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소규모 가스전 규모에 따른 SMR 천연가스 액화 플랜트 용량별 비용 분석 사례연구
Case Studies for SMR Natural Gas Liquefaction Plant by Capacity in Small Scale Gas Wells through Cost Analysis 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.20 no.3, 2016년, pp.46 - 51  

이인규 (연세대학교 화공생명공학과) ,  조승식 (연세대학교 화공생명공학과) ,  이승준 (연세대학교 화공생명공학과) ,  문일 (연세대학교 화공생명공학과)

초록
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천연가스 액화공정은 극저온에서 운전되며, 에너지 집약적이다. 따라서 에너지 소모량을 최소화하기 위한 최적화 연구가 많이 진행되고 있으나, 천연가스 액화공정의 용량에 따른 비용 최적화는 많이 이루어지지 않고 있다. 본 연구에서는 다양한 천연가스 액화공정 중 SMR (Single Mixed Refrigerant) 공정을 대상으로, 용량별 설치비용과 운전비용을 분석하였다. SMR 공정의 용량은 1 MTPA (million ton per annum)부터 0.5 MTPA 단위로 증가하여 2.5 MTPA까지 설정하였다. 플랜트 용량의 증가에 따라 천연가스와 냉매의 유량만을 증가시켰으며, 온도, 압력, 조성 등 다른 운전조건은 모든 용량에서 동일하게 적용하였다. 비용 분석을 위해 Aspen Economic Evaluator(v8.7)를 사용하였으며, 비용 정보를 얻기 힘든 다중 흐름 열교환기의 경우에는 six tenths factor rule을 적용하여 계산하였다. 또한 용량별 SMR 공정의 비용 연구결과를 2천만 톤, 4천만 톤 및 8천만 톤 규모의 소규모 가스전에 대하여 적용한 결과, 가스전 규모에 따라 최적의 플랜트 용량을 찾을 수 있었다. 이러한 비용 분석을 통해 비용기반 최적화의 발판을 마련하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Natural gas liquefaction process which spends a huge amount energy is operated under cryogenic conditions. Thus, many researchers have studied on minimizing energy consumption of LNG plant. However, a few studied for cost optimization have performed. This study focused on the cost analysis for the s...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 천연가스 액화공정 중 하나의 혼합 냉매 사이클로 구성된 SMR 공정에 대하여 설치비 및 운전비를 평가하고, 이에 따른 단위 질량의 LNG를 생산하는데 필요한 비용을 계산하였다.

