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1 저작자표시 - 비영리 - 변경금지 2.0 대한민국 이용자는아래의조건을따르는경우에한하여자유롭게 이저작물을복제, 배포, 전송, 전시, 공연및방송할수있습니다. 다음과같은조건을따라야합니다 : 저작자표시. 귀하는원저작자를표시하여야합니다. 비영리. 귀하는이저작물을영리목적으로이용할수없습니다. 변경금지. 귀하는이저작물을개작, 변형또는가공할수없습니다. 귀하는, 이저작물의재이용이나배포의경우, 이저작물에적용된이용허락조건을명확하게나타내어야합니다. 저작권자로부터별도의허가를받으면이러한조건들은적용되지않습니다. 저작권법에따른이용자의권리는위의내용에의하여영향을받지않습니다. 이것은이용허락규약 (Legal Code) 을이해하기쉽게요약한것입니다. Disclaimer

2 공학석사학위논문 LNG 액화사이클특성분석에관한연구 A Study for Characteristic Analysis of LNG Liquefaction Cycle

3 본논문을유권준의공학석사학위논문으로인준함. 위원장이상득 ( 인 ) 위원도덕희 ( 인 ) 위원최재혁 ( 인 ) 2016 년 06 월 24 일 한국해양대학교해사산업대학원

4 목 차 List of Tables ⅳ List of Figures ⅴ Abstract ⅶ 서론 연구배경 연구목적 이해 산업이해 생산및수송 공정 액화공정 프로젝트소개 - i -

5 액화이론및공정분류 액화의기본원리 냉동사이클 의이해 액화공정분류 순수냉매 와혼합냉매 를 해야하는이유 냉동사이클의열통합 천연가스액화공정사이클 사이클 사이클 사이클 질소팽창기사이클 공정의크기와특징 액화 - ii -

6 액화공정비교 미니 용액화사이클특성분석 천연가스 의정의 의정의 미니 의정의 소형부유식 생산설비 급 운반선 미니 액화방식 미니 액화사이클최적화방안 SMR Cycle과 C 1 -N 2 Expander Cycle의비교분석 SMR 사이클 (Cycle) 특성분석 N 2 Expander Cycle 특성분석 SMR Cycle과 N 2 Expander Cycle 특성분석 SMR Cycle과 N 2 Expander Cycle 장단점 결론 요약 향후과제 감사의글 참고문헌 - iii -

7 Table 1 Comparison of LNG-FPSO vs Onshore LNG Plant 7 Table 2 Component Condition of Common LNG 11 Table 3 Liquefaction Process of Onshore LNG Plant for Duty Base 13 Table 4 Liquefaction Process for LNG-FPSO Project 14 Table 5 Comparison of Natural Gas Liquefaction Cycle 15 Table 6 Comparison of KSMR Process for 2MTPA Production Capacity 16 Table 7 Ongoing LNG-FPSO Project 17 Table 8 Range of Cooling Temperature for Refrigerants(Smith, 2005) 26 Table 9 Classification of the Liquefaction Process 36 Table 10 Liquefaction Process Technology for Onshore Plant 54 Table 11 Mid Scale Liquefaction Process Summary 59 Table 12 Comparison of Liquefaction Process(1) 65 Table 13 Comparison of Liquefaction Process(2) 66 Table 14 Physical and Chemical Properties of Natural Gas(1) 68 Table 15 Physical and Chemical Properties of Natural Gas(2) 69 Table 16 Characteristic of everse Brayton Process 74 Table 17 Comparison of SMR Cycle vs C 1 N 2 Expander Cycle 82 - iv -

8 Fig. 2.1 Conventional LNG Value Chain 5 Fig. 2.2 Onshore LNG Plant & Offshore LNG-FPSO 6 Fig. 2.3 Schematic Diagram of LNG-FPSO Subsea Gas Equipment 8 Fig. 2.4 Main Equipment of LNG-FPSO(Flex LNG-FPSO: SHI) 9 Fig. 2.5 Process Flow Chart of LNG-FPSO 10 Fig. 2.6 Natural Gas Liquefaction Process for LNG-FPSO 15 Fig. 2.7 Airscape of FLEX LNG Procedure 18 Fig. 2.8 Airscape of SBM의 FLNG 19 Fig. 2.9 Airscape of Höegh LNG 21 Fig Airscape of Shell의 Prelude FLNG 22 Fig. 3.1 A Simple Refrigeration Cycle 24 Fig. 3.2 Structural Evolution of a Simple Refrigeration Cycle 27 Fig. 3.3 MR (Mixed Refrigerants) Cycle 28 Fig. 3.4 Refrigeration Cycle 30 Fig. 3.5 Ideal Vapor Compression Refrigeration Cycle 31 Fig. 3.6 Joule Thompson Effect 32 Fig. 3.7 Joule-Thomson Coefficient Alteration of Various Gases 33 Fig. 3.8 Cascade Refrigeration Cycle 34 Fig. 3.9 Reverse Brayton Cycle 35 Fig Natural Gas Refrigerant Cooling Curve 38 Fig Using Grand Composite Curve for the Design of Refrigeration Cycles 41 Fig Combining Various Design Options of Refrigeration Cycles 44 Fig SMR (Single Mixed Refrigerant) Cycle 45 Fig C 3 MR (Propane-Precooled Mixed Refrigerant) Cycle 46 Fig DMR(Dual Mixed Refrigerant) Cycle 47 - v -

9 Fig CCP(Classical Cascade Process) 48 Fig MFC(Mixed Fluid Cascade) Cycle 50 Fig Nitrogen Expander Cycle 51 Fig. 4.1 SMR(B&V) 53 Fig. 4.2 LiMuM(Linde) 56 Fig. 4.3 N 2 Dual Expander Process 57 Fig. 4.4 OCX(Open Cycle Expander) Process 58 Fig. 4.5 C 3 MR(APCI) 61 Fig. 4.6 Axens Liquefaction Process 62 Fig. 4.7 Statoil Linde Mixed Fluid Cascade Process(MFCP) 63 Fig. 4.8 AP-X Liquefaction Process 64 Fig. 5.1 Mini LNG Tanker 71 Fig. 5.2 Mini Scale Liquefaction Plants 71 Fig. 5.3 LNG Cost Challenge 72 Fig. 5.4 LNG Efficiency Challenge 73 Fig. 5.5 Diagram of Reverse Brayton process 74 Fig. 5.6 Single Expander Process 75 Fig. 5.7 Dual N 2 Expander Process 76 Fig. 5.8 SMR(B&V) Cycle 76 Fig. 5.9 C 1 -N 2 Dual Expander(CB&I) Cycle 76 Fig Mollier Diagram(P-H Diagram) of SMR Cycle 77 Fig Temperature Alteration of SMR Cycle 78 Fig Mollier Diagram(P-H Diagram) of N 2 Expander Cycle 79 Fig Temperature Alteration of N 2 Expander Cycle 80 Fig Efficiency Comparison of SMR Cycle vs N 2 Expander Cycle 81 Fig Production Comparison of SMR Cycle vs N 2 Expander Cycle 81 - vi -

10 < 영문초록 > Environmental Regulations are getting stricter at worldwide, it is inevitable to avoid Global Environmental restriction regarding Nitrogen Oxides(NO X ), Sulfur Oxide(SO X ) and fine Particulate Matter(PM) which are released from the vessel, bunker-c oil fueled for propulsion. So, LNG Propulsion Vessel is strongly required. LNG fueled vessels are welcomed as eco-friendly energy by showing lower emission quantities than 20% of CO 2, 80% of Nitrogen Oxides(NO X ) and 80% of Sulfur Oxide(SO X ) compared with bunker-c oil fueled vessels. At this research, LNG Liquefaction Cycle which will be referenced for Mini LNG Vessel(Tank capacity within 5,000m 3, the ability of the re-liquefaction apparatus 1 ~ 10 tonnes/day) is studied to reach Optimized Mini LNG Vessel and LNG Bunkering Vessel, that are low priced and efficient, with analysis for LNG Liquefaction Cycle characteristics. LNG liquefaction process that can be applied at Mini LNG industry, is explained by the result that followed comparison of Process s Pros & Cons and characteristics based on SMR Process and N 2 Expander Process extensively at Small & Middle Scale. Key Words: Mini LNG Vessels; LNG Bunkering; SMR Cycle; N 2 Expander Cycle; LNG - vii -

11 국문초록 세계적으로환경규제가강화되고있으며, 기존의벙커C유를추진선박의연료로사용하는경우에는선박에서발생하는질소산화물 (NO X ), 황산화물 (SO X ) 그리고미립자 (PM) 에대한국제적인환경규제를해결할수없다. 따라서 LNG 추진선박의도입이필수이며, LNG 연료는기존벙커C유대비 CO 2 발생은 20%, 질소산화물 (NO X ) 발생 80%, 황산화물 (SO X ) 발생 90% 이상절감이가능한친환경에너지원으로각광받고있다. 본연구에서는미니 LNG 선박 (Tank 용량 5,000M 3 이내, 재액화장치의능력 1~10tonnes/day) 을위한 LNG 액화사이클특성을분석하여경제적이고효율적인최적의미니 LNG 선박과 LNG Bunkering 선박에적용하기위한 LNG 액화사이클을찾아연구하였다. 미니 LNG 산업에적용가능한 LNG 액화공정은중 / 소형에서널리적용되고있는 SMR 공정과 N 2 Expander 공정에대한실험자료를토대로공정의장단점및특성을비교분석하여그연구결과를설명하였다. 주제어 : 미니 LNG 선박 ; LNG Bunkering; SMR Cycle; N 2 Expander Cycle; LNG - viii -

12 제 1 장서론 1.1 연구배경 국제해사기구 (IMO, International Maritime Organization) 는선박및해양분야의환경규제를강화하고있으며, 특히선박의연료의황함유량을현재최대 4.5% 수준에서 2020년까지 0.5% 까지줄이는등지속적으로규제를강화할계획이다. 세계각국은해운 항만물류분야에서 2050년까지 CO 2 배출량 50% 감축을목표로설정하였으며국내에서는 30% 저감목표를설정하여탄소배출저감을위한녹색산업체제를강화하고있다. 2010년국제해사기구 (IMO) 는발틱해를시작으로배출통제지역 (ECA, Emission Control Area) 을설정하고선박에서발생하는질소산화 (NOx), 황산화물 (SO X ) 그리고미립자 (PM, Particular Matter) 를획기적으로줄이도록사전공지와함께입법활동을추진하였다. 현재까지 IMO에통보된배출통제지역 (ECA) 은발틱해, 북해해역, 북미지역연안해역이다. ECA 지역은점차확대되고있으며, ECA내배출가스규제강도가지속적으로높아지고있다. 2016년부터본격적으로 ECA가발효됨으로써신규도입선박은 IMO 규제를만족해야한다. 이문제를해결하기위한방안은기존의벙커C유엔진선박으로는불가능하다는것이전문가들의대체적의견이다. 따라서 LNG(Liquefied Natural Gas) 연료추진선박의도입은선택이아닌필수가되었다. LNG는기존방카C유대비 CO 2 발생은약 20%, 질소산화물 (NO X ) 발생 80%, 황산화물 (SO X ) 발생 90% 이상절감이가능한친환경에너지원으로각광받고있다. LNG을연료로사용하기위해서는 LNG 생산을위한설비와 LNG을운송하기위한선박및 LNG을연료로하는선박엔진등산업이함께성장해야한다. 그밖에도 LNG 등의액화가스를저장하는저장탱크를구비한해상구조물에대하여, 저장탱크에서지속적으로발생하는증발가스를효율적으로처리하되, 플래시가스의발생을억제할수있는방법에대한연구개발이계속해서이루 - 1 -

13 어질필요가있다. 이러한기술을토대로미니 LNG 선이나벙커링 (bunkering) 선박을개발하여대형 LNG 선이운항할수없는도서지역에 LNG 를공급하거 나, LNG 를연료로사용하는선박에벙커링을할수있는선박이필요하다. 1.2 연구목적 세계각국은해운 항만물류분야에서 2050년까지 CO 2 배출량 50% 감축을목표로설정하였으며국내에서는 30% 저감목표를설정하여탄소배출저감을위한녹색산업체제를강화하고있다. 2010년 IMO는발틱해를시작으로배출통제지역 (ECA) 을설정하고선박에서발생하는질소산화물 (NO X ), 황산화물 (SO X ) 그리고 PM( 미립자 ) 을획기적으로줄이도록사전공지와함께입법활동을추진하였다. 이문제를해결하기위한방안은기존의벙커C유엔진선박으로는불가능하다는것이전문가들의대체적의견이다. 따라서 LNG연료추진선박의도입은선택이아닌필수이다. LNG는기존방카C유대비 CO 2 발생은약 20%, 질소산화물 (NO X ) 발생 80%, 황산화물 (SO X ) 발생 90% 이상절감이가능한친환경에너지원으로각광받고있다. 이러한추세에맞물려전세계적으로 LNG연료추진선박과 LNG 벙커링선박에대한관심이급증하고있다. LNG 벙커링과 LNG연료추진선박분야는초기단계로우리가선제적으로대응한다면친환경해운 항만물류분야에서우위를점할수있을것이다. 해운 항만물류분야의강국을지향하는우리나라는향후허브항만의지위를점하고지속적인성장을위해국가미래전략사업의한영역으로 LNG 벙커링사업을추진해야할필요가있다. 그리고 LNG 벙커링은효율성, 활용도, 항만의환경, 지역민원등을고려한다면부유식 (floating type) 이가장적절할것으로판단된다. 본연구에서는미니 LNG 선박을위한 LNG 액화사이클특성을분석하여경제적이고효율적으로미니 LNG 선박과 Bunkering 선박에적용할수있는 LNG 액화사이클시스템을찾아연구하는데목적이있다

14 2 장 LNG-FPSO 이해 2.1 LNG 산업이해 최근에 LNG(Liquefied Natural Gas) 나 LPG(Liquefied Petroleum Gas) 등의액화가스의소비량이전세계적으로급증하고있는추세이다. 액화가스는, 육상또는해상의가스배관을통해가스상태로운반되거나, 또는, 액화된상태로액화가스운반선에저장된채원거리의소비처로운반된다. LNG나 LPG 등의액화가스는천연가스혹은석유가스를극저온 (LNG의경우대략 -163 ) 으로냉각하여얻어지는것으로가스상태일때보다그부피가대폭적으로감소되므로해상을통한원거리운반에매우적합하다. 액화가스운반선은, 액화가스를싣고바다를운항하여육상소요처에이액화가스를하역하기위한것이며, 이를위해, 액화가스의극저온에견딜수있는저장탱크 ( 흔히, ' 화물창 ' 이라함 ) 를포함한다. 이와같이극저온상태의액화가스를저장할수있는저장탱크가마련된해상구조물의예로서는액화가스운반선이외에도 LNG RV(Regasification Vessel) 와같은선박이나 LNG FSRU (Floating Storage and Regasification Unit), LNG FPSO (Floating, Production, Storage and Off-loading) 와같은구조물등을들수있다. LNG RV는자력항해및부유가가능한액화가스운반선에 LNG 재기화설비를설치한것이고, LNG FSRU는육상으로부터멀리떨어진해상에서 LNG 수송선으로부터하역되는액화천연가스를저장탱크에저장한후필요에따라액화천연가스를기화시켜육상수요처에공급하는해상구조물이다. 그리고 LNG FPSO는채굴된천연가스를해상에서정제한후직접액화시켜저장탱크내에저장하고, 필요시이저장탱크내에저장된 LNG를 LNG 수송선으로옮겨싣기위해사용되는해상구조물이다. 본명세서에서해상구조물이란, 액화가스운반선, LNG RV 등의선박을비롯하여, LNG FPSO, LNG FSRU 등의구조물까지도모두포함하는개념이다

