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액화천연가스를 활용한 개방형 랭킨 사이클에 적용한 냉열 발전의 최적화에 대한 연구
Optimization Study on the Open-Loop Rankine Cycle for Cold Heat Power Generation Using Liquefied Natural Gas 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.28 no.3, 2017년, pp.295 - 299  

김영우 (호서대학교 기계공학부) ,  이중성 (한국가스공사 가스연구원) ,  이종집 (공주대학교 화학공학부) ,  김동선 (공주대학교 화학공학부) ,  조정호 (공주대학교 화학공학부)

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, computer simulation and optimization works have been performed for an open-loop Rankine cycle to generate power using five cases of liquefied natural gas compositions. PRO/II with PROVISION V9.4 from Schneider electric company was used, and the Soave-Redlich-Kwong equation of the stat...

주제어

#냉열   #액화천연가스   #동력 생산   #랭킨 사이클   #최적화  

AI 본문요약
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문제 정의

  • LNG를 해수에 의해서 곧바로 기화하면 천연가스로부터 LNG를 만들기 위해서 소요된 전기에너지를 전혀 회수하지 못하는 셈이 된다. 따라서 본 연구에서는 개방형 랭킨 사이클을 적용하여 LNG로부터 냉열을 회수해 내는 공정에 대해서 상용성 화학공정 모사기인 Schneider Electric 사의 PRO/II with PROVISION V9.4 (PRO/II)를 활용하여 전산모사 수행을 통하여 공정에 대한 최적화 작업을 수행하였다. 개방형 랭킨 사이클은 Fig.
  • 본 연구에서는 LNG에 개방형 랭킨 사이클을 적용하여 국내 도입가스를 대상으로 대표되는 4가지 조성과 LNG를 순수한 메탄으로 간주한 경우에 대해서 냉열발전 공정에 대한 전산모사와 최적화를 수행하였으며 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

가설 설정

  • 해수 열교환기에 의해서 기화된 천연가스는 EX1 터보 팽창기에 의해서 동력을 생산한다. 이때 터보 팽창기의 효율은 80%를 가정하였다. CA1은 Calculator로써 터보 팽창기에 의해서 생산되는 동력과 펌프에 의해서 소요되는 동력 및 그 차이 값을 도출하도록 하였다.
  • 2에 의하면 LNG는 P1 펌프에 의해서 충분히 가압되어진다. 이때 펌프의 효율은 56%를 가정하였다. 펌프에 의해서 가압되어진 고압의 LNG는 E1 열교환기에 의해서 해수와 열교환 되어진 후 완전한 기화가 일어난다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
천연가스를 액화하는 이유는? 천연 가스는 상압 조건에서 –162 o C 가량의 저온에서 액화천연가스(LNG) 상태로 저장한다 1) . 천연가스를 액화하는 이유는 액화 시에는 기체상태에 비해서 약 600분의 1로 감소하기 때문에 동일한 부피에서 많은 양의 천연가스를 저장할 수 있으며, 수송에도 용이하기 때문이다 2) .
LNG를 해수에 의해서 곧바로 기화하면 안되는 이유는? LNG를 연료로 사용하기 위해서는 펌프로 가압한 후에 해수를 이용해서 기화시킨 후 주 배관을 통해서 공급한다. LNG를 해수에 의해서 곧바로 기화하면 천연가스로부터 LNG를 만들기 위해서 소요된 전기에너지를 전혀 회수하지 못하는 셈이 된다. 따라서 본 연구에서는 개방형 랭킨 사이클을 적용하여 LNG로부터 냉열을 회수해 내는 공정에 대해서 상용성 화학공정 모사기인 Schneider Electric 사의 PRO/II with PROVISION V9.
LNG에 개방형 랭킨 사이클을 적용하여 국내 도입가스를 대상으로 대표되는 4가지 조성과 LNG를 순수한 메탄으로 간주한 경우에 대해서 냉열발전 공정에 대한 전산모사와 최적화를 수행했을 때 본 연구의 결과는? 1) 천연가스를 액화하는데 소요되는 동력의 일부를 다시 동력으로 회수하기 위해서 LNG로부터 동력 생산공정으로 본 연구에서는 개방형 랭킨 사이클을 사용하였다. 랭킨 사이클에 대한 전산모사를 위해서 Schneider electric사의 PRO/II 상용성 화학공정 모사기를 활용하였으며, 열역학 모델식으 로는 SRK 상태방정식을 이용하였다. 한국가스공사에서 수입하는 4가지 전형적인 LNG 조성과 순수한 메탄에 적용하였다. 해수와의 열교환을 통해서 기화하기 전에 LNG를 펌프를 통해서 가압한 후에 열교환기를 통해서 증발시킨 후 고압의 천연 가스를 터보 팽창기를 사용하여 냉열을 회수하는 공정에 대한 모델링 및 최적화 작업을 수행하였다. 2) 얻어진 순 동력은 LNG를 메탄으로 간주하였을 경우가 74.05 kW로 가장 높았으며, 평균 분자량이 작은 case A가 72.84 kW로 두 번째로 높았으며 평균 분자량이 가장 큰 case B의 경우가 66.70 kW 로 가장 적은 동력을 얻었다. 그 이유는 동일한 질량 유량에 대해서 분자량의 적을수록 얻어지는 부피 유량이 증가하기 때문에 터보 팽창기에서 많은 동력을 생산할 수 있기 때문인 것을 알 수 있었다.
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참고문헌 (13)

