KR102108924B1 - 천연 가스 액화 처리 장치 - Google Patents

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Abstract

본 출원은 천연 가스 액화 처리 장치에 관한 것으로, 본 출원의 천연 가스 액화 처리 장치는 친환경적이고, 안전성이 우수할 뿐만 아니라, 높은 에너지 효율을 나타낼 수 있다.

Description

천연 가스 액화 처리 장치{NATURAL GAS LIQUEFACTION TREATMENT DEVICE}
본 출원은 천연 가스 액화 처리 장치에 관한 것이다.
천연 가스 액화 처리 장치는 두 가지 주요 기술, 예를 들어, 혼합 냉매 기반의 장치 및 질소(N2) 팽창기 기반의 장치로 분류할 수 있다.
혼합 냉매 기반의 천연 가스 액화 처리 장치는 추가로 단일 혼합 냉매(SMR), 캐스케이드(Cascade), 프로판 사전 냉각 혼합 냉매(C3MR) 및 이중 혼합 냉매(DMR) 장치와 같이 다양한 냉동 사이클로 분류할 수 있다.
혼합 냉매 기반의 천연 가스 액화 처리 장치는 질소 팽창기 기반의 장치와 비교할 때 높은 에너지 효율을 나타내지만, 가연성을 갖는 탄화수소 기반의 냉매의 존재로 인해 환경적 위험 및 안전하지 못한 문제가 있다. 이에 반해, 질소 팽창기 기반의 천연 가스 액화 처리 장치는 가장 적은 자본 투자로 높은 안전성, 높은 수준의 가용성, 공정의 단순성을 제공하므로 해상 액화 천연 가스(LNG)생산에 가장 적합하다. 따라서, 혼합 냉매 기반의 천연 가스 액화 처리 장치에서 발생되는 문제를 해결하고, 에너지 효율도 향상시킬 수 있는 새로운 질소 팽창기 기반의 천연 가스 액화 처리 장치가 요구되고 있다.
본 출원은 친환경적이고, 안전성이 우수할 뿐만 아니라, 높은 에너지 효율을 나타내는 천연 가스 액화 처리 장치를 제공한다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 본 출원의 천연 가스 액화 처리 장치를 설명하며, 첨부된 도면은 예시적인 것으로, 본 출원의 천연 가스 액화 처리 장치가 첨부된 도면에 제한되는 것은 아니다.
본 출원은 천연 가스 액화 처리 장치에 관한 것이다. 도 1은 본 출원의 천연 가스 액화 처리 장치를 예시적으로 나타낸다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 출원의 천연 가스 액화 처리 장치는 냉매 순환부, 천연 가스 액화 처리부 및 열교환부를 포함한다. 상기 냉매 순환부는 냉매 공급부(11100), 압축 유닛 및 냉매 팽창기(11300)를 포함한다. 상기 천연 가스 액화 처리부는 천연 가스 공급부(12100), 천연 가스 팽창기(12200), 액체 터빈(12300) 및 기액 분리기(12400)를 포함한다. 상기 열교환부는 제 1 열교환기(13100) 및 제 2 열교환기(13200)을 포함한다.
상기 냉매 공급부(11100)는 냉매를 포함하는 냉매 스트림(11001)을 공급하는 부분이다.
하나의 예시에서 상기 냉매는 질소(N2)일 수 있다. 상기 천연 가스 액화 처리 장치(11000)는 냉매로 질소를 사용함으로써, 친환경적이고, 우수한 안전성을 제공할 수 있다.
상기 압축 유닛은 상기 냉매 공급부(11100)에서 공급된 냉매 스트림(11001)을 압축하는 압축기 및 냉각하는 냉각기를 각각 순차로 구비한다. 상기 압축기 및 냉각기는 각각 복수, 예를 들어, 2 이상, 3 이상 또는 4 이상으로 구비될 수 있다. 구체적으로, 상기 압축 유닛은 상기 압축기 및 상기 냉각기를 하나의 단위로서 포함한다. 하나의 예시에서, 상기 압축 유닛은 상기 압축기 및 상기 냉각기를 각각 순차로 넷씩 구비할 수 있다. 구체적으로, 상기 공급된 냉매 스트림(11001)은 제 1 압축기(11211)를 통해 압축되고, 압축된 냉매 스트림(11002)은 제 1 냉각기(11221)를 통해 냉각되며, 냉각된 냉매 스트림(11003)은 제 2 압축기(11212)를 통해 압축되고, 압축된 냉매 스트림(11004)은 제 2 냉각기(11222)를 통해 냉각되며, 냉각된 냉매 스트림(11005)은 제 3 압축기(11213)를 통해 압축되고, 압축된 냉매 스트림(11006)은 제 3 냉각기(11223)를 통해 냉각되며, 냉각된 냉매 스트림(11007)은 제 4 압축기(11214)를 통해 압축되고, 압축된 냉매 스트림(11008)은 제 4 냉각기(11224)를 통해 냉각될 수 있다.
상기 압축기는 상기 냉매 공급부(11100)에서 공급된 냉매 스트림(11001)을 낮은 압력으로 압축할 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 압축은 상기 압축기에 의해 0.5 MPa 내지 15 MPa의 압력으로 수행될 수 있고, 구체적으로, 0.6 MPa 내지 14 MPa 또는 0.7 MPa 내지 13 MPa의 낮은 압력으로 수행될 수 있다. 상기 공급된 냉매 스트림(11001)을 전술한 범위 내의 낮은 압력으로 압축함으로써, 냉매의 엔트로피가 증가되는 것을 감소시킬 수 있다. 이 때, 상기 제 1 압축기(11211), 제 2 압축기(11212), 제 3 압축기(11213) 및 제 4 압축기(11214)는 전술한 범위 내의 압력 및 후술하는 등 엔트로피 효율을 가질 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 압축기는 이상적인 압축을 위하여 등엔트로피 효율을 가질 수 있다. 예를 들어, 압축 시, 상기 압축기의 등 엔트로피 효율은 70% 내지 90%일 수 있고, 구체적으로, 73% 내지 88%, 75% 내지 85% 또는 78% 내지 82%일 수 있다.
또한, 상기 냉각기는 물을 포함할 수 있다. 상기 냉각기는 물의 온도를 15℃ 내지 25℃로 제어하여 상기 공급된 냉매 스트림(11001)을 냉각할 수 있으며, 바람직하게는 압축기에서 압축된 냉매 스트림(11002, 11004, 11006, 11008)을 냉각할 수 있다. 구체적으로, 상기 물의 온도는 17℃ 내지 23℃ 또는 19℃ 내지 21℃일 수 있다. 상기 공급된 냉매 스트림(11001)을 전술한 온도의 물을 포함하는 냉각기를 통해 냉각함으로써, 냉매가 일부 액화될 수 있다. 이때, 상기 제 1 냉각기(11221), 제 2 냉각기(11222), 제 3 냉각기(11223) 및 제 4 냉각기(11224)는 전술한 범위 내의 온도를 가지는 물을 동일하게 가질 수 있다.
상기 냉매 팽창기(11300)는 상기 압축 유닛에서 유출되는 냉매 스트림(11009)을 감압하는 장치이다. 바람직하게는 상기 냉매 팽창기(11300)는 상기 압축 유닛에서 유출되는 냉매 스트림(11009)이 후술하는 제 1 열교환기(13100)를 통과하여 유출된 냉매 스트림(11010)을 감압하는 장치이다. 하나의 예시에서, 상기 냉매 스트림(11010)은 상기 냉매 팽창기(11300)를 통과한 후, 냉매 스트림(11011)으로 유입되며, 상기 냉매 스트림(11011)은 0.3 MPa 내지 1.0 MPa의 압력을 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 냉매 팽창기(11300)에서 유출되는 냉매 스트림(11011)의 압력은 0.3 MPa 내지 1.0 MPa 또는 0.5 MPa 내지 1.0 MPa일 수 있다. 상기 냉매 스트림(11011)은 전술한 범위 내의 압력으로 감압됨으로써, 팽창될 수 있다.
상기 천연 가스 공급부(12100)는 천연 가스를 포함하는 천연 가스 스트림을 공급하는 부분이다.
상기 천연 가스는 메탄을 포함하는 가스 혼합물일 수 있다. 상기 메탄을 포함하는 가스 혼합물은 상기 메탄이 80% 이상 또는 90% 이상 혼합된 가스 혼합물일 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 천연 가스는 30℃의 온도, 5 MPa의 압력 및 1.0 kmol/h의 유량으로 공급될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 천연 가스 팽창기(12200)는 천연 가스 공급부(12000)에서 공급된 천연 가스 스트림(12001)을 감압하는 장치이다. 하나의 예시에서, 상기 천연 가스 스트림(12001)은 상기 천연 가스 팽창기(12200)에서 감압되어 천연 가스 스트림(12002)으로 유입될 수 있다. 상기 천연 가스 팽창기(12200)에서 유출되는 천연 가스 스트림(12002)은 감압 후, 0.5 MPa 내지 2.5 MPa의 압력으로 팽창될 수 있다. 구체적으로, 상기 천연 가스 스트림(12002)은 감압 후, 0.9 MPa 내지 2.3 MPa, 1.3 MPa 내지 2.1 MPa 또는 1.7 MPa 내지 2 MPa의 압력으로 팽창될 수 있다. 상기 천연 가스 스트림(12002)은 전술한 범위 내의 압력으로 팽창됨으로써, 비용을 절약할 수 있고, 후술하는 액체 터빈(12300)의 부하(load)를 감소시킬 수 있으며, 더 작은 크기의 액체 터빈(12300)을 사용하여도 높은 에너지 효율을 나타낼 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 천연 가스 팽창기(12200)에서 유출되는 천연 가스 스트림(12002)의 온도는 - 20℃ 내지 - 30℃일 수 있고, 구체적으로, - 23℃ 내지 - 28℃ 또는 - 25℃ 내지 - 27℃일 수 있다.
