극저온에서 운전되는 천연가스 액화공정은 에너지 소모가 매우 크다. 천연가스 액화공정 내 대부분의 에너지는 압축기에서 소모되기 때문에 압축기에 소모되는 총 에너지 소모량을 최소화 시키는 것이 공정 설계 및 운전 시 중요한 요소가 된다. 다양한 천연가스 액화공정 중 C3MR (Propane Pre-cooled Mixed Refrigerant) 공정은 혼합냉매와 순수냉매 사이클로 구성된다. 본 연구에서는 C3MR 공정 내 순수냉매 사이클의 최적의 설계를 찾기 위해 압력의 수를 다르게 하여 모사하였다. 이를 통해 압력 단계에 따라 압축기에서 필요로 하는 에너지양을 비교하였다. 또한, 장치 수에 따른 공정의 비용 분석을 위해 동력 공급 장치 선택 모델을 적용하였다. 결론적으로 장치를 많이 사용하는 설계일수록 더 적은 에너지를 필요로 한다는 결과를 얻을 수 있었으며, 이를 비용적인 측면으로 전환하여 평가 할 수 있는 기준을 제시하였다.
극저온에서 운전되는 천연가스 액화공정은 에너지 소모가 매우 크다. 천연가스 액화공정 내 대부분의 에너지는 압축기에서 소모되기 때문에 압축기에 소모되는 총 에너지 소모량을 최소화 시키는 것이 공정 설계 및 운전 시 중요한 요소가 된다. 다양한 천연가스 액화공정 중 C3MR (Propane Pre-cooled Mixed Refrigerant) 공정은 혼합냉매와 순수냉매 사이클로 구성된다. 본 연구에서는 C3MR 공정 내 순수냉매 사이클의 최적의 설계를 찾기 위해 압력의 수를 다르게 하여 모사하였다. 이를 통해 압력 단계에 따라 압축기에서 필요로 하는 에너지양을 비교하였다. 또한, 장치 수에 따른 공정의 비용 분석을 위해 동력 공급 장치 선택 모델을 적용하였다. 결론적으로 장치를 많이 사용하는 설계일수록 더 적은 에너지를 필요로 한다는 결과를 얻을 수 있었으며, 이를 비용적인 측면으로 전환하여 평가 할 수 있는 기준을 제시하였다.
Natural gas liquefaction process which is operated under cryogenic condition spends large amount of energy. Most of energy in the natural gas liquefaction process is consumed by compressors. Therefore, minimizing energy consumption of compressors is an important issue in process design and operation...
Natural gas liquefaction process which is operated under cryogenic condition spends large amount of energy. Most of energy in the natural gas liquefaction process is consumed by compressors. Therefore, minimizing energy consumption of compressors is an important issue in process design and operation. Among various natural gas liquefaction processes, propane pre-cooled mixed refrigerant (C3MR) process consists of mixed refrigerant system and pure refrigerant system. In this study, to find the optimal design of pure refrigerant system, pure refrigerant cycle is simulated on different number of pressure levels and the necessary energy of each design is compared. After that, the driver selection model is applied to analyse each processes, which has different number of equipments, in terms of cost. As the result, the design using many equipments spends lower energy. Using this result, this study suggests standard of process design selection by the cost term.
Natural gas liquefaction process which is operated under cryogenic condition spends large amount of energy. Most of energy in the natural gas liquefaction process is consumed by compressors. Therefore, minimizing energy consumption of compressors is an important issue in process design and operation. Among various natural gas liquefaction processes, propane pre-cooled mixed refrigerant (C3MR) process consists of mixed refrigerant system and pure refrigerant system. In this study, to find the optimal design of pure refrigerant system, pure refrigerant cycle is simulated on different number of pressure levels and the necessary energy of each design is compared. After that, the driver selection model is applied to analyse each processes, which has different number of equipments, in terms of cost. As the result, the design using many equipments spends lower energy. Using this result, this study suggests standard of process design selection by the cost term.
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문제 정의
본 연구에서는 순수냉매 시스템의 압력단계를 다르게 하여 설계하고 동일 조건에서 모사하였다. 또한, 동력 공급 장치 선택모델을 통해 각 설계안별로 에너지 공급에 필요한 최소의 비용을 계산하고 비교하였다.
제안 방법
본 연구에서는 공정 설계에 따른 에너지 소모량 분석을 위해 C3MR 공정 내 프로판 사이클을 압력 레벨이 다르게 하여 3가지로 설계하였다. 또한 각각의 설계에 필요한 동력을 가격적으로 분석하기 위해 동력 공급 장치 선택 모델을 적용하였다.
