 사양을 결정하고, 유속 등 설계 기준에 따라 배관 지름 등을 산정한다. 또한 운전 및 경제성, 증설 시 기존 설비와의 호환성, LNG 최대 송출량, 향후 증설계획 등을 종합적으로 고려하여 펌프 용량 및 대수를 최종 결정한다.

세 번째로, BOG 처리설비와 관련된 사항이다. BOG는 저장탱크에서 발생되는 증발가스로써 여러 요인에 의해 발생한다. 특히 BOG 압축기의 경우, 여러 산지로부터 도입되는 다양한 LNG 조성을 고려하여 하역 시 발생 가능한 최대량의 BOG를 처리할 수 있도록 산정해야 한다. 그리고 고압가스 압축기는 재액화기에서 재응축되지 못한 과잉의 BOG를 압축하여 기화기 후단으로 직접 송출하는 설비인데, 보통 하역운전 중에 최소로 LNG를 송출할 때를 기준으로 용량을 산정한다.

네 번째로, 재액화기와 관련된 사항이다. 재액화기는 정상 운전 시 저장탱크 등에서 발생하는 BOG를 LNG와 열교환시켜 재액화하는 설비이며, 2차 고압펌프로 LNG를 안정적으로 공급해주는 Suction 드럼역할도 한다. 특히 재액화기 출구측 온도가 높을 경우 기포 발생에 따라 2차 고압펌프 운전에 악영향을 줄 수 있다. 따라서 재액화기 출구측 온도는 안전율을 고려하여 LNG의 포화온도 보다 낮게 설계해야 한다.

다섯 번째로, 기화기와 관련된 사항이다. 기화기는 크게 해수식과 연소식으로 구분한다. 해수식은 투자비가 고가인 반면 운전비가 저렴하고 운전성이 좋아 주로 기저부하를 담당한다. 이와 달리 연소식은 운전비가 비싸지만 투자비가 상대적으로 적고 기동정지가 용이해 첨두부하용으로 사용한다. 만일 LNG 터미널 인근에 발전소가 있어 발전소 복수기의 온배수를 기화기 열매체로 사용할 수 있다면 해수식 기화기가 확실히 이점이 있겠다.

여섯 번째로, 플레어스택과 관련된 사항이다. 플레어스택은 저장탱크 등에서 발생하는 과압의 가스를 연소시켜 처리하는 설비로써, 크게 Elevated Type과 Enclosed Ground Type이 있다. 플레어 용량이 산정되면 안전밸브의 배압 등을 고려하여 플레어헤더의 크기를 산정한다. 아울러 플레어녹아웃드럼은 충분히 기체와 액체를 분리시켜 버닝레인 현상이 발생하지 않도록 크기를 산정해야 한다.

필자에게 플랜트 건설에 있어 가장 중요한 단계가 무엇이냐고 묻는다면, 한 치의 망설임도 없이 공정설계라고 대답할 것이다. 공정설계가 잘못되면 플랜트 전체를 제대로 운영할 수 없을 뿐만 아니라 전면 재시공해야 할 수 있기 때문이다. 따라서 공정설계 엔지니어는 오류가 발생하지 않도록 여러 가지 운전 시나리오를 검토하고 공정설계 기준과 지침을 철저히 지켜야 하겠다.