LNG 극저온기계기술 시험인증센터에 구축되는 LNG 선박용 펌프 및 압축기 성능시험에서 발생하는 증발가스는 안전을 위하여 전량 회수가 요구된다. 본 논문에서는 36 MTD 용량의 천연가스 재액화 시스템에 대한 기본 설계 연구를 수행하였다. 대기압, $-60^{\circ}C$, 일반적인 도시가스 조성비, 1,500 kg/hr 유량의 공급 가스를 기본 설계 조건으로 하여 공정 설계가 이루어졌고, 입구 온도 조건 및 가스 조성비에 따른 LNG 생산량 또한 계산하여 다양한 입구 설계 조건에 따른 시스템의 성능 변화를 비교, 분석하였다. 공정 설계 외에도 재액화 시스템의 핵심 기기인 송풍기, 압축기, 극저온 열교환기, 컴팬더의 제작 사양이 도출되었으며, 전력 및 냉각수의 유틸리티 요구조건 또한 기본 설계를 통해 도출되었다.
LNG 극저온기계기술 시험인증센터에 구축되는 LNG 선박용 펌프 및 압축기 성능시험에서 발생하는 증발가스는 안전을 위하여 전량 회수가 요구된다. 본 논문에서는 36 MTD 용량의 천연가스 재액화 시스템에 대한 기본 설계 연구를 수행하였다. 대기압, $-60^{\circ}C$, 일반적인 도시가스 조성비, 1,500 kg/hr 유량의 공급 가스를 기본 설계 조건으로 하여 공정 설계가 이루어졌고, 입구 온도 조건 및 가스 조성비에 따른 LNG 생산량 또한 계산하여 다양한 입구 설계 조건에 따른 시스템의 성능 변화를 비교, 분석하였다. 공정 설계 외에도 재액화 시스템의 핵심 기기인 송풍기, 압축기, 극저온 열교환기, 컴팬더의 제작 사양이 도출되었으며, 전력 및 냉각수의 유틸리티 요구조건 또한 기본 설계를 통해 도출되었다.
In this paper, we carried out the basic design of 36 MTD natural gas BOG re-liquefaction system to recover the generated natural gas during performance test of LNG pump and natural gas compressor. The re-liquefaction process of natural gas is designed to have 1500 kg/h of liquefaction rate with reve...
In this paper, we carried out the basic design of 36 MTD natural gas BOG re-liquefaction system to recover the generated natural gas during performance test of LNG pump and natural gas compressor. The re-liquefaction process of natural gas is designed to have 1500 kg/h of liquefaction rate with reverse Brayton refrigeration cycle. With the designed process, the variation of liquefaction rate is calculated for various inlet conditions of feed gas. From results, the liquefaction rate is more sensitive for inlet temperature than gas composition. The specifications of equipments such as gas blower, natural gas compressor, cryogenic heat exchanger and nitrogen compander are determined on the basis of the designed process. The requirement of power consumption and cooling water are also determined through the basic design.
In this paper, we carried out the basic design of 36 MTD natural gas BOG re-liquefaction system to recover the generated natural gas during performance test of LNG pump and natural gas compressor. The re-liquefaction process of natural gas is designed to have 1500 kg/h of liquefaction rate with reverse Brayton refrigeration cycle. With the designed process, the variation of liquefaction rate is calculated for various inlet conditions of feed gas. From results, the liquefaction rate is more sensitive for inlet temperature than gas composition. The specifications of equipments such as gas blower, natural gas compressor, cryogenic heat exchanger and nitrogen compander are determined on the basis of the designed process. The requirement of power consumption and cooling water are also determined through the basic design.
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문제 정의
기본 설계 입력 조건에 대하여 요구 성능을 만족하는 공정설계가 이루어졌고, 동일한 설계 공정에서 공급 가스의 입구 온도 및 조성비가 변화하는 경우에 대하여 액화량 변화를 비교, 분석한 결과 입구 온도 조건이 시스템의 액화량을 결정하는 주요 변수임이 확인되었다. 공정 설계 외에도 시스템 구축에 필요한 송풍기, 압축기, 열교환기, 팽창기 등의 제작 사양과 전력 및 냉각수의 유틸리티 요구 조건 등 향후 시스템 상세 설계 및 구축에 필요한 기본 정보를 도출한 데 본 연구의 의의가 있다.
