KR20230032676A - 해양플랜트의 유틸리티 시스템 설계 방법 및 이를 통해 설계된 해양플랜트 유틸리티 시스템 - Google Patents
해양플랜트의 유틸리티 시스템 설계 방법 및 이를 통해 설계된 해양플랜트 유틸리티 시스템 Download PDFInfo
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Abstract
해양플랜트의 유틸리티 시스템 설계 방법으로, 복수 개의 케이스 시나리오를 분석하고, 시뮬레이션하여 케이스 시나리오별 유틸리티 소비 데이터를 도출하는 단계; 도출된 케이스 시나리오별 유틸리티 소비 데이터를 사용하여 유틸리티 시스템을 모델링하는 단계; 및 모델링된 유틸리티 시스템을 혼합 정수 선형 계획법을 이용하여 최적화하는 단계;를 포함하는 해양플랜트의 유틸리티 시스템 설계 방법이 개시된다.
Description
해양플랜트의 유틸리티 시스템 설계 방법 및 이를 통해 설계된 해양플랜트 유틸리티 시스템에 관한 것이다.
산업 발전이 가속화됨에 따라 온실 가스 배출 문제가 점차 두드러진다. 도 1은 전세계 이산화탄소(CO2) 배출 점유율과 CO2 배출 증가 추세를 보여준다. 2000년대 중반까지 개발 도상국(예: 중국 및 인도)은 상당한 산업 성장률을 보였으며 이에 따라 CO2 배출량이 급격히 증가하였다.
전 세계적으로 많은 온실 가스 배출원이 있으며 연료 연소도 그중 하나 인 것으로 알려져 있다. 특히 연료 연소에서 CO2 배출량은 도 2와 같이 2018년까지 꾸준히 증가하였다(도 2 좌측 그래프 참조). 또한, 도 2에서 산업 분야의 연료 연소로 인한 전세계 CO2 배출량을 보여준다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 산업 분야는 14.32 Gt CO2를 생성하며 이는 2017년 총 배출량의 43%에 해당한다(도 2 우측 그래프 참조). 이를 바탕으로 산업 현장에서 발생하는 CO2 배출량을 줄이는 것이 필요하다는 것을 알 수 있다. CO2 배출을 줄이기 위한 광범위한 연구가 활발히 진행되고 있으나, 반면 해양플랜트의 CO2 감축에 대한 연구는 거의 없다.
해양플랜트는 불순물을 처리하고 원료를 분리하여 심해에서 원하는 제품을 생산하는 일련의 단위공정을 갖는 설비(예로, 유정 시추, 계류 시스템, 거주 구역, 석유 공정, 천연 가스(NG), 유틸리티 시스템 및 제품 저장 탱크)를 갖춘 대형 구조물이다.
이 중 제품 생산시 탑상 공정(topside process)을 지원하는 유틸리티 시스템 (예로, 발전 시스템, 냉각 시스템, 난방 시스템)은 해양플랜트 시설 중 가장 중요한 시스템 중 하나이다. 유틸리티 비용은 운영 비용 프로세스의 대부분을 차지하게 된다. 또한 유틸리티 시스템 중 하나인 발전 시스템은 해양플랜트에서 가장 많은 CO2를 배출한다. 따라서, 유틸리티 시스템의 효과적인 모델링 및 운영이 중요하며 해양플랜트에서 운영 비용을 절감하고 CO2 배출량을 줄이기 위해 필요하다.
이전에는 운영 비용을 절약하고 CO2 배출을 줄이기 위해 유틸리티 시스템을 최적화하려는 시도가 있었다(비특허문헌 1). 그러나 대부분의 계산 모델은 몇 가지 특정 작동 조건만을 고려하여 개발되었다. 최근의 연구에서는 유틸리티 시스템의 설계 및 최적화를 보여주기 위해 실제 운영 기간을 고려하지 않은 상태에서 수행되었다. 이와 같이, 종래 기술들은 한계점을 나타내고 있다.
비특허문헌 1 : P. Vilela, S. H. Park, S. Hwangbo and C. Yoo, Korean J. Chem. Eng., 37, 1116 (2020).
이에, 본 발명의 일 측면에서 높은 열 효율과 대기로의 최소 CO2 방출로 유연하게 작동하는 해양플랜트의 최적화된 유틸리티 시스템을 설계하기 위한 새로운 방법론을 제공하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에서
해양플랜트의 유틸리티 시스템 설계 방법으로,
복수 개의 케이스 시나리오를 분석하고, 시뮬레이션하여 케이스 시나리오별 유틸리티 소비 데이터를 도출하는 단계;
도출된 케이스 시나리오별 유틸리티 소비 데이터를 사용하여 유틸리티 시스템을 모델링하는 단계; 및
모델링된 유틸리티 시스템을 혼합 정수 선형 계획법을 이용하여 최적화하는 단계;를 포함하는 해양플랜트의 유틸리티 시스템 설계 방법이 제공된다.
상기 케이스 시나리오는 적어도 2개 이상의 가스정(gas well) 케이스 및 적어도 2개 이상의 유정(oil well) 케이스를 포함한다.
상기 케이스 시나리오는 11개의 가스정 케이스 및 6개의 유정 케이스를 포함하고,
상기 11개의 가스정 케이스 중 케이스 1은 A 매니폴드에서 고압 및 저온을 갖는 가스 유체만 처리 시설에 도착하는 것이고, 케이스 2는 A 매니폴드에서 고압 및 저온을 갖는 가스 유체만 처리 시설에 도착하여 최대 액체 흐름을 생성하는 것이고, 케이스 3은 A 매니폴드에서 고압 및 고온을 갖는 가스 유체만 처리 시설에 도착하는 것이고, 케이스 4는 A 매니폴드에서 저압 및 저온을 갖는 가스 유체만 처리 시설에 도착하는 것이고, 케이스 5는 A 매니폴드에서 저압 및 저온을 갖는 가스 유체가 처리 시설에 도착하고 하나의 처리 시설 공정열에서 처리되는 것이고, 케이스 6은 A 매니폴드에서 저압 및 저온을 갖는 가스 유체가 하나의 처리 시설 공정열에 도착하고 B 매니폴드에서 저압 및 저온을 갖는 가스 유체가 두 개의 처리 시설 공정열에 도착하는 것이고, 케이스 7은 A 매니폴드에서 저압 및 고온을 갖는 가스 유체만 처리 시설에 도착하는 것이고, 케이스 8은 A 매니폴드에서 저압 및 고온을 갖는 가스 유체가 처리 시설에 도착하고 두 개의 처리 시설 공정열에서 처리되는 것이고, 케이스 9는 A 매니폴드에서 저압 및 고온을 갖는 가스 유체가 하나의 처리 시설 공정열에 도착하고 B 매니폴드에서 저압 및 고온을 갖는 가스 유체가 두 개의 처리 시설 공정열에 도착하는 것이고, 케이스 10은 B 매니폴드에서 저압 및 저온을 갖는 가스 유체만 처리 시설에 도착하여 두 개의 처리 시설 공정열에서 처리되는 것이고, 케이스 11은 B 매니폴드에서 저압 및 고온을 갖는 가스 유체만 처리 시설에 도착하여 두 개의 처리 시설 공정열에서 처리되는 것이고,
상기 6개의 유정 케이스 중 케이스 1은 석유 추출속도가 최대에 도달한 리치 오일(rich oil)의 케이스이고, 케이스 2는 리치 오일 분리 오작동 케이스이고, 케이스 3은 최대 가스 생산률을 갖는 리치 가스(rich gas)의 케이스이고, 케이스 4는 리치 가스 설계 케이스로, 연료 가스를 글리콜 접촉기의 다운스트림에서 가져온 것이고, 케이스 5는 총 액체가 최대인 리치 액체(rich liquid) 케이스이고, 케이스 6은 생상되는 물의 양이 최대인 리치 물(rich water) 케이스이다.
