LNG 수송선의 동적모사기 개발

유희종, 구병철*, 이재익*, 김원배, 정지범, 박준원, 이인구, 윤용승

고등기술연구원 에너지/환경연구실, 대우중공업(주) 선박해양기술연구소*

Development of the Dynamic Simulator for the LNG Carrier

Hee-Jong Yoo, Byung-Chul Koo*, Jae-Ik Lee*, Wonbae Kim,

Jibum Chung, Junwon Park, Ingu Lee, Yongseung Yun

Institute for Advanced Engineering, Daewoo Heavy Industries Ltd.*

1. 서 론

초저온(-163℃)의 액화천연가스(Liquified Natural Gas, LNG)를 원산지로부터 수요지까지 운반하는 LNG 수송선(LNG Carrier, LNGC)의 제어시스템은 LNG를 loading 및 unloading하는 기능 이외에 운항중 LNG 저장설비를 안전하게 관리하고, 저장탱크로부터 발생하는 기화가스(Boil-Off Gas, BOG)를 기관실에 공급하여 오일과 함께 선박 추진용 보일러의 연료로 사용할 수 있도록 하는 가스관리시스템(Gas Management System) 기능을 포함하기 때문에 일반 선박의 제어시스템과 비교하여 상당한 차이점을 갖는다.

이와 같은 LNGC 기능상의 특성에 따라 현재 대우중공업(주)에서 건조중인 LNGC들에는 GMS 및 기관실 보일러의 통합적이고 효율적인 감시 및 제어를 위하여 최신의 DCS(Honywell TDC3000) 기종을 사용한 통합자동화시스템(Integrated Automation System, IAS)이 구축된다.

본 연구에서는 현재 대우중공업(주)에서 건조중인 LNGC에 설치된 IAS의 성능 및 안전성을 검증하고, 예측하지 못했던 운전상의 문제점을 조기에 발견하며, IAS의 commissioning 기간을 단축하기 위해서 IAS의 동작에 따라 LNG 수송선에 포함된 공정의 동특성을 모사할 수 있는 동적모사기를 개발하였다.

2. 대상공정 모델의 개요

본 연구에서 개발된 LNGC의 동적모사기를 구성하는 대상공정의 개략도는 Fig. 1.과 같다.  Fig. 1.에서 볼 수 있듯이 LNGC 동적모사기의 대상공정은 크게 GMS, 연료공급계통, 버너, 보일러 및 터빈으로 구분된다.

GMS는 LNG 저장탱크, 증발기, 압축기 및 BOG 가열기로 구성된다.  LNG 탱크로부터 자연증발된 주성분이 메탄인 BOG는 증발기를 거치지 않고 압축기로 공급되며, 압축된 가스는 가열기를 통하여 보일러의 연료로 공급된다.  LNG 탱크내의 strip 펌프에 의해서 압송된 LNG는 강제 증발기에 의해서 증발된 후 자연증발된 가스와 동일한 공정을 거쳐 보일러의 연료로 공급된다.

연료공급계통은 연료가스 공급계통, 연료오일 공급계통, atomizing 스팀 공급계통 및 연소공기 공급계통으로 구분될 수 있다.  연료가스는 GMS로부터 공급되며, 연료오일은 오일탱크로부터 펌프에 의해서 공급된다.  각각의 연료들은 보일러의 부하 및 연료비의 조절에 따라 유량제어를 거쳐 버너로 공급된다.  버너에서 연소에 의해 발생된 연소가스는 보일러부의 증발관, 과열기 및 절탄기를 거쳐 연돌로 배출된다.

보일러 모델은 급수계통, 증발기, 과열기 및 절탄기로 구성되며 연소가스로부터 전달된 열에 의해서 선박의 추진용 터빈 및 보조설비의 구동을 위한 스팀을 생성한다.

Fig. 1. Process flow diagram for the LNG Carrier

상기한 바와 같은 대상공정에 대한 동적모사기의 가장 중요한 목적은 실선에 구축된 IAS에 연결되어 공정의 동특성을 모사함으로서 IAS에 구현된 제어로직을 시운전 전 단계에서 검증하는 것이다.  따라서 본 동적모사기에 포함된 가장 중요한 특징은 다음과 같이 세가지 항목으로 요약될 수 있다.

첫 번째로 가장 중요한 사항은 공정의 실시간 모사를 수행한다는 것이다.  본 동적모사기는 실선의 IAS와 on-line으로 연결되어 제어기의 출력에 따라 변동되는 공정의 동특성을 모사하기 때문에 대상공정에 대한 모델의 신뢰성이 매우 높게 검증되었다고 하여도 계산시간이 실시간보다 길어지는 경우에는 사용될 수 없다.

