FLNG 혼합냉매 액화공정에 대한 모델예측제어 전략

Abstract

초기 FLNG 프로젝트는 소규모 LNG생산용량을 대상으로 하고 있기에 효율은 낮지만 기상운전 기반으로 안정적인 Nitrogen Expander 사이클 액화공정에 초점을 맞추고 있다. 하지만 향후 대용량 생산플랜트로 프로젝트가 진행됨에 따라 효율이 좋은 혼합냉매 액화공정의 적용에 대한 움직임은 필연적이 될 것으로 전망된다. 육상액화플랜트와는 달리 해양플랜트의 경우 해상환경 및 조건이 가지는 특수성으로 인해 잦은 외란 및 생산로드의 급격한 변화를 유발하게 된다. 이러한 불특정 환경에 노출되어 있는 상황에서 액화공정을 안정적이고 경제적으로 운전하기 위해 다변수제어법 중 하나인 Dynamic Matrix Control(이하 DMC)을 적용하여 다이나믹 시뮬레이션을 하였다. 해상환경 및 조건으로 인해 유도되는 외란은 시뮬레이션상에서 상황을 함축하여 천연가스의 압력과 유량에 대해 인위적인 Step Disturbance로 구현하였으며, 동적 거동 확인을 위한 모델은 Aspen HYSYS Dynamic 7.3 및 MATLAB 2014a 환경에서 구성을 하였다. 대상공정인 혼합냉매 액화공정의 CMRL, CMRV, 컴프레서 스피드를 조절변수로 하였으며 LNG 온도 및 액화기(Liquefier) 고온부 온도차를 제어변수로 정의하였다. 더불어 기본적인 프로세스는 HYSYS Dynamic에서 운전이 되며 다변수제어를 위한 DMC 방법은 MATLAB에서 디자인되어 매 시간 간격으로 각 소프트웨어에서 공정변수를 교환하도록 구성하여 전체 플랜트의 운전 및 제어를 진행하였으며 이를 통해 동적 거동을 확인하였다. Closed Loop으로 구성된 혼합냉매 액화사이클의 경우 각 조절변수간에 상호작용이 예상되기에 다변수 제어방법에 대한 효과를 기대할 수 있으며, 다이나믹 시뮬레이션을 통해 기존의 전형적인 비례적분(PI)제어 방법과 본 논문에서 도입한 DMC제어의 비교하여 다변수 제어방법 특징 및 장점을 확인하였다. 이를 통해 해양액화플랜트의 운전전략으로 다변수 제어방법 적용 및 도입 가능성을 확인해 보고자 한다.