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(서울대학교, 서울대학교 대학원)

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최근 호주와 미국을 비롯한 국가들의 비 전통가스전 개발이 증가함에 따라 lean 가스필드에 대한 수요가 점차 증가하고 있으며 따라서 조성이 lean 한 조건하에서의 NGL 회수공정 및 LNG 공정에 대한 성능 및 경제성 재평가가 필요할 것으로 예상된다. 본 논문은 다양한 NGL 회수 공정과 액화공정 그리고 NGL/LNG 통합 공정에 대하여 HHV 스펙을 고려한 공정최적화 및 경제성평가를 진행하고 비교 분석하였다.
NGL회수공정은 네 가지 서로 다른 공정들에 대하여 다양한 lean가스조성 하에서 공정성능 및 경제성평가를 진행하였다. 그 중 ISS 와 IPSI 공정은 전통 feed 조건하에서의 대표적인 공정인 반면에 HHC separator 와 scrub column 은 장치수를 최소화하여 단순한 공정도를 가진 공정들로 feed 조성이 lean 할 경우 강점을 가질 것으로 예상되는 공정이다. 공정성능평가 결과 비교적 많은 장치를 사용하여 복잡한 공정도를 가지고 있는 IPSI 공정이 가장 좋은 분리효율을 가지고 있으므로 다른 공정들에 비해 가장 적은 재료비를 사용하였다. 그러나 상대적으로 높은 자본투자가 IPSI 공정의 전체적인 경제성에 더 큰 영향을 주었다. 가장 단순한 공정인HHC separator 공정은 다른 공정들 대비 가장 적은 자본투자비를 보였지만 상대적으로 좋지 않은 분리효율로 인하여 가장 많은 재료비를 사용하였다. 자본투자비용 및 운전비용 등 전반적인 경제성을 고려 했을 경우 ISS 공정이 feed GPM 값이 2.5로 근접할 때 가장 좋은 경제성을 보였고 scrub column 공정은 feed 조성이 일정하게 lean 할 경우 다른 공정들 대비 가장 좋은 경제성을 보였다. 이는 전반적인 경제성측면에서 봤을 때 조성이 일정하게 lean 할 경우에는 상대적으로 복잡한 ISS 공정이나 IPSI 공정보다도 scrub column 공정을 NGL 회수 공정으로 사용하는 것이 더 유리함을 보여 준다.
해상용 천연가스 액화공정의 경우 제한된 공간 및 안전성 등 원인으로 인하여 일반적으로 육상보다 더 복잡한 선정기준을 가지고 있다. 예를 들어 육상에서 최대 점유율을 보이고 있는 C3MR 액화공정은 상대적으로 많은 공간 필요 및 공정안전성에 영향을 주는 많은 양의 프로판 성분을 필요로 하고 있으며 이로 인하여 해양 플랫폼에는 실제 사용 된 경우가 없다. 본 논문은 해상에서 사용 가능한 하나의 N2 엑스펜다 공정, 두 가지 종류의 단일혼합냉매 공정 (SMR) 및 세가지 타입의 듀얼혼합냉매 공정 (DMR) 등 총 6가지 타입의 공정들에 대해 공정성능 및 경제성평가를 진행하였다. N2 엑스펜다 공정은 비가연성인 질소를 단일냉매로 사용하므로 플랜트 운전측면 및 안전성 측면에서 강점을 가지고 있지만 다른 공정들 대비 가장 좋지 않은 효율을 보이는 것으로 알려져 있다. DMR 공정은 두 개의 혼합냉매를 사용하므로 N2 엑스펜다 및 SMR 공정보다 더 좋은 효율을 보이고 트레인당 용량도 가장 크므로 상대적으로 큰 용량의 액화공정 선정에 사용가능하다. 반면에 상대적으로 많은 장치를 사용하므로 복잡한 공정도를 가지고 있고 따라서 가장 큰 투자비를 필요로 한다. SMR 공정은 N2 엑스펜도 와 DMR 공정의 사이의 공정성능을 보인다. 성능 및 경제성평가 결과 N2 엑스펜더 공정이 다른 공정들 대비 가장 낮은 효율과 수익성을 보였다. SMR 2 공정은 가장 적은 투자비와 payout time 을 보였고 DMR base 공정이 다른 공정들 대비 높은 액화효율을 보여주었고 따라서 가장 높은 수익성과 가장 적은 운전비용을 필요로 하였다. SMR 2 공정은 투자비측면에서 가장 좋은 경제성을 보였고 DMR base 공정은 상대적으로 복잡한 공정도를 가지고 있어 높은 초기 투자비를 보이지만 높은 액화효율을 가지고 있어 운전비용 측면에서 다른 공정들 대비 강점을 가지고 있으므로 해상용 액화공정 선정 시 프로젝트 상황에 따라 SMR 2 공정 또는 DMR base 공정을 액화공정 후보로 고려할 수 있다.
통합공정은 본 논문에서 제안 한 두 개의 최대한 장치수를 간소화 한 NGL/LNG 통합공정과 전통적인 통합공정을 feed 가 lean 한 조성 하에서 LNG HHV 스펙을 고려하여 성능 및 경제성을 비교 분석하였다. 액화공정 파트는 SMR 2 공정과 DMR base 공정을 각각 사용하였고 유전자 알고리즘을 공정 글로벌 최적화에 적용하여 공정 최적운전조건을 도출하였다. 공정 최적화 결과 제안 한 Case 1 공정이 전통공정에 대비 액화효율은 조금 낮았지만 NGL회수 공정부분 장치를 최대한 줄임으로 인하여 상당히 낮은 자본투자비를 보였다. 또한 전반적인 경제성 측면에서도 Case 1 공정이 가장 좋은 성능을 보여주었다. 액화공정에 SMR 를 사용한 Case 2 공정의 경우에는 비교 분석한 세 개의 공정 중에서 가장 낮은 자본투자비를 보였으나 운전비 측면에서 다른 공정들 대비 비교적 큰 차이를 보여 전반적인 경제성 측면에서는 좋지 않았다. 하지만 플랜트 운영기간이 15개월보다 짧을 경우에는 가장 좋은 수익성을 보여주었다. 그러므로 제안된 Case 2 공정은 플랜트 운전기간이 짧은 peak shaving 플랜트 또는 feed reservoir 수명이 짧은 해양플랜트에 적용하면 전체 투자비를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 전체 수익성 측면에서 유리하여 NGL/LNG 통합 공정 선정 시 하나의 좋은 공정옵션으로 고려할 수 있음을 보여주었다.
#economic evaluation #NGL recovery #liquefaction process #lean feed

