[논문]LNG 기지에서 BOG 액화공정 개선에 관한 연구

백영순; 김동혁; 하종만; 박영; 윤익근

LNG 기지에서 BOG 액화공정 개선에 관한 연구
Study on the improvement of BOG recondensation process at LNG receving terminal 원문보기

백영순 (한국가스공사 연구개발원) , 김동혁 (LNG 기술연구센터) , 하종만 (LNG 기술연구센터) , 박영 (LNG 기술연구센터) , 윤익근 (LNG 기술연구센터)

LNG(액화 천연가스) 기지의 LNG 저장탱크로부터 자연적으로 발생되는 BOG(증발 천연가스)가 약 0.05 vol$\%$/day로 생성되므로, 이를 회수하기 위해서 혼합드럼 방식의 Condenser에 질량비로 LNG와 BOG를 11 : 1로 혼합시키므로서 $-159^{\circ}C$ LNG 냉열을 활용하여 액화 처리하는 공정이다. 이러한 방식의 공정은 단순하지만 에너지 측면에서 비효율적인 것으로 알려졌다. 따라서 본 연구에서는 새로운 열교환식 방식을 제시하고 공정해석 시뮬레이터인 ASPEN PLUS를 이용하여 공정을 비교 분석하여 타당성을 조사하고자 한다.

BOG(Boil Off Gas) is formed about 0.05 vol$\%$/day from LNG tanks of LNG receiving terminal. To recycle the BOG using LNG cold energy, the quantities of LNG and BOG is mixed at the ratio of 11 : 1 by mass in the recondenser of mixing drum type. However, this process is inefficient in the view of energy. It is the most necessary for improvement BOG recondensing process to reduce LNG quantities supplying to recondense system. Therefore, this study has aimed to propose heat exchanger type and suggest results through the analysis of ASPEN PLUS simulator and feasibility study.

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문제 정의

이열교환기식 공정의 목적은 LNG 고압펌프에서 송출된 고압의 LNG를 사용하여 현 방식보다 LNG 냉열 공급 범위를 상대적으로 넓혀 결국 LNG 공급량을 획기적으로 줄이는 데 있다. 따라서, 본 연구에서는 열교환기식 BOG 액화 시스템 방식을 현 공정과 비교를 통한 타당성을 분석하고자 한다. 이 열교환기식 공정의 핵심은 BOG 재액화를 위하여 냉열을 제공하는 LNG의 양이 질량비율로 거의 1:1 수준이라는 것이다.
본절에서는 BOG '처리공정에 대한 새로 제안된 열교환기식과 인수기지에서 사용 중인 혼합드럼식에 대한공정을 비교 분석 하고자 하였다. 공정비교분석을 위해서 bog 및 냉열공급용 LNG의 인입조건은 LNG기지의 운전조건을 적용하였으며, 따라서 혼합드럼식과 열교환 기식 각각의 운전방식에 대한 BOG 1kg 을 액화하기 위해 필요한 최소한의 냉열 공급용 LNG 소요량을 분석하였다.
이러한 공정이 현실성이 있다면, 효과적인, BOG 처리공정으로서 상당히 유리한 것으로, 이에 대한 분석이 요구되는 것은 당연하다. 이에 대한 분석으로 공정해석 시뮬레이터인 ASPEN PLUS를 사용하여 현 액화공정을 모델링하고 새로운 열교환식 공정을 분석 비교하므로서 타당성을 조사하여 개선 방안을 제시하고자 한다.