또한, 본 발명의 다른 측면에서
연료가 주입되는 연료 라인;
가스가 주입되는 3개의 가스 라인;
상기 3개의 가스 라인 각각과 연결된 3개의 가스터빈;
상기 3개의 가스터빈과 연결된 열회수 증기 발생기(HRSG);
상기 열회수 증기 발생기와 병렬로 연결된 2개의 증기터빈; 및
상기 2개의 증기터빈과 연결된 탈기기(Deaerator);를 포함하는 상기 해양플랜트의 유틸리티 시스템 설계 방법으로 설계되는 해양플랜트의 유틸리티 시스템이 제공된다.
가스터빈은 2개의 LM 2500+G4 및 1개의 LM 6000 PF+로 구성되고,
증기터빈은 배압 터빈과 추출 터빈으로 구성된다.
나아가, 본 발명의 다른 일 측면에서
연료가 주입되는 연료 라인;
가스가 주입되는 2개의 가스 라인;
상기 2개의 가스 라인 각각과 연결된 2개의 가스터빈; 및
상기 2개의 가스터빈과 연결된 폐열 회수 장치(WHRU);를 포함하는 상기 해양플랜트의 유틸리티 시스템 설계 방법으로 설계되는 해양플랜트의 유틸리티 시스템이 제공된다.
가스터빈은 LM 6000 PC 및 LM 6000 PF+로 구성된다.
본 발명의 일 측면에서 제공되는 해양플랜트의 유틸리티 시스템 설계 방법은 이를 통해 설계된 유틸리티 시스템이 최적화되지 않은 경우보다 열효율이 훨씬 높은 효과가 있다. 최적화 결과를 통해 기존 전기 생산 시스템인 단일 전력 발전에 비해 7% 내지 13%까지 높은 열효율을 나타낼 수 있다. 이를 통해 본 발명에서 제시하는 해양플랜트의 유틸리티 시스템 설계 방법으로 설계된 해양플랜트 유틸리티 시스템은 기존 해양플랜트 발전 시스템을 충분히 대체할 수 있고 이를 통해 플랜트의 운영비 절감, CO2 배출량을 감소시킬 수 있다.
도 1은 2017년 국가별 이산화탄소 배출량 비중과 2017년까지 국가별 이산화탄소 배출량 추이를 나타낸 그래프이고;
도 2는 2018년까지 연료 연소로 인한 이산화탄소 배출량의 글로벌 추세 및 2017년 산업 분야별 연료 연소로 인한 글로벌 이산화탄소 배출량을 나타낸 그래프이고;
도 3은 일반적인 해양플랜트의 냉각 유틸리티 시스템의 개략도를 나타낸 것이고;
도 4는 일반적인 해양플랜트의 난방 유틸리티 시스템의 개략도를 나타낸 것이고;
도 5는 일반적인 복합 화력 발전소(CCPP)의 개략도를 나타낸 것이고;
도 6은 본 발명의 일 측면에서 제공되는 해양플랜트 유틸리티 시스템을 설계하는 방법의 순서도이고;
도 7은 가스정 케이스 1에 대한 탑상 공정의 개략도를 나타낸 것이고;
도 8은 유정 케이스 1에 대한 탑상 공정의 개략도를 나타낸 것이고;
도 9는 본 발명의 일 측면에서 제공되는 해양플랜트 유틸리티 시스템의 설계 방법을 통해 설계된 가스정의 유틸리티 시스템을 개략도로 나타낸 것이고;
도 10은 본 발명의 일 측면에서 제공되는 해양플랜트 유틸리티 시스템의 설계 방법을 통해 설계된 유정의 유틸리티 시스템을 개략도로 나타낸 것이다.
도 2는 2018년까지 연료 연소로 인한 이산화탄소 배출량의 글로벌 추세 및 2017년 산업 분야별 연료 연소로 인한 글로벌 이산화탄소 배출량을 나타낸 그래프이고;
도 3은 일반적인 해양플랜트의 냉각 유틸리티 시스템의 개략도를 나타낸 것이고;
도 4는 일반적인 해양플랜트의 난방 유틸리티 시스템의 개략도를 나타낸 것이고;
도 5는 일반적인 복합 화력 발전소(CCPP)의 개략도를 나타낸 것이고;
도 6은 본 발명의 일 측면에서 제공되는 해양플랜트 유틸리티 시스템을 설계하는 방법의 순서도이고;
도 7은 가스정 케이스 1에 대한 탑상 공정의 개략도를 나타낸 것이고;
도 8은 유정 케이스 1에 대한 탑상 공정의 개략도를 나타낸 것이고;
도 9는 본 발명의 일 측면에서 제공되는 해양플랜트 유틸리티 시스템의 설계 방법을 통해 설계된 가스정의 유틸리티 시스템을 개략도로 나타낸 것이고;
도 10은 본 발명의 일 측면에서 제공되는 해양플랜트 유틸리티 시스템의 설계 방법을 통해 설계된 유정의 유틸리티 시스템을 개략도로 나타낸 것이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
먼저, 복합 화력 발전소(CCPP)의 열 효율을 살펴본다.
CCPP는 다양한 유형의 열 엔진을 결합한 발전 시스템이며, 일반적으로 CCPP는 가스터빈 발전기와 증기터빈 발전기로 구성된다. 열 엔진은 열과 화학 에너지를 기계 에너지로 변환하여 전력을 생성하는 데 사용할 수 있다. 효율성은 열원의 온도에 따라 달라지며 수학식 1로 표시될 수 있다.
<수학식 1>
수학식 1에서 η cycle 은 주기의 효율성, W cycle 은 주기의 일, Q H 는 열원의 열, Q C 는 냉원의 열, T H 는 입력 소스의 온도, T C 는 출력 소스의 온도를 나타낸다.
CCCP의 효율성은 단일 열 엔진의 효율성과 유사하며 수학식 2로 표시될 수 있다.
<수학식 2>
수학식 2에서 
는 시간당 가스터빈의 일, 
는 시간당 증기터빈의 일, 
는 연료의 질량 흐름(mass flow), LHV는 낮은 발열량, 
은 시간당 터빈의 일, 
는 시간당 압축기의 일을 나타낸다.
발전기의 연료 소비율은 수학식 3으로 표시될 수 있다.
<수학식 3>
CO2 배출량은 수학식 4로 표시될 수 있다.
<수학식 4>
수학식 4에서 α는 2.75 kgCO2/kgfuel인 연료 질량 변환 계수이다.
본 발명에서는 이러한 방정식을 사용하여 유틸리티 시스템의 결과를 계산하였다.
다음으로, 해양플랜트의 유틸리티 시스템을 살펴본다.
유틸리티 시스템은 해양플랜트에서 탑상 공정을 운영하기 위해 전력, 증기, 냉각수 등을 공급하는 데 필요하며 일반적으로 냉각시스템, 난방시스템, 발전시스템을 포함한다. 냉각 유틸리티 시스템은 일반적으로 약 120℃ 미만의 온도에서 열을 제거해야 할 때 사용된다. 냉각수는 120℃ 내지 140℃의 온도 범위에서 널리 사용되는 냉수 설비이다. 공정 스트림이 40℃ 미만의 온도로 냉각되는 경우 냉각수 또는 냉장이 필요하다.
도 3에 일반적인 해양플랜트의 냉각 유틸리티 시스템을 나타내었다. 냉각 유틸리티 시스템은 냉각 팽창 드럼(cooling expansion drum), 냉각수 재순환 펌프(cooling recirculation pump) 및 냉각수 서비스 펌프(cooling water recirculation pump)와 같은 여러 장치로 구성된다. 공정에서 나온 담수는 팽창 드럼으로 들어가 재순환 펌프를 통해 흘러 해수와 열을 교환한다. 그런 다음 냉각된 담수가 필요한 곳에 공정으로 전달된다. 일반적으로 냉각 시스템은 바닷물 때문에 가능한 작게 만들어야 한다. 이는 너무 비싼 바닷물에 의한 부식을 방지하기 위해 냉각 시스템의 재료로 티타늄을 사용하기 때문이다.
