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혼합냉매를 이용한 천연가스 액화공정의 제어변수 분석
Analysis of the Control Variables for Natural Gas Liquefied Process Using Mixed Refrigerant 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.17 no.4, 2013년, pp.51 - 57  

이재용 (고등기술연구원) ,  김문현 (고등기술연구원) ,  박찬국 (고등기술연구원)

초록
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천연가스 액화 공정은 상온의 천연가스를 상압 $-160^{\circ}C$ 이하로 냉각해서 액화시키는 공정으로, 안정된 LNG 생산을 위해서는 최적의 제어 전략이 필요하다. 제어 전략을 수립할 때 가장 중요한 작업 중 하나가 공정의 분석인데, 조절 변수의 변화에 따른 제어 변수의 변화를 파악하는 것이다. 본 논문에서는 C3MR(Propane Pre-cooled Mixed Refrigerant) 공정으로 BSU(Bench Scale Unit)를 제작하여 천연가스 액화 공정을 실험하였다. 각 조절변수의 조작에 따른 유량의 변화가 공정에 미치는 영향을 알아보기 위해서 냉매의 유량변화에 따른 냉매 온도 변화 및 천연가스의 온도 변화를 분석하였고, 천연가스 자체의 유량 변화에 따른 냉매의 온도 변화를 분석함으로써 3개의 조절 변수와 공정의 제어변수들과의 관계를 알아보았다. 각 제어변수들은 독립적인 요소들이 아닌 서로 연관되어 유기적인 움직임을 보였으나, 특정 조절 변수의 변화에 따라 큰 반응을 보이는 제어 변수를 확인 할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

The process of liquefied natural gas is less then $-160^{\circ}C$ to natural gas by cooling at atmospheric pressure. When control strategy was made, one of the most significant is analysis of process. It is important to understand the control variable change according to manipulated varia...

주제어

#natural gas   #liquefied process   #bench scale unit   #control variables  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 천연가스 액화 공정 중 가장 널리 쓰이는 C3MR 공정을 대상으로 파일럿 플랜트를 제작하고 운전하여 세 개의 조절변수인 혼합냉매(MRL, MRV)와 천연가스의 제어밸브가 공정에 미치는 영향을 파악하였다. 제안한 시스템에서 혼합냉매와 천연가스는 기본적으로 천연가스의 유량이 증가하면 혼합냉매의 유량이 증가해야 하는 시스템이지만, 혼합냉매의 기상 부분과 액상 부분이 차지하는 역할이 다르고, 이 세 유체의 상관관계가 단순하지 않기 때문에 단순 regulatory 제어를 통해서 안정적인 운전을 하는데 무리가 있을 것이라 판단된다.
  • 시간에 지남에 따라 온도의 하강 폭이 작아지고 안정 상태에 접어들게 된다. 본 실험에서는 안정상태로 접어들 때까지의 냉매 유량에 대한 각 지점에 대한 온도 변화를 분석하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
냉매 사이클에서 압축기의 역할은 무엇인가? 천연가스 액화 공정에서 가장 큰 비중을 차지하는 기자재라 할 수 있는 것이 압축기이다. 냉매 사이클에서 압축기의 역할은 증발기에서 나온 기상 냉매를 다시 증발기 까지 밀어서 냉매 사이클을 유지하는 것과 냉매의 압력을 높여서 압축-팽창으로 인한 냉매 온도 강하를 유도하는 것이다[6]. 압축기는 여러 형태가 있는데, 크게 왕복동형 압축기와 원심식 압축기로 나눌 수 있다.
혼합냉매 공정의 장점은 무엇인가? 현존하는 LNG 플랜트 중 95% 이상이 혼합 냉매를 이용하며, 그 중에서 프로판 예냉 혼합냉매(C3MR) 공정이 가장 많이 사용되는 공정으로 알려져 있다. 혼합 냉매를 이용한 공정의 이점은 단일 냉매에 비해서 운전 압력이 낮고, 기상과 액상이 분리 된 이상(2-phase) 구간이 크기 때문에 열교환기의 열전달 효율이 좋다는 것이다[4].
천연가스를 생산하여 저장하는 방법은 무엇이 있는가? 특히 천연가스는 화력 발전소에서의 에너지원으로 많이 사용하는데, 미 에너지부에 따르면 비용적인 측면에서 천연가스를 이용한 전기 생산이 가장 효율적이라는 보고가 있다[1]. 천연가스를 생산하여 저장하는 방법은 상온에서 200 bar 이상의 고압으로 저장하는 방법과 5 bar 이하의 저압에서 –150℃ 이하로 액화하는 방법이 있다. 천연가스를 저장하는 가장 큰 이유는 사용처로 운반하기 위함인데, 주로 LNG(Liquified Natural Gas) 선을 이용해서 운반한다.
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참고문헌 (7)

  1. DOE study on domestic natural gas in the energy supply chain at Natural gas technology assessment. DOE/NETL. 1539 (2012) 

  2. Ibrahim Dincer, Mehmet Kanoglu, Refrigeration Systems and Applications, 1, 241, John Willy & Sons, Ltd, Hoboken (2010). 

  3. Arthur J. Kidnay, William R. Parrish, Fundamentals of Natural Gas Processing, 1, 289, CRC press, Boca Raton (2006). 

  4. G. Venkatarathnam, Cryogenic Mixed Refrigerant Process, 1, 149, Springer Science, New York (2008) 

  5. Tomas E. Marlin, Process Control: Designing processes and control systems for dynamic performance, 1, 216, MaGraw-Hill, Boston (2000). 

  6. Ibrahim Dincer, Mehmet Kanoglu, Refrigeration Systems and Applications, 1, 109, John Willy & Sons, Ltd, Hoboken (2010). 

  7. M. M. Faruque Hasan, I. A. Karimi, Operational Modeling of Multistream Heat Exchangers with Phase Changes, 55, 150, AIChE Journal, New York (2008). 

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