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상용 공정시뮬레이션 프로그램을 이용한 부유식 LNG 발전설비의 BOG 회수시스템 공정모사
Process Simulation of the BOG Re-Liquefaction system for a Floating LNG Power Plant using Commercial Process Simulation Program 원문보기

海洋環境安全學會誌 = Journal of the Korean society of marine environment & safety, v.26 no.6, 2020년, pp.732 - 741  

서주완 (경상대학교 해양시스템공학과) ,  유승열 (경상대학교 해양시스템공학과) ,  이재철 (경상대학교 해양시스템공학과) ,  김영훈 (경남대학교 조선해양시스템공학과) ,  이순섭 (경상대학교 해양시스템공학과)

초록
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최근 환경규제가 강화됨에 따라 액화천연가스(Liquefied Natural Gas)를 이용하여 전력을 생산해내는 신규발전설비인 부유식 LNG 발전설비(floating LNG power plant)가 개발되고 있다. 부유식 LNG 발전설비는 운용 시 증발가스가 발생하고 이를 제거하거나 회수할 수 있는 시스템의 설계가 필요하다. 그러나 해양플랜트는 해상요건에 따라 설계가 상이하고, 부유식 LNG 발전설비의 설계 전 시행착오를 줄이기 위해 지속적으로 수정이 가능한 BOG 회수시스템 공정모사 모델이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 상용공정시뮬레이션 프로그램을 통해 부유식 LNG 발전설비에 적합한 모델을 모델링하고자 냉매사용 유무에 따라 서로 다른 BOG(Boil-Off Gas) 회수시스템을 모델링하여 BOG의 회수율과 액화점을 비교 및 분석하였으며, 그 결과 질소냉매를 사용한 BOG 회수시스템 모델을 부유식 LNG 발전설비용 BOG 회수시스템 모델로 제안하고자 한다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Environmental regulations have recently been strengthened. Consequently, floating LNG(Liquefied Natural Gas) power plants are being developed, which are new power generation plants that generate electricity by utilizing LNG. A floating LNG power plant generates BOG(Boil-Off Gas) during its operation...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 공정장치들의 규격을 달리해서 공정장치들의 개별성능(performance of unit equipment) 또한 알아볼 수 있다. 공정모사는 전체 공정 과정뿐만 아니라 개별 장치별로 시뮬레이션을 해볼 수 있으므로 부유식 LNG 발전설비의 BOG 회수시스템에 대해 BOG-N2 회수시스템과 BOG-BOG 회수시스템의 공정모사를 진행하여 부유식 LNG 발전설비에 적용 가능 여부를 확인하고자 한다. 공정모사를 진행할 수 있는 대표적인 프로그램은 Aspen Plus, HYSYS, Pro-Ⅱ, UNISIM Design이 있다.
  • 공정모사를 진행할 수 있는 대표적인 프로그램은 Aspen Plus, HYSYS, Pro-Ⅱ, UNISIM Design이 있다. 그 중 선박이나 해양플랜트 설비들에 대한 시스템의 시뮬레이션 시 많이 활용되는 상용공정프로그램은 UNISIM Design으로, 본 연구에서는 이를 사용하여 적용 가능 여부를 확인하고자 한다.
  • 본 연구에서는 부유식 LNG 발전설비용 BOG 회수시스템 공정모사 모델링을 수행하였다. 먼저, LNG 발전설비들의 BOG 회수시스템 및 공정모사 모델을 분석하고, BOG 회수방법에 대해 분석하였다.
  • 부유식 LNG 발전설비에 적합한 회수시스템을 확인하고자 공정모사를 모델을 냉매사용 유무에 따라 공정모사 모델링을 진행한 결과이다. 이는 부유식 LNG 발전설비가 신규 설비이고, 운용사례가 적어 다양한 회수방법 중 냉매의 사용유무에 따른 비교를 진행하였고, 부유식 LNG 발전설비에서 사용되는 장비들에 대한 값을 동일하게 입력하여 시뮬레이션을 진행하였다.

