[논문]LNG 냉열을 이용한 냉장·냉동 창고 모사에 관한 연구

한단비; 김윤지; 염규인; 신재린; 백영순

doi:10.7316/khnes.2017.28.4.401

[국내논문] LNG 냉열을 이용한 냉장·냉동 창고 모사에 관한 연구
A Study of Simulation on the Refrigerated Warehouse System Based on the Cold Energy of Lng Using the Pro-Ii Simulator 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.28 no.4, 2017년, pp.401 - 406

한단비 (수원대학교 환경에너지공학과) , 김윤지 (수원대학교 환경에너지공학과) , 염규인 (수원대학교 환경에너지공학과) , 신재린 (유진초저온 기술연구소) , 백영순 (수원대학교 환경에너지공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

When Liquified Natural Gas (LNG) is vaporized into NG for industrial and household usage, tremendous cold energy was transferred from LNG to seawater during phase-changing process. This heat exchanger loop is not only a waste of huge cold energy, but will cause thermal pollution to the coastal fishery area also when cold water was re-injected into the sea. In this study, an innovation design has been performed to reclaim the cold energy for -35 to $62^{\circ}C$ refrigerated warehouse. Conventionally, this was done by installing mechanical refrigeration systems, necessitating tremendous electrical power to drive temperature. A closed loop LNG heat exchangers in series was designed to replace the mechanical or vapor-compression refrigeration cycle by process simulator. The process simulation software of PRO II with provision has been used to simulate this process for various conditions, what to effect on cold energy and used energy for re-liquefaction and evaporation process. In addition, through analysis the effect of the change of LNG supply pressure on sensible and latent heat, optimum operational conditions was suggested for LNG cold energy warehouse.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

더불어 LNG 공급압력에 따른 현열과 잠열량 변화를 분석하여 LNG 냉동⋅냉장시스템의 운전에 관한 최적 조건을 제시하고자 한다.

가설 설정

잠열이용률에 따른 냉열에너지와 소비에너지(액화기와 기화기)를 분석하기 위해 Table 3과 같은 조건에서 분석을 수행하였다. LNG는 -147℃, 10기압, 2,000 kg/h로 열교환기에 들어가서 -54℃, 10기압으로 나오는 조건이며, 가열기에서 5℃로 상승하여 연료전지로 공급하는 것으로 가정하였다. 직렬로 연결한 열교환기 1과 2에서 순환하는 R407C 냉매는 Table 4와 같은 조건으로 하여 시뮬레이션을 실시하였다.
해외가스전에서 LNG 선박을 통해 우리나라 한국가스공사에서 수입하여 인천, 평택, 통영, 삼척 LNG 터미널의 LNG 저장탱크에 하역하게 되어 저장된다. 가정으로 공급하기 위해 LNG는 기화기(open rack vaporizer, ORV)에서 상온의 바닷물과 열교환 되어 약 70기압, 상온의 기체 상태로 각 지역의 공급기지에서 보내진다[Fig. 1]. 공급기지에서 20기압으로 낮춘 후 지역도시가스에 공급되면, 1기압 이하의 저압상태로 낮추어 가정에 공급되어진다.
특히 열교환기로부터 LNG 냉열을 주고 나온 2,000 kg/h의 natural gas (NG) 중에서 1,700 kg/h은 가열기에 의해 NG를 5℃ 이상으로 높여 연료전지에 사용되고, 300 kg/h NG는 재액화기에서 액화되어 재순환하는 것으로 가정하여 시뮬레이션 한 결과를 Fig. 3에 나타냈다.

