[논문]열교환기 효율이 초저온 냉동사이클 성능에 미치는 영향

윤정인

doi:10.9726/kspse.2013.17.4.058

열교환기 효율이 초저온 냉동사이클 성능에 미치는 영향
Effect on Heat Exchangers Efficiency on Performance of Cryogenic Refrigeration Cycles 원문보기

한국동력기계공학회지 = Journal of the korean society for power system engineering, v.17 no.4, 2013년, pp.58 - 63

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This paper presents the new cascade liquefaction cycles using $CO_2-C_2H_6-N_2$ and $CO_2-N_2O-N_2$. The performance of the cascade liquefaction cycles with respect to temperature differences in the LNG heat exchangers is analyzed using HYSYS software and then compared the performance of these cycles with phillips optimized cascade liquefaction cycle. The coefficient of performance of the new liquefaction cycles considered in this study decreases with the temperature differences in the LNG heat exchangers, but the compressor work, expander work and heat capacity in the LNG heat exchanger increases, respectively. From the comparison of performance of three cycles, the cascade liquefaction cycles using $CO_2-C_2H_6-N_2$ showed the highest COP. And the cycles using $CO_2-C_2H_6-N_2$ and $CO_2-N_2O-N_2$ presented the second and third highest COP, respectively. In the view of performance, the optimized cascade liquefaction cycle using $C_3H_8-C_2H_4-C_1H_4$ yields much better COP. But, in the environment view, it is found that the cascade liquefaction cycle using $CO_2-C_2H_6-N_2$ shows favorable characteristics.

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문제 정의

따라서 본 논문에서는 이 액화사이클내 LNG 열교환기의 온도차가 성능에 미치는 영향(성능, 압축일량, 열교환기 열량 등)을 분석하고, 그 결과를 기존의 옵티마이저 캐스케이드 액화공정과 비교하였다.
본 연구에서는 3개의 액화사이클에 대해서 열교환기 효율이 성능에 미치는 영향을 살펴보았으며, 그 결론은 아래와 같다.

제안 방법

본 절에서는 앞에서 제시한 3개의 액화사이클의 성능에 대한 LNG 열교환기의 온도차의 영향을 파악한 후, 그 성능을 서로 비교하였다.

대상 데이터

1은 본 논문에서 제안하는 새로운 단일냉매용 캐스케이드 액화사이클로서 CO2, C2H6, N2를 냉매로 하는 CO2-C2H6-N2 (Carbon dioxideEthane-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.
Fig. 1은 본 논문에서 제안하는 새로운 단일냉매용 캐스케이드 액화사이클로서 CO2, C2H6, N2를 냉매로 하는 CO2-C2H6-N2 (Carbon dioxideEthane-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.
따라서 본 연구에서는 일반적으로 적용되고 있는 나이지리아 가스전의 천연가스 조성비를 HYSYS에 적용하여 시뮬레이션 하였다. 천연가스의 유량은 트레인 용량 5 MTPA(Million Ton Per Annum)를 기준으로 설정하였다. 이러한 가정조건 및 트레인 용량은 한국가스공사에서 개발하고자 하는 기준이다.

이론/모형

세계 곳곳의 가스전에서 추출되는 천연가스의 조성은 다르기 때문에 HYSYS11)를 이용하여 초저온 액화사이클을 시뮬레이션할 경우 그 결과값도 달라진다. 따라서 본 연구에서는 일반적으로 적용되고 있는 나이지리아 가스전의 천연가스 조성비를 HYSYS에 적용하여 시뮬레이션 하였다. 천연가스의 유량은 트레인 용량 5 MTPA(Million Ton Per Annum)를 기준으로 설정하였다.