목차

  1. Abstract i
    Contents iv
    List of Figure vi
    List of Tables viii
    CHAPTER 1. Introduction 1
    1.1. Research motivation 1
    1.2. Research objectives 3
    1.3. Outline of the thesis 3
    CHAPTER 2. Economic evaluation of the conventional NGL recovery and liquefaction processes 5
    2.1. Evaluation of the representative NGL recovery processes considering LNG HHV specification 5
    2.1.1. Overview 5
    2.1.2. Process selection and description 9
    2.1.3. Design criteria and specifications 19
    2.1.4. Economic evaluation 23
    2.1.5. Profitability analysis 28
    2.1.6. Total annualized cost (TAC) optimization 28
    2.1.7. Results and discussion 41
    2.1.8. Summary 48
    2.2. Optimization and economic analysis of natural gas liquefaction processes for offshore units 49
    2.2.1. Overview 49
    2.2.2. Process description 51
    2.2.3. Results and discussion 65
    2.3. Evaluation of a representative NGL/LNG integrated process considering LNG HHV specification 81
    2.3.1. Overview 81
    2.3.2. A conventional integrated process description 84
    CHAPTER 3. The proposed integrated processes under the lean feed conditions 87
    3.1 Overview 87
    3.2 The proposed integrated process description 88
    3.2.1. The proposed integrated process with DMR cycle 88
    3.2.2. The proposed integrated process with SMR cycle 91
    3.3 Feed compositions and specification 93
    3.4 Liquefaction efficiency analysis 96
    3.5 Economic evaluation 99
    3.6 Results and discussion 99
    3.7 Summary 109
    CHAPTER 4. Concluding Remarks 111
    4.1. Conclusions 111
    4.2. Future works 113
    References 114
    Nomenclature 123
    Abstract in Korean (국문초록) 125

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