FSRU BOG Compressor의 Blocked Discharge 시나리오 및 공정 안전장치 분석

 

FSRU (Floating Storage And Regasification Unit, 부유식 저장 및 재기화 설비) 운영의 핵심은 화물창 내 LNG가 외부 열 유입으로 인해 기화하며 발생하는 BOG (Boil-Off Gas, 증발가스)를 얼마나 안정적으로 관리하느냐에 달려 있다. LNG가 기화할 때 발생하는 약 600배의 급격한 부피 팽창은 화물창 내 압력을 순식간에 높이며, 이를 적절히 제어하지 못할 경우 설계 한계 압력(MAWP) 초과로 인한 구조적 파손 및 누출 (Loss of Containment)이라는 치명적인 사고로 이어진다.

 

이러한 위험을 방지하기 위해 BOG Compressor는 시스템의 압력을 조절하는 중추적인 역할을 수행하지만, 역설적으로 하류 공정과의 인터페이스 문제로 발생하는 'Blocked Discharge (토출측 막힘)' 상황에서는 설비 자체가 가장 가혹한 열역학적 부하를 받는 위험원이 되기도 한다. 본 포스팅에서는 이 사고 시나리오와 시스템의 안전성을 확보하는 다중 방호 계층에 대해 공유하고자 한다.

---

FSRU 시스템과 BOG Compressor의 역할

FSRU는 현대 LNG 공급망에서 핵심적인 위치를 차지하는 해상 플랜트로 외부로부터 LNG를 공급받아 초저온 상태 ( 미만)에서 안전하게 저장하고, 필요에 따라 이를 다시 기화시켜 육상 파이프라인으로 공급한다.

​

이 시스템에서 BOG Compressor는 화물창의 압력을 안정적으로 유지하는 핵심 장비이다. 대용량 처리가 필요한 FSRU 특성상 효율적인 가스 처리를 위해 현재 가장 선호되는 압축기 방식은 원심식 압축기 (Multi-stage Centrifugal)이다.

​

FSRU

​

Blocked Discharge 발생 원인 및 계통별 사고 시나리오

압축기 자체의 결함보다는 외부 공정 시스템의 변동이 고장을 유발하는 경우가 많으며, 그중 'Blocked Discharge'는 가장 치명적인 에너지를 수반한다. 압축기 Blocked Discharge는 Startup 중 또는 정상 운전 중에 다양한 원인에 의해 발생할 수 있다. Startup 또는 압축기 재 가동 중 Blocked Discharge는 라인업 (Line-up) 확인 미비, 유지 보수 후 밸브 정렬 오류(Human Error), 후단 측 체크 밸브에 발생한 고착 (예. 스케일, 이물질, 기계적 걸림)에 의한 체크 밸브의 열림 실패(Stuck Closure) 등에 의해 발생할 수 있다. 정상 운전 중에는 제어 밸브나 ESDV의 오신호 폐쇄(Spurious Closure), 후단 공정 설비 측 이슈 (예. 열교환기 튜브 막힘, 필터 오염, 수동 밸브 닫힘) 의한 흐름 막힘, 미세 수분이 얼어붙는 물리적 폐쇄(Icing) 등이 Blocked Discharge 주요 원인이다.

이러한 원인으로 Blocked Discharge (토출 막힘) 발생 시 예측되는 사고 시나리오는 다음과 같다.

BOG Compressor 열역학적 비정상 거동 (Surge)	토출구가 막히면 압축기의 임펠러 (Impellor)의 회전 에너지가 가스 이송 대신 열에너지로 전환되면서 내부 온도가 급격히 상승하며, 반복적인 가스 역류와 진동은 베어링 (Bearing)과 씰 (Seal)의 기계적 손상을 야기한다.
후단 설비 (Downstream piping and equipment)의 기계적 손상	압축기가 가스를 계속 밀어내면서 토출 배관 내 압력은 압축기의 셧오프 헤드 (Shut-off Head)까지 도달한다. 만약 이 압력이 후단 배관이나 기화기 등 하류 설비의 설계 압력을 초과할 경우, 물리적 파열이나 누출 (Loss of Containment)이 발생할 수 있다.
상류 LNG Cargo Tank 압력 상승	압축기가 토출 막힘으로 인해 정상적인 압축 기능을 상실하면, 화물창 (Cargo Tank)에서 발생하는 BOG를 더 이상 제거할 수 없게 된다. 이는 상류 화물창의 압력 상승으로 이어지며, 최악의 경우 화물창 보호를 위해 대량의 가스를 대기로 방산하는 PSV (Pressure Safety Valve)가 작동하게 된다.

