계장기술(PROCON)

특별기고 LNG 공급망 전체를 위한 필수 방폭

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작성자 최고관리자 댓글 0건 조회 64회 작성일 21-10-15 12:10

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- 기후 중립적인 에너지 공급으로의 원활한 전환


에너지 전환 과정에서 액화천연가스(LNG)는 중간 솔루션으로서 공급 안전에 중요하게 기여할 수 있다. 이 에너지원은 석탄 및 석유 연소에 비해 경쟁력 있는 조건에서 높은 가용성과 보다 낮은 탄소배출이라는 특성을 제공한다. 추출 및 액화된 천연가스는 가연성이 매우 높으므로, 가치 체인 전반에 걸쳐 방폭을 보장해야 한다. 글로벌 방폭 경쟁력을 지닌 기술 선도 기업 R. STAHL은 천연가스 추출부터 액화, 운송, 역변환과 피드인까지 모든 공정 단계를 아우르는 방폭 제품 및 시스템을 제공하여 LNG 산업을 지원한다.

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지난 20년 동안 전 세계의 연간 LNG(액화천연가스) 공급량은 약 3억 2천만 톤(2018년)으로 3배 증가했으며, 업계 전망에 따르면 2040년에는 전체 천연가스 시장의 15% 이상을 차지할 것으로 예상된다. 거의 천연가스에서만 추출되는 LNG는 메탄가스의 비중이 가장 높으며, 에탄가스, 프로판 가스 및 질소 가스 등 기타 가스도 소량 섞여 있다. LNG의 주요 수출 국가는 호주와 카타르이며, 최대 수입 국가는 일본이다. 최저 -160°C 미만의 온도로 극저온 냉각 처리되어 LNG로 액화된 천연가스는 부피가 1/600분으로 감소하므로 높은 에너지 밀도로 극저온 보관하여 선박이나 트럭으로 운송할 수 있다. 최대 적재 용량 265, 000m3의 대형 LNG 선박이 기존 파이프라인 네트워크 연결 없이도 장거리 가스 공급을 보장한다.
또한 천연가스에서 전기를 생성하면 다른 화석 에너지원을 사용하는 것보다 더 기후친화적인 재생 에너지로 전환할 때 단기 및 중기적 공급 부족을 해결할 수 있다. 바이오매스에서 가스를 생성하는 방안은 화석연료에서 가스를 추출하는 방법의 친환경적 대안이다. “바이오메탄”이라고도 하는 바이오천연가스는 유기물질의 발효를 통해 생산되며, 처리 및 CO2 분리 후 천연가스 네트워크로 보낼 수 있다.

공정 체인 전체를 위한 지속적 방폭

천연가스 및 LNG 생산의 주된 과제 중 하나는 방폭이다. 추출한 가스 혼합물은 가연성이 매우 높으므로, 천연가스와 LNG는 ATEX 및 IECEx에 따라 방폭 그룹 IIA, 온도 등급 T14.5에 속한다. 점화 위험은 천연가스 추출 과정뿐 아니라 LNG 터미널에서의 액화 및 역변환 과정과 운송 또는 보관 용기에서 극저온 냉각수 유출 시에도 존재한다. 이에 따라 가치 체인 전반에 걸쳐 구조적 및 전기적 방폭 요건을 충족해야 한다.
R. STAHL을 비롯한 선도적인 공급업체는 이러한 엄격한 요건을 충족하며, 모든 방폭 구역에 투입 가능한 시설과 운송 수단을 위한 인증 받은 종합 솔루션을 계획, 제작 및 설치한다. 글로벌 방폭 전문기업 R. STAHL은 모든 방폭 등급의 광범위한 제품과 서비스를 제공하며, 원스톱 공급업체로서 높은 효율성과 신뢰성으로 LNG 처리의 모든 단계를 커버한다.

