LNG recondensation은 LNG system으로부터 증발된 BOG (Boil Off Gas)를 재응축 (재액화)하는 공정으로서 이는 LNG 이송이나 저장시의 loss를 줄이고 환경오염도 줄일 수 있다. BOG응축을 위해 subcooled LNG를 이용하여 recondenser에서 mixing되어 일부는 tank로 return시켜 탱크의 온도를 유지시키며 boil off gas와 탱크 압력을 낮추는데 도움을 준다.
recondenser type으로는 in-line type과 spray type이 있다. in-line type은 compact하고 가볍고 비용이 낮다. 반면 spray type은 pre-cooled compressed BOG를 응축하여 power consumption을 최소화한다.
recondenser의 운전압력은 LNG/BOG의 비율에 큰 영향을 주며 BOG 처리와 LNG 냉열 회수를 최적화하며, BOG 재응축기는 주기적인 내부 검사가 필요하다.
Vertical-Type BOG Recondenser
LNG tank로의 unloading은 intermittent운전이지만 send-out 송출을 하는 loading운전은 연속운전이며 여기에 truck이나 train loading이 동시에 일어날 수도 있다. 이 과정에서 외부의 온도에 의해 LNG로부터 일정량의 BOG가 발생되며 gas flaring이나 venting을 방지하기 위해 processing이 필요하다.
가장 흔한 방법이 BOG recondenser를 통해 BOG를 재응축하며 BOG발생의 주요 factor는 다음과 같다.
먼저 LNG carrier, LNG tank, process equipment, piping으로의 steady state의 heat leak이며 다음으로 LP in-tank pump나 HP send-out pump처럼 rotating machine에 의한 에너지의 유입이 있으며 LNG carrier로부터의 unloading에 따라 치환된 vapor가 있으며 대기압력의 변화도 BOG 생성에 영향을 준다.
LNG 처리의 다양한 운전 모드에 따라 BOG생성량이 크게 차이가 나며 주요 모드중 LNG holding mode로서 LNG는 tank로 unloading되지 않고 NG user로의 send-out이 진행되는 것이며 아울러 gas send-out동안 동시에 LNG carrier unloading을 하거나 loading을 하는 경우이다.
이렇게 발생된 BOG를 압축하여 power generation을 위한 fuel로 사용할 수 있으며, 고압으로 압축하여 NG user에 공급할 수도 있고, 잉여 부분은 재액화하여 LNG 저장탱크로 return시키거나, 압축후 BOG recondenser로 보내 LNG로 액화할 수도 있다.
BOG recondenser는 LNG 증발기를 통해 연속적으로 send-out하는 LNG 터미널에 설치되며, 고압으로 압축하거나 BOG를 재액화하는 것은 많은 투자비와 운전비가 요구되며, 반면 저압으로 압축하여 주변에 fuel gas로 공급할 경우 user들이 있어야 의미가 있다. BOG recondenser를 포함하는 vapor handling system은 BOG desuperheater (BOG compressor suction온도를 낮추기 위함.), LP BOG compressor 그리고 BOG recondenser로 구성된다.
Process flow of a typical LNG receiving and regasification terminal
BOG의 재응축을 위해 BOG는 recondenser에 도입되어 subcooled LNG와 contact을 하게 된다. BOG recondenser가 5~10barg로 운전이 됨에 따라 LNG는 tank내부의 in-tank LP pump에 의해 가압 (subcooled)되어 recondenser로 도입된다.
LNG carrier로부터 unloading이 없는 holding mode에서는 BOG가 압축되어 recondenser로 보내며 LNG carrier로부터 unloading이 진행될 때에는 대부분의 BOG는 압축되어 LNG carrier로 보내 액체부피 감소만큼 compensation하고, 나머지 balance는 BOG recondenser로 보낸다.
Typical variable centrifugal BOG compressor curves (either by inlet guide
vanes or speed)
send-out동안 LNG는 pump로 가압 및 ORV에서 증발이 되어 도시가스 네트워크로 이송이 되며 send-out이 없다면 BOG recondensation을 위한 LNG가 available하지 않아 BOG handling을 위한 다른 방법을 고려해야 한다.
conventional BOG recondenser는 cocurrent downflow이며 packed bed에서 subcooled LNG와 BOG가 직접 접촉하여 BOG를 재응축하는 column type이며, recondenser bottom은 HP pump를 위한 surge역할의 hold-up section을 제공한다. 이 BOG recondenser는 LP pump, compressor와 HP pump사이에 위치하며 HP pump suction의 NPSH를 위해 적절한 높이로 설치된다.
BOG recondenser design
BOG recondenser의 배관연결, HP pump vent, minimum flow recycle, PSV, vent/flare option, padding gas등 전반적인 설계를 고려해야 한다.