도 4에 일반적인 해양플랜트의 난방 유틸리티 시스템을 나타내었다. 난방 유틸리티 시스템은 난방이 필요한 스트림에 열 공급을 제공한다. 난방 유틸리티 시스템에는 폐열 회수 장치(waste heat recovery unit, WHRU)가 사용되는 폐쇄 루프 회로가 있다. 가난방 유틸리티 시스템은 열매체 팽창 탱크, 열매체 펌프 냉각기, 열매체 펌프 및 WHRU로 구성된다. WHRU에서 순환 열매체는 가스터빈의 배기가스를 사용하여 가열되고 공급 헤더 라인으로 보내져 열 교환 네트워크(HEN)로 공급된다. 그런 다음 스트림은 HEN의 열매체에 의해 가열된다.
전력 공급 시스템은 필요한 프로세스에 전력을 생산하고 분배하는 설비이다. 전기 시스템 설계에는 세 가지 기준이 있다. 첫째, 타당성을 고려해야 한다. 장비가 작동할 때마다 전원을 계속 사용할 수 있어야 한다. 또한 전원 공급 장치는 손상 및 성능 손실 없이 장비가 견딜 수 있는 범위 내에 있어야 한다. 둘째, 경제성을 고려해야 한다. 발전 및 배전이 이루어지는 물류 및 환경 조건을 고려하여 전력 비용이 비싸지 않아야 한다. 셋째, 유틸리티 공급 측면에서 불필요한 마진(예: 과도한 연료, 냉각 매체, 열매체)이 없어야 한다. 해양플랜트에서 과도한 수요를 고려해서는 안된다. 레이아웃의 제약으로 추가 스토리지 시스템을 배치할 수 없기 때문이다. 마지막으로 해양 시설과 관련된 안전 요구 사항은 특히 화재 및 폭발 위험과 관련된 요구 사항을 준수해야 한다.
이러한 기준에 대해 증기터빈 및 가스터빈은 해양 플랫폼에서 전력을 생성하는 장치로 널리 사용된다. 증기터빈은 중온 및 저온(LT) 범위에 적합하다. 구체적으로 증기터빈은 단일 증기 사이클이 아닌 복합 사이클에서 2차 발전기인 바텀 사이클(bottoming cycle)로 자주 사용된다. 이는 가스터빈이 고온(HT) 배기가스를 방출하여 증기를 만드는 데 활용할 수 있고, 증기터빈에서 추가 동력을 생성하여 열효율을 높일 수 있기 때문이다. 해양 공정에 사용되는 두 가지 주요 증기 터빈은 추출 응축 터빈(extraction condensing turbine)과 배압 터빈(back-pressure turbine)이다.
추출 응축 터빈은 가장 널리 사용되는 증기 터빈이다. 이 터빈은 들어오는 증기에서 가장 많은 에너지를 추출하고 추가 전력을 생성할 수 있다. 또한 전력수요 변동에 관계없이 유연하게 운용할 수 있어 전력수요 변동폭이 큰 장소에 적합하다. 반면, 배압 터빈은 공정에 증기를 공급하는 데 사용된다. 전력도 생성되지만 배압 터빈의 주요 목적은 증기 공급이다. 배압 터빈의 특징은 증기의 압력이 원하는 압력으로 조정된다는 것으로, 증기에서 약간의 에너지를 추출하고 감압 증기를 필요한 장치로 보낸다.
가스터빈은 탄화수소 가스를 연료로 사용할 수 있고 중량 대비 전력 비율이 높아 설치 면적을 최소화하기 때문에 해양플랜트에서 사용될 수 있는 우수한 발전기이다. 가스터빈은 압축기, 연소실 및 터빈으로 구성된다. 압축기는 주변에서 공기를 가져와 가스터빈 유형에 따라 10 bar 내지 35 bar 범위의 압력으로 압축한다. 그런 다음 압축 공기는 직접 연소 히터의 형태로 연소실의 연료와 혼합된다. 그런 다음 HT 가스는 터빈을 작동하여 전력을 생성한다. 전력이 생성되면 배기가스는 온도가 450℃ 내지 650℃인 터빈의 대기압보다 약간 더 팽창하여 가스터빈에서 방출된다.
가스터빈은 항공 파생 유형과 산업 유형으로 분류할 수 있다. 항공 파생 유형은 가스 발생기가 동급 산업 기계의 일체형 장치보다 가볍기 때문에 중량 대비 전력비가 우수한 장치이다. 항공 파생 가스터빈의 전형적인 특징은 높은 중량 대비 출력 비율, 부피 대비 소형화 및 고압 비율이다. 더욱이 조달 및 유지 보수 비용은 정밀 검사 간격이 긴 산업용 가스터빈보다 덜 중요하다. 이러한 이유로 항공기 파생 가스터빈은 재료, 효율성 및 유지 보수성 측면에서 더 많은 이점을 가지고 있다. 산업용 가스터빈은 전력을 생성하기 위해 특별히 제작된 엔진이다. 이 기계는 동등한 항공 파생 유형보다 연료 효율이 떨어지는 경향이 있지만 신뢰성과 연료 공급 또는 부하 이상에 대한 내성으로 좋은 평판을 얻고 있다.
가스터빈의 복잡한 구조로 인해 적은 수의 고출력 기계를 설계해야 하며, 공급, 유지 보수 및 신뢰성의 연속성에 대한 요구를 충족시키기 위해 최적의 기계 수(즉, 약 3대의 기계)로 제한된다.
본 발명에서는 해양플렌트에 사용되는 발전기의 사양을 가스터빈에 적용하였다. 터빈의 사양은 하기 표 1에 나타내었다. LM 2500+G4, LM 6000 PF+ 및 LM 6000 PC는 항공 파생 유형이며 순 효율이 높은 유틸리티 시스템에 사용된다.
| Type | Net output | Net efficiency | Pressure ratio | Exhaust Temp. | Fuel | |
| LM 2500+G4 | Aero-derivative | 35 MW | 38.3 % | 24.2:1 | 549  |
NG |
| LM 6000 PF+ | Aero-derivative | 52 MW | 41.3 % | 33.1:1 | 500  |
NG |
| LM 6000 PC | Aero-derivative | 42 MW | 41+ % | 29:1 | 451  |
NG |
복합 화력 발전소(CCPP)는 가스터빈과 증기터빈 발전소를 결합하며, 가스터빈에서 배출되는 배기가스의 나머지 열은 증기 터빈에서 활용된다. 가스터빈은 CCPP에서 토핑 싸이클(topping cycle)이라고 하는 대부분의 열을 공급한다. 가스터빈에서 배출되는 배기가스는 열 회수 증기발생기(heat recovery steam generator, HRSG)를 통해 증기를 생산하는 데 사용되며, 증기터빈은 이 증기를 이용하여 추가 전력을 생산한다. HRSG는 배기가스를 이용하여 증기를 생산하는 증기발생기이다. 이러한 이유로 CCPP의 효율이 더 높으며 CCPP는 전력에 큰 부하를 생성하는 데 사용된다.
CCPP의 개략도를 도 5에 나타내었다. 플랜트 운영에 대해 살펴보면, (i) 대기는 압축기에 의해 압축되고 압축된 공기는 연소실로 들어가 연료와 혼합되어 연소된다. 연소실을 통해 가열된 가스는 터빈으로 들어가 동력을 생성한다. (ii) 그러면 가스터빈에서 나오는 배기가스는 HRSG로 이동한다. HRSG는 배기가스를 이용하여 증기를 발생시키고, HRSG에 남아있는 배가스는 굴뚝을 통해 대기로 보내ㅈ진. (iii) 마지막으로 생성된 증기는 증기 터빈을 작동시켜 전력을 생성한다. 증기 터빈에서 배출되는 배기 증기는 응축기로 공급되고 응축된 물은 HRSG로 다시 펌핑되어 증기를 생성한다.
