일본의 원자력사고 및 CO₂ 규제와 같은 환경변화 이후에 LNG(Liquefied natural gas)에 대한 관심이 높아졌고, Drillship 및 Oil FPSO(Floating production storage offloading) 이후의 해양플랜트 시장을 리드하기 위해 관심이 집중되는 제품군으로 LNG 관련 제품 특히, LNG-FPSO(Liquefied natural gas-floating production, storage and offloading; 부유식 해양 LNG 액화플랜트) 선박에 대한 관심과 개발이 이루어지고 있다.

LNG-FPSO 선박은 원거리 심해에 있는 가스전으로 이동하여 해상에 부유하며(Floating) LNG를 생산(Production), 저장(Storage), 출하(Offloading)할 수 있는 대형 해상 이동식 복합기능 플랜트이다(Lee and Kim, 2014; Kim and lee, 2014).

LNG-FPSO선박의 상부구조물(Topside)에는 가스를 유정에서 끌어올려 유수분리, 가스전처리, 액화공정을 통해 순수한 LNG를 생산하는 장비들이 좁은 공간에 조밀하게 배치되어 있다.

최근 들어 부유식 해양 LNG 액화플랜트 수주가 지속적으로 발주되고 있고 한번 설치되면 25년 이상 한 장소에서 가스를 생산하기 때문에 장비들의 고장은 가스 생산성 저하에 치명적인 원인이 된다.

이를 해결하기 위해 첨단 IT 기술들의 적용을 시도하고 있으며, 이중에서도 장비 유지보수분야에서는 기존의 예방보전 이상의 예지보전 기술을 적용하고 있지만, 상당히 많은 센서가 부착되어 있는 해양플랜트 상부구조물의 경우 다양한 센서 정보들을 지능적으로 통합/분석해야하는 예지보전 기술 적용이 현실적으로는 쉽지 않았다.

또한, LNG-FPSO 선박의 상부구조물에 설치되어 있는 장비 및 설비마다 사용 연한이 다르고, 환경이나 사용조건, 부하 등에 따라 열화내용이나 열화속도가 다르므로, 진단, 평가, 예지, 보전 등의 유지보수를 위한 정보들의 수집 및 통합을 기반으로 한 지속적인 지식화 기술 확보가 필수적으로 요구된다.

LNG-FPSO 선박 상부구조물 장비들에 대한 보전기술로 지금까지는 장비들을 정기적으로 분해⋅검사하고 불량인 것은 교환하며 사용시간을 근거로 하여 보전을 실시하는 시간기준예방보전기술을 채택하였지만 최근 들어와서는 장비/설비진단 기술에 의해 장비들의 상태를 관측하여 그 관측값에 따른 보전을 실시하는 예지보전기술을 채택하고자 하는 노력이 시도되고 있다 (GE Energy, 2013),

예지보전기술은 장비 상태에 대한 전문가적 진단을 통해 수명을 미리 예지하고 고장 발생 이전에 미리 보수하여 전체 시스템의 원활한 운용을 보장하는 유지보수 방법이다. Fig. 1에서 보듯이 예지보전시스템은 진단, 예지, 보전기술을 모두 포함하고 있으며, 장비들로 수집된 상태데이터를 통해서 고장의 이상징후를 진단하고 이를 이용하여 고장발생시기를 예지하고 예지정보를 이용하여 최적의 보전방법을 결정하는 의사결정을 지원한다.

본 논문에서는 LNG-FPSO 상부구조물 장비들의 운영효율을 최대화하기 위해 장비들의 유지보전 기술을 적용하기 위한 보전시스템 개발을 위한 사례연구 결과를 소개하고자 한다. 보전시스템을 설계하기 위하여 IDEF0(Integration Definition Function Modeling) 방법론을 이용하여 LNG-FPSO 선박의 상부구조물 프로세스에 대해서 분석을 하였으며, UML(Unified modeling language) 방법론을 통해 보전시스템 개발을 위한 사양을 정리하였다. 정리된 사양을 기반으로 보전시스템 기능을 검증할 개발 사례연구를 수행하였다. 개발 사례 연구를 위한 도구로는 Visual C++와 C# WPF(Windows presentation foundation)를 사용하였고 장비, 고장유형, 고장률, 고장원인 등과 같은 정보들을 저장/관리하는 데이터베이스 시스템은 MS SQL(Microsoft structured query language)를 사용하였다.

