[논문]LNG FPSO에 적용가능한 신액화 사이클의 효율 및 엑서지 분석

윤정인; 손창효; 백승문; 곽진우; 심규진

doi:10.5916/jkosme.2012.36.5.574

초록
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본 논문에서는 $CO_2-C_2H_6-N_2$와 $CO_2-N_2$를 각각 적용한 캐스케이드 액화사이클을 새롭게 제안하고, HYSYS를 이용하여 이에 대한 성능 및 엑서지를 분석한 후, 이 사이클이 LNG-FPSO선에 적용가능여부를 확인하였다. 그 분석 결과로부터, 효율적인 측면에서는 $CO_2-C_2H_6-N_2$ 액화사이클이 우수하였고, 엑서지 손실측면에서는 장치 수가 적은 $CO_2-N_2$ 액화사이클이 오히려 높게 나왔다. 그리고 $CO_2-N_2$ 냉매용액화사이클은 기존의 $C_3H_8-C_2H_4-C_1H_4$ 보다 낮은 효율과 높은 압축일량을 보였다. 하지만, $N_2$ 사이클의 효율이 더 개선된다면 액화사이클의 구조가 간단하기 때문에 LNG-FPSO용 액화사이클로서 적합할 것으로 생각된다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents the new cascade liquefaction cycles using $CO_2-C_2H_6-N_2$ and $CO_2-N_2$. The performance and exergy of cascade liquefaction cycles are analyzed using HYSYS software and then confirmed the possibility of these cycles for LNG-FPSO ship. From the comparison ...

This paper presents the new cascade liquefaction cycles using $CO_2-C_2H_6-N_2$ and $CO_2-N_2$. The performance and exergy of cascade liquefaction cycles are analyzed using HYSYS software and then confirmed the possibility of these cycles for LNG-FPSO ship. From the comparison of performance and exergy loss of these cycles, the cascade liquefaction cycles using $CO_2-C_2H_6-N_2$ showed higher performance and the cycle using $CO_2-N_2$ presented higher exergy loss. The cascade liquefaction cycle using $CO_2-N_2$ is lower efficiency and higher compressor work compared to the optimized cascade liquefaction cycle using $C_3H_8-C_2H_4-C_1H_4$. But, if the efficiency of $N_2$ cycle in these liquefaction cycles is improved, it is possible to apply the cascade liquefaction cycle using $CO_2-C_2H_6-N_2$ and $CO_2-N_2$ to LNG-FPSO ship due to the simple composition device of these cycles.

주제어

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문제 정의

관련된 종래의 문헌[2-4] 중에서 Shukri[3] 등은 LNG-FPSO선에 적용하는 LNG 액화사이클은 거의 전무한 상태이다. 따라서 본 논문은 대부분 육상에 적용되고 있는 LNG 액화사이클을 LNG-FPSO선에 적용하고자 한다. 그 중에서 대표적인 육상용 LNG 액화사이클에는 MR(Mixture Refrigerant) 액화사이클이 가장 많이 적용되고 있다.
따라서 본 연구에서는 Optimized 캐스케이드 액화사이클을 기본으로 하여, 지구환경에 무해한 천연냉매를 적용한 캐스케이드 액화사이클을 개발하고자 한다. 이를 위해 우선 CO₂-C₂H₆-N₂와 CO₂-N₂를 각각 적용한 캐스케이드 액화사이클을 새롭게 제안하고, HYSYS를 이용하여 이에 대한 성능 및 엑서지를 분석한 후, 이 사이클이 LNG-FPSO선에 적용 가능한 여부를 확인하고자 한다.
본 절에서는 2.1절에서 제시한 3개의 액화사이클에 대한 성능과 엑서지를 서로 비교하여 LNG-FPSO의 적용가능성에 대해서 알아보고자 한다.