동력 공급 장치의 선택 관련 여부는 선택 변수 (binary variable)로 나타내었다. 또한 같은 종류의 가스터빈을 최대 압축기 개수인 8개 까지 중복해서 선택 할 수 있도록 구성하였다.
본 연구에서는 순수냉매 시스템의 압력단계를 다르게 하여 설계하고 동일 조건에서 모사하였다. 또한, 동력 공급 장치 선택모델을 통해 각 설계안별로 에너지 공급에 필요한 최소의 비용을 계산하고 비교하였다. 이후 공정 내 주요 장치의 설치비용을 비교하여 결론적으로 5단계의 압력 설계안이 가장 좋은 설계라는 결론을 얻었다.
가장 널리 상용화된 천연가스 액화공정인 C3MR 공정은 프로판을 냉매로 사용하는 1개의 순수 냉매 사이클과 1개의 혼합 냉매 사이클로 구성되어 있다[6]. 본 연구에서는 공정 설계에 따른 에너지 소모량 분석을 위해 C3MR 공정 내 프로판 사이클을 압력 레벨이 다르게 하여 3가지로 설계하였다. 또한 각각의 설계에 필요한 동력을 가격적으로 분석하기 위해 동력 공급 장치 선택 모델을 적용하였다.
본 연구에서는 순수냉매 시스템의 중간단계 압력을 설정하는데 있어서 압력간의 온도가 등온도차가 되도록 조건을 설정하였다[2]. 모사를 통해 계산된 각 압축기에서의 에너지 요구량을 Table 4에 나타내었다.
순수냉매 사이클의 압력단계와 압축기에서 소모되는 에너지 소모량에 대한 관계를 파악하기 위해 천연가스와 혼합냉매의 유입 및 유출 조건들은 모두 일정하게 하였다. 압력단계의 수 다른 위 3가지 설계안에 대해 순수냉매 사이클에 들어오고 나가는 천연가스 및 혼합냉매의 온도, 압력, 유량 조건은 Table 1에 나타내었다.
압력 단계에 따라 압축기에 소모되는 에너지를 비교하기 위해 5MTPA(million ton per annum) C3MR 플랜트를 기준으로, 다음과 같은 모사조건을 설정하였다.
그러나 3가지 설계안은 각각 포함하는 장치의 수가 다르기 때문에 비용적인 측면에서 비교․분석하여야 한다[2]. 이를 위하여 본 연구에서는 압축기에서 필요로 하는 에너지를 공급하는 동력 공급 장치 선택모델을 추가하였다. 동력 공급 장치 선택모델은 최소의 비용으로 압축기에 필요한 에너지를 공급하도록 구성하였다.
이후 동력 공급 장치 선택모델을 적용하여 압축기에서 필요로 하는 에너지를 공급하는데 드는 비용을 계산하고 비교하였다. 공정 내 주요 장치의 설치 비용은 centrifugal, 1000 psi, 30 MW 용량의 압축기가 2007년 미국 기준으로 약 $8,570,000 이며, 열교환면적이 60 m2인 shell and tube, 스테인리스 스틸 재질의 열교환기는 약 $141,400이다[8].
가스터빈은 제조사에 의해 용량이 정해져 있는 경우가 대부분이므로, 압축기가 요구하는 에너지양을 정확히 맞추지 못하고 부족하거나 남게 된다. 터빈에서 제공하는 에너지가 부족할 경우 헬퍼 모터를 붙여서 부족한 에너지를 추가적으로 공급할 수 있도록, 반대의 경우에는 헬퍼 제너레이터를 붙여서 남는 에너지를 전기 에너지로 전환할 수 있도록 모델을 구성하였다. 헬퍼 모터 및 헬퍼 제너레이터 또한 가격적인 부분에서 이익을 볼 수 없으면 선택하지 않는다.
대상 데이터
헬퍼 모터 및 헬퍼 제너레이터 또한 가격적인 부분에서 이익을 볼 수 없으면 선택하지 않는다. 가스터빈은 General Electric 사에서 제공하는 터빈을 적용하였으며, 이에 대한 용량 및 가격정보를 Table 2에 나타내었다. 또한 에너지를 공급하는 동력 공급 장치의 제약조건을 Table 3에 나타내었다.
