Current Issue

일반적인 유기 랭킨 사이클 시스템은 중저온(70~400℃) 범위의 열원에서 높은 에너지 변환 효율을 얻기 위해 물보다 더 낮은 온도범위에서 증발이 일어나는 냉동기에 사용되는 냉매나 탄화수소 계통의 유기매체를 작동유체로 사용하는 저온 증기 열 동력 사이클로 상대적으로 저온에서 고압의 증기가 얻어지므로 저온 열원을 이용하여 고효율의 동력을 발생시킬 수 있다. 증기 동력 사이클 시스템은 작동유체의 일부 또는 전부가 액상(Liquid phase)과 기상(Vapour phase)으로 상이 변하면서 터빈을 구동하여 열에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 열 동력 기관으로, 다른 열 동력 기관과 달리 열전달 특성이 이상적인 열기관인 카르노 사이클과 유사하다.

유기 랭킨 사이클 시스템과 기존의 랭킨 사이클 시스템의 차이는 작동 유체에 있으며 그 밖의 원리와 시스템 구성은 차이가 없다. [Fig. 4]는 이상적인 기본 랭킨 사이클 시스템의 구성도와 온도 엔트로피(T-S) 곡선을 나타낸 것으로 T-S 곡선에서 카르노 사이클은 a-b-c-d 과정을 순환하는 반면에 랭킨사이클의 경우 1-2-3-4 과정으로 열 교환 과정과 압축팽창 과정으로 구성되어 있다.

[Fig. 4]  
T-S Diagram of ORC System

유기 랭킨 사이클에서 응축기와 증발기의 온도 그리고 작동유체가 결정되면 작동 유체의 열역학적 물성 값표나 방정식에 의해 각 점의 엔탈피를 구할 수 있으며, 사이클의 입력 열량, 출력 및 시스템 성능은 다음과 같이 계산된다.

메탄(CH₄)을 주성분으로 하는 천연가스(NG; Natural Gas)는 지구상에서 기체상태로 유전 및 가스전에 매장되어있으며, 끓는점이 약 -162℃이고 임계온도가 -82.5℃이다. 액화상태에서 기체상태의 1/600로 수축하여 운반 및 저장의 목적으로 액화하여 액화천연가스(LNG, Liquefied Natural Gas)상태로 산지에서 육상탱크에 저장되고, 주로 LNG 운반선에 의하여 운송되어지고 있으며, 수급지에서는 저장탱크에 보관된 LNG를 다시 NG로 기화시켜서 난방연료 등으로 공급하게 된다.

LNG가 극저온에서 상온으로 기화하는 과정에서 약 840kJ/kg의 냉열을 방출한다. 이때 발생하는 냉열을 효과적으로 활용하기위한 방안들과 육상의 LNG Re-gasification Plant의 효율을 높이는 연구들이 활발하게 진행되고 있다.

일반적인 ORC 개념에서는 해수를 냉각수로 사용하지만 Cryogenic ORC에서는 해수를 열원으로 사용하고 LNG를 냉각 열로 사용한다.

[Fig. 5]에서와 같이 작동유체는 해수에 의해서 증발기에서 증발하여 터빈을 구동하고 응축기에서는 LNG의 냉열에 의해서 액화되어 펌프로 순환되어진다. 한편 LNG는 터빈을 구동한 작동유체를 열원으로 하여 기화되어진다.

[Fig. 5]  
Concept of Cryogenic LNG ORC system

해외 사례를 보면 일본의 Osaka Gas는 1979년부터 LNG Cryogenic ORC 발전 시스템을 설치하여 30년간 운전하여 적용하고 있고 이산화탄소 배출 감소 효과를 보고 있다. 자료에 의하면 150 ton/h LNG Cryogenic ORC 발전시스템은 연간 15,000 ton의 이산화탄소 배출을 줄이는 효과가 있다.

천연가스는 산지마다 메탄 (CH₄)의 성분비가 차이가 있다. <Table 1>은 일반적인 LNG 선박의 화물창의 설계 기준이 되는 화물 구성비 기준의 사례이다. 본 연구에서는 LNG의 성분 기준을 <Table 1>의 기준으로 적용하였다.

시스템의 설계와 해석에는 상용 공정해석 프로그램인 Aspen사의 HYSYS 10.0v을 사용하였으며 상태방정식(Fluid Pacakge)은 Peng-Robinson을 적용하였다.

Peng-Rovinson 방정식은 다음과 같이 정의되어진다.

엔탈피 계산은 다음 식(10)으로 계산되어진다.

엔트로피 계산은 다음 식(11)로 계산되어진다.

열교환기의 Heat balance는 식(12)와 같이 정의되어진다.