해양플랜트 상부구조물에 설치, 운영되는 장비들에 대한 보전시스템의 개발은 거의 시작 단계에 머물고 있다. 또한 보전시스템 개발을 위한 기반 기술인 신뢰성 중심의 유지보수(RCM, Reliability-centered maintenance) (Anthony and Glenn, 2004)와 잠재적 고장형태 영향분석(FMEA, Failure mode and effects analysis)에 대한 연구도 전력(원자력, 화력) 및 철도와 같은 타 산업분야에서는 활발히 개발되고 있으나, 조선해양산업분야에서는 이에 대한 연구도 2010년에 와서야 산업원천기술개발사업인 ‘위험도기반 선박 안전설계 핵심기술 개발’을 통해서 기본적 인 연구를 시작하였다. 따라서 장비들에 대한 보전시스템 개발 현황을 타 분야에서 개발되는 현황 위주로 정리하고자 한다.

원자력 및 화력발전소를 포함한 전력산업 분야에서는 1980년대에는 전력연구원을 중심으로 화력발전소의 정밀진단 및 수명평가 분야에 대한 연구를 설비(로터, 케이싱, 드럼, 헤더, 주요배관 등)별, 재질별, 요소기술별로 체계적으로 수행하였다. 1990년대에 신뢰도기반 정비방법을 개발하였으며, 최근에 와서는 전력연구원을 중심으로 정비 분야에서 체계적인 관리를 위한 연구로서 보일러 정비지원 전문가 시스템과 터빈 정비지원 시스템을 개발하여 현장에 적용하였다.

철도산업분야에서는 철도 차량에 대한 RCM 연구는 일부 진행되어서 고속철도차량의 차량정비와 관련된 정량적 파라메타들을 관찰함으로써 최적의 정비프로그램을 생성하고 유지 관리하는 차량정비에 대한 지식관리 시스템인 검수정보시스템 MICS(Maintenance information computer system)을 구축하여 활용 중이다(Park et al., 2007).

해양플랜트 장비들에 대한 예지보전시스템 개발에 대한 국외현황을 살펴보면 국내현황과 유사하게 조선해양산업분야에서의 예지보전시스템 개발은 수요자의 많은 요구에도 불구하고 장비들만의 진단모니터링 시스템 개발에 치중하고 있는 실정이다. 최근에 미국의 GE Energy에서 해양플랜트 상부구조물에 설치, 운영되는 장비들에 대한 예지보전시스템 시제품을 개발하여 이를 현장에 적용하기 위한 시도를 하고 있다(GE Energy, 2013).

장비들의 예지보전시스템 개발에 대해서는 미국이 선진국이며, 미국은 1960년대부터 이에 대한 관심을 가졌고 특히 민영항 공사에서는 안전한 운항을 위한 유지보수 개념을 RCM으로 전환하여 시스템을 개발하기 시작하였다. 또한 1970년대에는 미국방성에서 모든 군수장비들에 대한 RCM을 채택하였고 1980년대부터는 RCM 기술을 원자력 및 화력발전소 즉 전력산업분야에 적용하였다. 캐나다, 말레이시아, 일본 등은 RCM 기술 개발 및 현장적용을 자체적 또는 미국으로부터 기술도입을 통해 꾸준히 시도하고 있는 실정이다.

유정에서 올라온 가스는 많은 불순물을 포함하고 있으며, 이들 가스들은 Inlet system, Gas treatment system, NGL(Natural gas liquids) recovery system, Liquefaction system과 같은 공정을 거치면서 불순물이 제거된 순수한 LNG 얻게 되고 이를 저장탱크에 저장한다(Dongnam, 2012; Son et al., 2014).

유정에서 올라온 가스를 LNG-FPSO 상부구조물에서 처리하는 공정을 Fig. 2에 나타내었다. LNG 처리공정은 각 단계별 가스 각 성분의 특성을 이용하여 분리, 제거과정을 거치게 된다.

LNG-FPSO 상부구조물 공정은 크게 전처리공정과 LNG 액화공정으로 나누어진다. 전처리공정은 다시 산 성분제거 공정(Acid removal), 수분제거 공정(Dehydration), 수은 및 독성 제거 공정, 질소성분 제거(Nitrogen rejection) 공정 및 NGL회수(NGL_recovery and treatment) 공정으로 나누어진다.

산 성분제거 공정에서는 천연가스에 포한되어 있는 탄산가스와 황화수소 가스들을 아민(Armine) 계열 흡수제를 이용하여 흡수공정을 통하여 제거하는 공정으로 탄산가스와 황화수소와 같은 산 성분의 가스는 물과 반응하며 산을 형성하며, 이는 파이프라인의 부식요인으로 부식 방지를 위해 반드시 제거해야 공정이다.