BOG recondenser는 annular space type과 top packed-bed section type이 있다. 이 두 type은 cocurrent downflow로서 BOG와 subcooled LNG가 top으로 도입되어 아래방향으로 흐르면서 mixing이 된다. (countercurrent이고 static mixing BOG recondenser는 많이 적용되지는 않는다.)
Operation of an annular space BOG recondenser
Pressure control characteristics
BOG recondenser pressure control
annular space type은 annular space로 둘러쌓인 packed bed 중앙에서 LNG와 BOG가 contact하고, BOG recondenser annular space내 액체 level은 packed bed section으로 가는 inlet LNG 유량을 조절하면서 제어된다. 반면, packed bed 액위는 직접 제어되지 않고 BOG/LNG 비율에 따라 변하며 운전중 annular space와 center section에서의 LNG level과 vapor pressure는 각각 다르다.
Operation of an top packed bed BOG recondenser
top packed-bed section type은 top section의 전체 vessel 직경에 걸처 packing이 설치되며 bottom에는 HP pump를 위한 LNG inlet이 있다. level control은 bottom LNG inlet유량을 통해 제어된다. BOG 재응축을 위한 LNG는 top으로도 공급이 되며 packed bed 압력은 padding gas 도입과 BOG header로 배출외에, top으로 도입되는 LNG 유량을 조절하면서 제어할 수 있다.
BOG recondensers: Annular space type (left) and top packed-bed section type (right)
기계적 관점에서 annular space type이 설계나 제작측면에서 더 복잡하다. annular packed bed section은 top에서 support되어야 하고 bottom에서 진동이 있어서는 안된다. 그리고 packing교체를 위해서는 많은 decommmissioning과 reinstatement work이 필요하다. 반면, top packed bed section type은 모든 bed를 support하여 더 튼튼하고 dedicated removal nozzle을 통해 packing을 교체할 수 있다.
multi stage canned pump인 HP pump는 minimum flow protection을 고려한다. canned motor는 LNG로 cooling을 하며 pump가 항상 액체로 채워지고 저온 상태를 유지하기 위해 주변이나 mechanical energy로부터 input된 heat에 의해 발생되는 BOG는 vent되어야 한다. minimum flow recycle과 vent line은 BOG recondenser나 LNG tank로 보낼 수 있다.
recycle을 LNG tank로 보낼 경우 BOG recondenser의 압력이나 액위 제어에 영향을 주지 않고 아울러 BOG recondenser가 검사나 유지관리를 할 경우 연속적인 send-out이 가능하다. BOG recondenser로 연결시 BOG recondenser가 service하지 않을 때에 BOG는 vent되거나 flaring되어야 한다.
tank로 recycle하기 위해 900# SS 배관은 HP pump로부터 tank top으로 routing되어야 하며 이는 투자비외에 recycle을 통해 발생된 BOG로 인해 LP BOG compressor의 운전비도 커져야 한다.
HP pump가 BOG recondenser근처에 있지 않을 때 dedicated vent pot을 고려하여 NPSH조건을 맞추고 pump의 저온 상태를 유지할 수 있다. vent pot는 reverse-acting level control을 하며 outlet은 dedicated common vent header를 통해 여러 LNG tank로 연결이 된다. 만약 vent pot의 level control이 fail되면 LNG는 vent head로 spill되어 LNG tank로 가거나 vent 혹은 low point에 설치된 flare KO drum으로 갈 수 있다.
이는 아래 그림처럼 vent pot으로부터의 vent header가 sleeper나 pipe rack위의 low elevation을 지나 tank top으로 연결됨에 따라 low point가 생기며 이 곳에서 LNG가 trap되어 vent gas의 free flow를 방해할 수 있다. 이는 다른 HP pump의 vent pot control에 영향을 줄 수 있어서 HP pump들의 warming을 야기할 수도 있다.
BOG recondenser piping connections
반면 HP pump minimum flow recycle과 pump vent를 recondenser로 routing할 경우 simple design이 가능하다. pump vent와 common vent header는 BOG reconndeser top으로 slope을 주어 free vent gas flow가 가능하도록 해야 한다. level control이나 dedicated vent pot이 필요없고 아래 왼쪽 그림처럼 pump vent와 BOG recondenser가 pocket없이 equalizing되어 있다.
HP pump vent and minimum flow recycle connections to the BOG recondenser or tank(s).
HP pump의 minimum flow recycle은 BOG recondenser의 holdup section으로 연결이 되며 annular type BOG recondenser의 경우 annular section으로 연결이 된다. 하지만 minimum recycle이 packed section으로 연결될 경우 BOG recondenser top에서 pressure control을 방해함에 따라 추천되지 않는다.
주기적인 검사와 같이 장기간 shut down을 피할 수 없거나 연속적인 send-out에 대한 요구가 없을 경우에만 BOG recondenser로의 recycle이나 vent가 가능하다.
