For inter-continental transportation, NG (natural gas) is usually transferred as a liquid form by LNG (lique-fied natural gas) carrier ship. In this process, LNG is under large heat influx condition from outside atmos-pheric environment because its storage tank is maintained at very low temperature. As a result, the LNG car-go ship inevitably generates a significant amount of BOG (boil-off gas) by this heat influx. Since continuous BOG generation brings about pressure increase of the LNG tank, BOG re-liquefaction system is needed for maintaining a design pressure of the tank. BOG re-liquefaction process consists of gas cooling, phase change and liquid cooling approximately from 300 to 114 K.
MR (mixed refrigerant) J-T (Joule-Thomson) refrigeration cycle is attractive for BOG re-liquefaction system due to its desirable potential feature for large liquefaction capacity and high thermodynamic efficiency. The working fluid of MR J-T refrigeration cycle is usually composed of methane, ethane, propane and nitrogen because of the high efficiency and the convenience of refrigerant supply from the LNG tank. However, the flammable MR gases cause some potential and explosive hazard especially in on-board applications.
One of the ideas for more efficient J-T refrigeration cycle is to replace J-T expansion part with a coordinated mechanical expansion device so that the lost expansion work can be harvested. This kind of hybrid MR J-T refrigeration cycle with flammable MR was suggested earlier for NG liquefaction cycle especially for onshore LNG cycle, which is a combined cycle with J-T expansions and a mechanical expander.
Another idea for more efficient MR J-T cycle is using a phase separator. Phase separator divides gas and liquid in stream. Separated liquid phase is used for precooling and separated gas phase is utilized for cooling at lower temperature after phase separation.
In this thesis, a HYBRID cycle with non-flammable MR is developed for re-liquefaction of vaporized lique-fied natural gas. First, the cooling target (LNG BOG) is critically analyzed to examine peculiar non-homogeneous cooling load. As a result, proper non-flammable MR is selected to maximize its cooling capaci-ty without suffering the freezing problem. The cycle design is optimized with a commercial software, Aspen HYSYS. The experimental verification is accomplished by selecting relevant mechanical components for the designed cycle.
The MR in the experiment is composed of R218 and Argon only. Since a small-size mechanical expander is not readily available, a cryocooler with an expansion valve is used to simulate the expansion cooling process. There is only one phase separator for experimental validation. Phase separation at cryogenic temperature is properly executed and the composition measurement at the exit of the phase separator makes it possible to determine the mass flow rate of each phase.
천연가스(natural gas, NG)는 대륙간 수송에 있어서 일반적으로 액체 상태로 액화천연가스(liquefied natural gas, LNG) 운반선에 의해 운반된다. 이 과정에서, LNG는 매우 낮은 온도로 유지되기 때문에 외부에서 큰 열 유입을 받는다. 그 결과로, LNG 저장 탱크에서 LNG 증발기체(boil-off gas, BOG)가 많이 생성된다. BOG 생성이 계속되면 LNG 저장 탱크의 압력이 올라가므로, 탱크 내부 압력을 적정 수준으로 유지하기 위하여 BOG 재액화 시스템이 필요하다. BOG 재액화 과정은 기상의 냉각, 상 변화 과정 및 액상의 냉각으로 구성되어있으며, 이 과정은 300 K 부터 114 K 까지 온도범위 사이에서 이루어진다.
혼합냉매 줄-톰슨 냉각 사이클은 큰 냉각 용량을 가지도록 구성이 가능하고 높은 열역학적 효율을 가지고 있으므로 BOG 재액화 시스템 구성에 용이하다. 혼합냉매 줄-톰슨 냉각 사이클의 작동 유체는 보통 메탄, 에탄, 프로판과 질소로 구성되어있다. 이들은 냉매로 뛰어난 성능을 가지고 있고, LNG 탱크로부터의 냉매 보충에 있어서 효율적이기 때문이다. 그러나 이러한 가연성 혼합냉매는 본질적으로 폭발의 위험성이 존재한다.
줄-톰슨 냉각 사이클의 효율 개선을 위한 방법으로 줄-톰슨 팽창 부분을 팽창기로 대체하여 팽창 과정에서의 손실되는 일을 재활용하는 방법이 있다. 이렇게 팽창기와 줄-톰슨 밸브가 결합된 냉각 사이클을 HYBRID 사이클이라 명명하고 가연성 혼합냉매를 작동 유체로 하여 NG 액화 사이클로 제안한 선행 연구가 있다.
줄-톰슨 냉각 사이클의 효율개선을 위한 또다른 방법으로 상 분리기를 사용하는 방법이 있다. 상 분리기는 유체에서 기상과 액상을 분리하는 장치이다. 분리된 액상은 예냉에 이용하고, 분리된 기상은 상 분리 후, 더 낮은 온도를 만들기 위하여 사용된다.
본 학위 논문에서는 LNG BOG 재액화를 목적으로 비가연성 혼합냉매를 사용하여 HYBRID 사이클을 개발하였다. 우선, 냉각 대상인 LNG BOG를 분석하여 불균일한 냉각 부하를 파악하였다. 그 결과를 바탕으로 냉각 부하에 적합한 냉각 용량을 가지고 있는 혼합냉매를 선택하였다. 이 부분에서 냉매가 어는점 문제를 고려하여, 얼 가능성이 있는 냉매는 제외하였다. 이후 사이클 설계에는 상용 공정 해석 프로그램인 Aspen HYSYS를 이용하여 수행하였다. 사이클의 실험적 검증에는 적절한 장치들을 이용하여 HYBRID 사이클을 구현하여 이루어졌다.
실험에 사용한 냉매는 R218과 Ar이며, 소형 팽창기를 구하는데 어려움이 있어, 냉동기와 팽창 밸브를 이용하여 팽창기에서 이루어지는 팽창 과정을 재현하였다. 실험 장치에는 1개의 상 분리기를 사용되었으며, 저온에서의 상 분리 및 상 분리된 조성의 확인을 수행하였고, 확인한 조성을 이용하여 각 상의 질량유량이 설계 결과와 일치하는지 확인하였다.
