LNG 연료 선박의 연료공급 시스템의 공정 설계 및 제어 특성 분석

Process Design and Control Characteristics Analysis of LNG Fuel Gas Supply System for LNG Fueled Ships

Abstract

Utilizing boil-off gas (BOG) from LNG tanks as fuel for ships enhances LNG storage efficiency and complies with environmental regulations. In LNG-fueled vessels, regasification processes are employed in the fuel gas supply system. This study simulated LNG heating using an ethylene glycol aqueous solution as a heat source with Aspen HYSYS. The flow rate of the ethylene glycol aqueous solution was calculated to match the energy required to heat LNG under varying engine load conditions. The flow rate range was determined by restricting the temperature drop of the ethylene glycol aqueous solution according to engine load. Based on these calculations, an appropriate performance curve and control coefficients for the ethylene glycol solution pump were derived to regulate the flow rate effectively.

1. 서론

천연가스 대량 수송을 위해서 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, 이하 LNG) 형태로 선박으로 운송하는 것이다 [1]. 극저온의 LNG를 저장하는 탱크는 외부가 상온에 노출되어 있어, LNG 증발 가스(Boil Off Gas, 이하 BOG)가 발생한다. BOG는 LNG 저장 효율을 감소시키고, 외부 누출 시 천연가스는 온실가스로 분류되기 때문에 환경적 규제 대상이 된다 [2–5]. 국제해사기구(International Martime Organization, 이하 IMO)에서 해양생태계로의 SOx, NOx, 온실가스(Green House Gas, 이하 GHG) 배출을 제한하는 것이 대표적인 예이다 [6–9]. 이러한 국제 규제에 대응하여 LNG를 연료로 사용하는 LNG 연료 추진 선박(LNG Fuelled Ship)으로 선박을 건조하고 있으며, 이는 배출되는 BOG를 주 엔진의 연료로 사용하는 것이다 [10–12]. LNG 연료 추진 선박에서 연료 가스 공급 시스템(Fuel Gas Supply System, 이하 FGSS)은 선박에 LNG를 연료로 사용하기 위해 선박 탱크의 LNG와 BOG를 엔진에 공급하는 시스템이다 [13]. 기화된 LNG와 BOG는 재기화(Regasification) 공정을 통해 온도를 상온으로 상승시켜 엔진 연료로 사용된다 [14]. 재기화 공정에는 기화기(Vaporizer) 또는 열교환기, 펌프, 히터 그리고 열원의 종류에 따라 스팀 제너레이터 또는 순환펌프 등으로 구성되어 있다. 사용되는 열원의 종류에는 해양에서 쉽게 공급 가능한 해수를 사용하거나, 해수를 기반으로 한 스팀 또는 에틸렌글리콜을 혼합한 부동액이 사용된다 [15–18]. Table 1에 해수 기반 열원을 사용하는 선행 연구 결과를 나타내었다. Kim et al.은 스팀 보일러로 스팀을 생산하여 LNG를 직접 가열하는 방법과, 스팀으로 에틸렌글리콜을 가열하고, 가열된 에틸렌글리콜이 LNG를 가열하는 방법을 제안하였다 [15]. Bao et al.은 해수 직접 가열 방식과 Organic Rankine Cycle을 결합한, 2단 응축 랭킨 사이클 방식으로 기존 공정보다 기화량 및 열효율이 증가한 공정을 제안하였다 [16]. Wang et al.은 LNG가 에틸렌과 프로판을 냉각하여 냉열 에너지를 회수하여, 랭킨 사이클 발전 시스템을 고안하였다. 위 공정에서 해수는 에틸렌과 프로판을 가열하여, 공정을 지속하는 역할을 하였다 [17]. Jeong et al.은 외부 압력 축적 장치(External Pressure Build Up Unit)를 LNG 탱크 내부에 기화기와 함께 설치하여, 공간 효율성과 LNG 누출에 대한 안정성을 확보한 재기화 공정을 제안하였다.

Table 1. Research of regasification for BOG treatment using sea water as heat source.

이 공정은 에틸렌글리콜 수용액이 탱크 내부에 위치한 기화기로 이동하여 LNG를 가열한다 [18]. 대부분의 연구는 정격 상태를 기준으로 공정 계산을 수행하였으나, 실제 FGSS에서는 엔진의 부하상태가 변화하거나 BOG의 발생량이 달라지는 경우 재기화 공정에서 필요로 하는 가열에너지가 달라진다. 따라서 본 논문에서는 물과 에틸렌글리콜의 혼합용액을 열원으로 한 재기화 공정을 Aspen Hysys로 시뮬레이션한 다음, 재기화 공정에서 필요한 가열 에너지에 상응하도록 에틸렌글리콜 수용액의 유량을 계산하였다. 해당 계산 결과를 근거로 에틸렌글리콜 수용액 펌프의 성능곡선을 도출하고, 유량을 제어하였다.