제안 방법

이때 LNG의 액화율은 팽창밸브(⑨-⑩사이) 통과시 가스가 일부 발생하기 때문에 약 90%내외가 된다. C₃H₈-C₂H₄-C₁H₄(Propane-Ethylene-Methane) 냉매용 캐스케이드 액화사이클을 기본으로 하여 새로운 액화 사이클을 설계하였다.
Figure 3은 해양용 가스전의 개발에 필요한 LNG-FPSO선에 적용가능한 액화사이클을 위하여 CO₂, N₂ 냉매를 이용하여 CO₂-N₂ (Carbon dioxide-Nitrogen)냉매용 캐스케이드 액화사이클을 설계하였다. 기존의 3원 액화사이클에서 중간단 냉매를 없애고, 사이클의 단순성을 좀 더 높여 유지관리비용이 저렴하며, 파도와 같은 진동에 대한 내구성을 가질 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구에서는 3개의 액화사이클에 대해서 압축 일량, 성능계수, 비에너지를 비교하고, 추가로 액화사이클 내에서의 엑서지 손실을 비교하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
전처리를 마친 즉, 수분, 이산화탄소, 수은, 중질의 탄화수소계 가스를 제외한 나이지리아 가스전의 피드가스 조성비는[6]에서 확인 가능하다. 이 계산식을 기본으로 새롭게 설계한 사이클의 엑서지 손실을 비교 및 분석하였다.
따라서 본 연구에서는 Optimized 캐스케이드 액화사이클을 기본으로 하여, 지구환경에 무해한 천연냉매를 적용한 캐스케이드 액화사이클을 개발하고자 한다. 이를 위해 우선 CO₂-C₂H₆-N₂와 CO₂-N₂를 각각 적용한 캐스케이드 액화사이클을 새롭게 제안하고, HYSYS를 이용하여 이에 대한 성능 및 엑서지를 분석한 후, 이 사이클이 LNG-FPSO선에 적용 가능한 여부를 확인하고자 한다.

대상 데이터

기존의 3원 액화사이클에서 중간단 냉매를 없애고, 사이클의 단순성을 좀 더 높여 유지관리비용이 저렴하며, 파도와 같은 진동에 대한 내구성을 가질 수 있을 것으로 기대된다. 2개의 독립적인 사이클인 CO₂ 사이클와 N₂ 사이클로 구성되어 있으며 LNG 열교환기 Ⓐ에서 CO₂, Ⓑ에서는 N₂가 각각 냉매로써 작용하여 천연가스를 액화시킨다. 동시에 2개의 독립된 사이클에서 CO₂사이클의 증발기는 N₂ 사이클의 응축기 역할을 한다.
(Carbon dioxide-Ethane-Nitrogen) 냉매용 캐스케이드 액화사이클이다. 3개의 독립적인 사이클인 CO₂ 사이클, C₂H₆ 사이클, N₂ 사이클로 구성되어 있으며 LNG 열교환기 Ⓐ에서 CO₂, Ⓑ에서 C₂H₆ Ⓒ에서는 N₂가 각각 냉매로써 작용하여 천연가스를 액화시킨다. 동시에 3개의 독립된 사이클에서 CO₂사이클의 증발기는 C₂H₆ 사이클의 응축기 역할을 하며, C₂H₆ 사이클의 증발기는 N₂ 사이클의 응축기 역할도 한다.

이론/모형

따라서 혼합물에 대한 상태방정식은 각 성분 간의 상호작용 관계가 포함되어 있는 Peng-Robinson 식을 적용하였다. 그리고 천연가스 혼합물의 엔탈피와 엔트로피는 Lee-Kesler-Plocker 식을 적용하여 계산하였다[6]. 전처리를 마친 즉, 수분, 이산화탄소, 수은, 중질의 탄화수소계 가스를 제외한 나이지리아 가스전의 피드가스 조성비는[6]에서 확인 가능하다.
세계 곳곳의 가스전에서 추출되는 천연가스의 조성은 다르기 때문에 HYSYS[5]를 이용하여 초저온 액화사이클을 시뮬레이션할 경우 그 결과값도 달라진다. 따라서 본 연구에서는 일반적으로 적용되고 있는 나이지리아 가스전의 천연가스 조성비를 HYSYS에 적용하여 시뮬레이션하였다. Table 1은 HYSYS를 이용하여 시뮬레이션하기 위해서 필요한 가정 조건을 나타낸 것으로, 천연가스의 유량은 트레인 용량 5 MTPA(Million Ton Per Annum)를 기준으로 설정하였다.
천연가스는 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 질소, 에틸렌 등과 같은 여러 가지 성분들이 혼합되어 있는 혼합물이다. 따라서 혼합물에 대한 상태방정식은 각 성분 간의 상호작용 관계가 포함되어 있는 Peng-Robinson 식을 적용하였다. 그리고 천연가스 혼합물의 엔탈피와 엔트로피는 Lee-Kesler-Plocker 식을 적용하여 계산하였다[6].