15 천연가스의액화온도는상압에서약 -163 의극저온이므로, LNG는그온도가상압에서 -163 보다약간만높아도증발된다. 종래의 LNG 운반선의경우를예를들어설명하면, LNG 운반선의 LNG 저장탱크는단열처리가되어있기는하지만, 외부의열이 LNG에지속적으로전달되므로, LNG 운반선에의해 LNG를수송하는도중에 LNG가 LNG 저장탱크내에서지속적으로기화되어 LNG 저장탱크내에증발가스 (BOG, Boil-Off Gas) 가발생한다. 발생된증발가스는저장탱크내의압력을증가시키며선박의요동에따라액화가스의유동을가속시켜구조적인문제를발생시킬수있기때문에, 증발가스의발생을억제할필요가있다. 이전에는액화가스운반선의저장탱크내에서의증발가스를억제하기위해, 증발가스를저장탱크의외부로배출시켜소각해버리는방법, 증발가스를저장탱크의외부로배출시켜재액화장치를통해재액화시킨후다시저장탱크로복귀시키는방법, 선박의추진기관에서사용되는연료로서증발가스를사용하는방법, 저장탱크의내부압력을높게유지함으로써증발가스의발생을억제하는방법등이단독으로혹은복합적으로사용되고있었다. 증발가스재액화장치가탑재된종래의해상구조물의경우, 저장탱크의적정압력유지를위해저장탱크내부의증발가스를저장탱크외부로배출시켜재액화장치를통해재액화시키게되는데, 재액화작업이이루어지기전에증발가스를대략 4 내지 8 bara(absolute pressure) 정도의저압으로압축시켜재액화장치로공급한다. 압축된증발가스는질소냉동사이클을포함하는재액화장치에서초저온으로냉각된질소와의열교환을통해재액화된후저장탱크로복귀된다. 증발가스의재액화효율을높이기위해서는증발가스를높은압력으로압축시키는것이바람직하지만, 저장탱크에저장된 LNG는상압상태를유지하고있기때문에재액화된액화증발가스의압력이지나치게높으면저장탱크에복귀할때플래시가스 (flash gas) 가발생하게된다. 따라서재액화효율은낮지만상기한 4 내지 8 bara 정도의저압으로증발가스를압축할수밖에없다는문제가있다. 한편, 질소냉동사이클은냉매로서질소가스 (N 2 ) 를사용하여액화효율이낮은문제가있고, 혼합냉매사이클은냉매로서질소와탄화수소가스등이혼합된냉매를사용하기때문에안정성이떨어지는문제가있다. 더욱상세하게는, - 4 -

16 종래의선박이나해상플랜트등의해상용 LNG 재액화장치에서는터보팽창기 (turbo expander) 방식의질소역브레이튼사이클 (N 2 Reverse Brayton Cycle) 을구현하여증발가스를재액화하였고, 육상용 LNG 액화플랜트에서는혼합냉매를이용하는줄-톰슨냉동사이클 (Joule Thompson Refrigeration Cycle) 을구현하여천연가스를액화시켰다. 해상용으로사용하던질소역브레이튼사이클은상대적으로장치의구성이단순하여공간이한정된선박이나해상구조물에서유리하지만효율이낮은문제가있고, 육상용으로사용하던혼합냉매줄-톰슨냉동사이클은상대적으로효율이높지만혼합냉매의특성상기액상태가동시에존재할때이를분리하기위한세퍼레이터 (separator) 를사용해야하는등장치구성이복잡해지는문제가있다. 하지만이러한재액화방식은아직많이사용되고있다. 2.2 LNG 생산및수송 [1]LNG 의생산및수송, 그리고소비에있어서, 천연가스가가스전에서생산되 어서멀리떨어진다른소비국으로이송되는여러가지방법을 [Fig. 2.1] 에나 타내었다. [Fig. 2.1] Conventional LNG Value Chain - 5 -

17 기존의방법에서는가스전에서가스를포집및처리하는생산설비를지나서액화설비에서액화된이후에 LNG선박을이용하여소비국으로이동이후저장및재기화 (regasification) 설비를거쳐서사용자에게전달된다. 이러한전통적인방법에있어서 LNG 설비의건설및운영이어려운조건들, 예를들면육상으로부터거리가멀거나, 기술자의부족, 거주시설이나기반시설의취약, 환경적제약등의문제로해양설비로의대안을찾는경우가있다. LNG-FPSO는육상의 LNG플랜트를해상의바지선위에올려놓는형태이고, LNG-FSRU는육상의 LNG터미널을해상의바지선위에올려놓는형태이다. RV(Regasification Vessel) 의경우는 LNG선박과 LNG터미널의기능이합쳐진형태이다. 또한, 이러한 LNG플랜트및 LNG터미널의기능을하나의배위에구현하는방법인 PLNG(Pressurized Liquefied Natural Gas) 와 CNG(Compressed Natural Gas) 의방법이있다. 각각의방법은여러기능을하나의배위에서구현한다는장점이있으나, 공간및시간상의제약으로인한한계도갖고있다. 가스전이근해에있더라도 LNG플랜트가육상에있는가혹은해상에있는가에따라차이가생기는데 [Fig. 2.2] 에육상의 LNG플랜트와해상의 LNG-FPSO의비교개념을표현하였다. 종전의육상용 LNG플랜트에서, 가스전에서포집된가스는해상플랫폼에서하이드레이션 (hydration) 방지처리가된이후에파이프라인으로육상의 LNG플랜트까지이송된다. [Fig. 2.2] Onshore LNG Plant & Offshore LNG-FPSO 액화가된 LNG 는저장설비에저장되었다가 LNG 선박으로하역된다. 이에비하 - 6 -

18 여해상용 LNG-FPSO의경우, 가스전에서포집된가스는 LNG-FPSO로이송된 이후에액화및저장되었다가 LNG선박으로하역된다. [Fig. 2.2] 에나타나듯이, 그설비가육상혹은해상에위치한다는차이점으로인하여천연가스의처리 및액화, 그리고저장및하역에있어서많은차이가있은데 <Table 1> 에 LNG-FPSO와육상 LNG플랜트의비교를나타내었다. <Table 1> Comparison of LNG-FPSO vs Onshore LNG Plant 항목 육상 LNG 플랜트 LNG-FPSO 건설방법 액화플랜트건설현지에서조선소에서건조후현지로제작, 설치이동하여설치 파이프라인 필요 ( 가스전-액화플랜트 ) 불필요 이동성 고정식욱상플랜트로이동성가스전생산완료후타가스전으로없음이동하여재사용가능 대상가스전 대규모가스전 ( 보통 5Tcf 이상 ) 중규모가스전 (1~5 Tcf) 트레인용량 연산 2~8백만톤 연산 1~3.5백만톤 해양석유전에서는석유와같이가스가나오는경우가있는데, 그가스를유전에재주입하기가어렵거나활용하는경제성이낮기때문에 Flaring하는경우가있다. LNG-FPSO의가장좋은활용도는이렇게 Flaring하고있는가스를액화하여상업적가치를갖게하는것이다. 현재브라질의 Tupi 유전이가장큰유전으로알려져있다. Tupi 유전은많은양의 CO 2 와석유동반가스 (associated gas) 를갖고있으나, 매우깊은심해 (6000 feet 이상 ) 에위치하고있기에 LNG-FPSO가매우적합한방법으로평가되고있는유전이다. 아무런기반시설이없는오지에 LNG액화플랜트를건설하고운영하는것에는많은난관이존재한다. 육지에서멀리떨어진 Tupi 나 Browse LNG, Sunrise LNG, 그리고 Prelude LNG와같은경우 LNG-FPSO를우선적으로고려할수있다. 또한, 중 소규모혹은오지가스전의경우에도 LNG-FPSO를일차적으로고려할수있다. 가스전개발의경제성분석에있어서육상용 LNG플랜트를대신하여 LNG-FPSO를고려하는매우중요한요인은부족한기반시설과적절한노동자를구하기힘든경우이다

19 2.3 LNG-FPSO 공정 [1]LNG-FPSO 공정은가스전에서가스를받아서이를해상에서액화하여 LNG 선박으로하역한다. 해저의가스전에서부터 LNG-FPSO 까지의해저가스전에대 한공정개념도를 [Fig. 2.3] 에나타내었다. [Fig. 2.3] Schematic Diagram of LNG-FPSO Subsea Gas Equipment 해저땅속에있는천연가스는가스전과크리스마스트리, 그리고해저 Manifold 들을거쳐서 Riser Base에도달한다. Riser Base는 LNG-FPSO와연결하기위한해저의천연가스집결지이며 LNG-FPSO와는 Riser로연결된다. Riser는 LNG-FPSO의무어링 (mooring) 과연결되며, 해저가스전에서 LNG-FPSO로천연가스를전송하는특수배관이다. 해저가스전시스템에서 Umbilical 라인은해저시스템을운영하기위한동력및제어장치신호와하이드레이트방지를위한화학물질을전달한다. 무어링 (mooring) 은해저에고정된무어링라인들에연결되어 LNG-FPSO의위치를고정시킨다. 무어링바깥에는 LNG-FPSO에고정된터렛 (turret) 이있고, 이들을중심으로 LNG-FPSO가회전할수있도록하여, 가 - 8 -

20 스전에서의 LNG-FPSO 위치를무어링과터렛을중심으로고정시킬수있다. 해 저가스전시스템으로부터올라온천연가스는 [Fig. 2.4] 의 LNG-FPSO 로유입되 어액화된다. [Fig. 2.4] Main Equipment of LNG-FPSO(Flex LNG-FPSO: SHI) LNG-FPSO의주요장비를 [Fig. 2.4] 에나타내었다. 해저가스전에서전송된천연가스는터렛과무어링으로이루어진가스주입설비를지나서전처리설비에서산성가스, 수분, 그리고수은을제거하고액화플랜트를지나면서 LNG로된다음에 Hull에있는저장설비로저장된다. 저장된 LNG, LPG, 콘데세이트 (condensate) 는하역설비를통하여운반선으로하역된다. 또한, LNG-FPSO 설비들을운용하기위한발전및동력설비와운전원및관리원들이거주할거주시설이필요하다. [Fig. 2.5] 에대표적인 LNG-FPSO 공정의흐름도를나타내었다

21 [Fig. 2.5] Process Flow Chart of LNG-FPSO [Fig. 2.5] 에서천연가스는왼쪽아래부분으로부터 LNG-FPSO로전송된다. LNG-FPSO에서천연가스를받는부분은터렛으로높이가 20층짜리아파트와맞먹는높이의대형원통형구조물이다. LNG-FPSO는파도와바람의영향을최소화하기위하여선체방향을바꾸어야하는데, 터렛을축으로회전하여방향을바꾸게된다. 가스전가스에는에너지원인메탄, 에탄, 프로판등의기체형탄화수소계열의물질외에중질분인콘덴세이트가함유되어있고, 질소및이산화탄소와황화합물등의불순물이있다. 최종적으로생산해야할 LNG의주요성분은메탄이다. 또한, LNG플랜트운영및상업적가치를위해서는기타불순물에대한함유량조건을만족해야하는데, <Table 2> 에일반적인 LNG 성분조건을표시하였다. 가스전가스에서부터일반적인 LNG 성분을맞추기위해서는분리및정제공정이필요한데, 가스전처리 (gas pre-treatment) 공정이그역할을수행한다. 우선 [Fig. 2.5] 에서의 Slug Catcher 에서는상온에서의고형물을일차적으로분리하고 Condensate Stabilization 에서는그중에서물과불순물등을분리하는정제과정이다

22 <Table 2> Component Condition of Common LNG Component 이산화탄소 (CO 2 ) 수은 (Hg) 질소 (N 2 ) 수분 (H 2 O) 벤젠 (C 6 H 6 ) 에탄 (C 2 H 6 ) 프로판 (C 3 H 8 ) 부탄 (C 4 H 10 ) 펜탄이상중질분 Limits (Maximum) 50 ~ 100 ppm mole 0.01 microgram / Nm³ 1 mol% 1 ppm mole 이하 1 ppm 6~8 mol% 2 mol% 2 mol% 0.1 mol% Slug Catcher 이후에전처리공정의대표적 3단계인 산성가스처리 (Acid Gas Removal), 수분제거 (Dehydration), 그리고 수은제거 (Mercury Removal) 을거치면서, 이산화탄소 (CO 2 ) 나황화합물과같은산성가스의제거, 수분제거, 그리고수은제거를수행한다. 이산화탄소는저온에서고형화되는물질로열교환기의통로를막을수있으며 LNG의열량품질을떨어뜨리기에제거해야한다. 천연가스내의수분역시자체적으로결빙되거나하이드레이트를형성하여열교환기의통로를막을수있으며, 수은은알루미늄에대한부식성이있기에알루미늄으로만들어진주열교환기에문제를일으킬수있다. 다음은분리공정을이용한중질분의제거공정이다. 특히프로판과부탄은 1) 생산되는 LNG의열량조절, 2) 혼합냉매액화공정 (Mixed Refrigerant Liquefaction Process) 의경우냉매로의보충, 3) LPG는 LNG보다상업적가치가높다는이유로 NGL Extraction 과 Fractionation 공정을통하여분리되고 LPG 저장설비에저장된다. 액화공정은천연가스를 -163 까지온도를낮춰서액체화하는공정으로냉매수에따라 1 3 사이클공정으로분류할수있으며, 사용냉매에따라질소및탄화수소계냉매로분리될수도있고, 냉매의혼합성에따라순수냉매와혼합냉매로분리될수있다. 액화되지않은가벼운성분 ( 주로질소 ) 은 End Flash" 를통하여분리되고냉열을회수한이후에보통연료가스로사용된다. LNG-FPSO Topside 공정의대부분은이러한가스전처리공정

23 과액화공정이며, 그외에대규모의발전설비와제어장비및유틸리티가필요 하다. 또한거주시설및소방방제설비등이요구된다. 2.4 LNG-FPSO 액화공정 [1] 육상형 LNG 플랜트에사용되는천연가스액화공정을 <Table 3> 에나타내었다. 액화공정은크게사용되는액화사이클의개수에따라 1, 2, 3 Cycle 로나눌수 있다. 1) 1 Cycle: SMR(Single Mixed Refrigerant) 2) 2 Cycle: C 3 MR( Propane Pre-cooled Mixed Refrigerant), DMR(Dual Mixed Refrigerant) 3) 3 Cycle: Cascade, Optimized Cascade, MFC(Mixed Fluid Cascade), AP-X 1964년도에최초로상업화된액화공정은 Cascade 액화공정으로메탄, 에틸렌, 프로판의순수냉매를사용하여상대적으로고온부분은프로판으로천연가스를냉각시키고, 그다음으로에틸렌냉매를사용하여냉각및액화시키고, 마지막으로메탄을사용하여과냉각시켜서상압에서액체상태가되도록한다. 순수냉매를사용하기에공정을이해하기쉽고안정성이높다. 또한, Cascade 공정의각순수냉매에대한단수를늘려효율을높인방법이 Optimized Cascade 공정이다. 혼합냉매를사용한 SMR 공정은천연가스의주성분인메탄, 에탄, 프로판과질소, 그리고필요에따라부탄과펜탄을적정비율로혼합하여냉매로사용한다. 단한개의냉매사이클이적용되므로그구조는간단하지만, 낮은효율로인하여대형 LNG플랜트보단소형의 Peak-Shaving에많이적용되고있다. 이러한 SMR과 Cascade의장점을결합한 C 3 MR공정이나타났다. C 3 MR은 Cascade의프로판순수냉매로예냉을수행하고, SMR의혼합냉매로천연가스를액화하는공정으로높은효율과운전안전성으로전세계시장의 64% 를차지하고있다. 여기에 AP-X 공정이 C 3 MR을변형한형태임을감안한다면, 전세

