[논문]초저온 캐스케이드 냉동사이클의 LNG 열교환기 압력강하 특성

윤정인; 최광환; 곽진우; 손창효; 백승문

초저온 캐스케이드 냉동사이클의 LNG 열교환기 압력강하 특성
The pressure drop characteristics in LNG heat exchanger of cryogenic cascade refrigeration cycle 원문보기

윤정인 (부경대학교 냉동공조공학과) , 최광환 (부경대학교 냉동공조공학과) , 곽진우 (부경대학교 대학원) , 손창효 (부경대학교 냉동공조공학과) , 백승문 (부경대학교 대학원)

Natural gas is converted in to LNG by chilling and liquefying the gas to the temperature of $-162^{\circ}C$, when liquefied, the volume of natural gas is reduced to 1/600th of its standard volume. This gives LNG the advantage in transportation. The pressure dorp of the cascade liquefaction cycle was investigated and simulated using HYSYS software. The simulation results showed that the pressure drop in the LNG heat exchanger is set to 50 kPa considering the increase in the compressor work of cryogenic cascade liquefaction cycle.

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 HYSYS를 이용하여 초저온 LNG 열교환기의 설계시 냉매와 천연가스의 압력강하가 액화사이클에 미치는 영향을 파악하여 천연가스 액화공정에 필요한 LNG 열교환기의 압력강하에 대한 기준을 제시하는데 그 목적이 있다.
본 연구에서는 C₃H₈-C₂H₄-C₁H₄를 사용하는 초저온 캐스케이드 액화사이클의 LNG 열교환기의 설계시 냉매와 천연가스의 압력 강하가 액화사이클에 미치는 영향을 파악한 결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

가설 설정

표 2는 프로판, 에틸렌, 메탄사이클을 지나는 피드가스의 상태량 변화를 나타낸 것이다. 표 2의 결과값은 LNG 열교환기내 냉매와 천연가스의 압력강하를 50kPa정도로 가정하여 나온 것이다. 피드가스의 온도는 305.

제안 방법

최근 들어 국내에서도 가스공사를 중심으로 LNG 액화사이클에 관한 연구가 폭넓게 진행되고 있다. 이 연구의 주요내용은 새로운 천연가스 액화사이클 개발 혹은 기존 액화사이클의 개선을 통한 고효율화 등이고, 이외에도 LNG 열교환기나 압축기와 같은 요소부품에 대한 실용화 기술이다. 이러한 기술 중에서 새로운 천연가스 액화사이클 개발 기술은 핵심기술로서, 몇몇의 외국 선진 업체들이 독점하고 있다.

대상 데이터

따라서 본 연구에서는 일반적으로 적용되고 있는 나이지리아 가스전의 천연가스 조성비¹¹⁾를 HYSYS에 적용하여 시뮬레이션 하였다. 천연가스의 유량은 트레인 용량 5MTPA(MillionTonPer Annum)를 기준으로 설정하였다.이러한 가정조건 및 트레인 용량은 한국가스공사에서 개발하고자 하는 기준이다.

이론/모형

세계 곳곳의 가스전에서 추출되는 천연가스의 조성비는 다르기 때문에 HYSYS를 이용하여 초저온 액화사이클을 시뮬레이션할 경우 그 결과값도 달라진다. 따라서 본 연구에서는 일반적으로 적용되고 있는 나이지리아 가스전의 천연가스 조성비¹¹⁾를 HYSYS에 적용하여 시뮬레이션 하였다. 천연가스의 유량은 트레인 용량 5MTPA(MillionTonPer Annum)를 기준으로 설정하였다.

성능/효과

그림 3은 LNG 열교환기내 냉매와 천연가스의 압력강하 변화에 따른 압축일량 증가량 추이를 나타낸 것이다. LNG 열교환기내 냉매와 천연가스의 압력강하가 증가할수록 압축일량은 선형적으로 증가하였다. LNG 열교환기내 압력강하가 50 kPa까지는 약 7.
우선 LNG 열교환기내 냉매와 천연가스의 압력강하 증가로 인해 COP는 1.76에서 1.34로 평균 23.8%정도 감소함을 보였다.
그리고 LNG 열교환기내 압력강하는 50 kPa보다 더 클 경우에 압축일량이 대폭 증가한다.이런 이유로 LNG 열교환기 설계시 액화사이클의 효율을 고려하여 열교환기 내 압력강하는 50kPa로 설정하는 것이 좋을 것으로 판단된다.

후속연구

C₃H₈-C₂H₄-C₁H₄캐스케이드 액화사이클에서 LNG 열교환기내 압력강하는 50kPa정도로 설계해야함을 알 수 있었으며, 이 압력 강하값은 앞으로의 연구에서도 기본 설계값으로 활용가능하리라 판단된다.

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