가설 설정

  • Fig. 4와 Fig. 5에서는 공정모사 모델의 PFD(Process Flow Diagram)를 나타내었으며, 216,600 m³의 용량을 가진 LNG탱크에서 0.1 %인 BOG가 단위시간 당 216 kg/h 정도의 유량을 가진 BOG가 발생한다고 가정하였다.
  • 9와 같이 도식화 하였다. 부유식 LNG 발전설비에서 BOG는 50℃에서 발생한다고 가정을 하였으며, 7.0 bar의 압력을 가지고 있다고 가정하였다. Fig.
  • 9는 BOG 열 교환기를 기준으로 위쪽은 BOG의 전반적인 회수공정을, 아래쪽은 질소 냉매의 사이클 순환공정을 나타내었다. 열 교환 후에 상 분리기로 전달된 BOG는 재액화되지 못한 기체를 배출하기 위한 벤트라인과 재액화된 BOG가 LNG 탱크로 회수되는 회수라인으로 나뉘어, 최종적으로 -174℃의 극저온의 LNG로 재액화되어 회수된다고 가정하였다. 부유식 LNG 발전설비용 BOG 회수시스템 공정모사 모델은 Fig.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
부유식 LNG 발전설비 설계 전 필요한 모델은? 부유식 LNG 발전설비는 운용 시 증발가스가 발생하고 이를 제거하거나 회수할 수 있는 시스템의 설계가 필요하다. 그러나 해양플랜트는 해상요건에 따라 설계가 상이하고, 부유식 LNG 발전설비의 설계 전 시행착오를 줄이기 위해 지속적으로 수정이 가능한 BOG 회수시스템 공정모사 모델이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 상용공정시뮬레이션 프로그램을 통해 부유식 LNG 발전설비에 적합한 모델을 모델링하고자 냉매사용 유무에 따라 서로 다른 BOG(Boil-Off Gas) 회수시스템을 모델링하여 BOG의 회수율과 액화점을 비교 및 분석하였으며, 그 결과 질소냉매를 사용한 BOG 회수시스템 모델을 부유식 LNG 발전설비용 BOG 회수시스템 모델로 제안하고자 한다.
부유식 LNG 발전설비 운영시 BOG 발생 방지가 어려운 이유는? 부유식 LNG 발전설비는 운용 시, 상압에서 LNG 저장탱크 내부를 평균적으로 -163℃ 이하의 극저온의 상태로 유지해야 한다. 그러나 외부로부터 LNG 저장탱크로 유입되는 열을 전부 차단하는 것이 쉽지 않아, BOG의 발생을 방지하기 어렵다(Kim and Kim, 2005).
부유식 LNG 발전설비에 필요한 설계는? 최근 환경규제가 강화됨에 따라 액화천연가스(Liquefied Natural Gas)를 이용하여 전력을 생산해내는 신규발전설비인 부유식 LNG 발전설비(floating LNG power plant)가 개발되고 있다. 부유식 LNG 발전설비는 운용 시 증발가스가 발생하고 이를 제거하거나 회수할 수 있는 시스템의 설계가 필요하다. 그러나 해양플랜트는 해상요건에 따라 설계가 상이하고, 부유식 LNG 발전설비의 설계 전 시행착오를 줄이기 위해 지속적으로 수정이 가능한 BOG 회수시스템 공정모사 모델이 필요하다.
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참고문헌 (10)

  1. Hwang, C. M. and Y. S. Lim(2018), Optimal Process Design of Onboard BOG Re-liquefaction Sustem for LNG Carrier, Journal of Ocean Engineering and Technology, Vol. 32, No. 5, pp. 372-379. 

  2. Jeong, N. S., S. K. Jeong, and I. I. Kim(2012), Improvement of Thermal Efficiency for LNG-FSRU-type Combined Cycle Power Plant, The Korean Society of Mechanical Engineers, November 2012, pp. 1701-1706. 

  3. Jin, Y. W., J. W. Moon, Y. P. Lee, and H. M. Jang(2007), Thermodynamic Analysis of Re-liquefaction Cycle of LNG Boil-off Gas, Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 19, No. 7, pp. 485-490. 

  4. Kim, M. E. and Y. T. Kim(2005), The BOG Handling System for LNG Carrier, Proceedings of the KFMA Annual Meeting, Korean Society for Fluid Machinery, December 2005, pp. 557-561. 

  5. Kim, Y. J.(1997), Temperature Variations in the Natural Gas Pipeline with the Joule-Thomson Effect, The Korean Institute of Gas, September 1997, pp. 14-19. 

  6. Lee, D. H., C. B. Jang, S. Y. Jung, J. H. Kim, H. S. Lee, B. S. Kim, and J. W. Ko(2010b), Study on the Comparison of New and Used Reliquefaction System of Boil-off-Gas by Lng Cold Energy, Journal of the Korean Institute of Gas, Vol. 14, No. 1, pp. 42-46. 

  7. Lee, J. M., Y. G. Yeo, S. C. Lee, and S. C. Moon(2008), Process Design Using HYSYS, AJIN, Inc. 

  8. Lee, J. S., Y. C. Lee, J. O. Han, and J. H. Cho(2010a), A Study on the BOG Recondensation Through Exchanging Heat with LNG, The Korean Institute of Gas, October 2010, pp. 181-183. 

  9. Lee, Y. P., Y. H. Shin, S. H. Lee, and K. H. Kim(2009), Boil-Off Gas Reliquefaction System for LNG Carriers with BOG-BOG Heat Exchanger, Journal of Naval Architects of Korea, Vol. 46, No. 4, pp. 444-451. 

  10. Park, C. W., K. S. Cha, S. G. Lee, C. G. Lee, and K. H. Choi(2013), Study on the Simulation and Optimization of C3MR Liquefaction Cycle, Journal of the Korean Institute of Gas, Vol. 17, No. 1, pp. 67-72. 

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