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문제 정의
- 본 설계의 목적은 공정에서 동력을 사용하는 압축기의 소비동력을 최소로 하는 최적의 혼합냉매 조성을 찾는 것이다. 일반적으로 최적화를 논할 때 초기비용과 연간 운전 비용, 장비 비용 같은 요소들을 고려해야 하지만 이번 연구에서는 액화공정을 위한 장비 구매는 마친 것으로 가정하고 운전비용의 최소화를 목적함수로 정하였다.
- APCI社의 C3MR공정은 전 세계 액화플랜트의 60% 이상 적용되고 있는 대표적인 액화 공정으로 대용량의 천연가스를 액화하기에 적합하며 높은 효율을 가지고 있다. 본 연구에서는 상용화된 LNG 공정 중 널리 사용되고 있는 C3MR 공정을 대상으로, 전체 공정의 에너지 소비를 최소로 하는 최적의 혼합 냉매 조성을 통계 최적화 기법을 사용하여 구하고자 한다. 본 연구의 내용은 다음과 같다.
- 변동 요인을 하나의 인자에 의한 효과와 복수인자의 복합 효과의 두 종류의 요인 효과로 나누어서, 그것들을 모델의 모수 또는 변량이라 생각하고 추측을 행하는 것이다. 본 연구의 목적은 액화공정에서 사용되는 동력의 최소화를 위한 혼합냉매의 조성을 얻는 것이므로 ANOVA를 통한 결과 중 각 항의 계수를 이용하여 동력이 감소하는 조성을 찾아나갔다. 계수를 이용한 조성은 식 (4)를 이용하여 점진적으로 찾아나갔으며 과정 중 설계 조건을 벗어나서 공정이 수렴하지 않는 지점은 결과에서 제외하였다.
- 초기 설계조건에서부터 두 번의 혼합물설계와 두 번의 중심합성계획법을 사용하였다. 이 과정에서 결과값에 가장 큰 영향을 미치는 요인을 알아보았다. 주어진 제한조건 하에서 각각의 실험계획법은 수십개의 혼합냉매 조건을 제시하였고 각각을 공정에 적용하여 각 시도(Run)에서 압축기가 소비하는 동력을 합산하여 결과값으로 사용하였다.
- 일정한 응축 및 기화 압력과 냉매 유량 하에서 C1, C2, C3, N2의 네 가지 성분으로 이루어진 혼합냉매의 조성이 변함에 따라 압축기에서 소요되는 동력변화를 구하여 그 값이 최소가 되는 혼합냉매 조성을 찾는 것이 본 연구의 목적이다. 이때 뜨거운 흐름과 차가운 흐름의 온도 교차가 일어나는 경우엔 평가 대상 데이터에서 제외하였다.
가설 설정
- Little [8]이 고안한 액체냉매 공급시스템은 운전 압력을 가정하여 조성을 계산하는데 응축기 혹은 후냉기에서 부분응축에만 적용 가능하다는 제약이 있다. Alexeev and Quack [9]은 233K~243 K의 예냉사이클을 가진 냉각 사이클에 적용할 수 있는 조성선택 방법을 제안하였는데, 마찬가지로 작동 압력을 가정하였고 또한 체적효율이 100%라는 가정을 사용하였다. 한편, Gong et al.
- S)과 중탄화수소체가 포함되어 있다. 이번 연구에서는 천연가스를 전처리를 통해 이런 불순물을 모두 제거하였다고 가정하였다. 그렇게 전처리된 천연가스와 초기 모사에 사용했던 C3와 MR의 조성은 Table 1에 나타냈다.
- 본 설계의 목적은 공정에서 동력을 사용하는 압축기의 소비동력을 최소로 하는 최적의 혼합냉매 조성을 찾는 것이다. 일반적으로 최적화를 논할 때 초기비용과 연간 운전 비용, 장비 비용 같은 요소들을 고려해야 하지만 이번 연구에서는 액화공정을 위한 장비 구매는 마친 것으로 가정하고 운전비용의 최소화를 목적함수로 정하였다. 액화에 사용되는 동력은 압축기를 위한 동력이 유일하므로 압축기를 위한 동력의 최소화를 목적함수로 둔다.
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