  1. A. J. Kidnay and W. R. Parrish, "Fundamentals of natural gas processing", Taylor and Fracncis, England, 2006, pp. 265-310. 

  2. A. Bahadori, "Natural gas processing: technology and engineering design", Gulf professional publishing, USA, 2014, pp. 596-632. 

  3. J. H. Cho and D.M. Kim, "A comparative study between one- and two-stage refrigeration system for the natural gas cooling process", J. Korea Acad. Industr. Coop. Soc., Vol. 11, No. 8, 2010, pp. 3106-3111. 

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  4. S. H. Kim and J. H. Cho, "A simulation study on the cascade refrigeration cycle for the liquefaction of natural gas (1)", J. Korea Acad. Industr. Coop. Soc., Vol. 12, No. 1, 2011, pp. 552-558. 

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  5. Y. M. Kim and J. H. Cho, "A simulation study on the cascade refrigeration cycle for the liquefaction of natural gas (2): An application to the multistage cascade refrigeration cycle", J. Korea Acad. Industr. Coop. Soc., Vol. 12, No. 2, 2011, pp. 1013-1019. 

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  6. S. G. Lee, "Natural gas liquefaction process design using HYSYS', A-JIN, Korea, 2017, pp. 29-88. 

  7. G. V. Narasimham, "Cryogenic mixed refrigerant processes', Springer, USA, 2008, pp. 149-220. 

  8. J. S. Kim, D. Y. Kim, Y. T. Kim, and H. K. Kang, "Performance analysis of an organic Rankine cycle for ocean thermal energy conversion system according to the working fluid and the cycle", J. Korean Soc. Mar. Eng., Vol. 39, No. 9, 2015, pp. 881-888. 

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  9. H. Liu and L. You, "Characteristics and applications of the cold heat exergy of liquefied natural gas", Energ. Convers. Manage., Vol. 40, 1999, pp. 1515-1525. 

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  10. H. Y. Lee and K. H. Kim, "Energy and exergy analysis of a combined power cycle using the organic Rankine cycle and the cold energy of liquefied natural gas", Entropy, Vol. 17, 2015, pp. 6412-6432. 

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  11. G. Soave, "Equilibrium constants from a modified Redlich-Kwong equation of state", Chem. Eng. Sci., Vol. 27, 1972, pp. 1197-1203. 

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  12. D. Y. Peng and D. B. Robinson, "A new two-constant equation of state", Ind. Eng. Chem. Fundam., Vol. 15, No. 1, 1976, pp. 59-64. 

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  13. American Petroleum Institute, "Technical Data Book - Petroleum Refining", American Petroleum Institute, Washington, 1997, pp. 6-45-6-46. 

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