24 계액화공정의 76% 가 C 3 MR 구조의액화공정을사용한다고볼수있다. 예냉을 담당하는 C 3 MR 공정의프로판을혼합냉매로대처한다면, 두개의 MR 냉매를사 용하는형태인 DMR 공정이된다. 효율은 C 3 MR 공정과유사하지만, C 3 MR 공정에 는여러개의예냉열교환기가있는데, DMR 공정의경우에는크지만하나의열 교환기로예냉을수행할수있다는장점이있다. 두개의혼합냉매를사용하 는공정이 DMR 이라면, 3 개의혼합냉매를사용하는공정이 MFC 공정이다. 현 재육상형 LNG 플랜트한개에만적용되었으며, 냉매주압축기의동력에있어 서최초의모터동력방식이적용되었다. <Table 3> Liquefaction Process of Onshore LNG Plant for Duty Base Cycle 종류 1 Cycle 2 Cycle 3 Cycle 2 MTPA 이하 (1964~1983) SMR APCI Libya 1970 Cascade Tealarc Arzew 1964 C 3 MR APCI, Shell Brunei ~5MTPA (1983~2008) DMR Shell Sakhalin-II(2008) C 3 MR APCI Numerous OCP ConocoPhillips Atlantic 1999 MF Cascade Statoil/Linde Snøhvit MTPA 이상 (2008~) AP-X APCI QG2(2008) QG3,QG4 RG-T6/7(2009) AP-X 공정은 C 3 MR 의마지막천연가스액화부분을위하여질소냉매사이클 을추가하는형태로효율의개선보다는트레인의용량증가효과가있는형태 이다. 최근의카타르 LNG 플랜트에적극적으로적용되고있다. 해상의 LNG-FPSO 에사용되는액화공정은육상의기저부하용육상용 LNG 플 랜트에사용하는액화공정들과는다소다른형태가요구된다. 이는일반적인 해상플랜트가갖추어야할기술과비슷한요구조건인데 : 1) 선체운동에대한강

25 건성, 2) 제한된공간으로인한콤팩트한구조, 3) 높은안전성으로정리될수있다. <Table 4> 에현재진행중인 LNG-FPSO 프로젝트와이와관련된액화사이클을소개하였다. <Table 4> Liquefaction Process for LNG-FPSO Project Cycle 수액화공정및주요 Project 액화공정및주요 Project 1Cycle (3MTPA 미만 ) 2 Cycle (2.0~4.5 MTPA) 3 Cycle (2.0~6.0 MTPA) N 2 Dual Expander -. Flex LNG(1.7 MTPA) -. Höegh LNG(1.7 MTPA) -. BWO(1.0 ~ 2.0 MTPA) -. Hamworthy (0.5 ~ 2.2 MTPA) -. Teekay (0.5 ~ 1.0 MTPA) -. Sevan Marine(1.5 MTPA) DMR -. Prelide FLNG(3.5MTPA) -. Inpex(2.5MTPA) -. Petrobras FLNG(2.5MTPA) MF Cascade -. Aker/Statoil(5.8MTPA) SMR -. SBM (2.5MTPA) -. Exmar Excelerate (0.4~1.5 MTPA) -. TGE Marine(0.4~1.5MTPA) -. Cash-Maple FLNG(2.5MTPA) -. KSMR(2.5MTPA) Optimized Cascade -. ConocoPhillips(2.5MTPA) LNG-FPSO라는제한된공간으로인하여콤팩트한사이즈인질소냉매를이용한단일사이클액화공정이많이진행되고있다. 또한, 구조의단순성으로인하여 SMR 사이클을이용하는프로젝트도많이진행되고있는실정이다. 같은단일사이클이라도, 질소냉매의경우에는냉매가불활성이어서안전성이높으며, 냉매의상이액체로변환되는구간이없기에선체운동에대한강건성이매우좋다고할수있다. 단일사이클의간단한구조에높은강건성과안전성이있기에해상 LNG-FPSO용으로적합하다고할수있으나, 효율이상대적으로매우낮다는단점이있다. SMR 공정의경우, 구조는단순하나, 냉매의기 액변환이있고, 탄화수소계냉매를사용하기에안전성이상대적으로낮다고할수있다. 하지만, 효율적측면에서질소냉매사이클보다높기에안전성의문제를해결하는방향으로프로젝트를진행하고있다. 현재육상의기저부하용으로많

26 이사용되고있는 C 3 MR 공정의경우에는프로판예냉방식에많은장점이있 음에도불구하고설치공간이크다는이유로 LNG-FPSO용으로적용하기에는 어렵다고판단되고있기에, 냉매 2 사이클의경우엔 DMR 공정만이프로젝트로 진행되고있다. 냉매 3 사이클의경우엔 MFC와 Optimized Cascade 공정이프 로젝트로진행되고있으며, 그액화공정의크기가큰관계로대형 LNG-FPSO에 적용이가능할것으로보인다. <Table 5> Comparison of Natural Gas Liquefaction Cycle 분류 주요냉매 사이클수 효율 해상운동에의강건성 Cascade C 1,C 2,C 3 3 중 중 (PFHE 사용 ) SMR N 2,C 1,C 2,C 3,C 4,C 5 1 하 중 (SWHE 사용 ) C 3 MR N 2,C 1,C 2,C 3 2 상 하 (SWHE 사용 ) N 2 Expander N 2 1 하 상 (PFHE 사용 ) DMR N 2,C 1,C 2,C 3,C 4 2 상 하 (SWHE 사용 ) MFC N 2,C 1,C 2,C 3 3 상 하 (SWHE 사용 ) KSMR N 2,C 1,C 2,C 3 1 상 중 (PFHE 사용 ) 질소냉매의단일사이클의경우가탄화수소계냉매를사용하는액화사이클에 비하여안전성이매우높다고할수있으며, 그외의비교를 <Table 5> 에나타 내었다. [Fig. 2.6] Natural Gas Liquefaction Process for LNG-FPSO

27 현재진행중인 LNG-FPSO 프로젝트들이고려하고있는액화공정의개략도와 그효율비교로 1 ton을생산하는데필요한동력을 [Fig. 2.6] 에나타내었다. 공정도상으로보면 SMR 공정이가장단순해보이나, 혼합냉매이기에순수 냉매공정인 N 2 Dual Expander가더단순하다고할수있다. 국내에서도천연가스액화공정인 KSMR( 한국가스공사가개발한소규모액 화공정, Korea Single Mixed Refrigerant) 공정을개발하는등 LNG플랜트에대 한연구가활발히진행되고있다. KSMR 공정은 SMR 공정을개선한형태로 N 2,C 1,C 2,C 3 혼합냉매를사용하며, 효율은 C 3 MR과유사한성능을보인다. LNG-FPSO급인 2 MTPA( 연백만톤, Million metric Tonnes Per Annum) 생산공 정에대한 SMR, C 3 MR, Optimized Cascade, KSMR공정에대한비교를 <Table 6> 에나타내었다. <Table 6> Comparison of KSMR Process for 2MTPA Production Capacity Compressor 분류 Power Consumption No. of Main Equipments MW % to SMR Compressor Pre-Chiller MCHE Sum SMR % C 3 MR 67 62% Cascade % KSMR 73 67% <Table 6> 에있는압축기동력소비량은 2 MTPA 급액화공정에대한것이며, 이를비교하기쉽도록 SMR 100% 를기준으로다지정리하였다. 즉, 같은생산량일경우 C 3 MR 공정은 SMR공정의 62% 동력이필요하며, Cascade는 93% 가필요하다는것이다. 이에 KSMR는 67% 정도가필요한것으로 C 3 MR보다조금더필요하다. 하지만, 필요한주요장비의개수를비교하면, SMR은총 6개, C 3 MR은 14개 Cascade는 11개, KSMR은 7개가필요하다. 공정도를비교하였을때 KSMR은 SMR에단지압축기한개를추가하였지만압축기소모동력의 1/3 을절감할수있다

28 2.5 LNG-FPSO 프로젝트소개 LNG-FPSO가건조되어운영되고있는실체는없으나, <Table 7> 에서와같이현 재전세계적으로 24 개정도의프로젝트가진행중이다. <Table 7> Ongoing LNG-FPSO Project Project Capacity Liquefaction Storage (MTPA) Process (x 1,000m³) Status Flex LNG 1.7 Costain Dual N EPC Prelude FLNG(Shell) 3.5 Shell DMR 436 EPC Bonaparte FLNG 2.0 Santos FLNG(Petrobras) 2.7 N 2 or MR FEED Malaysia FLNG(Petronas) 1.0 DMSE SBM FLNG 2.5 Linde LiMuM 230 Höegh Inpex 2.5 DMR Aker Kvaerner 5.8 MR 160~200 FEED Bluewater N 2 or MR BW Offshore 1.0~2.0 Mustang NDX 165~180 Hamworthy 0.5~2.2 N 2 Teekay 0.5~1.0 Mustang N 2 Exmar/Excelerate 1.0~2.0 B&V PRICO Saipem 1.0~2.5 N 2 & MR 270 TGE Marine 0.4~1.5 SMR ConocoPhillips 2.5 Optimized Cascade Sevan Marine 1.5 Coxtain Dual N Proteus LNG 2.0 Turbo Expander 160 Pechora LNG 2.7 APCI DMR PLNG 3.0 Lummus C 1 -N 2 DFLNG 2.0 SMR 270 Cash-Maple FLNG 2.5 Linde LiMuM Petrobras FLNG 2.5 APCI DMR

29 진행되고있는 LNG-FPSO 프로젝트중에서 FLEX LNG 와 Prelude FLNG 프로 젝트가가장많이진행되고있는것으로보인다 FLEX LNG FLEX LNG는 4개의 FPSO가발주되었다. 공정설계는 Kanfa Aragon이수행하고, 삼성중공업이 EPCIC(Engineering, Procurement, Construction, Installation, and Commissioning) 를책임지고건조할예정이다. Kanfa Aeagon이나 Costain, 그리고삼성중공업의 LNG 경험을본다면, 가급적위험성을줄이는형태로설계를수행하려하고있다고할수있다. [Fig. 2.7] 와같이 FLEX LNG의생산용량은 1.7 MTPA ( 최대 2.0 MTPA까지가능 ) 이고, 저장탱크는 SPB(Self-supporting, Prismatic, Type B (SPB) tanks by Ishikawajima Heavy Industries (IHI)) 형태로용량은 170,000m3이다. 액화사이클은관련장치의수가작아부피도작고복잡하지않다는장점이있는 DNE (Dual Nitrogen Expander) 이고, MCHE(Main Cryogenic Heat Exchanger) 로 PFHE를사용하는형태이다. [Fig. 2.7] Airscape of FLEX LNG Procedure

30 LNG-FPSO 유입가스의 10% 만을생산을위한자가소비로고려하고있는데, 이는지상형의 C 3 MR 혹은 DMR과비슷한수치로볼수있다. 이러한비교가가능한이유로육상형 LNG플랜트의경우보통의산업가스터빈사용하지만, FLEX LNG의경우 Aeroderivative 가스터빈을사용하여달성할수있다고하며, 또한가스터빈의온도를낮추고, 폐열회수장치같은 Power Boosting 시스템을활용한것으로, 10% 가스소비는높은효율을보이지만, 다른 MR 액화시스템에도같은시스템을부착하면비교가달라진다고할수있다. 터렛은 STP (Submerged Turret Production) 적용하였는데, STP는선박에서분리가가능한형태로일반적인선체내장형보다 Hull에서의부피가작고, 폭풍우등비상시, 자체동력으로 LNG-FPSO의이동이가능해진다는장점이있다 SBM FLNG SBM 은 FPSO 를턴키로제공혹은임대해주는사업자로, 터렛과무어링시스템 의설계및제작도한다. SBM 의 FPSO 경력은브라질에 2 개의 FPSO 를진수하 였으며, Sanha LPG-FPSO 경력도있다. [Fig. 2.8] Airscape of SBM 의 FLNG

31 SBM은 2004년도부터 LNG-FPSO 개발을시작하여 2007년도부터는 Linde 구릅과협력하여액화공정으로 LiMuM (Linde Multi Stage Mixed Refrigerant) 을고려하고있다. Linde는육상의기저부하용천연가스액화공정인 MFC의공동기술개발자이며, PFHE 와 SWHE 제작도가능한초저온공정에많은경험과실력을갖고있는기업이다. [Fig. 2.8] 에 SBM FLNG의조감도를표현하였는데, 용량은 2.5 MTPA( 으로 Topside 무게만 32,000ton으로보고되고있다. 저장탱크용량은 230,000m3 (LNG 180,000m3 ; LPG 25,000m3 ; Condensate 25,000m3 ) 으로 SPB의초저온탱크를적용할예정이다. 터렛 (turret) 은분리가가능한선체외장형을사용할예정이다. 선실은앞쪽에있고 Flare는뒤쪽에위치하며, LiMuM 공정의 MCHE는한개의 SWHE를사용하는 SMR 공정이다 Höegh LNG Höegh는 2006년부터 FLNG를시작하였으며, 처음에는모스형 LNG선박의개조와액화공정의연구정도였으나, 2007년도에 Niche dual expander 액화공정을선정하였으며, pre-feed는 2007년도에시작하였다. generic-feed는 2008년도시작하였으며, 이때대우조선해양을 hull 건조사로, APL을터렛과 buoy 시스템제공자로선정하였고, 2009년도에는생산용량을 1.7 MTPA로발표하였다. 하지만최근에 Niche dual expander 공정의부담감으로 Höegh LNG의적용이어렵게되었고, KBR이계속적으로 Höegh의 topside 공정을진행하게되었다. [Fig. 2.9] 의 Höegh LNG의생산용량은 MTPA 정도이나, 기본구성은 1.7 MTPA 급 2 train 형태이다. LNG 저장용량은 190,000m3 ( 최대 230,000m3 ), LPG 저장용량은 40,000m3, Condensate 저장용량은 40,000m3이나 LNG 저장용량에따라변동된다. SPL의 STL 터렛 (Submerged Turret Loading) 시스템적용하였고, 발전기는 FPSO 앞쪽에위치하고, 액화공정이나 LPG분리탑과같이위험한공정은뒤쪽에위치하도록설계하였다. 한개의전처리공정후, 2개의액화 train으로구성하였다

32 [Fig. 2.9] Airscape of Höegh LNG Shell FLNG 대상가스전은 2 10 TCF 급으로 Shell은다른회사보다오랜기간준비하였다. Shell은 LNG-FPSO 프로젝트중에가장앞서있는데, 조선사및엔지니어링사의도움없이독자적으로 LNG-FPSO의기본구조를확정하였다. Shell은현재의설계를 generic FEED라고하여, 현지화설계에있어서동일엔지니어링구조로수행할수있는기본구조를제공하는형태이다. [Fig. 2.10] Shell의 Prelude FLNG 경우에는설계및엔지니어링은 Technip이수행하였고, 삼성중공업이 LNG-FPSO 건조를담당한다. 액화공정과발전기는스팀터빈을사용하는데, 이는터빈의일시정지시에도쉽게재가동이가능하여가스터빈보다가용성이높기때문이다. 터렛은분리안되는형태로태풍이오더라도 LNG-FPSO가가스전에남아있는형태이다