두 번째로 중요한 사항으로서 본 모사기는 실선 IAS의 입출력 단자대에 연결되어 I/O simulator의 역할을 수행한다는 것이다.  이를 위해서 본 모사기는 대상공정을 구성하는 각종 장치류 이외에 제어기의 출력을 받아 동작하는 밸브, 펌프 및 압축기 등과 같은 모든 최종제어요소들의 모델을 포함한다.

세 번째로 본 모사기의 중요한 특징은 대상공정을 구성하는 각각의 모델들을 동적인 입출력변수를 갖도록 모듈화하고, 실공정과 동일하게 연계하여 동시에 적분함으로서 공정상호간의 연동특성을 예측한다는 것이다.

3. 동적모사기의 구성

상기한 바와 같은 특성을 갖는 모델을 사용하여 대상공정에 대해 구성된 동적모사기의 구조는 Fig. 2.와 같다.  본 연구에서 대상공정에 대한 모델링은 FORTRAN 언어를 사용하였으며, 각각의 모델들은 동적인 입출력변수를 갖도록 모듈화하여 대상공정과 동일하게 연계되고, 연계된 모델은  상용 동적모사 S/W의 엔진을 사용하여 실행된다.  본 모사기에 사용된 엔진은 Microsoft사의 Windows 환경하에서 제공되는 DDE(Dynamic Data Exchange) 기능을 사용하여 GUI로 사용된 미국 NI사의 LabVIEW와 실시간으로 통신한다.  LabVIEW에 구성된 아날로그 및 디지털 입출력 변수들은 RS-485 board를 통하여 A/D 및 D/A 변환기로 전송되며, A/D 및 D/A 변환기의 입출력 신호는 실선 IAS의 입출력 단자대에 연결된다.

Fig. 2. On-board configuration of the dynamic simulator

4. 실험 및 결과

현재 대우중공업(주)에서 건조중인 LNGC IAS의 commisioning 전 단계에서 Fig. 2.와 같이 동적모사기를 연결하여 IAS를 구성하는 GMS, 보일러 및 BMS(Burner Management System) 제어로직 각각의 동작 및 성능을 검사하고, 제어기를 tuning하였으며, 또한 정상 및 비정상상태의 운전모드에 따라 나타나는 공정의 응답특성 및 제어로직의 성능을 평가하기 위하여 Table 1.과 같은 항목의 실험을 실시하였다.

Table 1.에서 보여진 바와 같이 본 동적모사기를 사용한 IAS의 성능평가 시험은 BMS에 의해서 제어되는 버너의 점화시퀀스로부터 시작하였다.  보일러의 정상상태 운전압력은 보일러 제어시스템의 주제어기에 의해 버너로 공급되는 연료의 유량을 조절하여 61.5기압으로 일정하게 제어된다.  선박 추진용 터빈의 부하증가에 의한 MCR(Maximum Continuous Ratio) 조건하에서 GMS를 구성하는 설비들의 가동과 연료모드의 변화 등과 같은 정상상태 운전특성 이외에 연료가스 압축기의 고장, 연료가스 주제어밸브의 오동작 및 긴급상황에서 선박의 후진 등과 같은 비정상상태 조건하에서 공정 및 제어로직의 응답특성을 시험하였다.

Fig. 3.은 연료가스의 압축기 및 주제어밸브 각각이 갑자기 trip된 상황을 모사하여 연료오일이 보충되는 FO back-up 및 FO boost-up에 대한 제어로직의 성능을 검증한 결과이다.

Table 1. Summary of the on-board IAS test using dynamic simulator

Normal Operation	Abnormal Operation
1. Initial firing and steaming up 2. Load increase to FO MCR 3. Fuel mode change (FO to Dual) 4. L/D compressor start 5. Forcing vaporizer start 6. Fuel mode change (Dual to FG)	1. L/D compressor trip 2. FG master valve trip 3. Crash astern
* FO : fuel oil, FG : fuel gas, L/D : low duty

Fig. 3. Typical results of the on-board test using dynamic simulator

5. 결 론

상기한 바와 같이 개발된 LNG 수송선의 동적모사기는 현재 대우중공업(주)에서 건조중인 LNG 수송선 IAS의 동작, 성능 및 안전성 검증과 제어기의 tuning에 사용되고 있으며, 이외에 운전원 교육 및 제어로직 개선에 효과적으로 활용되고 있다.

참고문헌

1. S. Gonzallez, "Modularization Guidelines in theDevelopment of Large

Scale System Models for Simulation", IEEE Transactions on systems,

vol. smc-15, No. 5, 1985

2. Michael O. S., "Dynamic Simulation Implements System Validation

and Training", Chemical Processing, July, 49, 1995

3. A. W. Ordys, et al., "Modeling and Simulation of Power Generation

Plants", Springer-Verlag, 1994