[논문]LNG선 재액화 시스템의 성능 개선에 관한 연구

오철; 송영욱

doi:10.5394/kinpr.2009.33.10.659

LNG선 재액화 시스템의 성능 개선에 관한 연구
A Study on the Improvement of LNGC Re-liquefaction System 원문보기

한국항해항만학회지 = Journal of navigation and port research, v.33 no.10 = no.146, 2009년, pp.659 - 664

오철 (한국해양대학교 기관시스템 공학부) , 송영욱 (한국해양대학교 대학원)

초록
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LNG선의 건조 동향을 보면 2003년을 기점으로 하여 기하급수적으로 증가하기 시작 하였으며, 2008년을 기점으로 하여 그 건조량은 감소하는 추세이나 건조 선박 중 많은 부분이 재액화 시스템이 장착된 대형 LNG선박으로 대형 LNG선은 216K급의 Q-Flex급, 260K급의 Q-Max급이 주를 이루고 있다. 이러한 LNG선박의 대형화는 LNG선의 화물창 보온 설계 기준인 BOR(Boil Off Rate) 0.15%를 기준해서 상대적으로 많은 양의 BOG가 발생하게 되었으며 선박의 주 추진기관의 연료로 사용 하더라도 잉여 가스가 남게 되어 화물탱크의 압력상승을 막기 위해서는 BOG를 재 액화하여 화물탱크로 반송하거나 소각하는 방법 등으로 처리하지 않으면 안 되게 되었다. 이러한 이유로 인하여 206K(206,000m3)급 이상의 대형 LNG 선박에서는 필수적으로 LNG 재액화 시스템을 탑재하도록 설계를 하게 된다. 본 연구에서는 현재 개발 되어 운항선에 적용되고 있는 여러 가지 LNG 재액화 시스템의 사이클 성능을 동일한 기기 조건하에서 해석함으로써 각각의 장단점을 비교하여 LNG선박의 설계 및 운항 시 재 액화 시스템의 최적화 방안을 제시하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

LNG carriers have, up to 2006, mainly been driven by steam turbines. The Boil-Off Gas from the LNG cargo tanks has so far been used as fuel. This is a costly solution that requires special skills during construction and operation. Alternative propulsion systems offer far better fuel economical efficiency than steam turbines. Instead of previous practice using Boil-Off Gas as a fuel, the Re-liquefaction system establishes a solution to liquefy the Boil-Off Gas and return the LNG to the cargo tanks. This Re-liquefaction of Boil-Off Gases on LNG carriers results in increased cargo deliveries and allows owners and operators to choose the most optimum propulsion system. In this study, thermodynamic cycle analysis has been performed on two type of LNG Re-liquefaction system which was designed and adopted for the Q-Flex(216,000$m^3$) and Q-Max(266,000$m^3$) LNG carrier under construction at Korea ship yards and variable key factor was simulated to compare efficiency, power and nitrogen consumption of each Re-liquefaction system.

주제어

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문제 정의

본 연구에서는 현재 개발되어 운항선에 적용되고 있는 여러 가지 LNG 재액화 시스템의 사이클 성능을 동일한 기기 조건하에서 해석함으로써 각각의 장단점을 비교하여 LNG선박의 설계 및 운항 시 재 액화 시스템의 최적화 방안을 제시하고자 한다.
C사의 LNG 재액화 시스템은 H사의 재액화 시스템과 같이 역 브레이튼 사이클의 구성이며, 3중 열교환기인 콜드 박스를 사용 하지 않고 열교환기를 별도로 분리하여 향류 열교환기, 과열저감냉각기(De-superheater)와 BOG 콘덴서(Condenser)로 분리 하였다. 이로 인해 3중 열교환기의 과도한 열응력에 의한 피로도를 감소하고자 하는 노력을 하였다.