상기 액체 터빈(12300)은 상기 천연 가스 팽창기(12200)에서 유출되는 천연 가스 스트림(12002)를 감압하는 장치이다. 바람직하게는 상기 액체 터빈(12300)은 상기 천연 가스 팽창기(12200)에서 유출되는 천연 가스 스트림(12002)이 후술하는 제 2 열교환기(13200)를 통과하여 유출된 천연 가스 스트림(12003)을 감압하는 장치이다.
하나의 예시에서 상기 액체 터빈(12300)은 80% 내지 95%의 등 엔트로피 효율을 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 액체 터빈(12300)의 등 엔트로피 효율은 83% 내지 94%, 85% 내지 93%, 87% 내지 92% 또는 89% 내지 91%일 수 있다. 상기 액체 터빈(12300)이 전술한 범위 내의 등 엔트로피 효율을 가짐으로써, 상기 제 2 열교환기(13200)에서 유출되는 천연 가스 스트림(12003)을 감압할 수 있다.
상기 감압된 천연 가스 스트림(12003)은 상기 액체 터빈(12300)에 의해 팽창되어 천연 가스 스트림(12004)로 유입될 수 있다. 상기 액체 터빈(12300)에서 유출되는 천연 가스 스트림(12004)는 0.2 MPa 이하의 압력을 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 팽창된 천연 가스 스트림(12004)은 0.15 MPa 이하 또는 0.1 MPa 이하의 압력을 가질 수 있고, 상기 천연 가스 스트림(12004)의 압력의 하한은 0.05 MPa 이상일 수 있다. 상기 천연 가스 스트림(12004)은 전술한 범위 내의 압력으로 팽창됨으로써, 액화될 수 있다.
상기 천연 가스 스트림(12004)은 액체 상태의 천연 가스 및 기체 상태의 천연 가스를 90 내지 98:2 내지 10의 몰비율로 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 천연 가스 스트림(12004)은 액체 상태의 천연 가스 및 기체 상태의 천연 가스를 92 내지 97:3 내지 8 또는 94 내지 96:4 내지 6의 비율로 포함할 수 있다.
상기 기액 분리기(12400)는 천연 가스 스트림 내 천연 가스의 액체 분율을 높이기 위하여, 상기 액체 터빈(12300)에서 유출되는 천연 가스 스트림(12004)을 액체 상태의 천연 가스인 액화 천연 가스 및 기체 상태의 천연 가스인 플래시 가스로 분리하는 장치이다. 본 명세서에서, 플래시 가스는 액체 터빈(12300)에서 팽창 시 압력 강하에 의해 발생한 기체 상의 가스를 의미한다.
하나의 예시에서, 상기 기액 분리기(12400)는 액화 천연 가스 및 플래시 가스를 90 내지 98:2 내지 10의 몰비율로 분리할 수 있다. 구체적으로, 상기 기액 분리기(12400)는 액화 천연 가스 및 플래시 가스를 92 내지 97:3 내지 8 또는 94 내지 96:4 내지 6의 비율로 분리할 수 있다. 따라서, 상기 기액 분리기(12400)를 통과한 천연 가스 스트림(12005)은 액화 천연 가스를 약 100%의 액체 분율로 가질 수 있다.
상기 제 2 열교환기(13200)는 상기 천연 가스 팽창기(12200)에서 유출되는 천연 가스 스트림(12002), 상기 기액 분리기(12400)에서 분리된 플래시 가스를 포함하는 플래시 가스 스트림(12401) 및 상기 냉매 팽창기(11300)에서 유출되는 냉매 스트림(11011)을 열교환하는 장치이다.
구체적으로, 상기 제 2 열교환기(13200)에 유입된 천연 가스 스트림(12002)은 상기 제 2 열교환기(13200)에 유입된 냉매 스트림(11011)의 기화 잠열에 의해 액화될 수 있다. 상기 기화 잠열은 온도의 변화 없이 물질의 상태를 기화시키는데 사용되는 열을 의미한다.
하나의 예시에서, 상기 천연 가스 스트림(12002)은 상기 제 2 열교환기(13200)를 통과한 후, 천연 가스 스트림(12003)으로 유입되며, 상기 천연 가스 스트림(12003)은 액화되어, - 160℃ 내지 - 140℃의 온도를 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 제 2 열교환기(13200)에서 유출되는 상기 천연 가스 스트림(12003)의 온도는 - 157℃ 내지 - 145℃ 또는 - 155℃ 내지 - 150℃일 수 있다.
또한, 상기 제 2 열교환기(13200)에 유입되는 냉매 스트림(11011)은 상기 천연 가스 팽창기(12200)에서 유출되는 천연 가스 스트림(12002)의 열을 회수하는 기화 잠열에 의해 기화될 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 냉매 스트림(11011)은 상기 제 2 열교환기(13200)를 통과한 후, 냉매 스트림(11012)으로 유입되며, 상기 냉매 스트림(11012)은 기화되어, 20℃ 내지 30℃의 온도를 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 제 2 열교환기(13200)에서 유출되는 상기 냉매 스트림(11012)의 온도는 22℃ 내지 27℃ 또는 24℃ 내지 25℃일 수 있다.
상기 제 1 열교환기(13100)는 상기 압축 유닛에서 유출되는 냉매 스트림(11009), 상기 제 2 열교환기(13200)로부터 유출되는 플래시 가스 스트림(12402)과 냉매 스트림(11012)을 열교환시키는 장치이다.
구체적으로, 상기 제 1 열교환기(13100)에 유입된 냉매 스트림(11009)은 상기 제 2 열교환기(13200)에서 유출되는 플래시 가스 스트림(12402)과 냉매 스트림(11012)의 기화 잠열에 의해 액화될 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 냉매 스트림(11009)은 상기 제 1 열교환기(13100)를 통과한 후, 냉매 스트림(11010)으로 유입되며, 상기 냉매 스트림(11010)은 액화되어, - 60℃ 내지 - 5℃의 온도를 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 제 1 열교환기(13100)에서 유출되는 상기 냉매 스트림(11010)의 온도는 - 57℃ 내지 - 6℃, - 54℃ 내지 - 7℃ 또는 - 51℃ 내지 - 8℃일 수 있다.
또한, 상기 제 2 열교환기(13200)에서 기화되어 상기 제 1 열교환기(13100)로 유입되는 냉매 스트림(11012)은 상기 제 1 열교환기(13100)에 유입된 냉매 스트림(11009)의 열을 회수하는 기화 잠열에 의해 기화될 수 있다.
상기 플래시 가스는 상기 기액 분리기(12400)에서 분리되어 상기 제 2 열교환기(13200) 및 제 1 열교환기(13100)를 순차로 통과할 수 있다. 구체적으로, 상기 플래시 가스는 상기 기액 분리기(12400)에서 분리되어 플래시 가스 스트림(12401)으로 유입되고, 상기 플래시 가스 스트림(12401)은 상기 제 2 열교환기(13200)를 통과하여 플래시 가스 스트림(12402)으로 유입될 수 있다. 상기 플래시 가스 스트림(12402)은 상기 제 1 열교환기(13100)을 통과하여 플래시 가스 스트림(12403)으로 유입될 수 있다. 상기 플래시 가스는 상기 제 2 열교환기(13200) 및 상기 제 1 열교환기(13100)를 순차로 통과하여 상기 플래시 가스 스트림(12403)을 통해 플래시 가스 배출부(12600)를 통과하여 배출될 수 있다.
상기 배출된 플래시 가스는 다양하게 활용될 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 배출된 플래시 가스를 재액화시켜 액화 천연 가스로 제조될 수 있다. 예를 들어, 배출된 플래시 가스는 압축 유닛 및 열교환기를 이용한 공지의 증발 가스(boil-off gas) 재액화 방법과 동일하게 수행될 수 있다. 구체적으로, 상기 기액 분리기(12400)에서 분리된 플래시 가스를 추출하여 별도의 압축 장치에 의해 압력을 증가시키고 온도를 낮춘 다음, 상기 제 2 열교환기(13200) 및 제 1 열교환기(13100)를 순차로 통과시켜 배출함으로써, 액화 천연 가스로 재액화될 수 있다. 상기 배출된 플래시 가스를 재액화하여 활용함으로써, 에너지 효율을 높일 수 있고, 비용을 절감할 수 있다.
또 하나의 예시에서, 상기 배출된 플래시 가스는 연료로서 활용될 수 있다. 상기 연료는 본 출원의 천연 가스 액화 처리 장치의 천연 가스, 즉, 연료로서 재활용될 수 있고, 또한, 천연 가스 액화 처리 장치의 외부로 송출하여 천연 가스, 즉 연료로 판매 또는 활용될 수 있다. 예를 들어, 상기 기액 분리기(12400)에서 분리된 플래시 가스를 제 2 열교환기(13200)에 통과시켜 상기 제 2 열교환기(13200)에 유입된 천연 가스 스트림(12002)의 열을 회수하고, 상기 제 2 열교환기(13200)를 통과한 플래시 가스 스트림(12402)을 제 1 열교환기(13100)에 통과시켜 상기 제 1 열교환기(13100)에 유입된 냉매 스트림(11009)의 열을 회수한 후 배출된 플래시 가스는 연료로서 활용될 수 있다. 이때, 상기 배출된 플래시 가스의 온도는 20℃ 이상일 수 있고, 구체적으로, 23℃ 이상 또는 25℃ 이상일 수 있으며, 상기 온도의 상한은 35℃ 이하, 33℃ 이하 또는 30℃ 이하일 수 있다. 상기 배출된 플래시 가스가 전술한 범위 내의 온도를 가져 연료로서 활용됨으로써, 에너지 효율을 개선할 수 있고, 비용을 절감할 수 있다.
