차세대 LNG 기화기

컨소시엄: IKM Flux, Jiskoot Solutions, Valland, Intertec, ToffeeX, EOS Additive Minds | 사례 연구

>50%

GHV 측정 변동성 감소

에퀴노르 현장 시험 기간 중 (2025년 3월)

279 mm

알루미늄 부품

EOS M 400 프린터로 AlSi10Mg 소재를 사용하여 3D 프린팅

150 바(기압)

검증 완료, ATEX 인증 준비 완료

기존 LNG 샘플링 시스템에 완벽하게 개조 호환 가능

생성적 설계와 금속 적층 제조가 측정 변동성을 50% 이상 감소시키는 방법

액화천연가스( LNG)의 정확한 소유권 이전은 총 발열량 (GHV)과 워베 지수(Wobbe Index)의 정밀하고 안정적인 측정에 달려 있습니다. 이러한 측정의 신뢰성은 근본적으로 극저온 상태(-160°C)의 LNG를 약 +60°C의 균일하고 완전히 기화된 가스 흐름으로 변환하는 LNG 기화기의 성능에 의해 제한됩니다. 기화 과정 중 사소한 불규칙성조차도 조성 층분리와 사전 분획을 초래하여 분석 측정값의 편차를 유발하고, 이는 LNG 화물의 상업적 가치에 직접적인 영향을 미칩니다.

이러한 한계를 극복하기 위해 IKM Flux, Intertec, Jiskoot Solutions, ToffeeX, Valland 및 EOS로 구성된 산업 간 컨소시엄이 차세대 LNG 기화기를 개발했습니다.

IKM 플럭스: O샘플링 시스템의 설계 및 테스트를 감독했습니다
인터텍: Provided 및 인증된 통합 히터를
Jiskoot 솔루션: C 컨셉 개발 및 디자인 리더십
ToffeeX: D생성형 디자인 소프트웨어를 제공했습니다
발란드: 제조된 부품을 AlSi10Mg EOS M 290 루미늄을 사용하여 알루미늄 합금을 사용하여
EOS: AM 기술 및 AM 설계 전문성을 제공하여 물리학 기반 생성 설계가 인증된 현장 적용 가능 부품으로 발전할 수 있도록 지원했습니다.

그 결과 최적화된 나선형 유로, 제어된 난류 구조, 진공 단열 캐비티를 통합한 일체형 적층 제조 알루미늄 부품이 탄생했습니다. 2025년 3월 에퀴노르의 함메르페스트 LNG 터미널 현장 배치 시, 이 새로운 증발기는 GHV 측정 변동성을 50% 이상 감소시켜 금속 적층 제조로 제작된 디지털 설계 열유체 시스템의 성능 향상을 입증했습니다.

도전 과제

기존 LNG 기화기가 측정 정확도를 제한하는 이유

LNG 기화 과정은 열역학적으로 민감한 공정이다. LNG는 약 -160°C의 온도로 기화기에 유입되며, 대표성 있는 시료를 확보하기 위해 완전히 기화되고 과열되어야 한다. 동축 히터 개념과 기존 가공 부품에 기반한 전통적인 기화기 설계는 유동 경로에 따른 열유량 분포, 온도 구배 및 상 행동에 대한 제어 능력이 제한적이다.

결과적으로 불균일한 기화가 발생하여 품질이 불안정해지고 GHV 및 워베 지수 측정이 왜곡될 수 있습니다. 압력 강하는 추가적인 복잡성을 초래합니다: 압력 손실이 불충분하면 난류와 열전달 효율이 감소하는 반면, 과도한 압력 강하는 유동 조절에 부정적인 영향을 미칩니다. 특히 북극이나 해양 설비에서 발생하는 환경적 열 손실은 기화기 성능을 더욱 불안정하게 만듭니다.

기존 제조 방식은 채널 형상, 절연체 통합 및 기능적 특징 밀도를 제한합니다. 따라서 일관되고 고정밀 LNG 샘플링을 달성하기 위해서는 열전달, 압력 안정성, 유동 균일성 및 열격리 기능을 소형 현장 적용 시스템 내에서 최적화할 수 있는 재설계된 증발기가 필요했습니다. 동시에 완전한 제조 가능성과 개조 호환성을 유지해야 했습니다.