제안 방법

1) 재액화 시스템의 냉매의 성분은 N₂(97%) 와 O₂(3%)로 일반적인 LNG선의 질소 발생장치(N₂ Generator)에서 공급 되는 질소 사양 조건으로 적용하였다.
3) 재액화 컴프레서의 1단 컴프레서 입력부의 온도와 압력은-38.7℃/14.0bar를 기준으로 하였으며, 또한, 각 컴프레서의 압축비는 95℃로 설정하였으며 냉각기 후단의 온도는 40℃를 기준으로 설정 하였다.
C사의 재액화 사이클은 BOG 컴프레서사이의 중간 냉각기 및 BOG 콘덴서 전단의 과열저감 냉각기를 적용하였으므로, 사이클 내부의 주요 변수를 조정하더라도 각각의 냉매 유량에 따라 변수가 많은 발생하므로 단순비교가 어려워지며, 이는 기본 사이클에 부가적으로 냉매의 흐름을 활용하는 것이므로, BOG 온도를 제외한 다른 변수의 비교를 위해서는 중간 냉각기와 과열저감 냉각기를 제외한 단순 모델(Type C)을 적용하여 비교하였다.
마찬 가지로 재액화 시스템의 효율(η)과 주요 성능 변수인 BOG와 N2의 질량 유량비(λ)와 BOG 컴프레서의 동력 소비량을 포함한 시스템 전체 동력 소비량(Wt)을 확인하였다.
본 연구에서는 각기 다른 사이클의 재액화 시스템을 비교하기 하여 다음과 같은 동일한 조건을 시스템 해석에 적용하였다. 단, 시스템 구성의 차이로 인한 압력 강하의 차이로 인한 차이는 전체 시스템에 미치는 영향이 미세하므로 무시하였으며, 조건은 다음과 같이 적용하였다.
여기서 재액화 시스템의 효율을 비교하기 위하여 BOG가 LNG로 액화되며 빼앗기는 열량(qL)과, 컴팬더에서 가해진 일로 재액화 시스템의 효율(η)을 다음과 같이 정의 하였다.
현재 개발되어 LNG선박에 탑재되어 운항 중인 LNG 재액화 시스템의 열역학적 사이클을 동일 한 해석 모델 조건하에서 열역학적 해석을 수행하고 여러 가지 성능 변수를 제어하면서 다음과 같은 결과를 얻었다.

성능/효과

1) 전체적인 재액화 시스템의 성능을 대표하는 COP, 시스템의 효율, N₂의 질량 유량, BOG와 N₂의 질량 유량비 및 동력 소비량 등을 비교 점검 결과 재액화 시스템의 성능에 중요한 영향을 주는 변수로는 BOG 온도와 유량, 컴프레서와 팽창터빈의 효율 및 냉각수의 온도 등을 확인 할 수 있었다.
2) BOG 주요 성분은 CH₄ 93.156mol%, N₂ 0.324mol%, C₂H66.240mol%와 기타 탄화수소로 적용 하였다.
2) 효율이 높은 LNG선의 재액화 시스템을 개발하기 위하여서는 고효율의 컴프레서 및 팽창터빈의 설계 및 생산능력이 필수적으로 수반되어야만 하며, 열교환기의 효율을 높일 수 있는 방안을 강구하는 것이 중요하다.
3) 운항 중에 해수 온도가 낮은 해역을 항해할 때에는 냉각수의 온도설정을 낮게 유지함으로써 높은 효율로 재액화 시스템을 운전하여 운항 상의 이득을 볼 수 있다.
4) 극지용 LNG선 이나 북해지역의 LNG FPSO(부유식 생산 저장 하역설비)등의 개발 시에는 해수 및 대기 온도의 낮은 이점을 이용하여 냉각기 후단의 온도를 보다 낮은 온도로 설계하여 시스템의 전체 효율을 올릴 수 있다.
5) 컴프레서와 팽창터빈의 단열효율은 75%로 설정하였다.
BOG의 온도에 따른 각 모델별 해석 결과를 보면, 기본적으로 BOG의 온도가 낮으면 낮을수록 전체 재액화 시스템의 Power는 절감 되는 것을 확인 할 수 있었으며, 또한 BOG의 온도가 낮을수록 BOG/N2의 비율 즉, 냉매 유량인 N₂의 질량 유량이 줄어듦을 모든 해석 모델에서 확인 할 수 있었다.
BOG의 질량 유량에 따른 각 모델별 해석 결과를 보면, 기본 적으로 BOG의 질량 유량에 따라 시스템의 주요 성능 변수를 좌우하는 동력 소비량 및 냉매인 N2 질량 유량은 BOG 질량 유량에 정비례하여 감소함 을 확인 할 수 있다. (Fig.
H사의 모델과 C사의 단순모델을 비교하여보면 냉각수의 온도 가 낮아짐에 따라 C사의 단순모델의 시스템 효율이 약간 높게 상승하는 것을 확인할 수 있으나 큰 차이점을 발견 할 수는 없었다.(Fig.
기본적인 팽창터빈의 효율은 50%~90% 사이를 변경하며 결과를 확인하였으며 이는 팽창터빈의 팽창 효율을 높여주는 가이드 베인(Guide vane)을 조정하는 것과 같을 수 있다. 즉, 효율이 높은 재액화 시스템을 설계하고 제작하기 위하여서는 고효율 팽창 터빈의 설계 및 생산능력이 필수 요소임을 확인 할 수 있다.
냉각수의 온도 변화는 시스템의 주요 변수인 N₂ 질량 유량 및 동력 소비량에 급격한 변화를 가져오게 되며, 시스템의 효율에도 중요한 영향을 미치는 것을 확인 하였다. 즉, 냉각수가 낮으면 낮을수록, 냉각기의 열교환기 성능이 좋으면 좋을수록, 시스템 효율은 급격하게 상승하였으며 동력 소비량과 N₂ 질량 유량은 급격하게 감소하는 것을 확인 할 수 있었다.
질량 유량 및 동력 소비량에 급격한 변화를 가져오게 되며, 시스템의 효율에도 중요한 영향을 미치는 것을 확인 하였다. 즉, 냉각수가 낮으면 낮을수록, 냉각기의 열교환기 성능이 좋으면 좋을수록, 시스템 효율은 급격하게 상승하였으며 동력 소비량과 N₂ 질량 유량은 급격하게 감소하는 것을 확인 할 수 있었다.
기본적인 팽창터빈의 효율은 50%~90% 사이를 변경하며 결과를 확인하였으며 이는 팽창터빈의 팽창 효율을 높여주는 가이드 베인(Guide vane)을 조정하는 것과 같을 수 있다. 즉, 효율이 높은 재액화 시스템을 설계하고 제작하기 위하여서는 고효율 팽창 터빈의 설계 및 생산능력이 필수 요소임을 확인 할 수 있다.(Fig.
팽창터빈 효율에 따른 영향을 보면 팽창터빈의 효율의 증감에 따라 시스템의 효율 및 동력 소비량 과 N₂ 질량 유량에 직접 적인 영향을 미치는 것을 확인 할 수 있다.
해석 모델에서 모든 기기의 성능을 동일 조건으로 설정하여 해석하였으므로 BOG 온도 변화에 따른 시스템 효율은 일정하게 유지 하는 것을 확인 할 수 있다.(Fig.