상기 천연 가스 액화 처리부는 상기 기액 분리기(12400)에서 분리된 액화 천연 가스가 저장되는 액화 천연 가스 저장부(12500)를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 기액 분리기(12400)에서 분리된 액화 천연 가스는 천연 가스 스트림(12005)을 통해 액화 천연 가스 저장부(12500)로 유입되어 약 100%의 액체 분율로 저장될 수 있다.
상기 냉매 순환부는 상기 제 1 열교환기(13100)에서 기화되어 상기 냉매 공급부(11100)로 유입되는 냉매 스트림(11013)을 더 포함할 수 있다. 상기 냉매 스트림(11013)이 상기 냉매 공급부(11100)로 유입됨으로써, 냉매가 순환하는 냉매 순환부를 형성할 수 있다. 본 출원의 천연 가스 액화 처리 장치는 냉매 순환부를 포함함으로써, 친환경적이고, 안전성이 우수할 뿐만 아니라, 높은 에너지 효율을 나타낼 수 있다.
본 출원의 천연 가스 액화 처리 장치는 친환경적이고, 안전성이 우수할 뿐만 아니라, 높은 에너지 효율을 나타낼 수 있다.
도 1은 실시예의 천연 가스 액화 처리 장치를 이용한 천연 가스 액화 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 비교예 1의 천연 가스 액화 처리 장치를 이용한 천연 가스 액화 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 비교예 2의 천연 가스 액화 처리 장치를 이용한 천연 가스 액화 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 비교예 4의 천연 가스 액화 처리 장치를 이용한 천연 가스 액화 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 수정된 좌표 하강(MCD) 알고리즘을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 비교예 4의 천연 가스 액화 처리 장치의 제 1 열교환기에 대한 온도-열유량 복합 곡선(THCC)을 나타낸 그래프이다.
도 7은 비교예 4의 천연 가스 액화 처리 장치의 제 1 열교환기에 대한 복합 곡선 간의 온도 차(TDCC)를 나타낸 그래프이다.
도 8은 비교예 4의 천연 가스 액화 처리 장치의 제 2 열교환기에 대한 온도-열유량 복합 곡선(THCC)을 나타낸 그래프이다.
도 9는 비교예 4의 천연 가스 액화 처리 장치의 제 2 열교환기에 대한 복합 곡선 간의 온도 차(TDCC)를 나타낸 그래프이다.
도 10은 비교예 4의 천연 가스 액화 처리 장치에서 사례 I의 제 1 열교환기에 대한 온도-열유량 복합 곡선(THCC)을 나타낸 그래프이다.
도 11은 비교예 4의 천연 가스 액화 처리 장치에서 사례 I의 제 1 열교환기에 대한 복합 곡선 간의 온도 차(TDCC)를 나타낸 그래프이다.
도 12는 비교예 4의 천연 가스 액화 처리 장치에서 사례 I의 제 2 열교환기에 대한 온도-열유량 복합 곡선(THCC)을 나타낸 그래프이다.
도 13은 비교예 4의 천연 가스 액화 처리 장치에서 사례 I의 제 2 열교환기에 대한 복합 곡선 간의 온도 차(TDCC)를 나타낸 그래프이다.
도 14는 실시예의 천연 가스 액화 처리 장치에서 사례 II의 제 1 열교환기에 대한 온도-열유량 복합 곡선(THCC)을 나타낸 그래프이다.
도 15는 실시예의 천연 가스 액화 처리 장치에서 사례 II의 제 1 열교환기에 대한 복합 곡선 간의 온도 차(TDCC)를 나타낸 그래프이다.
도 16은 실시예의 천연 가스 액화 처리 장치에서 사례 II의 제 2 열교환기에 대한 온도-열유량 복합 곡선(THCC)을 나타낸 그래프이다.
도 17은 실시예의 천연 가스 액화 처리 장치에서 사례 II의 제 2 열교환기에 대한 복합 곡선 간의 온도 차(TDCC)를 나타낸 그래프이다.
도 18은 천연 가스 팽창기의 토출 압력과 제 1 열교환기에 대한 복합 곡선 간의 온도 차(TDCC)를 나타낸 그래프이다.
도 19는 천연 가스 팽창기의 토출 압력과 제 2 열교환기에 대한 복합 곡선 간의 온도 차(TDCC)를 나타낸 그래프이다.
도 20은 실시예의 천연 가스 액화 처리 장치에서 사례 IV의 제 1 열교환기에 대한 온도-열유량 복합 곡선(THCC)을 나타낸 그래프이다.
도 21은 실시예의 천연 가스 액화 처리 장치에서 사례 IV의 제 1 열교환기에 대한 복합 곡선 간의 온도 차(TDCC)를 나타낸 그래프이다.
도 22는 실시예의 천연 가스 액화 처리 장치에서 사례 IV의 제 2 열교환기에 대한 온도-열유량 복합 곡선(THCC)을 나타낸 그래프이다.
도 23은 실시예의 천연 가스 액화 처리 장치에서 사례 IV의 제 2 열교환기에 대한 복합 곡선 간의 온도 차(TDCC)를 나타낸 그래프이다.
이하 실시예 및 비교예를 통하여 상기 기술한 내용을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 출원의 범위가 하기 제시된 내용에 의해 제한되는 것은 아니다.
- 기본 조건
천연 가스 공급 조건 천연 가스 조성(mol%)
물성 온도 압력 유량 질소 메탄 에탄 프로판 i-부탄 n-부탄
조건 30℃ 5 MPa 1 kmol/h 1 90 5 2 1 1
실시예
천연 가스 액화 처리 장치의 제조
도 1에 나타낸 바와 같이, 냉매 공급부(11100); 제 1 압축기(11211), 제 1 냉각기(11221), 제 2 압축기(11212), 제 2 냉각기(11222), 제 3 압축기(11213), 제 3 냉각기(11223), 제 4 압축기(11214) 및 제 4 냉각기(11224)를 순차로 구비한 압축 유닛; 제 1 열교환기(13100); 냉매 팽창기(11300); 제 2 열교환기(13200); 제 1 열교환기(13100); 및 냉매 공급부(11100)를 냉매 스트림(11001, 11002, 11003, 11004, 11005, 11006, 11007, 11008, 11009, 11010, 11011, 11012, 11013)을 통해 순차로 연결하여 냉매 순환부를 제조하였다.
또한, 천연 가스 공급부(12100), 천연 가스 팽창기(12200), 제 2 열교환기(13200), 액체 터빈(12300), 기액 분리기(12400) 및 액화 천연 가스 저장부(12500)를 천연 가스 스트림(12001, 12002, 12003, 12004, 12005)을 통해 순차로 연결하여 천연 가스 액화 처리부를 제조하였다.
또한, 상기 기액 분리기(12400)로부터, 제 2 열교환기(13200), 제 1 열교환기(13100) 및 플래시 가스 배출부(12600)를 플래시 가스 스트림(12401, 12402, 12403)을 통해 순차로 연결하였다.
이를 통해, 천연 가스 액화 처리 장치를 제조하였다.
천연 가스 액화 처리 방법
도 1에 나타낸 바와 같이, 상기 실시예에서 제조된 천연 가스 액화 처리 장치를 이용하여, 30℃의 외부 온도 하에, 냉매 공급부(11100)에서 냉매로서, 질소(N2)를 질소/천연가스(mol)=4.75/1의 유량으로 냉매 스트림(11001)으로 공급하였다. 또한, 천연 가스 공급부(12100)에서 천연 가스를 상기 표 1에 나타낸 천연 가스 조성 및 천연 가스 공급 조건에 따라 천연 가스 스트림(12001)으로 공급하였다. 이때, 상기 냉매 스트림(11001)은 온도가 26.95℃이고, 압력이 0.93 MPa였다. 또한, 상기 천연 가스 스트림(12001)은 온도가 30℃이고, 압력이 5 MPa였다.
상기 냉매 스트림(11001)을 1.63 MPa의 압력 및 80%의 등 엔트로피 효율을 가지는 제 1 압축기(11201)를 통과시켜 압축한 후, 냉매 스트림(11002)으로 유입하였다. 이때, 상기 냉매 스트림(11002)은 온도가 91.89℃이고, 압력이 1.631 MPa였다. 상기 냉매 스트림(11002)으로 유입된 냉매는 20℃의 물을 포함하는 제 1 냉각기(11301)를 통과시켜 냉각한 후, 냉매 스트림(11003)으로 유입하였다. 이때, 상기 냉매 스트림(11003)은 온도가 30℃이고, 압력이 1.631 MPa였다. 상기 냉각된 냉매 스트림(11003)은 제 2 압축기(11212)를 통해 압축한 후, 냉매 스트림(11004)으로 유입하였다. 이때, 상기 냉매 스트림(11004)은 온도가 95.69℃이고, 압력이 2.861 MPa였다. 상기 압축된 냉매 스트림(11004)은 제 2 냉각기(11222)를 통해 냉각한 후, 냉매 스트림(11005)으로 유입하였다. 이때, 상기 냉매 스트림(11005)은 온도가 30℃이고, 압력이 2.861 MPa였다. 상기 냉각된 냉매 스트림(11005)은 제 3 압축기(11213)를 통해 압축한 후, 냉매 스트림(11006)으로 유입하였다. 이때, 상기 냉매 스트림(11006)은 온도가 95.86℃이고, 압력이 5.017 MPa였다. 상기 압축된 냉매 스트림(11006)은 제 3 냉각기(11223)를 통해 냉각한 후, 냉매 스트림(11007)으로 유입하였다. 이때, 상기 냉매 스트림(11007)은 온도가 30℃이고, 압력이 5.017 MPa였다. 상기 냉각된 냉매 스트림(11007)은 제 4 압축기(11214)를 통해 압축한 후, 냉매 스트림(11008)으로 유입하였다. 이때, 상기 냉매 스트림(11008)은 온도가 96.03℃이고, 압력이 8.8 MPa였다. 상기 압축된 냉매 스트림(11008)은 제 4 냉각기(11224)를 통해 냉각한 후, 냉매 스트림(11009)으로 유입하였다. 이때, 상기 냉매 스트림(11009)은 온도가 30℃이고, 압력이 8.8 MPa였다. 이때, 상기 제 2 압축기(11212), 상기 제 3 압축기(11213) 및 상기 제 4 압축기(11214)는 상기 제 1 압축기(11211)와 동일한 조건을 갖고, 상기 제 2 냉각기(11222), 상기 제 3 냉각기(11223) 및 상기 제 4 냉각기(11224)는 상기 제 1 냉각기(11221)과 동일한 조건을 가진다.
