대한조선학회

	December, 2020
[알기 쉬운 전공에세이] 사례로 본 FPSO 이야기 - 지구 반대편에서 희망을 끌어올리다-

글 : 現 목포해양대학교 조선해양공학과 초빙교원 前 현대삼호중공업 FPSO Project Manager 황존규 imjkhwang@mmu.ac.kr I. 서 언 II. AKPO FPSO 개발 및 건조 사례 III. AKPO FPSO 어떠한 배인가? 1. 아프리카 지역의 해양플랜트 2. 해양 산업의 과제와 대응 전략 IV. 맺음말 I. 서 언 지구가 ‘네모’ 였을 때… 그들은 바다로 나아갔다! 현대인에게 바다는 동경, 낭만, 자유의 이미지를 선사하지만 몇 세기 전만 해도 바다는 극복의 대상이었다. 15세기 유럽에서는 헤라클레스의 기둥(지브롤터 해협)을 넘어 대서양으로 나가는 순간 세상 밖으로 나가게 된다고 믿었다. 17세기까지 아시아에서 남중국해 밖의 세상은 야만과 무법이 날뛰는 세계였다. 그러나 어느 시대이든 바다를 정복하고 세상의 끝으로 나가려 한 용감한 사람들이 있었다. 기원전 1483년 하트셉투스 여왕의 명으로 푼트로 떠난 이집트 원정대, 기원전 600년 아프리카 대륙을 항해한 페니키아인, 6세기에 아메리카를 돌고 온 아일랜드 수도사, 1519년 최초로 세계 일주에 성공한 마젤란 원정대가 그들이다. 이처럼 탐험가들은 검증되지 않은 새 이론을 체험한 최초의 사람들이기도 했다. 용기만으로는 세상의 끝까지 갈 수 없었기 때문이다. 원거리 항해는 학문의 새로운 인식들, 특히 수학 물리학 천문학의 발전을 요구했으며 바스코 다 가마, 콜럼버스, 쿡 같은 탐험가들은 당시의 최신 이론인 지구 구형설, 경도 위도법, 해로 측량법 등을 누구보다 빠르게 실천에 옮김으로써 다른 세상을 볼 수 있게 하였다. 위험한 모험을 했던 떠돌이 콜럼버스는 신대륙의 총독이 되었고, 출신이 불분명한 바스코 다 가마는 백작이 되었으며, 빈농의 아들 쿡은 영국 해군의 장성이 되었다. 그러나 마젤란이나 베링처럼 다시는 돌아올 수 없는 길로 떠나기도 했다. 그럼에도 불구하고 성공이 가져오는 달콤함과 모험에 매료된 많은 젊은이가 바다로 나섰으며 그들이 품었던 꿈과 모험은 헛되지 않았다. 아니, 젊은이들이 바다로 나아간 충분한 이유가 되었다. 앞으로도, 바다가 있는 한 배를 짓고, 배가 있는 한 바다를 개척하길 바라는 마음으로 필자는 그동안 마음 속에 묻어두었던 이야기 하나를 꺼내고자 한다. II. AKPO FPSO 개발 및 건조 사례 본 사례는 필자가 현대삼호중공업 재직시, 프랑스 토탈(TOTAL)사로부터 수주하여 선체(Hull)와 거주구(Living Quarter)를 건조하고 현대중공업에서 상부구조(Topsides)를 탑재 후 아프리카 나이지리아에 설치했던 최대 200만 배럴을 저장할 수 있는 FPSO이다. 이의 실제 모습과 유전까지의 토윙(Towing) 루트는 아래의 그림 1과 그림 2에서 보이는 바와 같다. <그림 1 Towing Route: 울산 현대중공업 출발 - 나이지리아 유전 도착> <그림 2 AKPO FPSO 실제 완성된 모습> AKPO FPSO 주요 제원(Principal particulars) ▶ Dimensions: 310m (L) x 61m (B) x 31m (D) ▶ Storage capacity: 2,000,000 BBLS (abt. 318K) ▶ 3 rows of tanks (13 oil tanks) ▶ Hydraulic driven cargo pumps (2 per tank) ▶ 4 X 3 anchor lines ▶ LQ (normal bedding capacity): 140 (maxi. POB 240) ▶ 4 X 60 seat free-fall lifeboats at the stern ▶ 3 + 1 EDGs (3 essential + 1 emergency) of 1.4 MW III. AKPO FPSO 어떠한 배인가? AKPO는 영어로 월드(world), 나이지리아어로는 ‘신세계’라는 의미의 유전지역 이름이다. 나이지리아 사람들은 AKPO FPSO를 광활한 바다 위 신세계라고 믿고 있다. 수심 1,300m 해상위에 설치하여, 해저에서 뽑아 올린 원유와 가스를 1차 분리하고, 거대한 Hull Tank에 원유를 저장한 뒤, 유조선에 선적해주고, 생산된 가스는 해저 송유관을 통하여 육상으로 직접 송출하는 시스템으로 되어 있다. 길이 310m , 폭 61m , 깊이 31m인 이 FPSO는 13개의 Cargo tank를 가지고 있으며, 나이지리아 연안해역에서 최대 240명(POB; Person on Board)의 작업자가 하루 18만 5천 배럴의 오일을 생산, 저장하고 있다. FPSO의 각부명칭 <그림 3 FPSO의 부가물과 각부 명칭> FPSO(Floating, Production, Storage and Offloading Unit)는 부유식 원유 생산, 저장, 하역 설비로써 이미 시추선에 의해 개발 완료된 유정과 연결(Hook-up)하여 원유를 뽑아 올리는 해양구조물이다. 그 구성은 크게 선체부분(Hull)과 상부설비(Topsides)로 나눌 수 있으며, FPSO의 위치 유지를 위한 계류 방법으로 터렛식(Turret Type)과 스프레드식(Spread Mooring Type) 계류시스템이 있다. 