[논문]천연가스 액화공정의 C3MR 냉동사이클의 공정모사와 최적화에 관한 연구

박창원; 차규상; 이상규; 이철구; 최건형

doi:10.7842/kigas.2013.17.1.67

천연가스 액화공정의 C3MR 냉동사이클의 공정모사와 최적화에 관한 연구
Study on Simulation and Optimization of C3MR Liquefaction Cycle 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.17 no.1, 2013년, pp.67 - 72

박창원 (한국가스공사 연구개발원) , 차규상 (한국가스공사 연구개발원) , 이상규 (한국가스공사 연구개발원) , 이철구 (한국가스공사 연구개발원) , 최건형 (한국가스공사 연구개발원)

초록
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LNG Value Chain에서 액화플랜트는 고부가가치를 지니며 전체 Cost의 약 35%를 차지한다. 액화플랜트의 핵심기술은 액화공정이며, 여기서 발생하는 대부분의 Cost는 액화공정의 운전에 필요한 에너지 생성과정에서 소비된다. 액화공정의 에너지소비를 줄이기 위한 방법은 액화공정의 핵심공정인 액화사이클의 효율을 높이는 것이다. 세계적으로 널리 이용되고 액화 효율이 높은 LNG 플랜트의 액화공정은 C3MR(프로판과 혼합냉매) 공정이다. C3MR 공정은 프로판 사이클과 혼합냉매 사이클을 이용하여 천연가스를 액화시키는 공정이다. 본 연구에서는 C3MR을 대상공정으로 하여 공정분석과 공정모사를 수행하였다. 이를 통해 C3MR의 공정변수를 알아내었으며 이후 공정최적화를 수행하였다. 본 연구에서 수행한 C3MR의 공정분석, 공정변수, 최적화 결과는 새로운 액화 공정개발에 활용 될 것으로 생각된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The LNG liquefaction plant which have a higher value-added business in the LNG value chain takes about 35% of total cost. Liquefaction process is core technology of liquefaction plant. Almost all of cost which was consumed from the liquefaction plant, using for operation energy of liquefaction process. The cost can be reduced by increasing efficiency of liquefaction cycle. C3MR(propane pre-cooled, mixed refrigerant cycle) which liquefies NG using propane and MR cycle has the high efficiency, so C3MR is mostly used liquefaction process in LNG industry. In this study, process simulation and analysis were performed for C3MR process. C3MR process variables were found through this simulation and analysis, and then the process optimization was performed. It is considered that the results of process analysis, process variables and process optimization study can be utilized to develope new liquefaction process.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이를 위해서는 주어진 온도 범위 내에서 하나 이상의 냉매를 사용하거나 온도차를 좀 더 근접시키기 위하여 온도 범위를 분할시켜 서로 다른 압력에 있는 냉매를 사용한다. 즉, 액화공정에서 대부분의 동력은 압축기에서 소모되기 때문에 본 연구에서는 공정변수들의 값을 압축기 소모동력을 줄이는 값을 최적의 값으로 하였다.