이후, 상기 제 1 압축기(11211), 상기 제 2 압축기(11212), 상기 제 3 압축기(11213) 및 상기 제 4 압축기(11214); 및 상기 1 냉각기(11221), 상기 제 2 냉각기(11222), 상기 제 3 냉각기(11223) 및 상기 제 4 냉각기(11224)를 포함하는 압축 유닛에서 유출되는 냉매 스트림(11009)은 최소 내부 진입 온도(MITA)가 3℃인 제 1 열교환기(13100)를 통과한 후, 냉매 스트림(11010)으로 유입되었다. 이때, 상기 냉매 스트림(11010)은 온도가 - 48.4℃이고, 압력이 8.8 MPa였다.
이후, 상기 제 1 열교환기(13100)에서 유출되는 냉매 스트림(11010)은 냉매 팽창기(11300)를 통해 감압한 후, 냉매 스트림(11011)으로 유입하였다. 이때, 상기 냉매 스트림(11011)은 온도가 - 64.84℃이고, 압력이 0.93 MPa였다.
이후, 상기 냉매 스트림(11011)은 최소 내부 진입 온도(MITA)가 3℃인 제 2 열교환기(13200)를 통과한 후, 냉매 스트림(11012)으로 유입되었다. 이때, 상기 냉매 스트림(11012)은 온도가 24.04℃이고, 압력이 0.93 MPa였다.
이후, 상기 냉매 스트림(11012)은 제 1 열교환기(13100)로 재 유입하여 통과한 후, 냉매 스트림(11013)으로 유입되었다. 이때, 상기 냉매 스트림(11013)은 온도가 26.95℃이고, 압력이 0.93 MPa였다.
상기 유입된 냉매 스트림(11013)은 냉매 공급부(11100)에 유입시켜 냉매를 순환시켰다.
또한, 상기 천연 가스 공급부(12100)에서 공급된 천연 가스 스트림(12001)은 천연 가스 팽창기(12200)를 통과하여 감압된 후, 천연 가스 스트림(12002)으로 유입되었다. 이때, 상기 천연 가스 스트림(12002)은 온도가 - 25.82℃이고, 압력이 1.9 MPa였다.
이후, 상기 천연 가스 스트림(12002)은 상기 제 2 열교환기(13200)를 통과한 후, 천연 가스 스트림(12003)으로 유입되었다. 이때, 상기 천연 가스 스트림(12003)은 상기 제 2 열교환기(13200)에서, 상기 냉매 스트림(11011)의 기화 잠열에 의해 냉각되어, 온도가 - 144.6℃이고, 압력이 1.9 MPa였다.
이후, 상기 천연 가스 스트림(12003)은 90%의 등 엔트로피 효율을 갖는 액체 터빈(12300)을 통과하여 감압된 후, 천연 가스 스트림(12004)으로 유입되었다. 이때, 상기 천연 가스 스트림(12004)은 온도가 - 152.7℃이고, 압력이 0.2 MPa였으며, 상기 천연 가스 스트림(12003) 대비 액체 분율을 3% 증가시켰다. 또한, 상기 천연 가스 스트림(12004)은 95:5(mol%)의 비율로 액체 상태의 천연 가스 및 기체 상태의 천연 가스를 갖는다.
상기 액체 터빈(12300)에서 유출되는 천연 가스 스트림(12004)은 기액 분리기(12400)를 통과하여 액체 상태의 액화 천연 가스 및 기체 상태의 플래시 가스를 95:5(mol%)로 분리되었다. 상기 액화 천연 가스는 천연 가스 스트림(12005)으로 유입되었고, 상기 플래시 가스는 플래시 가스 스트림(12401)으로 유입되었다. 이때, 상기 천연 가스 스트림(12005)은 온도가 - 152.7℃이고, 압력이 0.2 MPa였다. 이때, 상기 플래시 가스 스트림(12401)은 온도가 27℃이고, 압력이 0.2 MPa였다.
이후, 상기 기액 분리기(12400)에서 분리된 액화 천연 가스는 천연 가스 스트림(12005)을 통해 액화 천연 가스 저장부(12500)로 유입되어 약 100%의 액체 분율로 저장되었다.
또한, 상기 플래시 가스 스트림(12401)은 상기 제 2 열교환기(13200) 및 제 1 열교환기(13100)를 순차로 통과하여 플래시 가스 스트림(12403)으로 유입시켜 배출하였다.
비교예 1
천연 가스 액화 처리 장치의 제조
도 2에 나타낸 바와 같이, 냉매 공급부(21100); 제 1 압축기(21211), 제 1 냉각기(21221), 제 2 압축기(21212), 제 2 냉각기(21222), 제 3 압축기(21213), 제 3 냉각기(21223), 제 4 압축기(21214) 및 제 4 냉각기(21224)를 순차로 구비한 압축 유닛; 제 1 열교환기(23100); 냉매 팽창기(21300); 제 1 열교환기(23100); 및 냉매 공급부(21100)를 냉매 스트림(21001, 21002, 21003, 21004, 21005, 21006, 21007, 21008, 21009, 21010, 21011, 21012)을 통해 순차로 연결하여 냉매 순환부를 제조하였다.
또한, 천연 가스 공급부(22100), 제 1 열교환기(23100), 밸브(22200), 기액 분리기(22300) 및 천연 가스 저장부(22400)를 천연 가스 스트림(22001, 22002, 22003, 22004)을 통해 순차로 연결하여 천연 가스 액화 처리부를 제조하였다.
또한, 상기 기액 분리기(22300)로부터, 플래시 가스 배출부(22500)를 플래시 가스 스트림(22301)을 통해 연결하였다.
이를 통해, 천연 가스 액화 처리 장치를 제조하였다.
천연 가스 액화 처리 방법
도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 표 1에 나타낸 천연 가스 조성 및 천연 가스 공급 조건을 사용하고, 하나의 냉매 팽창기(21300)를 구비한 상기 비교예 1의 천연 가스 액화 처리 장치를 이용하여 천연 가스 액화 처리 방법을 수행하였다. 또한 실시예의 천연 가스 액화 처리 장치를 이용한 천연 가스 액화 처리 방법과 동일한 조건과 가정을 수행하였다.
비교예 2
천연 가스 액화 처리 장치의 제조
도 3에 나타낸 바와 같이, 냉매 공급부(31100); 제 1 압축기(31211), 제 1 냉각기(31221), 제 2 압축기(31212), 제 2 냉각기(31222), 제 3 압축기(31213), 제 3 냉각기(31223), 제 4 압축기(31214) 및 제 4 냉각기(31224)를 순차로 구비한 압축 유닛; 제 1 열교환기(33100); 제 2 열교환기(33200); 냉매 팽창기(31300); 제 2 열교환기(33200); 및 냉매 공급부(31100)를 냉매 스트림(31001, 31002, 31003, 31004, 31005, 31006, 31007, 31008, 31009, 31010, 31011, 31012, 31013)을 통해 순차로 연결하여 냉매 순환부를 제조하였다.
또한, 천연 가스 공급부(32100), 제 1 열교환기(33100), 제 2 열교환기(33200), 밸브(32200), 기액 분리기(32300) 및 천연 가스 저장부(32400)를 천연 가스 스트림(32001, 32002, 32003, 32004, 32005)을 통해 순차로 연결하여 천연 가스 액화 처리부를 제조하였다.
또한, 상기 기액 분리기(32300)로부터, 플래시 가스 배출부(32500)를 플래시 가스 스트림(32301)을 통해 연결하였다.
또한, 프로판 공급부(미도시); 제 1 압축기(34111), 제 1 냉각기(34121), 제 2 압축기(34112) 및 제 2 냉각기(34122)를 순차로 구비한 압축 유닛; 밸브(34200); 상기 제 1 열교환기(33100); 및 프로판 공급부를 프로판 스트림(34001, 34002, 34003, 34004, 34005, 34006)으로 연결하여 사전 냉각 순환부를 제조하였다.
이를 통해, 천연 가스 액화 처리 장치를 제조하였다.
천연 가스 액화 처리 방법
도 3에 나타낸 바와 같이, 상기 표 1에 나타낸 천연 가스 조성 및 천연 가스 공급 조건을 사용하고, 상기 비교예 2의 천연 가스 액화 처리 장치를 이용하여 천연 가스 액화 처리 방법을 수행하였다. 또한 실시예의 천연 가스 액화 처리 장치를 이용한 천연 가스 액화 처리 방법과 동일한 조건과 가정을 수행하였다.
