Selection of Optimal Liquefaction Process System considering Offshore Module Layout for LNG FPSO at FEED stage

Abstract

본 논문에서는 향후 LNG FPSO에 적용 가능한 최적 액화 프로세스 시스템 선정에 관한 연구를 수행 하였다. 이는 향후 LNG 액화 프로세스 시스템의 FEED 설계에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대 한다. 해양 적용을 위한 액화 프로세스 시스템은 육상에 적용하는 액화 프로세스 시스템과는 큰 차이가 있다. 육상에 적용하기 위한 액화 프로세스 사이클을 선정하는데 있어 가장 중요한 요소는 열역학적 효율 이다. 그로 인하여 열효율이 높은 Pre-cooled mixed refrigerant 사이클과 optimized cascade 사이클을 적용한 액화 사이클들이 육상 LNG 액화 플랜트에 주를 이루었다. 이런 열효율이 높은 육상용 LNG 액화 사이클들은 해양적용을 위해서는 여러가지 기술적인 문제들로 인하여 적절치 않을 수 있다. 해양 적용을 위한 액화 프로세스 사이클은 열역학적 효율과 더불어 사이클이 간결해야 하며 무게가 가겹고 차지 하는 면적이 작아야 한다는 해양 환경을 고려한 추가적인 중요한 요소들이 있다. 그러므로 해양에 적용가능한 최적 액화 프로세스 사이클을 선저하기 위해서는 육상 적용 시 가장 중요한 요소인 효율(Efficiency)과 해양 적용시 추가적으로 고려해야 될 중요한 요소들인 간결성(Simplicity) 사이에 Trade-offs와 절충이 필요하다. 그 외에도 해양 적용 시 고려해야 될 요소들로는 유연성(Flexibility), 안전(Safety), 배의 움직임(Vessel Motion), 냉매 탱크 위험성(Refrigerant Storage Hazard), 검증된 기술(Proven Technology), 운전의 간결성(Simplicity of Operation), 초기 운전/운전 정지의 용이성(Ease of Start-Up/Shutdown)과 자본(Capital Cost) 등을 고려할 수 있다. 본 논문에서는 LNG FPSO 적용 가능한 최적 액화 프로세스 사이클 선정을 위해서 효율(Efficieny)과 간결성(Simplicity)을 고려하였으며 이를 위해 다음과 같은 연구들을 진행 하였다. 첫번째로, Generic MR(mixed Refrigerant) 액화 사이클을 제안하였으며 이를 근거로 기계적으로 실현 가능한 27개 MR 액화 사이클들을 최적 합성 하였다. 27개 MR 사이클들 중 효율(Efficiency) 측면에서 압축기 소요 동력을 최소로 하는 최적 운전 조건들을 구하여 상위 10개 MR 액화 사이클들을 선정 하였다. 그 후 10개 MR 사이클들 중 간결성(Simplicity) 측면에서 한가지 MR 액화 사이클을 선정 하였으며 선정된 한가지 액화 사이클을 잠재적 MR 액화 사이클로 명명 하였다. 이 단계에서 고려할 수 있는 간결성(Simplicity) 측면은 장비 개수가 유일하여 이를 기준으로 하였다. 이후, 여기서 선정된 잠재적 MR 액화 사이클과 추가적으로 고려한 해양 액화 사이클들에 대한 간결성(Simplicity)연구는 각 사이클들에 대한 최적 장비 모듈 배치(Optimal Equipment Module Layout)를 구하여 보다 실제적인 간결성에 대한 연구를 진행 하였다. 두번째로, 선정된 잠재적 MR 액화 사이클과 추가적으로 3가지 해양 액화 사이클들을 선정하여 이들 사이에 LNG FPSO 용 최적 액화 사이클을 선정하기 위한 효율(Efficiency) 과 간결성(Simplicity) 에 대한 연구를 진행 하였다. 추가적으로 고려한 3가지 해양 액화 사이클들로는 현재 실제 LNG FPSO에 적용 중인 DMR 사이클, Dual N2 Expander 사이클과 육상에서 가장 널리 사용되는 C3 MR 사이클들 이다. 총 4가지 사이클들에 대한 효율(Efficiency) 측면에서는 각 사이클을 구성하는 장비들 중 압축기 소요 동력을 최소화하는 기준으로 4가지 LNG 생산 용량(4.0 MTPA, 3.0 MTPA, 2.0 MTPA, and 1.0 MTPA)에 대한 각 사이클들을 비교 분석 하였다. 다음으로 해양 적용 시 가장 중요한 간결성(Simplicity) 측면에 대한 연구를 언급 하겠다. 이 단계에서 4가지 사이클들의 실제적인 간결성(Simplicity) 차원의 연구를 진행하기 위하여 장비 모듈 배치 최적화 연구를 진행하여 각 사이클들이 차지하는 면적들을 구함으로써 각 사이클들을 비교 분석을 할 수 있었다. 본 논문에서는 배관 연결 비용(Connectivity Cost), 장비들이 차지하는 면적에 비례하는 생산 비용(Construction Cost), 배의 운동에 가장 민감한 장비들(Main Cryogenic Heat Exchanger, Phase Separator)의 배의 운동으로 인한 효율 감소로 인한 비용들을 목적함수로 정의 하였으며 이를 최소화 하였다. 여기서 목적함수를 통해 알 수 있듯이 해양 환경을 고러하여 배의 운동에 민감한 장비들에 대하여 효율에 최대한 덜 영향을 주기 위해 배의 중심 라인에 배치될 수 있도록 하였다. 또한 해양 환경 제약 조건들을 고려하여 FEED 단계에서 각 사이클들을 구성하는 장비들이 차지하는 면적을 최소로 하였다. 제약 조건들로는 안전을 고려한 제약 조건들과 길이 방향으로 긴 장비들이 여러 층을 관통하는 조건들 및 해양 환경상 특별히 고려해야될 제약 조건들에 대하여 정의 하였다. 이런 제약 조건들과 목적함수를 고러하여 4가지 사이클들에 대한 수학적 모델링들을 도출하였으며 Mixed Integer NonLinear Programming(MINLP)를 이용하여 최적화 문제들을 풀어 최적 장비 모듈 배치들을 구하여 결국 각 사이클들이 차지하는 면적들을 구할 수 있었다. 실제 LNG FPSO에 적용을 위하여 상기 4가지 사이클들의 효율(Efficiency) 측면에서 최적 운전 조건들과 간결성(Simplicity) 측면에서 장비 모듈 배치 결과값들을 근거로 효율과 간결측 측면에서 Trade-offs 를 수행 하였다. 그 결과, Generic MR 액화 사이클로부터 선정된 잠재적 MR 액화 사이클이 LNG FPSO 용 최적 액화 사이클로 선정 하였다. 본 연구에서는 해양 관련 가장 최신 기술인 액화 공정에 대해서 진행 하였으며 이는 해양 관련 모든 시스템들에도 적용 가능할 것이며 이를 통해서 결국 Topsides 전체 시스템들에 대한 최적화된 차지하는 면적들을 구할 수 있게 됨으로써 최종적으로 최적화된 배의 크기를 구할 수 있을 것으로 기대된다.