솔루션

생성적 설계 방식의 금속 적층 제조(AM) 적용 LNG 기화기

물리 기반 생성 설계

컨소시엄은 여러 연동 성능 목표를 정의했습니다: 히터 인터페이스 근처의 열전달 극대화, 조기 및 완전한 기화 보장, 정의된 압력 강하 한계 유지, 환경 열 손실 최소화, 금속 적층제조(AM)를 통한 제조 가능성 확보.
ToffeeX 생성적 설계 플랫폼을 활용하여, 이러한 목표들은 대류, 전도, 압력장 분포 및 AM 제약을 포괄하는 다중물리 시뮬레이션을 통해 해결되었습니다.
결과적으로 도출된 이중 나선형 내부 유동 기하구조는 가열 구역 내 LNG 체류 시간을 증가시키면서 균일한 상변화에 필수적인 제어된 난류를 유도합니다. 유동 조절 및 혼합 기능은 엔지니어의 수동적 도입이 아닌 물리 기반 최적화 과정에서 직접 도출되었습니다. 이 접근법은 정체 영역과 비정상 유동 현상을 최소화하여 전체 작동 범위에서 안정적인 증기 품질을 보장합니다.
통합 단열 및 AM-퍼스트 설계
새로운 설계의 핵심 특징은 증발기의 하중 지지 구조에 진공 단열 공간을 직접 통합한 점입니다. 이는 열 손실을 현저히 줄여 가혹한 환경 조건에서도 안정적인 LNG 샘플링을 가능하게 하며, 이는 적층 제조를 통해서만 실현 가능합니다.
해당 구성 요소는 엄격한 기준에 따라 개발되었습니다. 적층 제조를 위한 설계 (DfAM) 가이드라인. EOS Additive Minds는 금속 적층 제조 과정에서 내부 지지 구조물이 필요 없는 완전한 자체 지지 내부 구조 설계 개발을 지원했습니다. 이는 안정적인 분말 제거를 보장하고, 재료 사용량을 줄이며, 장기적인 운영 안정성을 향상시킵니다.
토폴로지 최적화된 형상은 Rhino/Grasshopper를 사용하여 재구성되었으며, 내부 격자 영역은 nTop에서 암시적 모델링을 통해 생성된 후 EOS 빌드 워크플로 내에서 원본 형식으로 처리되었습니다.
EOS 시스템에서의 제조
이 증발기는 생산되었습니다. 알루미늄-실리콘-마그네슘 합금 EOS 금속 레이저 파우더 베드 융합 기술을 사용하여. 초기 개발 빌드는 EOS M 290최종 부품들은 EOS M 400-440µm 두께의 레이어 매개변수 세트와 스킵 레이어 전략을 결합함으로써, 핵심 영역을 효과적인 80µm 레이어 높이에서 인쇄하여 제작 시간을 단축하면서도 높은 표면 품질을 달성할 수 있었다.
부품의 높이 279mm와 복잡한 내부 기하학적 구조에도 불구하고, 최적화된 공정 파라미터를 통해 우수한 치수 정확도, 안정적인 인쇄 품질 및 신뢰할 수 있는 열 성능을 확보했습니다. 분말 배출 포트가 설계에 직접 통합되어 나선형 유로와 절연 캐비티에서 잔류 분말을 완전히 제거할 수 있게 되었습니다.
최종 증발기는 용접부, 이음매, 내부 지지대가 없는 단일 일체형 알루미늄 부품으로, 엄격한 ATEX 분류 요건을 충족하기 위해 150bar(g)의 압력 테스트를 통과했으며 까다로운 산업 현장 운영에 즉시 투입 가능합니다.

적층 제조 방식 LNG 기화기

AlSi10Mg의 단면도를 보여줌으로써, 생성적으로 설계된 이중 나선형 유동 채널과 통합된 진공 단열 캐비티를 확인할 수 있다.

결과

액화천연가스(LNG) 측정 변동성의 측정 가능한 감소

2025년 3월 에퀴노르(Equinor)의 함메르페스트(Hammerfest) LNG 터미널에서 실시된 현장 시험에서, 적층 제조 방식으로 제작된 증발기는 동일한 운전 조건 하에서 기존 장치와 비교 평가되었습니다.

최대 1400 SL/hr의 유량에서 총 발열량(GHV) 측정값의 표준 편차가 50% 이상 감소하여 증발 안정성과 시료 채취 재현성이 크게 개선되었음을 나타냅니다. 통합된 500W 세라믹 히터는 LNG 온도를 -160°C에서 약 +60°C로 안정적으로 상승시켰으며, 최적화된 나선형 구조는 조기 및 완전한 기화를 보장했습니다. 운영자들은 측정 드리프트가 거의 사라졌으며, 연장된 샘플링 주기 전반에 걸쳐 웩비 지수(Wobbe Index)의 예측 가능성이 현저히 향상되었다고 보고했습니다. 증발기는 기존 측정 인프라에 완벽하게 통합되어, 교체형 개조 솔루션으로서의 적합성을 입증했습니다.

이러한 결과는 금속 적층 제조 및 물리학 기반 생성적 설계가 기존 증발기 기술로는 달성할 수 없었던 성능 향상을 제공할 수 있음을 입증합니다.

성과 및 산업 영향

차세대 증발기는 LNG 소유권 이전 계량 분야에서 정확성과 신뢰성의 새로운 기준을 제시합니다. 컴팩트한 모듈식 설계로 프로브 장착형 및 독립형 유동식 구성이 모두 가능하여 신규 설치는 물론 기존 시스템의 개조 설치에도 대응합니다.

열 관리, 구조적 거동, 혼합 성능 및 단열을 단일 디지털 설계 기하학에 통합함으로써, 본 솔루션은 다음과 같은 이점을 제공합니다:

LNG 소유권 이전에 대한 측정 정확도 향상
강화된 규제 준수
에너지 함량 결정에 대한 신뢰도 향상
운영 변동성 감소
일체형 적층 제조 설계를 통한 장기적 신뢰성

성공적인 현장 적용을 통해 금속 적층 제조 기술이 규제 대상인 안전이 중요한 LNG 및 에너지 분야 응용에 적합함을 입증하였으며, 차세대 열 및 유동 제어 부품에 대한 새로운 설계 자유도와 측정 가능한 성능 향상을 가능케 합니다. 본 프로젝트는 EOS가 글로벌 에너지 분야에서 시뮬레이션 기반 엔지니어링에서 완전 인증 산업용 하드웨어로의 전환을 어떻게 실현하는지 보여줍니다.