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추출 시설에서의 방폭 공정 제어

R. STAHL은 수십 년간 육지 및 해상에서 운영되는 전 세계의 천연가스 추출 시설에 공정 제어를 위한 방폭 제품 및 시스템뿐 아니라 전기 인프라와 조명 기술까지 공급해왔다. 전통적 천연가스 추출을 위해서는 매장된 화석가스에 도달할 때까지 지반 및 암반층을 뚫어야 하며, 천공을 덮고 콘크리트를 부어 막은 다음, 일정 구간마다 안전 밸브를 설치해야 한다. 주변의 암반 및 지하수층을 보호하려는 목적 또한 지닌 조치를 위해서는 시추 절차를 영구적으로 측정해야 한다. R. STAHL의 ISpac 절연체를 사용하면 측정 데이터를 공정 제어 시스템에 안정적으로 전달할 수 있다.
NEC Class 1/Division 2를 포함한 Zone 1 및 2에서 사용할 수 있도록 전 세계적으로 인증 받은 이러한 모듈은 소량의 신호를 위한 본질 안전한 포인트 간 연결에 적합하다. 여러 버스 시스템 또는 산업용 이더넷에 대용량의 데이터를 전달하려는 경우, R. STAHL은 핫스왑 기능이 지원되는 매우 강력한 원격 I/O 시스템 IS1+를 제공한다. IS1+는 100Mbit/s의 전달 속도로 Zone 1에서도 빠르고 본질 안전한 LWL 통신을 지원하며, 모든 방폭 구역에서 필드 장치 연결을 허용한다. 또한, 제조사는 가스 추출에 사용되는 펌프에 성능에 따라 규격화된 제어시스템을 공급한다. 다양한 제어 유형으로 제공 가능한 시스템에는 고객의 요구사항에 따라 메인 스위치, 변압기, 제어 퓨즈 및 여러 명령 및 신호 장치를 장착할 수 있다.

액화 시설용 전력 분배기

추출된 처리 가스는 먼저 불순물과 오염원을 제거하고, 거의 순수한 메탄을 얻기 위해 처리 시설을 거친다. 이후 처리 가스는 LNG 트레인이라고도 하는 액화 시설로 이동되어 액화된다. 최대 3단계의 주기 공정을 통한 액화 시에는 냉각과 열 소실을 위해 다량의 에너지가 소비된다. 열교환기에 필요한 펌프와 팬을 제어하기 위해 시스템에 특별히 강력한 방폭 모터 컨트롤과 전력 분배기가 구비되어 있다. R. STAHL은 고객의 선호와 규격에 따라 내압 인클로저(Ex d), 가압 인클로저(Ex p), 안전 강화(Ex e) 또는 주조형 인클로저(Ex m) 등 다양한 방폭 등급으로 적합한 방폭 솔루션을 제공한다. 모듈형 인클로저 기술로 인해 다양한 보호 등급을 효율적으로 조합하고, 컨트롤과 전력 분배기를 원하는 크기로 구성하여 Ex 구역에서도 여러 개의 소켓을 통해 매우 높은 출력을 제공한다.
LNG 트레인 전체의 수리 및 유지관리 비용을 절감하려면 회로 차단기와 보조 접점을 원격 I/O 시스템으로 연결하여 공정 제어 시스템을 통해 전력 분배기의 오류를 읽고 모니터링하는 것이 좋다. R. STAHL은 수많은 액화 시설에 방폭 조명, 자동화 또는 저전압 기술을 제공했다. 육상 시설뿐 아니라, 천연가스 추출 현장 또는 해상 LNG 저장고로 사용되거나 해상에서 추출, 액화 및 저장 공정 전체를 수행하는 해상 플로팅 유닛 또한 이러한 기술을 활용한다. R. STAHL은 호주 서부 해안에서 연간 360만 톤의 LNG를 추출하는 세계 최초 및 최대 플로팅 LNG 시설에 전기 설치 기술을 위한 단자함을 공급했다. 이외에도 당사는 여러 현장에 방폭 원격 I/O 시스템, 컨트롤, 절연체, 플러그와 소켓 등을 공급해왔다.

