INTEGRATED
CASE 2 INTEGRATED
CASE 1 INTEGRATED
CASE 2 INTEGRATED
변수 개
수 18 14 24 16
최적화의 제약조건은 [표 14]와 같다.
[표 14] 최적화 제약 조건
Property Criteria Heat Minimum Temp. App. Higher than 3℃
Exchanger
LNG C5+ mole % Less than 0.1 NGL Vapor Pressure at
37.8℃ Less than 41.37 bar NGL C3+ Recovery Higher than 90%
NGL의 Vapor Pressure에 관한 제약 조건은 일반적으로는 적용하지 않는다. 그러나 본 연구에서는 적용하지 않으면, NGL의 가격이 LNG보다 높은 경우, C1과 C2 같은 Light Hydrocarbon이 NGL에서 회수되고 LNG의 양이 줄어드는 경우가 생길 수가 있는데 이것은 실제로 일어날 수 없는 일이기 때문에 이런 경우를 배제하기 위하여 적용하였다. 41.37 bar의 수치는 (Gas Processors Suppliers Association, 2012)를 참고하였다.
[그림 23] 최적화 과정 Flow Chart
[그림 23]는 최적화 과정이 이루어지는 전체 흐름도를 보여주고 있다.
유전알고리즘의 구성과 실행은 MATLAB을 이용하였고, 열역학적 계산과 Economic Potential의 계산은 HYSYS를 이용하였기 때문에 두 개의 Software를 실시간 연동하여 사용하였다. MATLAB에서 구현한 유전 알고리즘은 APPENDIX 1에 첨부하였다.
유전 알고리즘을 구현하는데 있어, Selection Method는 Stochastic Uniform을 사용하였고, Crossover Method는 Scattered With Binary Random Vector 방법을 적용하였다. Population은 20을 기준으로 30, 50, 최대 100까지 적용하였으며, Generation은 10으로 고정하였다. 매 세대마다 Elite는 EP가 높은 상위 10%로 선정하였으며, Mutation은 MATLAB에서 제공하고 있는 기본적인 방법을 그대로 적용하였다.
유전 알고리즘 자체는 전역 최적화가 가능한 방법이지만, 변수들의
HYSYS
범위를 어떻게 잡아주느냐에 따라 지역최적이 나올 수도 있다. 그래서 각 변수들의 모든 범위에 대해서 최적화를 수행하여 Feasible Solution을 먼저 찾고, EP가 증가하는 한도 내에서 그 해를 중심으로 변수들의 범위를 증가시키면서 최적화를 실시하여, 가능한 전역 최적을 찾을 수 있도록 하였다.
제 4 장 연 구 결 과 및 분석
4장에서는 Economic Potential의 최종값과 그 원인에 대해서 언급하고, EP를 구성하는 자세한 값은 APPENDIX 2에 첨부하였다.
제 1 절 2010년 가격
NGL의 가격이 LNG보다 더 높은 2010년의 경우, 최적화를 마친 공정들의 EP는 [표 15]와 같다.
[표 15] 2010년 가격 기준의 EP
Feed by Recoverable Liquid
1.0 2.0 3.0
INDEPENDENT 29964 31267 32979 PRICO INTEGRATED 29637 31177 32960 CASE1_INTEGRATED 30719 32649 34411 CASE2_INTEGRATED 22237 23152 25104
[그림 24] 2010년 가격 기준의 EP
NGL의 가격이 더 높은 2010년의 경우, 전체적으로는 Recoverable Liquid의 수치가 커질수록, EP가 상승하였는데, 수치가 커질 수록 더 비싼 NGL이 많이 들어 있기 때문이다.
CASE1 통합구성이 가장 높은 경제성을 보여주었는데, 두 번째로 높은 독립구성과 비교했을 때, LNG와 NGL의 판매수익이 더 많았고, Compressor Power 비용이 더 낮아 결과적으로 높은 EP가 나왔다.
제 2 절 2016년 가격
LNG의 가격이 NGL보다 더 높은 2016년의 경우, 최적화를 마친 공정들의 EP는 [표 16]과 같다.
[표 16] 2016년 가격 기준의 EP
Feed by Recoverable Liquid
1.0 2.0 3.0
INDEPENDENT 24489 24080 23543 PRICO INTEGRATED 24321 23314 22668 CASE1_INTEGRATED 23825 22743 22204 CASE2_INTEGRATED 18372 18221 17873
2010년과 다르게 Recoverable Liquid 수치가 증가할 수록 EP가 낮아진다. 또한 가장 높은 EP를 보인 독립공정은, 2010 가격일 때와 동일하게, 다른 공정에 비해 Revenue가 높고 Compressor Power가 적게 들어, 가장 높은 EP를 보였다.