33 LNG 저장설비로는멤브레인 GTT Mark III 를체택하였다. [Fig. 2.10] Airscape of Shell 의 Prelude FLNG

34 3 장 LNG 액화이론및공정분류 3.1 LNG 액화의기본원리 [10] 공정산업에서저온에서조업을하기위하여이용하는일반적인방법에서는고압의포화액체, 혹은약간과냉각된액체를팽창장치를통하여저압으로전환시키면서저온을생성하고이로부터의차가운냉각에너지를이용하여공정유체의온도를대기온도이하의낮은온도로유지하거나낮은온도에서유체의열을제거한다. 공정에서필요로하는저온은다음과같은두가지방법에의해이루어진다. 첫째는공정에서사용하는유체들의흐름이팽창기 (expander) 나 Joule-Thomson 밸브 ( 이하 J-T valve) 를통과하여저온의유체로전환되면서공정유체자체가공정에서필요로하는저온에너지를공급하는방법이다. 두번째방법은냉동사이클을통해사이클에사용된차가운냉매가공정의유체와열교환되면서액체냉매의기화에필요한증발잠열을공정의유체로부터공급받는형태로냉각공정을구성하는간접적인저온에너지공급형태이다. 천연가스액화공정은주로냉동사이클을통해얻어진저온을활용하는두번째방식을이용하고있다. 냉동사이클을통해공급되는저온이약 -20 이상인경우 [Fig. 3.1] 과같이단일냉매를사용하는간단한냉동사이클이이용된다. 냉동사이클은두개의열교환기와두개의압력조정장치로구성된다. 저압저온의액체냉매가기화하는증발기를통하여저온을공급하고, 고온의기체냉매가응축하는열교환기를통하여냉각수나공기등으로사이클의열을방출한다. 저압냉매를고압으로변환하는압축기는외부에서공급되는축일혹은전기를사용하며, 고압의냉매액체를저압으로팽창시키기위하여 J-T 밸브 ( 혹은팽창기 ) 가이용된다. 공정에서필요로하는저온조건이결정되면냉동사이클에서필요로하는축일의양이최소가되도록설계하는것이가장중요하다. 축일소모량은사용되는유체물성의열역학적특성과냉동사이클의운전조건에의해좌우된다. 냉동사이클에서의축일소모량에대한계산은사이클내에

35 서의냉매의상태변화를열역학적으로계산하는방법과경험식을사용하는방 법이있는데이에대한자세한설명은여러관련문헌에소개되어있다 (Dossat, 1997; Elliott and Lira, 1999; Smith et al., 2005). [Fig. 3.1] A Simple Refrigeration Cycle 기준냉매의특성과사용되는장치들의효율에변화가없다면냉동사이클압축기에공급해야하는축일의양은냉매의증발기에서의증발온도와응축기에서의응축온도의함수가된다. 증발기의증발온도를높이고응축기의응축온도를낮추도록사이클을설계하면사이클의에너지효율이높아지게된다. 그러나응축기에서열을제거하기위해도입되는유체 ( 공기나냉각수 ) 의온도조건이정해져있어서응축기에서의냉매응축온도를일정온도이하로낮추는것이제한되며, 공정에서공급받아야하는저온의조건이정해져있기때문에증발기에서의냉매증발온도를일정온도이상으로높이는것도제한된다. 공정에서공급받아야하는저온에너지의온도가낮아질수록단일냉매의간단한냉동사이클에서는냉매증발온도와응축온도의차이가커지게되고사이클의에너지효율은급속히감소하게된다. 그러므로공정에서필요한냉각온도가약 -30 oc 이하인경우에는에너지효율을높이기위해 [Fig. 3.2] 에보인것과같이냉동사이클의구조를변형하여사이클에서소모되는축일의양을줄이도록

36 한다 (Wu and Zhu, 2001; Lee, 2001). [Fig. 3.1] 에보인간단한형태의냉동사이클은냉매의증발온도가하나인경우인데, 만일공정에서요구되는저온조건의온도가폭넓게분포되어있거나서로다른온도에서냉각이필요한경우 [Fig. 3.1] 의단일증발온도에서저온에너지를공급하는것보다는 [Fig. 3.2(a)] 에보인바와같이다단 (multi-level) 사이클을운용하는것이효과적이다. 다단사이클의설계에서는공급되어야하는저온온도조건에따라1차팽창된냉매의일부분을고온영역에서증발시키고나머지는추가팽창을시켜저온영역에서증발기를통과하도록한다. 고온영역 ([Fig. 3.2(a)] 에서 refrigeration level 1로표기된부분 ) 에서사용된냉매는하단의압축기를통과하지않게되므로 [Fig. 3.1] 의경우와비교하여압축기의축일량이절감된다. [Fig. 3.1] 에서는공정에서요구하는저온조건이다르더라도저온영역 ([Fig. 3.2(a)] 에서 refrigeration level 2로표기된부분 ) 까지모든냉매를감압하여증발기에서유체와열교환을시키며, 이에따라냉각에사용된모든냉매가압축기를통해가압되므로 [Fig. 3.2(a)] 와비교하면전체적으로압축되어야하는냉매의양이많아서축일소모가많아지게된다. [Fig. 3.2(a)] 에서는저온에서의냉각을위해다단팽창을이용하고사이클은단일냉매를사용하였는데, 단일냉매를사용하지않고서로다른용매를사용하는단순한냉동사이클들을중첩하여 (cascaded) 이용할수도있다. 단일냉매를사용하는단순사이클이증발온도와응축온도가넓은경우에적용되면많은축일이필요하게되므로, [Fig. 3.2(b)] 에보인것과같이서로다른온도영역에서에너지효율이좋은냉매를선택하고저온영역에서운전되는사이클의응축기와고온영역에서운전되는사이클의증발기를통합하여사용한다. 즉고온영역에서운전되는냉동사이클은, 저온영역에서의응축기에서냉매가외부로방출되어야하는열을제거하는역할을한다. 사이클의증발온도와응축온도가같더라도사용하는냉매에따라증발기에서냉각되는단위열량당압축기에서소모되는축일의양이다르며사용되는냉매에따라서운전하기어려운온도영역이존재한다. 그이유는냉매의상태변화물성치들 ( 즉삼중점 (critical point), 이슬점곡선 (dew point line), 그리고포화점곡선 (bubble point line) 들 ) 이서로다르고그로인하여냉동사이클에서의증발온도에따른냉매의단위몰당증발잠열이다르기

37 때문이다. 열역학적으로각운전온도에서에너지효율이우수한냉매를선택하면두개의사이클을이용하더라도전체적으로단일사이클을이용하는경우보다축일소모량을줄이는효과를얻게된다. <Table 8> Range of Cooling Temperature for Refrigerants(Smith, 2005) Refrigerants Range of cooling temperature Nitrogen 77K - 118K Methane 112K - 198K Ethylene 169K - 264K Ethane 185K - 286K Propane 231K ambient temperature Propylene 225K ambient temperature I-butane 261K ambient temperature n-butane 273K ambient temperature Ammonia 240K ambient temperature Chlorine 239K ambient temperature <Table 8> 은공정산업에서통상적으로사용되는냉매별로사용해야하는온도영역을나타낸것이다. [Fig. 3.2(c)] 는통상적으로이코노마이저 (economizer) 라고불리는간단한기액분리기를사용하고압축기들사이에서냉매를냉각 (intercooling) 시킴으로써압축기의축일소모량을줄이는방법을보이고있다. 사이클에서냉매가저압으로팽창된후에, 기액분리기를통해 [Fig. 3.1] A Simple Refrigeration Cycle. 증발기에서냉각효과에기여하지못하는기체는다단압축의후반압축기로보내어지고, 냉매액체는증발기를거친후기화된냉매가다단압축의전반압축기에유입된다. 전반압축기를통과하고나온고압냉매는냉각기를통해냉매의온도를낮추고후반압축기로유입된다. 압축기에서소모되는축일은압축기를통과하는냉매의부피유량에비례하게되므로, 압축기를통과하는냉매의다단압축사이에서의냉각을통하여부피를줄이고기-액분리기를통해전반부압축기를통과하는유량을줄인다음에 [Fig. 3.1] 과비교하여보면 [Fig. 3.2(c)] 에서소모되는축일량은감소하게됨을알수있다

38 [Fig. 3.2] Structural Evolution of a Simple Refrigeration Cycle [Fig. 3.2] 에보인냉동사이클의구조들을 [Fig. 3.1] 과비교하여보면공정에서필요로하는장치들의수가많으며복잡한공정도를구성하고있음을알수있다. 천연가스액화공정처럼냉각이필요한온도가매우낮은경우에는전체공정의경제성평가에서냉동사이클에소모되는축일로인한에너지비용이장치비보다보다중요한요소가되기때문에 [Fig. 3.2] 에소개한공정처럼단순한사이클이아닌복잡한구조의사이클을많이이용하게된다. 또한 [Fig. 3.2] 에보인변형된사이클구조들간의융합을통하여보다복잡한공정으로운용되기도한다. 이를테면 [Fig. 3.2(b)] 의중첩사이클에서상부사이클및하부사이클은 [Fig. 3.2(a)] 혹은 [Fig. 3.2(c)] 에보인구조를가질수있다. 냉각되는온도가일정하게유지되며유체의열을냉동사이클로전달하는경우도있지만냉각되어야하는유체들이온도변화를보이는경우가많다. 단일냉매를사용하는냉동사이클의경우에는냉매가증발되는온도가일정하게되므로공정으로공급되는저온에너지의온도가일정하다. 천연가스액화공정의경우처럼가스의액화가넓은온도범위에걸쳐서이루어지는경우 [Fig. 3.3(a)] 에보인것과같이혼합냉매 (MR, mixed refrigerants) 를사용하는방법이있다. 혼합냉매를사용하면단순한냉동사이클에서증발기압력이일정하더라도증발온도가연속적으로변화하면서냉각되어야하는유체의엔탈피곡선과좀더근접하게설

39 계할수있다. 사이클에서냉매의증발온도변화형태는사이클의운전압력과사용된혼합냉매의조성에따라변화가가능하며, 이러한운전조건의변화를통해열교환허용가능온도차한도내에서유체의온도-엔탈피변화곡선에맞추도록한다. 혼합냉매를사용하지않는경우에는 [Fig. 3.3(b)] 에보인것처럼여러가지단일냉매를사용하는냉동사이클을중첩하여이용해야한다. [Fig. 3.3] MR (Mixed Refrigerants) Cycle

40 3.2 냉동사이클 (Cycle) 의이해 열역학제2법칙의표현을 " 외부로부터일의공급이없으면물은항상높은곳에서낮은곳으로흐른다 " 라고할수있는것과같이 열도외부로부터일의공급이없으면항상온도가높은곳에서낮은곳으로흐른다 " 라고표현할수있다. 사실이법칙은냉동의이론과깊은관련을가지고있으나, 이렇게이야기하는것만으로열의이동원리나냉동작용의원리를이해하기는어려울것이다. 다시말하면냉동사이클 (Cycle) 은냉각작용을하는저온부에서열을흡수하여대기또는 Cooling water 둥의고온부 (heat sink) 에열을버리는것이며, 열의이동은작동유체인냉매를통해이루어지며이과정을수행하기위해구동부를통해기계적인일이투입된다. 에어컨의예를들어냉각을위해흡열작용을하는저온부는실내의 Cooling Unit, 외부에열을버리는고온부는실외기 (fan cooler), 구동부는에어컨내부의 Compressor 라고볼수있다. 일반적으로 LNG Liquefaction Process에서사용되는냉동사이클 (Cycle) 의기본원리를아래 [Fig. 3.4] 냉동사이클 (Cycle) 에도해로표시하였다. (A) Vapor Compression Refrigeration Cycle 은일반적으로에어컨및냉장고에널리이용되는액체의단열팽창시압력강하에따라온도가같이떨어지는 Joule-Thomson Effect 를이용한 Type 이며, 천연가스액화공정에서혼합냉매 (Mixed Refrigerant)Cycle 과순수냉매 Cycle 을다단으로연결시킨 Cascade Cycle 등이이의응용에속한다. (B) Reverse Brayton Cycle 는팽창기 (Expander) 를통해고압의가스를감압시킬때, 등엔트로피과정으로압력이강하하면서온도가떨어지며부가적으로 Power를생산할수있는원리를이용하며, 소규모플랜트및 LNGC 의 BOG 재액화등에주로사용되고천연가스액화공정에서는 Methane Expander Cycle, N 2 Dual Expander Cycle둥이이의응용에속한다. LNG 액화공정은원리를이해하기위해서는 Vapor compression refrigeration Cycle과 Reverse Brayton Cycle 에대한이해가우선되어야하며, 현재시장에서사용되는공정들은상기두냉동프로세스의응용이라고볼수있다

41 [Fig. 3.4] Refrigeration Cycle Ideal vapor compression refrigeration cycle [15][Fig. 3.5] 그림과같이증발기내에서흡열작용에의하여기화된냉매가스는압축기에의해기계적일이가해져고온 / 고압의가스가된다. 이냉매가스는응축기에보내어물또는증기를이용하여냉각시키면액체가된다. 이냉매액을팽창밸브에서팽창시켜압력을낮춘후증발기에보내면냉매는증발. 기화되면서주변의열을흡수하여주변의온도를강하시킨다. 증발된냉매증기는다시압축기에흡입되고같은공정을되풀이한다. 풀어서알기쉽게설명하면, 무언가를냉각시키기위해서는냉각시키고자하는물질보다더욱차가운냉매 (refrigerant) 가필요하며, 어느정도냉각된 ( 정압방열 ) 고압의냉매를팽창밸브를통해감압 ( 팽창과정 ) 시키면 JT(Joule Thompson) 효과에의해저온의냉매를얻을수있다. 여기서얻은저온의냉매는냉각하고자하는물체 ( 예를들면 Natural Gas) 와의열교환을통해서열을흡수하게되며 ( 정압흡열 ), 다시고압상태로만들어주기위해압축기를통해압축

42 된다 ( 등엔트로피압축 ). 또한각각의열교환과정은상 (phase) 변화를수반하는 것을그특징으로한다. 1-2: 압축기에서의등엔트로피압축 2-3: 응축기에서정압방열 ( 응축 ) 3-4: 팽창장치에서교축과정등엔탈피감압 4-1 : 증발기에서정압흡열 ( 증발 ) [Fig. 3.5] Ideal Vapor Compression Refrigeration Cycle Joule-Thompson Effect (JT Effect) 압축된기체를단열된좁은통로를통해서빠져나가게하면빠져나가기전후의기체의 enthalpy H 는같게된다. J-T 효과는둥엔탈피과정인교축과정 (throttling process) 에서압력강하와함께온도강하가생기는효과를말하며, 대표적인등엔탈피과정은고압의기체가 Orifice나 porous plug 를통과하면

43 서팽창하는것이다. 등엔탈피과정에서압력강하 (ΔP 0) 에따른온도의변화를 JT 계수 (μjt) 로표시하며 (3), μjt-(σt/σp)h 여기에서 T, P, h 는각각온도, 압력, 엔탈피를나타낸다. μjt 0 인경우에만온도강하효과가있고, μjt 0 인경우에는오히려온도상승효과가나타나게된다. 그리고 μrr=0 인경우에는온도강하효과가없는데이때의온도를역전온도 (inversion temperature) 라하고, T-P 선도에서역전온도의궤적을역전곡선 (inversion curve) 이라고한다. 즉, 기체의온도가높을때와낮을때의압력변화에따라온도변화의방향이달라지는데그기준이되는온도를역전온도라고한다. 등엔탈피과정에서온도강하효과를얻기위해서는 JT 계수가 μjt 0이되는저온까지기체를예냉 (precooling) 시켜야하고, 예냉되는기체의온도는적어도그기체의최대역전온도이하가되어야한다. 헬륨가스의최대역전온도는 45K 이고, 수소와질소는각각 205K, 621K 이다. High Pressure Low Pressure High Temperature Low Temperature State 2 State 2 -. 에너지균형 ( 등에탈피과정 ) hi = he -. 엔트로피균형 ( 비가역과정 ) s1 < s2 -. JT 계수 : 양수일때냉동가능 [Fig. 3.6] Joule Thompson Effect