2. 열역학적 분석 및 공정설계 방법

Fig. 1은 에틸렌글리콜 수용액을 열원으로 한 LNG 재기화 공정을 나타내었다. LNG Tank에서 발생된 LNG inlet stream은 LNG 기화기(Vaporizer)로 이동하여 에틸렌글리콜 수용액과 열교환을 한다. 35℃로 가열된 LNG outlet stream은 주 엔진(main engine)의 연료로 사용된다.

Fig. 1. Block diagram of BOG regasification process in FGSS.

EG inlet stream은 에틸렌글리콜 수용액이 55℃로 가열된 상태로 LNG 기화기(vaporizer)로 이동하는 Stream이며, LNG와 열 교환한 다음, EG outlet stream으로 나온다. 에틸렌글리콜 수용액은 순환하고 있으며, 순환 공정에는 Fig. 2와 같이 펌프와 히터 등으로 구성되어 있다. 펌프는 유량계로부터 신호를 받아, 목표로 하는 유량에 도달할 수 있도록 RPM을 조절할 수 있다.

Fig. 2. Schematic diagram of ethylene glycol solution circulation system.

조절된 에틸렌글리콜 수용액 유량은 히터로부터 열량을 공급받아 55℃로 가열된다.

Fig. 1과 Fig. 2의 공정을 모사하기 위해서 Aspen Hysys을 사용하였다. Aspen Hysys는 정유, 석유화학, 천연가스 처리, 화학 공정등의 산업에서 사용되는 공정해석프로그램이며, LNG 해상 운송과 BOG와 관련된 공정 해석에도 사용된다[19,20]. BOG 시뮬레이션에서 실제기체 및 기액 평형, 기액 특성 예측을 위해 선행연구에서 열역학 상태방정식으로 Peng-Robinson 모델을 채택하였으며, PR방정식은 아래 식 (1)∼(4)와 같이 표현된다. [19,20,21]

\(\begin{align}P=\frac{R T}{V_{m}-b}-\frac{a \alpha}{V_{m}^{2}+2 b V_{m}-b^{2}}\end{align}\)       (1)

\(\begin{align}a=\frac{0.45724 R^{2} T_{c}^{2}}{P_{c}}, b=\frac{0.0778 R T_{c}}{P_{c}}\end{align}\)       (2)

\(\begin{align}T_{r}=\frac{T}{T_{c}}\left(0.37464+1.54226 w-0.26992 w^{2}\right)\left(1-T_{r}^{0.5}\right)^{2}\end{align}\)       (3)

\(\begin{align}T_{r} = \frac{T}{T_c}\end{align}\)       (4)

P:압력(Pa), T:절대온도(K), V_m:몰 부피 (m³mol^-1), Pc:임계압력(Pa), Tc:임계온도 (K), ω: 이심인자(Acentric factor), R: 기체상수 (8.314Jmol^-1K-¹⁾ 시뮬레이션에서 사용된 LNG의 조성과 온도, 압력, 유량 등의 공정 조건을 Table 2와 Table 3에 나타내었다.

Table 2. LNG composition

Table 3. Simulation conditions.

3. 결과

2ton/min 이상의 에틸렌글리콜 수용액을 이송하기 위해, Aspen Hysys에서 펌프를 시뮬레이션하였다. 추가적으로 펌프는 에틸렌글리콜 수용액의 유량 0.25∼2.5ton/min (Table 3의 공정조건 참조)을 토출 가능하도록 설정 되어있다. Fig. 3의 시뮬레이션 결과와 같이, 펌프는 0.33∼5.6ton/min의 범위의 유량을 토출하며, 1700∼3000범위의 RPM을 조절하여 유량을 제어할 수 있다.

Fig. 3. The capacity of ethylene glycol discharge flowrate as a function of pump operating RPM.

Fig. 4와 Fig. 5에서는 펌프의 소모 동력과 펌프 효율을 나타내었다. 펌프에 사용되는 동력은 4.55∼54.49kW 이 소모되었으며, 토출 유량이 2ton/min 일 때 70% 최대효율을 보여주었다. 펌프의 유량은 RPM으로 제어되며, 2ton/min 이상의 에틸렌글리콜 수용액이 55℃로 유지되어 기화기로 도입된다. Fig. 2와 같이 FGSS 공정에서 LNG 열원으로 사용되는 에틸렌글리콜 수용액은 펌프, 히터, 제어기로 구성되어 있다.

Fig. 4. The consumed power of pump according to the operating RPM.

Fig. 5. The efficiency of pump according to the operating RPM.

제어기는 펌프 유량을 RPM으로 조절하는 제어기와 에틸렌클리콜 수용액의 온도를 측정하고 가열하는 제어기가 구성되어 있다. 각각의 제어기는 PID 기본 제어 식 (5)에 의해 계산된다.

