이 글의 목적은 고압가스 설비에서 사용되는 LNG 기화설비의 결로 및 동파 메커니즘을 이해하고, 설계·시공·운전·유지관리 단계에서 적용할 수 있는 실무 대책을 체계적으로 정리하여 현장에서 바로 활용할 수 있도록 돕는 것이다.
1. LNG 기화설비에서 왜 결로·동파가 발생하는가
1.1 LNG 기화기의 기본 특성
LNG(liquefied natural gas)는 약 -162℃의 극저온 상태에서 저장되는 고압가스이다.
LNG 기화설비는 이 극저온 액체를 열원을 이용하여 기체 상태의 천연가스로 만드는 열교환 설비이다.
주요 LNG 기화기 유형은 다음과 같다.
- 대기식 기화기(Ambient Air Vaporizer, AAV)이다.
- 온수 순환식 기화기(Intermediate Fluid Vaporizer, 온수·글리콜·해수 등 사용)이다.
- 수욕식 기화기(Water Bath Vaporizer)이다.
- 연소식 기화기(Submerged Combustion Vaporizer)이다.
- 전기식 기화기(Electric Vaporizer)이다.
어떤 형식이든 공통점은 LNG의 온도가 주변 공기나 열원보다 훨씬 낮기 때문에 기화기 표면과 배관 표면 온도가 주변 공기 이슬점보다 낮아지기 쉽다는 점이다.
1.2 결로·서리·얼음 형성 메커니즘
대기 중 수분은 기화기 표면 온도가 이슬점 이하로 떨어지면 응축되어 물방울이 되고, 더 낮은 온도에서는 곧바로 서리·얼음으로 변한다.
대기식 기화기는 공기와 직접 접촉하므로 서리와 얼음이 짧은 시간에 두껍게 형성되기 쉽다.
온수식·수욕식 기화기라 하더라도 저온이 전달되는 배관·밸브·플랜지 외면은 결로와 서리 형성이 빈번하다.
기화기 출구 가스 온도가 충분히 올라가지 못하면 하류 배관·압력조정기·계량기 등에서 동파 위험이 증가한다.
1.3 결빙이 문제를 일으키는 위치
| 구분 | 주요 결빙 위치 | 주요 위험 |
|---|---|---|
| 대기식 기화기 | 핀 튜브 외면, 하부 프레임, 드레인 주변 | 열전달 저하, 압력강하 증가, 아이스 폴링, 구조물 과하중 |
| 온수·수욕식 기화기 | 출구 배관, 조정기 주변, 계기 배관 | 동파, 밸브 작동불량, 계기 고장 |
| LNG 저장탱크 출구 | 탱크 노즐, 초기 배관 구간 | 플랜지 누설, 피팅 균열 가능성 |
| 레귤레이터 스테이션 | 1차·2차 조정기, 필터, 드레인 포트 | 조정기 동파, 압력불안정, 공급중단 |
2. LNG 기화설비 결로·동파가 가져오는 문제
2.1 열전달 성능 저하와 운전제약
기화기 표면에 서리·얼음이 두껍게 쌓이면 열전달 저항이 크게 증가한다.
연구 결과에 따르면 극저온 기화기에서 서리층이 형성될 경우 열전달 성능이 초기 대비 크게 저하될 수 있다고 알려져 있다.
결과적으로 같은 가스 공급량을 유지하기 위해 더 많은 기화기 면적과 더 긴 운전시간이 필요해진다.
대기식 기화기에서는 얼음이 튜브 간 유로를 막아 공기 흐름을 방해하고, 기화기 상단·하단의 온도차가 비정상적으로 커지는 현상이 발생한다.
2.2 압력강하 증가와 공급능력 저하
서리·얼음으로 인해 유효 열교환 면적이 줄어들고, LNG가 충분히 가열되지 못하면 일부 구간에서 부분 기화·액적 동반 흐름이 발생한다.
이 경우 배관 내 압력강하가 증가하고 조정기·밸브에서 이상 진동·소음이 발생할 수 있다.
극단적으로는 소비자 측 요구 유량을 만족하지 못해 피크 부하에서 공급압력이 떨어지는 문제가 생긴다.
2.3 구조적 안전과 아이스 폴링 위험
대기식 기화기에는 핀과 튜브 사이, 프레임 주변에 상당한 중량의 얼음이 쌓일 수 있다.
이 얼음이 온도 변화나 진동으로 대량 탈락하면 주변 배관·케이블·기기 또는 작업자를 직접 타격할 수 있다.