후속연구

본 해석에서는 에서는 팽창 터빈의 효율 만 변수로 지정하였으나 이러한 결과는 컴프레서에도 동일하게 적용될 것이므로 고효율의 컴프레서 설계 및 생산 능력이 중요한 변수 가 될 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Slow Diesel 추진 방식이란 무엇인가?	Slow Diesel 추진 방식은 일반 상선에 적용하는 저속 엔진을주 추진기 엔진으로 사용하며 벙커C유를 연료로 적용함으로서 화물창과 엔진룸을 별도로 분리하여 운항 중 화물창에서 발행 하는 BOG는 컴프레서(Compressor) 룸에 설치된 재액화 시스템을 이용하여 화물창으로 회수하는 방식이다.
	Slow Diesel 추진 방식의 경우, 비상 시 발생하는 BOG를 어떻게 처리하는가?	이러한 전기 추진 방식이나 재액화 시스템이 적용되는 경우, 비상 시 발생하는 BOG를 대기 방출 없이 소각처리 할 수 있는 GCU(Gas Combustion Unit)를 엔진룸 케이싱에 설치하여 종래의 스팀 터빈선에서 잉여 스팀을 Dump하는 기능을 대체하고 있으며, 재액화 시스템의 경우에는 Off Spec.가스 즉, 화물에 N2와 같은 불응축 가스가 많은 경우에도 이를 소각하여 처리 하게 된다.
	기존에 운항 중이던 LNG선의 설계 개념에는 무엇이 적용되었는가?	기존에 운항 중이던 LNG선의 설계 개념은 LNG 화물의 특성을 고려하여 화물창에서 발생하는 증발 기체 즉, BOG(Boil Off Gas)를 기관실로 압송하여 보일러의 연료로 사용함으로써 발생 되는 스팀으로 터빈을 구동하여 프로펠러를 구동하는 스팀터빈 추진하는 방식이 적용 되었다.

참고문헌 (7)

김태국(2000), "열시스템 설계 및 시뮬레이션", 인터비젼
백종훈,장호명(1994), "터보팽창기를 이용한 2단 팽창 Claude냉동사이클 해석", 공기조화*냉동공학논문집 제6권 제2호,pp.130~139
산업자원부(1998),"LNG선용 탱크의 열설계 및 제작기술",pp.1~10
전영욱,문정우,이윤표,장호명(2007), "LNG 증발기체의 재액화 사이클에 대한 열역학 해석",설비공학논문집 제19권 제7호, pp.485~490
Peter, G. N.(2007), "The next generation of Large LNGcarriers for long distance and harsh environments",ConocoPhilips, Gastech
Weisend, J. G. II(1998), "Handbook of Cryogenic Engineering",Taylor & Francis. pp.281~283
Yeo, D. G. (2007), "Propulsion Alternatives for ModernLNG arriers, Samsung heavy industries", Gastech

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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