비교예 3
천연 가스 액화 처리 장치의 제조
프로판 공급부 대신 이산화탄소 공급부를 사용하고, 프로판 스트림(33001, 33002, 33003, 33004, 33005, 33006) 대신 이산화탄소 스트림을 사용한 것을 제외하고, 비교예 2와 동일한 방법으로 천연 가스 액화 처리 장치를 제조하였다.
천연 가스 액화 처리 방법
상기 비교예 3의 천연 가스 액화 처리 장치를 이용하여 사전 냉각 순환부에서 프로판 대신 이산화탄소를 공급한 것을 제외하고, 비교예 2와 동일한 방법으로 천연 가스 액화 처리 방법을 수행하였다.
비교예 4
천연 가스 액화 처리 장치의 제조
도 4에 나타낸 바와 같이, 냉매 공급부(41100); 제 1 열교환기(43100); 냉매 팽창기(41300); 제 2 열교환기(43200); 제 1 열교환기(43100); 및 제 1 압축기(41211) 및 제 1 냉각기(41221)를 순차로 구비한 압축 유닛을 냉매 스트림(41001, 41002, 41003, 41004, 41005, 41006, 41007)을 통해 순차로 연결하여 냉매 순환부를 제조하였다.
또한, 천연 가스 공급부(42100), 제 2 열교환기(43200) 및 천연 가스 저장부(42200)를 천연 가스 스트림(42001, 42002)을 통해 순차로 연결하여 천연 가스 액화 처리부를 제조하였다.
이를 통해, 천연 가스 액화 처리 장치를 제조하였다.
천연 가스 액화 처리 방법
도 4에 나타낸 바와 같이, 상기 표 1에 나타낸 천연 가스 조성 및 천연 가스 공급 조건을 사용하고, 상기 비교예 4의 천연 가스 액화 처리 장치를 이용하여 천연 가스 액화 처리 방법을 수행하였다. 또한 실시예의 천연 가스 액화 처리 장치를 이용한 천연 가스 액화 처리 방법과 동일한 조건과 가정을 수행하였다.
실험예 . 냉매를 이용한 천연 가스 액화 처리 평가
1) 공정 시뮬레이션
공지된 상용 시뮬레이터인 ASPEN HYSYS v9 소프트웨어를 사용하여 실시예의 천연 가스 액화 처리 장치를 이용한 천연 가스 액화 처리 방법을 시뮬레이션하였다. 실시예의 천연 가스 액화 처리 장치를 이용한 천연 가스 액화 처리 방법의 시뮬레이션은 Lee-Kesler 방정식의 옵션이있는 Peng-Robinson 유체 패키지를 통해 수행하였다. Lee-Kesler 모델은 특히 고압에서 가스에 대해 가장 정확한 엔탈피 모델이라는 것을 조사하였다.
또한, 프로판 사전 냉각된 N2-CH4 팽창 천연 가스 액화 처리 방법과 정확하게 비교하기 위해, 다음과 같은 모델링 가정이 이루어졌다.
- 환경에 미치는 열 손실은 무시하였다.
- 각 압축기 및 팽창기의 등 엔트로피 효율: 각각 80 % 및 85 %
- 냉각기에서의 냉각 매체: 20℃의 물
- 각 냉각기 및 열교환기의 압력 강하: 무시
- 플래시 가스 드럼의 압력: 0.2 MPa
- 제 1 열교환기 및 제 2 열교환기 최소 내부 진입 온도(MITA): 3℃
2) 공정 설명
일반적으로, 사전 냉각을 필요로 하지 않는 비교예 1의 천연 가스 액화 처리 장치를 이용한 천연 가스 액화 방법은 천연 가스의 액화를 위해 단 하나의 냉매 루프만 필요로 한다. 이 루프는 주로 중간 단열 냉각 및 등 엔트로피 확장을 갖춘 다단 압축으로 구성된다. 등 엔트로피 팽창을 이용한 비교예 1의 천연 가스 액화 처리 장치를 이용한 천연 가스 액화 방법의 주요 이점은 냉매의 재 압축을 위해 통합될 수 있는 추가 에너지(또는 유용한 축 작업)를 생산한다는 것이다.
도 2는 비교예 1의 천연 가스 액화 처리 장치를 이용한 천연 가스 액화 방법을 개략적으로 나타낸다. 도 3의 비교예 2 및 비교예 3의 천연 가스 액화 처리 장치를 이용한 천연 가스 액화 방법과 같이 프로판 또는 이산화탄소를 이용한 사전 냉각 순환부를 도입함으로써 이 공정의 에너지 효율을 향상시킬 수 있다. 사전 냉각 순환부는 온도 구배를 줄임으로써 제 1 열교환기(31300)에서의 엑서지 손실을 최소화하였다. 사전 냉각 순환부를 이용한 비교예 2 및 비교예 3의 천연 가스 액화 처리 장치를 이용한 천연 가스 액화 방법과 비교하여, 실시예의 천연 가스 액화 처리 장치를 이용한 천연 가스 액화 방법은 폐루프 자체 냉각 회수를 이용한다.
도 1은 실시예의 천연 가스 액화 처리 장치를 이용한 천연 가스 액화 방법을 개략적으로 나타낸다. 실시예의 천연 가스 액화 처리 장치를 이용한 천연 가스 액화 방법은 등 엔탈피가 아닌 등 엔트로피 팽창에 기초한 천연 가스 액화 처리부 및 단일 냉매 순환부의 두 가지 주요 부분으로 구성된다. 상기 표 1의 조건 하에서 공급된 천연 가스는 천연 가스 팽창기(12200)를 사용하여 1.8 MPa로 팽창되었다. 공급된 천연 가스는 회수된 축 작업 에너지로 터보 팽창 후, - 69℃를 나타냈다. 그 다음 천연 가스는 제 2 열교환기(13200)를 통과한 후, 약 - 153℃의 온도로 액화되었다. 이후, 액화된 천연 가스는 90%의 등 엔트로피 효율의 액체 터빈(12300)을 통과하여, 0.2 MPa의 저장 탱크/용기 압력으로 낮아졌다. 이후, 천연 가스 스트림(12004)은 95% 액화 비율 및 5% 플래시 가스(FG) 비율로 천연 가스를 얻었다. 상기 플래시 가스는 냉각 에너지를 포함하고, 플래시 가스 스트림을 통해 제 2 열교환기(13200) 및 제 1 열교환기(13100)을 통과하여 에너지를 회수하였다. 플래시 가스의 재액화는 액화 천연 가스의 생산량을 증가시키는 또 다른 옵션이다.
냉매 순환부에서 냉매 스트림(11001)은 압축기(11211, 11212, 11213, 11214) 및 냉각기(11221, 11222, 11223, 11224)를 넷씩 구비한 압축 유닛을 통과한다. 냉매 스트림(11009)은 제 1 열교환기(13100)에 의해 - 75℃의 설정 온도로 냉각되었다. 냉매 스트림(11010)은 냉매 팽창기(11300)를 통해 1.08 MPa로 감압되었고, 제 1 열교환기(13100) 및 제 2 열교환기(13200)에 대한 냉각 에너지가 생성되어 완전 자체 냉각식 냉매 순환부를 달성하였다.
3) 공정 최적화
엄청난 양의 에너지는 최적이 아닌 설계 및 운영 변수로 인해 손실 될 수 있으며 공정의 낮은 에너지 효율을 나타낸다. 주어진 구조물에 대한 천연 가스 액화 처리 방법의 에너지 효율은 적절한 최적화만으로 크게 개선될 수 있다. 새로운 장치를 교체하거나 추가하여 기존의 천연 가스 액화 처리 방법을 수정하면 전체 천연 가스 액화 처리 방법의 최적 작동 조건을 변경할 수 있다. 따라서, 잠재적인 이익을 최대로 극대화하기 위해 새로운 천연 가스 액화 처리 방법의 설계에 있어 엄격한 최적화가 필수적이다.
실시예의 천연 가스 액화 처리 장치를 이용한 천연 가스 액화 처리 방법의 성능은 천연 가스 부스팅 압력, 천연 가스 팽창 압력, 냉매 유량, 냉매 자체 냉각 회수 온도, 냉매 압력 등과 같은 주요 설계 변수에 의해 영향을 받을 수 있다. 이러한 변수는 천연 가스 액화에 필요한 에너지를 최소화하기 위해 설계 변수로서 최적화될 필요가 있다. 이러한 결정 변수의 상한 및 하한을 하기 표 2에 나타내었다.
결정 변수 하한 상한
냉매의 고압(냉매 스트림(11008)), P11008 (MPa) 6 12
냉매의 저압(냉매 스트림(11011)), P11011 (MPa) 0.3 1
냉매의 유량(냉매 스트림(11001)),
Figure 112018082707366-pat00001
(kmol/h)		 2.5 6.0
열회수 온도(냉매 스트림(11010)), T11010 (℃) - 60.0 - 5.0
공급된 천연 가스의 팽창 압력(천연 가스 스트림(12002)), P12002 (MPa) 0.5 2.5
실시예의 천연 가스 액화 처리 장치를 이용한 천연 가스 액화 처리 방법의 최소 에너지 요구량은 제 1 열교환기 및 제 2 열교환기 모두에서 3℃의 최소 내부 진입 온도(MITA) 값을 제한된 목적 함수로 선택되었다. 천연 가스 액화 처리 방법의 목적 함수를 하기 수학식 1로 나타내었다.
[수학식 1]
min f(X) = min
Figure 112018082707366-pat00002
)
대상:
Figure 112018082707366-pat00003
액체 분율 > 0.9
1 < 압력 비율 < 3
Xlb < X < Xub
상기 X는 결정 변수의 벡터이며, X= (P11008, P11011, P12002, P11010,
Figure 112018082707366-pat00004
).
