사후 고려에서 이점으로

Aspen Aerogels Inc.의 마크 크라제프스키와 저스틴 리스폴리는 LNG 자산 설계를 최적화하는 데 있어 에어로젤 단열재의 중요한 역할을 소개하고, 뛰어난 열 성능, 내구성, 공간 절약 특성이 어떻게 효율성 향상, 설계 최적화, 장기적 가치에 기여하는지 설명합니다.

세계의 에너지 수요는 계속 증가함에 따라, 차세대 에너지 공급 시설을 건설하고 시운전하는 엔지니어와 소유주는 더 빠르고, 더 효율적으로, 그리고 총 탄소 영향을 낮추면서 시설을 건설해야 한다는 의무감을 느끼고 있습니다.

이러한 거시적 압력으로 인해 식물 개발 과정에 참여하는 이해 관계자들은 목표를 달성하기 위해 아무리 미묘하더라도 가능한 모든 이점을 모색하게 됩니다.

완전 조립식 건축이든 최첨단 모듈식 건축이든, 어떤 건축 방식을 사용하든 더 적은 자원으로 더 많은 것을 더 빠르게 하는 것이 목표입니다. 하지만 건축 방식이 조립식에서 100% 모듈식으로 전환됨에 따라 설계 및 시공 효율성의 중요성이 더욱 커지고 있습니다.

모듈러 건축 분야에서 공간과 무게는 설계 엔지니어에게 가장 중요한 두 가지 요소입니다. 모듈 설계에서 무게 1파운드 또는 공간 1인치가 추가될 때마다 어떤 의미가 있는지 정량화하는 것은 불가능하지만, 매우 어렵습니다. 하지만 확실한 것은 무게를 줄이고 공간을 절약하는 것이 모듈러 프로젝트에 참여하는 모든 사람의 바람이라는 것입니다.

모듈의 설계, 건설, 운송에 있어서 공간과 무게의 중요성에 대한 생각을 공유해 달라는 요청을 받았을 때, KBR의 프로그램 디렉터이자 모듈형 건설 전문가인 케이시 서튼은 다음과 같은 통찰력을 제공했습니다.

모듈화에서 필요한 무게와 공간의 감소는 거의 측정할 수 없는 가치를 지닙니다. 무게와 공간 감소는 모듈 엔지니어링 및 시공의 거의 모든 측면에서 중요한 요소입니다. 배관 및 장비 주변의 접근 및 유지 보수 공간, 모듈의 시공, 운송 및 설치에 필요한 크레인 및 SPMT와 같은 장비는 전체 크기와 무게를 기반으로 합니다. 구조용 강재의 크기는 배관, 장비 및 기타 품목의 무게와 하중을 기반으로 합니다. 그리고 이 두 가지 지표와 관련된 여러 요소가 있습니다. 모듈의 경우 가장 큰 비용 제약은 운송비이며, 이는 거의 전적으로 모듈의 무게, 크기, 공간에 의해 결정됩니다. 따라서 모든 평방 인치와 파운드는 전체적인 그림에서 매우 중요합니다.

설계자는 무게와 공간을 절약할 수 있는 모든 가능성을 모색해야 합니다. 상당한 효과를 가져올 수 있지만 종종 간과되는 것이 바로 단열 시스템입니다.

기존의 단열 시스템은 크고 부피가 크며 불가피하게 무게가 증가합니다. 이제 대부분의 FLNG, FPSO 및 FSRU 추위 및 음향 보호 또는 추위 및 수동적 화재 예방이미 크고 부피가 크고 무거운 단열 시스템은 크기와 무게가 더욱 커질 수 있습니다. 이 글에서는 내열성, 수동 방화, 그리고 소음 감쇠(데시벨 삽입 손실) 측면에서 우수한 것으로 입증된 솔루션인 에어로젤 단열 블랭킷을 활용하여 공간과 무게를 모두 절약하는 간단하고 효과적인 방법을 제시합니다.

해양 시설 설계자들은 의무적인 설계 목표를 달성하는 동시에 시설의 효율성을 개선할 수 있는 기회를 항상 모색합니다. 이러한 목표에는 일반적으로 명판 용량, 작업자 안전, 배출 규정 준수, 그리고 허리케인이나 화재와 같은 재난에 대한 내구성이 포함됩니다. 파이프의 수, 직경, 야금, 벽 두께는 모두 공정 설계에 의해 고정되어 있으며, 이는 다시 시설 내 공정 유닛의 크기와 수에 의해 결정되기 때문에 설계자는 어느 정도 제약을 받습니다. 전통적인 사고방식에서는 이러한 설계를 파이프 자체의 크기가 아닌 단열 파이프의 외경을 기준으로 파이프 간격 및 랙 구조에 대한 표준 경험칙으로 규정했습니다. 전통적으로 고정된 것으로 여겨졌던 이 지표는 이제 설계자가 시설의 설치 면적을 줄이는 데 활용할 수 있는 의미 있는 지표가 되었습니다.