또한 얼음 하중 때문에 기화기 지지 구조물이나 앵커 볼트에 과도한 응력이 작용할 수 있다.
주의 : 기화기와 주변 구조물에 형성된 얼음을 망치·바·중장비 등으로 강제로 깨는 행위는 구조물 손상과 균열을 유발할 수 있으므로 엄격히 금지해야 한다.
2.4 배관·밸브·계기 동파
기화기 출구 가스 온도가 충분히 상승하지 못하면, 하류 배관·필터·레귤레이터·계량기·계기배관에 저온이 전달되어 동파가 발생할 수 있다.
특히 다음과 같은 조건에서 동파 위험이 높다.
- 기화기 출구 온도 제어 불량 또는 온수·열원 공급 부족이다.
- 저유량 또는 간헐 운전으로 배관 내 가스가 장시간 체류한다.
- 보온·열추적 설계가 미흡하거나 시공 품질이 떨어진다.
- 배수·드레인 설비가 없어 응축수가 배관 저부에 정체된다.
3. 설계 단계에서의 LNG 기화기 결로·동파 방지 대책
3.1 부지 선정과 배치 설계
LNG 기화설비의 결로·동파 문제는 설계 초기의 부지 선정과 배치 계획에서 상당 부분 예방할 수 있다.
- 습도가 높고 안개가 잦은 지역, 계곡·저지대, 다른 설비에서 나오는 수증기 배출구 인근은 피하는 것이 바람직하다.
- 기화기 주변에 충분한 공기 순환이 확보되도록 바람길을 고려한 배치를 해야 한다.
- 대기식 기화기 하부에는 얼음과 결로수가 떨어져도 다른 배관·전기설비·통로를 직접 타격하지 않도록 보호구역과 아이스 폴링 존을 설정해야 한다.
- 기화기에서 떨어지는 물과 얼음이 자연 배수되도록 그레이팅·트렌치·배수로를 계획해야 한다.
주의 : 기화기 바로 아래 또는 인접한 위치에 제어반, 계장 케이블 트레이, 일반 통로, 차량 진출입로를 배치하는 것은 아이스 폴링과 미끄럼 사고 위험을 크게 높이는 배치이므로 설계 단계에서 반드시 피해야 한다.
3.2 기화기 형식·용량·배열 선정
대기식 기화기는 구조가 단순하고 운전비가 낮지만 결빙에 가장 민감한 형식이다.
지속적인 고부하 운전을 전제로 할 경우 다음과 같은 설계 전략이 필요하다.
- 기화기를 2기 이상 병렬 설치하여 한 기는 운전, 한 기는 제상(Defrost)을 번갈아 수행할 수 있도록 한다.
- 열설계 시 결빙에 따른 열전달 저하를 고려하여 일부 여유 용량을 포함하여 산정한다.
- 핀 형상·핀 수·튜브 배열을 결정할 때 서리 축적 특성을 고려한 설계 자료를 반영한다.
온수·수욕식·연소식 등 액체 열원을 사용하는 기화기는 결로·동파 위험이 상대적으로 낮지만 다음 사항을 고려해야 한다.
- 열원 수온이 외기 온도에 따라 과도하게 떨어지지 않도록 설계해야 한다.
- 열원 배관과 탱크에도 결로·동결 가능성이 있으므로 보온·배수 대책을 포함해야 한다.
- 기화기 출구 가스 온도 제어 알고리즘이 저부하 조건에서도 최소 온도를 유지하도록 검토해야 한다.
3.3 재질·두께·취성 파괴 방지
극저온에 직접 노출되는 기화기와 배관은 저온에서 충분한 인성을 갖는 재질을 사용해야 한다.
- LNG 직접 접촉부에는 일반적으로 오스테나이트계 스테인리스강(예: STS304, STS316 등)을 사용한다.
- 저온 노출이 제한적인 구간에서는 탄소강을 사용할 수 있으나, 허용 최소 사용온도와 설계 온도를 근거로 검토해야 한다.
- 법령·기준에서 요구하는 최소 두께·응력·인성 기준을 만족하도록 기계적 설계를 수행해야 한다.
또한 급격한 온도 변화에 의한 열충격을 줄이기 위해 기동·정지 절차를 완만하게 설계해야 한다.
3.4 보온·열추적(Heat Tracing) 설계
LNG 기화기 결로·동파 방지에서 가장 중요한 설비적 대책은 적절한 보온과 열추적이다.