제한된 목적 함수와 주요 결정 변수 간의 비선형 상호 작용은 시판중인 공정 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 이 시스템을 최적화하는 것을 어렵게 만든다. 따라서 ASPEN HYSYS를 사용하여 구현된 공정 모델에 외부 최적화 기술을 접목시켰다. 실시예의 천연 가스 액화 처리 장치를 이용한 천연 가스 액화 처리 방법을 최적화하기 위하여 수정된 좌표 하강(MCD) 알고리즘을 사용하였다. MCD 알고리즘은 하나의 좌표를 따라 목적 함수를 최소화함으로써 다 변수 함수의 최적화에 기반하였다. 좌표 하강(CD) 방법보다 MCD의 가장 큰 장점은 효율성이 높다는 것이다. MCD는 튜닝 매개 변수가 적고 구현이 쉽기 때문에 비선형 및 상호 작용하는 최적화 문제를 해결하는데 가장 좋은 옵션 중 하나이다.
도 5는 수정된 좌표 하강(MCD) 알고리즘을 개략적으로 나타낸다. MCD 알고리즘은 마이크로소프트 비주얼 스튜디오(MVS, Microsoft Visual Studio)로 코딩되었고, COM 기능을 사용하여 ASPEN HYSYS v9에 연결되었다.
MCD 방법은 결정 변수에 대한 임의의 값을 시작 값으로 선택하는 것에서 시작한다. 시작점 영역에서 검색 방향을 결정하기 위해 각 좌표 방향에 매우 작은 단계 크기(Δxi)가 부과되었다. 이 작은 단계 크기와 시작점을 사용하여, 패턴 검색과 비슷한 단계가 기준점을 찾는데 사용되었다. 기준점을 얻은 후에, 목적 함수를 최소화하기 위해 개별적으로 각 좌표를 통해 순환 반복을 수행하였다. 그라디언트 하강에 해당하는 하강 방향을 찾기 위해 다른 방향/좌표의 반복을 주기적으로 수행하였다. X0에서 X1으로, m(X0) ≥ m(X1)에서 새로운 해결책의 업데이트는 모든 방향에서 라인 검색을 수행함으로써 획득하였다.
그런 다음 X1을 새로운 시작점으로 채택하여 X1 주변의 좁은 공간에서 좌표 하강 검색을 수행하여 보다 유망한 해결책을 찾았다. 국부적으로 최적화된 해결책을 획득한 후에, 예를 들어, f(X1)의 업데이트로 f(X'1), X'1(rand, 2, 3...n)의 첫 번째 좌표는 나머지가 이전 값으로 고정된 채로 남아있는 동안 임의화되었다. 새로운 시작점으로 X'1(rand, 2, 3...n)을 사용하여 좌표 강하 검색을 수행한 다음 새로운 최적화 해결책인 X'2를 획득하기 위하여, X2 주변의 최적 공간을 탐색하였다. 이 반복에 대해 X'2(1, rand, 2, 3...n)의 두번째 좌표가 무작위화 되었고, 후속 검색 이동이 그 부근에서 이루어졌다. 이 방법에서 많은 국부적으로 최적화된 해결책을 얻을 수 있었다. 최적화 작업의 중지 기준은
Figure 112018082707366-pat00005
로 선택되었다. 상기 FunTol은 허용 한계를 의미한다.
4) 공정 분석
도 6 및 도 7은 각각 비교예 4의 천연 가스 액화 처리 장치의 제 1 열교환기에 대한 복합 곡선과 온도 프로파일을 나타낸다.
도 8 및 도 9는 각각 비교예 4의 천연 가스 액화 처리 장치의 제 2 열교환기에 대한 복합 곡선과 온도 프로파일을 나타낸다.
복합 곡선들 사이의 큰 차이는 제 2 열교환기의 엑서지 손실을 줄임으로써 실시예의 천연 가스 액화 처리 장치의 이점이 더 향상될 수 있음을 나타낸다. 적절한 최적화 기술을 사용하고 천연 가스 스트림에서 에너지를 회수함으로써, 이러한 엑서지 손실을 줄일 수 있다. 또한, 각 단계의 에너지 효율을 향상시키기 위한 개별 효과를 분석하기 위해 실시예의 천연 가스 액화 처리 장치를 이용한 최적화 결과를 다음과 같이 네 가지 사례 중 하나로 분류하였다.
(1) 사례 I. 비교예 4의 천연 가스 액화 처리 장치를 이용한 천연 가스 액화 처리 방법의 수정된 좌표 하강(MCD, modified coordinate descent) 기반 최적화
(2) 사례 II. 수정된 좌표 하강(MCD, modified coordinate descent) 기반 최적화와 함께 플래시 가스 사용의 효과
(3) 사례 III. 수정된 좌표 하강(MCD, modified coordinate descent) 기반 최적화와 함께 액체 터빈 사용의 효과
(4) 사례 IV. 수정된 좌표 하강(MCD, modified coordinate descent) 기반 최적화와 함께 천연 가스 팽창기 사용의 효과
- 사례 I: 비교예 4의 천연 가스 액화 처리 장치를 이용한 천연 가스 액화 처리 방법의 수정된 좌표 하강( MCD , modified coordinate descent) 기반 최적화
비교예 4의 천연 가스 액화 처리 장치를 이용한 천연 가스 액화 처리 방법에서 제 1 열교환기의 복합 곡선들은 서로간에 상당한 차이가 있다. 이러한 차이는 주요 결정 변수의 비 최적 값으로 인한 엑서지 손실을 나타내며, 공정의 전체 엑서지 효율에 영향을 미치는 최적 값을 검색하여 최소화할 수 있다. 비교예 4의 천연 가스 액화 처리 장치를 이용한 천연 가스 액화 처리 방법에서의 조건 하에서 경제적인 열전달을 위해 요구되는 MITA는 제 1 열교환기에 의해 충족되지 않았다. 그러나, 도 10 및 도 11에 나타낸 바와 같이, 비교예 4의 천연 가스 액화 처리 장치를 이용한 천연 가스 액화 처리 방법의 최적화 후, 10℃ 내지 30℃의 온도 범위에서 MITA 값을 만족하였다.
도 12 및 도 13에 나타낸 비교예 4의 천연 가스 액화 처리 장치를 이용한 천연 가스 액화 처리 방법에서 사례 I의 제 2 열교환기의 최적화된 복합 곡선은 도 8 및 도 9에 나타낸 비교예 4의 천연 가스 액화 처리 장치를 이용한 천연 가스 액화 처리 방법의 복합 곡선에 비해 서로 가깝다. 도 10 및 도 11과, 도 12 및 도 13의 고온 및 저온 복합 곡선이 가깝게 매칭됨으로써, 비교예 4의 천연 가스 액화 처리 장치를 이용한 천연 가스 액화 처리 방법에 비해 전체 에너지의 14.2%가 절약될 수 있음을 나타내었다. 즉, 사례 I의 경우 비교예 4의 천연 가스 액화 처리 장치를 이용한 천연 가스 액화 처리 방법과 상당한 차이가 존재하므로, 에너지 효율이 더 향상되는 것을 확인하였다. 비교예 4의 천연 가스 액화 처리 장치를 이용한 천연 가스 액화 처리 방법의 제 2 열교환기의 복합 곡선 사이에서도 마찬가지로, 도 12 및 도 13에 나타낸 바와 같이 - 45℃와 - 85℃ 사이의 온도 범위의 차가운 측면 모서리에서만 3℃의 제한 MITA 값에 가까웠다.
매개 변수 비교예 4의 천연 가스 액화 처리 장치 비교예 4의 천연 가스 액화 처리 장치의 Case I 실시예의 천연 가스 액화 처리 장치의 Case II 실시예의 천연 가스 액화 처리 장치의 Case III 실시예의 천연 가스 액화 처리 장치의 Case IV
결정 변수
냉매의 고압(냉매 스트림(11008)), P11008 (MPa) 10.2 10 9 10.5 8.8
냉매의 저압(냉매 스트림(11011)), P11011 (MPa) 0.6 0.5 0.5 0.54 0.93
냉매의 유량(냉매 스트림(11001)),
Figure 112018082707366-pat00006
(kmol/h)		 4.46 3.72 3.79 3.67 4.75
열회수 온도(냉매 스트림(11010)), T11010 (℃) - 28 - 8.6 - 15 - 10 - 48.4
공급된 천연 가스의 팽창 압력(천연 가스 스트림(12002)), P12002 (MPa) - - - - 1.9
제한
MITA-1, ΔT1 (℃) 9.8 3 3 3 3
MITA-2, ΔT2 (℃) 9.1 3 3 3 3
액체 분율 0.92 0.92 0.92 0.95 0.95
압력 비율 2.03 2.12 2.06 2.1 1.75
목적 함수
특정 압축력 (kWh/kmol) 8.58 7.36 7.23 7.17 6.68
비교예 4의 천연 가스 액화 처리 장치 대비 에너지 절감(%) 0 14.2 15.7 16.4 22.2
- 사례 II: 수정된 좌표 하강( MCD , modified coordinate descent) 기반 최적화와 함께 플래시 가스 사용의 효과
과냉각된 액체로서의 액화 천연 가스(LNG)는 고압, 즉 2 MPa 내지 6 MPa 및 매우 낮은 온도, 즉 - 130℃ 내지 - 150℃에서 획득된다. 경제적이고 실현 가능한 수송을 위해, 상기 고압은 줄-톰슨 방식의 밸브를 이용한 등 엔탈피를 통해 대기압보다 약간 높은 압력, 즉 0.15 MPa 내지 0.25 MPa로 감소되었다. 상기 과냉각된 액화 천연 가스의 이러한 감압 동안, 액화 천연 가스의 일부 분획은 냉각 팽창보다는 증발 팽창으로 인해 "플래시 가스(flash gas, FG)"라 불리는 증기가 되었다. 일반적으로 플래시 가스(FG)의 비율은 경제적인 문제로 인해 10% 미만으로 유지하였다. 최적의 FG 처리/활용에 적용할 수 있는 두 가지 전략이 있다.
