Aspen Plus를 이용한 BOG 재액화 공정 분석

김 화영, 이 중용, 박 명호, 김 동혁*, 하 종만*, 백 영순*

(주)엑서지 엔지니어링, 한국 가스공사 연구개발원 화학 공정 연구팀*

Analysis of BOG liquefaction process with Aspen Plus

Kim, HwaYoung, Yi JoongYoung, Park Moungho, Kim Dong-Hyuk*, Ha Jongman*, Baik Youngsoon*

Exergy Engineering, Inc., Dept. of Chemical Process Research, R&D Center, Korea Gas Corporation*

평택 LNG 생산 기지에 설치되어 있는 BOG 재액화 관련 공정을 Aspen Plus를 이용하여 모사 하고 분석 하였다. BOG 압축기는 압축기 우선 순위 조정 및 토출 온도 제어가 시급한 것으로 나타났으며 접촉식 재액화 공정에서는 과다한 LNG가 주입되어 후속 공정인 승압 펌프를 불필요하게 가동하게 되는 것으로 나타났다.

서론

단위 기기 중심이 아닌 시스템 적인 관점에 따른 설비의 진단은 설비가 최적조건에서 운전되고 있는지의 여부와, 시스템내의 각 변수들이 다른 부분에 미치는 영향을 분석할 수 있게 해준다. 또한, 문제가 있는 기기 및 단위설비들을 정확하게 분석할 수 있게 해주며, 이들을 어떻게 개선할 것인가에 대한 대안과, 이러한 대안을 실행한 경우에 발생할 수 있는 제반의 문제들을 종합적으로 파악할 수 있게 해준다. 그러나 LNG 설비들은 이러한 관점에서 분석된 적이 없기 때문에, 정확한 생산단가와 현재 운영중인 시스템이 어떠한 상태에 있는지를 파악할 수 없었다. 따라서, LNG 인수설비와 부대설비들에 대한 정확한 진단과, 운전상태를 파악함으로써, LNG의 안정적인 공급과 운영을 위한 설비의 최적화가 무엇보다 필요하다.

평택 LNG 가스 인수 기지의 LNG 저장탱크 용량은 10□ 규모 9기이며 도입 물량 증가에 따라 15기로 증설될 예정이다. 급격히 증가하고 있는 LNG의 도입량에 따라 LNG의 하역 및 저장중에 발생하는 Boil off gas(BOG)량도 규모가 커지게 되어 BOG에 대한 경제적인 처리 방안 및 대책 수립이 중요하게 되었다.

평택 가스 인수 기지에서의 경우 발생되는 BOG는 저압 송출 계통으로 일부 송출되고 잔여량은 접촉식 재액화기(recondenser)를 이용하여 처리하고 있다. 그러나 LNG 도입량의 급격한 증가와 가스 수요량 증감폭이 큰 도시가스 수요 증가로 인하여 더 많은 LNG 저장 탱크가 필요하게 되어 기존의 recondenser로는 발생되는 BOG 처리의 한계점에 도달하게 되었다. 이와같이 BOG 처리에 대한 능동적인 대응을 할 수 있는 방안을 모색하기 위하여 우선적으로 BOG 처리에 관련된 공정들을 분석하고 문제점을 파악하는 작업이 필요하다.

본 연구는 평택 LNG 생산 기지 공정 효율 향상을 위한 운영 최적화 연구 의 일부분으로 ASPEN PLUS를 이용한 인수기지 진단모델 개발 가운데 BOG 재액화 공정 모사 및 분석에 대한 것이다.

본론

1. 공정 개요

BOG 처리 공정에 관련된 LNG와 BOG 조성(mole %)은 다음의 표와 같다.