제안 방법

APCI사의 C3MR공정은 전 세계 액화플랜트에 85%이상 적용되고 있는 대표적인 액화 공정이므로, 본 연구에서는 C3MR 공정을 상업용 공정모사기인 Aspen Hysys를 이용하여 공정모사 수행하여, 이를 통해 C3MR공정의 특성을 분석하고 공정설계 최적화 작업을 수행하였다.
본 연구에는 대표적 천연가스 액화공정인 C3MR에 대한 공정모사를 수행하였고, 설계 최적화 작업을 수행하기 위해 공정변수들을 분석하여 설계 변수를 선정하였다. 특히 MR 사이클에 대한 최적화 작업을 집중적으로 수행하여, LNG 생산량 100TPD 공정에 대한 혼합냉매의 조성, 유량과 최대압력, 압축비 그리고 MCHE의 입·출구 온도에 대한 최적 설계값을 도출하였다.
프로판 사이클의 주요 변수는 프로판의 압력, 압축기의 압축비, 프로판의 냉매양 등이 존재한다. 본 연구에서는 프로판 사이클의 압축단은 3단으로 구성하였고, 최고 압력은 3단 압축기 이후 cooler의 출구조건 40℃에서 vapor fraction 0이 되는 압력으로 설정하였다. 압축비(CR: compression ratio)는 최고 압력을 3단으로 균등하게 분배 하였다.
본 연구에서의 공정모사에 적용된 feed gas의 조성은 LNG 액화 플랜트의 전처리공정(acid gas removal, dehydration, mercury removal , heavy hydrocarbons removal) 이후의 조성을 적용하였으며, 조성은 Table 1.에 나타 내었다.
설계 최적화에 있어서 설계변수의 변화에 따른 소모동력의 차이는 MR 사이클에서 매우 크게 나타나며, 또한 프로판 사이클의 주요 변수는 고정변수로 공정을 설계하였으므로 최적화 작업은 MR 사이클에 집중하였다.
시뮬레이션에 적용된 공정모사기는 Aspen Hysys이며, physical property는 Peng-Robinson eq.을 적용하여 공정모사를 하였다.
최적화 작업의 주요 변수는 MR(N2, C1, C2, C3)의 조성, MR 냉매의 유량, MR의 최대 압력, 압축비, MCHE의 입·출구 온도이므로 이들의 값을 최적화시키는 것을 목표로 최적화 작업을 수행하였다.
특히 MR 사이클에 대한 최적화 작업을 집중적으로 수행하여, LNG 생산량 100TPD 공정에 대한 혼합냉매의 조성, 유량과 최대압력, 압축비 그리고 MCHE의 입·출구 온도에 대한 최적 설계값을 도출하였다.
MR 사이클 각각의 공정 변수들은 서로 민감하게 작용하기 때문에 공정모사를 수행 할 때 유의해야한다. 프로판과 MR 사이클의 공정변수 값을 이용하여 공정모사를 수행하였다.
프로판의 냉매양은 공정모사에서 프로판, feed, MR의 온도와 압력을 정해줌으로써 공정모사기가 최적의 양을 자동으로 계산 할 수 있도록 공정을 구성하였다. 즉 프로판 사이클에서의 공정변수들을 모두 최적의 조건으로 수행 하였다.

이론/모형

공정모사에서의 Enthalpy 계산에 적용된 방정식은 Lee-Kesler-Plocker equation이다. 이는 고압의 hydrocabon에 주로 적용이 되며, LK-PLOCK property 방법에 기초를 두고 있다.
본 연구에 적용된 상태방정식은 PR(Peng-Robinson) 상태방정식이다. 공정모사에서 상태방정식을 이용하면 각 성분의 평형, 부피, 열적 물성을 추산할 수 있다.