(1) 플래시 가스( FG ) 재액화
FG는 압축 유닛과 열교환기가 구비된 증발 가스(boil-off gas, BOG) 재액화와 동일한 시스템을 사용하여 재액화할 수 있다. FG와 BOG 사이의 압력 차는 그렇게 크지 않다. FG는 LNG 생성물의 온도와 0.15 MPa 내지 0.25 MPa의 압력과 동등하지만, BOG는 저장 온도 및 대기압보다 약간 높은 온도 및 압력이 된다. 일반적인 BOG 재액화 시스템의 경우, BOG가 압축 유닛으로 도입되어 0.35 MPa에서 0.45 MPa로 압력이 증가하고, - 55℃에서 -65℃로 온도가 낮아졌다.
그런 다음 상기 BOG를 제 1 열교환기에 통과시켜 온도를 - 160℃로 낮추었다. 이 과정을 통해 BOG를 다시 LNG로 변환하고, 응축할 수 없는 물질을 모두 제거한 후 액화 천연 가스 저장부로 다시 보낼 수 있다. 이러한 방식에 의해 BOG의 재액화는 다른 방법을 통해 달성되지 않는 LNG 조성 유지를 도울 수 있는 것을 확인하였다. FG의 재액화에도 상기 BOG와 유사한 재액화 방법을 사용할 수 있으며, 이는 액화 천연 가스 저장부의 LNG성분 유지에 사용될 수 있다.
(2) 연료로의 활용
높은 효율의 연료로 활용하기 위하여, FG의 온도는 20℃보다 높아야 한다. 연료로 활용하기 위해 실시예의 천연 가스 액화 처리 장치를 이용한 천연 가스 액화 처리 방법에서 FG 온도는 27℃로 증가시켰다. 제 2 열교환기 및 제 1 열교환기에서 플래시 가스 스트림의 냉각 에너지를 회수하였다. 이것은 또한 상기 표 3에서와 같이 천연 가스 액화 처리 방법의 에너지 효율을 개선시켰다. 사례 II의 경우, 사례 I에 비해 에너지 효율성이 1.5% 향상되었고, 비교예 4의 천연 가스 액화 처리 장치를 이용한 천연 가스 액화 처리 방법과 비교하여 최대 15.7%까지 총 에너지를 절약하였다. FG 활용을 통한 에너지 절약은 5 %로 가정한 FG 생산율에 의존하였다. FG 냉각 에너지의 활용 후에, 천연 가스 액화 처리 방법은 수정된 좌표 하강(MCD) 최적화를 사용하여 다시 최적화하였다. 도 14 및 도 15는 각각 실시예의 천연 가스 액화 처리 장치를 이용한 천연 가스 액화 처리 방법의 제 1 열교환기에서 FG의 냉각 잠재력을 사용할 때, 상기 제 1 열교환기의 최적화된 온도 프로파일과 복합 곡선을 나타낸다. 도 16 및 16은 각각 제 2 열교환기의 온도 프로파일과 복합 곡선을 나타낸다. 연료로서의 FG 활용은 FG 재액화보다 경제적임을 확인하였다.
- 사례 III: 수정된 좌표 하강( MCD , modified coordinate descent) 기반 최적화와 함께 액체 터빈 사용의 효과
통상적으로, 용이하고, 경제적으로 운송하기 위하여, 액화 천연 가스 스트림의 압력을 줄일 수 있는 줄-톰슨(Joule-Thompson, JT) 밸브를 사용하였다. 상기 줄-톰슨 밸브는 단순하고 낮은 초기 비용 및 유지 보수 비용과 같은 많은 실질적인 이점으로 인해 혼합 냉매를 이용한 냉매 순환부에서 가장 널리 사용되는 팽창 장치이다. 그러나, 열역학적 관점에서 줄-톰슨 밸브를 통해 발생하는 팽창 과정은 본질적으로 등엔탈피 공정을 수반하기 때문에 낮은 팽창 효율이라는 고유한 한계를 나타낸다. 액체 터빈의 최근 기술적 진보로 인해 줄-톰슨 밸브를 극저온 전력 회수 터빈, 즉 액체 터빈으로 대체하였다. 수력 터빈으로도 잘 알려진 액체 터빈은 등 엔트로피 팽창에 가까운 90% 이상의 효율을 실현하였고 팽창을 통해 최대 0.2 MPa의 에너지를 생성하였다. 줄-톰슨 밸브 장치와 동일한 입구 조건에서, 액체 터빈을 사용하는 사례 III의 경우, 상기 표 3에 나타낸 바와 같이 액체 분율을 최대 3%까지 증가시킬 수 있다. 에너지 절감 측면에서 전체 압축력에 따른 영향은 없었다. 그러나, 사례 III의 경우, 사례 II에 비해 0.7%의 에너지 절감 효과를 나타냈다. 고압의 천연 가스 스트림을 회수하면 더 많은 에너지를 절약할 수 있는 것을 확인하였다. 액체 터빈의 구현에서 가장 중요한 문제는 필요한 추가 자본 투자이다. 그러나 액화 플랜트에 액체 터빈을 설치하면 상당한 비용 절감 효과를 얻을 수 있으며 투자 회수 기간이 1 년 미만으로 소요될 수 있다.
- 사례 IV: 수정된 좌표 하강( MCD , modified coordinate descent) 기반 최적화와 함께 천연 가스 팽창기 사용의 효과
천연 가스 팽창기를 추가하는 것은 고압 천연 가스 스트림으로부터 에너지를 회수하기 위한 또 다른 에너지 효율적인 대안이다. 이는 또한 액체 터빈 설치에 대한 자본 투자를 줄인다. 기체 형태로 공급된 천연 가스 압력의 일부를 감소시킴으로써, 액체 터빈의 부하를 감소시켜 더 작은 극저온 터빈의 사용을 가능하게 한다. 상기 표 1의 조건 하에서 천연 가스를 공급하여 천연 가스 팽창기에 도입한 후, 1.9 MPa의 압력으로 팽창시켰다. 결과적으로 적은 양의 에너지 발생으로도 천연 가스를 약 - 26℃의 온도로 감소시켰다. 생성된 에너지는 일부 냉매의 재 압축에 사용되었다. 약 - 26℃ 온도의 천연 가스는 제 2 열교환기를 통과하여 액상으로 완전히 전환되었다.
천연 가스 팽창기의 출구에서 배출되는 천연 가스의 압력은 제 1 열교환기 및 제 2 열교환기 모두의 MITA 값에 중요한 영향을 미치는 것을 확인하였다.
공급된 천연 가스의 배출 압력은 최적화 과정에서 결정 변수로 선택되었다. 도 18 및 도 19의 원형 영역에서 볼 수 있듯이, 1.9 MPa의 최적 압력에서 3℃의 제한 MITA 값을 만족하였다.
상기 표 3에 나타낸 바와 같이, 비교예 4의 천연 가스 액화 처리 장치를 이용한 천연 가스 액화 처리 방법에 비해 사례 IV에서와 같이, 실시예의 천연 가스 액화 처리 장치를 이용한 천연 가스 액화 처리 방법의 전반적인 에너지 효율은 22.2 %까지 향상되었다. 도 18 및 도 19에 나타낸 바와 같이, 압력을 더 감소시켜 MITA 값이 1℃ 미만인 상황이 발생하는 것을 확인하였다. 한편, 도 19에 나타낸 바와 같이, 2.5 MPa 또는 3 MPa와 같은 높은 토출 압력에서는 MITA 값이 매우 높아서 극저온 교환기의 효율이 좋지 않고 궁극적으로 공정의 전반적인 에너지 효율을 저하시키는 것을 확인하였다.
도 20 및 도 21과 도 22 및 도 23은 사례 IV에 해당하는 실시예의 복합 곡선을 나타낸다.
도 20 및 도 21에 나타낸 바와 같이, 제 1 열교환기의 저온 측에서 고온 및 저온 복합 곡선 사이의 틈은 엑서지 손실이 여전히 존재함을 나타낸다. 이는, 다른 진화 및/또는 엄격한 최적화 접근법을 사용하여 더욱 최소화할 수 있다. 마찬가지로, 도 22 및 도 23에 나타낸 바와 같이, 제 2 열교환기의 경우, 상기 제 2 열교환기의 양쪽 모서리와 - 75℃ 내지 - 110℃의 온도 범위에서 제한 MITA 값을 완전히 충족시켰다. 뜨겁거나 차가운 복합 곡선의 다른 영역(- 26℃ 내지 - 75℃ 및 - 110℃ 내지 - 145℃)은 3℃의 MITA 값을 만족하지 못하였다. 이 영역에서의 엑서지 손실은 제 2 열교환기의 온도 구배를 줄임으로써 회복할 수 있다. 이러한, 최적화 결과는 상기 표 3에 나타내었다.