또한, 탈황설비(Flare Tower)가 선수에 위치하고 있으며, 선미에 거주구(Living Quarter)가 있으며, 헬리데크(Heli deck; Nigerian Contents)와 Laydown Area가 위치하고, Side Shell에는 각종 부가물(Appurtenance)이 부착되어 있다. FPSO의 구성 요소 ▶ Hull: 크기에 따라 다양하지만 VLCC 규모의 선체 Size가 최근 추세이며 Topsides에서 분리된 원유를 저장하는 Cargo tank이다. ▶ Topsides: Hull의 Upper Deck 상부에 설치되어 원유를 분리, 생산, 저장하는 장비 모듈이다. 유정에서 뽑아 올린 원유를 Oil, Gas 및 Water로 분리하여 Oil은 저장 Tank로 보내고, Gas는 연료로 사용한다. 또한, Gas는 유정의 압력을 유지하기 위하여, 유정으로 다시 보내(Gas Injection)거나 파이프라인을 이용하여 육상으로 보내는 역할을 하는 해상 정유공장이다. ▶ Turret 및 Spread Mooring System: 해상상태나 빙산 등의 영향을 받을 수 있는 North Sea에서는 안전한 작업을 유지하기 위하여 바람, 조류, 파도 등의 영향이 가장 적은 방향으로 자동적으로 위치를 변경시켜주는 Turret System을 적용하며, 서부 아프리카와 같이 기후의 변화가 적은 해역에는 여러 가닥의 Mooring line을 이용하여 위치를 고정시키는 Spread Mooring System을 적용한다. FPSO 등장 배경 세계 1, 2차 유류 파동을 거치면서 각국의 석유 생산 업체들은 원유 가격의 추가 상승을 전제로 석유탐사 개발 프로젝트에 상당한 투자를 하게 되며 경제성을 확인하게 되었다. 업계 전문가들은 배럴(1 bbl=159ltr) 당 15달러 이상이면 FPSO의 수익성이 확보된다는 의견도 있으며 기존 고정식 시추선의 경우, 대륙붕의 원유 매장량이 고갈되면 그 생명을 다하게 되지만 FPSO의 경우 한 장소의 원유가 고갈되더라도 다른 장소로 이동하여 계속해서 원유를 생산할 수 있으므로 경쟁력이 있고, 유리한 사업으로 각광을 받고 있다. 또한 산유국의 국내외 정세에 따라 요동치는 생산과 유가 변동의 영향을 받지 않고 안정적으로 생산이 가능하게 되었으며 기술적으로도 지질학, 지구물리학, 석유공학, 기계공학 및 조선해양공학 등의 기술력 향상으로 심해 유전 개발에 필요한 FPSO가 등장하게 되었다. 1. 아프리카 지역의 해양플랜트 많은 양의 석유를 생산하는 서아프리카의 OPEC 회원국가들은 OPEC의 쿼터에 맞게 생산을 해야 한다. 따라서 Offshore 지역에서의 원유 생산 또한 이를 따라야 한다. 최근 들어 원유 생산을 감산하여 가격을 올리려는 OPEC의 정책과 일부 산유국들 사이의 마찰이 빈번하게 일어나고 있다. 부유식 생산 구조물의 분야에서 OPEC의 관여가 가장 큰 지역은 생산량이 점점 많아지는 서아프리카의 나이지리아이다. OPEC은 이 지역의 하루 생산량에 대해서 매우 민감한 반응을 보이고 있다. 하루 220만 배럴의 원유를 생산하는 것이 현재의 쿼터이다. 나이지리아 정부는 하루 400만 배럴의 원유를 생산할 것을 목표하고 있지만, 이러한 계획은 현재의 쿼터를 유지하길 원하는 OPEC와의 갈등을 야기할 것으로 예상된다. 이렇듯 생산량이 많은 데 비해 그 생산물을 수용하는 기반 시설이 거의 없다 보니 부유식 생산설비에 정제된 원유를 저장할 공간은 필수적이다. 그러므로 이 서아프리카 지역에는 충분한 저장공간을 가진 FPSO가 주종을 이루고 있다. 셔틀탱크를 포함한 TLP(Tension Leg Platform)도 일부 투입되고 있으나, FPSO의 점유는 계속될 것으로 보인다. 아프리카 지역에서 오일메이저의 투자 비율을 보면 프랑스 Total사가 21%로 가장 많고 그 뒤를 ExxonMobil이 16%를 차지하고 있으며 Chevron이 13%, BP가 8%, Shell이 7%를 보이고 있다. (표-1 참조) 국가별로 분석을 해 보면 서아프리카 지역에서 앙골라(40%)와 나이지리아(34%)의 생산량 비율이 약74%에 달하는 것을 알 수 있다. 또한 튜니지아 5%, 콩고와 카메룬이 각각 4%를 보이고 있으며 가봉이 2% 순이다. (표-2 참조) <표 1 아프리카 지역 오일메이저의 투자 비율> <표 2 아프리카 지역 국가별 석유 생산량 비율> FPSO 수요 추세 역사적으로, 석유수요는 인구증가와 비례하여 증가해왔다. 2010년에 이미 세계인구가 70억 명을 넘었고, 2020년 말에는 80억명을 넘어설 것으로 예상되는 가운데 석유수요는 하루 1억 2천만 배럴에 이를 것으로 보고되고 있다. 장기적인 관점에서 이러한 증가 수요에 대해 현재 석유생산 체계는 그 일부밖에 충당하지 못할 것이 자명하다. 게다가 FPSO에서 오일과 함께 생산되는 가스의 수요가 중국을 비롯한 신 경제 성장국가인 BRICs 국가를 중심으로 많은 양의 가스 수요가 함께 증가하고 있다. 이를 계기로 새로운 가격형성에 이를 것으로 평가받고 있어 FPSO의 수요는 계속 증가 추세에 이를 것으로 전망된다. 또한, 최근의 카타르 프로젝트 LNG선 100척 수주 소식과 모잠비크 프로젝트 LNG선 12척수주 소식은 이를 뒷받침하는 기사임이 틀림없다. 