유틸리티 시스템은 냉각 매체, 열매체 및 전원을 공급하여 탑상 공정을 작동시키는 데 필요하며 유틸리티 시스템을 설계하기 위해서는 다음과 같은 사항을 고려해야 한다. 첫째, 유틸리티 시스템은 지속적으로 변화하는 운영 조건(예: 공급원료의 환경 및 특성) 때문에 유연하고 지속 가능해야 한다. 둘째, 토지와 격리된 위치로 인해 유틸리티 공급이 제한된다. 따라서 프로세스를 운영하는 데 필요한 유틸리티는 자급자족해야 한다. 셋째, 해양플랜트에서는 공간과 무게의 제약으로 예비장비를 배치할 수 없기 때문에 시스템의 레이아웃을 고려하여야 한다. 마지막으로 발생할 수 있는 사고의 원인을 사전에 예방해야 한다. 해양플랜트가 부식성 환경(예: 높은 습도, 염분 등)에 위치하여 사고가 발생할 확률이 높기 때문이다. 이러한 이유로 열 효율을 높이고 잠재적인 사고를 방지하기 위해 유틸리티 시스템을 최적화하는 것이 중요하다. 본 발명에서는 이러한 제약을 고려하여 유틸리티 시스템을 설계한다.
다음으로, 모델링 및 최적화 방법론을 설명한다.
본 발명에서 도 6에 나타낸 바와 같이 유틸리티 시스템의 최적화를 다음과 같은 절차로 수행하는 설계 방법을 고안하였다. 먼저 운영 라이프 사이클에 따른 다양한 운영 시나리오를 분석하여 사례로 구분하였다. 본 발명에서는 가스정(gas well) 11건과 유정(oil well) 6건을 고려하였다. 다음으로, 각 경우를 탑상 공정 모델로 구현하고 자재 및 에너지 균형에 따른 유틸리티 소비 데이터를 얻는다. 다음으로, 유틸리티 시스템은 소비 데이터를 기반으로 하여 필요한 유틸리티 부하를 충족하도록 설계한다. 유틸리티 시스템 모델링이 완료되면 유틸리티 시스템은 운영 제약을 충족하면서 열 효율을 극대화하도록 최적화된다. 마지막으로 최적화 결과를 분석하고 검증한다.
먼저, 탑상 공정에서 사용되는 각 케이스 시나리오를 분석하고, 시뮬레이션하여 케이스 시나리오별 유틸리티 소비량을 도출한다.
전체 작동 수명주기는 작동 조건에 따라 여러 특정 기간으로 나뉜다. 유정 및 가스정은 시작(start-up), 정체 생산(plateau production) 및 감소 단계(decline stage)와 같은 수명주기가 있다. 시작 단계에서는 유정 또는 가스정에 많은 원유와 가스가 있으며 더 많은 유정 또는 가스정을 시추할수록 생산 속도가 점차 증가한다. 잠시 후 원유 및 가스 생산율이 가장 높은 정체 생산 단계로 바뀐다. 이 단계는 더 큰 필드의 경우 약 2년 내지 3년 이상 지속되며 생산율이 안정되고 유지된다. 마지막으로 유정 또는 가스정이 감소 단계에있을 때 생산율은 연간 1% 내지 10%로 떨어지게 된다. 이는 유정 또는 가스정의 수분(H2O) 함량이 커지고 있기 때문이다. 유정 또는 가스정에서 더 이상 원유 및 가스 제품을 생산하지 않으면 유정 또는 가스정의 수명주기가 종료된다.
총 11개의 서로 다른 케이스에 대한 가스정의 운영 시나리오를 고려하였다. 가스정은 두 개의 분리된 매니폴드(manifold)로 구성되며 본 발명에서는 편의상 A 매니폴드 및 B 매니폴드로 명명하여 설명한다.
케이스 1은 A 매니폴드에서 고압(high pressure, HP) 및 LT를 갖는 가스 유체만 처리 시설에 도착하는 것을 보여준다. 처리 시설은 가스정의 웰헤드(wellhead)로부터 가스를 수집한다. 물, 모래 및 기타 불순물을 전처리하여 생산 성능을 향상시킨다. 케이스 1은 API°가 40 이상인 원유를 주로 포함하는 최대 응축수 흐름을 산출한다.
케이스 2는 A 매니폴드에서 HP 및 LT를 갖는 가스 유체만 처리 시설에 도착하여 최대 액체(예: 오일 및 물) 흐름을 생성하는 것을 나타낸다.
케이스 3은 A 매니폴드에서 HP 및 HT를 갖는 가스 유체만 처리 시설에 도착한다.
케이스 4는 A 매니폴드에서 저압(LP) 및 LT를 갖는 가스 유체만 처리 시설에 도착하는 것을 보여준다.
케이스 5는 A 매니폴드에서 LP 및 LT를 갖는 가스 유체가 처리 시설에 도착한다. 두 개의 처리 시설 공정열(process train)에서 처리된다. 또한, B 매니폴드에서 HP 및 LT를 갖는 가스 유체가 처리 시설에 도착한다. 하나의 처리 시설 공정열에서 처리된다.
케이스 6은 A 매니폴드에서 LP 및 LT를 갖는 가스 유체가 하나의 처리 시설 공정열에 도착하는 것을 보여준다. 또한, B 매니폴드에서 LP 및 LT를 갖는 가스 유체는 두 개의 처리 시설 공정열에 도착한다.
케이스 7은 A 매니폴드에서 LP 및 HT를 갖는 가스 유체만 처리 시설에 도착하는 것을 나타낸다.
케이스 8은 A 매니폴드에서 LP 및 HT를 갖는 가스 유체가 처리 시설에 도착하는 것을 보여준다. 두 개의 처리 시설 공정열에서 처리된다. 또한, B 매니폴드에서 HP 및 HT를 갖는 가스 유체가 처리 시설에 도착한다. 하나의 처리 시설 공정열에서 처리된다.
케이스 9는 A 매니폴드에서 LP 및 HT를 갖는 가스 유체가 하나의 처리 시설 공정열에 도착하는 것을 나타낸다. 또한, B 매니폴드에서 LP 및 HT를 갖는 가스 유체는 두 개의 처리 시설 공정열에 도착한다.
케이스 10은 B 매니폴드에서 LP 및 LT를 갖는 가스 유체만 처리 시설에 도착하여 두 개의 처리 시설 공정열에서 처리된다.
케이스 11은 B 매니폴드에서 LP 및 HT를 갖는 가스 유체만 처리 시설에 도착하여 두 개의 처리 시설 공정열에서 처리되는 것을 보여준다.
하기 표 2에 가스정의 각 케이스에 대한 유량(flow rate), 압력(pressure) 및 온도(temperature)를 나타내었다. 유량은 크게 변하지 않고 전체 운전 기간 동안 유사하다고 가정하였다. 압력은 시작 단계에서 8,817 kPa을 유지한 다음 정체 생산 단계에서 4,417 kPa을 유지하며, 작동 수명주기가 끝나면 감소한다. 작동 기간 동안 온도가 변동한다. 탑상 공정은 표 2의 데이터를 사용하여 구성 및 구현된다. 탑상 공정의 시뮬레이션 모델이 개발되면 시뮬레이션 결과를 검증하기 위해 실제 엔지니어링 프로젝트 데이터와 비교하여 결과가 기존 데이터와 잘 일치함을 입증하였다.
| Case | Case 1 | Case 2 | Case 3 | Case 4 | Case 5 | Case 6 |
| Flow rate [t/h] | 2508.75 | 2515.37 | 2512.80 | 2570.15 | 2545.86 | 2435.10 |
| Pressure [kPa] | 8483 | 8483 | 8483 | 4417 | 4417 | 4417 |
| Temperature [℃] |
46.17 | 40.01 | 89.98 | 36.35 | 42.68 | 41.43 |
| Case 7 | Case 8 | Case 9 | Case 10 | Case 11 | ||
| Flow rate [t/h] | 2480.53 | 2570.68 | 2570.68 | 2525.31 | 2433.40 | |
| Pressure [kPa] | 4417 | 4417 | 4417 | 4417 | 4417 | |
| Temperature [℃] |
60.01 | 89.97 | 89.97 | 76.01 | 58.93 |
해양 분야는 복잡한 프로세스를 가지고 있다. 심해에서 채굴된 시료(feed)에는 공정의 효율성을 저하시키는 불순물이 많이 포함되어 있기 때문에 일반적으로 탑상 공정에는 전처리 시스템(예: 산성 가스 제거, 탈수 시스템 및 수은 제거 장치)이 필요하다. 또한, 라이저(riser)를 통과하는 해저에서 LP를 갖는 시료를 저장 탱크에 도달시키기 위해 가압해야 하기 때문에 압축 시스템이 필요하다.
