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 Analysis원문보기
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.
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.
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...
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 single mixed refrigerant (SMR) process, one of the simplest natural gas liquefaction process, which has different capacity. The process capacity is increased from 1 million ton per annum (MTPA) to 2.5 MTPA by 0.5 MTPA steps. According to the increase of plant size, only flow rate of natural gas and mixed refrigerant are increased and other operating conditions are fixed. Aspen Economic Evaluator(v.8.7) is used for the cost analysis and six tenths factor rule is applied to obtain multi stream heat exchanger cost data which is not supplied by Aspen Economic Evaluator. Moreover, the optimal plant sizes for different sizes of gas wells are found as the result of applying plant cost to small scale gas wells, 20 million ton (MT), 40 MT, and 80 MT. Through this cost analysis, the foundation is built to optimize LNG plant in terms of the cost.
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 single mixed refrigerant (SMR) process, one of the simplest natural gas liquefaction process, which has different capacity. The process capacity is increased from 1 million ton per annum (MTPA) to 2.5 MTPA by 0.5 MTPA steps. According to the increase of plant size, only flow rate of natural gas and mixed refrigerant are increased and other operating conditions are fixed. Aspen Economic Evaluator(v.8.7) is used for the cost analysis and six tenths factor rule is applied to obtain multi stream heat exchanger cost data which is not supplied by Aspen Economic Evaluator. Moreover, the optimal plant sizes for different sizes of gas wells are found as the result of applying plant cost to small scale gas wells, 20 million ton (MT), 40 MT, and 80 MT. Through this cost analysis, the foundation is built to optimize LNG plant in terms of the cost.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
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.
제안 방법
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.
환산 후 이를 합산하여 각각의 플랜트 용량에 따른 총 연간 비용을 산출하였다. 또한 각 용량별 LNG의 생산량이 다르기 때문에 LNG 1 ton을 생산하는데 필요한 비용을 각각 용량별로 계산하여 비교하였다. 이에 대한 결과를 Table.
5 MTPA 단위로 증가시키며, 총 4가지 경우에 대해 설치비와 운전비를 산출하고, 분석하였다. 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.
본 연구에서는 SMR 공정의 용량을 1 MTPA 부터 2.5 MTPA까지 0.5 MTPA 단위로 증가시키며, 총 4가지 경우에 대해 설치비와 운전비를 산출하고, 분석하였다. 또한 이를 통해 매장량이 1억 톤 이하인 소규모 가스전에 대하여 SMR 공정의 용량별 비용 분석을 수행하였다.
대상 데이터
1에서처럼 SMR 공정은 냉매의 압축과 팽창 과정을 통해 천연가스를 액화시킨다. 본 연구에서 대상 공정으로 한 SMR 공정은 총 3개의 압축기와 1개의 펌프, 3개의 쿨러, 2개의 밸브, 1개의 다중 흐름 열교환기 (multi stream heat exchanger, MSHE) 및 2개의 분리기(separator)로 구성된다.
이론/모형
SMR 공정의 모사를 위해 Peng-Robinson 상태방정식을 선택하였으며, Aspen HYSYS v8.7을 통해 모사하였다. HYSYS를 통해 모사한 용량별 천연가스 및 혼합냉매의 유량과 압축기 및 펌프에 소모되는 에너지를 Table 1에 나타내었으며, 모든 용량에 동일하게 적용된 압력, 온도, 조성 등 공통 운전조건을 Table 2에 나타내었다[6].
플랜트의 용량이 증가하는 경우에는 천연가스 및 냉매의 유량이 용량에 비례하여 증가한다. 이에 1.5 MTPA 이상의 용량의 경우에는 Chilton에 의해 제안 된 six tenths factor rule을 적용하여 설치비를 계산하였다[11].
성능/효과
결론적으로 플랜트 용량이 커질수록 설치비 및 운전비가 증가하지만, 이에 비해 LNG 생산량이 더욱 크게 증가하기 때문에 단위 LNG 생산량 당 비용은 감소하는 것으로 나타났다. 그러나 비용 최적화를 위해서는 각각의 플랜트 용량에 대한 운전조건 최적화 역시 이루어져야 한다.