본 논문에서는 LNG 선박용 핵심기기의 성능시험에서 발생하는 증발 천연가스의 재액화를 목적으로 하는 36 MTD(Metric Ton per Day)급 천연가스 재액화 시스템의 기본 설계를 수행하여, 공정 흐름도, 입력조건에 따른 액화량 변화, 압축기, 팽창기, 열교환기 등의 기자재 사양을 도출하였다.
본 논문에서는 LNG 선박용 핵심기기인 압축기 및 펌프의 성능시험에서 발생하는 BOG를 재액화하여 전략 회수하는 것을 목적으로 시간당 1,500 kg 혹은 하루에 36ton의 천연가스 재액화 능력을 갖는 재액화 시스템의 기본 설계 연구를 수행하였다. 기본 설계 입력 조건에 대하여 요구 성능을 만족하는 공정설계가 이루어졌고, 동일한 설계 공정에서 공급 가스의 입구 온도 및 조성비가 변화하는 경우에 대하여 액화량 변화를 비교, 분석한 결과 입구 온도 조건이 시스템의 액화량을 결정하는 주요 변수임이 확인되었다.
본 연구에서 설계되는 재액화 시스템은 천연가스 압축기와 LNG 카고 펌프 성능시험에서 발생하는 BOG의 재액화하는 것을 목표로 선정하였으며, Table 1과 Fig. 1에 두 가지 성능시험 설비의 개략도와 시험 사양을 나타내었다. 먼저 천연가스 압축기는 BOG 재액화용과 LD(Low Duty) 압축기의 두 종류의 압축기를 시험대상으로 하고, 시험 유량은 최대 1,500 kg/hr로 동일한 반면에 입, 출구 온도가 다른 특징이 있다.
시험 대상인 압축기와 펌프의 출구 온도 조건은 재액화 시스템의 입구 조건이 되어 설계 입력 조건으로 사용된다. 압축기 시험설비에서는 다양한 조성비의 천연가스가 사용될 수 있기 때문에 본 연구에서는 입구 온도 조건 외에도 천연가스 조성비에 따른 액화 성능을 비교하였다. 펌프 시험에서는 운전 조건에서 혼합가스 물성에 의해 발생하는 BOG는 대부분이 메탄가스로 조성되어 있다.
승압된 천연가스는 재액화된 LNG의 일부와 섞여 온도가 약간 낮아진다. 이는 다양한 조건의 입구 온도 조건에 대하여 열교환기에서의 효율을 확보하기 위한 목적을 갖는다. 즉, 생산되는 LNG의 냉열을 이용하여 열교환기 내부에서 열교환 하는 유동 사이의 온도 차이가 과도하게 증가하는 것을 방지하는 역할을 한다.
제안 방법
Table 2에 본 연구에서 고려된 천연가스 조성비를 나타내었고, Table 3에는 시험설비 운전 조건과 가스 조성비를 고려한 설계 입력 조건을 나타내었다. 본 연구에서는 일반적인 조성비의 천연가스를 이용한 BOG 압축기 시험설비에서 토출되는 천연가스를 재액화하는 경우를 기본 설계 조건으로 선정하였으며, 그 외에 네 가지 해석 조건을 이용하여 기본 설계된 시스템으로부터 얻을 수 있는 액화량을 계산하였다.
천연가스 압축기는 원심형으로 최소 2단의 다단 방식이 요구되며, 특히 작동 기체인 천연가스가 극저온으로 액화되기 때문에 극저온에서 응고가 발생하는 윤활유 사용 배제 조건을 적용하였다. 재액화 시스템의 성능에 가장 민감한 영향을 미치는 극저온 열교환기는 냉열 회수 및 질소 역브레인튼 시스템과의 열교환을 목적으로 네 개의 흐름(stream)을 가지며, 각 흐름의 작동 기체 조성, 입, 출구의 온도 및 압력, 허용 압력 강하 등을 설계 조건으로 선정하였다. 기본 설계 조건에서 158kW/K의 유효 열전달 계수 값을 보이며, Table 3에 나타난 다양한 설계 입력 조건에서 135 ~ 171kW/K의 유효 열전달 계수를 갖는 것으로 나타났다.
천연가스 송풍기는 공급되는 BOG의 압력을 대기압 기준으로 선정하였을 때 천연가스 압축기 흡입부에서 대기압 이하가 되는 경우를 방지하기 위하여 사용된다. 주요 요구 조건으로는 시스템 운전 조건에서 최적 성능을 발휘하며, -95 ~ +50℃의 작동 기체 온도에 대해 운전 가능할 것을 주요 조건으로 선정하였다. 천연가스 압축기는 원심형으로 최소 2단의 다단 방식이 요구되며, 특히 작동 기체인 천연가스가 극저온으로 액화되기 때문에 극저온에서 응고가 발생하는 윤활유 사용 배제 조건을 적용하였다.