3을 통해 모사하였다. 압력단계를 4단계로 구성하기 위해 3개의 압축기를, 압력 단계를 5단계로 구성하기 위해 4개의 압축기를, 6단계로 구성하기 위해 5개의 압축기를 사용하였다. 압력단계가 4단계 및 5단계인 순수냉매 사이클의 공정모식도를 Fig.
이론/모형
동력 공급 장치 선택모델은 최소의 비용으로 압축기에 필요한 에너지를 공급하도록 구성하였다. 모델에 사용된 동력 공급 장치는 가스터빈, 모터, 헬퍼 모터 및 헬퍼 제너레이터이며, 모델은 연간 총 비용이 최소가 되도록 MINLP (Mixed-Integer Non-Linear Programming)를 사용하였다. 각 압축기는 가스터빈 또는 모터로부터 에너지를 공급 받을 수 있다.
본 연구에서는 순수냉매 사이클의 모사를 위해 Peng-Robinson 상태방정식을 선택하였으며, Aspen HYSYS v7.3을 통해 모사하였다. 압력단계를 4단계로 구성하기 위해 3개의 압축기를, 압력 단계를 5단계로 구성하기 위해 4개의 압축기를, 6단계로 구성하기 위해 5개의 압축기를 사용하였다.
성능/효과
공정 모사 후 동력 장치 선택모델을 적용한 결과, 4단계 압력 설계안의 경우 압축기에서 총 64.28 MW 를 필요로 하고 5단계 압력 설계안의 경우 59.46 MW, 6단계 압력 설계안의 경우 57.31 MW를 필요로 하였다. 결론적으로 공정 내 장치수가 많아지면 총 에너지 소모량은 줄어들지만 추가 장치에 대한 설치비용 및 운전비용이 필요하게 된다.
그러나 6단계 압력 설계안을 선택하게 되면 오히려 공정 내 추가 장치비용 때문에 5단계 압력 설계안 보다 총 $4,048,800의 손실이 있게 된다. 따라서 5단계 압력 설계안이 가장 좋은 설계라는 결론을 얻을 수 있다.
이를 총 플랜트 수명기간으로 환산하면 5단계 압력 설계안을 선택하면 4단계 압력 설계안을 선택하는 것보다 에너지 제공 비용을 연간 약 2100 만$을 절감할 수 있다. 또한 6단계 압력 설계안을 선택하면 5단계 압력 설계안을 선택하는 것 보다 에너지 제공 비용을 총 연간 약 470 만$을 절감할 수 있다.
이를 통해 에너지를 공급함에 있어서 4단계 압력 설계안에 대해 연간 약 2570 만$이 필요하며, 5단계 압력 설계안에 대해 연간 약 2480만$이, 6단계 압력 설계안에 대하여 연간 약 2460 만$의 비용이 필요하다는 결과를 얻을 수 있었다. 이를 총 플랜트 수명기간으로 환산하면 5단계 압력 설계안을 선택하면 4단계 압력 설계안을 선택하는 것보다 에너지 제공 비용을 연간 약 2100 만$을 절감할 수 있다. 또한 6단계 압력 설계안을 선택하면 5단계 압력 설계안을 선택하는 것 보다 에너지 제공 비용을 총 연간 약 470 만$을 절감할 수 있다.
동력 공급 장치 선택모델은 에너지 요구량을 비용으로 전환하여 보여준다. 이를 통해 에너지를 공급함에 있어서 4단계 압력 설계안에 대해 연간 약 2570 만$이 필요하며, 5단계 압력 설계안에 대해 연간 약 2480만$이, 6단계 압력 설계안에 대하여 연간 약 2460 만$의 비용이 필요하다는 결과를 얻을 수 있었다. 이를 총 플랜트 수명기간으로 환산하면 5단계 압력 설계안을 선택하면 4단계 압력 설계안을 선택하는 것보다 에너지 제공 비용을 연간 약 2100 만$을 절감할 수 있다.
또한, 동력 공급 장치 선택모델을 통해 각 설계안별로 에너지 공급에 필요한 최소의 비용을 계산하고 비교하였다. 이후 공정 내 주요 장치의 설치비용을 비교하여 결론적으로 5단계의 압력 설계안이 가장 좋은 설계라는 결론을 얻었다. 보다 정확한 비교를 위해서는 각 설계안 마다 순수냉매 시스템과 혼합냉매 시스템의 통합적 최적화가 이루어져야 하며, 최적화된 에너지 소모량을 비용화 하는 동력 공급 장치 선택모델과 통합되어야 한다.
