동적 시뮬레이션을 이용한 혼합냉매 액화공정의 스타트업 방법론 연구

Abstract

천연가스는 기존 화석연료보다 온실가스 배출이 적어 친환경적인 점 때문에 온실가스 배출로 인한 지구온난화 문제를 해결하려는 여러 나라들이 청정연료로써 천연가스 사용을 선호하고 있다. 이에 천연가스의 소비량은 점차적으로 증가하고 있으며 천연가스 수요 증가에 따른 LNG 생산 플랜트의 수요도 증가할 것이라고 전망된다. 그 중에서도 천연가스를 액화하는 역할을 하는 액화공정은 LNG를 생산하는 과정에서 사용되는 에너지의 대부분이 소비되는 핵심공정으로 LNG 생산 플랜트의 효율을 극대화 하기 위해서는 공정의 안전한 운전이 필수적이다. 액화공정의 안전한 운전을 위해서는 발생할 수 있는 여러 천이상황(transient condition)을 알고 이에 대응할 수 있는 설계를 해야한다. 특히 스타트업(start-up)상황은 액화공정에서 발생할 수 있는 대표적인 천이상황으로 이를 잘 대처하지 못한다면 장비의 효율이 떨어지거나 고장나 생산력저하와 생산불가를 야기할 수 있다. 특히 알루미늄 재질의 PFHE(Plate-Fin Heat Exchanger)를 사용하는 액화공정의 경우 PFHE가 재질 특성상 열적 충격에 매우 약하기 때문에 ALPEMA(Aluminum Plate-Fin Heat Exchanger Manufacturers Association)에서는 열교환기의 온도변화율을 분당 2℃ 이하가 되도록 권장하고 있다. 이에 본 연구에서는 PFHE를 사용하는 액화공정에서 열교환기의 온도변화율이 2℃ 이하가 되도록하는 안전한 스타트업 방법론을 제시하고 이를 동적 시뮬레이션을 통해 검증해 보았다. 본 연구에서 제시된 액화공정 스타트업 방법론의 검증을 위해 공정 모사 도구로 Aspen HYSYS V8.8을 사용하였고 PFHE의 모델링에는 Aspen EDR V8.8이 사용되었다. 액화공정의 모델로는 효율이 좋다고 알려진 혼합냉매를 사용하는 여러 액화공정 중 중소규모 LNG 생산 플랜트에서 사용하는 액화공정인 LiMuM SMR 액화공정을 선정하였고, 액화공정에서 사용되는 여러 장비들은 널리 알려진 방법과 적절한 가정을 통하여 사이징되었다. 또한 스타트업 상황을 가정하기 위해 모든 장비를 N2 purging와 대기압 상태로 하였다. 완성된 모델과 제시된 스타트업 방법론을 바탕으로 열교환기의 제약조건인 온도변화율이 분당 2℃를 넘지 않도록 동적 모사를 시작하였으며 그 결과 시작부터 종료까지 열교환기에서의 온도변화율이 분당 2℃를 넘지 않아 제시한 스타트업 방법론이 제약조건도 만족함을 시뮬레이션을 통해 검증하였다. 이러한 시뮬레이션 중 액화공정의 스타트업 시 냉매가 혼합되는 단계에서 특히 주의하여야 함을 발견하였다. 냉매의 혼합 과정에서 발생하는 혼합 엔탈피(enthalpy of mixing)는 그 값이 양수로 흡열현상을 나타내어 용기(vessel)의 온도를 낮추고 이로 인해 압력 또한 낮아져 냉매 사이클의 압력차 증가에 따른 냉매 유량의 증가로 열교환기의 온도변화율을 더 크게 유도할 수 있어 주의가 필요함을 보였다. 또한 원심 압축기를 사용하는 경우 압축기의 속도가 일정할 때 냉매의 혼합으로 냉매의 분자량이 커지면 냉매에 걸리는 수두가 상대적으로 높아져 압축비가 올라가게 된다. 이는 냉매사이클의 전체적인 압차(pressure difference)를 커지게 하고 냉매의 유량을 많아지게하며 줄톰슨밸브에서 발생하는 줄톰슨효과도 증가하기 때문에 열교환기에서의 온도변화율이 더 커지는 결과를 얻었다. 따라서 냉매 혼합 시 열교환기에서의 온도변화율을 제어하기 위해서는 원심 압축기의 속도제어는 필요하다는 결과를 도출하였다.