도 7은 Aspen HYSYS에 구현된 케이스 1에 대한 가스정의 전체 탑상 공정의 구성을 보여준다. 시료는 3개의 흐름으로 나뉘어 탑상 공정으로 들어간다. 이 과정은 시료의 전처리로 시작된다. 여기서, 산성가스 제거장치(acid gas removal unit, AGRU)는 CO2 및 황화수소(H2S)를 줄이기 위해 전면에 설치해야 하며, 이는 공급되는 파이프 및 장비에 심각한 부식을 유발하게 된다. 그러나 AGRU는 엔지니어링 데이터에 따라 이 모델에 포함되지 않는다. 각 시료는 압축기를 통해 즉시 가압되고 열교환기를 통해 냉각된다. 가압 공정 후, 시료는 글리콜 탈수 컬럼에서 탈수된다.
시료에 포함된 물(H2O)은 장비에 물리적 손상을 일으키는 얼음과 수화물을 생성할 수 있으므로 탈수 과정을 통해 제거해야 한다. 그런 다음 탈수된 시료는 압축기와 열교환기를 통해 운송된다. 마지막으로, 시료는 플래시 드럼에서 액상과 기상으로 분리되고 분리된 제품은 저장 탱크로 이송된다. 시료의 재고 변화로 인해 시료 조건에 따라 장비 작동을 변경할 수 있다. 하기 표 3에 나타낸 바와 같이 각각의 케이스를 기준으로 유틸리티 사용량이 추정될 수 있다. 냉각 매체와 전력 수요는 매우 다양하며 이러한 다양한 결과는 유틸리티 시스템 모델링에 사용된다.
| Case | Case 1 | Case 2 | Case 3 | Case 4 | Case 5 | Case 6 |
| Cooler [MW] | 109.07 | 101.52 | 203.30 | 198.97 | 155.95 | 187.12 |
| Electricity [MW] | 75.74 | 73.30 | 74.79 | 133.25 | 113.07 | 139.65 |
| Case | Case 7 | Case 8 | Case 9 | Case 10 | Case 11 | |
| Cooler [MW] | 300.98 | 265.69 | 292.77 | 91.50 | 153.30 | |
| Electricity [MW] | 140.83 | 119.49 | 146.78 | 72.16 | 87.29 |
구체적으로 케이스 9는 모든 케이스 중에서 전력 수요가 가장 큰 고부하이고, 케이스 10은 전력 수요가 가장 적은 경부하이다. 유틸리티 시스템을 설계할 때 운영 비용을 절감하고 유틸리티 시스템의 효율성을 높이며 해양플랜트의 안전성을 확보할 수 있도록 중부하와 경부하를 모두 고려해야 한다. 본 발명에서는 고부하와 경부하를 모두 수용할 수 있는 유틸리티 시스템을 구축하였다.
다음으로, 유정의 탑상 공정 시뮬레이션은 가스정과 동일한 방식으로 구현하였다. 총 6가지 서로 다른 케이스에 대한 유정의 운영 시나리오를 고려하였다.
케이스 1은 석유 추출속도가 최대에 도달한 리치 오일(rich oil)의 경우로, 오일 유량이 아직 정체 상태에 있고 생산되는 물이 최대 동시 유량(highest simultaneous flow rate)으로 증가할 때 발생한다.
케이스 2는 리치 오일 분리 오작동 케이스이다. 이 케이스는 오일과 물의 분리가 불량할 때 원유 히터, 2단계 분리기, 세척 탱크 및 응축수 저장 탱크를 포함하는 모든 하류(downstream) 장비에서 오일과 함께 더 높은 등급의 물의 캐리오버(carryover)를 수용할 수 있도록 하기 위한 것이다. 이 케이스는 원유 히터의 사이징 기준이 되고 2단계 분리기의 작동 케이스 역할을 한다.
케이스 3은 최대 가스 생산률을 갖는 리치 가스(rich gas)의 케이스이며, 생산 프로파일을 기준으로 가스 유량이 최대일 때 발생한다.
케이스 4는 리치 가스 케이스와 유사한 리치 가스 설계 케이스로, 연료 가스는 글리콜 접촉기의 다운스트림에서 가져온다. 이 케이스는 압축열(compression train)에 최대 처리량을 제공하고 중압(medium pressure, MP)/고압(high pressure, HP) 압축열 크기를 지정할 수 있다.
케이스 5는 리치 액체(rich liquid) 케이스이며, 총 액체(오일 및 물)가 최대일 때 발생한다.
케이스 6은 리치 물(rich water) 케이스이며 생산되는 물의 양이 최대일 때 발생한다.
하기 표 4에 유정의 각 케이스에 대한 유량(flow rate), 압력(pressure) 및 온도(temperature)를 나타내었다. 유량은 크게 변하지 않고 전체 운전 기간 동안 유사하게 유지되며, 압력도 리치 물이 들어올 때까지 12 kPa을 유지한다. 작동 기간 동안 온도가 변경된다.
| Case | Case 1 (Rich Oil) |
Case 2 (Rich Oil Separation Malfunction) |
Case 3 (Rich Gas) |
Case 4 (Rich Gas Design) |
Case 5 (Rich Liquid) |
Case 6 (Rich Water) |
| Flow rate [t/h] |
2612.77 | 2610.32 | 2056.84 | 2058.48 | 2935.75 | 2279.67 |
| Pressure [kPa] |
12 | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 |
| Temperature [℃] |
29.80 | 29.80 | 59.20 | 59.20 | 29.90 | 29.90 |
도 8은 리치 오일 케이스(유정 케이스 1)에 대한 유정의 전체 탑상 공정 구성을 나타낸다. 유정의 탑상 공정은 Aspen HYSYS를 사용하여 유정의 공급 조건을 사용하여 구현될 수 있다. 시료는 두 개의 흐름으로 나누어져 탑상 공정으로 들어간다. 이들 시료는 3상 분리기에서 증기, 액체 및 수상으로 분리된다.
그런 다음 또 다른 분리기는 시료를 증기상과 액체상으로 나누고 증기상 시료는 압축기에 의해 가압된다. 가압된 스트림은 글리콜 탈수 컬럼으로 들어가 모노에틸렌 글리콜을 사용하여 물(H2O)을 감소시켜 수화물 생성을 방지할 수 있다. 마지막으로 생성 스트림은 압축기와 열교환기를 통해 저장 탱크로 운송된다. 다른 유정의 경우도 유사한 구성을 가지고 있으나 공급조건에 따라 장비의 작동이 변경될 수 있다.
하기 표 5에 나타낸 바와 같이 케이스에 따라 유틸리티 사용량을 계산한다. 유정의 탑상 공정은 가스정에서 사용되지 않는 열매체를 사용하며, 표 5는 유정의 작동기간 동안의 유틸리티 소비를 요약한 것이다. 냉각 매체와 전력 수요도 크게 달라지며 이러한 다양한 결과는 유틸리티 시스템 모델링에 사용된다. 특히, 리치 가스 설계인 케이스 4는 전력 소비량이 가장 높으며, 리치 물인 케이스 6은 유틸리티 시스템 모델링에서 고려되는 경부하이다.
| Case | Case 1 (Rich Oil) |
Case 2 (Rich Oil Separation Malfunction) |
Case 3 (Rich Gas) |
Case 4 (Rich Gas Design) |
Case 5 (Rich Liquid) |
Case 6 (Rich Water) |
| Hot Water [MW] | 36.48 | 43.81 | 2.25 | 2.24 | 33.15 | 6.35 |
| Cooling Water [MW] | 67.59 | 68.01 | 77.45 | 82.74 | 66.36 | 51.84 |
| Electricity [MW] | 82.45 | 82.67 | 84.55 | 88.39 | 81.37 | 67.83 |
해양플랜트의 유틸리티 시스템 설계에 대해 설명한다.