질소 역브레이튼 사이클에서 팽창 후의 기체는 –160.6℃의 극저온을 생성하여 –155.1℃에서 액화되는 천연가스로부터 열을 제거하도록 사이클이 설계되었다.
주요 요구 조건으로는 시스템 운전 조건에서 최적 성능을 발휘하며, -95 ~ +50℃의 작동 기체 온도에 대해 운전 가능할 것을 주요 조건으로 선정하였다. 천연가스 압축기는 원심형으로 최소 2단의 다단 방식이 요구되며, 특히 작동 기체인 천연가스가 극저온으로 액화되기 때문에 극저온에서 응고가 발생하는 윤활유 사용 배제 조건을 적용하였다. 재액화 시스템의 성능에 가장 민감한 영향을 미치는 극저온 열교환기는 냉열 회수 및 질소 역브레인튼 시스템과의 열교환을 목적으로 네 개의 흐름(stream)을 가지며, 각 흐름의 작동 기체 조성, 입, 출구의 온도 및 압력, 허용 압력 강하 등을 설계 조건으로 선정하였다.
대상 데이터
1에 두 가지 성능시험 설비의 개략도와 시험 사양을 나타내었다. 먼저 천연가스 압축기는 BOG 재액화용과 LD(Low Duty) 압축기의 두 종류의 압축기를 시험대상으로 하고, 시험 유량은 최대 1,500 kg/hr로 동일한 반면에 입, 출구 온도가 다른 특징이 있다. 압축기 시험 루프에서는 LNG 저장 탱크로부터 기화기를 이용해 기화시킨 후에 버퍼 탱크로 유입되고 시험 대상인 압축기에서 압축된다.
성능/효과
기본 설계 입력 조건에 대하여 요구 성능을 만족하는 공정설계가 이루어졌고, 동일한 설계 공정에서 공급 가스의 입구 온도 및 조성비가 변화하는 경우에 대하여 액화량 변화를 비교, 분석한 결과 입구 온도 조건이 시스템의 액화량을 결정하는 주요 변수임이 확인되었다.
기본 설계 조건과 case #1, case #3은 동일한 입구 온도에서 공급 BOG의 조성비만 다른 경우인데, 생산량 차이가 수십 kg/hr에 불과해 차이가 크지는 않으나, 고분자 탄화수소의 조성비가 클수록, 반대로 가장 가벼운 성분인 메탄(CH4)의 조성비가 작을수록 액화량은 증가하는 것으로 나타났다.
재액화 시스템의 성능에 가장 민감한 영향을 미치는 극저온 열교환기는 냉열 회수 및 질소 역브레인튼 시스템과의 열교환을 목적으로 네 개의 흐름(stream)을 가지며, 각 흐름의 작동 기체 조성, 입, 출구의 온도 및 압력, 허용 압력 강하 등을 설계 조건으로 선정하였다. 기본 설계 조건에서 158kW/K의 유효 열전달 계수 값을 보이며, Table 3에 나타난 다양한 설계 입력 조건에서 135 ~ 171kW/K의 유효 열전달 계수를 갖는 것으로 나타났다. 극저온 열교환기의 총 열교환량은 약 2MW이다.
2의 공정은 기본 입력 조건의 공급 천연가스를 재액화하여 1,500 kg/hr의 LNG를 생산할 수 있도록 공정 설계가 이루어졌다. 다양한 설계 입력 조건에 대하여 LNG 생산량을 계산한 결과 Fig. 3과 같이 설계 입력 조건에 따라 1121.4 ~ 1649.2 kg/hr까지 변화하는 것으로 나타났다. 기본 설계 조건과 case #1, case #3은 동일한 입구 온도에서 공급 BOG의 조성비만 다른 경우인데, 생산량 차이가 수십 kg/hr에 불과해 차이가 크지는 않으나, 고분자 탄화수소의 조성비가 클수록, 반대로 가장 가벼운 성분인 메탄(CH4)의 조성비가 작을수록 액화량은 증가하는 것으로 나타났다.
극저온 열교환기의 총 열교환량은 약 2MW이다. 마지막으로, 질소 컴팬더에서 압축기와 팽창기 모두 원심형이며, 압축기는 3단으로 구성되는 다단 구조가 요구된다. 팽창기 부분은 입구와 출구 조건을 명확히 하여 재액화에 필요한 충분한 냉열을 생성할 수 있도록 하였다.