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제어 기술로 전하 손실 최소화

LNG 운송용으로는 주로 특수 대형 선박이 도입되었으며, 선박의 크기는 점점 더 커지고 있다. 최신 LNG 수송 선박의 적재용량은 최대 265.000m3이다. 탱크를 절연하더라도 선상에 압축기를 설치하여 재냉각하는 조치를 취하지 않으면 액화가스는 운송 과정에서 가열되어 일부 기화될 수 있다. R. STAHL은 압축기 제어용으로 방폭 원격 I/O 컨트롤 스테이션을 제공한다. 이 컨트롤 스테이션은 센서와 액추에이터의 신호를 PROFIBUS DP 등을 통해 분산된 유도 장치에 본질 안전하게 전달한다. 갑판 아래의 설치 공간은 좁으므로, I/O 모듈, 디지털 표시기 및 신호 요소가 포함된 RIO 스테이션과 기계의 규격은 매우 콤팩트해야 한다.
IS1+는 8~16채널 Ex i 모듈을 통해 설치 공간과 중량이 대폭 감소한 매우 콤팩트한 스테이션 구조를 실현했다. DNV GL, ABS, ClassNK 등 12가지 이상의 선박 인증을 취득한 이 시스템은 Zone 1 요구사항을 충족하고, 튼튼한 내진성 설계를 갖추고 있으며, 설치 또한 쉽다. R. STAHL은 염분이 포함된 대기로부터 장치를 보호하기 위해 슬림한 1, 2 또는 3중 문과 고급 내해수성 절연 소재를 포함하는 튼튼한 Ex e 보호 스테인리스 스틸 인클로저에 압축기 제어 스테이션을 통합했다.

역변환을 위한 방폭 솔루션

목적지에 도달한 천연가스는 재기화 장치에서 다시 가스 형태로 변환된다. 소량의 경우 플로팅 시스템(FRSU : Floating Storage and Regasification Units)에서 유동적으로 역변환할 수도 있다. 역변환을 위해서는 LNG에 필요한 기화열을 공급해야 하는데, 이러한 기화열은 경제적 이유로 대부분 해수가 공급되는 열교환기에서 도출한다. R. STAHL은 해수를 열교환기로 운송하는 펌프 장치에 경보 장치, 단자함, 안전 스위치 및 AC3 스위칭 기능이 있는 스위치 차단기를 공급한다. 세척 및 정비 시 안전 스위치로 장치와 시설 부품에 대한 전력 공급을 안전하게 차단할 수 있다. 폭발 위험 구역은 넓은 시설 구역에 걸쳐 존재하므로, R. STAHL의 방폭 솔루션은 실제 처리 공정뿐 아니라 인프라 전체에서 사용된다.
소재 및 구조 선택에는 방폭 기능 외에도 내해수성 인클로저 재질, 고품질 절연 소재, 내진 설계 및 전자기 영향성에 대한 불감성이 중요하다. R. STAHL의 선형 조명, 튜브 조명 및 집중 조명은 실내 및 야외 구역의 모든 조명을 커버한다. 배터리로 작동하는 방폭 안전 조명이 오류 발생 시에도 조명을 보장한다. 청각 또는 시각 경보 장치가 Ex 구역의 장치 장애에 대한 경고나 주의를 전송한다. 또한 R. STAHL은 방폭 카메라 시스템과 유무선 기반의 네트워크 기술을 제공 및 구현하여 모든 시설 구역에서 제약 없는 통신을 가능하게 하며, 다양한 적합 스위치, 플러그, 단자함 및 제어함을 공급한다.