표 3과 같은 분석결과에 따르면 가스정의 탑상 공정은 작동 수명주기 동안 크게 두 가지 범위의 전력수요(즉, 70 MW 내지 90 MW 및 110 MW 내지 150 MW)를 고려하여야 함을 알 수 있었다. 높은 열효율로 모든 케이스에 대한 전력 수요를 충족하는 올바른 유형의 가스터빈을 선택하기 위해 다음과 같은 측면이 본 발명에서 고려될 수 있다.
1) 가스터빈은 최소 3대 이상 설치하여야 하며 병렬로 운전하여야 한다.
2) 3개의 가스터빈이 병렬로 작동하여 최고 전력 수요를 충족하고 그 중 2개는 최저 전력 수요를 충족한다.
3) 가스터빈의 높은 열효율은 모든 경우에 유지되어야 한다.
4) HRSG 및 증기터빈은 추가 전력을 공급하기 위해 가스터빈과 통합되어야 한다.
5) 가스터빈과 증기터빈의 운전부하는 각 경우의 총 연료소비를 최소화하도록 최적화되어 있어 유틸리티 시스템의 높은 열효율을 유지한다.
도 9에 나타낸 바와 같이, 상기의 모든 측면을 고려하여 3개의 가스터빈(즉, 2개의 LM 2500+G4 및 1개의 LM 6000 PF+), HRSG 및 2개의 증기터빈(배압 터빈 및 추출 터빈)으로 구성된 탑상 공정의 유틸리티 시스템을 제안한다. 이를 이용하여 가스정의 탑상 공정을 위한 전력을 생산하는 데 사용하는 경우 우수한 열효율을 나타낼 수 있다.
구체적으로, 연료가 주입되는 연료 라인과, 가스가 주입되는 3개의 가스 라인을 포함하고, 상기 3개의 가스 라인은 각각 가스터빈과 연결되어 있다. 상기 가스터빈은 2개의 LM 2500+G4 및 1개의 LM 6000 PF+로 구성될 수 있다. 상기 연료 라인은 각각의 가스터빈으로 연결되고, 상기 3개의 가스터빈은 HRSG와 연결된다. 여기서 상기 연료 라인은 HRSG와 직접적으로 연결될 수 있다. 상기 HRSG는 후단에 위치하는 2개의 증기터빈과 연결되고, 병렬로 연결될 수 있다. 상기 증기터빈은 배압 터빈과 추출 터빈으로 구성될 수 있다. 상기 증기터빈은 탈기기(Deaerator)와 연결될 수 있고, 상기 탈기기는 펌프를 통해 HRSG와 연결될 수 있다. 이때, 상기 증기터빈 중 배압 터빈은 탈기기와 바로 연결될 수 있고, 추출 터빈은 WHRU와 연결되고, WHRU는 펌프와 연결되어 WHRU 및 펌프를 통해 탈기기와 연결될 수 있다. 상기 탈기기는 물 공급 라인과 연결될 수 있다.
가스정의 유틸리티 시스템은 도 9와 같이 Aspen Utilities Planner(AUP)를 사용하여 시뮬레이션될 수 있다. 엔지니어는 AUP를 사용하여 유틸리티 시스템을 설계하고 정상 상태 시뮬레이션을 수행할 수 있다. 또한 AUP는 사용자가 최적화 도구를 사용하여 플랫폼 전체 유틸리티 시스템의 운영 전략을 개발할 수 있도록 한다. 최적화를 위해 혼합 정수 비선형 계획법(mixed integer nonlinear programming, MINLP)을 사용하는 것이 바람직하며, 이를 통해 광범위한 최적화 문제를 처리할 수 있다. 도 9에 나타낸 바와 같이, 가스정의 유틸리티 시스템에는 3개의 가스터빈이 병렬로 설치되며, 특히 작동 케이스 간에 전력 수요가 크게 변하는 경우 각 터빈의 크기를 신중하게 고려해야 한다. 가스정의 탑상 공정은 가열공정이 없기 때문에 배기가스를 활용하기 위해 HRSG와 증기터빈을 설치한다. 연료와 공기는 동력과 배기 가스를 생산하는 가스터빈으로 들어간다. 가스터빈만 설치하면 배기가스가 대기로 배출된다. 반면에 배기가스는 HRSG에서 증기를 생성하는 데 활용된다. 관류식 증기발생기(once-through steam generator, OTSG)는 HRSG의 일종으로 해양플랜트의 중량과 효율 사이에서 여러 면에서 좋은 절충안 역할을 하는 관류식 증기발생기가 시스템에 사용될 수 있지만 OTSG의 효율은 일반적인 HRSG에 비해 낮다. OTSG는 공급수의 예열, 증발 및 과열이 발생하는 연속 튜브 열교환기이다. 기존의 HRSG와 달리 OTSG에는 이코노마이저, 증발기 또는 과열기 섹션과 스팀 드럼이 정의되어 있지 않으며, 상호 장비가 없기 때문에 무게와 공간 면에서 이점이 있다.
배기가스는 HT와 함께 증기를 생성하는 물(H2O)로 열을 전달한다. 증기는 증기터빈을 작동하여 발전하는 데 사용된다. 일반적으로 유틸리티 시스템에서 전력을 생산하기 위해 두 가지 유형의 증기터빈이 사용된다. 해양플랜트에서 사용할 수 있는 증기터빈은 더 작고 무게가 더 가벼운 것이 바람직하다. 반면에 추출 응축 증기 터빈은 추가 전력을 생산하는 데 사용되며 배압 증기 터빈은 탈기기에 LP 증기를 공급하여 보충 H2O를 가열하는 데 사용된다. 추가 전력을 생성한 후 증기는 H2O로 응축되고 펌프를 통해 가압되며 폐쇄 루프에서 다시 HRSG로 들어간다.
유정 프로세스는 가스정 프로세스에 비해 전력 수요량이 많지 않고 변동이 비교적 적다. 이러한 경우에 필요한 전력은 67 MW 내지 88 MW로 나타난다. 또한, 유정의 탑상 공정에는 가열 공정이 있어 열매체를 제공할 수 있다. 따라서 WHRU는 가열 매체로 온수를 생산하는 데 필요하다. 가스정과 동일한 접근 방식에 따라 설치 대상 가스터빈의 총 수와 유형을 고려할 수 있다. 도 10에 본 발명에서 제시하는 유정의 유틸리티 시스템을 나타내었다. 2개의 가스터빈이 병렬로 설치되어 전력 수요를 충족하기에 충분하다. 추가 발전이 필요하지 않기 때문에 증기터빈은 사용되지 않는다. WHRU는 HRSG 및 증기터빈 대신 열매체를 생산하기 위해 설치된다. 배기가스는 WHRU로 들어가고 열이 필요한 곳에 열을 공급하기 위해 열매체가 생성된다.
구체적으로, 연료가 주입되는 연료 라인과, 가스가 주입되는 2개의 가스 라인을 포함하고, 상기 2개의 가스 라인은 각각 가스터빈과 연결되어 있다. 상기 가스터빈은 LM 6000 PC 및 LM 6000 PF+로 구성될 수 있다. 상기 연료 라인은 각각의 가스터빈으로 연결되고, 상기 2개의 가스터빈에서 배출된 고온의 Air는 WHRU와 연결됨으로써 열매체가 생성될 수 있다.
해양플랜트의 유틸리티 시스템 최적화에 대해 설명한다.
탑상 공정에서의 유틸리티 소비와 유틸리티 시스템의 설계 기준을 기반으로 유틸리티 시스템의 운영 조건(즉, 각 가스터빈과 증기터빈의 운전부하)은 가능한 모든 경우를 고려하여 최적화된다. AUP는 MINLP 최적화를 위한 유전 알고리즘을 사용하여 유틸리티 시스템을 최적화하는 데 사용될 수 있다.