총 열전달양은(Duty)은 식(13)과 같이 정의되어 진다.

U = overall heat transfer coefficient
A= surface area available for heat transfer
ΔT_LM = log mean temperature difference(LMTD)
Ft = LMTD Correction Factor

LNG선의 화물창에서 외부의 열 침입으로 증발하는 가스를 Boil Off Gas(BOG)라고 한다. LNG선 화물창의 종류나, 화물창의 면적, 보온을 적용하는 방법에 따라 차이가 있으나, LNG 선박의 화물창의 Daily Boil Off Rate(BOR) 설계기준은 일반적으로 0.15% (per day) 이다.

BOR의 설계 기준은 순수 메탄(CH₄)을 기준으로 하여 비중(Specific density)은 425 kg/m³이다. LNG 선박의 크기는 화물의 부피를 입방미터(M³) 로 구분한다. 따라서 설계기준으로 하면 138K급의 LNG선박에서 하루 발생하는 BOG 발생량은 총 87,975 kg/day, LNG가 기화되어지고 시간당 3,666 kg/h가 기화된다. 200K급의 LNG선박에서는 127,500 kg/day, 5,313 kg/h이고, 260K급에서는 165,750 kg/day, 6,906 kg/h의 LNG기화되어진다.

LNG 선박에서 이렇게 화물창에서 발생하는 BOG는 선박의 추진 장치의 연료로 사용되어진다. 따라서 전통적인 LNG선박의 추진 장치로는 천연가스 연소를 쉽게 할 수 있는 보일러와 스팀터빈의 조합으로 적용이 되었고, 근래에는 선박 디젤 엔진기술의 발달로 천연가스와 디젤을 사용하는 이중연료 발전기와 전기모터의 조합 또는 직접 2행정 디젤엔진인 기관에 연료로 적용하는 엔진이 개발되어 적용되고 있다.

어떤 추진 방식이 적용되더라도 LNG 화물창에서는 끊임없이 BOG가 발생하게 된다. [Fig 6]에서와 같이 전형적인 LNG선의 설계개념을 보면 화물창에서 기화된 LNG는 VAPOR 배관을 통해서 기체상태로 LD(Low Duty)컴프레서로 들어간다. 이때의 설계 온도는 -120℃이고 배출되는 온도는 -80℃이다. LD컴프레서에 의해서 압축된 기체는 연료로 공급하기 위하여 스팀으로 가열되는 Warm-Up Heater에서 약 40℃의 온도로 가열되어 엔진룸으로 공급되어진다. 스팀을 만들기 위해 보일러에 추가연료가 소비되어지는 것이다.

[Fig. 6]  
BOG process of typical LNG carrier.

[Fig. 7]은 -150℃의 BOG를 40℃로 가열하는데 소요되는 열량을 선박의 크기에 따라 확인 한 결과이다. 138K LNG선에서는 1.715x10⁶ kJ/h, 476 kW가 소요되고 260K LNG선에서는 3.231x10⁶ kJ/h, 646 kW가 소요된다.

[Fig. 7]  
Heat flow BOG from LNG tanks

본 연구에서는 이렇게 필연적으로 LNG 화물창에서 발생하는 BOG로부터 냉열을 이용하여 Cryogenic LNG ORC를 적용하여 추가 전력을 생산하는 발전시스템을 설계하여 선박의 에너지 효율을 높이는 방안을 제시하고자 한다.

LNG FSRU의 건조는 불과 17년 전인 2001년부터 시작되었다. 현재는 26척의 LNG FSRU가 운용중이고, 2025년까지 약 50척의 LNG FSRU가 운용될 예정이다.

LNG FSRU는 육상에 LNG 탱크와 기화설비를 건설하는데 소요되는 경제적인 비용, 환경문제 및 민원 문제를 동시에 충족하기 때문에 더욱 빠르게 성장하고 있다.

LNG FSRU는 LNG 선박을 기초로 하여 LNG 양하지 터미널의 육상플랜트에서 적용되는 기화기의 기술이 접목된 선박이다. 기화기는 선박에 최적화하여 선수에 모듈 형식으로 탑재되어진다.

[Fig. 8]은 LNG FSRU의 개념도이다. 일반적인 LNG선과 동일하게 선적지에서 LNG 화물을 선적하고 양하지 에서는 LNG를 선박 자체에 설치되는 기화기(Re-Gasification Unit)를 이용하여 기화시켜서 별도의 터미널의 저장탱크나 기화장비 없이 직접 천연가스를 육상으로 공급할 수 있다.