5 MTPA 용량 플랜트의 경우 전체 수명 20년의 절반에도 미치지 못하는 8년 동안만 운전된다. 그러나 4천만 톤 및 8천만 톤 규모의 가스전에 대해서는 전체 플랜트 수명동안 다 운전되지 않지만, 가장 큰 용량인 2.5 MTPA 플랜트를 사용하는 것이 가장 좋은 결과를 나타내었다. 이것은 대용량의 플랜트를 사용하더라도 일정 운전기간 이상이 확보 되어야 가격 경쟁력이 있음을 보여준다.
그러나 비용 측면에서 사례연구를 통해 공정 최적화에 접근함으로 인해 장치의 용량별 비용을 분석하고 플랜트의 비용 정보를 제시 할 수 있었다. 또한 본 연구에서는 각 용량별 SMR 공정을 서로 다른 규모의 소규모 가스전에 대해 적용한 결과, 가스전의 규모 별 최적의 플랜트 용량이 있음을 확인하였다. 앞으로 천연가스 액화공정의 비용기반 최적화에 관한 연구가 추가적으로 진행 될 필요가 있으며 이러한 연구는 국내 자체 기술 보유에 큰 역할을 할 것이다.
설치비와 연간 운전비를 각 시나리오에 적용한 결과, 2천만 톤 규모의 가스전에 대해서는 1 MTPA 용량의 플랜트를 통해 액화하는 것이 비용 측면에서 가장 좋은 결과를 나타내었다. 예를 틀어 2.
플랜트 용량이 커질수록 LNG 1 ton을 생산하는데 필요한 비용은 감소하는 것을 확인하였다. 그러나 이것은 가스전의 규모 및 플랜트 가동 기간을 고려하지 않은 결과이다.
후속연구
추가적으로 압축기의 최대 한계 용량 등 물리적인 제약조건까지 반영 한다면 여러 가지 다양한 공정별 최대 한계 용량까지 계산 할 수 있을 것으로 예상된다. 또한 천연가스 비용과 LNG 비용을 적용하여 수익을 최대화 하는 최적화 연구 또한 가능 할 것으로 보인다.
또한 본 연구에서는 각 용량별 SMR 공정을 서로 다른 규모의 소규모 가스전에 대해 적용한 결과, 가스전의 규모 별 최적의 플랜트 용량이 있음을 확인하였다. 앞으로 천연가스 액화공정의 비용기반 최적화에 관한 연구가 추가적으로 진행 될 필요가 있으며 이러한 연구는 국내 자체 기술 보유에 큰 역할을 할 것이다.
그러나 비용 최적화를 위해서는 각각의 플랜트 용량에 대한 운전조건 최적화 역시 이루어져야 한다. 이러한 측면에서 본 연구는 공정의 운전조건은 동일하게 유지한 채 천연가스와 혼합냉매의 유량만을 변화시켰다는 한계가 있다.
이것은 대용량의 플랜트를 사용하더라도 일정 운전기간 이상이 확보 되어야 가격 경쟁력이 있음을 보여준다. 이를 통해 최적의 플랜트 운전기간 역시 존재함을 알 수 있으며 운전기간에 대한 최적화 연구의 필요성이 있음을 나타낸다.
추후 상기 비용 데이터베이스를 통해 용량에 따른 비용을 수식화 하여 최적화 모델에 적용한다면 비용기반 최적화를 이룰 수 있을 것이라 판단된다. 추가적으로 압축기의 최대 한계 용량 등 물리적인 제약조건까지 반영 한다면 여러 가지 다양한 공정별 최대 한계 용량까지 계산 할 수 있을 것으로 예상된다. 또한 천연가스 비용과 LNG 비용을 적용하여 수익을 최대화 하는 최적화 연구 또한 가능 할 것으로 보인다.
이 소프트웨어는 Aspen HYSYS의 공정 모사에 사용된 장치들의 용량을 계산하여 데이터베이스에서 해당 장치의 비용을 찾아 보여주는 방식으로 장치 비용 계산을 수행한다. 추후 상기 비용 데이터베이스를 통해 용량에 따른 비용을 수식화 하여 최적화 모델에 적용한다면 비용기반 최적화를 이룰 수 있을 것이라 판단된다. 추가적으로 압축기의 최대 한계 용량 등 물리적인 제약조건까지 반영 한다면 여러 가지 다양한 공정별 최대 한계 용량까지 계산 할 수 있을 것으로 예상된다.
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.
참고문헌 (11)
The Outlook for Energy, A view to 2040, Exxon Mobile, (2015)
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)
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)
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)
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)
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)
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)
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)
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.