수분제거 공정(Dehydration)은 습성가스에서 수분을 제거하여 건성가스로 만드는 공정이라 하며 이는 설비의 부식 또는 폭발을 야기할 수 있는 수분(H₂O, O₂, H₂)을 제거하는 공정이다.

수은 제거(Mercury removal)는 일반적으로 흡착공정으로 이루어지고 있으며, 흡착재료는 활성탄, 제오라이트와 같은 표면에 작은 구멍이 있는 물질로, 재료의 표면을 통해 특정 분자가 표면장력으로 결합하는 현상을 이용하여 별도로 추출하는 공정이다.

질소성분 제거(Nitrogen rejection)과정을 통해서 과도한 질소는 극저온을 통한 분별증류로 제거하고, 고농축된 질소는 농도가 희박한 오일이나 다른 특수용매를 통한 흡착에 의해 제거되며, 극저온에 의한 분별 증류법은 헬륨과 같은 가치 있는 부산물을 얻을 수 있다

NGL회수 공정에서는 가장 최근에 적용하는 극저온 분별증류와 농축공정을 거치면서 남아 있는 NGL가스를 공정상에서 회수하며, 이 공정은 증류탑을 통과하며 각각 에탄, 프로판 및 부탄을 추출하고 펜탄과 높은 농도의 탄화수소를 남기게 한다.

마지막으로 LNG 액화는 LNG 플랜트에서 중요한 부분이라고 할 수 있으며, 액화 기술은 냉동사이클 냉매의 연속적인 확장과 압축을 통해 열에너지를 낮은 곳에서 높은 곳으로 이동시키는 냉각공정에 기반을 둔다.

LNG-FPSO 상부구조물에 설치, 운영될 장비들을 위한 보전시스템에서 저장, 관리하는 데이터 식별 및 지원 알고리즘 개발을 위해 현재 장비들의 운영형태 파악이 필요하며, 이를 위해 상부구조물 공정 프로세스를 IDEF0 방법론을 이용하여 정의하였다.

IDEF0 방법론은 시스템에서 수행하거나, 수행되어야 할 활동(Activity) 또는 기능(Function)과 그들 간의 관계를 그림과 문자로 표현한 것이다(Mayer, 1994). IDEF0 모델은 박스(Box)와 화살표(Arrow)로 표현되며, 각각의 박스는 계층으로 분해가 가능한 셀(Cell)로 구성된다.

Fig. 3에서는 IDEF0 방법론에 이용하여 LNG-FPSO 상부구조물 장비들의 운영 프로세스를 정의한 결과를 나타내었다. Fig. 3에서 보는 바와 같이 IDEF0의 ICOM(Input, Control, Output, Mechanism)을 이용하여 각 공정에서 필요한 입출력데이터도 식별이 가능하였다.

LNG-FPSO 상부구조물 장비를 위한 보전시스템 개발하기 위해서 LNG-FPSO 상부구조물에 있는 모든 장비들을 대상으로 개발하기에는 모든 장비들에 대한 고장데이터 및 운영정보를 수집에 한계가 있기 때문에 Fig. 2에서 정의한 공정프로세스 중에서 모든 프로세스에 공동으로 적용되고 있는 장비들 중에서 데이터의 수집 등과 같은 개발환경을 고려하여 대상 장비를 선정하였다.

대상 장비를 선정하기 위해 Fig. 3에서 정의한 상부구조물 공정프로세스에 속하는 주요 장비들을 식별하고 이를 바탕으로 장비목록을 작성하였다.

주요 고장유형을 선정하기 위해 LNG-FPSO 상부구조물 장비들을 System, Sub-system, Sub-subsystem 및 Equipment로 구분하였으며, 프로세스 단계로는 Inlet system, Gas treatment system 및 Liquefaction system 으로 나누어서 정의하였다.

Fig. 4에서는 LNG-FPSO 상부구조물 장비목록 중에서 Inlet system에 속하는 장비들의 목록을 나타낸 것으로 조선소에 사용하는 장비목록들을 참조하여 본 연구에 맞게 재분류하였다.

LNG-FPSO 상부구조물 장비를 위한 보전시스템 개발을 위한 사례 대상 장비로 Inlet system의 압축기(Compressor)를 선정하였다. 압축기는 Inlet system 뿐만 아니라 상부구조물 공정 모두에 사용되고 있으며, 고장정보를 OREDA(Offshore reliability data)(SINTEF, 2009) 또는 국내 제조사에서 얻을 수 있기 때문에 대상 장비로 선정하였다

Fig. 5에서는 압축기를 구성하는 주변 구성품들을 나타낸 구성도이며, 점선으로 표시된 부분을 사례 대상 장비로 선정하였다.