​

​

공정 안전장치 (Safeguards) 및 양파껍질 모델에 기반한 방호 계층 (Protection Layer)

Blocked Discharge 시나리오에 대응하는 안전장치는 압력과 온도라는 두 가지 핵심 변수를 독립적으로 감시하도록 설계된다.

구분	압력 보호 안전장치	온도 보호 안전장치
제어/알람	안티 서지 시스템 (Anti-Surge System), PAH (Pressure Alarm High)	TAH (Temperature Alarm High)
인터록 차단	PAHH (Pressure Alarm High-High) – Trip Function	TAHH (Temperature Alarm High-High) – Trip Function, 냉각 시스템 Interlock
최종 방어	PSV (Pressure Safety Valve)	-

이러한 안전장치들을 양파껍질 모델 (Onion Skin Diagram)에 대입하여 사고를 단계별로 차단하는 방호 계층 (Protection Layer)으로 정의할 수 있으며, 각 계층은 독립적으로 기능을 수행해야 한다.

Layer	Protection Laye (방호 계층)
Layer 1: Design (설계)	후단 배관 및 장비의 설계 압력을 BOG Compressor의 Shut-off Pressure 이상으로 설계하여 물리적 파손 가능성을 원천 차단한다.
Layer 2: Control (제어)	Anti-Surge System이 작동하여 유량 감소를 감지하는 즉시 밸브를 열어 압축기를 안정 영역으로 복귀시킨다.
Layer 3: Intervention (운전원 대응)	자동 제어 임계점 도달 시 고압/고온 경보 (PAH/TAH)가 발생하며, 운전원이 상황을 인지하고 수동 조치를 취한다.
Layer 4: Shutdown (안전 계장 시스템)	운전원 대응 실패 시 PAHH/TAHH Interlock Logic이 활성화되어 구동 모터 전원을 즉각 차단 (Trip) 하고 시스템을 안전 상태로 전환한다.
Layer 5: Physical Protection (물리적 보호)	모든 능동적 계층이 실패했을 때, 전력 없이 물리적으로 개방되는 PSV 최종적으로 과압을 해소하여 설비의 파열을 막는다

​

Protection Layer

 

 

아파브 코리아가 제안하는 안전 솔루션

BOG Compressor의 Blocked Discharge는 설비 파손 및 누출로 인한 화재·폭발로 이어질 수 있는 고위험 시나리오이다. 왕복동식 압축기는 고압으로 갈수록 배관 내 가스 밀도가 높아져 압력 상승 속도가 가파르게 증가하여 매우 짧은 시간 (예. 10초) 만에 한계 압력을 돌파하게 된다. 반면 온도 상승 속도는 단열 압축비의 특성상 고압일수록 완화되는 경향을 보이지만 Blocked Discharge 시의 최종 도달 온도는 배관 재질의 한계치에 육박한다. 원심식 압축기는 막힘 발생 즉시 유량이 급감하며 1초에서 2초 이내의 매우 짧은 시간에 Shut-off 압력에 도달한 뒤 서지 현상을 겪는다. 압력 자체는 기계가 낼 수 있는 최대 한계치에서 멈추므로 압력 상승으로 인한 파열 위험은 왕복동식에 비해 상대적으로 낮을 수 있다. 그러나 서지 상태에서 임펠러가 가스에 가하는 거대한 동력이 전부 열로 변환되므로 가스의 온도가 매우 가파르게 (예. 초당 5도 이상) 상승한다. 이는 임펠러와 케이싱의 열변형과 기계적 파손을 순식간에 유발하는 치명적인 요인이 된다.

​

따라서 BOG Compressor의 설계 단계에서부터 IGC Code 및 선급의 규정에 근거하여 Blocked Discharge로부터 압축기를 보호하기 위하여 다중 안전 방호 계층을 고려해야 한다.

​

아파브 코리아는 FSRU뿐만 아니라 LNG DF (Dual Fuel) 추진선 등 조선 해양 분야에서 풍부한 실적을 보유하고 있다. 또한, 국내외 육상 플랜트 등 메이저 기업의 위험성 평가를 성공적으로 수행한 경험을 바탕으로, 고객사의 소중한 자산과 인명을 보호하는 최적의 안전 솔루션을 제시한다.

 

---

Apave Korea

02.552.4661

korea.tiv@apave.com