성능/효과

(1) 3개의 액화사이클의 효율적인 측면에서는 CO₂-C₂H₆-N₂ 액화사이클이 우수하였고, 엑서지 손실측면에서는 장치 수가 적은 CO₂-N₂ 액화사이클이 오히려 높게 나왔다. 이는 장치수가 엑서지 손실에 큰 영향을 주기 보다는 사이클의 효율부분이큰 영향을 준 것이라고 본다.
(2) CO₂-N₂ 액화사이클은 2개의 냉매로 기존의 3개의 냉매의 온도 구간을 담당함으로써 기존의 C₃H₈-C₂H₄-C₁H₄ 보다 낮은 효율과 높은 압축일량을 보였다. 하지만, 향후 N₂ 사이클의 효율을 보다 더 개선한다면 장치의 구성기기가 작아 고장이 적으며, 액화사이클이 간단한 장점이 있기 때문에 공간 제약이 있는 LNG-FPSO용 액화사이클로서 적합할 것으로 생각된다.
액화 사이클의 전체 엑서지 손실값을 비교한 것이다. CO₂-N₂ 액화 사이클은 약 27.9 MW 정도로 CO₂-C₂H₆-N₂ 액화 사이클보다 5.8 MW 많은 것으로 나타났다. 이 값은 CO₂-C₂H₆-N₂ 액화 사이클의 전체 엑서지 손실에 27%에 해당하는 수치로 상대적으로 큰 차이가 나는 것으로 보인다.
4% 정도 증가하였다. 각각의 새로운 사이클의 효율측면에서 CO₂-C₂H₆-N₂ 액화사이클은 기존의 C₃H₈-C₂H₄-C₁H₄ 액화사이클보다 조금 향상됨을 확인하였지만, CO₂-N₂ 액화사이클은 그렇지 못함을 알 수 있었다. 이는 CO₂-N₂ 액화사이클이 천연가스의 중간단 온도영역을 처리해 줄 수 있는 독립된 사이클, 즉 프로판(C₂H₆)이 없기 때문에 오히려 성능면에서는 좋지 않다.
6%정도 감소하였다. 마지막으로 생산되는 LNG양에 대한 압축일량의 비를 나타내는 비에너지값을 서로 비교해본 결과, CO₂-C₂H₆-N₂ 액화사이클과 CO₂-N₂ 액화사이클은 모두 11.4% 정도 증가하였다. 각각의 새로운 사이클의 효율측면에서 CO₂-C₂H₆-N₂ 액화사이클은 기존의 C₃H₈-C₂H₄-C₁H₄ 액화사이클보다 조금 향상됨을 확인하였지만, CO₂-N₂ 액화사이클은 그렇지 못함을 알 수 있었다.
액화 사이클내에서 각각의 구성기기들의 엑서지 손실 비율을 비교한 것이다. 압축기의 엑서지 손실은 CO₂-C₂H₆-N₂과 CO₂-N₂ 사이클 모두 32%로 다른 구성 기기들에 비해 높은 엑서지 손실 비율을 보였으며, 그리고 LNG 열교환기의 엑서지 손실은 CO₂-C₂H₆-N₂와 CO₂-N₂ 사이클 모두 20%의 엑서지 손실을 나타내었다. 반면에 팽창기는 CO₂-N₂ 액화사이클이 CO₂-C₂H₆-N₂ 액화사이클보다 엑서지 손실이 12% 높게 나타났다.