본 연구의 대상 장비의 유지보수를 위해서 먼저, 실제 운영상태에서 어떠한 고장이 발생하는지에 대한 조사를 수행하였다. 해양플랜트에 설치되는 압축기에 대한 고장자료가 매우 부족하여 해양플랜트 상부구조물 장비들에 대한 고장유형, 고장률 데이터 등을 정리해 놓은 OREDA 데이터베이스와 육상플랜트를 운영하고 있는 화학공장을 찾아 압축기의 운영정보 및 고장정보를 확보하였다.

Fig. 6에서는 이렇게 확보된 데이터를 분석하여 압축기의 고장형태를 정리한 것이다. 압축기의 고장형태별 발생확률을 OREDA를 이용하여 분석한 결과 진동(Vibration)이 가장 많이 나타났으며, 실제 화학공장의 육상플랜트 압축기 경우에도 가장 큰 고장형태로 진동이 나타났다. 이는 압축기의 고장을 유발시키는 온도, 압력, 윤활유의 점도 등의 원인요소에 의해 발생하더라도 결과적으로는 압축기의 진동으로 나타나는 경우가 많기 때문이다.

LNG-FPSO 상부구조물 보전시스템 지원을 위한 데이터베이스를 개발하기 위해 기존의 유사 시스템에 대한 데이터베이스 시스템의 데이터구조를 조사, 분석한 후 IDEF0 방법론으로 분석한 LNG-FPSO 상부구조물 공정에 대한 정의 결과를 참조하여 개발시스템인 보전시스템을 지원하는 데이터베이스 시스템의 데이터들 간의 관계들을 파악하기 위한 ER(Entity-relation) 다이어그램 작성하였다

Fig. 7에서는 본 연구를 통해서 개발하고자하는 데이터베이스 시스템의 데이터구조를 나타낸 ER 다이어그램을 나타낸 것이다.

유사 시스템에서 운영 중인 데이터베이스 시스템의 데이터 항목, LNG-FPSO 상부구조물 장비운영프로세스에서 입출력항목 및 데이터 구조 등을 분석한 후 데이터베이스를 구성하는 데이터 스키마 및 속성을 정의하였다.

Fig. 8에서는 본 연구에서 정의한 데이터베이스 시스템에서 정의한 데이터를 저장, 관리하기 위한 스키마 예를 나타낸 것이다. 그림에서 보듯이 스키마에서는 변수 명, 변수 설명, 단위, 속성치를 정의하였다.

보전시스템 개발을 위한 사례연구를 위한 개발환경 및 개발 도구를 Table 1에 나타내었다.

Table 1에서 보는 바와 같이 보전시스템 개발을 사례 연구는 Window 7/8 환경에서 개발하였으며, 플랫폼은 PC i5이상에서 구동되도록 개발하였다. 시스템 개발을 위해서 사용된 프로그램 언어는 마이크로소프트사에서 제공하는 Visual C++와 C#을 사용하였고, 그래픽 사용자 인터페이스(GUI, Graphical user interface)는 C# WPF를 사용하여 개발하였다.

보전시스템 개발을 사례 연구의 전체 구성도를 Fig. 9에 나타내었다. 이 들 구성 프로그램들은 MS SQL 데이터베이스 및 그래픽 사용자 인터페이스를 통해서 서로 연관되어 수행되며, 시스템의 효율적인 관리 및 유지보수를 위해서 모든 프로그램들은 모듈화 하였다.

개발된 보전시스템을 구성하는 메뉴들은 크게 메인 메뉴와 보조메뉴로 분리하여 배치하였으며, 메인 메뉴들은 보전시스템을 구동하기 위한 직접적인 기능을 수행하는 메뉴들이고 보조 메뉴들은 보전시스템 개발 사례 연구를 수행한 결과들을 가시화하는 화면을 제어하는 메뉴들이다. 보전시스템을 구동하기 위한 메인 메뉴들을 Fig. 10에 나타내었다. 주요 메뉴들의 기능을 살펴보면 먼저, “Failure Mode”는 장비들의 고장형태 정보들을 입력, 저장, 관리하는 기능을 수행하고 “FMEA”는 장비들의 고장형태, 원인, 고장결과의 심각성 등을 평가하기 위한 정보들을 입력, 저장, 관리하는 기능을 수행한다. “FTA”는 장비들의 고장을 일으키는 원인들에 대한 발생확률 값을 계산하기 위한 정보들을 입력, 저장, 관리하는 기능을 수행하고 “ETA”는 장비들의 고장에 따른 피해규모를 계산하기 위한 정보들을 입력, 저장, 관리하는 기능을 수행한다.

