Dynamic Modeling and Simulation for LNG Value Chain

Abstract

Natural gas is widely used as heating fuel as well as a raw material for various chemical processes and its usage has been continuously increasing due to its cleanness and economic feasibility. However, the use of natural gas is limited by its gaseous state which brings significant challenges for its transport to distant markets. The LNG (Liquefied Natural Gas) which reduces the volume of natural gas to 1/600 makes it possible to transport natural gas to remote regions. At LNG production sites, such as in the Middle East, natural gas is liquefied and then transported to the demand region by LNG carrier ship. LNG in a carrier ship is usually transferred onshore to a LNG receiving terminal via an LNG unloading process. This thesis addresses the dynamic modeling and simulation for LNG value chain and it contains two main processes: one is the liquefaction process which occurred in natural gas liquefaction plant and the other is LNG unloading process in LNG receiving terminal. These two processes occupy the main parts in the whole in LNG value chain and are worth to be studied in depth. This thesis has five main parts. First, we developed a plantwide steady-state model for natural gas liquefaction plant which covers from pretreatment to post-treatment section. The constructed model was tested with model validation. Secondly, a dynamic model was developed for natural gas liquefaction plant based on the steady-state model. The developed dynamic model was validated with steady-state data and set point tracking. We also suggest a new control structure for MCHE (Main Cryogenic Heat Exchanger) operation. The third part of the thesis, we proposed a dynamic modeling methodology for plate-fin heat exchanger when using commercial simulator. We have achieved this goal by adopting optimization technique to parameter estimation. Turning our concerns to LNG receiving terminal, the LNG unloading process was considered at the remaining parts. At fourth part, the dynamic simulation was applied to LNG unloading process and a new operating procedure for a mixed operation of above-ground and in-ground LNG storage tanks was proposed. Finally, we suggested an operational strategy for a terminal operation to cut the operating cost.

천연가스는 난방용 연료와 다양한 화학공정의 원재료로 널리 사용되고 있으며, 청정성과 경제성으로 인하여 그 사용량은 점차 증가하고 있다. 그러나 천연가스는 기체상태라는 한계점으로 인하여 원거리 소비지로 이송하는데 많은 어려움이 있다. 이러한 단점을 극복하기 위하여 천연가스를 액화시켜 액화천연가스(LNG)로 만들게 되면 부피가 1/600 으로 줄어들며, 이는 원거리로의 이송을 가능하게 한다. 천연가스는 중동과 같은 LNG 생산지에서 액화되고 LNG 운반선에 실려 수요지로 이송된다. 수요지의 LNG 인수기지는 해안에 위치하여 LNG는 하역공정을 통해 운반선으로부터 LNG 저장탱크로 이송된다. 이 논문은 LNG 가치사슬에 대해 동적 모델링과 시뮬레이션을 제시하며, 이는 두 가지의 주요 공정을 대상으로 한다. 하나는 천연가스 액화플랜트에서의 액화 공정이며, 다른 하나는 LNG 인수기지에서 일어나는 LNG 하역공정이다. 이러한 두 가지의 공정은 전체 LNG 가치사슬에서 매우 중요한 공정이며, 심도 깊게 연구되어야 할 필요가 있다. 이 논문은 다섯 개의 주요한 부분으로 구성된다. 첫째, 전처리 공정과 후처리 공정을 모두 포함하는 천연가스 액화플랜트에 대해 정적 모델이 개발되었다. 구축된 모델은 모델 검증과 제품의 요구사항 충족 여부를 통해 검증되었다. 두 번째로 개발된 정적 모델에 기반하여 천연가스 플랜트에 대한 동적 모델이 구성되었다. 구성된 동적 모델은 정적 시뮬레이션 데이터와 설정점 추적을 통해 검증되었다. 또한 동적 시뮬레이션을 통하여 극저온 열교환기의 운전을 위한 새로운 제어구조가 제안되었다. 셋째, 상용모사기를 이용하여 평판핀 열교환기에 대해 동적 모델을 구성하는 방법론이 제시되었다. 여기에는 매개변수를 추정하기 위하여 최적화 방법이 적용되었다. 네 번째 부분에서는 LNG 하역공정에 대해 동적 시뮬레이션을 적용함으로써, 인수기지에서 지상탱크와 지중탱크가 혼용되어 운전할 때의 하역 운전 절차가 합성되었다. 마지막으로 LNG 인수기지의 운전 비용을 절감하는 새로운 운전 전략이 제시되었다.