후속연구
31 MW를 필요로 하였다. 결론적으로 공정 내 장치수가 많아지면 총 에너지 소모량은 줄어들지만 추가 장치에 대한 설치비용 및 운전비용이 필요하게 된다. 따라서 장치를 추가적으로 구성함으로 감소시킬 수 있는 에너지가 얼마나 되는지 같은 기준으로 분석할 필요가 있다.
이후 공정 내 주요 장치의 설치비용을 비교하여 결론적으로 5단계의 압력 설계안이 가장 좋은 설계라는 결론을 얻었다. 보다 정확한 비교를 위해서는 각 설계안 마다 순수냉매 시스템과 혼합냉매 시스템의 통합적 최적화가 이루어져야 하며, 최적화된 에너지 소모량을 비용화 하는 동력 공급 장치 선택모델과 통합되어야 한다. 또한 압축기와 열교환기 등의 주요 장치들은 용량에 따라 그 가격을 달리 하므로, 플랜트 스케일에 따라 장치의 용량이 변하게 되며 이러한 정보들 역시 모델에 반영되어야 한다.
또한 압축기와 열교환기 등의 주요 장치들은 용량에 따라 그 가격을 달리 하므로, 플랜트 스케일에 따라 장치의 용량이 변하게 되며 이러한 정보들 역시 모델에 반영되어야 한다. 이런 방향으로 천연가스 액화공정의 냉매 및 에너지 시스템에 관한 연구가 추가적으로 진행될 필요가 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
천연가스는 어떻게 수송하게 되는가?
천연가스는 파이프라인을 통하거나 액화시켜 수송하게 된다. 천연가스를 상온에서 약 -160℃까지 냉각시키게 되면 액체상태가 되는데, 이때 전체 부피가 약 1/600로 감소하게 된다.
C3MR 공정은 무엇으로 구성되어 있는가?
가장 널리 상용화된 천연가스 액화공정인 C3MR 공정은 프로판을 냉매로 사용하는 1개의 순수 냉매 사이클과 1개의 혼합 냉매 사이클로 구성되어 있다[6]. 본 연구에서는 공정 설계에 따른 에너지 소모량 분석을 위해 C3MR 공정 내 프로판 사이클을 압력 레벨이 다르게 하여 3가지로 설계하였다.
에너지 효율은 LNG 플랜트의 설계 및 운전 시 가장 중요하게 고려되어야 하는 요소 중 하나인 이유는 무엇인가?
천연가스는 파이프라인을 통하거나 액화시켜 수송하게 된다. 천연가스를 상온에서 약 -160℃까지 냉각시키게 되면 액체상태가 되는데, 이때 전체 부피가 약 1/600로 감소하게 된다. 따라서 장거리 수송 시 천연가스를 액화시키게 된다. [4]. 이렇듯 천연가스 액화공정은 극저온에서 운전되기 때문에 많은 양의 에너지를 필요로 한다. 때문에 에너지 효율은 LNG 플랜트의 설계 및 운전 시 가장 중요하게 고려되어야 하는 요소 중 하나이다.
참고문헌 (8)
Satish Kumar, Hyouk-Tae Kwon, Kwang-Ho Choi, Jae Hyun Cho, Wonsub Lim, and Il Moon, "Current status and future projections of LNG demand and supplies: A global prospective", Energy Policy, 39, 4097-4104, (2011)
Inkyu Lee, Kyungjae Tak, Wonsub Lim, and Il Moon, "Case Studies for Optimizaing Energy Efficiency of Propane Cycle Pressure Levels on C3-MR Process", Journal of the Korean Institute of Gas, 15, 6, 38-43, (2011)
Kyungjae Tak, Wonsub Lim, Daeho Ko, Kwangho Choi, and Il Moon, "Optimization of Mixed- Refrigerant System in LNG Liquefaction Process", May 30, ESCAPE 21, (2011)
L. Castillo, M. Majzoub Dahouk, S. Di Scipio, and C.A. Dorao, "Conceptual analysis of the precooling stage for LNG processes", Energy Conversion and Management, 66, 41-47, (2013)
Meiqian Wang, Jian Zhang, and Qiang Xu, "Optimal design and operation of a C3MR refrigeration system for natural gas liquefaction", Computer and Chemical Engineering, 39, 84-95, (2012)
Abdullah Alabdulkarem, Amir Mortazavi, Yunho Hwang, Reinhard Radermacher, and Peter Rogers, "Optimization of propane pre-cooled mixed refrigerant LNG plant", Applied Thermal Engineering, 31, 1091-1098, (2011)
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