특히 다음 구간에는 보온·열추적을 필수로 검토해야 한다.
- 기화기 출구에서 1차 조정기까지의 배관이다.
- 압력조정기·필터·세퍼레이터·계량기 전후의 배관과 본체이다.
- 드레인 포트·블로다운 라인·저점 배관이다.
열추적 방식은 크게 전기식(Electric Heat Tracing)과 유체식(스팀·온수 등)으로 나뉜다.
- 전기식은 시공이 비교적 간단하고 제어가 정밀하지만, 전기설비 방폭 등급·절연 저항 관리가 중요하다.
- 유체식은 대규모 설비에서 경제성이 좋을 수 있으나, 배관망·트랩·응축수 배출 등 부수 설비가 복잡하다.
주의 : 열추적 설계 시 “과열”도 중요한 위험요소이다. 배관 내 가스 온도가 재질 허용온도·설비 사양을 초과하지 않도록 온도제어기·과열 차단장치·알람을 반드시 포함해야 한다.
3.5 드레인·배수·결빙수 관리 설계
기화기에서 발생하는 결로수와 얼음은 적절한 배수·집수 설비가 없으면 주변 동파·미끄럼·부식 문제를 일으킨다.
설계 시 다음 항목을 체크해야 한다.
- 기화기 하부에 스테인리스 그레이팅과 동결에 강한 배수 트렌치를 설치한다.
- 배수로는 가능한 직선 경로로 계획하고, 막힘을 줄이기 위해 충분한 기울기를 확보한다.
- 동결 위험 구간의 배수관에는 보온·열추적을 적용하거나, 개방형 노출 배수로로 설계하여 동결 시에도 월류가 가능하도록 한다.
- 배수수의 최종 방류 지점은 지면 결빙·빙판 형성을 유발하지 않는 곳으로 선정한다.
3.6 설계 단계 체크리스트
| 항목 | 주요 확인 내용 | 담당 |
|---|---|---|
| 부지·배치 | 습도·안개·바람길, 아이스 폴링 존, 인접 설비 영향 검토 여부 | 공정·배치 설계 |
| 기화기 용량 | 결빙에 따른 열전달 저하 고려 여유율 반영 여부 | 공정 설계 |
| 재질·두께 | 저온 인성, 최소 사용온도, 법적 기준 충족 여부 | 기계·재료 |
| 보온·열추적 | 필수 구간 누락 여부, 설계 온도·출력 계산, 알람·차단 로직 | 배관·계장 |
| 배수·드레인 | 결로수 흐름 경로, 동결 가능 지점, 배수 용량 검토 | 배관·토목 |
4. 운전 및 유지관리 단계 결로·동파 대책
4.1 계절별 운전 전략
겨울철에는 외기온도가 낮아 결로·동파 위험이 커지는 대신 기화기 열부하는 상대적으로 줄어든다.
운전자는 다음 전략을 통해 결빙과 동파를 예방할 수 있다.
- 대기식 기화기를 사용하는 경우, 기화기 전환 주기를 단축하여 한 기는 운전, 다른 한 기는 자연 제상을 충분히 수행하게 한다.
- 온수·수욕식 기화기의 경우, 외기온도에 따라 온수 설정온도를 상향 조정하여 출구 가스 최소 온도를 유지한다.
- 저유량 장기 운전 시에는 가능한 일정 최소 유량 이상을 유지하여 배관 내 체류시간을 줄인다.
4.2 정기점검 포인트
LNG 기화설비의 정기점검 시 다음 항목을 중점적으로 확인해야 한다.
- 기화기 표면의 서리·얼음 두께와 분포이다.
- 기화기 입·출구 온도, 출구 가스 온도 트렌드이다.
- 기화기 입·출구 압력차(ΔP)와 배관 라인의 압력강하이다.
- 레귤레이터 출구압 안정성, 진동·소음 등 이상 징후이다.
- 배수로·트렌치 막힘 여부와 주변 지면 결빙 상태이다.
- 보온재 손상·탈락·수분 침투 여부이다.
- 열추적 전원상태, 절연저항, 온도제어기 알람 이력이다.
4.3 제상(Defrost) 및 세척 절차
대기식 기화기의 제상 방법은 일반적으로 다음과 같다.
- 운전을 중지하고 자연 대기로 서서히 제상한다.
- 필요 시 온풍 또는 적당한 온도의 물을 이용하여 서리·얼음을 녹인다.
