해양의 환경오염을 줄이기 위하여 LNG 운송선박, 벙커링 선박 및 LNG를 연료로 추진되는 선박의 건조가 증가하고 있다. 이러한 LNG 선박의 저장탱크들은 외부로부터의 열유입으로 증발가스가 지속적으로 발생하고 있으며, 최근 국내 조선사들은 이 BOG를 재액화하여 회수하는 장치를 개발하여 보급하고 있다. 본 연구에서는 부분재액화 처리장치들의 이론적 최대 재액화 수율을 분석하고 재액화 수율에 미치는 영향 인자들을 비교하였다. 해석결과, BOG와 플래시 가스가 보유한 냉열을 열교환으로 간접 이용하는 부분재액화 처리장치는 최대 48.7%가 되었으며, BOG와 플래시 가스가 혼합 합체되어 냉열이 직접 이용되는 부분재액화 처리장치는 최대 41%로 해석되었다. 또한 액체 수율에 크게 영향을 미치는 인자로는 열교환기의 효율로 열교환기의 성능과 단열이 매우 중요한 것임을 알 수 있다.
해양의 환경오염을 줄이기 위하여 LNG 운송선박, 벙커링 선박 및 LNG를 연료로 추진되는 선박의 건조가 증가하고 있다. 이러한 LNG 선박의 저장탱크들은 외부로부터의 열유입으로 증발가스가 지속적으로 발생하고 있으며, 최근 국내 조선사들은 이 BOG를 재액화하여 회수하는 장치를 개발하여 보급하고 있다. 본 연구에서는 부분재액화 처리장치들의 이론적 최대 재액화 수율을 분석하고 재액화 수율에 미치는 영향 인자들을 비교하였다. 해석결과, BOG와 플래시 가스가 보유한 냉열을 열교환으로 간접 이용하는 부분재액화 처리장치는 최대 48.7%가 되었으며, BOG와 플래시 가스가 혼합 합체되어 냉열이 직접 이용되는 부분재액화 처리장치는 최대 41%로 해석되었다. 또한 액체 수율에 크게 영향을 미치는 인자로는 열교환기의 효율로 열교환기의 성능과 단열이 매우 중요한 것임을 알 수 있다.
To protect the ocean environment, the use of liquefied natural gas (LNG) carriers, bunkering ships, and fueled ships is increasing. Recently, Korean shipbuilders have developed and supplied a partial reliquefaction facility for boil-off-gas (BOG). Despite reasonable insulation, heat leakage in vesse...
To protect the ocean environment, the use of liquefied natural gas (LNG) carriers, bunkering ships, and fueled ships is increasing. Recently, Korean shipbuilders have developed and supplied a partial reliquefaction facility for boil-off-gas (BOG). Despite reasonable insulation, heat leakage in vessel storage tanks causes LNG to be continuously evaporated as BOG. This research analyzed the maximum liquid yield rate for various partial reliquefaction systems (PRS) and considered related factors affecting yields. The results showed a liquid yield of 48.7% from an indirect PRS system (heat exchanges between cold flash gas and compressed natural gas), and 41% from a direct PRS system (BOG is mixed with flash gas and discharged from a liquid-vapor separator). The primary factor affecting liquid yield was heat exchanger effectiveness; the exchanger's efficiency and insulation characteristics directly affect the performance of BOG reliquefaction systems.
To protect the ocean environment, the use of liquefied natural gas (LNG) carriers, bunkering ships, and fueled ships is increasing. Recently, Korean shipbuilders have developed and supplied a partial reliquefaction facility for boil-off-gas (BOG). Despite reasonable insulation, heat leakage in vessel storage tanks causes LNG to be continuously evaporated as BOG. This research analyzed the maximum liquid yield rate for various partial reliquefaction systems (PRS) and considered related factors affecting yields. The results showed a liquid yield of 48.7% from an indirect PRS system (heat exchanges between cold flash gas and compressed natural gas), and 41% from a direct PRS system (BOG is mixed with flash gas and discharged from a liquid-vapor separator). The primary factor affecting liquid yield was heat exchanger effectiveness; the exchanger's efficiency and insulation characteristics directly affect the performance of BOG reliquefaction systems.
본 연구에서는 새롭게 개발되어 보급이 시작되고 있는 ME-GI엔진 LNG선박용 부분재액화 공정들(이하 PRS-A, PRS-B로 표기)의 이론적 재액화율을 분석하고, 재액화 수율에 미치는 영향 인자들을 검토하여 보다 효과적이고 안정적인 부분재액화 장치의 운용에 도움이 되고자 한다. 모든 공정 해석은 열손실이 없는 이론 사이클로 해석하였으며, 열역학 물성값은 Refprop 9.
제안 방법
0 kg/s가 재액화 공정인 지점 4로 흐르고, 잔여 고압가스는 지점 9인 엔진으로 배출되는 해석이다. 두번째 경우는 압축 후 고압 가스가 외부 지점 9로의 배출이 없이 전량재액화 시스템으로 순환되는 경우이다. 이것은 압축 유량이 지속적으로 증가하게 되므로 현실성이 없으나, 순환 유량이 증가할 때의 추이를 파악하고자 분석을 수행하였다.
본 연구에서는 2가지 경우에 대하여 동적 특성을 분석하였다. 첫번째 경우는 압축 후 발생하는 BOG량과 동일유량인 1.0 kg/s가 재액화 공정인 지점 4로 흐르고, 잔여 고압가스는 지점 9인 엔진으로 배출되는 해석이다. 두번째 경우는 압축 후 고압 가스가 외부 지점 9로의 배출이 없이 전량재액화 시스템으로 순환되는 경우이다.