제안 방법

2와 같이 직렬로 연결하였고, LNG와의 열교환을 하는 냉매는 R407C를 사용하여 분석하였으며, 냉매의 영향을 파악하기 위해서 프로판, 이산화탄소를 사용하여 비교분석하였다. LNG 공급압력의 영향은 10, 30, 50, 70기압 하에서의 잠열과 현열의 냉열에너지에 미치는 영향도 분석하였다^7,8).
본 연구는 LNG 냉열을 사용하여 냉동⋅냉장창고를 구동하는 시스템의 modeling하여 상업용 화학공정 모사기인 Schneider Electric사의 PRO II with PROVISION V9.4 (PRO II)을 활용하여 시뮬레이션을 수행하였다.
본 연구에서는 기존 전기냉동시스템을 LNG 냉열을 이용한 냉동시스템으로 모델링하였으며, simulation을 통하여 공정의 조건별 냉열에너지와 소비에너지를 구하여 비교 분석하였으며, 냉매에 따른 유량에 미치는 영향을 분석하였다. 더불어 LNG 공급압력에 따른 현열과 잠열량 변화를 분석하여 LNG 냉동⋅냉장시스템의 운전에 관한 최적 조건을 제시하고자 한다.
이와 같은 조건에서 LNG 2,000 kg/h의 냉열을 냉동(S/F급) 열교환기와 냉장(F급) 열교환기를 연결하여 냉매와의 열교환을 하였으며, 냉매는 냉동․냉장창고에 공급되어 창고의 내부온도를 지속적으로 유지하는 데 사용하였다. 열교환기 2개를 Fig.2와 같이 직렬로 연결하였고, LNG와의 열교환을 하는 냉매는 R407C를 사용하여 분석하였으며, 냉매의 영향을 파악하기 위해서 프로판, 이산화탄소를 사용하여 비교분석하였다. LNG 공급압력의 영향은 10, 30, 50, 70기압 하에서의 잠열과 현열의 냉열에너지에 미치는 영향도 분석하였다^7,8).
이와 같은 조건에서 LNG 2,000 kg/h의 냉열을 냉동(S/F급) 열교환기와 냉장(F급) 열교환기를 연결하여 냉매와의 열교환을 하였으며, 냉매는 냉동․냉장창고에 공급되어 창고의 내부온도를 지속적으로 유지하는 데 사용하였다. 열교환기 2개를 Fig.

이론/모형

4 (PRO II)을 활용하여 시뮬레이션을 수행하였다. Table 2와 같은 탄화수소 혼합들의 물성 계산은 Soave-Redlich-Kwong (SRK) 상태방정식인 식 (1)을 사용하였다. 식 (1)에서 a는 에너지 매개변수이며, b는 크기 매개변수이다.

성능/효과

1) 열교환기를 거쳐 기화된 NG가 도시가스 배관이나 연료지로의 사용량이 많을수록 기화기와 액화기에서 소요되는 에너지가 감소로 인해 ΔE(냉열에너지와 소요에너지의 차)가 증가되어 최대의 냉열에너지를 얻을 수 있다.
2) LNG에서 냉열에너지를 빼낸 NG를 모두 사용할 때 2.0톤의 냉열에너지는 최대 약 261,900 kcal/hr 활용 가능하다. LNG가 가지고 있는 잠열 이용률이 높아질수록 얻어지는 냉열에너지 이용량이 증가하여 잠열이 모두 이용될 때 에너지 활용이 가장 높고, 잠열 이용률이 80%일 때, ΔE는 13,900 kcal/hr이다.
3) 동일한 열교환량에서 냉매종류에 따른 냉매 유량은 R407C > CO₂> Propane 순으로 증가하기 때문에 냉매펌프의 동력도 동일한 순으로 증가한다.
4) LNG 공급압력이 증가함에 따른 잠열과 현열의 냉열에너지가 근접하다가 70기압에서는 냉열 에너지 이용량이 비슷하다. LNG 공급압력이 70기압 이상인 경우에서는 현열만 사용하는 것이 후처리 공정상 편리하기 때문에 유리하다.