제안 방법

LNG 기지 내 LNG Tank로부터 자연발생되는 BOG를 액화하기 위해서 사용되는 혼합 드럼 방식에서 열교환기 방식으로 공정을 변경하였을 때, BOG 액화 시 냉열 공급용으로 사용되는 LNG 소요량에 관한 전산시뮬레이션 한결 과로부터 다음과 같은 결론을 얻었다.
공정비교분석을 위해서 bog 및 냉열공급용 LNG의 인입조건은 LNG기지의 운전조건을 적용하였으며, 따라서 혼합드럼식과 열교환 기식 각각의 운전방식에 대한 BOG 1kg 을 액화하기 위해 필요한 최소한의 냉열 공급용 LNG 소요량을 분석하였다.이들에 대한 운전 상태는 BOG 측의 혼합 Drum식에서 30℃, 10kg/cm² 에서 -125℃, 9kg/cm² 으로 바뀌며, 열교환기식에서는 30℃, 10kg/cm² 에서 T4 51, lOkg/cn?으로 바뀐다.
본 연구에서 이용할 LNG 및 BOG의 조성은 아래 Table 1.과 같이 외부에서 제안된 간접 열교환 형태인 '열교환기식 공정에서 제시된 조성을 이용하였고, 결과에 대한 일관성을 유지하기 위해 이 조성을 본 연구분석에 계속 사용하였다. ,
에 현 기지 공정 조건에서의 열교환기입 .출구 온도를 설정하여 LNG 온도변화에 따른 BOG 온도 변화를 ASPEN PLUS를 이용하여 시뮬레이션 하였다.

이론/모형

본 분석에서 사용한 공정 해석 시뮬레이터는 ASPEN PLUS이며, 여기서 사용된 열역학 상태방정식은 천연가스에 가장 적합한 Peng-Robinson 식을. 적용하였다 아래와 같이 '나타낸 Peng-Robinson 식에서 P, Pc는 시스템 압력과 .

성능/효과

(1) 열교환기식 공정에 의해 많은 냉열을 얻기 위해서는 LNG 와 BOG 온도와의 Temperature crossover 현상을 피해야할 것이며, LNG 기지 운전조건에서 냉열 공급용 LNG 온도를 -154℃ 에서 -9 기까지의 온도차이(=^T)인 약 57℃ 냉, 열 활용이 가능하다.
(2) 현 LNG 기지에서 사용 중인 혼합 드럼식의 경우 BOG 1kg액화를 위해 소요되는 최소 냉열공급용 LNG양은 7.86 kg 으로 나타났으며, 반면 제안된 열교환 기식 공정에서는 소요되는 약 5.54 kg (열교환기 효율 85% 고려)로 나타났다. 이는 열교환기식이 냉열 활용이 넓게 활용할 수 있기 때문이다.
에 나타냈듯이 LNG 냉열을 활용할 수 있는 양이 한계가 있다. 즉 LNG 출구온도가- 84℃ 이상에서는 열교환기 내에서 고온측(BOG)과 저온측(LNG)이 온도 역전에 의해 그 역할이 뒤바뀌는 Temperature crossover 현상이 발생함을 알 수 있었다. 이러한 Temperature crossover 현상이 발생하더라도 열교환기는 작동되나 열교환 효율이 상당히 떨어지고, 기기의 안전성 문제가 제기되어 사실상 열교환기 제작은 불가능하며, 운전조건을 변화시키지 않은 상태에서 이 현상을 피할 수 있는방법은 여러 개의 열교환기를 직렬 또는 병렬로 적절히 조합하여 문제를 해결하는 방법이 있으나, 열교환기 배열 방법, 초기투자비 및 공간확보 등 많은 문제를 내포하고 있다.

후속연구

따라서 열교환기식이 혼합드럼식에 비해 냉열 공급용 LNG 소요량을 줄일 수 있으나, 현 공정을 제안공정으로의 변경시 초기 투자비 및 기존공정 대체에 따른 기회비용 상실 등을 고려하여 적용되어야 할 것으로 보여진다. .
먼저 BOG 초기 온도 50℃에서 LNG, BOG와 Heat duty 분석 결과를 Fig. 5.에 나타냈듯이 LNG 냉열을 활용할 수 있는 양이 한계가 있다. 즉 LNG 출구온도가- 84℃ 이상에서는 열교환기 내에서 고온측(BOG)과 저온측(LNG)이 온도 역전에 의해 그 역할이 뒤바뀌는 Temperature crossover 현상이 발생함을 알 수 있었다.
한편 열교환기식 공정의 운전조건을 변경시키지 .않는 상태에서 열교환기들을, 적절히 조합하여 Temperature crossover 현상을 피할 수 있는 방법도 연구할 필요가 있다.

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