인류의 에너지원은 석유, 천연가스, 석탄, 핵, 그리고 기타 자원으로 구성되며, 전체 에너지 소비의 2/3를 차지하는 석유 및 가스는 육상과 천해 지역이 주 생산지였으나, 이 지역의 유전 개발이 성숙기에 도달함에 따라 안정적인 자원 확보를 위해 이제까지 경제적 및 기술적 이유로 개발되지 않았던 심해의 대형 유전 개발이 주목받게 되었다. 심해 유전 개발은 대형 유전이면서 높은 생산성을 발휘할 수 있어 매력적이며 채굴(Drilling), 원유 회수(Oil Recovery) 및 계류 시스템(Mooring System) 등의 심해 기술의 발달과 함께 활발히 진행되고 있다. 기존의 고정식 구조물(Fixed Platform)은 심해에는 부적합하게 되었고, FPSO, Semi-submersible Rig, TLP, Spar 등의 부유식 해양 구조물이 주종을 이루고 있다. 또한, 성능이 훨씬 개선되거나 혁신적인 대형 복합 설비가 계속 개발되는 추세이다. 심해 유전 개발에서 부유식 구조물의 수요 증대와 대형화의 필요성은 Hull & Topsides를 동시에 건조할 수 있는 대규모 건조 설비를 갖춘 한국의 조선3사가 제조 전문 업체로서 중요한 역할을 하고 있다. 아직은 제작 위주로 명성을 얻고 있지만 그 동안의 공사 경험을 토대로 설계, 구매, 제작, 운송, 설치, 공사관리 전체를 책임지는 일괄 계약자 (EPCI Contractor)로 전환하고 있다. 그러나, 해양 공사는 부가 가치가 큰 사업이면서도 국제 경쟁이 심하고, 계약 형태에 따라 많은 이익을 가져올 수 있으나, 그 반대의 경우가 될 위험성도 있다. 유럽과 미주지역의 엔지니어링 능력(특히 FEED기술)과 값싼 노동력을 바탕으로 하는 중국의 생산 기지는 한국 기업의 국제 경쟁력에 큰 도전이 되고 있으며, 설비 투자와 기술 개발, 생산성 향상 등 시장의 다변화에 따른 국제적 경쟁력을 키우기 위한 노력이 한층 더 요구된다. 2. 해양 산업의 과제와 대응 전략 설계기술과 공사관리 해양 공사는 부가 가치가 큰 사업으로 계약 형식, 공사 수행 능력 및 공사 특성에 따라 많은 이익을 가져올 수 있으나 그 반대의 경우가 될 위험도 크므로, 해양 공사의 계약 형태와 공사 특성을 이해하는 것이 중요하다. 이에 해양 공사의 특성을 간단히 정리해 본다. 첫째, 투자 자본의 규모가 매우 크고 위험도가 높은 시장이며, 시장이 유가에 따라 변동이 심하고 불안정하다. 유전의 종류나 크기 및 위치에 따라 차이가 있으나 심해 대형 유전의 경우 대략 20~30억불 정도의 예산이 소요되는데, 크게 유전탐사(Exploration)에 15%, 개발(Development)에 50% 그리고 가동(Operation) 및 기타가 35% 정도를 차지한다. 둘째, 해양 구조물은 선박과 달리 설치 해역에서 20~25년 동안 중단 없이 계속 가동해야 하므로 고도의 품질과 안전성이 요구된다. 셋째, 조선사업은 Yard가 주도하지만 해양사업은 선주가 주도하여 고객 영향력(Client Leverage)이 크고 국제 경쟁이 매우 심하다. 넷째, 해양공사는 기술 집약적이면서 노동 집약적으로 대형 건조 설비를 필요로 한다. 해양 공사의 계약 형태는 계약자가 전적으로 책임을 지는 Turn-key방식의 EPCI 일괄계약과 설계 구매(E&P), 제작 건조(F&C), 운송 설치(T&I)의 각 단계별 분리계약으로 양분된다. EPCI 계약은 발주처의 입장에서는 예산 초과, 공기 지연, 계약자 위험관리(Contractor Management Risk) 등 관리에 부담이 적어 선호되나, 발주처의 설계 및 공사관리 수행능력과 공사 규모와 비용에 따라 발주처마다 입장이 조금씩 다르다. 해양공사(EPC)의 Value Chain <그림 4 해양공사의 가치사슬과 EPCIC계약 형태> 최근 McDermott, KBR, ABBLG, Stolt Offshore, Aker Kvaerner 등은 EPCI 공사 실패로 EPCI에서 철수한 반면 Technip, Saipem은 EPCI 계약을 강화하고 있으며, 국내 Yard도 제작 위주의 공사에서 EPCI 공사에 신규 참여를 하고 있다. EPCI로의 진출은 아직 까지는 선진국의 설계 기술 보호 정책과 국내 Yard의 설계 능력 미약으로 생산설계만 자체 수행하고 있다. 기본설계, FEED(Front End Engineering Design)와 상세설계 일부인 Front Detail Engineering을 외국 설계사가 수행하고 국내 Yard는 상세설계 후속 업무와 생산설계를 수행하는 단계에 있으므로, 가까운 장래에 상세설계를 자체 수행하고 나아가서는 FEED와 기본설계도 수행할 수 있는 기술력과 외국 설계사를 관리하는 기술관리능력 그리고 프로젝트 관리능력(Project Management)과 기술역량(Engineering Capability)을 키우는 것이 매우 중요하다. 사례의 FPSO 수행시에도 토윙(Towing)중 태풍과 장마를 만나 계획된 일정이 지연(Towing Speed 9 Knot로 3개월 예상했으나 3주 더 지연 도착)된 사례와 소말리아 지역의 해적으로 인한 작업 중단사태 그리고 250명의 부식을 25명의 부식으로 잘못 선적한 소통 부재의 사건 등 어려움을 경험한 적이 있었다. 