최적화의 주요 목적은 최소한의 연료 소비로 발전 효율을 극대화하는 것이다. 하기 표 6에 최적화를 위한 목적 함수와 제약 조건을 나타내었다.
| Objective function | ||
| Fuel consumption [t/h] | LNG | [Fuel type] |
| 49.5 MJ/kg | [LHV] | |
| Optimized Variables | ||
| Each gas turbine load | ||
| Ratio of Extraction / Backpressure turbine operating loads | ||
| Constraints | ||
| Power demand [MW] | Depending on power demands | |
| Parallel generation | 3 in maximum [24] | |
| HRSG pinch temperature | 35 K | |
| Steam conditions | 673.15 K, 26 bar | |
| Steam injection ratio | Between extraction and back-pressure, for deaeration | |
가스터빈에 분사되는 연료는 NG(Nature gas)로 가정하였다. 해양플랜트는 자체적으로 연료를 생산하여 공급한다. 탑상 공정에서 연료 가스의 일부는 유틸리티 시스템에서 사용된다. 유정에서 나오는 NG는 다른 연료에 비해 장점(예: 연소 온도, 불순물 조성, 작동 및 유지 보수)이 있어 연료로 널리 사용된다. 모델링에서는 완전 연소를 가정하였다.
가스터빈과 HRSG는 본 발명에서 주로 최적화를 위해 고려된다. 이러한 장치의 효율성은 조건에 따라 크게 달라질 수 있다. 특히 가스터빈의 효율은 부하에 따라 달라진다. 가스터빈의 높은 열효율을 유지하려면 부하를 높게 유지해야 한다. 또한, 공정에 사용되는 HRSG에서는 증기의 압력과 온도, 그리고 핀치 온도가 효율에 큰 영향을 미친다. 따라서 증기 조건과 핀치 온도는 표 6과 같이 제한된다. 공정에 증기가 필요한 경우 두 증기터빈 사이의 부하 분배는 그에 따라 분리되어야 한다.
유틸리티 시스템의 최적화는 AUP에서 수행될 수 있다. 운영 기간 동안 발생하는 모든 케이스는 유틸리티 시스템의 최적화를 위해 고려될 수 있다. 본 발명에서는 전기를 가져오는 것은 고려하지 않고 연료를 통한 전기 생산만 고려하였다.
하기 표 7에 가스정의 최적화 결과를 나타내었다. 전기 생산, 증기 생산, 연료 소비, CO2 배출 및 효율성을 나타내었다. 표 7은 운영 기간 동안 60 MW 내지 140 MW의 넓은 전력수요를 보여준다. 케이스 1, 케이스 2, 케이스 3은 시작 단계로 원유/가스 생산량이 상대적으로 적어 전력수요가 높지 않다. 그러나 일정 기간이 지나면 운영 조건이 정체 생산 단계로 바뀌고 유틸리티 시스템은 케이스 4, 케이스 5, 케이스 6, 케이스 7, 케이스 8, 케이스 9에 들어가게 된다. 정체 생산 단계는 원유 및 가스 생산 증가로 인해 상대적으로 높은 전력 수요가 필요하다. 감소 단계(즉, 케이스 10, 케이스 11)는 운영 기간의 마지막 단계에 있다. 이들 케이스에서 가스정은 원유 생산량이 적고 전력 수요가 다른 단계에 비해 상대적으로 낮다.
최적화 결과에 따르면 모든 케이스가 전력수요를 만족시키면서 높은 효율을 유지하면서도 운영 기간 동안 전력수요가 급격히 변한다. 단일 발전기의 효율은 38% 내지 41%인 반면 본 발명에서 제시하는 가스정의 최적화된 유틸리티 시스템에 사용되는 CCPP는 49% 내지 52%의 더 높은 효율을 가지고 있음을 확인할 수 있다. 또한, 각각의 경우 열효율이 최대에 도달함에 따라 연료 소비가 감소하고 그에 따라 CO2 배출이 최소화된다.
| Case (Gas well) | Case 1 | Case 2 | Case 3 | Case 4 | Case 5 | Case 6 |
| Electricity [MW] | 75.74 | 73.30 | 74.79 | 133.25 | 113.07 | 139.65 |
| Steam production [t/h] | 65.64 | 63.34 | 64.55 | 118.54 | 95.23 | 123.31 |
| Fuel consumption | 0.147 | 0.147 | 0.147 | 0.143 | 0.139 | 0.142 |
| CO2 emission | 0.405 | 0.405 | 0.406 | 0.394 | 0.382 | 0.391 |
| Turbine load [%](LM2500+G4) | 0 | 0 | 0 | 48.89 | 0 | 63.46 |
| Turbine load [%](LM2500+G4) | 16.89 | 11.69 | 15.03 | 48.89 | 100 | 91.26 |
| Turbine load [%](LM6000 PF+) | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
| Steam injection ratio(Extraction/Backpressure) | 7.66 | 7.66 | 7.66 | 7.66 | 7.66 | 7.66 |
| Efficiency [%] | 49.35 | 49.36 | 49.31 | 50.68 | 52.34 | 51.06 |
| Case 7 | Case 8 | Case 9 | Case 10 | Case 11 | ||
| Electricity [MW] | 140.83 | 119.49 | 146.78 | 72.16 | 87.29 | |
| Steam production [t/h] | 124.29 | 105.9 | 128.56 | 62.12 | 75.43 | |
| Fuel consumption | 0.142 | 0.145 | 0.141 | 0.147 | 0.145 | |
| CO2 emission | 0.355 | 0.400 | 0.387 | 0.405 | 0.398 | |
| Turbine load [%](LM2500+G4) | 91.26 | 100 | 85.5 | 0 | 0 | |
| Turbine load [%](LM2500+G4) | 66.09 | 10.66 | 85.5 | 9.4 | 42.31 | |
| Turbine load [%](LM6000 PF+) | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | |
| Steam injection ratio(Extraction/Backpressure) | 7.66 | 7.66 | 7.66 | 7.66 | 7.66 | |
| Efficiency [%] | 51.16 | 49.91 | 51.64 | 49.32 | 50.22 |
하기 표 8에 유정 케이스의 최적화 결과를 나타내었다. 표 8에는 운영 기간 동안 40 MW 내지 60 MW의 전력 수요가 있다. 케이스 1(리치 오일 케이스)은 케이스 중에서 상대적으로 높은 전력 요구량과 가장 높은 증기 요구량을 나타낸다. 케이스 2(리치 오일 분리 오작동 케이스)는 리치 오일 케이스와 유사한 전력 요구량을 갖지만 다른 경우에 비해 증기 생산량이 현저히 낮아 효율에 차이가 발생할 수 있다. 케이스 3(리치 가스 케이스)도 상대적으로 높은 전력 수요를 나타내지만 증기 생산량은 상당히 낮다. 케이스 4(리치 가스 설계 케이스)는 가장 높은 전력 수요와 낮은 증기 생산을 나타낸다. 케이스 5(리치 액체 케이스)는 리치 가스 케이스와 유사한 결과를 보인다. 케이스 6(리치 물 케이스)은 유정으로부터의 원유 및 가스 생산율이 낮기 때문에 리치 오일의 경우보다 전력수요와 증기생산이 더 적게 요구된다.