후속연구

(Carbon dioxide-Nitrogen)냉매용 캐스케이드 액화사이클을 설계하였다. 기존의 3원 액화사이클에서 중간단 냉매를 없애고, 사이클의 단순성을 좀 더 높여 유지관리비용이 저렴하며, 파도와 같은 진동에 대한 내구성을 가질 수 있을 것으로 기대된다. 2개의 독립적인 사이클인 CO₂ 사이클와 N₂ 사이클로 구성되어 있으며 LNG 열교환기 Ⓐ에서 CO₂, Ⓑ에서는 N₂가 각각 냉매로써 작용하여 천연가스를 액화시킨다.
국제적인 고유가 현상과 지구 온난화에 대한 환경규제 강화 등으로 인해 대체에너지원인 천연가스에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히, 석유 생산의 90%이상을 차지하는 중동지역의 분쟁으로 인해 향후 천연가스의 사용 및 생산 비중은 계속해서 증가될 것으로 예상된다. 지금까지 가스전에서 채굴한 천연가스를 육상에 있는 목적지까지 이송하는데 사용되는 방식에는 크게 3가지가 있다.
보다 낮은 효율과 높은 압축일량을 보였다. 하지만, 향후 N₂ 사이클의 효율을 보다 더 개선한다면 장치의 구성기기가 작아 고장이 적으며, 액화사이클이 간단한 장점이 있기 때문에 공간 제약이 있는 LNG-FPSO용 액화사이클로서 적합할 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	캐스케이드 액화사이클의 장점은 무엇인가?	하지만, MR 사이클의 경우 운전 중 냉매 누설이 발생하면, 냉매 조성비가 변하여 성능이 급격히 감소할 뿐만 아니라, 최적의 운전조건을 실현하는 것이 대단히 어렵다. 반면에 캐스케이드 액화사이클은 단일 냉매를 사용하기 때문에 누설시 조성비 변화에 따른 효율저하가 적고, 유지관리가 MR 사이클에 비해 용이한 장점이 있다. 그러므로 해양용 가스전의 개발에 필요한 LNG-FPSO선에 적용 가능한 액화사이클은 육상용에 비해 액화사이클이 간단하고, 유지관리비용이 저렴하며, 파도와 같은 진동에 대한 내구성을 가질 수 있어야 할 것이다.
	가스전에서 채굴한 천연가스를 육상에 있는 목적지까지 이송하는데 사용되는 방식 세 가지는 무엇인가?	지금까지 가스전에서 채굴한 천연가스를 육상에 있는 목적지까지 이송하는데 사용되는 방식에는 크게 3가지가 있다. 즉, 배관을 통해 가스상태의 천연가스를 이송하는 PNG(Pipeline Natural Gas) 방식, 생산지에서 천연가스를 액화시켜 액체상태로 선박을 이용하여 이송하는 LNG(Liquefied Natural Gas)방식, 그리고 가스전에서 천연가스 하이드레이트(Hydrate)를 이용 하는 GTL(Gas-To-Liquid)방식이 있다[1]. 또한 이들 방식은 가스전이 육상 혹은 해상에 있느냐에 따라서 달라지게 된다.
	대표적인 육상용 LNG 액화사이클 중 가장 많이 적용되는 것은 무엇인가?	따라서 본 논문은 대부분 육상에 적용되고 있는 LNG 액화사이클을 LNG-FPSO선에 적용하고자 한다. 그 중에서 대표적인 육상용 LNG 액화사이클에는 MR(Mixture Refrigerant) 액화사이클이 가장 많이 적용되고 있다. 하지만, MR 사이클의 경우 운전 중 냉매 누설이 발생하면, 냉매 조성비가 변하여 성능이 급격히 감소할 뿐만 아니라, 최적의 운전조건을 실현하는 것이 대단히 어렵다.

참고문헌 (6)

윤용승, "천연가스 플랜트 산업의 발전 전망", 가스연맹, 여름호, pp. 22-29, 2008.
Michael Barclay, "Noel Denton", LNG Joumal, pp. 34-36, 2005.
T. Shukri, "LNG technology selection", Hydrocarbon Engineering, Feb. 2004.
M. Meyer, "LNG liquefaction process - Why the big fuss about selection", IChemE London SONG Meeting, Nov. 9. 2004.
HYSYS 2.2 Documentation. Customization Guide. AEA Technology-Hyprotech, Ltd: Calgary; Canada.
오승택, 김현우, 이호생, 이경범, 윤정인, "이상규, 2단 인터쿨러를 적용한 LNG 액화 사이클 시뮬레이션," 한국가스학회 춘계 학술발표회논문집. pp. 225-228. 2009

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