In this paper, the offshore selection criteria for the optimal liquefaction process system are studied to contribute to the future FEED engineering for the liquefied –natural -gas (LNG) floating, production, storage, and offloading (LNG FPSO) liquefaction process system. From the foregoing, it is clear that offshore liquefaction plants have process requirements different from those of the traditional onshore liquefaction plants. While thermodynamic efficiency is the key technical process selection criterion for large onshore liquefaction plants, the high-efficiency pre-cooled mixed refrigerant and optimized cascade plants that dominate the onshore LNG installations are unlikely to meet the diverse technical and safety needs of offshore liquefaction facilities. Offshore liquefaction technology developers are rightly focusing on process simplicity, low weight, small footprint, and other criteria. The key criteria that influence process selection and plant optimization for the offshore liquefaction cycle lead to some trade-offs and compromises between efficiency and simplicity. In addition, other criteria for offshore liquefaction cycles should also be considered, such as flexibility, safety, vessel motion, refrigerant storage hazard, proven technology, simplicity of operation, ease of start-up/shutdown, and capital cost. First of all, this paper proposes a generic mixed refrigerant (MR) liquefaction cycle based on four configuration strategies. The 27 feasible MR liquefaction cycles from such generic MR liquefaction cycle are configured for optimal synthesis. From the 27 MR liquefaction cycles, the top 10 are selected based on the minimum amount of power required for the compressors. Then, one MR liquefaction cycle is selected based on simplicity among the 10 MR process cycles, and this is called a potential MR liquefaction cycle. Second, three additional offshore liquefaction cycles — DMR for SHELL LNG FPSO, C3MR for onshore projects, and the dual N2 expander for FLEX LNG FPSO — are considered for comparison with the potential MR liquefaction cycle for the selection of the optimal offshore liquefaction cycle. Such four cycles are compared based on simplicity, efficiency, and other criteria. Therefore, the optimal operating conditions for each cycle with four LNG capacities (4.0, 3.0, 2.0, and 1.0 MTPA) are calculated with the minimum amount of power required for the compressors. Then the preliminary equipment module layout for the four cycles are designed as multi-deck instead of single-deck, and this equipment module layout should be optimized to reduce the area occupied by the topside equipment at the FEED stage. In this paper, the connectivity cost, the construction cost proportional to the deck area, and the distance of the main cryogenic heat exchanger (MCHE) and separators from the centerline of the hull are considered objective functions to be minimized. Moreover, the constraints are proposed to ensure the safety and considering the deck penetration of the long equipment across several decks. Considering the above, mathematical models were formulated for them. For example, the potential MR liquefaction cycle has a mathematical model consisting of 257 unknowns, 193 equality constraints, and 330 inequality constraints. The preliminary optimal equipment module layouts with four LNG capacities (4.0, 3.0, 2.0, and 1.0 MTPA) are then obtained using mixed-integer nonlinear programming (MINLP). Based on the above optimal operating conditions and equipment module layouts for the four potential offshore liquefaction cycles, trade-offs between simplicity and efficiency are performed for actual offshore application, and finally, the potential MR liquefaction cycle is selected for the optimal liquefaction cycle for LNG FPSO.