[Fig. 8]  
Concept of LNG Re-gasification system

[Fig. 8]의 개념도에서와 같이, 화물창에서 공급되는 LNG는 육상터미널의 수급조건에 따라 High Pressure Booster Pump로 약 50bar에서 약100bar 승압되어 기화기로 공급되어지고 기화기에서 약 10℃의 온도로 기화되어 육상으로 공급되어진다.

LNG를 기화시키는 방법으로는 개방형(Open Loop)이나 폐쇄형(Closed Loop)시스템이 이용되어진다. 개방형시스템에서는 해수를 직접 열교환기의 열 교환 매체로 사용하여 LNG를 기화시킨다. 폐쇄형 시스템은 선박의 보일러에서 발생하는 스팀으로 Glycol Water(부동액)을 가열하여 열매체로 이용하여 LNG를 기화시킨다. 개방형 시스템은 해수가 극저온의 LNG에 의해 동결될 수 있는 위험이 있으므로 주로 해수온도가 높은 해역에 위치한 설비에 적용하는 것이 유리하다.

[Fig. 9]는 Open Loop에서 LNG를 기화시키는데 필요한 Heat flow를 계산하기위한 시스템 모델이다. 해석결과 -155℃, 120bar 가압된 상태에서 1,500 m³/h의 LNG를 10℃의 NG로 기화시키는데 소요되는 열량은 5.403x10⁸ kJ/h, 150 MW이다.

[Fig. 9]  
Heat flow calculation model of LNG Re-gasification

해수로 직접 가열하는 개방형 시스템을 적용하게 되면 열교환기의 입구와 출구에서 해수의 설계온도 조건에 따라 소요되는 해수의 유량이 결정된다. <Table 2>에서 입구 측의 온도를 20~30℃ 조건으로 하고, 출구 측의 온도를 15~20℃로 설계하였을 때 소요되는 해수의 유량을 확인할 수 있다.

해수온도가 높고 열교환기 성능이 높을수록 적은양의 해수로 LNG를 기화시킬 수 있다. 단, 해수가 응결되는 위험을 감소시키기 위해서는 충분한 설계 마진을 두는 것이 중요할 것이다.

Glycol Water를 간접 열매체로 사용하여 LNG를 기화시키는 Closed Loop 시스템에서는 열원으로 선박의 보일러에서 발생하는 스팀을 열원으로 사용한다.

[Fig. 10]은 LNG의 조건은 [Fig. 9]와 동일한 조건으로 하고, 부동액을 중간 열매체로 이용하고, 스팀을 열원으로 하는 폐쇄형 시스템을 설계한 것이다. 스팀의 공급조건을 170℃ 7bar의 압력으로 하였을 때 226,029 kg/h의 스팀이 공급되어져야 하고, Glycol Water는 90℃로 가열되어 LNG와 열 교환하는 조건으로 해석결과 Glycol Water의 용량은 2,885 m³/h의 유량이 필요하다.

[Fig. 10]  
Closed loop Re-gasification system configuration of LNG FSRU

이렇게 LNG FSRU의 Re-Gasification 시스템에서 LNG를 기화시킬 때 버려지는 열에너지를 이용하여 Cryogenic ORC 발전 시스템을 적용하면 선박의 에너지 효율을 높여 친환경 요구사항을 충족 할 뿐만 아니라 선박의 시스템을 단순하게 구성할 수 있을 것이다.

Cryogenic ORC에 적용되는 작동유체로는 실제 육상플랜트에서 사용되어지고 있는 R-290(C₃H₈)를 선정하였다. R-290은 냉매로 사용되는 프로판으로 지구온난화지수(Global Warming Potential; GWP)가 3.3으로 낮고 녹는점이 -187.7℃로 응결의 우려가 없고, 끓는점이 -42℃로 R-404A등의 대체 냉매로 사용되어진다. [Fig. 11]에서 프로판의 포화증기압 곡선에서 확인할 수 있는 바와 같이 25℃에서의 압력이 약 9.5 bar로 터빈을 설계하기에도 용이하다.

[Fig. 11]  
Saturation pressure and Temperature chart of R-290(Propane)

냉매인 R-290이 인화성이 높은 프로판 가스라는 인식으로 폭발의 위험성을 우려하는 부분이 있을 수 있겠으나, 이는 일반적인 선입견일 수 있다. 본 연구자의 경험으로 CONOCO PHILIPS에서 발주하여 2003년 건조된 세계최대 크기의 LPG FSO의 화물 냉각시스템에 냉매로 R-290을 냉매로 사용하여 성공적으로 시운전을 수행하였고, 현재까지 안전하게 운용 중에 있다. 또한, 일본 LNG 기화 터미널의 사례와 같이 30년간 안전하게 운전되고 있다. 설비자체가 위험화물인 천연가스를 운용하는 장비이므로 안전관련 이슈는 보다 철저하게 관리되어질 될 것이다.