성능/효과

Fig. 5 (a)로부터, CO2-N2O-N2용 초저온 액화사이클의 압축기 일량은 약 29.9% 정도 증가하였다. 그 이유를 살펴보면, LNG 열교환기내 온도차가 증가할수록 CO2와 N2O 사이클내 냉매 순환량이 각각 감소하여 CO2 사이클내 저단과 중단 압축기의 일량, N2O 사이클의 저단과 고단 압축기 일량은 감소한다.
9% 정도 증가하였다. 그 이유를 살펴보면, LNG 열교환기내 온도차가 증가할수록 CO2와 N2O 사이클내 냉매 순환량이 각각 감소하여 CO2 사이클내 저단과 중단 압축기의 일량, N2O 사이클의 저단과 고단 압축기 일량은 감소한다. 하지만 CO2 사이클내 고단 압축기의 경우는 LNG 열교환기 Ⓐ에서 N2O 사이클의 응축이 일어나고 LNG 열교환기내 온도차의 증가로 인해 LNG 열교환기 Ⓐ내 N2O 사이클의 응축 온도와 압력 또한 증가한다.
따라서 N2 사이클내 압축기 일량의 급격한 증가로 인해 CO2 -N2O-N2용 초저온 액화사이클의 압축기 일량은 증가하게 된다. 그리고 CO2-N2O-N2용 초저온 액화사이클의 성능계수는 약 19.6% 정도 감소하였다. 이는 Fig.
따라서 위의 결과로부터 C3H8- C2H4-C1H4용 초저온 액화사이클의 성능계수(COP)는 약 14.6% 정도 감소하였다.
본 연구에서 고려하고 제안한 3개의 액화사이클의 성능계수, 압축일량, LNG 열교환기 열량, 팽창기 일량 등은 LNG 열교환기의 온도차에 영향을 받음을 확인할 수 있었다. 그 중에서 압축기와 팽창기의 일량이 가장 크게 변하는 것을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가스전에서 액화공정은 무엇을 의미하는가?	가스전에서 가스를 추출해 내는 추출 공정, 산성 가스 제거, 수은과 수분 제거, 중질의 가스를 제거하는 전처리 공정, 액화 공정, 저장 공정 등 4가지로 구성된다. 1) 이러한 과정 중 핵심적인 액화공정은 초저온 액화장치를 이용하여 천연가스를 선박 수송에 용이하도록 체적을 줄이기 위해서 -160℃이하로 냉각 및 액화시키는 것을 의미한다. 이러한 액화공정에 사용되는 액화장치는 작동유체의 구성에 따라 크게 2가지로 나눌 수 있다.
	단일냉매용 캐스케이드 액화사이클 중 대표적으로 사용되는 액화공정은 무엇인가?	단일냉매용 캐스케이드 액화사이클의 종류에는 여러 가지가 있지만 가장 대표적으로 사용되는 액화공정은 Phillips optimized cascade process이다. 이 장치도는 참고문헌(9, 10)에서 이미 설명하고 있어 여기서는 생략하고자 한다.
	액화장치는 작동유체의 구성에 따라 어떻게 나눌 수 있는가?	이러한 액화공정에 사용되는 액화장치는 작동유체의 구성에 따라 크게 2가지로 나눌 수 있다. 하나는 혼합냉매 액화사이클(MR Cycle)이며, 다른 하나는 단일냉매 캐스케이드 액화사이클(Cascade Cycle)이다.

참고문헌 (11)

Y. S. Yoon, 2008, "Gas Plant Agency's detailed plan of Korea Gacs Corporation", pp. 22-29.
D. L. Andress., 1996, "The Phillips Optimized Cascade LNG Process a Quarter Century of Improvement". The Permission of the Institute of Gas Technology.
Y. Kikkawa et. al., 1997, "Development of Liquefaction Process for Natural Gas". Journal of Chemical Engineering of Japan. Vol. 30. No. 4. pp. 625-630.

상세보기
L. Terry., 1998, "Comparison of Liquefaction Process". LNG Journal 21. No. 3. pp. 28-33.
W. Sheng Cao et. al., 2006, "Parameter Comparison of Two Small-scale Natural Gas Liquefaction Process in Skid-mounted Packages". Applies Thermal Engineering. No. 26. pp. 898-904.
L. Y. Liu et al., 1998, "LNG liquefier efficiency", Proceeding of the LNG 12, Institute Gas Technology, Perth.
W. Foerg et al., 1998, "A new LNG base load process and the manufacturing of the main heat exchanger", Proceedings of the LNG 12, Institute Gas Technology, Perth, WA, Australia.
K. J. Vink, R. K. Nagelvoort, 1998, "Comparison of base load liquefaction process", Liquefied Natural Gas, pp. 1-15.
J. I. Yoon et al., 2012, "Efficiency and exergy analysis of new liquefaction cycles applied for LNG FPSO," Journal of the Korean society of marine engineering, Vol. 36, No. 5, pp. 574-579.

원문보기 상세보기
J. I. Yoon et al., 2012, "Characteristics of cryogenic cascade refrigeration cycle for liquefaction of natural gas with the pressure drop of heat exchanger" Journal of the Korean society of marine engineering, Vol. 36, No. 6, pp. 756-761.

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HYSYS 7., Documentation. Customization Guide. AEA Technology-Hyprotech, Ltd: Calgary; Canada.

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