최적화 결과에 따르면 유정의 유틸리티 시스템은 41% 내지 58%의 효율을 가지며 전력 수요를 충족한다. 여기서 유정 공정은 공정에 열을 제공하기 위해 열매체를 사용하기 때문에 효율이 변동할 수 있다. 각 케이스의 열효율이 증가함에 따라 CO2 배출을 최소화할 수 있다.
| Case (Oil well) | Case 1 (Rich oil) |
Case 2 (Rich oil separation malfunction) |
Case 3 (Rich gas) |
| Electricity [MW] | 82.45 | 82.67 | 84.55 |
| Hot water [t/h] | 36.48 | 4.38 | 2.25 |
| Fuel consumption | 0.182 | 0.182 | 0.181 |
| CO2 emission | 0.502 | 0.502 | 0.497 |
| Turbine load [%](LM6000 PC) | 100 | 100 | 100 |
| Turbine load [%](LM6000 PF+) | 77.79 | 78.21 | 81.83 |
| Efficiency [%] | 57.51 | 41.98 | 41.34 |
| Case 4 (Rich gas design) |
Case 5 (Rich liquid) |
Case 6 (Rich water) |
|
| Electricity [MW] | 88.39 | 81.37 | 67.84 |
| Hot water [t/h] | 2.24 | 3.31 | 6.35 |
| Fuel consumption | 0.178 | 0.183 | 0.193 |
| CO2 emission | 0.490 | 0.503 | 0.529 |
| Turbine load [%](LM6000 PC) | 100 | 100 | 100 |
| Turbine load [%](LM6000 PF+) | 89.21 | 75.71 | 46.69 |
| Efficiency [%] | 41.88 | 41.36 | 41.31 |
본 발명에서는 Aspen HYSYS 및 AUP를 사용하여 유틸리티 시스템을 개발하였다. 먼저 Aspen HYSYS를 사용하여 해양플랜트의 탑상 공정 시뮬레이션을 개발하였다. 탑상 공정의 작동은 시료 조건에 따라 다르기 때문에 각각의 케이스에 따른 유틸리티 수요가 측정되었다. 유틸리티 소비는 케이스에 따라 크게 다르며 유틸리티 시스템은 전력 수요를 수용하기 위해 AUP를 사용하여 모델링 및 최적화되었다.
유틸리티 시스템은 병렬 가스터빈, 병렬 증기터빈, CCPP, HRSG 및 WHRU를 활용하여 설계되었으며, Aspen HYSYS의 유틸리티 소비 데이터를 기반으로 각 가스터빈 및 증기터빈의 운전 부하와 같은 운전 변수를 최적화하였다. 최적화를 위해 작동 모드 또는 유지 모드의 터빈 수와 작동 모드의 활용율을 최적화하여 터빈의 열 효율을 극대화하고 각 케이스의 총 연료 소비를 최소화한다. 또한 모든 케이스를 고려하여 가스터빈의 크기와 설치 조합을 최적화하였다. Aspen HYSYS와 AUP의 결합은 유틸리티 시스템 모델링 및 최적화에 강력한 성능을 제공한다. 최적화 결과는 설계된 유틸리티 시스템이 최적화되지 않은 경우보다 열효율이 더 높은 것으로 나타났다. 예를 들어, 단일 발전소의 열효율은 41% 미만인 반면 최적화된 유틸리티 시스템은 가스정의 경우 49% 내지 52%, 유정의 경우 41% 내지 58%를 나타낸다. 또한 설계된 유틸리티 시스템은 전체 작동 기간 동안 전력 수요를 수용할 수 있을 만큼 충분히 유연하다. 결과적으로 유틸리티 시스템의 자본 비용, 연료 소비에 대한 운영 비용을 절약하고 그에 따라 CO2 배출량을 줄일 수 있다. 유틸리티 시스템 설계를 위한 이러한 접근 방식은 해양플랜트에 용이하게 적용할 수 있다.
Claims (7)
- 해양플랜트의 유틸리티 시스템 설계 방법으로,
복수 개의 케이스 시나리오를 분석하고, 시뮬레이션하여 케이스 시나리오별 유틸리티 소비 데이터를 도출하는 단계;
도출된 케이스 시나리오별 유틸리티 소비 데이터를 사용하여 유틸리티 시스템을 모델링하는 단계; 및
모델링된 유틸리티 시스템을 혼합 정수 선형 계획법을 이용하여 최적화하는 단계;를 포함하는 해양플랜트의 유틸리티 시스템 설계 방법. - 제1항에 있어서,
케이스 시나리오는 적어도 2개 이상의 가스정(gas well) 케이스 및 적어도 2개 이상의 유정(oil well) 케이스를 포함하는 것인 해양플랜트의 유틸리티 시스템 설계 방법. - 제2항에 있어서,
케이스 시나리오는 11개의 가스정 케이스 및 6개의 유정 케이스를 포함하고,
상기 11개의 가스정 케이스 중 케이스 1은 A 매니폴드에서 고압 및 저온을 갖는 가스 유체만 처리 시설에 도착하는 것이고, 케이스 2는 A 매니폴드에서 고압 및 저온을 갖는 가스 유체만 처리 시설에 도착하여 최대 액체 흐름을 생성하는 것이고, 케이스 3은 A 매니폴드에서 고압 및 고온을 갖는 가스 유체만 처리 시설에 도착하는 것이고, 케이스 4는 A 매니폴드에서 저압 및 저온을 갖는 가스 유체만 처리 시설에 도착하는 것이고, 케이스 5는 A 매니폴드에서 저압 및 저온을 갖는 가스 유체가 처리 시설에 도착하고 하나의 처리 시설 공정열에서 처리되는 것이고, 케이스 6은 A 매니폴드에서 저압 및 저온을 갖는 가스 유체가 하나의 처리 시설 공정열에 도착하고 B 매니폴드에서 저압 및 저온을 갖는 가스 유체가 두 개의 처리 시설 공정열에 도착하는 것이고, 케이스 7은 A 매니폴드에서 저압 및 고온을 갖는 가스 유체만 처리 시설에 도착하는 것이고, 케이스 8은 A 매니폴드에서 저압 및 고온을 갖는 가스 유체가 처리 시설에 도착하고 두 개의 처리 시설 공정열에서 처리되는 것이고, 케이스 9는 A 매니폴드에서 저압 및 고온을 갖는 가스 유체가 하나의 처리 시설 공정열에 도착하고 B 매니폴드에서 저압 및 고온을 갖는 가스 유체가 두 개의 처리 시설 공정열에 도착하는 것이고, 케이스 10은 B 매니폴드에서 저압 및 저온을 갖는 가스 유체만 처리 시설에 도착하여 두 개의 처리 시설 공정열에서 처리되는 것이고, 케이스 11은 B 매니폴드에서 저압 및 고온을 갖는 가스 유체만 처리 시설에 도착하여 두 개의 처리 시설 공정열에서 처리되는 것이고,
상기 6개의 유정 케이스 중 케이스 1은 석유 추출속도가 최대에 도달한 리치 오일(rich oil)의 케이스이고, 케이스 2는 리치 오일 분리 오작동 케이스이고, 케이스 3은 최대 가스 생산률을 갖는 리치 가스(rich gas)의 케이스이고, 케이스 4는 리치 가스 설계 케이스로, 연료 가스를 글리콜 접촉기의 다운스트림에서 가져온 것이고, 케이스 5는 총 액체가 최대인 리치 액체(rich liquid) 케이스이고, 케이스 6은 생상되는 물의 양이 최대인 리치 물(rich water) 케이스인 것을 특징으로 하는 해양플랜트의 유틸리티 시스템 설계 방법. - 연료가 주입되는 연료 라인;
가스가 주입되는 3개의 가스 라인;
상기 3개의 가스 라인 각각과 연결된 3개의 가스터빈;
상기 3개의 가스터빈과 연결된 열회수 증기 발생기(HRSG);
상기 열회수 증기 발생기와 병렬로 연결된 2개의 증기터빈; 및
상기 2개의 증기터빈과 연결된 탈기기(Deaerator);를 포함하는 제1항의 해양플랜트의 유틸리티 시스템 설계 방법으로 설계되는 해양플랜트의 유틸리티 시스템. - 제4항에 있어서,
가스터빈은 2개의 LM 2500+G4 및 1개의 LM 6000 PF+로 구성되고,
증기터빈은 배압 터빈과 추출 터빈으로 구성되는 것인 해양플랜트의 유틸리티 시스템. - 연료가 주입되는 연료 라인;
가스가 주입되는 2개의 가스 라인;
상기 2개의 가스 라인 각각과 연결된 2개의 가스터빈; 및
상기 2개의 가스터빈과 연결된 폐열 회수 장치(WHRU);를 포함하는 제1항의 해양플랜트의 유틸리티 시스템 설계 방법으로 설계되는 해양플랜트의 유틸리티 시스템. - 제6항에 있어서,
가스터빈은 LM 6000 PC 및 LM 6000 PF+로 구성되는 것인 해양플랜트의 유틸리티 시스템.
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