그림 1은 표준 열 설계 목표를 충족하기 위해 단열 두께가 비슷한 고온 및 저온 배관의 단면도를 보여줍니다. 저온 배관의 설계 목표는 결로 제어 기준입니다. 이 예에서 세 가지 단열재 모두 표면 온도가 거의 동일하며, 습도가 높은 날씨 패턴에서 단열재 재킷에 주변 습기가 결로되는 경향이 있습니다.

사용하여 Cryogel® Z 고효율 에어로젤 기반 단열재파이프의 단열 직경은 18.625인치에서 14.225인치로 약 24% 감소했습니다. 설계자는 더 효율적인 단열재를 사용함으로써 이전에 13.5개의 라인이 차지했던 공간에 8.1개의 라인을 배치할 수 있었습니다. 열간 작업의 경우에도 마찬가지로 최대 단열 직경이 40인치에서 2인치로 XNUMX% 감소했습니다. 이러한 효과의 실제 구현은 그림 XNUMX에서 확인할 수 있습니다. 두 개의 LNG 제티 라인이 나란히 설치되어 있으며, 하나는 기존의 경질 단열재로 단열되었고 다른 하나는 Cryogel® 지.

텍사스주 잉글사이드에 있는 인기 있는 모듈식 야드인 State Service의 부사장인 라이언 휘틀리에 따르면,

"전체 크기와 무게는 모듈식 건축 프로젝트의 설계 및 시공에 있어 두 가지 중요한 요소입니다. 안전성이나 성능을 저하시키지 않으면서 무게를 줄이고/줄이거나 공간을 절약할 수 있다는 것은 큰 장점입니다."

매우 복잡하고 엄격한 설계 조건을 적용합니다. FLNG, FPSO, FSRU와 같은 해상 시설 그리고 여러분은 사물을 더 작고 가볍게 만드는 더 큰 과제에 직면하게 됩니다.

이 직경 감소가 다양한 공정 온도와 직경에 미치는 영향을 살펴보면 어떨까요? 그림 3은 57개의 서로 다른 공정 라인을 가진 파이프 랙에 대한 차이점을 보여줍니다. 예시 배관 및 공정 온도에서 단열재 두께 차이로 인해 랙의 한 층 전체를 제거하여 랙 1.83미터당 XNUMX톤의 구조용 강재를 절약할 수 있습니다. 상부 구조물의 모든 중량이 중요한 FLNG 자산에서 그 가치는 명확합니다.

단열재 외경 감소는 랙 설계에 긍정적인 영향을 미칠 뿐만 아니라 파이프 랙이 받는 풍하중에도 비례적으로 영향을 미칠 수 있습니다. 그림 4는 120피트 길이의 단열 파이프가 시속 XNUMX마일(약 XNUMXkm)의 강풍에 노출되었을 때 받는 풍하중을 자세히 보여줍니다. 풍하중은 육상 및 부유 자산 모두의 랙 강도 요건을 결정하는 주요 요인 중 하나입니다. 육상 자산의 경우, 하중의 영향은 랙 하단 및 기초 요건에서 끝납니다. 부유 자산의 경우, 안정성 고려 사항도 설계에 반영해야 합니다. 부유 자산의 경우, 풍하중이 작용하는 유효 길이는 구조물의 회전 중심이며, 랙이 선체 지지 구조와 만나는 지점보다 모멘트 암의 배수만큼 더 길 수 있습니다. 이는 단열 파이프 직경을 줄임으로써 풍하중 감소가 가져올 수 있는 이점을 더욱 증폭시킵니다. 지지 구조물의 무게를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 부력 및 안정성 계산에도 도움이 됩니다.

FLNG 시설에 요구되는 다양한 설계 요건 중 상당수는 시설 운영자와 시설 주변에서 작업하는 사람들의 안전과 관련이 있습니다. 차세대 시설의 제안 및 설계가 진행됨에 따라 이러한 다면적인 설계 요건이 점점 더 일반화되고 있습니다. 최근 ISO-20088 표준 시리즈에 정량화된 저온 유출 방지 요건의 도입이 그 예입니다.

해상 시설에는 항상 수동 방화 요건이 존재해 왔지만, 그 용도와 사양 또한 점점 더 보편화되고 정교해지고 있습니다. 이러한 방화 체계는 이제 시스템이 먼저 극저온 액체의 영향을 받은 후 제트 화재에 노출되는 순차적인 방식으로 진행되는 경우가 많습니다.

액체 질소 온도(-196°C)에서 제트 화염 온도 1250°C로 올라가는 열 충격은 아무리 강조해도 지나치지 않습니다. 특히, Pyrogel® 및 Cryogel® Z 에어로젤 단열재는 ISO-20088-3 및 ISO-22899 표준을 사용하여 이러한 이중 보호 체계에 대한 테스트를 거쳤으며, 단일 솔루션으로 다양한 구성, 지속 시간 및 Hp/A 비율(그림 5-8)에 대한 형식 승인을 획득했습니다. 기존 단열 시스템은 열 설계와 수동 방화 시스템을 별도로 구성해야 하므로 무게와 복잡성이 증가합니다.