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특허 받은 압력 방출용 보호 개념

재기화된 천연가스는 네트워크에 공급되기 전에 압축 시스템에서 압축된다. R. STAHL의 특허 받은 Ex-Pres sure 인클로저 기술을 사용하면 압축기 제어뿐 아니라 열교환기와 기화 시스템 피드에도 필요한 모터 제어와 전력 분배기를 전통적인 Ex d 인클로저보다 훨씬 더 가볍고 콤팩트하게 구현할 수 있다. 압력 방출의 혁신적인 보호 개념 덕분에 폭발 위험이 있는 영역에 전기 및 전자 표준 구성요소를 설치하기 위한 전통적인 제어 캐비닛 형태의 대규모 및 경량 Ex d 솔루션 건설도 가능하다.
이러한 방식으로 안전 영역의 계획을 변경 없이 Zone 1 또는 Zone 2에도 구현할 수 있다. Ex-Pressure 인클로저에는 전력 분배기 및 제어 기술 외에도 변압기나 주파수 변환기와 같은 대형 장비를 번거로운 가압 인클로저 처리 없이 방폭 상태로 설치할 수 있다. Ex-Pressure 인클로저는 경량 설치 구조, 넉넉한 설치 공간과 손쉬운 취급으로 설치 공간이 좁은 곳이나 해상 환경에서 사용하기 적합하다.

미래 연료로서의 LNG

실제로 LNG는 열 및 전기 생성뿐 아니라 처리 산업의 에너지원으로도 사용된다. LNG는 환경 적합성과 CO2 배출량에 미치는 긍정적인 영향으로 인해 선박 및 트럭 연료로 점점 더 많이 사용되고 있다. 국재해사기구(IM O)에서는 연료의 최대 황 함유량을 0.5%로 규정하고 있으므로, 선박 엔진에서 중유 연소는 매우 복잡한 배기가스 정화를 실시해야만 가능하다. 따라서, LNG처럼 황 함유량이 낮은 연료가 미래에 적합한 대안으로 떠오르고 있다. 이를 위해서는 모터에 연료를 공급하기 위해 선상에 FGSS(Fuel Gas Supply Systems)를 설치해야 한다. 이러한 시스템은 가스 탱크 외에도 증발기, 압축기, 펌프와 중앙 자동화 시스템을 포함한다. 측정된 온도, 압력과 유량값, 밸브 위치와 장치 상태를 모니터링하고 전달하기 위해서는 FGSS 근처에 방폭 사양의 원격 I/O 및 HMI 시스템을 설치해야 한다.
R. STAHL이 공정 모니터링 및 제어용으로 개발한 솔루션은 RIO 시스템 IS1+ 및 ET - 598 시리즈의 작동 스테이션에 기반한 현장 시각화와 FGSS 경보 관리를 제공한다. ATEX, IECEx, ABS 및 DNV GL 인증을 받은 Thin Client는 Zone 1과 가혹한 환경 조건에 맞춰 특별히 설계되었다. 작동 시스템은 내해수성 IP66 인클로저로 구성되었으며, 극도로 높은 내진성을 갖추도록 설계되었다. 이 시스템은 기계적 영향에 불감성인 21.5인치 강화유리 디스플레이를 터치로 조작하여 작동한다. 방폭 등급 Ex op is 사양의 이더넷 멀티모드 광섬유 케이블이 여타 시스템 구성요소와의 통신을 가능하게 한다. 광섬유 통신은 근처에 설치된 모터와 변환기와 같은 구성요소의 전자기 영향성을 받지 않는다. 내구성 강한 시스템 설계는 고가용성을 보장하여 해상에서 수리 및 정비 필요성을 최소화한다.

결 론

향후 에너지원이자 연료로서 LNG의 중요도는 점점 증가할 것이다. R. STAHL은 종합적인 방폭 경쟁력과 다양한 제품 및 서비스를 기반으로 LNG 가치 체인 전체 및 중유 연소의 친환경적 대안으로서 LNG를 위한 믿을 수 있는 시스템 솔루션을 제공한다. 이를 통해 방폭 전문 기업인 R. STAHL은 기후 친화적인 에너지 생성으로의 전환 과정에서 지속 가능한 방식으로 공급 안전에 기여하고 있다.

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www.r-stahl.com