Optimization of Gas Distribution Network Systems

Abstract

최근에 환경오염과 자원고갈에 의해서 인류활동의 생태적 영향을 최소화하는 지속가능한 산업개발(sustainable development)에 많은 관심을 받고 있다. 이에 따라 화학공장을 환경친화적으로 변화시키기 위해서 각 기업들이 물질 및 에너지를 최대한 효율적으로 이용할 수 있는 공정 설계가 활발하게 이루어 지고 있다. 화학 공정 및 반도체 공정의 경우, 규모가 커지면서 많은 설비가 복잡하게 얽혀있어서 많은 에너지를 소모하게 되어 생산비용의 증가를 가져왔다. 특히 에너지 비용이 점차 증가하면서 이와 같은 에너지의 낭비를 줄이고, 투입된 에너지를 최대한 활용하기 위한 방편으로 에너지를 회수하거나 재활용하는 등 에너지 비용 절감방안에 관심을 갖게 되었다. 본 연구는 가스 분배 네트워크 시스템에 대해서 이러한 에너지 비용을 절감하거나 부산물을 재활용하기 위한 공정설계에 대한 방법론을 제시하고자 한다. 공정설계에 대한 방법론은 기존에 많은 연구가 이루어져 왔다. Chemical Process Design, product and process design, conceptual design and chemical engineering design 등의 제목으로 방법론이 제시되었다. 본 연구에서는 이러한 일반적인 framework를 바탕으로 modeling, simulation and optimization을 위한 Engineering Design Procedure를 제안하고, 특정한 Process structure에 대해서 에너지비용 절감 및 부산물 재활용을 위한 사례를 적용하여 공정설계 수행하였다. 제안된 방법론은 douglas 등 화학공정 설계에서 사용되는 의사결정 과정에서 그 구조를 착안하였다. 가스 분배 네트워크 시스템은 크게 두 가지로 분류한다. 공장내의 분배시스템과 공장과 공장 사이의 분배시스템으로 나눌 수 있다. 공장내의 분배 시스템은 공정의 modeling 에 초점을 맞추어 Design procedure를 진행한다. 다음 공장과 공장 사이의 분배시스템은 산업단지내의 공장과 공장을 연결하는데 초점을 맞추어 Design Procedure를 진행한다. 이러한 네트워크 시스템은 byproduct recycling network, water reuse network, mass integration, heat integration 등으로 구분할 수 있다. 위의 공정설계 부분 중 공장내의 분배시스템에 대한 부분으로 Compressor와 Chiller에 대한 공정설계를 Chanpter2와 Chapter3에서 다루고, 공장과 공장 사이의 분배시스템에 대한 부분으로 Hydrogen Recycling Network를 Chapter4에서 내용을 다룬다. 제안된 공정설계 사례는 실제 공정에 성공적으로 적용되었으며, 이로 인해 에너지 절감 및 원가절감을 이루었다. 본 연구에서는 LCD공정에서 사용되는 압축기와 냉동기에 대한 공정설계를 수행하였다. 실제 공정에 적용한 결과 압축기의 경우 모델 정확도가 95%이상이었으며, 냉동기의 경우 type에 따라서 80-97%의 정확도를 보였다. 이를 이용한 에너지 절감 방안으로 압축기 운전 개선을 통해 약 5%의 개선된 에너지 소모량을 보였다. 또한 석유화학단지내 공장간 수소 재활용 네트워크를 설계하였다. 수소 핀치분석을 통하여 교환망 구성에 필요한 최소의 수소 요구 및 정제량을 파악하고, 네트워크 구성에 필요한 비용과 기타 제약조건으로 최적화 문제를 구성하여 공급처(source)와 수요처(sink) 공장간에 최적으로 수소를 재활용하기 위한 네트워크를 설계하였다. 실제 산업현장에서 수소 재활용 네트워크가 구성되어 연간 100억 이상의 경제적인 효과를 얻고 있다. 제안된 방법론은 가스 분배 시스템에 따라 다양한 공정 설계에 폭넓게 적용될 것으로 기대된다.

Gas is one of the essential utilities for operating chemical plants and is usually supplied by compressors of various types. For a large-scale chemical plant, the compression systems are interconnected to each other to form a complex gas-supply network and byproduct recycling network. A complete Engineering Process design includes a critical review of the idea that there should be any process structure, the invention or selection of an appropriate process, optimization of the process, and an economic analysis of its probable profitability. The principal goal of this thesis is to propose a systematic engineering design procedure to improve the profitability. In addition, this thesis is aimed to successfully apply the proposed methodology to an industrial process. In detail, the thesis offers a systematic engineering design procedure to design the process structure (unit, network, design) for industrial process. Chapter 1 provides an introduction of Engineering Process design to this study. Chapter 2 describes unit structure process design of the modeling and optimization of the Turbo-Compression chiller systems in LCD process. Chapter 3 describes unit structure process design of the Hybrid Compressor Model for Optimal Operation of Compressed Dry Air System in LCD Production Industry. Chapter 4 describes network structure process design of the Byproduct Hydrogen Network Design using PSA and Recycling Unit for the Petrochemical Complex. Chapter 5 presents the conclusions and an outline for future works. We believe that the proposed engineering design procedure can be successfully applied into many other process structures and that significant energy and cost savings can thus be expected from the consistently ensured process optimization.