후속연구

본 연구의 핵심기술개발을 통하여 기존에너지원(전력 등)에 의해 전기냉동기로부터 -100℃ 이상 저온 냉동·냉장기기를 LNG 냉열로 대체 활용할 뿐 아니라 LNG 냉열을 이용할 경우 운전 전력 절감률이 약 50-70% 정도이므로 국가 물류산업의 활성화에 기여할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LNG 터미널에서 가정으로 LNG가 공급되는 과정은?	해외가스전에서 LNG 선박을 통해 우리나라 한국가스공사에서 수입하여 인천, 평택, 통영, 삼척 LNG 터미널의 LNG 저장탱크에 하역하게 되어 저장된다. 가정으로 공급하기 위해 LNG는 기화기(open rack vaporizer, ORV)에서 상온의 바닷물과 열교환 되어 약 70기압, 상온의 기체 상태로 각 지역의 공급기지에서 보내진다[Fig. 1]. 공급기지에서 20기압으로 낮춘 후 지역도시가스에 공급되면, 1기압 이하의 저압상태로 낮추어 가정에 공급되어진다. 이와 같이-165℃ LNG가 기화하기 위해서 바닷물과의 열교환하는 과정에서 버려지는 냉열은 약 830-860 kJ/kg이며2), 우리나라 LNG 사용량이 연간 약 3,800만톤(2013년 현재)으로 약 7.
	Liquified Natural Gas는 무엇으로 이루어져 있는가?	Liquified Natural Gas (LNG; 액화천연가스)는 해외가스전에서 수송의 편리성을 위해 기체인 천연 가스를 가스처리장치에 의해 질소와 이산화탄소, 불순물 등을 제거한 후 저온 고압으로 액화한 것으로 메탄, 에탄, 프로판 부탄 등으로 구성되어 있다. LNG의 저장밀도는 약 430-470 kg/m3으로 표준상태의 기체에 비해 625배 이상이고1), 약 -162℃ 온도를 지닌 초저온 액체 상태이다.
	LNG의 저장밀도는 얼마인가?	Liquified Natural Gas (LNG; 액화천연가스)는 해외가스전에서 수송의 편리성을 위해 기체인 천연 가스를 가스처리장치에 의해 질소와 이산화탄소, 불순물 등을 제거한 후 저온 고압으로 액화한 것으로 메탄, 에탄, 프로판 부탄 등으로 구성되어 있다. LNG의 저장밀도는 약 430-470 kg/m3으로 표준상태의 기체에 비해 625배 이상이고1), 약 -162℃ 온도를 지닌 초저온 액체 상태이다. 해외가스전에서 LNG 선박을 통해 우리나라 한국가스공사에서 수입하여 인천, 평택, 통영, 삼척 LNG 터미널의 LNG 저장탱크에 하역하게 되어 저장된다.

참고문헌 (8)

S. Z. Tian, S. Chen, and B. Yang, "Design of Liquefied Natural Gas Properties Calculation Software", Chemical Engineering of Oil and Gas, Vol. 43, 2014, pp. 254-261.
J. W. Wu, Y. M. Ma, and S. Q. Chen, "System Design and Analysis of Applying LNG Cold Energy to Refrigerated Warehouses", Journal of Jimei University (National Science), Vol. 15, 2010, p. 44-47.
Q. F. Liu and T. Lv, "Application and Research of LNG Cold Energy", Guangdong Chemical Industry, Vol. 41,2014, p. 133-134.

상세보기
Promotion Project for Promotion of Global Warming Countermeasures, "Toward the Dissemination of Fuel Conversion Business to Southeast Asia by Export of LNG Subsea Transport Facilities Technology", Nomura Research Institute, Japan, 2014.
J. H. Cho, "PRO II with PROVISION Practice for Process Engineer", AJIN Express, Korea, 2005.
J. H. Cho and R. H. Kim, "The Design of Chemical Process for Energy Saving", AJIN Express, Korea, 2007.
K. H. Yang and S. C. Wu, "Design Analysis of a Refrigerated Warehouse using LNG Cold Energy", Int'l J on Architectural Science, Vol. 4, No. 1, 2003, pp. 14-23.
J. Lian, B. Xia, Y. Yin. G. Yang, Y. Yang, X. Gou, E. Wang, L. Liu, and J. Wu, "Research on High Efficient Utilization of LNG Cold Energy", 4th Int'l Conference on Computer, Mechatronics, Control and Electronic Engineering, 2015, pp. 282-287.

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