- 대규모 설비에서는 기화기 그룹을 번갈아 운전하여 자동 제상 사이클을 운영한다.
주의 : 매우 뜨거운 물이나 증기를 직접 기화기 튜브에 쏘면 큰 온도구배로 인해 열충격이 발생할 수 있다. 가능하면 온도 상승을 완만하게 하고, 제조사에서 제시하는 허용 온도차 이내에서 제상 절차를 수립해야 한다.
제상 후에는 구조물 변형·볼트 풀림·핀 손상 여부를 시각적으로 점검하고, 필요 시 비파괴검사를 통해 균열 여부를 확인하는 것이 바람직하다.
4.4 동파 징후와 응급조치
배관·밸브·조정기가 동파되기 전에 다음과 같은 징후가 나타나는 경우가 많다.
- 조정기·밸브 주변에 비정상적으로 두꺼운 얼음이 형성된다.
- 조정기 출구압이 급격히 떨어지거나, 헌팅이 심해진다.
- 밸브 조작력이 비정상적으로 커지거나 조작이 불가능해진다.
- 배관에서 비정상적인 소음(휘파람 소리, 탭핑 소리 등)이 발생한다.
이러한 징후가 확인되면 다음 순서로 응급조치를 수행하는 것이 일반적이다.
- 해당 계통의 공급량을 가능한 한 빨리 줄이고, 필요 시 안전하게 차단한다.
- 우회 라인이 있다면 우회 라인으로 공급을 전환하고, 문제가 있는 구간을 격리한다.
- 열추적·보온 상태를 확인하고, 온도계·표면 온도계를 이용해 실제 온도를 측정한다.
- 동파가 의심되는 배관을 강제로 가열하거나 두드리지 말고, 충분한 시간 동안 완만한 가열 또는 상온 복귀를 유도한다.
- 동파·균열이 확인되면 해당 구간을 교체하고, 재발 방지 대책(보온 보강·열추적 증설·배수 개선 등)을 동시에 수립한다.
5. LNG 기화라인 보온·열추적 설계·운전 실무 팁
5.1 열손실과 열추적 용량 산정 개념
배관의 열손실은 이상화하면 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Q = U × A × ΔT
Q : 단위 시간당 열손실 [W]
U : 종합 열전달계수 [W/m²·K]
A : 배관 외표면적 [m²]
ΔT : 배관 외표면과 주변 공기의 온도차 [K]
열추적 출력은 이 열손실보다 약간 크게 설정하는 것이 일반적이다.
P_tracing ≈ Q / η
P_tracing : 필요 열추적 출력 [W]
η : 열추적 효율 (케이블 부착 상태, 보온 품질 등을 고려)
실무에서는 제조사 설계 프로그램과 표준 데이터 시트를 활용하여 배관경·보온 두께·설정온도에 따른 적정 출력을 결정하는 것이 바람직하다.
5.2 온도계·센서 배치
보온·열추적의 효과를 확인하고 과열·동파를 방지하기 위해 적절한 온도계·센서 배치가 중요하다.
- 기화기 출구 직후와 1차·2차 조정기 전후에 가스 온도계를 설치한다.
- 열추적 제어용 표면 온도 센서는 대표성이 있는 위치(열손실이 가장 큰 지점)에 설치한다.
- 저점 배관·드레인 포인트 근처에 온도 스위치를 설치하여 특정 온도 이하로 떨어질 경우 알람 또는 열추적 강화가 가능하도록 한다.
5.3 시공 품질 관리
설계가 아무리 잘 되어 있어도 보온·열추적 시공 품질이 나쁘면 결로·동파 사고가 반복된다.
시공 시 다음을 반드시 확인해야 한다.
- 열추적 케이블이 배관 외주를 균일하게 감싸도록 간격과 고정 상태를 관리한다.
- 보온재 이음부·플랜지·밸브 주변에 빈틈이 없도록 커버와 실링을 설치한다.
- 방수·방습 처리(알루미늄 재킷·씰링 테이프 등)를 통해 보온재 내부에 수분이 침투하지 않도록 한다.
- 시공 후 절연저항 시험·절연내력 시험을 수행하고, 기준값을 만족하는지 확인한다.
주의 : 보온재 내부에 수분이 유입되면 동결·해빙을 반복하면서 보온 성능이 급격히 저하되고, 배관 외피 부식이 가속된다. 시공 단계에서부터 수분 유입 차단과 점검구·플랜지 커버 설계를 철저히 해야 한다.