\(\begin{align}\text {output (t)}=K_{C}\left[E(t)+\frac{1}{T_{i}} \int E(t) d t+T_{d} \frac{d}{d t} E(t)\right]\end{align}\)       (5)

여기서 output(t)는 시간에 따른 결과값이고, E(t)는 편차(error)이다. 그리고 설정해야 될 값으로는 비례계수인 K_c(Controller gain)와 적분계수인 T_i(Reset action)와 미분계수인 T_d(Derivative Action)이 있다. 시뮬레이션에 사용한 파라미터는 Table 4에 나타내었다. Table 4에서 T_d 항이 0이며, 본 논문의 공정조건에서는 PI제어형태로 제어기의 동작을 확인하였다. FGSS에서의 엔진부하 및 BOG 발생량 변화에 따라 재기화에 필요로 하는 가열에너지가 다르기 때문에, LNG 유량에 따른 가열에너지의 계산이 필요하다. 0.9∼9ton/h 범위의 LNG유량에서 -161.4℃, 31MPa의 LNG가 35 ℃로 가열되는데 필요한 에너지를 Fig. 6에 나타내었다.

Table 4. control parameters.

Fig. 6. Load (required energy) of vaporizer to heat the LNG flowrate to 35 ℃.

필요한 에너지는 Aspen Hysys로 계산하였으며, 비열, 유량, 온도차이의 곱으로 계산되었다. LNG 유량이 증가할수록 가열에너지가 증가하였으며, Table 3의 공정 조건인 LNG 유량 범위 0.9∼9ton/h에서 LNG를 가열하는 데 필요한 에너지는 164.2∼1642kW이다. Fig. 6의 결과로부터 도출한 추세식은 LNG 유량 값(단위ton/h)에 182.5를 곱하여 가열에너지(단위kW)를 계산할 수 있다.

Fig. 6의 결과로부터 부하 변동에 따라 가열에너지가 164.2∼1642kW로 요구되었다. 이러한 가열 에너지 범위에서 55℃의 에틸렌글리콜의 유량을 0.25∼25ton/min 범위 내에 조절하여, 출구측 온도를 계산하여 Fig. 7에 나타내었다.

Fig. 7. Outlet temperature variation with flow rate of ethylene glycol solution by load (inlet temperature : 55 ℃).

유량이 감소할수록 출구측 온도의 감소가 증가하며, 최대 부하(1642kW)에서 출구측 에틸렌글리콘의 온도는 2.5ton/min에서는 41.7℃, 2ton/min에서 38.3℃, 1.5 ton/min에서 32.6℃, 1ton/min에서 21.1℃를 보여주었다. 하지만 0.5ton/min에서는 –14.5℃가 나타났으며, 해당 유량에서는 운용이 불가능하다. 따라서 Fig. 7의 점선 아래에서는 운용이 불가능한 영역이며, 제시된 부하 조건(164.2∼1642kW)에서는 유량의 제어가 필요하다. 예를 들어 0.5ton/min으로 에틸렌글리콜을 순환할 때, 500kW 이상에서는 유량을 증가시켜야 한다. 특히 최대부하(1642kW)에서는 적어도 2ton/min 이상의 에틸렌글리콜 수용액을 사용해야 한다.

4. 결론

LNG 운송선에서 LNG 저장효율을 증가시키고 환경적 규제에 대응하는 방법은 LNG 탱크에서 배출되는 BOG를 선박의 연료로 사용하는 것이다. 본 연구에서는 BOG와 LNG의 일부를 35℃로 가열하는 재기화 공정에 필요한 열원을 55℃의 에틸렌글리콜 수용액으로 하였다. 펌프, 제어기, 열교환기 등으로 구성된 재기화공정과 에틸렌글리콜 수용액 순환 펌프를 Aspen Hysys로 시뮬레이션하였다. 펌프는 0.33∼5.6ton/min의 범위의 유량을 1700∼3000RPM으로 제어하고 이 때 소모전력은 4.55∼54.49kW로 계산되었으며, PID 제어기로 운용하였다. 주엔진에 필요한 LNG의 유량을 35℃로 가열하는 데 필요한 에너지를 164.2∼1642kW로 계산하였다. 이에 상응하는 에너지를 55℃, 0.5∼2.5ton/min 범위의 에틸렌글리콜 수용액으로부터 배출되었을 때 감소되는 온도를 계산하였다. 계산 결과 천연가스의 온도를 35 ℃로 유지하기 위한 에틸렌글리콜의 유량조건을 확인하였으며, 최대부하(1642kW, LNG 유량 2.5ton/min)에서의 결과를 Table 5에 나타내었다. 최대 부하에서는 적어도 2ton/min 이상의 에틸렌글리콜 수용액을 사용해야 한다.

Table 5. Process simulation results at LNG flow rate 2.5 ton/min.

후기

본 연구는 2023년도 과학기술정보통신부의 재원으로 2023년도 연구개발특구육성사업의 지원을 받아 수행된 연구임. (2023-BS-RD-0002)