The economical and environmental performance of utility system is an important issue because of its central role in industrial activities. Recently, many companies have been trying to reduce energy consumption due to the high oil price. Moreover, several environmental regulations such as Kyoto Protocol impose significant restriction on companies’ productivity. Especially in chemical or petrochemical industries which consume huge amount of energy, there have been many attempts to optimize utility network. However, optimization of an individual utility system seems to have very few chances to be improved. Although there are a few utility networks between subsidiary companies, there still remain significant energy saving opportunities in the whole industrial complex point of view.
In chapter 2, we suggested a useful mathematical tool, Steam Networking Matrices (SNMs) which mean source and sink companies’ matrices including steam connection information. Overall steam network can be easily represented by using the proposed tool. Illustrative example of steam network optimization shows that both total energy cost and $CO_2$ emissions of an industrial complex can be reduced by exchanging steam between source and sink companies. Although SNMs are intuitional tools which are able to express steam network information, it is difficult to model detail units or various utilities such as fuel or electricity.
Therefore, we developed a novel mathematical model for optimization of utility network within an industrial complex. Chapter 3 consists of three sections. The first section is a unit modeling using thermodynamic principles, mass and energy balances and process data. The second section is a development of multi-period MILP model for the integration of different process systems. The last one is a comparative analysis of the optimization results. The approach was applied to the Yeosu industrial complex considering multi-period utility demands. The results show that not only the total utility cost but also environmental greenhouse gas emission can be reduced by optimizing the utility network within an industrial complex.
Chemical or petrochemical plants are usually composed of many interconnected units that should satisfy process requirements under different circumstances such as varying prices, demands, or equipment shutdowns. Moreover, each unit needs to receive preventive and corrective maintenance. Conventionally, these issues are handled by installing additional units, which usually require excessive investment costs and might even cannot satisfy the specified utility demands for certain situations. Therefore, availability and reliability issues are considered in the design and optimization of a flexible utility network in chapter 4. The suggested method is based on a novel modeling and optimization framework that can address unit operation problems throughout several scenarios. Thereafter, it is possible to define maintenance and failure situations in different operating periods. Also, the proposed multi-period MILP model is robust enough to handle large and complex problems, and has the potential of achieving significant economic and environmental savings.
경제적/환경적으로 효율적인 유틸리티 시스템 구축은 에너지 소비가 많은 산업계의 입장에서 굉장히 중요한 문제라 할 수 있다. 최근 고유가에 따른 에너지 비용의 증가로 기업들의 에너지 최적화가 지속적으로 이뤄지고 있다. 여기에 교토의정서와 같은 범국가적 환경규제들이 늘어가면서 친환경 생산에 대한 관심 또한 높아지고 있다. 그에 따라 에너지 소비가 많은 화학/석유화학 기업들의 경우, 유틸리티 네트워크 최적화에 많은 노력을 기울여 왔다. 하지만, 개별 기업 차원에서의 에너지 최적화 기회는 그리 많지 않아 산업단지 전체 차원에서의 에너지 네트워크 최적화가 주목받기 시작했다. 기존에 시도된 계열사 차원에서의 유틸리티 네트워크는 그 규모가 크지 않을 뿐만 아니라 참여 기업도 적어, 에너지 최적화를 통해 실현할 수 있는 경제적/환경적 효과가 그리 크지 않기 때문이다.
2장에서는 스팀 생산/소비 기업간 스팀 연결 정보를 담고있는 스팀 네트워킹 행렬(SNMs)이라는 수학적 툴을 제안했다. 제안한 툴의 경우 산업단지 전체의 스팀 네트워크를 간결하게 표현할 수 있다는 장점이 있어, 이를 이용해 산업단지의 스팀 네트워크를 최적화 할 경우 전체 에너지 비용은 물론, 이산화탄소 배출 또한 상당부분 줄일 수 있었다. 하지만, 스팀 네트워킹 행렬로는 장치들을 세부적으로 모델링하거나 다른 유틸리티들을 동시에 고려하기 힘들다는 문제가 있어 한계로 지적됐다.
그 결과, 3장에서는 산업단지 내 유틸리티 네트워크 최적화를 위한 수학 모델을 개발하게 되었다. 제안한 방법론은 크게 3개의 단계로 나눌 수 있는데, 첫 번째 단계는 열역학 법칙과 물질/열 수지를 이용한 장치 모델링이다. 이렇게 만든 장치 모델은 multi-period MILP를 통해 하나로 통합되며, 마지막 단계에서는 최적화 수행 결과를 바탕으로 경제적/환경적 분석을 실시하게 된다. 이 장에서 제안한 방법론은 여수국가산업단지에 적용되었는데, 산업단지 전체에 걸친 유틸리티 네트워크 최적화를 통해 전체 유틸리티 비용뿐만 아니라 환경적으로 유해한 가스 배출까지 상당부분 줄일 수 있었다.
화학/석유화학 공장들의 경우, 많은 장치들이 유기적으로 연결되어 있는 경우가 많다. 이렇게 연결된 장치들은 가격이나 수요의 변동, 장치 조업정지와 같은 특수한 조건 속에서도 프로세스의 요구사항들을 맞춰야 할 뿐만 아니라, 정기적인 유지보수가 필요할 때도 많다. 과거에는 이런 문제들을 장치들을 추가함으로써 해결해 왔는데, 이 경우 추가 장치 설치비용이 많이 들 뿐만 아니라 유틸리티 수요를 맞추지 못할 때도 종종 있어 문제로 지적되었다. 이를 해결하기 위해 4장에서는 유효성과 신뢰도를 고려한 유틸리티 네트워크 최적화에 대해 제안하였다. 이 방법론은 장치 유지보수나 갑작스러운 조업정지와 같은 다양한 시나리오들에 기반한 것으로, 제안한 방법론을 이용할 경우 어떤 상황하에서도 유틸리티 네트워크를 안정적으로 유지할 수 있었다.
결론적으로 본 연구에서는 다양한 상황 하에서 적용 가능한 산업단지 유틸리티 네트워크 최적화 방법론을 제시하였다. 이 연구의 결과는 산업단지 전체 관점에서 유틸리티 네트워크를 최적화 함으로써 경제적, 환경적 이익을 실현하려는 정부나 기업 관계자들이 유용하게 사용할 수 있을 것이다.