신 건조 공법의 개발과 생산성 향상 심해로 갈수록 해양 설비는 규모 면에서 대형화되고, 이에 따른 부유식 구조물도 대형화되고 있으므로, 발주처의 입장에서는 국내 3사처럼 조선 업체를 기반으로 전문 대형설비를 이미 갖추고 있고, Hull & Topsides Structure의 동시 건조 설비와 인력을 가진 국내 Yard에 대한 의존도가 커지고 있다. 그러나, 해양 공사는 국제 경쟁이 매우 치열하여, 개발 유전의 위치에 따라 운송 기간이 큰 변수가 되므로 국내 Yard는 유전에 근접한 Yard에 비해 공기 및 비용 면에서 다소 불리하다. 특히 GOM(Gulf of Mexico), 중남미, 서아프리카나 북유럽 시장의 경우 운송 기간이 2-3개월 소요되고, 납기가 긴 대형 장비는 외국 Vendor의 납기 시점이 늦은 관계로 탑재 및 시운전에 필요한 절대 공기가 부족할 수 있으므로 이를 극복할 수 있는 생산·건조 공법 및 제작 시점과 생산 공기를 조율할 수 있는 생산설계와 상세설계 능력이 절대적으로 요구된다. 이러한 관점에서 현대중공업에서 수행한 초대형 부유식 설비의 건조에 활용된 공법을 일부 소개하고자 한다. Super-Lifting 공법 Crane 대신에 Strand Jack & Pulling System을 이용하여 상부 구조물(Topsides Module or Deck)을 선체(Lower Hull) 상단에 들어올려 탑재하는 공법으로 Strand Jack& Pulling System과 이를 지지하는 임시 구조물(Jacking Leg또는 Platform)로 구성되어 있다. 상부 구조물의 강성에 따라 상부 구조물을 직접 끌어올리거나 탑재용 보를 이용하며, 구조물의 하부와 상부를 동시에 육상에서 건조하여 상부 구조물을 먼저 들어올린 후 하부 구조물을 Skidding System을 이용 올려진 상부 구조물 밑으로 이동시킨 후 상부 구조물을 다시 내려서 상하부를 연결하는 공법을 말한다. 이 공법은 고소 작업을 지상 작업으로, 순차 작업을 동시 작업으로 전환시키는 획기적인 방법으로 공기, 비용, 품질 그리고 안전 등 상충되는 목표를 모두 개선시킬 수 있다는 점이 특징이다. 육상 건조 공법(Ground-Building Method) 육상 건조 공법은 생산 품질과 안전도를 높이고 선주 요구에 대한 유연성과 Fast Track Mode의 공사를 수행하기 위해 Super-Lifting공법과 함께 제작 Yard의 강점을 강화하는 차원에서 개발된 것으로 FPSO, Semi-submersible Rig, TLP, Spar 등 대형구조물의 일부 또는 전부를 육상에서 건조 완료하여 Skidding & Pulling System을 이용 반 잠수식 Barge에 선적·진수하는 공법이다. Dry Dock건조는 탑재 후 갑문(Dock Gate)을 열고 바로 진수하므로 Dock의 크기와 장비 및 Dock 회전율에 따라 건조 능력이 결정되는 반면에, 육상 건조 공법은 탑재 후 선적 공정(Load Out)이 추가되나 선적 설비와 안벽 및 PE장의 허용 능력 그리고 선적Barge에 따라 육상 건조 능력이 좌우되며, 일반적으로 Dock 건조에 비하여 육상건조 비용이 적게 소요됨은 큰 장점이다. IV. 맺음말 지금까지 FPSO개발과 건조 사례를 통하여 해양산업의 과제와 대응전략을 살펴보았다. 최근 들어, 유가하락으로 조선경기가 큰 어려움을 겪고 있으나 LNG선의 수급 상황을 통해 살펴볼 때 해양 시장의 전망은 FPSO, FLNG, FSRU쪽은 여전히 나쁘지 않다고 볼 수 있으며, 대형 유전 개발 공사의 포트폴리오(Portfolio) 역시 심해지역으로 내다보고 있다. 앞으로 심해 유전 개발은 대형 유전이라서 높은 생산성을 발휘할 수 있어 매력적이며 채굴(Drilling), 원유 회수(Oil Recovery) 및 계류 시스템(Mooring System) 등의 기술 발전은 활발히 진행될 것으로 생각한다. 기존의 고정식 구조물(Fixed Platform)은 심해에는 부적합하게 되었고, FPSO, Semi-submersible Rig, FSRU, FLNG 등의 부유식 해양 구조물이 주종을 이루고 있다. 또한, 성능이 훨씬 개선되거나 혁신적인 LNG대체연료 추진선박이 개발되는 추세이다. 이를 위해서는 현재의 미흡한 엔지니어링 능력을 시급히 향상시키고 특히 개념설계와 FEED능력 향상을 도모해야 한다. 조선해양공학 교육관점에서는 기술인력을 육성할 때 선체와 구조 그리고 유체분야에 치중해 왔던 교육시스템을 의장분야와 탑사이드 시스템분야 그리고 친환경 스마트쉽 분야도 폭넓게 교육해서 전체적인 엔지니어링과 공사관리를 수행할 수 있는 기술인력을 배출해야 한다고 생각한다. 더불어 경쟁력 제고를 위해서 혁신적인 건조 기술 및 공법의 개발과 생산성 향상, 시설 투자도 아울러 요구된다. 끝으로, 가스 수요증가에 따른 가스전(Gas Well) 개발도 점점 확대될 전망이므로 신개념의 천연가스 전환기술(GTL, GTW, Hydrate), 천연가스 생산설비(LNG-FPSO, FSRU) 그리고 가스 수송선(CNGC, PNGC) 건조기술을 축적하여 대체연료 선박의 개발 및 보급을 통해 침체된 우리나라 조선해양업계가 신성장동력을 얻을 수 있기를 기대해 본다.