대상 데이터
먼저 -130℃ 저온의 증발 BOG가 열교환기를 거친 후 10℃까지 상승하여 고압 압축기에 흡입되며, 압축기에서는 300bar까지 다단으로 압축된 후 온도가 30℃까지 냉각된다. 열교환기에서는 액기분리기에서 배출되는 -161.17℃의 플래시 포화가스를 10℃까지 이용하는 것으로 기준하여 분석 비교하였다. BOG 발생량은 1.
데이터처리
본 연구에서는 새롭게 개발되어 보급이 시작되고 있는 ME-GI엔진 LNG선박용 부분재액화 공정들(이하 PRS-A, PRS-B로 표기)의 이론적 재액화율을 분석하고, 재액화 수율에 미치는 영향 인자들을 검토하여 보다 효과적이고 안정적인 부분재액화 장치의 운용에 도움이 되고자 한다. 모든 공정 해석은 열손실이 없는 이론 사이클로 해석하였으며, 열역학 물성값은 Refprop 9.0을 사용하여 산정하였다.
성능/효과
(1) BOG 부분재액화 공정 중 플래시 가스의 냉열을 열교환 하는 간접 방식으로 재액화 공정에 이용하고 시스템 외부로 배출되는 PRS-A 공정은 최대 이론적 수율이 48.7% 정도가 된다.
(2) BOG 부분재액화 공정 중 플래시 가스가 시스템에 주입되는 직접 냉열이용 방식인 PRS-B 공정은 BOG 중질소의 양과 플래시 가스 중의 질소 성분 혼합 및 조성의 증가로 인하여 액체수율이 지속적으로 감소하여 41% 정도가 된다.
(3) 열교환기의 성능에 의하여 재액화 수율이 크게 좌우되므로 열교환 효율을 높이고 충분한 시스템 단열조치가 필요함을 알 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
냉열 제공원이 되는 BOG의 온도가 매우 낮은 이유는?
공정 중 250bar~300 bar까지 고압으로의 압축이 가능한 것은 LNG 선박의 ME-GI 엔진용으로 3~4단의 천연가스 고압압축기가 가설되기 때문이다. 냉열 제공원이 되는 BOG의 온도가 매우 낮은 것은 저장탱크 내의 -162℃ LNG가 90%~95% 이상 높이로 충전되어 운송되기 때문이다.
부분재액화 시스템이 공정 중 250bar~300 bar까지 고압으로의 압축이 가능한 이유는?
이 부분재액화 시스템은 저장탱크에서 대기압 상태로 증발된 BOG가 보유한 -100℃~-130℃의 저온 에너지를 이용하여 BOG의 일부만을 재액화하는 방법으로 간단한 Linde-Hampson 액화공정이 적용된 것이다[5]. 공정 중 250bar~300 bar까지 고압으로의 압축이 가능한 것은 LNG 선박의 ME-GI 엔진용으로 3~4단의 천연가스 고압압축기가 가설되기 때문이다. 냉열 제공원이 되는 BOG의 온도가 매우 낮은 것은 저장탱크 내의 -162℃ LNG가 90%~95% 이상 높이로 충전되어 운송되기 때문이다.
부분재액화 방법이란?
반면, 부분재액화(Partial re-liquefaction system, PRS) 방법은 증발하는 BOG가 보유하고 있는 냉열을 이용하여 일부를 재액화시키는 방법으로 간단한 설비로 액체 LNG를 얻는 에너지절약 효과를 보유한 매우 효과적인 공정이 된다. 이는 LNG를 연료로 사용하는 ME-GI엔진에 적용되는 것으로 현재 국내 조선사가 기술을 보유하고 있다[3][4].
참고문헌 (9)
J. D. Bukowski, Y. N. Liu, S. J. Boccella, and L. J. Kowalski, "Innovations in NG liquefaction technology for future LNG plants and floating LNG facilities," International Gas Union Research Conference. 2011. [Online]. Available: http://www.airproducts.nl/-/media/Files/PDF/industries/LNG-IGRC-innovations-in-natural-gas-liquefaction-technology.pdf
O. Mate and A. M. Diaz, IZAR BOG Reliquefaction System for Marine Applications, World Maritime Conference 17-20, 2003. [Online]. Available: http://www.sname.org/HigherLogic/System/DownloadDoc umentFile.ashx?DocumentFileKey310d4532-b5e7-4d50-bebf-7a8edb14d965
Daewoo Shipbuilding & Marine Engineering Co. Ltd., "Reliquefaction System and method For Boil Off Gas," Korea, Patent 1020130131946, 2013 (in Korean).
Hyundai Heavy Industries Co. Ltd., "Treatment System of Liquefied Gas," Korea, Patent 1020130147915, 2013 (in Korean).
R. F. Barron, Cryogenic Systems, 2tnd ed., NY, USA: Oxford University Press, 1985.
S. K. Yun, "Process design and analysis of BOG re-liquefaction system with pre-liquefaction of NGL," Journal of the Korean Institute of Gas, vol. 19, no. 3, pp. 32-38, 2015 (in Korean).
Y. Chin, J. W. Moon, Y. P. Lee, and H. M. Chang, "Thermodynamic analysis of re-liquefaction cycle of LNG boil-off gas," International Journal of Air-Conditioning and Refrigeration, vol. 19, no. 7, pp. 485-490, 2007 (in Korean).
D. K. Choi, J. K. Kang, Y. Moon, J. Jung, O. Kwon, and N. S. Kim, "Hybrid FGS System with Partial Re-Liquefaction Unit for MEGI Propelled LNG Carrier," Gastech Conference, 2014.
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