앞에서 확인한 LNG 선박에서 발생하는 BOG를 냉각 열로 사용하고 해수를 기화기의 열원으로 이용하는 ORC 발전시스템의 적용을 위하여 [Fig. 12]와 같이 설계하였다.

[Fig. 12]  
System configuration of Cryogenic ORC(for BOG & Re-Gasification)

다음은 260K LNG선의 BOG를 기준으로 설계하고 해석한 결과이다.

화물창으로부터 발생하는 BOG(L1)의 온도는 -150℃로 정의하고 해수의 온도(S1)는 30℃로 정의하였다. BOG ORC 시스템의 최고 출력운전 조건이 될 것이다. BOG가 Re-Gasification Heater의 출구(L2)로 배출되는 온도는 열원으로 사용되는 작동유체 R-290의 끓는점을 고려하여 -45℃로 설정하였다. -45℃로 배출되는 BOG는 다시 해수에 의해서 가열되어 출구(L3)에서 20℃로 엔진룸으로 공급되어진다.

한편 작동유체 사이클에서 R-290은 30℃의 해수에 의해서 해수 열교환기에서 기화되어진다. 출구 측(R3)의 온도를 25℃에서 포화기체로 설정하고, 해수의 출구 측(S3) 온도는 27℃로 정의하였다. 해수에 의하여 증발된 R-290은 터빈을 구동하여 전력을 생산한다. 터빈출구 측(R4)에서 R-290은 -150℃의 BOG에 의하여 냉각되어 출구 측(R1)에서 -42℃로 액화되어진다. 액화된 R-290은 펌프에 의해서 가압되어 기화기로 다시 순환되어지며 순환 사이클을 형성한다. 이때 터빈에서 발생하는 전력은 100 kW이다.

<Table 3>에서 시스템을 구성하는 각 유체의 상태를 확인할 수 있다.

[Fig. 13]은 선박의 사이즈별로 0.15%/day BOG 발생량을 기준으로 Cryogenic ORC 발전시스템을 적용하여 생성 가능한 전력을 해석한 결과이다. LNG 선박에서 BOG를 이용하는 Cryogenic ORC 발전시스템을 적용하면 연료 사용을 목적으로 가열하는 불필요하게 소비되는 열에너지를 절감할 수 있을 뿐만 아니라 추가적으로 에너지를 생성할 수 있음을 확인할 수 있다.

[Fig. 13]  
The results of BOG ORC power system for different size of LNG carriers.

Re-Gasification ORC의 시스템 구성도는 [Fig. 12]에서 BOG ORC 시스템을 설계한 것과 동일하게 적용된다. 작동유체도 동일하게 R-290이 적용되어 진다.

Re-Gasification unit으로 들어가는 LNG의 조건은 [Fig. 9]에서 설정했던 조건과 동일한 조건으로 정의하였다. LNG의 온도는 -155℃, 120 bar 가압된 상태이고, 유량은 1,500 m³/h로 정의하고 최종 기화되어 공급하는 온도는 10℃로 설정하였다.

다음은 LNG FSRU에서 Re-gasification 시스템에 Cryogenic ORC 발전시스템을 적용하여 설계한 결과이다.

LNG 사이클에서는 -155℃, 120bar로 가압된 LNG가 Re-gas Heater로 들어가고 작동유체인 R-290에 의해서 가열되어 출구 측(L2)에서의 온도는 -50℃로 가열되고 다시 해수에 의해서 10℃로 기화된다.

한편 작동유체 사이클에서 R-290은 30℃의 해수에 의해 해수 열교환기에서 기화되어진다. 출구 측(R3)의 온도를 25℃에서 포화기체로 설정하고, 해수의 출구 측(S3)의 온도는 27℃로 정의하였다. 해수에 의하여 증발된 R-290은 터빈을 구동하여 전력을 생산한다. 터빈출구 측(R4)에서 R-290은 -155℃의 LNG에 의하여 냉각되어 Re-gas Heater 출구 측(R1)에서 -42℃로 액화되어진다. 액화된 작동유체는 펌프에 의해서 가압되어 해수기화기로 다시 순환되어지며 순환 사이클을 형성한다. 이때 터빈에서 발생하는 전력은 10,688 kW이다.

LNG FSRU에서 Re-gasification 시스템에 Cryogenic ORC 발전시스템을 적용하면 10 MW 급 발전기와 맞먹는 전력을 생성하여 선박의 에너지 효율을 높이고, 연료를 절감할 수 있음을 확인할 수 있다.