글 :  現 목포해양대학교 조선해양공학과 초빙교원
        前 현대삼호중공업 FPSO Project Manager
        황존규 imjkhwang@mmu.ac.kr

I. 서 언
II. AKPO FPSO 개발 및 건조 사례
III. AKPO FPSO 어떠한 배인가?
    1. 아프리카 지역의 해양플랜트
    2. 해양 산업의 과제와 대응 전략
IV. 맺음말

I. 서 언

지구가 ‘네모’ 였을 때… 그들은 바다로 나아갔다!

현대인에게 바다는 동경, 낭만, 자유의 이미지를 선사하지만 몇 세기 전만 해도 바다는 극복의 대상이었다. 15세기 유럽에서는 헤라클레스의 기둥(지브롤터 해협)을 넘어 대서양으로 나가는 순간 세상 밖으로 나가게 된다고 믿었다. 17세기까지 아시아에서 남중국해 밖의 세상은 야만과 무법이 날뛰는 세계였다. 그러나 어느 시대이든 바다를 정복하고 세상의 끝으로 나가려 한 용감한 사람들이 있었다. 기원전 1483년 하트셉투스 여왕의 명으로 푼트로 떠난 이집트 원정대, 기원전 600년 아프리카 대륙을 항해한 페니키아인, 6세기에 아메리카를 돌고 온 아일랜드 수도사, 1519년 최초로 세계 일주에 성공한 마젤란 원정대가 그들이다.
이처럼 탐험가들은 검증되지 않은 새 이론을 체험한 최초의 사람들이기도 했다. 용기만으로는 세상의 끝까지 갈 수 없었기 때문이다. 원거리 항해는 학문의 새로운 인식들, 특히 수학 물리학 천문학의 발전을 요구했으며 바스코 다 가마, 콜럼버스, 쿡 같은 탐험가들은 당시의 최신 이론인 지구 구형설, 경도 위도법, 해로 측량법 등을 누구보다 빠르게 실천에 옮김으로써 다른 세상을 볼 수 있게 하였다. 위험한 모험을 했던 떠돌이 콜럼버스는 신대륙의 총독이 되었고, 출신이 불분명한 바스코 다 가마는 백작이 되었으며, 빈농의 아들 쿡은 영국 해군의 장성이 되었다. 그러나 마젤란이나 베링처럼 다시는 돌아올 수 없는 길로 떠나기도 했다. 그럼에도 불구하고 성공이 가져오는 달콤함과 모험에 매료된 많은 젊은이가 바다로 나섰으며 그들이 품었던 꿈과 모험은 헛되지 않았다. 아니, 젊은이들이 바다로 나아간 충분한 이유가 되었다. 앞으로도, 바다가 있는 한 배를 짓고, 배가 있는 한 바다를 개척하길 바라는 마음으로 필자는 그동안 마음 속에 묻어두었던 이야기 하나를 꺼내고자 한다.

II. AKPO FPSO 개발 및 건조 사례

본 사례는 필자가 현대삼호중공업 재직시, 프랑스 토탈(TOTAL)사로부터 수주하여 선체(Hull)와 거주구(Living Quarter)를 건조하고 현대중공업에서 상부구조(Topsides)를 탑재 후 아프리카 나이지리아에 설치했던 최대 200만 배럴을 저장할 수 있는 FPSO이다. 이의 실제 모습과 유전까지의 토윙(Towing) 루트는 아래의 그림 1과 그림 2에서 보이는 바와 같다.

<그림 1 Towing Route: 울산 현대중공업 출발 - 나이지리아 유전 도착>

<그림 2 AKPO FPSO 실제 완성된 모습>

AKPO FPSO 주요 제원(Principal particulars)

▶ Dimensions: 310m (L) x 61m (B) x 31m (D)
▶ Storage capacity: 2,000,000 BBLS (abt. 318K)
▶ 3 rows of tanks (13 oil tanks)
▶ Hydraulic driven cargo pumps (2 per tank)
▶ 4 X 3 anchor lines
▶ LQ (normal bedding capacity): 140 (maxi. POB 240)
▶ 4 X 60 seat free-fall lifeboats at the stern
▶ 3 + 1 EDGs (3 essential + 1 emergency) of 1.4 MW

III. AKPO FPSO 어떠한 배인가?

AKPO는 영어로 월드(world), 나이지리아어로는 ‘신세계’라는 의미의 유전지역 이름이다. 나이지리아 사람들은 AKPO FPSO를 광활한 바다 위 신세계라고 믿고 있다.
수심 1,300m 해상위에 설치하여, 해저에서 뽑아 올린 원유와 가스를 1차 분리하고, 거대한 Hull Tank에 원유를 저장한 뒤, 유조선에 선적해주고, 생산된 가스는 해저 송유관을 통하여 육상으로 직접 송출하는 시스템으로 되어 있다.
길이 310m , 폭 61m , 깊이 31m인 이 FPSO는 13개의 Cargo tank를 가지고 있으며, 나이지리아 연안해역에서 최대 240명(POB; Person on Board)의 작업자가 하루 18만 5천 배럴의 오일을 생산, 저장하고 있다.

FPSO의 각부명칭

<그림 3 FPSO의 부가물과 각부 명칭>

FPSO(Floating, Production, Storage and Offloading Unit)는 부유식 원유 생산, 저장, 하역 설비로써 이미 시추선에 의해 개발 완료된 유정과 연결(Hook-up)하여 원유를 뽑아 올리는 해양구조물이다.
그 구성은 크게 선체부분(Hull)과 상부설비(Topsides)로 나눌 수 있으며, FPSO의 위치 유지를 위한 계류 방법으로 터렛식(Turret Type)과 스프레드식(Spread Mooring Type) 계류시스템이 있다. 또한, 탈황설비(Flare Tower)가 선수에 위치하고 있으며, 선미에 거주구(Living Quarter)가 있으며, 헬리데크(Heli deck; Nigerian Contents)와 Laydown Area가 위치하고, Side Shell에는 각종 부가물(Appurtenance)이 부착되어 있다.