44 [Fig. 3.7] Joule-Thomson Coefficient Alteration of Various Gases Cascade Cycle 열전달은온도가높은곳에서낮은곳으로이루어지므로흡열부에서냉매는냉각하고자하는물질보다낮은온도를이루어야하며, 냉매가이루고있는구성성분과흡열시압력에따라특정한저온을얻을수있다. ( 방열부의경우특정압력에특정방열온도가결정됨.) 따라서특정한물질의냉각을위해서는이물질의최종냉각온도보다낮은증발온도를가지는냉매를선택하여야하며, 자연적으로방열부의온도가결정되게된다. 이때, [15][Fig. 3.8] 와같이방열부의온도가 Heat Sink(cooling water or cooling air 등 ) 보다낮을경우에는 Heat Sink로의열전달 ( 방열 ) 이불가능하기때문에저온냉동사이클 (Cycle) 에서방출하는열을받아줄수있도록추가적으로냉동사이클을구성하며이 ( 상대적으로 ) 고온측사이클 (Cycle) 은저온측사이클로부터열을흡수하여 Heat Sink 로방열하는역할을한다. 다시말하면온도레벨에따라사이클을추가로구성하여, 열을저온측에서순차적으로끌어올려최종적으로 Heat Sink에방출하

45 는다단으로구성된냉동사이클 (Cycle) 을의미한다. [Fig. 3.8] Cascade Refrigeration Cycle Reverse Brayton Cycle (Gas Refrigeration Cycle) [15][Fig. 3.5] 그림과같이동축터빈 (Expander) 과압축기그리고재생기를이용한역브레이튼사이클을보여주고있다. 저온의열전달을위하여냉동목적에사용하고다시사이클로돌아오는기체의낮은온도를재생기에서활용한다. 이방법에서는압축기에서압축될때의기체는고온이고터빈 (Expander) 에서팽창하며일을할때에는저온이기때문에터빈에서얻는일보다압축기일이많아추가적인동력전달이

46 1-2: 압축기에서의등엔트로피압축 2-4: 응축기에서정압방열 4-5: 팽창기에서등엔트로피감압 5-1 : 증발기에서정압흡열 [Fig. 3.9] Reverse Brayton Cycle 필요하다. 사이클 (Cycle) 의구성은압축방열팽창흡열과정으로 Vapor Compression Refrigeration Cycle 과동일하나팽창밸브대신에팽창기 (Expander) 가사용되며그과정은등엔트로피과정으로진행되며이과정에서일을얻어내게된다. 일반적인사이클구성시여기서얻어낸일은압축기구동력으로사용되며, 작동유체인냉매는사이클내에서상변화가없는것을특징으로한다. 3.3 LNG 액화공정분류 액화공정은 Vapor compression refrigeration cycle 과 Gas refrigeration cycle 의응용이며, 냉매의 Type, 액화공정을이루고있는 Cycle 의개수에따라

47 <Table 9> 와같이그분류를나눌수있다. <Table 9> Classification of the Liquefaction Process A. Cycle Characteristic 냉동원리냉매 Type 액화공정 Joule-Thomson Cycle Gas Expander Cycle Mixed Refrigerant Pure Refrigerant Cascade Cycle Closed Cycle Open Expander Cycle SMR, DMR, MFCP, C 3 MR, PMR, LiMuM Conoco-Phillips Optimized Cascade Cycle C 1 /N 2 Expander(Closed Type), N 2 Expander, HMC(N 2 Dual Expander) C 1 /N 2 Expander(Open Type), OCX(Open Cycle Expander) B. Number of Cycle Loop 분류 Cycle 수액화공정 Single Loop Multi Loop Non Pre-cooling Two-Cycle Three-Cycle & Cascade Single MR Variants, LiMuM, N 2 Expander Process All C 3 MR Variants, DMR, C 1 /N 2 Expander MFCF, Optimized Cascade, AP-X, Cascade 순수냉매 (Pure Refrigerant) 와혼합냉매 (Mixed Refrigerant) 냉매는이루고있는구성성분에따라특정한열역학적물성치를가지며, LNG 를액화하기위한초저온을얻기위해서는몇몇특정한냉매가대표적으로사용된다증기압축식냉동사이클의경우에, 순수냉매의예를들면 Propane 은증발온도가압력에따라 선이며따라서 LNG 액화공정과같이-160 이하의저온이필요한경우에는냉동시스템의냉매로서사용할수

48 없다. Methane 의경우증발온도가 LNG 를액화시킬만큼충분히저온이지만응축온도방열 ) 가일반적인 Heat Sink (Cooling water, Ambient) 의온도보다낮기때문에열을버려줄수가없다. 이경우,Cascade Cycle을꾸며줄수있다 Gas Refrigerant Cycle 에서는냉매가 Cycle 안에서 Gas Phase 로만존재하여야하기때문에순수냉매로서는 Methane 또는 Nitrogen이사용되며, Feed Gas 또는 End Flash Gas를냉매로서사용하는경우도있다. 혼합냉매시스템은기존의다단계나 cascade 냉각시스템에서와같은여러개의순수냉매대신에혼합된냉매를사용한다. 순수냉매나공비혼합물과는다르게공비가아닌혼합물은냉매가기화하거나응축하는과정에서일정한압력아래에서일정한온도와기체및액체조성을유지하지않는다. 또한증기압축식냉동사이클에있어서는혼합물의증발온도가각기다르기때문에순수냉매의경우와같이등온열교환을하지않고상변화를하게된다. 혼합물의조성은액체냉매가공정상냉각요구조건과비슷한온도범위에서기화할수있도록선택한다. 일반적으로탄화수소와질소의혼합물이특정냉각시스템에요구되는냉각특성을제공한다. 냉각특성에서는냉온합성커브간의근접성 (Minimum Temperature Approach, LMTD), 냉각되는온도구간별열교환량을확인할수있다 Cooling/Heating Curve [Fig. 3.10] 는증기압축식냉동사이클에서의 Natural Gas의 Cooling Curve를나타내고있다. 냉동시스템에서냉각작용 ( 열교환 ) 은이론적으로일정한압력하에서이루어지며, 아래그림에서 Natural gas는고온상태에서 Refrigerant에열을빼앗기며냉각되어최종적으로는액화되고과냉각상태로변화하고있다. 열역학을이해하고있는사람이라면순수물질은상 (Phase) 이일정한구간에서는에너지변화에따라온도가변화하게되고 ( 현열 ), 상변화구간에서는에너지변화가 Phase를변화시키는데작용 ( 잠열 ) 한다는사실을잘알고있을것이며, Mixture의경우에도이와유사한경향을가진다. 따라서아래의 Cooling Curve 는 T( 온도변화 )/ E( 에너지변화 ) 로볼수있음으로기울기가급격한구간은

49 상변화없이 Cooling(or Heating) 되는것을의미하며기울기가완만한구간은상변화가일어나는구간이라고볼수있다. LNG의응축온도는상압하에서는약 -160 이나일반적으로 LNG 액화공정은 Critical Pressure( 약 55bar) 이상에서진행됨으로아래그림에서 Flat 한구간은 90 ~ -100 사이의구간에서형성되게된다. 아래는 C 3 MR(Propane Pre-cooled Mixed Refrigerant) Process 의 Cooling Curve 이라고가정했을때, 위에서설명한경향을가지는 Natural Gas를액화시키기위해서는이보다저온의냉매가필요로하게되며, 40 의 Natural Gas가냉매와열교환하여최종적으로 -160 의과냉각된 LNG가된다고보면, 아래와같이나눌수있다 [Fig. 3.10] Natural Gas Refrigerant Cooling Curve 1) Pre-Cooling (40 ~ -40 ): Propane 냉동 Cycle로 NG를냉각, Pure Refrigerant임으로등온열교환을하고 Heating Curve가 Flat하게나타남. 2) Liquefying (-40 ~ -100 ): Mixed Refrigerant가열교환을담당하며, Natural Gas가상변화하는구간임으로 Cooing Curve가 Flat한경향을보이고, NG의 Cooling curve에 MR의 Heating Curve를 Matching 시키는 MR 조성을맞출경우 MR의 Heating curve도비슷한경향을나타내며두 Curve 사이의 Gap

50 을크게키우지않고열교환이가능하다.( 순수냉매 Cascade의경우 Ethylene 이주로담당 ) 3) Sub-cooling (-100 ~ -160 ): LNG를과냉각시키는구간이며, 최종적으로고압에서액화된 Natural Gas가상압 Tank에저장될때감압으로인해발생하는 Flash Gas를줄이기위해과냉각한다. ( 순수냉매 Cascade의경우 Methane 이주로담당 ) Cooling/Heating Curve 를 Matching 해야하는이유 ( 같은구간의열전달시온도차이가작아야 System Efficiency 가증가함 ) 1) 엔트로피 ( 비가역성 ) 의증가 : 잘알고있듯이자연계는항상엔트로피가증가 하는방향으로이루어진다. 비가역성의증가라함은어떠한한방향으로에너 지의전달이얼마나효율적으로되었는가의척도로도볼수있다. 전체시스템의비가역성은증가함을알수있다. 으로열교환하는두 Stream 간의온도차가클수록 2) 냉동사이클의자체열교환 : LNG 액화공정에서냉동사이클은일반적으로고압방열측의온도가 Heat Sink의온도보다낮은경우가많아서흡열과정전구간이 NG Cooling에이용되는것이아니라냉매자체적으로흡열측과방열측이열교환을하게되며, 실제적으로한사이클을순환시작용하게되는냉각능력은상당히작다. 이이유가일반냉동기의효율이 300% (COP3) 에육박

51 하는데비해 LNG 액화공정의효율이상당히낮은이유이다. Heating Curve 와 Cooling Curve간의 Gap이크다는것은실제 NG가냉각되어야하는온도보다더낮은온도의냉매를생산해내고있다는말이며, 결과적으로냉매의순환량을필요이상으로늘리는역할을하게되어압축기에투입되는동력의소모가커지게된다. 따라서 System Efficiency의감소를가져올수있다. 다만두 Curve간의 Gap을너무줄이게되면 Main Cryogenic Heat Exchanger의 Minimum Approach 및 LMTD가줄어들어장비 Sizing이커지는문제가발생할수있다 Number of Cycle 전술한바와같이 LNG 액화프로세스는 Cryogenic 영역의초저온냉매를얻어내기위해서일반적인냉동 Cycle 보다효율이떨어지게되며, System Efficiency 증가를위해 Cooling/Heating Curve를 Matching 시키거나 Cooling되는온도구간별로적합한냉매를사용한다. 하나의 Cycle으로이작업을수행하는것보다여러사이클을조합하여액화프로세스를꾸밀경우좀더나은효율을가질수있으나, 필연적으로장비 Count의증가및프로세스의복잡성을높이게된다. 3.4 냉동사이클의열통합 [10] 천연가스액화공정의설계에있어서는열통합 (heat integration) 방법론을이용하여설계된사이클의효율성을분석하고이를통해최적설계가가능하도록한다. 열통합방법론은핀치기술 (pinchtechnology) 로널리알려져있는데공정에서의유체간의열교환및열회수가능량을판단하고회수되는열을열교환망, 또는에너지공정등을통해구현하는설계방법으로서그동안공정산업에서폭넓게이용되어왔다. 여기에서는열통합방법론에대한상세한언급은피하고이방법이천연가스액화공정설계에어떻게활용되는지에중점을두고자

52 한다. [Fig. 3.3] 에보인바와같이냉각되는유체의온도범위가넓은경우에는단일냉매를사용하는단순사이클을이용하기보다는온도영역을여러영역들로나누고각온도영역별로가능한사이클형태를선택하여종합적으로구성하는것이축일소모가적다. [Fig. 3.11] Using Grand Composite Curve for the Design of Refrigeration Cycles [Fig. 3.3(a)] 에보인혼합냉매사이클또한서로다른조성과운전조건을갖는두개이상의혼합냉매사이클을 [Fig. 3.2(a)] 의경우와같이중첩시켜구성할수있다. [Fig. 3.2] 에보인사이클들에서도혼합냉매를사용하는경우를고려하여볼수있다. 이처럼설계가능한모든구조들을서로혼합하여구성하는것

53 이가능하며또한여러가지경우의수가많이존재하기때문에체계적인시스템해석이필요하다. 냉동사이클의체계적인진단을위하여열통합방법론에서이용되고있는전공정총괄곡선 (Grand Composite Curve) 을활용하여냉동사이클의주요설계인자들을결정한다 (Smith, 2005; Kemp, 2007). 전공정총괄곡선은공정열흐름의특성을총괄적으로나타내는곡선으로서온도변화에따른특정온도에서의과잉열 (surplus heat) 과부족열 (deficit heat) 을표현하고있어서전공정총괄곡선을기준으로설계되어야하는냉동사이클의구조를결정하는지침을얻을수있다. 전공정총괄곡선과냉동사이클에서공급되는냉각온도곡선간의차이가적을수록, 냉동에너지공급과관련된비가역성이감소하여결과적으로압축기에서소모되는축일의양이감소하게된다. 그러므로냉동사이클의축일소모량을최소화하기위해서는, 사이클의구조적변형혹은운전조건의적절한선택을통해주어진전공정총괄곡선과냉각온도공급곡선간의간격이좁아지도록설계해야한다. [Fig. 3.11] 는단일냉매사이클을사용하는경우에있어서공급되어야하는저온에너지의온도와사이클의용량을전공정총괄곡선을활용하여어떻게결정하는지를보여주고있다. [Fig. 3.11(a)] 에는공정데이터에서얻은전공정총괄곡선이제시되어있으며 T1과 T2에서냉각에너지를공급하는다단계냉각사이클의구성이나타나있다. 냉동사이클에서공급하는냉각온도가낮을수록압축기에서소모되는축일의양이증가하므로, 가능한저온에서공급되는냉각량이최소가되고고온에서공급되는냉각량이최대가되도록하여야한다. 온도 T1에서의냉각량을 [Fig. 3.11(a)] 의화살표방향으로증가시키면 T2에서공급되는냉각량이감소하여전체적으로사이클의에너지비용이감소하게된다. 각온도조건에서가능한최대냉각량은전공정총괄곡선의형태와열교환허용온도차에의해결정된다. 결정된온도 (T1과 T2) 와그온도에서공급되어야하는냉각량을전공정총괄곡선을통하여최적화시키면이를기준으로하여냉동사이클의냉각용량과장치별용량에대한규격을정할수있다. [Fig. 3.11(a)] 의사이클은여러가지형태로의변환이가능하며그에대안설계지침을전공정총괄곡선의형태에따라서얻을수있다. [Fig. 3.11(b)] 는 Fig. [Fig. 3.11(a)] 와같은형태의사이클구조를가지는데고온에서공급하는냉각온도 (T1) 를낮추

