Multiphase Flow: 다상 유동의 특징과 설계 고려사항
1. 다상 유동의 개요와 중요성
다상 유동(Multiphase Flow)은 유정에서 생산되는 혼합 유체가 생산 튜빙과 플로우라인을 통과하며 동시에 여러 상(phase)을 포함해 흐르는 현상을 말합니다. 일반적으로 오일, 가스, 물, 고형물이 혼합된 형태로 생산되며, 각 상은 물리적 특성이 달라 복잡한 유동 거동을 나타냅니다. 석유·가스 생산 현장에서 다상 유동은 불가피하며, 이를 올바르게 관리하지 않으면 압력 손실 증가, 유량 불안정, 침적물 형성, 설비 진동과 같은 문제가 발생합니다. 따라서 다상 유동 특성에 대한 이해와 정확한 예측은 생산 설비의 설계와 운전에 있어 필수적입니다.
2. 다상 유동의 흐름 패턴과 주요 특징
플로우라인과 튜빙 내에서 다상 유동은 다음과 같은 주요 흐름 패턴으로 구분됩니다:
- Slug Flow (슬러그 유동)
가스와 액체가 주기적으로 대규모 덩어리 형태로 교차해 흐릅니다. 순간 유량과 압력이 급격히 변동하며, 설비 진동과 유량 측정 오차를 유발합니다. - Stratified Flow (층상 유동)
중력에 의해 가스는 관 상부로, 액체는 하부로 분리되어 안정된 층을 형성합니다. 플로우라인이 수평에 가까울 때 발생합니다. - Annular Flow (환상 유동)
관 벽을 따라 액체가 얇은 필름 형태로 분포하고, 중앙부에는 가스가 고속으로 흐릅니다. 높은 유속 조건에서 나타납니다. - Bubble Flow (기포 유동)
액체가 연속상을 이루고, 가스가 작은 기포로 분포합니다. 유량이 낮거나 초기 생산 시점에 흔합니다. - Wavy Flow (파형 유동)
층상 유동의 경계면에 파형이 형성돼 간헐적 혼합이 일어납니다.
이러한 흐름 패턴은 유속, 점도, 밀도, 관 직경, 경사도에 따라 동적으로 변합니다. 설계자는 유동 형태를 예측하기 위해 Lockhart-Martinelli, Taitel-Dukler 모델 등 경험식을 활용합니다.
3. 압력 손실과 유동 거동 예측
다상 유동에서는 상호작용에 의해 압력 강하가 단일 상보다 복잡하게 나타납니다. 압력 손실은 마찰 저항, 가속 저항, 정수압으로 구분됩니다. 설계 단계에서는 다음 요소를 반드시 고려해야 합니다:
- 마찰 손실: 다상 유동의 상대 점도와 유속 변화로 비선형적인 압력 손실이 발생합니다.
- 정수압: 관의 경사각이 클수록 중력에 의한 정수압 변화가 커집니다.
- 가속 손실: 슬러그 유동이나 기포 붕괴 시 순간적인 가속력이 생깁니다.
이러한 요소들은 생산 유량의 설계 범위를 결정하며, 예측 오차를 최소화하기 위해 Computational Fluid Dynamics(CFD)나 Transient Multiphase Flow 시뮬레이션이 사용됩니다.
4. 다상 유동의 설계 고려사항
플로우라인과 튜빙 설계 시 다상 유동을 안정적으로 관리하기 위한 주요 고려사항은 다음과 같습니다:
- 관 직경 최적화: 직경이 작으면 마찰 손실과 압력 강하가 커지고, 크면 유속이 감소해 침적물이 발생합니다. 다상 유동에서는 임계 유속(Minimum Transport Velocity) 유지를 최우선으로 합니다.
- 라인 경사도와 레이아웃: 수평 라인에서는 층상 유동이 장기적으로 발생할 수 있으므로 주기적 드레인(Drain Point)을 배치해야 합니다. 경사진 구간은 슬러그 축적과 수두 변화에 주의해야 합니다.
- 열 관리: 저온 환경에서 수화물(Hydrate)과 파라핀 형성이 빈번합니다. 절연재, 히트 트레이싱, 화학 주입 설계를 결합해야 합니다.
- 압력 설계: 최대 압력과 진동 부하를 견딜 수 있도록 압력 등급과 보강 설계를 실시합니다.
- 계측 및 제어: 다상 유량계(Multiphase Flow Meter), 압력 트랜스미터, 온도 센서를 설치해 실시간 데이터를 수집하고, 자동 밸브와 초크를 연동해 유량을 안정화합니다.
5. 다상 유동 관리와 운영 전략
유정에서 생산된 유체의 조성은 생산 기간에 따라 달라지며, 이에 따라 유동 패턴도 변합니다. 초기 고압·고유량 단계에서는 환상 유동과 슬러그 유동이 주도적이며, 생산이 진행되면서 층상 유동과 기포 유동으로 전환됩니다. 운영 단계에서 다상 유동을 안정적으로 유지하기 위해 다음 전략을 적용합니다:
- 임계 유속 유지: 모래, 파라핀, 물 침적 방지를 위해 최소 유속 이상으로 유지합니다.
- 압력 관리: 유량 변화 시 급격한 압력 변화를 방지하기 위해 점진적 초크 조정이 필요합니다.
- 유동 모델링: Transient Flow Simulation을 주기적으로 갱신해 운전 전략을 보완합니다.
- 화학 처리: 수화물 억제제, 파라핀 억제제를 주입해 생산 라인의 막힘을 예방합니다.
- 자동화 제어: AI 기반 유동 패턴 예측과 자동 밸브 제어를 결합해 공정을 최적화합니다.