Fig. 11은 LNG-FPSO 상부구조물 장비들 중에서 압축기에 대한 정보를 입력하는 화면을 나타낸 것이다. 그림에서 보듯이 화면의 왼쪽화면은 LNG-FPSO를 구성하는 상부구조물 및 Hullside 장비들에 대한 트리를 나타낸 것으로 왼쪽화면에서 압축기를 선택하면 오른쪽 화면에 압축기의 속성정보가 나타나도록 하였다. 압축기의 사진, P&ID(Piping and instrumentation diagram) 도면 및 시스템 블록다이어그램(System block diagram)은 결과가시화 창을 선택하면 나타나도록 하였다. 압축기의 고장모드와 고장율의 최소, 최대, 평균고장률은 OREDA 데이터를 기본적으로 읽어 와 가시화 되며, 수정은 사용자가 직접 입력으로 할 수 있도록 하였다.

Fig. 12에서는 LNG-FPSO 상부구조물 장비들 중에서 압축기의 고장형태에 따른 영향을 분석하는 화면을 나타낸 것으로 압축기의 고장형태, 원인, 고장결과의 심각성 등을 평가하기 위한 정보들을 입력, 저장, 관리하는 기능을 수행한다.

Fig. 13에서는 LNG-FPSO 상부구조물 장비들 중에서 압축기의 고장형태별 발생확률을 계산하는 화면을 나타낸 것으로 압축기의 고장형태 및 고장을 발생시키는 원인요소를 먼저 식별한 후 고장 원인요소별 고장발생 확률을 입력한 후 최종적인 고장형태별 발생확률을 계산한다. 고장형태별 발생확률을 계산하기 위해 사용한 방법은 결함수법(FTA, Fault tree analysis)을 사용하였으며, 원인요소별 데이터는 OREDA 및 현장수집 데이터를 활용하였다.

본 연구를 통해서 해양플랜트 상부구조물 장비들의 성능을 지속적으로 유지함으로써 석유 및 가스 시추, 생산 및 저장작업을 보다 향상시킬 수 있음을 알 수 있다. 또한 LNG-FPSO 상부 구조물에서 일어나는 업무프로세스에 대해서 IDEF0 방법론을 이용하여 정의함으로써 장비들의 운용개념을 파악할 수 있었으며, 상부구조물 장비 중에서 Compressor에 대한 고장유형, 원인, 고장 결과의 심각성에 대한 정보는 OREDA 데이터베이스를 이용하여 정리하였지만, 장비들의 운영정보는 현장을 통해서 수집하였다.

현장방문을 통한 운영정보 수집, 전문가의 자문, 장비들의 사양 조사, 분석 등을 통한 보전절차 및 방법을 정리하였으며, 이를 UML 방법론을 통해 해양플랜트 보전시스템 개발사양을 작성하였으며, 이를 바탕으로 해양플랜트 보전시스템의 유용성을 확인하기 위해 상부구조물 장비들 중 압축기를 선정하여 개발사례 연구를 수행하였다.

압축기는 LNG-FPSO 상부구조물의 대부분 공정에서 사용되는 장비이며, 국내에서도 개발되는 장비이기 때문에 고장사례, 고장형태 및 고장률 등의 정보를 수집하기에 편리할 수 있을 것 같아 선정하였다. 하지만 고장사례 및 고장형태 정보는 장비 운영사를 통해서 얻을 수 있기 때문에 대상 선박이 현재 건조중인 선박이라 해당 정보를 수집하기 힘들어 유사 공정을 가지고 있는 육상플랜트 운영사로부터 수집하였다. 육상플랜트 운영사에서도 압축기의 고장사레가 많지 않아 기본적인 고장형태 및 고장률은 OREDA 정보를 이용하였고 현장 데이터로 보완하는 방식을 택했다.

개발 사례 연구를 통해 LNG-FPSO 상부구조물 장비들에 대한 예지보전기술 적용의 유용성을 확인하였지만, 보다 활용성을 높이기 위해서는 관련 데이터의 부족 문제점을 해결해야 한다는 경험을 얻게 되었다.

보전시스템 개발 사례 연구를 통해서 보전시스템의 개발 필요성을 확인하였기 때문에 향후에는 이를 바탕으로 개발 시스템의 성능을 향상시키기 위해 적용 장비들의 대상을 압축기에서 Inlet system로 확장하여 개발할 예정이며, 육상플랜트 장비업체, 화학공장, 엔지니어링 회사 등을 통해서 LNG-FPSO 상부구조물 장비들의 고장사례 및 운영데이터를 지속적으로 수집하며, 이를 이용하여 데이터베이스 시스템을 확장할 예정이다.