6. 고압가스 관련 기준에서 요구하는 동파 방지 관점
LNG는 고압가스에 해당하므로, 관련 법령·고시·기술기준에서 기화설비 설계·제작·설치·검사 기준을 규정하고 있다.
동파·결로와 직접 관련되는 일반적인 요구사항은 다음과 같이 정리할 수 있다.
- 기화기 출구 가스 온도는 관계 기준에서 정한 최소 온도 이상을 유지해야 한다.
- 극저온이 전달되는 배관·밸브·조정기·계측기 등은 저온에 따른 기능저하·취성파괴가 발생하지 않도록 설계되어야 한다.
- 기화설비 및 배관의 배수·드레인 설비는 동절기에도 기능을 유지하도록 설치해야 한다.
- 동파·결빙으로 기능이 상실될 우려가 있는 압력조정 장치·차단장치는 적절한 보호조치를 하거나 이중화해야 한다.
- 결빙·동파로 인한 이상압력 발생 시 안전밸브·파열판 등 방호 장치가 적정하게 작동하도록 설계·유지관리해야 한다.
실무에서는 적용 대상 설비에 어떤 세부 기준이 적용되는지 먼저 확인한 후, 이 글에서 정리한 설계·운전 대책을 그 기준보다 같거나 더 보수적인 수준으로 적용하는 것이 바람직하다.
FAQ
LNG 대기식 기화기에 얼음이 많이 붙으면 바로 정지해야 하는가?
얼음이 어느 정도 붙는 것은 대기식 기화기의 정상적인 현상이다. 그러나 얼음이 튜브 사이 유로를 심하게 막거나, 얼음 덩어리가 하부로 탈락하여 주변 설비를 타격할 우려가 있을 정도로 커졌다면 계획된 제상 사이클에 따라 해당 기화기를 정지하고 제상을 실시하는 것이 안전하다. 단, 제조사가 허용한 범위 내에서 열적·기계적 손상을 최소화하는 방법으로 제상 절차를 운영해야 한다.
기화기 출구 배관 보온만으로 동파를 완전히 막을 수 있는가?
보온만으로는 동파를 완전히 방지하기 어렵다. 보온은 열손실을 줄여줄 뿐 능동적으로 열을 공급하지 못하기 때문이다. 외기온도가 매우 낮거나 배관 내 유량이 적은 경우에는 보온과 함께 열추적을 적용하여 배관·밸브·조정기·계기 등의 온도가 기준 이하로 떨어지지 않도록 해야 한다.
겨울철에는 LNG 기화기를 어떻게 운전하는 것이 좋은가?
겨울철에는 외기온도가 낮아 결빙은 심해지지만 필요한 기화 열량은 상대적으로 줄어드는 경우가 많다. 이때는 기화기 여러 대를 번갈아 운전하여 한 기는 운전, 한 기는 자연 제상을 수행하게 하는 전략이 유효하다. 또한 온수식·수욕식 기화기의 경우 열원 온도를 조정하여 기화기 출구 가스가 기준 온도 이상을 유지하도록 해야 한다. 저유량 장기 운전은 배관 동파 위험을 높이므로 가능하면 피하거나, 열추적과 감시를 강화해야 한다.
기화기 주변에 고인 물이 자꾸 얼어 미끄럼 사고가 우려된다. 어떤 대책이 효과적인가?
우선 배수계통을 재점검하여 기화기 하부와 주변의 결로수가 신속히 배출되도록 그레이팅·트렌치·배수관을 정비해야 한다. 필요 시 배수 트렌치에 보온·열추적을 적용하여 동결을 방지할 수 있다. 보행 통로에는 미끄럼 방지 그레이팅·난간을 설치하고, 겨울철에는 제설·제빙 계획을 별도로 운영하는 것이 바람직하다.
설계가 완료된 기존 LNG 기화설비에서 동파 문제가 계속 발생한다면 어떻게 접근해야 하는가?
먼저 동파가 발생하는 위치와 조건을 정량적으로 파악해야 한다. 기온·풍속·부하·유량·출구온도·열추적 상태 등을 기록하고, 반복되는 패턴을 찾는 것이 중요하다. 이후 해당 구간의 보온 두께·열추적 출력·배수 상태·재질·두께를 재검토하고, 필요한 경우 부분적인 설비 보강(추가 열추적, 보온 보강, 배수 개선, 레귤레이터 구조 변경 등)을 설계해야 한다. 재설계 시에는 관련 기준과 제조사 권장사항을 우선적으로 검토해야 한다.