54 어고온에서공급되어야하는냉각에너지는증가했지만저온 (T2, level 2) 에서공급되어야하는냉각에너지는감소하게되었다. 즉여러냉각온도가존재하는복잡한냉동사이클의경우냉각온도의선택이중요한최적화문제가되는데사이클에서소모되는전체축일량이최소가되도록결정하여야한다. [Fig. 3.11(c)] 는 [Fig. 3.11(a)] 와비교하여냉각온도는같으나저온과고온의사이클에서서로다른냉매를사용하는경우를구성하여본것이다. [Fig. 3.11(d)] 에서는 [Fig. 3.11(a),(b),(c)] 에서와는달리새로운냉각온도를구성하여서로다른세개의온도에서냉각에너지를공급하고있다. 고온영역에서는다단팽창을통하여두군데의냉각온도에서운전되며저온영역에서는고온영역과는다른냉매를사용한다. [Fig. 3.11] 는단일냉매를사용하는사이클들을기준으로전공정총괄곡선을활용하는방안을보이고있지만, 혼합냉매를사용하는사이클들의경우에도동일한원리로적용하면된다. 혼합냉매를사용하는냉각곡선의형태는운전조건과조성에따라변화하므로최적냉각공급압력의결정, 다단사이클의도입, 그리고다른사이클과의중첩여부등에대한결정은전공정총괄곡선의형태를감안하여종합적으로고려해야한다. [Fig. 3.12] 는여러가지냉동사이클구성요소들을혼합하여주어진전공정총괄곡선에적합하도록사이클을구성하는예를보여주고있다. [Fig. 3.12(a)] 는혼합냉매를사용하여단일사이클로구성된형태이며 [Fig. 3.12(b)] 는단일냉매를사용하는여러개의단일사이클이중첩되어있는사이클을보인것이다. [Fig. 3.12(c)] 에서는단일냉매를사용하여세개의공급온도조건을갖도록고온영역에서사이클을구성하고저온영역에서는혼합냉매를활용한단일사이클로공급하도록하여전공정총괄곡선의형태와냉각곡선의형태가조화롭게배치되도록하고있다. [Fig. 3.12] 에보인방법을따라 [Fig. 3.11] 에나타낸여러가지구성요소들과혼합냉매사이클을적절히배합하여선택함으로써새로운공정의설계가이루어진다

55 [Fig. 3.12] Combining Various Design Options of Refrigeration Cycles 3.5 천연가스액화공정사이클 천연가스액화공정에서는 [Fig. 3.11] 와 [Fig. 3.12] 에보인여러가지냉동사이 클설계요소들이조합되어다양한형태로이용되고있다. 현재 LNG 산업에서 많이이용되있는사이클들의특징을살펴보기로한다 SMR(Single Mixed Refrigerant) 사이클 [Fig. 3.13] 에보인 SMR 사이클은메탄, 에탄, 프로판, 이소펜탄 (isopentane), 그 리고질소로구성된혼합냉매를단순한단일사이클로운용하는공정이다. 공

56 정이간단하고사용되는장치의수가상대적으로적어다른상용공정과비교하여설비투자비를약 30% 정도까지줄일수있다. 하지만, 사이클의구조가간단하여에너지효율이높지않아서축일소모량이많다. SMR 사이클은통상적으로 1.3MTPA(Million Ton per Annum, 년간백만톤 ) 정도의중소규모용량에이용되며열교환기는주로 plate-fin 형태의열교환기를사용한다 (Mokhatab and Economides, 2006). [Fig. 3.13] 에보인바와같이 SMR사이클에서압축기를통과한고압고온의기체냉매는냉각수나공기등에의해일차적으로대기온도정도까지냉각되고천연가스냉각이이루어지는열교환기로유입되어추가적으로냉각된다. 즉냉동사이클에서생산되는저온에너지는천연가스액화만을위해사용되는것이아니라사이클에사용되는냉매가팽창기를통과하기전냉매의냉각을위해서도사용됨을알수있다. [Fig. 3.13] SMR (Single Mixed Refrigerant) Cycle C 3 MR(Propane-Precooled Mixed Refrigerant) 사이클 C3MR 사이클은육상용 LNG 플랜트에서가장많이이용되고있는공정으로서유입되는천연가스를먼저 3단계, 혹은 4단계의중첩된단일냉매사이클을이용하여약 -40 정도까지냉각하고, 그이후에는혼합냉매를사용한사이클을통하여천연가스를액화및과냉시킨다. 단일냉매사이클에프로판 (C 3 H 8 ) 이사용되며혼합냉매는질소, 메탄, 에탄, 그리고프로판으로구성된다

57 [Fig. 3.14] C 3 MR (Propane-Precooled Mixed Refrigerant) Cycle [Fig. 3.14] 에보인것처럼혼합냉매는압축기를통과한후에일차적으로공기나냉각수로냉각되고기-액분리기이전의프로판사이클에의해추가적으로냉각된다. 기-액분리기를통해분리된기체혼합냉매와액체혼합냉매는팽창장치를통과하면서저온에너지를생산하는데이는천연가스액화에사용된다. 유입되는천연가스의조성과유량, 사용되는혼합냉매의조성과유량, 그리고압축기전후의압력조건에의해서뜨거운총괄곡선이정해진다. 에너지총괄곡선에따라서프로판사이클에서단일사이클들간의중첩되는온도와적정한단일사이클의수를결정한다. 약 6 MTPA 생산규모의설비들은이러한방법을이용하지만최근에개발된대용량 ( 약 6~10 MTPA) 생산규모는중첩된프로판사이클을사용하여액화온도부근까지냉각하고이어서혼합냉매사이클을통하여천연가스를액화한후에질소냉매를사용하는팽창사이클을통하여이를과냉각시키는구조를갖는다 (Spilsbury, 2005) DMR (Dual Mixed Refrigerant) 사이클 C3MR 공정에서는액화공정으로유입되는천연가스를프로판단일냉매를사용 하여냉각하였으나 DMR 공정에서는에탄과프로판이주성분인혼합냉매를사

58 용하여천연가스를일반적으로 50 정도까지냉각시킨다. 그이후천연가스의액화및과냉각은질소, 메탄, 에탄, 그리고프로판을주성분으로하는혼합냉매사이클을이용한다. 두혼합냉매사이클은상온부분과저온부문의온도- 엔탈피곡선에맞추어서구성되며저온에서사용되는혼합냉매사이클은분리온도 (partition temperature) 에서상온에서사용되는혼합냉매사이클과중첩되도록구성된다 (Pek et al., 2004). [Fig. 3.15] DMR(Dual Mixed Refrigerant) Cycle [Fig. 3.15] 에보인것과같이상온부분에서사용되는혼합냉매사이클은첫번째열교환기에서유입되는천연가스를냉각하며아울러저온부분에서사용되는혼합냉매사이클에대한자체냉각을담당한다. 저온부분에서사용되는혼합냉매사이클은첫번째열교환기를통과한후에기-액분리기를통하여서로다른조성의기체와액체냉매로나뉘며각의냉매는팽창전에추가적으로냉각된다. 혼합냉매사이클의조성과운전압력, 그리고냉매유량을최적화하여천연가스액화를위한축일소비를최소화시킬수있다. 현재 C 3 MR 공정과함께가장에너지효율이우수한사이클로평가받고있다

59 3.5.4 CCP(Classical Cascade Process) CCP 공정은 SMR, C 3 MR, DMR 공정의경우처럼혼합냉매를사용하지않고단일냉매사이클을다단계 (multi-level) 중첩하여천연가스냉각및액화에필요한냉각에너지를생산한다. 사용되는냉매의열역학적특성에따라적정한운전온도가존재하며아울러잠열효과가크도록냉매를냉각온도에기준하여설정해야하는데이러한기준에따라세가지냉매를선택할수있다. 즉고온영역 ( 상온에서약 -40 까지 ) 의냉각은프로판을, 대부분의천연가스액화가이루어지는저온영역 ( 약 -40 에서약 -100 까지 ) 의냉각은에틸렌을, 그리고최저온영역 ( 약 -100 이하 ) 에서는메탄을사용한다. [Fig. 3.16] CCP(Classical Cascade Process) [Fig. 3.16] 에보인바와같이각각의냉매는단일냉매를사용하는사이클에서이용되며, 각각의단일냉매사이클은 3단계, 혹은 4단계의중첩된다단계구조를갖는다. 천연가스냉각및과냉각온도영역에서 C 3 MR과 DMR에적용된혼합냉매사이클이열교환기에서의에너지손실이적기때문에 ( 즉뜨거운총괄곡

60 선과차가운총괄곡선의간격차이가적기때문에 ) CCP 공정에비하여 C 3 MR 및 DMR공정의에너지효율이더높다. CCP 공정에적용된단일냉매사이클이매우많은단계들을갖게되면이론적으로는 CCP 공정이매우우수한에너지효율을보일수있으나, 많은장치들을도입하고복잡한중첩구조로운용해야하기때문에설치비용이높고보수유지비용이많이소요된다는단점이있다. CCP 공정의에너지효율을높이기위해서는냉각단계별분리온도들을주어진천연가스냉각요구곡선을기준으로하여최적으로결정하는것이다. [Fig. 3.16] 에보인 CCP 사이클은통상적으로약 3MTPA 규모까지의천연가스생산공정에많이이용되었으며이후에는메탄을사용하는최저온사이클영역부분의설계를변형한 Optimized Cascade Cycle(OCC) 이도입되어약 5MTPA 규모의액화공정에적용되고있다. OCC 공정은메탄을사용하는최저온사이클에액화된천연가스의일부분을사이클에서혼합하여사용하며최저온사이클을메탄이주성분인혼합냉매로변형시킨구조이다 (Ransbarger, 2007). 이러한변형은최저온영역에서중첩된단일냉매사이클보다에너지효율이높은혼합냉매를사용하게됨을의미한다. 기존공정들에서는냉각사이클이고립된사이클 (closed-loop cycle) 로서천연가스유체흐름으로부터단순히열을제거하며사이클에서사용된냉매와공정유체와의혼합은없다. 그러나 OCC 공정은천연가스유체가냉매로직접사용되는개방형사이클 (open-loop cycle) 이라는점이특이하다 MFC (Mixed Fluid Cascade Cycle) MFC 공정은 DMR 공정의확장된형태로서천연가스냉각구간을세구간으로나누고각구간을혼합냉매사이클로냉각에너지를공급하는구조이다 ([Fig. 3.17]). 고온온도영역에서사용되는혼합냉매사이클 ([Fig. 3.17] 에서 MR Cycle 3) 은혼합냉매가두번팽창하면서두개의열교환기에서냉각에너지를공급하는이단구조의형태를갖는다 (Heiersted, 2003). MFC 공정은 DMR 공정에서보여준혼합냉매사이클적용의우수성과 CCP 공정에서보여준 3단계중첩구조의효율성을적절히조합한형태이지만, DMR 공정및 C 3 MR 공정과비교하여

61 에너지효율이월등히증가되지는않는다. DMR 공정이나 C 3 MR 공정의저온영역에서사용하는혼합냉매조성과운전조건을최적으로선택하면 MFC 공정의경우처럼추가적인사이클을도입하지않아도충분히높은에너지효율을얻을수있다. 혼합냉매는메탄, 에탄, 프로판, 질소를사용하며처리용량은약 9MTPA이고 LNG 1 톤당 234 kwh의축일을소모한다 (Heiersted, 2006). [Fig. 3.17] MFC(Mixed Fluid Cascade) Cycle 질소팽창기사이클 (Nitrogen Expander Cycle) [Fig. 3.18] 은질소를사용한전형적인팽창기사이클을보여주고있다. 통상적으로압축설비와팽창설비가일체인형태를사용하며냉매를팽창하면서회수한축일을압축기에서사용하는구조를갖는다 (Barclay and Denton, 2005). 위에서설명한여러액화공정들은액화된냉매가기화하면서필요한잠열을공정유체에서흡수하여유체의온도를낮추는냉매의상변화를이용하는방법이지만, 질소를사용한팽창기사이클은질소냉매가액상과기상간의상변화를

62 통하지않고기체상태로유지되면서고압에서저압으로팽창하고, 저압상태로전화되면서얻은저온냉매를냉각에활용하는방법이다. 질소냉매는팽창기를통과한후저온이되며이저온은천연가스액화와압축기를통과한고압질소냉매의자체냉각에사용된다. [Fig. 3.18] Nitrogen Expander Cycle [Fig. 3.18] 은두개의열교환기를통해상온부분과저온부분으로구분하여천연가스액화를수행하는구조를갖는사이클을보여주고있다. 질소를사용한팽창기사이클은 C 3 MR, DMR, CCP 등과비교하여에너지효율이많이떨어지지만냉매에탄화수소를사용하지않아서공정의조업안전성이우수하고구조적으로공정집적도가우수하여해상에서운용되는 FPSO(Floating Production Storage and Offloading) 분야에서많이활용되고있다. [Fig. 3.13], [Fig. 3.14] 및 [Fig. 3.15] 에포함된압축기들은간단히단일압축기로나타내었지만실제로는단계별냉각기를포함한 3단에서 5단정도의다단압축기배열을하고있다. 또한냉각되어액화되는천연가스를연속적인단일유체흐름으로간단하게나타내었지만일반적인경우에는냉각되는천연가스를액화되기전에열교환기외부로유출시키고기-액분리기등의분리장치들을통하여천연가스에서 NGL(Natural Gas Liquids) 을회수한후에나머지천연가스들은다시열교환기로유입시켜냉동사이클에의해액화된다. 또한 [Fig. 3.13], [Fig. 3.14] 및 [Fig. 3.15] 에보인열교환기는단일설비로나타내었지만여러열교환기들이연속적

63 으로연결된다단 (multi-stage) 열교환구조를갖는경우도있다. 예를들면 [Fig. 3.13] 에보인 SMR 공정에서사용되는단일열교환기를다단열교환구조로변형할수있으며열교환기들사이에서추가적인기-액분리를도입하여각열교환기별로운전조건을변형할수있기때문에최적운전조건도출을위한자유도가증가함에따라열교환에서발생되는에너지손실을절감할수있다. 단수가증가할수록에너지효율은증가하지만추가적인장치의도입에따른투자비용상승과다단조작을위한공정의운전및제어가용이하지않게되는단점이있다. DMR 공정에서도고온과저온영역에사용되는열교환기들을각각다단구조로하는것이가능하며최적화를통하여에너지효율이증가함을보인연구사례도있다 (Del Nogal et al., 2008). 현재상용화되어활용되고있는천연가스액화공정에서에너지효율은 C 3 MR과 DMR이가장우수하고 SMR과질소팽창사이클이가장효율이떨어진다. CCP공정은 C 3 MR과 DMR 공정의에너지효율에근접한다. MFC 공정은 C 3 MR보다우수하다고보고되었으나최근에상용화되었기때문에에너지효율에대해보고된사례가적으므로여러비교연구사례등을통하여상대적우수성을평가해야한다. 소요투자비 (CAPEX, Capital Expenditure) 를비교하면, C 3 MR를기준으로 CCP와 DMR 사이클에많은설비투자가요구되며 SMR과질소팽창기사이클에는적은설비투자가요구된다. 여기에서주의할점은같은액화공정이라도운전되는지리적위치와공정에사용되는설비들의선택, 그리고공정합성도 (degree of process integration) 에따라산출되는가격은큰차이를보일수있다는사실이다. 또한여러가지경제성계산을위해사용된변수들은설계자와발주처에따라매우상이하므로실제액화공정의가격비교에는많은주의가요구된다. 상대적으로에너지효율이높은 C 3 MR, DMR, CCP 공정들은에너지효율을높게유지하기위하여많은설비를사용함으로써사이클의구조를복잡하게설계한것이며, SMR과질소팽창기사이클은적은수의설비를사용하여간단한형태의사이클구조를유지함으로써투자비를감소하는효과를얻는다고설명될수있다. 액화천연가스공정도규모의경제 (economy of scale) 원칙이적용된다. 즉천연가스플랜트처리용량이커질수록처리되는천연가스단위용량당투자비용이감소된다. 육상용천연가스액화공정에서는대규모용량으로설계하고운전하는것이경제적이

