LNG 액화사이클의 특성 분석에 관한 연구. 한국해양대학교 해양산업대학원 기계공학과.
연구배경
이러한 기술을 바탕으로 대형 LNG 선박이 운항할 수 없는 도서지역에 LNG를 운반하거나 LNG를 연료로 사용하는 벙커링 선박에 LNG를 공급하기 위한 미니 LNG 선박이나 벙커링 선박의 개발이 필요하다.
연구 목적
액체 LNG는 저장 시설에 저장된 후 LNG 선박으로 하역됩니다. [3.3(a)]와 같이 혼합냉매(MR, 혼합냉매)를 사용하는 방법이 있다. 혼합냉매를 사용하는 경우 단순냉동사이클에서 증발기 압력이 일정하더라도 증발온도는 끊임없이 변화하여 액체를 냉각시켜야 하므로 엔탈피 곡선에 더 가깝다.
LNG-FPSO 이해
LNG 생산 및 수송
해상 LNG-FPSO의 경우 가스전에서 포집된 가스를 LNG-FPSO로 이송해 액화해 저장한 후 LNG 선박에 하역하는 방식이다. 파이프라인이 필요하지 않습니다(가스전 액화 플랜트).
LNG-FPSO 공정
2.5], 천연가스는 좌측 하단에서 LNG-FPSO로 이송된다. LNG-FPSO 오버헤드 공정의 대부분은 이러한 가스 전처리 공정이다.
LNG-FPSO 액화공정
LNG-FPSO의 제한된 공간으로 인해 많은 단일 사이클 액화 공정이 소형 크기의 질소 냉매를 사용하여 수행됩니다. SMR 공정의 경우 구조는 단순하지만 냉매의 기액 전환이 있고, 탄화수소계 냉매를 사용하기 때문에 안전성이 상대적으로 낮다.
LNG-FPSO 프로젝트 소개
- FLEX LNG
- SBM FLNG
- Höegh LNG
- Shell FLNG
1회의 전처리 과정을 거쳐 2개의 액화열로 구성되었습니다. 액화공정과 발전기에는 증기터빈을 사용하는데, 그 이유는 터빈이 일시적으로 정지되더라도 쉽게 재가동이 가능하기 때문에 가스터빈에 비해 가용성이 높기 때문이다.
LNG 액화의 기본 원리
즉, 고온영역에서 운전되는 냉동사이클은 저온영역의 냉매로부터 응축기 외부로 방출되는 열을 제거하는 역할을 한다. 냉매는 사이클 내에서 저압으로 팽창한 후 기액분리기를 통과하게 됩니다.
냉동 사이클 (Cycle) 의 이해
- Ideal Vapor Compression Refrigeration Cycle
- Cascade Cycle
- Reverse Brayton Cycle(Gas Refrigeration Cycle)
열전달은 고온에서 저온으로 이루어지기 때문에 흡열부의 냉각수의 온도는 냉각되는 소재보다 낮아야 하며, 냉각수의 성분과 가열 시 압력에 따라 특정 저온을 달성할 수 있다. 흡수. 따라서 특정 소재를 냉각시키기 위해서는 소재의 최종 냉각온도보다 증발온도가 낮은 냉각수를 선택해야 하며, 방열판의 온도는 자연스럽게 결정된다.
LNG 액화 공정 분류
- 순수냉매 (Pure Refrigerant) 와 혼합냉매 (Mixed Refrigerant)
- Cooling/Heating Curve
- Cooling/Heating Curve 를 Matching 해야 하는 이유
- Number of Cycle
또한, 증기압축 냉동사이클에서는 혼합물의 기화온도가 다르기 때문에 순수냉매의 경우처럼 등온열교환 없이 상변화가 일어난다. 공정 냉각 곡선을 가정하면 천연가스를 액화하려면 더 낮은 온도의 냉각수가 필요하며 이는 위에서 설명한 경향을 갖습니다. 40℃의 천연가스는 냉매와 열교환을 하여 최종적으로 -160℃의 과냉각 LNG를 생산합니다. 이것이 가능하다면 다음과 같이 나눌 수 있다.
냉동사이클의 열통합
[그림 3.11]은 단일 냉동 사이클을 사용할 때 전체 공정 곡선을 이용하여 공급되는 저온에너지의 온도와 사이클 용량이 어떻게 결정되는지를 보여준다. 지정된 온도(T1 및 T2)와 해당 온도에서 공급되는 냉각량이 전체 공정 곡선에 맞게 최적화되면 냉동 사이클의 냉각 용량 사양과 각 장치의 성능이 결정될 수 있습니다. .