FPSO의 구성 요소

▶ Hull: 크기에 따라 다양하지만 VLCC 규모의 선체 Size가 최근 추세이며 Topsides에서 분리된 원유를 저장하는 Cargo tank이다.
▶ Topsides: Hull의 Upper Deck 상부에 설치되어 원유를 분리, 생산, 저장하는 장비 모듈이다. 유정에서 뽑아 올린 원유를 Oil, Gas 및 Water로 분리하여 Oil은 저장 Tank로 보내고, Gas는 연료로 사용한다. 또한, Gas는 유정의 압력을 유지하기 위하여, 유정으로 다시 보내(Gas Injection)거나 파이프라인을 이용하여 육상으로 보내는 역할을 하는 해상 정유공장이다.
▶ Turret 및 Spread Mooring System: 해상상태나 빙산 등의 영향을 받을 수 있는 North Sea에서는 안전한 작업을 유지하기 위하여 바람, 조류, 파도 등의 영향이 가장 적은 방향으로 자동적으로 위치를 변경시켜주는 Turret System을 적용하며, 서부 아프리카와 같이 기후의 변화가 적은 해역에는 여러 가닥의 Mooring line을 이용하여 위치를 고정시키는 Spread Mooring System을 적용한다.

FPSO 등장 배경

세계 1, 2차 유류 파동을 거치면서 각국의 석유 생산 업체들은 원유 가격의 추가 상승을 전제로 석유탐사 개발 프로젝트에 상당한 투자를 하게 되며 경제성을 확인하게 되었다. 업계 전문가들은 배럴(1 bbl=159ltr) 당 15달러 이상이면 FPSO의 수익성이 확보된다는 의견도 있으며 기존 고정식 시추선의 경우, 대륙붕의 원유 매장량이 고갈되면 그 생명을 다하게 되지만 FPSO의 경우 한 장소의 원유가 고갈되더라도 다른 장소로 이동하여 계속해서 원유를 생산할 수 있으므로 경쟁력이 있고, 유리한 사업으로 각광을 받고 있다. 또한 산유국의 국내외 정세에 따라 요동치는 생산과 유가 변동의 영향을 받지 않고 안정적으로 생산이 가능하게 되었으며 기술적으로도 지질학, 지구물리학, 석유공학, 기계공학 및 조선해양공학 등의 기술력 향상으로 심해 유전 개발에 필요한 FPSO가 등장하게 되었다.

1. 아프리카 지역의 해양플랜트

많은 양의 석유를 생산하는 서아프리카의 OPEC 회원국가들은 OPEC의 쿼터에 맞게 생산을 해야 한다. 따라서 Offshore 지역에서의 원유 생산 또한 이를 따라야 한다. 최근 들어 원유 생산을 감산하여 가격을 올리려는 OPEC의 정책과 일부 산유국들 사이의 마찰이 빈번하게 일어나고 있다. 부유식 생산 구조물의 분야에서 OPEC의 관여가 가장 큰 지역은 생산량이 점점 많아지는 서아프리카의 나이지리아이다. OPEC은 이 지역의 하루 생산량에 대해서 매우 민감한 반응을 보이고 있다. 하루 220만 배럴의 원유를 생산하는 것이 현재의 쿼터이다. 나이지리아 정부는 하루 400만 배럴의 원유를 생산할 것을 목표하고 있지만, 이러한 계획은 현재의 쿼터를 유지하길 원하는 OPEC와의 갈등을 야기할 것으로 예상된다.

이렇듯 생산량이 많은 데 비해 그 생산물을 수용하는 기반 시설이 거의 없다 보니 부유식 생산설비에 정제된 원유를 저장할 공간은 필수적이다. 그러므로 이 서아프리카 지역에는 충분한 저장공간을 가진 FPSO가 주종을 이루고 있다. 셔틀탱크를 포함한 TLP(Tension Leg Platform)도 일부 투입되고 있으나, FPSO의 점유는 계속될 것으로 보인다. 아프리카 지역에서 오일메이저의 투자 비율을 보면 프랑스 Total사가 21%로 가장 많고 그 뒤를 ExxonMobil이 16%를 차지하고 있으며 Chevron이 13%, BP가 8%, Shell이 7%를 보이고 있다. (표-1 참조)

국가별로 분석을 해 보면 서아프리카 지역에서 앙골라(40%)와 나이지리아(34%)의 생산량 비율이 약74%에 달하는 것을 알 수 있다. 또한 튜니지아 5%, 콩고와 카메룬이 각각 4%를 보이고 있으며 가봉이 2% 순이다. (표-2 참조)

<표 1 아프리카 지역 오일메이저의 투자 비율>

<표 2 아프리카 지역 국가별 석유 생산량 비율>

FPSO 수요 추세

역사적으로, 석유수요는 인구증가와 비례하여 증가해왔다.

2010년에 이미 세계인구가 70억 명을 넘었고, 2020년 말에는 80억명을 넘어설 것으로 예상되는 가운데 석유수요는 하루 1억 2천만 배럴에 이를 것으로 보고되고 있다.
장기적인 관점에서 이러한 증가 수요에 대해 현재 석유생산 체계는 그 일부밖에 충당하지 못할 것이 자명하다. 게다가 FPSO에서 오일과 함께 생산되는 가스의 수요가 중국을 비롯한 신 경제 성장국가인 BRICs 국가를 중심으로 많은 양의 가스 수요가 함께 증가하고 있다. 이를 계기로 새로운 가격형성에 이를 것으로 평가받고 있어 FPSO의 수요는 계속 증가 추세에 이를 것으로 전망된다. 또한, 최근의 카타르 프로젝트 LNG선 100척 수주 소식과 모잠비크 프로젝트 LNG선 12척수주 소식은 이를 뒷받침하는 기사임이 틀림없다.