64 며 C 3 MR 및 DMR 공정과같이에너지효율이높은공정이선호된다. 소규모용량의액화공정에서는에너지효율보다는투자비가적고공정이간단한 SMR 이나질소팽창사이클이많이사용된다. 현재상용화되어이용되고있는액화공정들의 LNG 플랜트업계에서의점유율을살펴보면 2010년기준으로 C 3 MR 공정으로 LNG전체생산액의약 63.4% 를차지하고있으며그다음으로는 Cascade Cycle을통하여약 15.8% 가생산되고있다 (Robertson, 2012)

65 4 장 LNG 공정의크기와특징 LNG 액화공정은시장에서 Licensor별로무수히많은공정이존재하나실제원리는대동소이하며, 공개된기술이많아특허나라이센스 (license) 에대한구속이낮은편이며, 가스생산을위한경험및기자재나장비의제작기술이보다중요하게평가된다. 현재 LNG Base Load 플랜트에적용되는기술로는 APCI 의공정이많이사용되고있으며, LNG 플랜트분야에서의상용화액화공정기술은다음 <Table 10> 과같다 <Table 10> Liquefaction Process Technology for Onshore Plant Licensor Technology SMR Process Technology Air Producers & Propane Pre-cooled Mixed Refrigerant (PMR/ C3-MR) Chemicals, Inc. Process Technology (APCI) AP-X TM Process Technology Pure refrigerant cascade CoP LNG SM Process Conoco-Phillips (Formerly Phillips Optimized Cascade Process) PRICO(Single Mixed Refrigerant : SMR Cycle) Pritchard Technology IFP-Axens Liquefin Technology Technip-L AirLiquid Tealarc(Double Pressure SMR) Process (Snamprogeti) Tealarc(Double Cycle MR) cascade Process Shell Dual Mixed Refrigerant(DMR) Technology Statoil-Linde Mixed Fluid Cascade(MFC R ) Process Technology COSRAIN Multi-srage mixed refrogerant cycle process ** Pure refrigerant cascade; Propane, ethylene, methane cascade refrigerant cycle 4.1 Small / Mid scale FLNG 의주 Target 인 Stranded Gas Field 의경우중소규모 Well 이많이있고, 매장량 Base 로 Profitable 한연간생산량은중소규모의 2 MTPA 이하급이실

66 현가능성이높다. 또한 FLNG Project 가초기이기때문에실제진행시어떠한 Accident 가있을지모르는상태임으로, 대형보다는중 / 소형에장점이있다고 판단된다 Single Mixed Refrigerant Process 일반적으로 Mixed Refrigerant는증기압축식냉동사이클 (J-T Expansion Refrigeration System) 의냉매로서사용되며, 이는순수냉매의경우 Cascade로구성하지않는경우응축온도가 Heat Sink의온도보다낮기때문에 Single Cycle으로는 Refrigeration을꾸밀수없기때문에, 여러응축온도를가지는냉매를섞어서, Heat Sink(Air, Cooling Water 등 ) 으로응축시킬수있게하기위함이다. SMR 공정의대표적인 Licensor들의 Schematic Diagram이며각공정들의경우원리는거의같으나 Minor 장비의구성또는장비 Type에따라일부차이가있다. SMR Process는 Onshore에서 LNG 생산량 1 MTPA(Million Ton Per Annum) 이하의소규모액화공정및 Peak Shaving 용으로주로사용되었으며, Mid-Scale(2MTPA 급 ) FLNG 에서의액화공정으로주목받고있다. [Fig. 4.1] SMR(B&V)

67 [Fig. 4.2] LiMuM(Linde) 1) Peak Shaving PNG(Pipe Line Natural Gas) Facility등에서일정량의 PNG를공급받아 Supply 할경우겨울등특정한시기에 NG 소모량이극심할때를대비하여소규모액화설비를두어여유가될때액화하여저장해두었다가, Peak시에기화하여 Supply 하는설비. 2) 액화공정의 Efficiency LNG 액화공정의 Efficiency는 NG의액화압력과 Feed Gas의조성, 그리고 NGL Extraction의 Integration 여부등여러주변조건에따라같은공정이라할지라도일부차이를보이며, 또한표시할때각 Licensor별또는작성자에따라차이가있을수있으며이를정리하면다음과같다. kw/(ton/d), kw/(lng ton/d): 하루에 LNG를 1톤생산된다고볼때, 투입되는

68 일량. kwh/kg: 시간단 LNG 1kg를생산된다고볼때투입되는일량위두단위는생산량당투입되는일량을의미함으로일반적인효율과는달리낮을수록좋다. mmscfd Product/Feed (%): 총투입되는 Feed Gas 당 Fuel 로사용되고남는실제 LNG 생산 ( 액화 ) 량 Thermal Efficiency (%): 특정온도의NG 가 LNG 가되기위해서제거해야하는열량당투입되는일량 N 2 Dual Expander Process 기본적으로는 Gas Expander Process이며, Reverse Brayton Cycle의변형으로서일반적으로말하는 N 2 Expander Process는 N 2 Single Expander Process를말하며, 이는현재선박의 BOG 재액화장치에주로많이사용되었다. Dual Expander Process는 Single Loop에 Expander를추가하여, 내부적으로일종의 Cascade 효과를얻어내어서 System Efficiency를높여주는역할을하게된다. Single Expander Process 대비 30% 가량효율증진효과가있다. Gas Expander Process는 J-T Expansion과대비하여 Cycle 중일을얻어내는등더좋은효과를가질것같으나 Gas 냉매의특성상냉각능력이떨어져 MR공정보다효율이떨어진다또한냉매가 Nitrogen이기때문에 Safety 측면에서가장좋은점수를받고있어 Mid Scale급의 FLNG Project에서각광받고있다. [Fig. 4.3] N2 Dual Expander Process

69 4.1.3 Open Expander Process 일반적으로액화 Cycle은 Closed Loop를구성하지만, 냉매손실누설량을따로채워주는설비를두어야하는단점이있다 Open Expander Process는 Feed Gas 또는 End Flash Gas를냉매로사용함으로써 Open Loop를형성하여냉매를따로보충해줄필요가없는장점이있다. 또한 Refrigerant Storage Tank 를따로두지않아도됨으로 Safety 측면에서 MR Cycle 보다는안전성이높은편이다. C 1 /N 2 Dual Expander 프로세스의경우는 Closed N 2 Loop 와 Open C 1 (Feed) Loop 를가지며, 효울증대를위해액화압력을높여야할경우, 냉동을위한 Methane Compressor 와 NG Boosting Compressor를 Common 으로사용할수있는장점도있다. 효율은 N 2 Dual Expander Process와비슷한수준이며역시 Mid-Scale급에적합하다. [Fig. 4.4] OCX(Open Cycle Expander) Process Mid Scale 액화 Process Summary 전술한바와같이액화공정은각기장단점을가지고있으며프로젝트를

70 Leading 할때 Plant Philosophy 와제약사항에따라선택되며주요사항을 Summary 하면아래와같다. <Table 11> Mid Scale Liquefaction Process Summary Liquefaction Process Efficiency vs. Revenue If GT is applied as prome mover of refrigerant compressor, the output power is limited, and 40~50 MW is need to liquefy natural gas for the capacity of 2MTPA. <Assumption> Output power of the gas turbine is 43.5MW(X 2Sets) at the site condition. The production uptime is 365day/Annual LNG proce is 7 USD/MMBTU, the typical LNG calorific value is assumed 51.4MMBTU/LNG ton. Efficiency Production Rate SMR 15 kw/(ton/day) 2 MTPA N 2 Dual Expander 18 kw/(ton/day) 1.67 MTPA Open Expander 18 kw/(ton/day) 1.67 MPTA Refrigerant Inventory and Safety Risk Revenue Mil.USD/Annual Mil.USD/Annual Mil.USD/Annual Remark 100% 83.5% 83.5% Refrigerant HC Inventory Safety Risk SMR Hydro Carbon Mixture Refrigerant Vessel High N 2 Dual Expander Nitrogen None Low Open Expander Natural Gas and etc. Only in Process Loop Medium 4.2 Large Scale System의 Efficiency는동일 Prime Mover 사용시연간생산량과직결되는문제이며곧 LNG Plant 가연간벌어들이는수익과직결된다. 따라서초기투자비 (CAPEX) 와 Operating Cost(OPEX) 를고려하여연간수익대비투자비를계산해보면, 대형으로갈수록공정의복잡성과 CAPEX 가높아지더라도 System

71 Efficiency 가높은액화 Process 가선택되어야한다. 따라서대형공정들은두개이상의 Cycle을가지면서 Efficiency를높인프로세스들이주를이룬다. 아래대형공정들은일부미소한차이는있으나 10-12kw/ton/d) 의 System 효율을가지고있다. 일반적으로 FLNG에서는 3MTPA 이상을대형급이라고하며, 이경우에는아래와같은공정들이고려되어야한다. 아래에서용량은 Plant Base Load 로서육상기준임으로용량결정은 Process Efficiency 기준으로다음공식과같이구할수있다. FLNG 의 LNG Production Rate = Out Power of Prime Mover Efficiency of Liquefaction Process x 1 Annual x System Availability 아래에는대표적인대형급 LNG 액화공정을소개한다. 이외에도비슷한 Concept 의다른 Licensor의공정이있을수있음을주지하여야한다 C 3 MR [Fig. 4.5] C 3 MR(APCI) 액화공정은육상 LNG Plant 의액화공정으로서 70% 이상가장많이적용되었으며, 두개의 Cycle 으로구성되어있으며, Propane(C 3 H 8 ) Refrigeration Cycle이 Pre-Cooling을주로담당하고, MR Cycle이 Main Liquefaction Process로작용한다. FLNG 적용시 Propane이폭발성이높아서 Safety 측면에서 Risk가있다

72 [Fig. 4.5] C 3 MR(APCI) Liquefin TM Process DMR Process의일종으로 Pre-cooling 용 MR Cycle과 Main Cooling 용 MR Cycle 이있는두개의사이클로구성된공정이다. 특징은일반적인 MR Cycle 이 Main Cryogenic Heat Exchanger로 SWHE를쓰는데, [Fig. 4.6] Axens Liquefin Process는 PFHE Type을적용하였으며, PFHE를하나의 Cold Box에온도레벨별로아래위로배치하면서 PFHE의각 Core가받는 Thermal Stress를줄였다

73 [Fig. 4.6] Axens Liquefaction Process MFCP(Mixed Fluid Cascade Process) Cascade Cycle의일종으로일반적인 Cascade는순수냉매를사용하나 [Fig. 4.7] Statoil Linde Mixed Fluid Cascade Process(MFCP) 의경우 Mixed Refrigerant 을 Pre-Cooling, Liquefying 그리고 Sub-cooling 으로각기나누어 3 개의 Cycle 을구성하였다. 높은효율을가지나장비 Count가많은단점이있다

74 [Fig. 4.7] Statoil Linde Mixed Fluid Cascade Process(MFCP) AP-X [Fig. 4.8] AP-X 액화공정은 C3MR에서한단계발전된프로세스로기존 Pre-Cooling용 Propane Cycle과 Main Cooling용 MR Cycle에서 Main Cooling 역할을 Liquefying 과 Sub-Cooling으로나누어, Liquefying은 MR Cycle이담당하고 sub-cooling은 Nitrogen Expander Cycle이담당한다. 일종의 Hybrid Type 으

75 로현시점에서는가장 Complex 한 Type 의액화프로세스이다. [Fig. 4.8] AP-X Liquefaction Process 4.3 LNG 액화공정비교 Summary LNG FPSO의경우 1.5MTPA ~ 3MTPA 수준의중소규모가실현가능성이높으며, 적합한액화 Process로서 Gas Expander Cycle과 Single Mixed Refrigerant Cycle이주목받고있다. Gas Expander Process의경우 Cycle 특성상 Cycle Efficiency가낮은단점이있어일정규모 (2MTPA 급 ) 이상의액화공정에서는 Single Mixed Refrigerant Process가적합한것으로판단된다. 3MTPA 이상의대형 FLNG의경우 Efficiency의중요성이크기때문에 2Cycle 이상의 C 3 MR 또는 DMR이유력하고, C 3 MR의경우 Propane의폭발위험이커서 Safety 측면에서불리하며, DMR이 Load Sharing이우수한측면이있으나 Track Record와

76 System Complexity 측면에서는 C 3 MR 이우수한것으로판단된다. <Table 12> Comparison of Liquefaction Process(1) SMR C 1 -N 2 Expander PMR(DMR) C 3 MR Project Onshore Höegh FPSO Generic FLNG Onshore Licensor Black & Veatch CB&I Shell APCI Efficiency Medium(14.5~15.5) (Low,19~21) High(11~12) High(11~12) Capital Investment Low Medium Relatively High High Equipment Count Low Medium High High HC Refri. Storage Medium None Medium Large Compact(Footprint) High Medium Low Low HTX Motion Impacts Relatively Low Low Medium Medium C 3 MR, PMR 대비효율낮지만, 공정이상대적으로 Compact 효율이가장낮아서 OPEX 가가장큼. Refrigerant 효율, CAPEX 고려시대용량 3MMTPA 이상적합하므로 육상 Land Base 액화공정에최대실적이있음. 함으로써 CAPEX, Storage가 대형 LNG 효율, 운전성등의장점이있음. Mid Scale 급 Offshore 없으므로 Risk 가가장낮음. FPSO에고려. CAPEX 고려시대용량 3MMTPA Remark Liquefaction 이상적합공정에적합함. 하므로 Hydrocarbon Mixed Refrigerant 대형 LNG FPSO에고려. Storage를별도 설치하므로 N 2 expander 대비 Risk 가능성이 단점임. Note 1. Efficiency unit : KW/(ton/day) 2. Best Process 를의미함

77 <Table 13> Comparison of Liquefaction Process(2) LiMuM OCX HMC Project SBM FLNG Teekay FLEXLNG Licensor Linde Mustang Aragon Efficiency Medium(14.5~15.5) Relatively low (16.7~19.16) Pre-cooling 유무에따라 Relatively low (16.7~22.9) Based on HMC Distributed file Capital Investment Relatively Low Medium Medium Equipment Count Relatively Low Medium Medium HC Refri. Storage Medium None None Compact(Footprint) Relatively High Medium Relatively High HTX Motion Impacts Relatively Low Low Low Remark Single MR Cycle 이나 LiMuM 은 MR 을 온도단계별로팽창 시켜, 다단계 MR Loop 를구성함. PRICO 보다조금 복잡해짐. Mid Scale 급 Offshore Liquefaction 공정에적합함. Hydrocarbon Mixed Refrigerant Storage 를별도설치 하므로 N 2 Expander 대비 Risk 가능성이단점임. Flash gas 및 BOG 의처리장비가따로 필요없이 Liquefaction Process 와 Integration. MR 의조성이 Flash Gas 조성에따라 영향으로많이받으 며, 때문에 Feed gas 조성에따라 Process condition 을 조정해야함. Refrigerant Storage 가없으므로 Risk 가가장낮음. Refrigerant Storage 가없으므로 Risk 가가장낮음. Refrigerant 로 Inert Gas 인 N2 를사용함으 로안정성이높음. Note 1. Efficiency unit : KW/(ton/day) 2. Best Process 를의미함