- 실시예와 비교예 및 종례 천연 가스 액화 처리 방법의 비교
95% 액체 분율을 갖는 실시예의 천연 가스 액화 처리 장치를 이용한 천연 가스 액화 처리 방법은 사전 냉각 순환 부를 포함하거나 포함하지 않는 비교예 1 및 비교예 2의 N2 냉매 기반 팽창 공정과 비교하여 에너지 요구량이 현저히 적었다. 이전 문헌에 보고된 다양한 N2 팽창기 기반의 천연 가스 액화 처리 방법과 실시예의 천연 가스 액화 처리 장치를 이용한 천연 가스 액화 처리 방법을 비교하여 하기 표 4에 나타내었다. 하기 표 4에 나타낸 바와 같이, 실시예의 천연 가스 액화 처리 장치를 이용한 천연 가스 액화 처리 방법은 비교예 1의 천연 가스 액화 처리 장치를 이용한 천연 가스 액화 처리 방법과 같은 N2 단일 팽창기 천연 가스 액화 처리 방법 및 N2 이중 팽창기 천연 가스 액화 처리 방법에 비해 각각 80.5% 및 23.7%의 에너지 소비를 줄일 수 있었다. 또한, 비교예 2의 천연 가스 액화 처리 장치를 이용한 천연 가스 액화 처리 방법과 같은 프로판 사전 냉각과 비교예 3의 천연 가스 액화 처리 장치를 이용한 천연 가스 액화 처리 방법과 같은 CO2 사전 냉각 및 R410a 사전 냉각과 같은 N2 팽창기 천연 가스 액화 처리 방법에 비해 실시예의 천연 가스 액화 처리 장치를 이용한 천연 가스 액화 처리 방법은 최대 37.5%, 16.2% 및 13.5%의 에너지 절감 효과를 실현하였다.
N2-CH4 팽창기 공정과 같은 혼합 냉매 기반의 천연 가스 액화 처리 공정과 비교하여, 실시예의 천연 가스 액화 처리 장치를 이용한 천연 가스 액화 처리 방법은 62.2%의 에너지 절감을 실현하였다. 이러한 에너지 절감은 천연 가스 공급 구성, 조건 및 액화 속도에 크게 의존하였다. 실시예의 천연 가스 액화 처리 장치를 이용한 천연 가스 액화 처리 방법에서 사용된 천연 가스 공급물 조성은 하기 표 4에 나타낸 다른 천연 가스 액화 처리 방법의 메탄(CH4) 함량과 비교하여 1% 내지 3%의 변화를 가졌다.
천연 가스 액화 처리 방법 공급하는 천연 가스의 조성(mol%) 최소 내부 진입 온도(MITA) (℃) 액체 분율 특정 요구 에너지 (kWh/kmol) 에너지 절약율(%)
N2 단일 팽창기 [C1, C2, C3, nC4, iC4, nC5, iC5, N2] = [91.3, 5.4, 2.1, 0.5, 0.5, 0.01, 0.01, 0.2] 3 0.92 13.1 49.0
N2 단일 팽창기 [C1, C2, C3, nC4, N2] = [89.7, 5.5, 1.8, 0.2, 2.8] 2 0.92 14.2 53.0
N2 단일 팽창기 [C1, C2, C3, nC4, iC4, nC5, iC5, N2, CO2, He] =
[94.94, 1.53, 0.26, 0.04, 0.04, 0.01, 0.02, 0.29, 2.84, 0.023]		 3 0.92 34.2 80.5
N2 단일 팽창기 [C1, C2, C3, nC4, iC4, N2] = [90, 5, 2, 1, 1, 1] 3 0.95 11.09 39.8
N2 단일 팽창기 [C1, C2, C3, iC4, N2] = [90, 4, 2, 2, 2] 2 0.95 10.08 33.7
N2 이중 팽창기 [C1, C2, C3, nC4, iC4, nC5, iC5, N2] =
[91.3, 5.4, 2.1, 0.5, 0.5, 0.01, 0.01, 0.2]		 3 0.92 8.76 23.7
CO2 사전 냉각 N2 팽창기 [C1, C2, C3, nC4, iC4] = [82, 11.2, 4, 0.9, 1.2] 2 0.77 10.68 37.5
CO2 사전 냉각 N2 팽창기 [C1, C2, C3, nC4, iC4, nC5, iC5, N2] =
[91.33, 5.36, 2.14, 0.47, 0.46, 0.1, 0.1, 0.22]		 3 0.92 8.65 22.8
CO2 사전 냉각 N2-CH4 팽창기 [C1, C2, C3, nC4, iC4, N2] = [90, 5, 2, 1, 1, 1] 3 0.95 9.11 26.7
프로판 사전 냉각 N2 팽창기 [C1, C2, C3, iC4, N2] = [90, 4, 2, 2, 2] 2 0.95 7.97 16.2
R410a 사전 냉각 N2 팽창기 [C1, C2, C3, iC4, N2] = [90, 4, 2, 2, 2] 2 0.95 7.72 13.5
N2-CH4 팽창기 [C1, C2, C3, nC4, iC4, N2] = [82, 11, 4, 0.9, 1.2, 0.7] >0 0.905 15.92 58.0
N2-CH4 팽창기 [C1, C2, C3, iC4, nC4+, N2] = [82, 11.2, 4, 1.2, 0.9, 0.7] N/G 0.90 17.68 62.2
CO2 사전 냉각 N2 단일 팽창기 [C1, C2, C3, nC4, iC4, N2] = [82, 11.2, 4, 0.9, 1.2, 0.7] >2 0.78 8.39 20.4
실시예 [C1, C2, C3, nC4, iC4, N2] = [90, 5, 2, 1, 1, 1] 3 0.95 6.68
C1: 메탄
C2: 에탄
C3: 프로판
nC4: n-부탄
iC4: 이소부탄
nC5: n-펜탄
iC5: 이소펜탄
N2: 질소
N/G = 주어지지 않음(not given)
11001, 11002, 11003, 11004, 11005, 11006, 11007, 11008, 11009, 11010, 11011, 11012, 11013, 21001, 21002, 21003, 21004, 21005, 21006, 21007, 21008, 21009, 21010, 21011, 21012, 31001, 31002, 31003, 31004, 31005, 31006, 31007, 31008, 31009, 31010, 31011, 31012, 31013, 41001, 41002, 41003, 41004, 41005, 41006, 41007: 냉매 스트림
11100, 21100, 31100, 41100: 냉매 공급부
11211, 21211, 31211, 34111, 41211: 제 1 압축기
11212, 21212, 31212, 34112: 제 2 압축기
11213, 21213, 34113: 제 3 압축기
11214, 21214, 34114: 제 4 압축기
11221, 21221, 31221, 34121, 41221: 제 1 냉각기
11222, 21222, 31222, 34122: 제 2 냉각기
11223, 21223, 34123: 제 3 냉각기
11224, 21224, 34124: 제 4 냉각기
13100, 23100, 33100, 43100: 제 1 열교환기
11300, 21300, 31300, 41300: 냉매 팽창기
13200, 33200, 43200: 제 2 열교환기
12001, 12002, 12003, 12004, 12005, 22001, 22002, 22003, 22004, 32001, 32002, 32003, 32004, 32005, 42001, 42002: 천연 가스 스트림
12100, 22100, 32100, 42100: 천연 가스 공급부
12200: 천연 가스 팽창기
12300: 액체 터빈
12400, 22300, 32300: 기액 분리기
12401, 12402, 12403, 22301, 32301: 플래시 가스 스트림
12500, 22400, 32400, 42200: 천연 가스 저장부
12600, 22500, 32500: 플래시 가스 배출부
22200, 32200, 34200: 밸브
34001, 34002, 34003, 34004, 34005, 34006: 프로판 스트림

Claims (10)

  1. 냉매를 포함하는 냉매 스트림을 공급하는 냉매 공급부,
    상기 냉매 공급부에서 공급된 냉매 스트림을 압축하는 압축기 및 냉각하는 냉각기를 각각 순차로 구비하는 압축 유닛, 및
    상기 압축 유닛에서 유출되는 냉매 스트림을 감압하는 냉매 팽창기를 포함하는 냉매 순환부;
    천연 가스를 포함하는 천연 가스 스트림을 공급하는 천연 가스 공급부,
    상기 천연 가스 공급부에서 공급된 천연 가스 스트림을 감압하는 천연 가스 팽창기,
    상기 천연 가스 팽창기에서 유출되는 천연 가스 스트림을 감압하는 액체 터빈, 및
    상기 액체 터빈에서 유출되는 천연 가스 스트림을 액화 천연 가스 및 플래시 가스로 분리하는 기액 분리기를 포함하는 천연 가스 액화 처리부; 및
    상기 천연 가스 팽창기에서 유출되는 천연 가스 스트림, 상기 기액 분리기에서 분리된 플래시 가스를 포함하는 플래시 가스 스트림 및 상기 냉매 팽창기에서 유출되는 냉매 스트림을 열교환시키는 제 2 열교환기, 및
    상기 압축 유닛에서 유출되는 냉매 스트림, 상기 제 2 열교환기로부터 유출되는 플래시 가스 스트림과 냉매 스트림을 열교환 시키는 제 1 열교환기를 포함하는 열교환부를 포함하는 천연 가스 액화 처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 냉매는 질소(N2)인 천연 가스 액화 처리 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 압축기는 등 엔트로피 효율이 70% 내지 90%인 천연 가스 액화 처리 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 냉각기는 15℃ 내지 25℃의 물을 포함하는 천연 가스 액화 처리 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 냉매 팽창기에서 유출되는 냉매 스트림은 0.3 MPa 내지 1.0 MPa의 압력을 가지는 천연 가스 액화 처리 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 천연 가스는 메탄을 포함하는 가스 혼합물인 천연 가스 액화 처리 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 액체 터빈은 등 엔트로피 효율이 80% 내지 95%인 천연 가스 액화 처리 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 천연 가스 팽창기에서 유출되는 천연 가스 스트림은 0.5 MPa 내지 2.5 MPa의 압력을 가지는 천연 가스 액화 처리 장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 기액 분리기는 액화 천연 가스 및 플래시 가스를 90 내지 98:2 내지 10의 몰비율로 분리하는 천연 가스 액화 처리 장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 기액 분리기에서 분리된 천연 가스가 저장되는 액화 천연 가스 저장부를 더 포함하는 천연 가스 액화 처리 장치.
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