인류의 에너지원은 석유, 천연가스, 석탄, 핵, 그리고 기타 자원으로 구성되며, 전체 에너지 소비의 2/3를 차지하는 석유 및 가스는 육상과 천해 지역이 주 생산지였으나, 이 지역의 유전 개발이 성숙기에 도달함에 따라 안정적인 자원 확보를 위해 이제까지 경제적 및 기술적 이유로 개발되지 않았던 심해의 대형 유전 개발이 주목받게 되었다.

심해 유전 개발은 대형 유전이면서 높은 생산성을 발휘할 수 있어 매력적이며 채굴(Drilling), 원유 회수(Oil Recovery) 및 계류 시스템(Mooring System) 등의 심해 기술의 발달과 함께 활발히 진행되고 있다. 기존의 고정식 구조물(Fixed Platform)은 심해에는 부적합하게 되었고, FPSO, Semi-submersible Rig, TLP, Spar 등의 부유식 해양 구조물이 주종을 이루고 있다. 또한, 성능이 훨씬 개선되거나 혁신적인 대형 복합 설비가 계속 개발되는 추세이다.

심해 유전 개발에서 부유식 구조물의 수요 증대와 대형화의 필요성은 Hull & Topsides를 동시에 건조할 수 있는 대규모 건조 설비를 갖춘 한국의 조선3사가 제조 전문 업체로서 중요한 역할을 하고 있다. 아직은 제작 위주로 명성을 얻고 있지만 그 동안의 공사 경험을 토대로 설계, 구매, 제작, 운송, 설치, 공사관리 전체를 책임지는 일괄 계약자 (EPCI Contractor)로 전환하고 있다. 그러나, 해양 공사는 부가 가치가 큰 사업이면서도 국제 경쟁이 심하고, 계약 형태에 따라 많은 이익을 가져올 수 있으나, 그 반대의 경우가 될 위험성도 있다. 유럽과 미주지역의 엔지니어링 능력(특히 FEED기술)과 값싼 노동력을 바탕으로 하는 중국의 생산 기지는 한국 기업의 국제 경쟁력에 큰 도전이 되고 있으며, 설비 투자와 기술 개발, 생산성 향상 등 시장의 다변화에 따른 국제적 경쟁력을 키우기 위한 노력이 한층 더 요구된다.

2. 해양 산업의 과제와 대응 전략

설계기술과 공사관리

해양 공사는 부가 가치가 큰 사업으로 계약 형식, 공사 수행 능력 및 공사 특성에 따라 많은 이익을 가져올 수 있으나 그 반대의 경우가 될 위험도 크므로, 해양 공사의 계약 형태와 공사 특성을 이해하는 것이 중요하다. 이에 해양 공사의 특성을 간단히 정리해 본다.

첫째, 투자 자본의 규모가 매우 크고 위험도가 높은 시장이며, 시장이 유가에 따라 변동이 심하고 불안정하다. 유전의 종류나 크기 및 위치에 따라 차이가 있으나 심해 대형 유전의 경우 대략 20~30억불 정도의 예산이 소요되는데, 크게 유전탐사(Exploration)에 15%, 개발(Development)에 50% 그리고 가동(Operation) 및 기타가 35% 정도를 차지한다.
둘째, 해양 구조물은 선박과 달리 설치 해역에서 20~25년 동안 중단 없이 계속 가동해야 하므로 고도의 품질과 안전성이 요구된다.
셋째, 조선사업은 Yard가 주도하지만 해양사업은 선주가 주도하여 고객 영향력(Client Leverage)이 크고 국제 경쟁이 매우 심하다.
넷째, 해양공사는 기술 집약적이면서 노동 집약적으로 대형 건조 설비를 필요로 한다. 해양 공사의 계약 형태는 계약자가 전적으로 책임을 지는 Turn-key방식의 EPCI 일괄계약과 설계 구매(E&P), 제작 건조(F&C), 운송 설치(T&I)의 각 단계별 분리계약으로 양분된다. EPCI 계약은 발주처의 입장에서는 예산 초과, 공기 지연, 계약자 위험관리(Contractor Management Risk) 등 관리에 부담이 적어 선호되나, 발주처의 설계 및 공사관리 수행능력과 공사 규모와 비용에 따라 발주처마다 입장이 조금씩 다르다.

해양공사(EPC)의 Value Chain

<그림 4 해양공사의 가치사슬과 EPCIC계약 형태>

최근 McDermott, KBR, ABBLG, Stolt Offshore, Aker Kvaerner 등은 EPCI 공사 실패로 EPCI에서 철수한 반면 Technip, Saipem은 EPCI 계약을 강화하고 있으며, 국내 Yard도 제작 위주의 공사에서 EPCI 공사에 신규 참여를 하고 있다. EPCI로의 진출은 아직 까지는 선진국의 설계 기술 보호 정책과 국내 Yard의 설계 능력 미약으로 생산설계만 자체 수행하고 있다.
기본설계, FEED(Front End Engineering Design)와 상세설계 일부인 Front Detail Engineering을 외국 설계사가 수행하고 국내 Yard는 상세설계 후속 업무와 생산설계를 수행하는 단계에 있으므로, 가까운 장래에 상세설계를 자체 수행하고 나아가서는 FEED와 기본설계도 수행할 수 있는 기술력과 외국 설계사를 관리하는 기술관리능력 그리고 프로젝트 관리능력(Project Management)과 기술역량(Engineering Capability)을 키우는 것이 매우 중요하다.
사례의 FPSO 수행시에도 토윙(Towing)중 태풍과 장마를 만나 계획된 일정이 지연(Towing Speed 9 Knot로 3개월 예상했으나 3주 더 지연 도착)된 사례와 소말리아 지역의 해적으로 인한 작업 중단사태 그리고 250명의 부식을 25명의 부식으로 잘못 선적한 소통 부재의 사건 등 어려움을 경험한 적이 있었다.