가설 설정

  • 또한 이를 통해 매장량이 1억 톤 이하인 소규모 가스전에 대하여 SMR 공정의 용량별 비용 분석을 수행하였다. 가스전의 규모는 2천만 톤, 4천만 톤 및 8천만 톤인 3가지로 가정하였으며, 규모별 가장 최적의 액화공정 용량을 사례 연구를 통해 찾아내었다.
  • 따라서 규모가 1억 톤 이하인 소규모 가스전에 대하여 각각의 플랜트 용량에 따른 비용 분석을 사례연구를 통해 수행하였다. 대상 가스전의 규모는 시추 가능한 가스양을 각각 2천만 톤, 4천만 톤 및 8천만 톤으로 가정하였다. 사례연구를 위해 먼저, 규모별 가스전에 대하여 SMR 액화 플랜트를 건설 할 경우의 시나리오를 설정하였다.
  • 설치비와 운전비를 합산하기 위해 플랜트 수명을 20년으로 가정하고, 설치비를 연간 설치비로 환산하였다. 환산 후 이를 합산하여 각각의 플랜트 용량에 따른 총 연간 비용을 산출하였다.
  • 천연가스 액화공정의 다중 흐름 열교환기는 플랜트 전체 설치비의 20~30%를 차지한다고 알려져 있다[10]. 이에 근거하여 1 MTPA 기준으로, 다중 흐름 열교환기의 비용이 전체 설치비의 30%를 차지한다고 가정하였다. 플랜트의 용량이 증가하는 경우에는 천연가스 및 냉매의 유량이 용량에 비례하여 증가한다.
  • 사례연구를 위해 먼저, 규모별 가스전에 대하여 SMR 액화 플랜트를 건설 할 경우의 시나리오를 설정하였다. 플랜트의 수명은 20년으로 가정하였으며, 20년 안에 시추 가능한 가스를 다 액화하지 못하는 경우 동일 용량의 플랜트를 중복 설치하도록 설정하였다. 3가지 규모의 가스전에 대하여 4가지 용량의 플랜트를 건설하는 총 12가지의 시나리오에 대해 트레인 수 및 플랜트 가동 기간을 Table 6에 나타내었다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
천연가스를 액화시키기 위해선 어떠한 조건에서 냉각시켜야하는가? 천연가스를 액화시키기 위해서는 상압에서 –16 3℃까지 냉각시켜야 한다[3]. 이러한 극저온 공정의 특성상 천연가스 액화공정은 매우 에너지 집약적이다 [4].
SMR 공정은 어떠한 공정에서 이용되는가? 다양한 천연가스 액화공정 중 가장 간단한 형태의 SMR (single mixed refrigerant) 공정은 하나의 혼합냉매(mixed refrigerant, MR) 사이클을 통해 천연가스를 냉각시킨다[6]. SMR 공정은 구조가 단순하기 때문에 소용량, 즉 3 MTPA (millon ton per annum)용량 이하의 공정에서 사용된다[7].
SMR 공정에서 혼합냉매를 어떻게 냉각시키는가? SMR 공정의 혼합냉매 사이클은 다음과 같은 특징을 가진다. 즉, 기체 상태의 혼합냉매를 압축 시킨 후 높은 압력에서 냉각수를 통해 냉각시킨다. 이후 다중 흐름 열교환기를 통해 온도를 더 낮추어 혼합냉매를 액체상태로 만든다.
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참고문헌 (11)

  1. The Outlook for Energy, A view to 2040, Exxon Mobile, (2015) 

  2. Kumar. S., Kwon. H., Choi. K., Lim. W., Cho. J. H., Tak. K., and Moon. I., "LNG: An eco-friendly cryogenic fuel for sustainable development", Applied Energy, 88, 4264-4273, (2011) 

  3. Kirillov. N. G., "Analysis of modern natural gas liquefaction technologies", Chemical and Petroleum Engineering, 40, 401-406, (2004) 

  4. Hatcher. P., Khalilpour, R., and Abbas, A., "Optimisation of LNG mixed-refrigerant processes considering operation and design objectives", Computers and Chemical Engineering, 41, 123-133, (2012) 

  5. Lee. I., Tak. K., Lee. S., Ko. D., and Moon. I., "Decision Making on Liquefaction Ratio for Minimizing Specific Energy in a LNG Pilot Plant", Industrial & Engineering Chemistry Research, 54, 12920-12927, (2015) 

  6. Tak. K., Lee. I., Kwon. H., Kim. J., Ko. D., and Moon. I., "Comparison of Multistage Compression Configurations for Single Mixed Refrigerant Processes", Industrial & Engineering Chemistry Research, 54, 9992-10000, (2015) 

  7. Lim. W., Choi. K., and Moon. I., "Current Status and Perspectives of Liquefied Natural Gas (LNG) Plant Design", Industrial & Engineering Chemistry Research, 52, 3065-3088, (2013) 

  8. Wang. M., Zhang. J., and Xu. Q., "Optimal design and operation of a C3MR refrigeration system for natural gas liquefaction", Computers and Chemical Engineering, 39, 84-95, (2012) 

  9. Alabdulkarem. A., Mortazav. A., and Hwang. Y., Radermacher. R., Rogers. P., "Optimization of propane pre-cooled mixed refrigerant LNG plant", Applied Thermal Engineering, 31, 1091-1098, (2011) 

  10. Norwegian University of Science and Technology, Modelling of Multistream LNG Heat Exchangers, (2011) 

  11. Moore. F. T., "Economies of Scale: Some Statistical Evidence", Oxford University Press, 73, 232-245, (1959) 

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