	질소	메탄	에탄	프로판	i-부탄	n-부탄	소계
LNG	0.01	85.11	9.32	4.58	0.56	0.42	100.00
BOG	0.34	99.64	0.02	-	-	-	100.00

탱크 및 배관에서 발생하는 BOG는 압축기에 의해 압축된 후 (주)서울냉열에서 유입 되는 NG와 혼합되어 저압 계통으로 송출되고 잔여 가스는 재액화 과정을 거쳐 고압 펌프로 송출된다. 그러므로 BOG 처리 공정은 압축 공정과 재액화 공정으로 구분할 수 있다

BOG 압축기는 모두 5대(C301A/B/C/D/E)가 설치 되어 있으며, 2단 압축기이고 정격 유량 12,000N□/hr, 토출 압력 10.6kg/□g으로 설계되어있다. 압축기 C301A/B/C는 압축기 앞단에 흡입 드럼 D308이 설치 되어 있어 LNG를 이용하여 BOG 온도를 -130℃로 냉각한 후 중간 및 후단 냉각 없이 BOG를 압축한다. 반면 C301D/E는 흡입 드럼을 거치지 않고 배관에서 BOG가 바로 압축기로 들어가게 되며 1단의 토출 온도가 48℃ 이상일 때 그리고 2단의 토출 온도가 65℃ 이상일 때 공기 냉각 방식으로 냉각되도록 되어 있다.

재액화 장치는 BOG와 NG를 초저온의 LNG와 접촉시켜 재액화한다. LNG는 재액화기에 유입되는 BOG 및 NG를 재액화시키기에 충분하도록 공급되어야 한다. BOG 재액화기의 최고 송출 유량은 800T/H로 설계되어 있으며, BOG 압축기에서 압축된 BOG와 서울 냉열로부터 회송된 NG가 합류되어 일부는 저압 송출 계통으로 보내지고 나머지가 재액화기로 들어가 재액화되는 방식이다.

2. 공정 모사 및 분석

BOG 처리 공정을 설계 자료와 운전 자료를 근거로 ASPEN PLUS를 이용하여 그림 2와 같이 모사 하였다.

설계 조건 공정 모사에서 BOG 압축기의 효율은 모두 68%, 소모 동력은 압축기 A/B/C는 약 1010kW, D와 E는 919kW로, 이는 압축기의 최대 설계 소모 동력에 해당한다. 운전 자료의 각 데이터를 압축기 모델에 적용하여 각 변수에 따라 각 압축단의 효율과 소모 동력이 어떻게 달라지는가를 살펴보면 압축기의 소모 동력은 950∼1,100kW이었고, 효율은 각단의 흡입온도, 유량, 흡입 압력 및 토출 온도에 따라 달라진다(효율에 따라 토출 온도가 달라진다). 운전 자료에 제시된 압축기 입·출구에서의 BOG의 온도와 압력을 알 수 있다. 이와 같은 데이터들을 이용하여 주어진 운전 조건에서 각 인자들간의 관계에 대해 regression하여 압축기의 효율을 산정할 수 있는 관계식을 작성하고 이를 ASPEN PLUS에 In-line Fortran으로 삽입하였다.

현재의 압축기 효율은 C301A/B/C가 C301D/E보다 좋은 것으로 나타났다. 일반적으로 압축기의 효율이 높을수록 토출 온도가 낮다. 즉, 압축기 C301A/B/C은 C301D/E보다 효율이 높고 토출 온도는 낮다.

운전 자료에 의하면 토출 온도가 높은 C301D/E의 후단에서 압축된 BOG가 냉각 되었음을 확인할 수 있다. 이를 통하여 C301D/E 가동시 추가의 냉각 장치를 가동하여야 함을 알 수 있다. 실제로 C301D/E의 후단 냉각 후의 BOG 온도는 공냉식이므로  크게 낮아질 수 없고, 이들 압축기로부터 압축되는 유량이 전체 BOG의 30∼50% 정도이기 때문에 전반적으로 50℃ 이상이 되는 압축 BOG의 온도를 크게 낮출수는 없다.