신 건조 공법의 개발과 생산성 향상

심해로 갈수록 해양 설비는 규모 면에서 대형화되고, 이에 따른 부유식 구조물도 대형화되고 있으므로, 발주처의 입장에서는 국내 3사처럼 조선 업체를 기반으로 전문 대형설비를 이미 갖추고 있고, Hull & Topsides Structure의 동시 건조 설비와 인력을 가진 국내 Yard에 대한 의존도가 커지고 있다. 그러나, 해양 공사는 국제 경쟁이 매우 치열하여, 개발 유전의 위치에 따라 운송 기간이 큰 변수가 되므로 국내 Yard는 유전에 근접한 Yard에 비해 공기 및 비용 면에서 다소 불리하다.
특히 GOM(Gulf of Mexico), 중남미, 서아프리카나 북유럽 시장의 경우 운송 기간이 2-3개월 소요되고, 납기가 긴 대형 장비는 외국 Vendor의 납기 시점이 늦은 관계로 탑재 및 시운전에 필요한 절대 공기가 부족할 수 있으므로 이를 극복할 수 있는 생산·건조 공법 및 제작 시점과 생산 공기를 조율할 수 있는 생산설계와 상세설계 능력이 절대적으로 요구된다.
이러한 관점에서 현대중공업에서 수행한 초대형 부유식 설비의 건조에 활용된 공법을 일부 소개하고자 한다.

Super-Lifting 공법

Crane 대신에 Strand Jack & Pulling System을 이용하여 상부 구조물(Topsides Module or Deck)을 선체(Lower Hull) 상단에 들어올려 탑재하는 공법으로 Strand Jack& Pulling System과 이를 지지하는 임시 구조물(Jacking Leg또는 Platform)로 구성되어 있다.
상부 구조물의 강성에 따라 상부 구조물을 직접 끌어올리거나 탑재용 보를 이용하며, 구조물의 하부와 상부를 동시에 육상에서 건조하여 상부 구조물을 먼저 들어올린 후 하부 구조물을 Skidding System을 이용 올려진 상부 구조물 밑으로 이동시킨 후 상부 구조물을 다시 내려서 상하부를 연결하는 공법을 말한다. 이 공법은 고소 작업을 지상 작업으로, 순차 작업을 동시 작업으로 전환시키는 획기적인 방법으로 공기, 비용, 품질 그리고 안전 등 상충되는 목표를 모두 개선시킬 수 있다는 점이 특징이다.

육상 건조 공법(Ground-Building Method)

육상 건조 공법은 생산 품질과 안전도를 높이고 선주 요구에 대한 유연성과 Fast Track Mode의 공사를 수행하기 위해 Super-Lifting공법과 함께 제작 Yard의 강점을 강화하는 차원에서 개발된 것으로 FPSO, Semi-submersible Rig, TLP, Spar 등 대형구조물의 일부 또는 전부를 육상에서 건조 완료하여 Skidding & Pulling System을 이용 반 잠수식 Barge에 선적·진수하는 공법이다.
Dry Dock건조는 탑재 후 갑문(Dock Gate)을 열고 바로 진수하므로 Dock의 크기와 장비 및 Dock 회전율에 따라 건조 능력이 결정되는 반면에, 육상 건조 공법은 탑재 후 선적 공정(Load Out)이 추가되나 선적 설비와 안벽 및 PE장의 허용 능력 그리고 선적Barge에 따라 육상 건조 능력이 좌우되며, 일반적으로 Dock 건조에 비하여 육상건조 비용이 적게 소요됨은 큰 장점이다.

IV. 맺음말

지금까지 FPSO개발과 건조 사례를 통하여 해양산업의 과제와 대응전략을 살펴보았다. 최근 들어, 유가하락으로 조선경기가 큰 어려움을 겪고 있으나 LNG선의 수급 상황을 통해 살펴볼 때 해양 시장의 전망은 FPSO, FLNG, FSRU쪽은 여전히 나쁘지 않다고 볼 수 있으며, 대형 유전 개발 공사의 포트폴리오(Portfolio) 역시 심해지역으로 내다보고 있다.
앞으로 심해 유전 개발은 대형 유전이라서 높은 생산성을 발휘할 수 있어 매력적이며 채굴(Drilling), 원유 회수(Oil Recovery) 및 계류 시스템(Mooring System) 등의 기술 발전은 활발히 진행될 것으로 생각한다.
기존의 고정식 구조물(Fixed Platform)은 심해에는 부적합하게 되었고, FPSO, Semi-submersible Rig, FSRU, FLNG 등의 부유식 해양 구조물이 주종을 이루고 있다.
또한, 성능이 훨씬 개선되거나 혁신적인 LNG대체연료 추진선박이 개발되는 추세이다. 이를 위해서는 현재의 미흡한 엔지니어링 능력을 시급히 향상시키고 특히 개념설계와 FEED능력 향상을 도모해야 한다.
조선해양공학 교육관점에서는 기술인력을 육성할 때 선체와 구조 그리고 유체분야에 치중해 왔던 교육시스템을 의장분야와 탑사이드 시스템분야 그리고 친환경 스마트쉽 분야도 폭넓게 교육해서 전체적인 엔지니어링과 공사관리를 수행할 수 있는 기술인력을 배출해야 한다고 생각한다. 더불어 경쟁력 제고를 위해서 혁신적인 건조 기술 및 공법의 개발과 생산성 향상, 시설 투자도 아울러 요구된다.
끝으로, 가스 수요증가에 따른 가스전(Gas Well) 개발도 점점 확대될 전망이므로 신개념의 천연가스 전환기술(GTL, GTW, Hydrate), 천연가스 생산설비(LNG-FPSO, FSRU) 그리고 가스 수송선(CNGC, PNGC) 건조기술을 축적하여 대체연료 선박의 개발 및 보급을 통해 침체된 우리나라 조선해양업계가 신성장동력을 얻을 수 있기를 기대해 본다.

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