성능/효과

C3MR 공정의 modeling을 통해 프로판과 MR 사이클의 중요변수인 압축기 전·후단의 압력, 냉매의 유량과 조성, 열교환기 전·후단의 온도등을 알 수 있었다.
, C1, C2, C3)의 조성, 유량, 최고압, 압축비와 MCHE의 입·출구 온도 등이다. N₂, C1, C2, C3 각각의 유량을 변수 값으로 하여 혼합냉매의 조성을 알 수 있도록 모델링하여, 혼합냉매의 조성을 공정변수 값에서 제외시킬 수 있었다. MR 사이클 각각의 공정 변수들은 서로 민감하게 작용하기 때문에 공정모사를 수행 할 때 유의해야한다.
그리고 MR 냉매의 조성과 양은 C3MR 공정에 가장 큰 영향을 주는 변수이다. 이들 주요 변수를 바탕으로 최적화 작업을 수행하여 압축기 소모동력을 1376kW에서 1329kW로 약 3.4% 줄 일수 있었다.
, C1, C2, C3)의 조성, MR 냉매의 유량, MR의 최대 압력, 압축비, MCHE의 입·출구 온도이므로 이들의 값을 최적화시키는 것을 목표로 최적화 작업을 수행하였다. 최적화 작업은 8가지의 변수를 MCHE의 approach T가 3℃보다 큰 값을 유지하면서 압축기 소모동력이 최소가 되는 값으로 하였다.
C3MR 공정의 modeling을 통해 프로판과 MR 사이클의 중요변수인 압축기 전·후단의 압력, 냉매의 유량과 조성, 열교환기 전·후단의 온도등을 알 수 있었다. 프로판 사이클에서 압력비를 동일하게 구성하여 공정모사한 결과 각 압축기에서의 소모동력의 차이가 매우 큰 것을 확인 할 수 있다. 그 이유는 프로판이 각 압축기에서 압축되어 프로판의 molar rate가 압축기 각각에서 차이가 나기 때문이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LNG 액화공정이란?	천연가스는 석탄보다 친환경적이고, 효율적인 에너지원으로 각광 받고 있으며, 2030년 가스 소비량은 세계 에너지 소비량의 26%에 도달할 것으로 전망되고 있다. LNG 액화공정은 천연가스를 초저온 액화공정을 통하여 물리적인 액체연료로 전환하는 기술로서, 이를위해서는 액화사이클이 필요하다. 하지만 전 세계 LNG 액화플랜트를 구성하는 대부분의 액화사이클은 APCI(Air Products & Chemicals, Inc.
	액화플랜트의 핵심 공정은 무엇인가?	LNG Value Chain에서 액화플랜트는 고부가가치를 지니며 전체 Cost의 약 35%를 차지한다. 액화플랜트의 핵심기술은 액화공정이며, 여기서 발생하는 대부분의 Cost는 액화공정의 운전에 필요한 에너지 생성과정에서 소비된다. 액화공정의 에너지소비를 줄이기 위한 방법은 액화공정의 핵심공정인 액화사이클의 효율을 높이는 것이다.
	C3MR의 특징은?	에 의해 개발되었으며, 1972년 Shell의 LNG plant에 처음 적용 되었다. 이 공정은 2개의 공정(pre-cooling cycle, liquefaction /sub-cooling cycle)으로 구성되며, 프로판 사이클(pre-cooling cycle)은 프로판을 이용하여 NG(Natural Gas)와 혼합냉매(MR: Mixed Refrigerant)을 약 -34℃ 까지 냉각시키고, liquefaction cycle에서는 혼합냉매를 이용하여 NG를 약 -155℃까지 냉각시켜 LNG를 만든다. C3MR 공정을 액화사이클을 중심으로 단순화하여 Fig.

참고문헌 (8)

Mark, P., Liu, Y. N., Joseph, P. and Ronald, B., 2007, "The C3MR liquefaction cycle: versatility for a fast growing, ever change LNG industry," Technology advancement sin process, machinery, anathematic cryogenic heat exchanger, ps2-5.
Khan, M.S., Yoon, M.K., Husnil, Y.A., Lee, M.Y., "Robust control of Propane Pre-cooled mixed refrigerant process for natural gas liquefaction", Control Automation and Systems (ICCAS), 702-706 (2010)
Aspen Technology Incorporate, "Aspen One HYSYS", ver. 2007. 1, (2006)
Park, J.K, Cjoi. K.H., Lee, S.G., Yang, Y. M., Cho, J.H., "Estimation of Density of Methane and Ethane and Vapor Liquid Equilibrium Predictions for Methane-Ethane Binary System Using PR and PC-SAFT Equations of State",
Aspen Technology Incorporate, "Aspen Physical Property System", ver. 2007. 1, (2006)
G. Venkatarathnam, "Cryogrnic Mixed Refrigerant Process" Springer Science, (2010)
Jorgen Bauck Jensen. "Optimal Operation of Refrigeration Cycles", PhD thesis, NTNU, Faculty of Natural Sciences and Technology, Department of Chemical Engineering, (2008)
Cho, Jungho, Kim, Laehyun, "Design of the energy saving for the chemical process" Ajin, (2007)

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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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