이는, 가벼운 기체인 메탄의 끓는점이 낮아 액화에 더 많은 에너지가 요구되기 때문이다. 반면에 가스 조성비가 동일한 조건에서 입구 온도 조건이 다른 기본 설계 조건과 case #2의 결과 비교, case #1과 case #4의 결과 비교로부터 LNG 생산량은 입구 온도 조건에 민감하게 반응하는 것을 확인할 수 있다. 특히, -60℃의 BOG가 공급되는 기본 설계 조건에 비해 상온의 천연가스가 공급되는 case#2의 경우에는 생산량이 1121.
이 결과는 대략적인 값이며, 정확한 수치는 기기 제작사에서 결정되고, 제시되어야 한다. 재액화 시스템 운전을 위해서 필요한 총 전력은 2.45 MW로 예측되었으며, 질소 역브레이튼 냉각시스템의 압축기에서 대부분의 전력을 소모하는 것으로 나타났다. 냉각수는 대부분의 전력을 소모하는 질소 압축기와 천연가스 압축기에 사용된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
수송된 액화천연가스가 인수기지의 저장탱크에 들어가있는 과정에서의 보관 온도는?
천연가스는 기체 상태에 비해 액체 상태에서 부피가 1/600로 줄어들어 단위체적당 에너지 밀도가 매우 높기 때문에 천연가스 산지에서 액화되어 수요 국가로 수송된다. 수송된 액화천연가스(LNG: Liquefied Natural Gas)는 인수기지의 저장탱크에 –162℃의 극저온 액체 상태로 저장된 후, 필요시 기화시켜 최종 사용자인 발전소, 공장, 가정 등으로 공급된다. 국내 조선업체의 세계 LNG 선박 발주량 및 건조량은 1위의 점유율을 차지하는 반면에, 핵심기자재인 펌프, 압축기, 밸브, 열교환기 등의 극저온 기기는 대부분 수입에 의존하고 있는 실정이다.
천연가스는 수요 국가로 수송될 떄 어떻게 수송되는가?
천연가스는 기체 상태에 비해 액체 상태에서 부피가 1/600로 줄어들어 단위체적당 에너지 밀도가 매우 높기 때문에 천연가스 산지에서 액화되어 수요 국가로 수송된다. 수송된 액화천연가스(LNG: Liquefied Natural Gas)는 인수기지의 저장탱크에 –162℃의 극저온 액체 상태로 저장된 후, 필요시 기화시켜 최종 사용자인 발전소, 공장, 가정 등으로 공급된다.
LNG 선박용 극저온 기기에 대한 국내 기술 개발과 인프라 구축을 목적으로 한국기계연구원과 경상남도, 경남테크노파크, 김해시는 우리나라 조선 산업의 주요 거점인 경상남도 지역에 “LNG·극저온기계기술 시험인증센터”를 구축하는 중에 있는 이유는?
수송된 액화천연가스(LNG: Liquefied Natural Gas)는 인수기지의 저장탱크에 –162℃의 극저온 액체 상태로 저장된 후, 필요시 기화시켜 최종 사용자인 발전소, 공장, 가정 등으로 공급된다. 국내 조선업체의 세계 LNG 선박 발주량 및 건조량은 1위의 점유율을 차지하는 반면에, 핵심기자재인 펌프, 압축기, 밸브, 열교환기 등의 극저온 기기는 대부분 수입에 의존하고 있는 실정이다. 때문에, LNG 선박용 극저온 기기에 대한 국내 기술 개발과 인프라 구축을 목적으로 한국기계연구원과 경상남도, 경남테크노파크, 김해시는 우리나라 조선 산업의 주요 거점인 경상남도 지역에 “LNG·극저온기계기술 시험인증센터”를 구축하는 중에 있다.
참고문헌 (4)
Tusiani, M. D. and Shearer, G., 2007, LNG : A Nontechnical Guide, PennWell, Tulsa, pp. 25-65.
Kidnay, A. J. and Parrish W., 2006, Fundamentals of Natural Gas Processing, Taylor & Francis, Boca Raton, pp. 1-8.
Shively, B., Ferrare, J. and Petty, B., 2010, Understanding Today's Global LNG Business, Enerdynamics Corp., Laporte, pp. 13-48.
Griffin, P., 2012, Liquefied Natural Gas: The Law and Business of LNG, 2nd ed., Globe Business Publishing Ltd., London, pp. 55-90.
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