천연가스 액화공정 사이클
- SMR(Single Mixed Refrigerant) 사이클
- C 3 MR(Propane-Precooled Mixed Refrigerant) 사이클
- DMR(Dual Mixed Refrigerant) 사이클
- CCP(Classical Cascade Process)
- MFC(Mixed Fluid Cascade Cycle)
- 질소 팽창기 사이클 (Nitrogen Expander Cycle)
일반적으로 증기압축 냉동사이클(J-T Expansion Refrigeration System)의 냉매로는 혼합냉매가 사용된다. 순수 냉매를 캐스케이드로 구성하지 않으면 응축온도가 방열판 온도보다 낮아져 단일 사이클로 냉각이 불가능합니다. 이는 불가능하므로 응축온도가 다른 냉매를 섞어 방열판(공기, 냉각수 등)으로 응축시키는 방안이다. PNG(Pipe Line Natural Gas) 시설 등에서 일정량의 PNG를 공급할 때 NG 소모가 극심할 경우에 대비해 소규모 액화플랜트를 설치해 액화 저장하는 방식이다. 가능한 경우, 피크 시간대에는 액화하여 보관합니다. 증발하여 공급하는 장비입니다. 2) 액화 공정의 효율성.
LNG 공정의 크기와 특징
Single Mixed Refrigerant Process
SMR 공정의 대표적인 라이센서의 개략도이며, 각 공정의 원리는 거의 동일하나, 소형기기의 구성이나 기기의 종류에 따라 약간의 차이가 있다. SMR 공정은 주로 육상에서 1MTPA(연간 백만톤) 미만의 LNG 생산량을 갖는 소규모 액화 및 피크 저감 공정에 사용되어 왔으며, 중규모 FLNG(레벨 2 MTPA)의 액화 공정으로 주목받고 있습니다. .
N 2 Dual Expander Process
위의 두 단위는 생산 단위당 투입된 작업량을 의미하므로 전체 효율성과 달리 낮을수록 좋습니다. 열효율(%) : 특정 온도에서 NG가 LNG가 되기 전에 열량당 제거해야 하는 일의 양.
Open Expander Process
Mid Scale 액화 Process Summary
경영에 있어서는 식물의 철학과 제약조건을 바탕으로 선정을 하며, 주요사항을 정리하면 다음과 같다. GT를 냉매 압축기의 주 구동 장치로 사용하는 경우 전력 출력이 제한되어 2MTPA 용량의 천연가스를 액화하는 데 40~50MW가 필요합니다.
Large Scale
- C 3 MR
- Liquefin TM Process
- MFCP(Mixed Fluid Cascade Process)
- AP-X
일반적으로 FLNG에서는 3MTPA를 초과하는 것은 대규모로 간주되며 이 경우 다음 프로세스를 고려해야 합니다. DMR 공정의 일종으로 예냉을 위한 MR 사이클과 본냉각을 위한 MR 사이클의 2개의 사이클로 구성된 공정이다.
LNG 액화 공정 비교 Summary
시스템 복잡도 측면에서는 C3MR이 우수하다고 평가된다. 14] 육상이나 해상의 가스전에서 운반된 가스를 만들어 저장하는 LNG.
미니 LNG 용 액화 사이클 특성 분석
LNG(Liquid Natural Gas) 의 정의
미니 LNG 의 정의
- 소형 부유식 LNG 생산설비
- Mini 급 LNG 운반선
- Mini LNG FSRPU
미니 LNG 액화 방식
[5.4]는 Hamworthy Company가 개발한 Mini LNG의 액화 공정인 SINTEF에 대해 설명하고 있으며, Mini LNG는 하루 1~15톤을 처리할 수 있는 사이클입니다. [그림 5.3] 비용 측면과 효율성 측면에서 Mini LNG 산업에서 경제적인 LNG 액화 공정이다.
미니 LNG 액화 사이클 최적화 방안
- SMR 사이클(Cycle) 특성 분석
- N 2 Expander Cycle 특성 분석
- SMR Cycle과 N 2 Expander Cycle 특성 분석
- SMR Cycle과 N 2 Expander Cycle 장단점
이처럼 소형 LNG선이나 LNG를 연료로 활용하는 기술은 지속적으로 개발되어야 한다. SMR을 개량한 KSMR처럼 향후 소형 LNG 운반선이나 LNG 벙커링 선박에 필요한 소형 1~10ton/day 액화공정을 독자적으로 개발하는 연구가 필요하다.
결론
향후 과제
늘 따뜻한 사랑과 관심으로 지도해주시고 격려해주신 분들께 감사의 말씀을 전하고 싶습니다. 그리고 논문 작성에 도움을 주신 직장 선배, 후배들과 연구소 측에도 감사의 말씀을 전하고 싶습니다.