BOG의 온도가 낮아지면 재액화 과정에서 소비되는 LNG의 유량이 적어지지만, 실제 운전에서 LNG가 재액화기로 과도하게 주입되는 현재의 시스템에서는 압축기 D/E의 후단 냉각보다는 중간 냉각을 사용하는 것이 압축기 소모 동력 감소를 위하여 적절할 것이다.

운전 자료에서 압축기 C301A/B/C와 C301D/E의 가동 비율은 1:1에서 3:2 까지로 압축기 5대를 모두 가동하는 경우가 아니면 거의 동일한 비율로 운전을 하고 있다. 이러한 방법은 BOG 발생 량이 적은 동절기에는 추가의 후단 냉각이 필요치 않을 것이므로 효과적이라고 볼 수 있으나 기온이 상승하여 전반적으로 BOG 처리량이 늘어나게 되는 하절기에는 공냉식으로 압축된 BOG를 냉각하는데 한계가 있을 뿐 아니라 효율도 감소할 것으로 나타나 문제점으로 지적되었다.

현재 설치되어 있는 5기의 압축기에서 압축할 수 있는 BOG 총량은 43T/H이며 서울 냉열에서 회송되는 NG의 총량은 28∼30T/H이므로 저압 송출 계통으로 보내지는 NG가 없을 때의 재액화 되어야 하는 최대 BOG 및 NG량은 73T/H이다. 이론적으로 재액화에 필요한 LNG는 BOG 유량의 9 ∼ 10배 정도면 충분하지만 현재의 운전 조건은 BOG 유량의 최소 15∼22배 정도 유 입되고 있다. 공급되는 LNG의 양을 BOG가 완전히 재액화 되는데 필요한 양만큼 공급 되도록 조절하는 경우에 승압 펌프의 가동률을 줄여 펌프의 소모 동력을 줄일 수 있을 것이다.

결론

압축기 시스템에서, 압축된 BOG의 온도는 후속 공정인 재액화 과정에서 LNG의 소모량을 결정하는 중요한 요소이기 때문에 압축기 각 단에서 토출되는 BOG의 온도를 낮추기 위한 대책이 필요하다. C301A/B/C의 경우처럼 precooling을 하는 방법 및 적절한 intercooling 방식의 도입은 압축기 효율 개선 및 재액화 공정에서의 LNG 사용량을 줄여 승압 펌프의 부하를 줄이게 될 것이다.

1T/H의 BOG를 재액화 하는데 필요한 이론적인 LNG은  BOG의 온도가 80℃ 이상일때 11배의 LNG가 필요하게 되지만 설계 자료에서 BOG의 온도는 65℃ 이상이 되지 않으며 실제 운전 자료에서도 50℃이하이다. 그러므로 BOG를 전량 재액화시키기 위하여 LNG 유량을 적절히 조절하면 현재보다 적은 양으로 재액화가 가능할 것이다.

BOG의 재액화 공정에 대한 분석을 통하여 나타난 문제점들은 단위 기기 및 BOG  재액화 공정 그리고 생산 기지 전체 공정 각각의 수준에서 개선점을 도출 할 수 있으며, 여기서 도출된 개선안은 타당성 검토를 수행 한 후 제시될 예정이다.

Reference

1. 운전 지침서 (프로세스 설비, A권) 1996, 10.

2. 운전 지침서 (2차 확장 설비) 1998, 12.

3. 평택 생산 기지 P&ID (I) (RECEIVING)/ (II) (SEND OUT) 1998. 12

4. KGC/Pyung Taec L.N.G. Receiving terminal 1st extension project

Operation and Maintenance manual

5. Minutes of meeting for the tank 706 boil off performance test

6. Pyung Taek LNG terminal - recondensing unit : Separation of the HP delivery system in two parts due to the incorporation of the recondensing system

7. Pyung Taek LNG terminal - recondensing unit : Process Control and operating manual

8. ASPEN PLUS User Models

9. 운전 자료(Log Sheet) 2000년 5월 22일