78 5 장미니 LNG 용액화싸이클특성분석 5.1 천연가스 (Natural Gas, NG) 의정의 천연가스란메탄 (Methane, CH 4 ) 을주성분으로하고소량의에탄 (Ethane, C 2 H 6 ), 프로판 (Propane, C 3 H 8 ), 부탄 (Butane, C 3 H 10 ), 펜탄 (Pentane, C 3 H 12 ), 이산화탄소 (CO 2 ), 질소 (N 2 ), 헬륨 (He), 유분 (Oil waste), 먼지 (Dusts), 물 (Water) 등이포함되어있는화석연료를의미한다. 이것은천연가스전 (Natural gas field), 유전 (Oil field) 및탄전 (Coal beds) 등에서산출되며진정한의미의천연가스란가스전에서산출되는가스를말하기도한다. 가스전등에서채굴되는천연가스는그대로는사용할수가없고천연가스에포함된불순물 (Impurities) 을제거하는과정을거쳐야한다. 특히, 이산화탄소, 황화합물및물등은사용전에반드시제거되어야만한다. 위에서열거한불순물은대기를오염시키거나, 인체에흡입시독성으로인체에유해하며또한이산화탄소는저온에서고체상태로존재하기때문에사용하는펌프등의장비에치명적인손상을주기때문에사용전에반드시제거공정 (Natural gas processing) 을거친다. 채굴되는천연가스의성분비는가스전마다차이를보이며대략메탄의성분비가 85%~99% 정도를점유한다. 천연가스란알칸기의탄화수소류 (C n H 2n+2 ) 를주성분으로소량의질소등이포함된자연상태에서채굴되는가연성가스를총칭한다. 천연가스의종류에는가압천연가스 (CNG), Natural Gas Liquids(NGLs), 메탄하이드레이트 (methane hydrate) 가있다. 가압천연가스 (Compressed Natural Gas, CNG) 는가스전혹은유전에서채굴한천연가스를액화하지않고고압 (3,600 PSIG, 25MPa) 의가스상태로유지하여파이프라인을통해산지에서소비지로운송하는형태의가스다. NGLs는비점이낮은메탄과에탄의복잡한액화과정중비점이상대적으로높은프로판, 부탄등의고급탄화수소들은자연히액체상태로변화하게되는데이때액화된탄화수소를일반적으로 NGLs라부르고있다. 메탄하이드레이트는낮은온도와높은압력에서천연가스의주성분인메탄분자가물분자내에서입체적으로결합하여형성된고체상결정체 (Solid-phase crystal) 를말한다

79 <Table 14> Physical and Chemical Properties of Natural Gas(1) Properties Methane Ethylene Ethane Propylene Propane n-butane Symbol CH 4 C 2 H 4 C 2 H 6 C 3 H 5 C 3 H 8 C 4 H 10 분자량 (Molecular weight) 기체상수 (KJ/kg.K) 임계온도 (K) 임계압력 (Mpa) Volume(m 3 /kmol) 비점 (1 기압에서, ) @b.p. 0.57@b.p. 0.45@ @ @ @20 기체밀도 (kg/m 3 ) 액체밀도 (kg/m 3 ) 증기압 (kg/cm2)@ 199@ @ @ @20 8@ @20 Cargo temp.( ) Cargo Pressure(kg/cm 2 ) Specific gravity of Vapour(15,1 기압 ) Specific Gravity of Liquid Gas/Liquid volume ratio Heat of vaporization (kcal/kg) Explosion limits (% by volume) Ignition temp.( ) 주요위험 F F F F F F

80 <Table 15> Physical and Chemical Properties of Natural Gas(2) Properties Butadiene Butylene Ammonia Vinyl Chloride Nitrogen Symbol C 4 H 5 C 5 H8 NH3 C 2 H 3 Cl N 2 분자량 (Molecular weight) 기체상수 (KJ/kg.K) 임계온도 (K) 임계압력 (Mpa) Volume(m 3 /kmol) 비점 (1기압에서, ) -4.5 부탄과유사 @15 상동 0.88@b.p @ @b.p. 기체밀도 (kg/m 3 ) 1.88 상동 액체밀도 (kg/m 3 ) 증기압 (kg/cm2)@ 0.17@0 상동 8.8@20 312@20 9@-170 Cargo temp.( ) -5 상동 Cargo Pressure(kg/cm 2 ) Specific gravity of Vapour(15,1 기압 ) Specific Gravity of Liquid Gas/Liquid volume ratio Heat of vaporization (kcal/kg) Explosion limits (% by volume) 1.04 상동 상동 상동 상동 비가연성 Ignition temp.( ) 450 상동 비가연성 주요위험 F 상동 T F/T 상동 5.2 LNG(Liquid Natural Gas) 의정의 메탄을주성분으로하는천연가스를대기압 ( 표준기압, 1기압 ) 상태에서약 -163 까지냉각시키면이가스는액화하여그용적이원래의약 600분의 1로줄어든액체가되는데, 이것을액화천연가스, 즉 LNG(Liquefied Natural Gas) 라고부르며무색, 무취, 비중 ~ 및전기적부도체의화학적성질을

81 보인다. 순수메탄의경우액화온도는정확히 이나산출되는 LNG 중메탄의함유율이 100% 인것은없고 90% 전후로 ~ 부근에서액화한다. 그러나일부터미널에서는 LNG 운송중증발 (BOG, Boil-Off Gas) 량을줄이기위하여액화공정시과냉각시켜액온도를 까지강하시킨다. 5.3 미니 LNG 의정의 [14] 육상혹은해상에서가스전으로부터이송되어오는가스를액화하여저장하고, 저장한 LNG. Mini급 LNG운반선 ( 혹은바지 ) 으로안전하게이송하여, 육상혹은해상의작은 LNG저장소에저장하고, 작은 LNG저장소에저장된 LNG를기화하여육상에요구되는전력을생산하는발전기연료로공급하는일련의소규모 LNG흐름을 Mini LNG Supply Chain으로정의한다. 본연구에서는 (1) 가스전으로부터이송되어오는가스를액화하여저장하고저장한 LNG를 Mini급운반선 ( 혹은바지 ) 으로이송하는시설로 F-LNG(BMPSO) 를, (2) 운송수단으로 Mini급 LNG 운반선을, (3) 작은 LNG저장소에저장된 LNG를기화하여육상에요구되는전력을생산하는시설로 FSRU(FBMP) 로정의한다 소형부유식 LNG 생산설비 기존대형 LNG생산설비와는달리 0.3MTPA급으로육상의 Gas Pipe Line을통하여유입되는 Clean Gas (Sweet Gas) 를안벽에접안혹은인근해역에부유한부유체에서냉동사이클을이용하여액화한뒤저장하고, 저장한 LNG를 Mini-LNG운반선에하역하는설비

82 5.3.2 Mini 급 LNG 운반선 [14] 소량의 LNG를이송하는것으로여기서는 5,000m 3 급이하로정의하며특히본보고서와관련하여, 50MW급발전설비에일주일에 1회 LNG를이송하는것을기준으로 5,000m 3 의저장량을가지며, 400 m/h 급 LNG하역펌프를지닌것을소형LNG운반선을기준으로한다. [Fig. 5.1] Mini LNG Tanker Mini LNG FSRPU [Fig. 5.2] Mini Scale Liquefaction Plants

83 [11]50MW 급의전력을생산하여송전하거나, 10MMSCFD(Million Standard Cubic Feet per Day, equals 1, Sm 3 /h, 28,317 Sm 3 /day, cf MMSCMD) 의 Gas 를 송출하기위한설비로 5,000m 3 급의 LNG 저장탱크를보유하고있다. 5.4 미니 LNG 액화방식 LNG 산업의규모에따른분류는명확히규정된바는없으나, 각종자료를종합해본결과대형-중형-소형-초소형 (Large-Mid-Small-Mini-Micro Scale) 로분류하고있으며, 설비 (Facility), 운반선 (Carrier) 및발전소 (Plant) 에대해종합하여보면다음과같이정리가된다. 0~0.1MTPA를 Micro, 0.1~0.5MTPA를 Mini, 0.5~2.0MTPA를 Small, 2.0~5.0MTPA를 Mid Scale로분류하고있다 (Shell에의한분류 ). 그리고액화방식으로 Mini 이하에서는액화질소, 그이상용량에서는 SMR, DMR 그리고대부분의대용량에사용되는 C 3 MR 액화방식을사용한다. [Fig. 5.3] LNG Cost Challenge

84 [13] 그림 [Fig. 5.3] 와그림 [Fig. 5.4] 에서는 Hamworthy 회사에서개발한 Mini LNG용액화공정인 SINTEF에대한설명으로 Mini LNG는 1~15Tonnes/day를처리할수있는사이클 (Cycle) 이다. [Fig. 5.3] 와같이 Mini LNG 산업에서비용측면에서경제적인 LNG 액화공정이며, 또한효율적인측면에서도그림 [Fig. 5.4] 와같이양호한것으로표시하고있다. [Fig. 5.4] LNG Efficiency Challenge 5.5 미니 LNG 액화싸이클최적화방안 <Table 12> 액화공정비교표 (1) 을통해중소형액화공정에경제적으로사용가능한공정은 SMR Cycle 및 N2 Expander Cycle 임을알수있다. 또한그림 [Fig. 5.3] 과그림 [Fig. 5.4] 을통하여 Mini LNG 산업에가장효율적이고경제적인냉동 Cycle은 SMR Cycle 및 N 2 Expander Cycle임을알수있다. 따라서중소형 LNG 액화공정에가정적합한사이클로서 SMR Cycle과 Reverse Brayton Cycle의변형인 N 2 Gas Expander Process을선택하여액화 Cycle 최적화를비

85 교분석하고자한다. [Fig. 5.5] 는 Reverse Brayton Process 의 Diagram 을설 명하고있으며, <Table 16> 에서는 Reverse Brayton process 특성을설명 하고있다. [Fig. 5.5] Diagram of Reverse Brayton Process <Table 16> Characteristic of everse Brayton Process Technology Reverse Brayton Production capacity 20,000 to 300,000 TPA Refrigerant system Nitrogen produced from air on-site Energy consumption Technology features Installation As low as 0.35 kwh/kg depending on project specific conditions Robust technology that allows for quick and simple start-up/shutdown & ramp up/ramp down compared to competing technologies Reduced installation time and small footprint through a modularized design

86 N 2 Gas Expander Process에는크게 [Fig. 5.6] N 2 Single Expander Process와 [Fig. 5.7] N 2 Dual Expander Process가있으며, 일반적으로 N 2 Gas Expander Process는 N 2 Single Expander Process를말하며, 이는현재선박의 BOG 재액화장치에주로많이사용되었다. Dual Expander Process는 Single Loop에 Expander를추가하여, 내부적으로일종의 Cascade 효과를얻어내어서 System Efficiency를높여주는역할을하게된다. Single Expander Process 대비 30% 가량효율증진효과가있다. Gas Expander Process는 J-T Expansion과대비하여 Cycle 중일을얻어내는등더좋은효과를가질것같으나 Gas 냉매의특성상냉각능력이떨어져 MR공정보다효율이떨어진다. 또한냉매가 Nitrogen 이기때문에 Safety 측면에서가장좋은점수를받고있어 Mid Scale급의 FLNG Project에서각광받고있다. [Fig. 5.6] Single Expander Process

87 [Fig. 5.7] Dual N 2 Expander Process 5.6 SMR Cycle 과 C 1 -N 2 Expander Cycle 의비교분석 미니 LNG 액화공정의대표적인공정인 [Fig. 5.8] SMR(B&V) Cycle 과 [Fig. 5.9] C 1 -N 2 Dual Expander(CB&I) Cycle 에대한효율을비교분석하였다. [Fig. 5.8] SMR(B&V) Cycle [Fig. 5.9] C 1 -N 2 Dual Expander(CB&I) Cycle

88 5.6.1 SMR 사이클 (Cycle) 특성분석 SMR 사이클 (Cycle) 은메탄, 에탄, 프로판, 이소펜탄 (isopentane), 그리고질소로구성된혼합냉매를단순한단일사이클로운용하는공정이다. [Fig. 5.10] 에보인바와같이 SMR 사이클에서압축기를통과한고압고온의기체냉매는냉각수나공기등에의해일차적으로대기온도정도까지냉각되고천연가스냉각이이루어지는열교환기로유입되어추가적으로냉각된다. 즉냉동사이클에서생산되는저온에너지는천연가스액화만을위해사용되는것이아니라사이클에사용되는냉매가팽창기를통과하기전냉매의냉각을위해서도사용됨을알수있다. [Fig. 5.10] Mollier Diagram(P-H Diagram) of SMR Cycle Heat Flow(kW) 에따른온도변화는 [Fig. 5.11] 에보인바와같이일정한 곡선으로 25 의 NG(Natural Gas) 가 155 의 LNG(Liquid Natural Gas) 가되는 것을볼수있다

89 [Fig. 5.11] Temperature Alteration of SMR Cycle N 2 Expander Cycle 특성분석 N 2 를사용한팽창기사이클은 N 2 냉매가액상과기상간의상변화를통하지않고기체상태로유지되면서고압에서저압으로팽창하고, 저압상태로전화되면서얻은저온냉매를냉각에활용하는방법이다. N 2 냉매는팽창기를통과한후저온이되며이저온은천연가스액화와압축기를통과한고압 N 2 냉매의자체냉각에사용된다. [Fig. 5.12] 에포함된압축기들은간단히단일압축기로나타내었지만실제로는단계별냉각기를포함한 3단에서 5단정도의다단압축기배열을하고있다. 또한냉각되어액화되는천연가스를연속적인단일유체흐름으로간단하게나타내었지만일반적인경우에는냉각되는천연가스를액화되기전에열교환기외부로유출시키고기-액분리기등의분리장치들을통하여천연가스에서 NGL(Natural Gas Liquids) 을회수한후에나머지천연가스들은다시열교환기로유입시켜냉동사이클에의해액화된다

90 [Fig. 5.12] Mollier Diagram(P-H Diagram) of N 2 Expander Cycle N 2 Expander Cycle의 Heat Flow(kW) 에따른온도변화는 SMR Cycle와비교하여차이가있는것은 [Fig. 5.13] 에보인바와같이 Inter Stage Expander의냉매 Stream이 Cooling 역활을하는시점에서기울기가크고온도가급격하게떨어지는것을볼수있다. 25 의 NG(Natural Gas) 가 155 의 LNG(Liquid Natural Gas) 가될때 N 2 냉매는 1차로열교환기 (Heat Exchanger) 를통해 25 Hot Gas에서 5 Hot Gas로냉각되고 2차로 5 Hot에서 80 Cold Gas로냉각된다. 냉각된 N2 Gas는 Expander 및 Heat Exchanger를통해 1차로 91 Cold Gas는 23 의 Hot Gas로변화하고, 2차로 155 Cold Gas는 NG를 LNG로액화시키고 N 2 Gas는 20 의 Hot Gas로변한다

91 [Fig. 5.13] Temperature Alteration of N 2 Expander Cycle SMR Cycle 과 N 2 Expander Cycle 특성분석 SMR Cycle과 N 2 Expander Cycle의효율 (Efficiency) 비교는 [Fig. 5.14] 와같이 N 2 Dual Expander Cycle과 SMR Cycle과의 Efficiency 차이는 Compressor, Expander adiabatic efficiency 각각 (78%, 85%) 기준에서평균 4.26kW/(ton/d), (80%, 90%) 기준에서는 2.6kW/(ton/d) 의차이가보인다. 또한, [Fig. 5.14] 에서보듯이 N2 Dual Expander Cycle에서장비 Count가더많기때문에장비효율에따라 Efficiency 변화가더욱크다. 그리고 Expander의경우 Efficiency에따라 Down Stream의온도가다름으로 System 전체 Efficiency에도영향을미침을알수있다

92 [Fig. 5.14] Efficiency Comparison of SMR Cycle vs N 2 Expander Cycle SMR Cycle과 N 2 Expander Cycle의생산량 (Production Rate) 비교는 [Fig. 5.15] 와같이 Expander의입구압력에따라효율및생산량이변화는것을알수있다. 또한효율및생산량은해수의온도및시스템의구성에따라차이가있을수있다. 특히, N2 Dual Expander Cycle 경우에는 Compressor와 Expander의단열효율이다. [Fig. 5.15] Production Comparison of SMR Cycle vs N 2 Expander Cycle