LNG FLNG 시설은 종종 ISO-15665에 따라 열 설계 요건을 충족하고 소음 감쇠 기능을 제공하는 단열 시스템을 필요로 합니다. LNG 시설 내 고속 가스 이동은 주요 소음원입니다. 수동 화재 및 저온 유출 시와 마찬가지로, 기존의 경질 극저온 단열 시스템은 단독으로는 열 및 음향 효과를 동시에 제공할 수 없으므로, 동일한 배관에 두 개의 별도 단열 시스템을 적용해야 합니다(그림 9). 하나는 열 단열 시스템이고 다른 하나는 순수 음향 단열 시스템입니다. 이 경우 열 단열 시스템은 음향 효과를 제공하지 않으며, 음향 시스템은 열 효과를 제공하는 것으로 간주될 수 없습니다.

또한, 이 작업은 냉간 작업이므로 두 시스템 모두 주의해서 증기 밀봉해야 합니다. Cryogel반면, ® Z 에어로젤 단열재는 동일한 소재로 열적 이점과 음향적 이점을 모두 제공할 수 있습니다. 그림 9의 예에서, Cryogel® Z 단열재는 3.2인치 두께만으로도 원하는 열 설계와 Shell Class D 음향 등급을 달성할 수 있습니다. 설계자에게는 효율성 측면에서 엄청난 이점이 있습니다. Cryogel® Z 에어로젤 단열 시스템은 기존 시스템에 비해 두께가 1/3도 안 되지만, 설치가 훨씬 쉽고 총 설치 비용도 낮습니다.

이 글의 초점은 분명히 이러한 재료들이 플랜트 설계 개선에 사용될 때 제공할 수 있는 잠재적 가치에 대한 데이터를 제시하는 것입니다. 이 재료들의 운영 및 설치 이점에 대해서도 논의하지 않는다면 부족할 것입니다. 과거 대규모 FLNG 프로젝트에 참여했던 단열재 시공업체들은 해상 생산성이 단열재가 참여한 90시간 교대 근무 시간당 약 10분의 실제 공구 사용 시간이라고 밝혔는데, 이는 공구 사용 시간의 15%에 해당합니다. 잘 설계되고 통제된 연구에서, Cryogel® Z 단열재는 기존 경질 단열재보다 약 30% 더 빠르게 설치됩니다. 이는 극저온 설치에 유리하지만, 자재 설치 시간이 15%에 불과한 경우에는 판도가 완전히 달라집니다.

Cryogel® Z 단열재는 경질 단열 시스템에 필요한 수축 접합부가 필요 없으며, 설치가 어렵고 파손되기 쉽습니다. 운영 측면에서 응축 제어 기준에 맞춰 설계하는 경우, 다음과 같은 사항만 지정해도 증발 가스 발생량이 줄어듭니다. Cryogel® Z 단열재는 파이프 크기와 열 요구 사항에 따라 최대 50%까지 절감할 수 있습니다. Cryogel® Z 에어로젤 단열재는 검사가 쉽고 재사용이 가능하며 극저온에서도 균열이나 취성이 발생하지 않습니다. 간단히 말해, 극저온 단열재에 더 적합한 폼팩터입니다.

Wood PLC의 Integrity, Corrosion & Materials 그룹 팀 리더인 Tom Lyons와의 최근 대화에서는 유연한 에어로젤 단열재가 FLNG 자산 설계자에게 제공할 수 있는 가치를 잘 요약했습니다.

무게와 공간은 해상에서 심각한 문제이며, FLNG 사업에서 이 문제가 가장 중요합니다. LNG 액화 설비는 많은 단열재를 필요로 하는데, 이는 일반적으로 부피가 크고 FLNG 상부 구조물의 전체 무게에 놀라울 정도로 큰 영향을 미칩니다. 작은 파이프에도 여러 겹의 두꺼운 단열재를 적용하면 귀중한 데크와 파이프 랙 공간을 빠르게 차지할 수 있습니다. 에어로젤과 같은 Cryogel® 단열재는 가볍고 일반적으로 더 컴팩트하여 FLNG에 이상적입니다.”

차세대 육상 및 해상 운송을 위한 끊임없는 노력 LNG 시설 더 효율적이고, 더 저렴하며, 총 탄소 발자국을 줄이는 강력한 새로운 도구가 예상치 못한 곳에서 탄생했습니다. 바로 단열재입니다. 에어로젤 기술을 활용한 단열은 이러한 목표를 달성하는 데 중요한 역할을 할 수 있지만, 이는 단열재를 설계할 때만 가능합니다.