LNG vaporizer로부터의 padding gas는 NPSH와 pump의 안정적인 운전과 BOG recondenser의 최소 압력을 유지하기 위해 필요하며, BOG는 packed section top으로 들어오고 padding gas도 BOG inlet 부분으로 들어온다. 하지만 packed bed 아래나 annular space로 직접 도입과 같은 다른 위치로 padding gas가 유입된다면 추가적인 노즐이 필요하고 packed bed의 보강이나 추가적인 기계적 설계가 필요하다.
만약 packed bed가 fouling에 의해 blocked될 수 있다면 padding gas를 packed bed 아래에 도입할 수도 있지만 BOG recondenser는 O&G 분야에서 가장 clean한 service중 하나이므로 padding gas는 top으로부터 안전하게 도입한다.
PSV는 BOG recondenser top에 연결하되 BOG inlet이나 padding gas line상에 설치하고 packed section이 fouling으로 막힐 가능성이 있다면 packed bed 아래에 PSV를 연결할 수도 있다. 하지만 위와 마찬가지로 매우 clean하기 때문에 일반적으로는 top에 PSV가 위치한다.
BOG recondenser operational and maintenance bypasses
간혹 LP LNG 일부가 BOG recondenser를 bypassing하여 HP pump suction으로 연결될 수 있다. 이는 vessel cost를 줄이기 위해 holdup section의 크기를 줄이기 위함이며, 이는 BOG recondensation을 위해 LNG의 전량이 필요한 것이 아니기 때문이다. 하지만 BOG recondenser로의 유량이 증가하면 과도한 액위 증가가 되므로 이 때에는 operational bypass valve가 열려 HP pump로의 전체적인 LNG유량을 유지한다.
따라서 계기들의 기능, control valve, cold keeping bypass는 설계에 고려되어야 한다. 위와 같이 bypass line상의 FC2와 같은 추가적인 control로 인해 BOG recondenser size를 줄일 수 있게 된다. holdup time 자체가 중요하지는 않으며 LP LNG가 곧바로 HP pump에 연결될 수도 있다. (zero holdup time)
간혹 maintenance시점이 아니더라도 주기적인 점검을 위해 BOG recondener 내부 검사가 필요할 수 있다. 따라서 send-out운전중에 entry를 위해 BOG recondenser주변 bypass 및 keep cooling bypass 그리고 positive isolation을 고려해야 한다. 이 때 HP pump vent나 minimum flow recycle은 tank로 routing해야 하며 이를 위해 vent pot와 같은 추가적인 설비가 요구될 수 있다. 이러한 많은 단점때문에 maintenance/inspection bypass를 설치해야 하므로 BOG recondenser의 주기적인 offline 점검 대신 reliability based online inspection을 고려하기도 한다.
설계에 따라 platform을 설치하여 control valve를 높은 곳에 위치하기도 하지만, BOG recondenser를 위한 배관들은 dressed / clipped처리하여 S/S platform의 사용을 피하며 투자비도 줄일 수 있다. 아울러 유지관리 측면에서 control valve를 grade에 설치하는 것이 바람직하고 platform도 최소화하해야 하며, 아래 왼쪽 그림에서 운전원이 BOG recondenser top으로 올라가는 유일한 이유는 PSV 검사 및 maintenance이다.
BOG recondenser design with minimized platforms and control valves at grade (left) vs. a traditional platform design (right)
주요 사항을 요약하면 아래와 같다.
기계적 설계 관점에서 annular space type의 BOG recondenser가 더 복잡하여 비용도 크다.
HP pump vent와 minimum recycle은 LNG tank 대신 근처 BOG recondenser로 연결하여 운전의 복잡성을 최소화하고 투자비도 줄일 수 있다. 즉, tank로 연결하기 위해서는 HP pump vent pot이 필요하여 이는 flange, fire zone 그리고 level control fail시 운전상 어려움이 예상된다. 아울러 minimum flow recycle을 tank로 보낼 경우 900# long return line이 요구된다.
BOG recondenser로 별도의 padding gas nozzle 대신 BOG inlet line을 통해 padding gas가 들어간다.
BOG recondenser가 clean service이므로 PSV는 packed bed top의 BOG inlet line에 설치하여 dedicated nozzle이 필요없게 된다.
BOG recondenser bypass를 설치하여 BOG recondenser 크기를 줄일 수 있어서 오히려 전체적인 투자비를 줄일 수 있다.
BOG recondenser의 정기적인 점검에 대해 다른 방법을 적용하여 costly maintenance bypass를 고려하지 않을 수 있다.
control valve는 grade에 위치하고 platform의 추가를 최소화하며 배관은 가능한 dressed / clipped처리하여 설비의 복잡성과 투자비를 줄일 수 있다.
BOG recondenser data sheet
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