LNG 과냉각 시스템 최적 설계 및 경제성 평가 = Optimal Design and Economic Evaluation of an LNG Subcooling Process

국문 초록 (Abstract)

대규모 액화천연가스(LNG) 운송 과정에서 발생하는 증발가스(Boil-Off Gas, BOG)는 화물탱크의 압력을 상승시켜 운전 안전성을 저하시킨다. 기존의 BOG 재액화 시스템 및 LNG 과냉각 공정은 플래시 가스 발생과 압축 과정에서의 다상 유동 등 구조적인 한계를 지니고 있으며, 이로 인해 공정 효율 저하 및 장비 신뢰성 문제가 발생한다. 본 연구에서는 이러한 한계를 극복하기 위해 기체–액체 분리 압축과 이중 팽창 개념을 적용한 과냉각 기반 고효율 BOG 처리 공정을 제안하였다. 제안된 공정에 대해 Aspen HYSYS를 이용한 공정 모델링 및 시뮬레이션을 수행하였으며, 입자군집최적화(Particle Swarm Optimization, PSO) 알고리즘을 적용하여 운전 변수를 최적화함으로써 성능지표인 성능계수(Coefficient of Performance, COP)를 최대화하였다. 또한, 각 Case에 대해 연간 총 비용(Total Annual Cost, TAC)을 산정하여 공정 성능을 종합적으로 평가하였다. 분석 결과, 제안된 공정은 기존 질소 냉매 기반 BOG 재액화 시스템 대비 COP를 68% 향상시켰으며, 기존 혼합 냉매 기반 LNG 과냉각 공정과 비교하더라도 약 6.8%의 성능 개선을 보였다. 이러한 성능 향상은 기체–액체 분리 압축을 통한 에너지 소비 저감과 이중 팽창 적용에 따른 열교환 효율 개선에 기인한 것이다. 더 나아가, TAC 분석 결과 연간 약 200만 달러 규모의 비용 절감 가능성이 확인되었다. 결론적으로, 본 연구에서 제안한 공정은 LNG 증발가스 관리 측면에서 에너지 효율과 경제성을 동시에 확보할 수 있는 경쟁력 있는 대안을 제시한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The Boil-Off Gas (BOG) generated during large-scale Liquefied Natural Gas (LNG) transport increases storage tank pressure and compromises operational safety. Conventional BOG re-liquefaction and LNG subcooling systems face structural issues, including flash gas formation and multi-phase flow during compression, leading to reduced efficiency and equipment reliability. This study aims to introduce a high-efficiency BOG treatment process that addresses these limitations by adopting a subcooling configuration with vapor-liquid separation compression and dual-expansion to enhance energy performance and safety. Process modeling and simulation were performed by using Aspen HYSYS and operating variables were optimized through the Particle Swarm Optimization algorithm to minimize the Coefficient of Performance (COP). Additionally, the Total Annual Cost (TAC) for each case was analyzed to provide a comprehensive evaluation of system performance. Results show that the proposed process improves COP by 68 % compared to a conventional BOG re-liquefaction system and by 6.8 % over an existing LNG subcooling process. These improvements result from reduced energy consumption enabled by phase-separation compression and enhanced heat exchange efficiency through dual expansion. Additionally, TAC analysis indicates potential annual cost savings of approximately $2 million. In conclusion, the proposed system offers a more efficient and economically competitive solution for LNG BOG management.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 제 1 절 연구배경 1
• 제 2 절 액화천연가스의 특성과 수송 1
• 제 3 절 선행 연구 및 연구 필요성 2
• 제 4 절 연구 목적 3
• 제 2 장 배경이론 4
• 제 1 절 상태 방정식 4
• 제 2 절 엑서지 효율 5
• 제 3 절 열교환기 면적 6
• 제 4 절 성능지표 7
• 제 1 항 성능계수(COP) 7
• 제 2 항 특정 전력소비량(SPC) 7
• 제 5 절 BOG 재액화 시스템 8
• 제 1 항 린데-햄슨 사이클(L-HC) 8
• 제 2 항 역브레이튼 사이클(RBC) 9
• 제 3 항 혼합냉매 사이클(SMR) 10
• 제 6 절 LNG 과냉각 시스템 11
• 제 1 항 역브레이튼 과냉각 사이클(RBC-SLNG) 12
• 제 2 항 혼합냉매 과냉각 사이클(MR-SLNG) 13
• 제 7 절 입자 군집 최적화 알고리즘 15
• 제 8 절 유전 알고리즘 17
• 제 9 절 경제성 평가 19
• 제 3 장 연구 수행 내용 21
• 제 1 절 상태 방정식 검증 21
• 제 2 절 대상 공정 사양 23
• 제 3 절 모델링 및 공정 모사 25
• 제 4 절 공정 최적화 29
• 제 5 절 공정 별 경제성 평가 31
• 제 4 장 결과 및 분석 32
• 제 1 절 상태 방정식 검증 결과 32
• 제 2 절 최적화 결과 34
• 제 3 절 결과 분석 36
• 제 4 절 경제성 평가 결과 41
• 제 5 장 결론 43
• 참고문헌 45
• Abstract 51