선상 운전을 고려한 LNG 운반선 재액화 시스템 설계 최적화

Abstract

LNG 운반선은 영하 160 oC으로 저장되어 운반되는 LNG의 특성상 외부 열유입으로 인한 Boil-off Gas (BOG)를 일정 부분 허용할 수밖에 없으며, 이에 따라 BOG를 효율적으로 처리할 수 있는 방안이 필요하다. 과거 연료로 쓰고 남은 BOG를 소각 처리 방식에서 최근에는 재액화를 통하여 회수하는 방식이 연구되고 설계에 적용되고 있다. BOG 재액화 시스템은 액화 타입의 선정, 가스 추진 시스템과 연계, 실제 운항 환경을 고려해야 하며, 또한 선박 적용에 적합해야 한다. 기존 연구사례를 살펴보면 재액화 시스템의 액화공정 타입으로 N2를 냉매로 사용하는 Reverse Brayton 사이클이 많이 적용되었으나 새로운 공정에 대한 연구는 상대적으로 부족하였다. 한편으로는 재액화 시스템이 설계용량 조건에서만 주로 검토가 되었기 때문에 다이나믹한 선상 운전을 반영하지 못한 한계가 있었다. 따라서 본 연구에서는 효율이 개선된 Single Mixed Refrigerant (SMR) 공정을 대상으로 하고, 재액화 시스템의 부하 측면에서BOG 재액화 양의 변동성을 고려한 시스템 설계 최적화를 수행하고자 하였다. 연구 대상으로는 미국 남동부 LNG 수출터미널에서 국내 LNG 수입터미널을 왕복하는 174,000 m3급 LNG 운반선을 선정하였다. BOG 발생량과 LNG 운항속도에 따른 BOG 소모량을 고려하여 회차별 운항에 따른 잔여 BOG의 양을 계산하였고, 100%, 65%, 20% 조건에 해당하는 재액화 유량과 가동시간을 시스템 운영 조건을 정의하였다. 이를 기반으로 공정 및 비용 모델링을 구성하였으며, 설계 및 비용 파라미터의 경우 유사 연구의 사례를 검토하여 선정하였다. 최적화 프레임워크의 경우는 목적함수는 시스템의 순현재가치를 최대화하는 문제로 정의하였고, 설계변수는 냉매 조성 5가지와 각 운전모드별 냉매 유량과 최고 및 최적 압력으로 하였다. 더불어 설계 부하뿐만 아니라 부분 부하 조건에서도 장비 운영 특성을 반영하도록 제약 조건을 구성하였다. 특히, 냉매 압축기의 저부하 운전에서 냉매 재순환 운전에 따른 2상 유동 발생 및 에너지 효율 저하의 문제를 시스템 성능 평가에 반영하였다. 시스템 최적화는 공정 시뮬레이터에 유전자 알고리즘을 적용하여 개선된 설계값을 탐색하는 것으로 제안하였다. 민감도 분석을 통하여 SMR 재액화 시스템에 대한 기준 케이스를 선정하였으며 최적화 프레임워크 적용을 위한 초기 해로 사용하였다. 최적화를 통하여 100% 설계조건에서 재액화 효율 (Specific Energy Consumption)이 678.1 kWh/ton인 시스템 설계조건을 찾을 수 있었다. 또한 부분부하 조건을 고려할 때, 연간 에너지 사용 비중이 큰 20% 부하 조건에서도 시스템이 상당 부분 개선이 된 것을 확인하였다. 이는 운전 압력 범위를 줄이면서 순 냉매의 양을 늘려서 최종적으로 냉매 재순환을 최소화하는 방향이었다. 최종적으로는 10%의 할인율 조건에서 순현재가치가 양인 결과를 확보하였다. 더불어, 제어성능 및 냉매 충전과 같이 실제 운영상에 있어 다른 요구사항을 감안하여 최적화 프레임워크에 제약 조건을 추가하여 최적화를 진행하였다. 제약 조건이 증가하면서 수익 감소가 발생하였으나, 재액화 시스템의 운전 압력을 동일하게 가져가는 제어성능을 고려한 케이스는 여전히 양의 순현재가치를 나타내어 고려 가능한 설계 조건임을 확인하였다. 마지막으로 본 연구는 BOG 재액화 시스템의 설계 및 운전 조건을 기존에 공개된 연구자료에 기반한 바, 실제 운영 환경을 고려하여 제안한 최적화 프레임워크를 적용한다면 조금 더 실용적인 결과를 확보할 수 있을 것으로 기대한다.

In the last decades, a re-liquefaction process of BOG for LNG carriers has been actively studied, taking into account propulsion options. This paper presents the optimization of an onboard system that uses single mixed refrigerant (SMR) to re-liquefy boil-off gas (BOG) for liquid-natural gas (LNG) carriers, considering partial load requirement according to the operational profile. The amount of excess BOG varies depending on fuel consumption, which is determined by the ship’s speed. Therefore, the optimization must consider equipment characteristics at partial load as well as at design load. Three operational loads are defined for a 174,000 m3 LNG carrier that uses an SMR re-liquefaction system. Optimization to maximize net present value is performed using a genetic algorithm. The optimal result indicates an energy consumption of 678.1 kWh/ton LNG at design load can be achievable, at which the net present value is $US 0.76 million for the given operating conditions.