제 3 절 결과 분석
가장 좋은 경제성을 공정은, 높은 Revenue와 낮은 Compressor Power 가지고 있었다.
[표 17] 공정간 상세 비교
2010, 1.0 GPM INDEPENDEN T
PRICO INTEGRATED
CASE 1 INTEGRATED
CASE 2 INTEGRATED LNG mass flow
(tonne/h) 108 109 109 78
NGL mass flow
(tonne/h) 10 9 10 16
FG mass flow
(tonne/h) 1.6 1.5 0.5 25.7
COMP' power
(kW) 43504 43636 40081 14712
2016, 1.0 GPM INDEPENDEN T
PRICO INTEGRATED
CASE 1 INTEGRATED
CASE 2 INTEGRATED LNG mass flow
(tonne/h) 110 109 111 82
NGL mass flow
(tonne/h) 9 9 8 13
FG mass flow
(tonne/h) 1.2 1.4 0.5 24.8
COMP' power
(kW) 42912 43779 52981 13598
[표 17]의 1.0 GPM의 Feed 1을 살펴보면, Revenue는 생산되는 LNG와 NGL의 양, 그리고 Fuel Gas로 나가는 양에 따라 조금씩 다르게 나왔다. Fuel Gas의 양을 최소로 줄이고, 최적화 제약조건을 만족하는 한에서 LNG와 NGL 중 판매가격이 높은 쪽을 많이 생산해야 Revenue가 높게 나온다.
또한 Compressor Power가 차이가 나는 이유는, 혼합냉매의 압력을 높이는데 필요한 에너지가 냉매의 양과 최종 압력에 따라 다르기 때문이다. 이것은 최적화 결과에 의해 따라 결정이 되는데, 특히 2016년 CASE 1 통합구성의 경우, LNG를 더 많이 생산하기 위해 결정되는 변수들의 값이 열교환기의 효율을 떨어뜨리는 쪽으로 진행되고,
이 떨어지는 효율을 냉매의 양이 증가하는 쪽으로 보상하고 있기 때문에 많은 양의 냉매를 압축하기 위한 에너지가 많이 필요하게 되었다.
NGL과 LNG의 가격비에 따른 EP의 추세를 더욱 자세히 보기 위해, 2010년, 2016년의 가격 외에, [표 18]과 같이 두 개의 가격을 추가로 설정하여 Recoverable Liquid 값이 1.0인 Feed 1에 적용하여 비교해 보았다. 두 개의 추가적인 비는 2010년과 2016년의 가격비를 보간하여 결정하였다.
[표 18] LNG와 NGL의 가격비 추가
USD/h LNG NGL NGL/LNG
2010 9.65 13.46 1.39
20XX_1 8.63 9.49 1.10
20XX_2 8.06 7.25 0.90
2016 7.46 4.83 0.65
[그림 26] LNG와 NGL의 가격비 추가
NGL과 LNG의 가격비가 1보다 커지는 구간, 즉, NGL이 LNG 보다 더 비싸지는 구간에서는 CASE1 통합구성이 독립구성보다 좋은 EP를 보이는 것을 알 수가 있다.
제 5 장 결론 및 향후 연구 방향
본 연구는 기존의 연구들이 LNG 생산효율을 기준으로 독립구성과 통합구성을 비교한 방법과는 다르게, 비용과 수익을 고려한 경제성을 기준으로 하여, 공정 구성을 비교하였다. 그리고 그 방법에 따라 GSP와 PRICO SMR의 독립구성과 통합구성을 비교하여, NGL과 LNG의 가격에 따라 다른 경제성을 보여줄 수 있다는 것을 확인하였다.
최종적으로 NGL이 LNG 보다 비쌀 때, 통합구성이 더 나은 경제성을 보일 수 있음을 확인하였다.
이러한 사실은 NGL회수공정과 액화공정을 구성할 때, LNG와 NGL의 시장가격을 고려한 공정 구성의 가이드 라인으로 참고할 수 있을 것이다.
[그림 27]은 열교환기의 부피의 비교를 나타낸 것이다.
[그림 27] 열교환기의 부피 비교
독립구성에 비해 통합구성의 열교환기의 부피가 훨씬 더 작은 것을 알 수 있다. FLNG Cargo Deck 위의 공간의 경제적 가치를 생각해 볼 때, 이것은 경제성 평가에 큰 영향을 미칠 것으로 생각된다. Cargo Deck 위의 공간에 대한 경제성 평가 방법을 마련하여 이러한 영향을 반영할 수 있다면, 좀 더 다양한 시각을 고려한 경제성 평가방법이 될 수 있을 것이다.